第2章焊接化学冶金

1、第第2章焊接化学冶金章焊接化学冶金第第2章焊接化学冶金章焊接化学冶金2.1 焊接化学冶金的特征焊接化学冶金的特征2.1.1焊接区金属的保护焊接区金属的保护1.无保护的危害无保护的危害（1）焊缝含氧、氮显著增加。焊缝中的锰、硅、碳严重烧损.（2）焊缝机械性能显著变差。2. 保护的方式和效果保护的方式和效果（1）气体保护：气体的种类和纯度 活性气体、惰性气体、混合气体。含氮量0.0080.015%。（2）熔渣保护：埋弧焊的熔渣、焊条药皮和焊芯焊丝的药芯造渣剂焊接时形成的熔渣。埋弧焊含氮量0.0020.007%。（3）气-渣联合保护 焊条药皮焊接时形成的熔渣+气体，焊芯焊丝焊接时造渣剂形成的熔渣，造

2、气剂产生CO2气体。药芯焊丝焊接时通常还另加气体保护。保护效果较好。含氮量0.010.014%。 （4）真空保护 （5）自保护2.1.2焊接化学冶金的反应区的特点焊接化学冶金的反应区的特点焊接化学冶金反应区：药皮反应区，熔滴反应区，熔池反应区 。不同焊接方法化学冶金反应区不同、焊条电弧焊有三个反应区，熔化极焊气保焊有二个反应区，不熔化极气体保护焊一个反应区。1、药皮反应区的特点、药皮反应区的特点 固态时，发生蒸发、分解与化合等物理化学反应。 （1）水分蒸发 （2）某些物质分解 （3）铁合金氧化 一方面有机械保护作用；另一方面对焊条药皮终的合金元素有很大的氧化作用。即先期脱氧。 2、熔滴反应区的

3、特点、熔滴反应区的特点 (1）温度高，是焊接区温度最高的部分，达到了金属的沸点，约为1800 (2)熔滴的比表面积大，约为炼钢时的1000倍，因而与气相和熔渣的接触面积大。 ( 3）作用时间短。 ( 4）液体金属与熔渣发生强烈的混合。 熔滴反应区是焊接冶金反应最为激烈的部位，对焊缝的成分影响最大。 3、熔池反应区的特点、熔池反应区的特点 熔池反应区：熔滴+熔渣+熔化的母材 (1）熔池反应区速度比熔滴区低，且对整个化学冶金过程的贡献也比较小。(2)反应不同步， 熔池的温度分布极不均匀，前部温度高，发生母材金属熔化、气体吸收和氧化反应，后部温度低发生金属凝固、气体逸出和脱氧反应。（3）发生搅拌作用

4、，在电弧吹力和气流、温度不同物质密度不同、表面张力变化共同作用下发生搅拌，有利于气体逸出、夹杂物的浮出和焊缝的均匀化。2.1.3焊接化学冶金系统的不平衡焊接化学冶金系统的不平衡 1、焊接化学冶金系统是多相的反应系统、焊接化学冶金系统是多相的反应系统焊接方法不同，组成系统的相也不同。 （1）反应温度高；（2）参与反应的相数多、在界面上多相参与反应。（3）并受到传热、传质和动量的影响。难以判断反应方向、速度和限度。 2、焊接化学冶金系统是不平衡的反应系统、焊接化学冶金系统是不平衡的反应系统 （1）温度分布不均匀。（2）冷却快，反应时间短。（3）并受到传热、传质和动量的影响。2.2焊接区内气体与金属

5、的作用2.2.1焊接区的气体焊接区的气体1、气体的种类和来源、气体的种类和来源 （1）N2、O2、H2O、CO、CO2、H2、HF和金属、熔渣蒸气。（2）来源空气、焊材、母材。 1）焊条（药芯）有机物的分解； 2）碳酸盐和高价氧化物的分解 碳酸钙545开始分解，910剧烈分解；碳酸钙325开始分解，650剧烈分解；NaCO3、SiO2 、TiO2、CaF2使碳酸钙分解温度降低。 3）物质的蒸发 低熔点的物质的蒸发：Zn、Mg、Pb、Mn、KF、NaF、LiF。4)冶金反应产生的气体 5）空气的侵入。 HF、SiF4、H2等。 2、气体的分解和组分、气体的分解和组分 （1）H2O、CO、CO2等

6、分解成简单气体； N2、O2、H2等分解成原子或正离子+电子。 （2）气相的组分 P51表2-62.2.2 气体与金属的作用气体与金属的作用 1、气体在金属内的溶解、气体在金属内的溶解 （1）气体在金属内的溶解机理 双原子气体被金属表面吸附并分解成单原子，原子穿过表面溶入金属内部溶解。 （2）氮在金属中的溶解P52图2-7氢、氮在铁中的溶解度与温度的关系。 （3）氢在金属中的溶解 氢的来源 （1）氢的溶解度及影响因素 1）氢在铁中的溶解度与温度的关系P52图2-7氢在金属中的溶解度与温度的关系。 2）合金元素对氢在铁中溶解度的影响 提高氢在铁中溶解度的元素：Ti、Zr、Nb； 降低氢在铁中溶解

7、度的元素：Si、C、Al；（2）氢在焊缝中的扩散因为冷却快只有部分氢在熔池凝固时逸出，其余的氢以原子和正离子在焊缝中形成间隙固溶体，因原子半径很小，在焊缝金属中 自由扩散，所以称之为“扩散氢”。小部分氢扩散到金属晶格缺陷、显微裂纹和非金属夹杂边缘空隙处，结合为分子，不能自由扩散，称之为“残余氢”。氢对焊接接头性能和缺陷的形成影响很大，必须严加控制。影响熔敷金属含氢量的因素：焊后的放置时间；温度；焊接方法：P55表2-7金属的组织。（5）氧在金属中的溶解氧在熔池液态是以氧化铁和原子氧的形态存在，熔池凝固后其溶解度很小，多以氧化铁和硅酸盐夹杂物的形态在金属中。当钢中合金元素增加焊缝中含氧量降低。

8、2、氧化气体对金属的作用、氧化气体对金属的作用（1）自由氧对金属的作用 Fe + 1/2 O2 = FeO + 26.97kJ/mol Fe + O = FeO + 515.76kJ/mol （2）CO2对金属的氧化 CO2 + = CO + 1/2 O2 CO2 + = CO + OFe + 1/2 O2 = FeO + 26.97kJ/mol Fe + O = FeO + 515.76kJ/mol Mn + O = Mn O + Q（3）水对对金属的氧化 Fe + H2O = FeO + H2 (4)混合气体对金属的作用 除惰性气体外，其他混合气体都含氧，都有氧化性。 在焊接过程中，熔滴阶

9、段反应最强烈，熔滴阶段的反应时间（熔滴存在的时间）随着电弧电压的增加而变长。为减少金属的氧化， 尽量使用短弧焊。2.3焊接熔渣金属的相互作用；焊接熔渣金属的相互作用； 熔渣是指焊接过程中焊条药皮或焊剂熔化后，在熔池中参与化学反应而形成覆盖于熔池表面的熔融状非金属物质。它是焊接冶金反应的主要参与物质之一，起着十分重要的作用。熔渣在焊接区形成独立的相。2.3.1焊接熔渣及性质焊接熔渣及性质 1、熔渣的作用能够、成分和分类、熔渣的作用能够、成分和分类 （ 1）容渣在焊接过程中的作用 1）机械保护作用 焊接时形成的熔渣在熔池的表面上，使液态金属与空气隔离，阻止空气中的氧与氮进入，防止处于高温的熔池金属

10、受到空气的有害作用。 2）改善焊接工艺性能作用 良好的焊接工艺性能是保证焊接化学冶金过程顺利进行的前提。在焊条药皮中加入适当的物质，可师电弧引燃容易、稳定燃烧、飞溅减小，保护良好的操作作用、脱渣性、焊缝成型等。 3）冶金处理作用 熔渣和液态金属能够发生一系列的物理化学反应，对焊缝金属的成分有很大的影响。总之，控制熔渣的成分与性能，可以在横大范围内调整和控制焊缝的成分与力学性能。 2熔渣的成分与分类熔渣的成分与分类 根据成分，可以把罕见诶熔渣分为三大类： 第一类是盐型熔渣。它主要是由金属的氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物构成。它的氧化性极小，所以主要用于焊接活泼易氧化的金属。 如：CaF2NaF,

11、 CaF2BaC12NaF等。 第二类是盐氧化物型熔渣 其主要是由氟化物和强金属氧化物组成，氧化性比较小，主要用于各种的合金钢焊接。 如：CaF2CaOA12O3, CaF2CaOSiO2等。 第三类是是氧化物型熔渣 它主要是由各种金属的氧化物组成的。其氧化性教大，主要用来焊接低碳钢和低合金钢。 如：FeOMnOSiO2，CaOTiO2SiO2 三类熔渣中，其中，二 、三类应用广泛，第一类熔渣多用于焊接有色金属。 3、 熔渣的结构理论熔渣的结构理论 （1）分子理论 分子理论是以对焊渣（凝固后的熔渣）进行相分析和化学成分分析的结果为依据的。 1）熔渣由自由氧化物及其复合分子组成的。 2）氧化物及

12、其复合物处于化合与分解的平衡状态。 如：CaOSiO2SiO2 CaO 达到平衡时，平衡常数为K。这是放热反应。 3）只有自由氧化物才能参与和金属的反应。 4）可近似地用生成复合物的热效应来衡量氧化物之间的化学亲和力或复合盐的稳定性。 （2）离子理论（离子模型） 分子理论是研究熔渣电化学基础上提出的。 1）熔渣由阴离子和阳离子组成的电中性溶液。离子有简单离子，也有复合离子。2）离子的分布和相互作用由离子的综合矩决定的。 离子综合矩=离子的电荷/离子的半径离子综合矩大，其静电场强，与异性离子的结合力越大。阴离子中O2 -的综合矩大，阳离子中Si4+ 综合矩大。O2和Si4+ 能形成和SiO2+离

13、子团。3）熔渣与金属的作用过程是离子与原子交换电荷的过程 （Si4+）+ 2Fe= (Fe+ ) + Si (3)分子离子共存理论。4、熔渣的性质、熔渣的性质（1）熔渣的碱度 碱度是表征熔渣碱性强弱的一个量，是熔渣的重要化学性质，它与焊接熔渣冶金性能有着十分密切的关系 1）氧化物的分类 第一类是酸性氧化物 第二类是碱性氧化物 第三类是两性氧化物 2）熔渣碱度的计算 按照分子理论，熔渣的碱度B1可用于下列计算： ； 碱度的倒数为酸度。按碱度值大小，可以把熔渣分为碱性熔渣和酸性熔渣。理论上应以B1=1为分界线，即B1为碱性熔渣，B11为酸性熔渣。 ( 2)焊接熔渣的物理性能 （1）熔渣的熔点 熔渣

14、开始熔化的温度就是熔渣的熔点 ，体现为对熔池和焊缝保护及焊缝的成形的影响。一般比焊缝金属熔点低200450。 药皮开始熔化的温度为造渣温度。体现为对焊条端部和电弧的保护，对电弧的吹力、稳定性有直接影响。一般比熔渣熔点高100200。 （ 2）黏度 黏度是液体的主要物理性质之一，踏表示流体抵抗剪切或内摩擦力大小的性质。熔渣黏度越大，其流动性越差 1）长渣：随温度降低黏度增加缓慢的，因为凝固所需时间长的渣。含SiO2较多。2）随温度降低黏度迅速增加的，叫做短渣 含钛型、钛钙型的药皮属于短渣。 （3）密度 熔渣的密度必须低于焊缝金属的密度 （4）表面张力 1）影响熔滴过渡、焊缝成形、脱渣性、冶金化学

15、反应。 2）影响熔渣表面张力的因素 熔渣的温度 化学成分：形成离子键的氧化物表面张力大；形成共价键的氧化物表面张力小。 （5）线膨胀系数 熔渣的线膨胀系数主要影响脱渣性，即渣壳从焊缝表面脱落的难易程度。熔渣与焊缝金属的线膨胀系数差值 越大，脱渣性越好。 2.3.2熔渣对熔池金属的氧化熔渣对熔池金属的氧化 1、置换氧化、置换氧化 3（SiO2）+ 4Fe= 2(Fe 0 ) + 3Si3（MnO）+2Fe=(Fe 0 ) + 3Mn3（SiO2）+ 4Al= 2(Al203 ) + 3Si3（MnO）+2Al=(Al203 ) + 3Mn 2 影响置换氧化的因素影响置换氧化的因素 （1）渣的活性

16、 （2）温度 （3）反应平衡常数 3 扩散氧化扩散氧化 渣中的氧化物通过扩散进入被焊金属，而使焊缝增氧。 （1）扩散氧化分配 c常数L FeO即溶于渣，也溶于液态铁中。在一定温度下平衡，FeO在两相中的含量由分配定律所决定。L= w (FeO )/ wFeO分配常数越小分配常数越小,铁水含氧量越高。铁水含氧量越高。 分配常数不变，渣的分配常数不变，渣的Fe 0含量增加焊缝含氧量增加。含量增加焊缝含氧量增加。 （2）分配常数L的影响因素 1）温度的影响 分配常数L与温度成指数关系同时与渣的性质有关。 在SiO2饱和的酸性渣中：lgL=4906/T-1.877在CaO饱和的碱性渣中：lgL=501

17、4/T-1.980 温度越高L越小，金属的Fe 0含量越高 相同温度碱性渣L小，金属的金属的Fe 0含量高。所以含量高。所以碱性焊条、焊剂不加FeO，并加入较多的脱氧剂。2.3.3焊缝金属的脱氧。焊缝金属的脱氧。 脱氧：通过焊芯（丝）、药皮（芯）加入脱氧剂，使被焊接区金属氧化减弱或把被焊金属及合金元素从其氧化物中还原出来，从而降低焊缝中的含氧量。1、脱氧剂对氧的亲和能力 Ni、Cu、W、Mo、Fe、Cr、Nb、Mn、V、Si、B、Ti、Mg、C、Al弱 强2、先期脱氧、先期脱氧 在焊条电弧焊中，在药皮区脱氧剂与高价氧化物和碳酸盐分解出的CO2、O2 反应，降低电弧气氛中的氧化性。 药皮中大理石

18、、菱苦土CaCO3 = 2Ca 0 + CO2MgCO3 = Mg 0 + CO2脱氧 CO2 + Mn = MnO + CO2CO2 + Ti = TiO 2 + 2CO2SiO2 + Ti = TiO 2 + 2COCO2 +Si = SiO 2 + 2CO(1) 脱氧剂多为与氧亲和力大的元素多采用Mn、Si、Ti、Al (2) 脱氧不充分。3、沉淀脱氧、沉淀脱氧 沉淀脱氧：在熔池中通过熔入液态金属合金元素进行脱氧。，使被焊金属及合金元素从其氧化物中还原出来，从而降低焊缝中的含氧量，并使脱氧产物溶解到渣里去。（1）锰的脱氧 置换脱氧。 锰脱氧：（Mn）+FeO=Fe + （Mn0） 在酸性

19、熔渣中有大量的SiO2、TiO2，其脱氧产物MnO与SiO2、TiO2生成MnOSiO2、MnOTiO2复合物降低了MnO活性，Mn脱氧效果好。（TiO2 呈酸性）因为Mn0是碱性氧化物，不能与CaO生成复合物，在碱性渣中脱氧效果差。锰多用来掺合金。锰多用来掺合金。（2）硅脱氧：硅脱氧：（Si）+2Fe0=(Si 0 3) + 2Fe在碱性渣中其脱氧产物SiO2、与CaO等生成复合物、提高了Si的脱氧效果。但易生成夹杂物。（3）硅锰联合脱氧其脱氧产物MnO与SiO2生成MnOSiO2复合物，密度小，熔点低易从熔池中浮出。（3） 铝脱氧： 2（Al）+ 3FeO= (Al203 ) + 3Fe铝

20、脱氧生成Al203熔点高，易在钢中生成夹杂物、且焊接时使焊条工艺性变差（增加飞溅），故很少使用。钛与氧亲和力大，很难到达熔池，所以只能作为先期脱氧。 4、扩散脱氧、扩散脱氧扩散脱氧：利用氧化物能溶于熔渣的特性，通过扩散使氧化物进入熔渣中，降低焊缝中的含氧量。（1） 扩散脱氧的条件：金属氧化物即能溶于熔池金属，又能溶于熔渣。一般用于酸性熔渣。如：FeO。（2） 分配定律L：同时溶于互相接触的两种溶剂的熔质，在一定温度下在两种溶剂中的浓度比为一常数。 FeO在熔渣和熔池铁水之间的运动遵循分配定律。 L=（FeO）/FeO （FeO）= LFeO当（FeO）LFeO时 ， FeO 向熔渣扩散；当（F

21、eO）LFeO时。 FeO 向铁水扩散；。酸性熔渣利用SiO2、TiO2多，使FeO生成FeOSiO2、FeOTiO2复合物，使熔渣FeO浓度减少，实现FeO 向铁水扩散；酸性熔渣以扩散脱氧为主。酸性熔渣以扩散脱氧为主。碱性熔渣SiO2、TiO2少，生成FeO生成FeOSiO2、FeOTiO2复合物的机会少，增加了渣中FeO的浓度。不利于扩散脱氧。酸性熔渣以硅、钛脱氧为主。酸性熔渣以硅、钛脱氧为主。2.4 焊缝金属的净化与合金化焊缝金属的成分对焊缝的组织和性能影响极大。所有要尽量减少焊缝中有害元素氮、氢、氧、硫、磷的含量。同时向焊缝中添加有益合金。2.4.1氮对焊接质量的影响及控制1. 氮对焊

22、接质量的影响：（1） 生成气孔；（2） 氮冷却后一部分以过饱和形式存在于固溶体中，另外一部分针状Fe4N分布于晶粒边界或晶内，阻碍位错运动。（3）使焊缝时效脆化 强度和硬度提高，塑性和韧性下降。向焊缝中加钛、铝、锆元素形成稳定氮化物时，能抑制或消除时效脆化现象。2. 氮的控制 1） 加强保护；（2）短弧焊、直流反接；（3）利用有益元素脱氮、固氮。（4）适当适当增加焊丝或焊条中的C含量，C降低氮在铁中的溶解度，焊接时CO、CO增加熔池的沸腾作用，有利于氮的逸出。2.4.2 氢对焊接质量的影响及控制氢对焊接质量的影响及控制1.氢对焊接质量的影响 （1） 氢脆 扩散氢向显微缺陷空腔处聚集 成为分子氢

23、，造成巨大的压力而引起。（2） 氢白点； （3） 形成气孔：（4） 产生延迟裂纹。 2. 氢的控制 （1） 控制氢的来源 1） 焊材少选含氢的原料。 2） 清除工件和焊丝表面的油、锈。 3） 焊条烘干。 （2） 采取冶金措施脱氢 1）焊材中加氟化物CaF2 + H2 = Ca + 2FHCaF2 + H2 O = Ca0 + 2FH 在高硅焊剂中加萤石CaF2 + 3SiO3 = 2SiF4 + 2 CaSiO3 SiF4 + H2 = SiF + 3FHSiF4 + 2H2O = SiO2 + 4FH 2） 增加焊接材料的氧化性CO2 + H2 = C O + 2OHFe2 O3 + 1/2

24、 H2 = 2Fe O + OH 加入过多的脱氧剂，焊接区氧化性减小，H。 3）焊接材料中加微量的稀土，H。 （3）工艺措施 1）控制焊接参数：低电流熔滴尺寸比表面积，熔滴吸氢量。使用直流反接。2）焊后脱氢处理。 脱氢工艺对焊缝含氢量的影响 P76 图2-262.3.4氧对焊接质量的影响及控制氧对焊接质量的影响及控制 1、氧对焊接质量的影响 （1）使焊缝金属力学性能； （2）影响焊接过程稳定性，使飞溅； （3）生成气孔，有时影响生成裂纹。 2、氧的控制 （1）限制焊材含氧量； （2）选择合适的焊接方法和工艺参数 P77 表2-7 ； 低电压（用短弧焊）； （3）使用脱氧措施。 （4）清除焊接坡

25、口及附近的氧化皮和气割残余物。2.4.4 硫对焊接质量的影响及控制硫对焊接质量的影响及控制 1、硫的危害 （1）FeS与FeO和Fe生成低熔点共晶，其熔点分别为940 CO 和988CO.形成热裂纹。 （2）降低钢的韧性和耐腐蚀性。2、控制 （1）降低母材、焊材中硫的含量。 （2）采用冶金法脱硫。 1）锰脱硫 （Mn）+FeS=Fe + （MnS） 2）利用碱性氧化物脱硫 （MnO）+FeS=(FeO) + （MnS） （CaO）+FeS=(FeO) + （CaS） （MgO）+FeS=(FeO) + （MgS） 3）用稀土脱硫2.4.5 磷对焊接质量的影响及控制磷对焊接质量的影响及控制 1、

26、磷的危害磷Fe2P和Fe3P形式存在于钢中。Fe3P与Fe生成低熔点共晶，其熔点分别为1048CO ，.形成热裂纹倾向大。与Ni生成Ni3P，Ni3P+Ni生成低熔点共晶，其熔点为870CO.，形成热裂纹倾向大。降低钢的韧性和脆性转变温度。当钢中碳含量增加时，其危害更大。 2、磷的控制 （1）降低母材、焊材中硫的含量。 （2）采用冶金法脱磷。 碱性氧化物脱磷 5（FeO）+2Fe 3P=11Fe + （P2O5） （P2O5）+ 3（CaO）= (（CaO）3P2O5) （P2O5）+ 4（CaO）= (（CaO）4P2O5)2.4.6焊缝金属的合金化焊缝金属的合金化1、目的补偿焊接时合金元素

27、的蒸发和烧损；消除焊接缺陷和改善焊缝性能；获得特殊的堆焊层或实现异种金属的焊接。 2、 合金化的方式 用合金焊丝（带）；药皮或焊剂；用合金粉末或药芯。 3、合金过渡系数 （1）某合金元素在熔敷金属中实际质量分数与焊接材料中原始质量分数之比。 = w (Md )/ wMe w (Md ) 某合金元素熔敷金属中实际质量分数；wMe 某合金元素焊接材料中实际质量分数。（2）合金过渡系数的影响因素1）合金元素的沸点、与氧的亲和力。沸点，合金过渡系数；与氧的亲和力，合金过渡系数 2）合金元素的含量及颗粒度合金元素的含量，合金过渡系数，但合金元素的含量增加到一定含量时趋近于稳定值。颗粒度，合金过渡系数。但颗粒度过大，则难于