焊接冶金学焊接化学冶金PPT学习教案

1、会计学1焊接冶金学焊接化学冶金焊接冶金学焊接化学冶金2第1页/共106页3 焊接化学冶金过程：熔化焊时，焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程。要点：各种物质包括气体、液态金属、熔渣。 2-1 2-1 焊接化学冶金的特殊性焊接化学冶金的特殊性第2页/共106页4第3页/共106页5 普冶材料：矿石、焦炭、废钢铁等。 焊金材料：焊条、焊丝、焊剂等。 2）目的不同 普冶：提炼金属；焊冶：对金属再熔炼，以满足构件性能第4页/共106页6第5页/共106页7第6页/共106页8第7页/共106页9以低碳钢为例光焊丝在空气中无保护下焊接，其结果是：电弧不稳，飞溅严重，气孔多，工艺性能不好焊缝含0、N

2、量过高。Mn、C量下降，焊接时合金元素烧损严重机械性能下降。一、焊接区金属的保护一、焊接区金属的保护 1.无保护的危害第8页/共106页102.保护的方式和效果第9页/共106页11气保护气保护 用于保护熔池和溶滴的气体应是用于保护熔池和溶滴的气体应是惰性气体惰性气体，并在高温下不分解，或是，并在高温下不分解，或是活性的不溶于金属液体的双原子气体活性的不溶于金属液体的双原子气体( (CO2) )。第10页/共106页12CO2气体气体COCO2 2为无色无味气体，密度是空气的为无色无味气体，密度是空气的1.51.5倍，在常温下很稳定，但在倍，在常温下很稳定，但在高温下易分解。高温下易分解。CO

3、CO2 2气体密度大，受热后体积膨胀大，所以在隔离空气保护焊接熔气体密度大，受热后体积膨胀大，所以在隔离空气保护焊接熔池和电弧方面，效果良好。池和电弧方面，效果良好。但但COCO2 2气体为氧化性气体，在高温下将分解为气体为氧化性气体，在高温下将分解为COCO和和O O2 2： COCO2 2 CO + OCO + O2 2所以二氧化碳在高温时有强烈的氧化性。所以二氧化碳在高温时有强烈的氧化性。氩气氩气氩气为惰性气体，高温下不溶入液态金属，也不与金属发生化学氩气为惰性气体，高温下不溶入液态金属，也不与金属发生化学反应，因此，氩气是一种理想的保护气体。反应，因此，氩气是一种理想的保护气体。由于氩

4、弧温度高，因此一旦引燃，电弧就很稳定。由于氩弧温度高，因此一旦引燃，电弧就很稳定。氩弧焊一般要求氩气纯度达氩弧焊一般要求氩气纯度达99.9%99.9%，我国生产的工业纯氩，其纯度，我国生产的工业纯氩，其纯度可达可达99.9%99.9%，完全合乎氩弧焊的要求。，完全合乎氩弧焊的要求。氩弧焊对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求严格，否则就氩弧焊对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求严格，否则就会影响焊缝质量。会影响焊缝质量。第11页/共106页13熔渣保护熔渣保护 利用焊剂、药芯或药皮熔化形成的熔渣起到保护作用。对于埋弧焊来讲，焊剂及其熔渣的保护效果很好。利用焊剂、药芯或药皮熔化形成的熔渣起到保

5、护作用。对于埋弧焊来讲，焊剂及其熔渣的保护效果很好。防止金属氧化和吸气防止金属氧化和吸气另一方面向熔池过渡合金元素，提高焊缝性能另一方面向熔池过渡合金元素，提高焊缝性能 还可以减少散热，提高生产率，防止强光辐射还可以减少散热，提高生产率，防止强光辐射 第12页/共106页14 焊剂是由焊剂是由SiO2，MnO、MgO及及CaF等组成的硅酸盐。等组成的硅酸盐。焊剂保护的效果焊剂保护的效果形成熔融的液态焊剂薄膜，使熔池与空气隔绝，大大减少焊缝中的含气量，提高焊缝韧性。形成熔融的液态焊剂薄膜，使熔池与空气隔绝，大大减少焊缝中的含气量，提高焊缝韧性。延长熔池存在时间，加强了冶金反应，有利于气孔、夹渣的

6、析出。延长熔池存在时间，加强了冶金反应，有利于气孔、夹渣的析出。第13页/共106页15渣渣- -气联合保护气联合保护 通过药皮或药芯中的造渣剂和造气剂在焊接过程中形成熔渣和气体而共同起到保护作用。通过药皮或药芯中的造渣剂和造气剂在焊接过程中形成熔渣和气体而共同起到保护作用。 利用渣的良好的冶金反应和焊缝成型特点以及气体的优良电弧热效率和稳弧作用，可获得良好的熔池保护效果。如焊条的药皮及二氧化碳加药芯。利用渣的良好的冶金反应和焊缝成型特点以及气体的优良电弧热效率和稳弧作用，可获得良好的熔池保护效果。如焊条的药皮及二氧化碳加药芯。第14页/共106页16第15页/共106页17真空保护真空保护真

7、空度高于真空度高于0.0133Pa0.0133Pa的真空室内进行电子束焊接，保护效果最理想的。的真空室内进行电子束焊接，保护效果最理想的。第16页/共106页18自保护自保护 通过化学反应防止氧和氮进入焊缝的冶金保护办法。具体而言，自保护就是通过在焊丝中加入脱氧剂和脱氮剂，使由空气进入熔化金属的氧和氮反应生成氧化物和氮化物，并使其成渣。通过化学反应防止氧和氮进入焊缝的冶金保护办法。具体而言，自保护就是通过在焊丝中加入脱氧剂和脱氮剂，使由空气进入熔化金属的氧和氮反应生成氧化物和氮化物，并使其成渣。第17页/共106页19焊接方法不同，冶金反应阶段也不同。以手工电弧焊手工电弧焊为例，加以讨论 1)

8、 水分蒸发：100 吸附水的蒸发，200400 结晶水的去除，化合水在更高温度下析出2) 某些物质分解:形成Co，CO2，H2O，O2等气体3) 铁合金氧化 ：先期氧化，降低气相的氧化性第18页/共106页20第19页/共106页21特点特点: : ).温度高：18002400).与气体、熔渣的接触面积大 ：100010000 cm2/kg).时间短速度快 :0.01-0.1s;0.0001-0.001s).熔渣和熔滴金属进行强烈的搅拌,混合. 第20页/共106页22第21页/共106页23熔池中部温度最高，头部次之，其次是尾部。第22页/共106页24第23页/共106页25三、焊接化学冶

9、金系统的不平衡三、焊接化学冶金系统的不平衡 1.多相的反应系统 焊接化学冶金过程是分区域进行的，而且在同一区域的不同部位的反应方向和速度也是不同的。2.不平衡的反应系统第24页/共106页2622222NOOHHCOCO、1. 1.种类：种类： 金属及熔渣蒸气2.2.来源：来源：1)焊接材料 2)气体介质 3)焊丝和母材表面上的油锈等杂质。 4)金属和熔渣的蒸发产生的气体 第25页/共106页273.3.供给途径：供给途径： 一部分是直接输入或侵入的原始气体；一部分是直接输入或侵入的原始气体； 另一部分是通过物化反应所生成的气体。另一部分是通过物化反应所生成的气体。1)有机物的分解和燃烧:纤维

10、素的氧化分解2)碳酸盐和高价氧化物的分解32CaCOCaOCO61052222()71210mC H OmOmCOmH32MgCOMgOCO23lg(/)8920/7.54p COCaCOT 23lg(/)5785/6.27p COMgCOT 第26页/共106页28第27页/共106页292334264Fe OFe OO高价氧化物主要有Fe2O3和MnO2，它们在焊接过程中发生逐级分解生成大量的O2，增强了气氛的氧化性。34226Fe OFeOO223242MnOMn OO2334264Mn OMn OO34226Mn OMnOO第28页/共106页303)物质的蒸发及冶金反应物质的蒸发主要

11、取决于其本身的沸点或饱合蒸气压。在一定的温度下，沸点越低或饱合蒸气压越高的物质越容易蒸发。Zn、Mg 、 Pb 、 MnKF 、 LiF 、 NaF4)直接输入或侵入 N2、O2、H2O第29页/共106页31二、气体的分解和气相的组分二、气体的分解和气相的组分 （一）气体的分解（一）气体的分解 气体在焊接电弧的高温作用下将进一步分解，从而对气体与金属的相互作用产生显著的影响。CO2、H2O和N2、H2、O2、F2将分解为简单气体、个原子或离子与电子。这些反应单均为吸热反应。 分解度是指已分解的分子数与原有分子的总数之比，其大小与气体的种类和温度有关。第30页/共106页32双原子气体的分解度

12、与温度的关系分解度（）第31页/共106页33（二）气相的组分（二）气相的组分 气相的组分与焊接方法气相的组分与焊接方法、焊接材料和焊接规范有关。、焊接材料和焊接规范有关。 用低氢型焊条焊接时，气相中含用低氢型焊条焊接时，气相中含H H2 2、H H2 2OO很少。埋弧焊时气相中很少。埋弧焊时气相中COCO2 2 、 HOHO2 2少，气相的氧化性很小；焊条电弧焊时气相中少，气相的氧化性很小；焊条电弧焊时气相中COCO2 2 、 HOHO2 2较多，气相的氧化性增大。较多，气相的氧化性增大。第32页/共106页34二、气体二、气体 与金属的作用与金属的作用1. 1.气体在金属中的溶解；气体在金

13、属中的溶解； N2、H2和O22.2.气体与金属的化学反应。气体与金属的化学反应。 CO2、H2O和O2（一）气体在金属中的溶解(1) (1) 溶解反应热力学溶解反应热力学双原子气体在金属中的溶解机理：双原子气体在金属中的溶解机理：气体分子分解为原子，然后从金属表面层向金属深处溶解。气体分子分解为原子，然后从金属表面层向金属深处溶解。第33页/共106页35双原子溶解反应双原子溶解反应: :双原子溶解度双原子溶解度: : 22XX22()()()S XK Xp X单原子溶解反应单原子溶解反应: :单原子溶解度单原子溶解度: : XX()() ()S XK X p X 单原子溶解单原子溶解过程更

14、为简单和直接，过程更为简单和直接，只需只需原子穿过金属表面层向金属深处溶解。原子穿过金属表面层向金属深处溶解。第34页/共106页36第35页/共106页37第36页/共106页38第37页/共106页3922()2()H OOOH 氢以原子或质子形式溶入（气保焊） 以 溶入 （电渣焊）氢通过熔渣向金属中溶解时，氢先溶于熔渣，然后再以 向金属中过渡OH2()2()2 2FeOHFeOHOH第38页/共106页40 此时的溶解反应为吸热反应，故溶解度随着温度的升高而增大，并在一定温度下达到最大值 氢在金属中的溶解度与温度的关系第39页/共106页41 弧焊时氢的溶解度要大于平方根定律计算值。因为

15、氢原子和氢离子的存在。 第40页/共106页42Ti、Zr 、 Nb提高H的溶解度；Si 、 C 、 Al 降低H的溶解度 第41页/共106页43第42页/共106页44经焊后放置，一部分扩散氢会转变为参预氢或从焊缝表面逸出，故扩散氢减少，残余氢增加，总氢量降低。第43页/共106页45maxlg( )6320/2.734SOT 第44页/共106页46（二）氧化气体对金属的氧化（二）氧化气体对金属的氧化 气相中氧化气体与金属相互作用1).氧化还原反应方向的判据 分解压就是氧化物分解反应达到平衡状态时氧的分压，其数值越高，氧化物越易分解，金属越不易被氧化。 金属被氧化 金属被还原2(/)nm

16、p OMe O22()(/)nmp Op OMe O22()(/)nmp Op OMe O第45页/共106页47Cao、MgO、Al2O3分解压最小，最稳定；FeO的分解压较高，稳定性差。然而，FeO能溶于液态铁中，其分解压大为减少，使铁易于被氧化。 第46页/共106页482).自由氧对金属的氧化 3).CO2对金属的氧化 4).H2O气对金属的氧化 5).混合气体对金属的氧化 FeO(FeO)1Fe2OFeOFe2FeOCO 22FeHOFeOH气第47页/共106页49 在Ar+O2的氧化能力比Ar+CO2大。在所有混合气体中随着O和CO2含量的增加，合金元素的挠损量、焊缠中非金属夹杂

17、物和氧的含量都增加，因此焊缝金属的力学性能。采用氧化性混合气体焊接时，应根据其氧化能力的大小选择含有合适脱氧剂的焊丝。第48页/共106页50第49页/共106页51第三类 氧化物型熔渣，MnO-SiO2，具有较强的氧化性。E5015(J422),TiO2-SiO2-CaO第50页/共106页521).液态熔渣由自由氧化物及其复合物的分子组成液态熔渣由自由氧化物及其复合物的分子组成 自由氧化物自由氧化物: SiO: SiO2 2 , , CaO CaO , Al, Al2 2O O3 3 氧化物复合物：氧化物复合物：SiOSiO2 2CaOCaO第51页/共106页53)()()(22OSOC

18、OSOCkiaia当Tk自由氧化物浓度复合物浓度熔渣活性Tk自由氧化物浓度复合物浓度熔渣活性22aiaiC OS OC O S OQ3).只有自由氧化物才能与金属作用只有自由氧化物才能与金属作用() eeFOCFCO第52页/共106页542OSi负电性大的元素以阴离子形式存在负电性小的元素以阳离子形式存在 碱性渣中 少，氧以自由氧离子形式存在酸性渣中 多，形式复杂的离子. 之间形成离子团，极性键结合.2.F Cl O2.Ca K Fe2OSi2O44OSi693OSiOSi第53页/共106页552).离子的分布，聚集和相互作用取决于它的综合矩离子的分布，聚集和相互作用取决于它的综合矩 综合

19、矩综合矩=Z/r r=Z/r r=其子其子Z Z离子电荷（静电单位）离子电荷（静电单位） r r离子半径离子半径离子综合矩越大，静电场愈强，与其它离子作用力愈大离子综合矩越大，静电场愈强，与其它离子作用力愈大如如 综合矩最大综合矩最大110 nm,/TrZr4Si负离子 综合矩最大.二者可结合成或更复杂的离子当综合矩 r综合矩2O44SiO第54页/共106页56第55页/共106页57盐型简单结构均匀溶液盐型简单结构均匀溶液，氧化型熔渣，氧化型熔渣(J422)具有复杂网状，结构的化学成分更不均匀的离子溶液，盐具有复杂网状，结构的化学成分更不均匀的离子溶液，盐-氧化物型氧化物型(J507)比较

20、复杂的化学成分微观不均的离子溶液。比较复杂的化学成分微观不均的离子溶液。 3).3).液态熔渣与金属之间相互作用的过程是原子与离子交换电荷的过程液态熔渣与金属之间相互作用的过程是原子与离子交换电荷的过程离子理论离子理论由于离子交换电荷、运动、形成电流由于离子交换电荷、运动、形成电流.)(2 2)(24SiFeFeSi42422SiOSiOO3.3.分子离子共存理论：分子离子共存理论：第56页/共106页581).酸性氧化物 SiO2 TiO2 P2O52).碱性氧化物 K2O Na2O CaO MgO BaO MnO FeO3).中性氧化物 Al2O3 Fe2O3 Cr2O3第57页/共106

21、页59根据分子理论碱度的定义为：111miiinjjja wBa w2221223220.0180.0150.0060.014()0.007()0.0170.005()CaOMgOCaFNa OK OMnOFeOBSiOAl OTiOZrO式中CaO、MgO、CaF2、SiO2 等以质量百分数计B11 碱 (B11.3,才是真正的碱性渣） B1 1 酸 B1 1 中第58页/共106页60离子理论对碱度定义液态熔渣中自由氧离子的浓度定义为碱度液态熔渣中自由氧离子的浓度定义为碱度。- 渣中第k 种氧化物的摩尔分数 - 渣中第k 种氧化物的碱度系数;B20 碱B20 酸B2 = 0 中21nkkk

22、Ba xkakx第59页/共106页61无论是酸性还是碱性渣，加入CaF2，粘度都下降第60页/共106页62(2)温度对粘度的影响长渣:T, SiO2, Si-O短渣:T, 低氢型焊条的熔渣第61页/共106页633.3.熔渣的表面张力熔渣的表面张力实际上是气相与熔渣间的界面张力或相互接触的比表面能。化学键能越大表面张力越大.离子键: K2O Na2O CaO MgO BaO MnO FeO（表面张力大）共价键: SiO2 TiO2 P2O5（表面张力小）第62页/共106页644.4.熔渣的熔点熔渣的熔点药皮熔点:药皮熔化温度药皮开始熔化的温度称为造渣温度熔渣熔点:固态熔渣熔化温度熔渣的熔

23、点要与被焊的母材以及所用的焊丝或焊芯的熔点相匹配，焊接熔渣的熔点一般应比焊缝金属的熔点低200450，药皮的造渣温度一般应比焊缝金属的熔点低100250焊接钢的熔点在1150-1350第63页/共106页65（一）置换氧化：指被焊金属与其他金属或非金属的氧化物发生置换反应而导致的氧化(SiO2) +2FeSi+2FeOlgKSi=lg(FeO)2Si/(SiO2)=-13460/T+6.04T反应向右进行(MnO)+Fe=Mn+ FeOlgKMn= lg( FeO)Mn/(MnO)=-6600/T+3.16二、活性熔渣对焊缝金属的氧化二、活性熔渣对焊缝金属的氧化置换氧化和扩散氧化第64页/共1

24、06页66 活性熔渣对金属的氧化能力与其活性系数AF有关。对于熔炼焊剂而言，活性系数AF与焊剂组成物的质量分数w和焊剂的碱度B1有关，即AF0.6 高活性 AF=0.30.1低活性AF=0.6-0.3 活性能 AF 0.1惰性22222311 ()0.5 ()0.4 ()0.4 ()0.42()/FAw SiOw TiOw ZrOw Al OB w MnOB第65页/共106页67第66页/共106页68L=w(FeO)/wFeO酸性饱和SiO2 lgL= 4906/T -1.877碱性的饱和CaO lgL=5014/T -1.980 温度越高，L越小，说明FeO在高温时易向钢液中分配。因此，

25、扩散氧化主要在熔滴阶段和熔池的高温区。在相同温度下，碱性渣比酸性渣易使FeO向钢液中分配。第67页/共106页69在一定的温度下，增加熔渣中FeO的含量，FeO将向钢液中扩散，从而使焊缝中含氧量增加。第68页/共106页70三、焊缝金属的脱氧三、焊缝金属的脱氧先期脱氧，沉淀脱氧，扩散脱氧（一）脱氧的目的和选择脱氧的原则(1) 脱氧剂对氧的亲和力 Mn，Si，Ti，Al(2)脱氧产物的物理性质 脱氧产物不溶于液态金属；脱氧产物不溶于液态金属；熔点低，在焊接时最好为液态。熔点低，在焊接时最好为液态。这样的物理性质有利于脱氧产物在液态金属中聚合成大的质点，快速上浮到熔渣中。第69页/共106页71三

26、、焊缝金属的脱氧三、焊缝金属的脱氧（二）先期脱氧药皮反应区， 碳酸盐分解为O2和CO2 温度低，先期脱氧的效果不充分222nmnMemOMe O2nmnMemCOMe OmCO第70页/共106页72（三）沉淀脱氧：是指溶解在液态金属中的脱氧剂将被焊金属及其合金从其氧化物中还原出来，并使脱氧产物浮到熔渣中的脱氧方式。主要在熔滴和熔池中进行。常用的脱氧剂为Mn、Si1. Mn的脱氧Mn+FeO=Fe+(MnO) 放热反应，主要在熔池尾部的低温区。SiO2,TiO2 与MnO生成复合物有利于脱氧第71页/共106页73酸性渣中含有较多的SiO2和TiO2，它们能与脱氧产物MnO生成复合物MnO S

27、iO2和MnO TiO2第72页/共106页742. Si的脱氧Si+2FeO (SiO2) +2Fe提高熔渣的碱度有利于脱氧。然而，脱氧产物SiO2熔点高，易成为夹渣，不能单独用来脱氧3. Si/Mn联合脱氧Mn和 Si质量之比介于37，脱氧产物MnO与SiO2生成硅酸盐MnOSiO,有利于脱氧反应。 MnOSiO的密度小，熔点低，易上浮第73页/共106页75（四）扩散脱氧：是指被焊金属的氧化物通过扩散从液态金属进入熔渣，从而降低焊缝含氧量的一种方式。脱氧的程度由分配定律决定。(1) 扩散脱氧的效果主要与温度和熔渣的性质有关L=(FeO)/FeO T L ，FeO易向熔渣过渡在相同温度下，

28、酸性渣比碱性渣易使Fe向熔渣中分配(2) 扩散脱氧是不充分在熔池的尾部进行的，导致扩散脱氧第74页/共106页76 （一）氮对焊接质量的影响（一）氮对焊接质量的影响 1)促进焊缝中气孔的形成，金属凝固时氮气来不及逸出；2)改变焊缝的力学性能，氮能提高焊缝的强度和硬度，但会使焊缝的塑性和韧性降低；3)时效脆化，针状氮化物Fe4N，造成塑性和韧性下降。加入Ti，Al可形成稳定的化合物，可抑制这种脆化现象。1-4 1-4 焊缝金属的净化与合金焊缝金属的净化与合金一一 氮对焊接质量的影响及控制氮对焊接质量的影响及控制第75页/共106页77第76页/共106页78的溶解度。第77页/共106页79（一

29、）氢对焊接质量的影响（一）氢对焊接质量的影响第78页/共106页80塑性变形新产生的微裂纹表面上,分解成原子氢,原子氢扩散到微裂纹金属晶格内,引起金属脆化。第79页/共106页81第80页/共106页82第81页/共106页83第82页/共106页84222CaFHCaHF222CaFH OCaOHF2423232CaFSiOCaSiOSiF433HSFHSiiFF42224H OSiSHiOFF22222Na O nSiOH ONaOHnSiO222()2NaOHCaFCa OHNaF22322NaFH OCONaCOHF第83页/共106页85第84页/共106页862COHCOOHOHOH222OHOH第85页/共