共需8学时.ppt

共需8学时,内容：2.1焊接化学冶金过程特点 2.2气相对金属的作用 2.3熔渣及其对金属的作用 2.4焊缝金属的净化及合金过渡,第2章 焊接化学冶金,2.1焊接化学冶金过程特点2.1.1焊条熔化及熔池形成2.1.2焊接过程中对熔融金属的保护2.1.3 焊接化学冶金反应区及其反应条件2.1.4 焊接工艺条件与化学冶金反应的关系,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、固态金属、熔渣。对焊缝金属的成分、性能，某些焊接缺陷（气孔、结晶裂纹）等有很大的影响。本章以 焊条电弧焊 焊接低碳钢/低合金钢 冶金问题为研究对象。,普通化学冶金和焊接化学冶金过程对比：普通化学冶金过程 对金属熔炼加工过程，在特定的熔炉中进行。焊接化学冶金过程 金属在焊接条件下，再熔炼的过程，焊接时焊缝相当于熔炉。二者共同点：金属冶炼加工。不同点：1）原材料不同 普冶材料：矿石、焦炭、废钢铁，母合金 焊接材料：焊条、焊丝、焊剂2）目的不同 普冶：提炼金属；调整状态 焊冶：对金属再熔炼，以满足构件性能,焊接原理就是用基本理论 分析在焊接条件下的特点，不同之处。,2.1.1焊条熔化及熔池形成1、焊条的加热及熔化（1）焊条的加热电阻热：焊接电流通过焊芯时产生的电阻热。（600650oC)电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量。（部分）化学反应热：药皮部分化学物质化学反应时产生的热量（极少）,2.1焊接化学冶金过程的特点,（2）焊条金属的熔化速度 焊条金属的平均熔化速度：单位时间内熔化的焊芯质量或长度称为,与焊接电流成正比,gM焊条金属平均熔化速度（g/h)G 熔化的焊芯质量（g）t 电弧燃烧的时间（h）I 焊接电流（A)P焊条的熔化系数g/(Ah),焊条金属平均熔敷速度：单位时间内真正进入焊缝金属的那一部分金属的质量称,gD焊条金属的平均熔敷速度（g/h)GD熔敷到焊缝金属中的金属质量（g）H焊条的平均熔敷系数（g/(Ah)）,损失系数：损失的金属质量与熔化的焊芯质量之比，称为=(G-GD)/G=(gM-gD)/gM=1-H/P H=(1-)P,熔滴：在电弧热的作用下，焊条端部熔化形成的滴状液态金属。熔滴过渡：,（3）焊条金属熔滴及过渡特性 a）熔滴的过渡形式,图焊条端部熔滴质量随时间的变化(低氢碱性焊条，反接),b)熔滴的比表面积和 与周围介质相互作用时间,熔滴的比表面积S：熔滴的表面积与其质量之比，称为。,熔滴越细，比表面积越大 I,R,S，利于冶金反应进行。熔滴 103104cm2/kg 熔池(0.313)10cm2/kg,熔滴与周围介质的平均相互作用时间：很短,0.011.0s内。,c）熔滴温度 实测手工电弧焊碳钢焊条:熔滴平均温度：1800-2400 熔渣平均温度：1600 熔池平均温度：1770100 电流越大温度越高，焊丝直径越细温度越高。,注：药皮熔化后（熔渣）的向熔池过渡：以薄膜的形式包在熔滴外面或夹在熔滴内同熔滴一起过渡。直接从焊条端部流入熔池或以滴状落入熔池。,2 熔池的形成,熔池：熔焊时，母材上由熔化的焊条金属与局部熔化的母材所组成的具有一定几何形状的液体金属。就像钢锭冶炼一样，不过体积小。,（1）熔池的形状和尺寸熔池为半椭球，几何尺寸：Hmax(深度）,Bmax（宽度）,L（长度）P2比例系数，取决于焊接方法和规范 2.4-5.5 I焊接电流 U焊接电压 该式适用于点状热源。比表面积：熔池(0.313)10cm2/kg,（2）熔池的质量和存在时间 质量：手弧焊：0.616g，一般小于5g 埋弧焊：最大100g。最大存在时间：几秒-几十秒 比熔滴长。tmax=L/v v：焊速平均存在时间：mp：熔池的质量：熔池液态金属的密度 Aw：焊缝的横截面积,（3）熔池温度 熔池中部温度最高，头部次之，其次是尾部。,熔滴平均温度：1800-2400 熔渣平均温度：1600 熔池平均温度：1770100,（4）熔池运动状态a）液态金属密度差引起自由对流运动b）表面张力差引起强迫对流运动c）熔池中各种机械力搅拌d）对焊接质量的影响,2.1.2焊接过程中对熔融金属的保护1、保护的必要性及目的 现象：氧氮显著提高 减少有害杂质 保护合金元素烧损 目的：减少和防止空气（氧、氮）进入焊接区，避免合金元素烧损，降低焊缝的性能。焊接化学冶金首要任务。,2、保护方式和效果真空：电子束焊(小于0.0133Pa）气体：TIG焊,CO2,MIG熔渣：埋弧焊气-渣：手工焊、药芯焊自保护：焊丝含脱氧剂，脱氮剂（非机械隔离空气）即便有保护（隔离空气），因药皮或保护气体的双刃特性，还需进行冶金处理，获得合适焊缝成分和性能，如合金过渡（焊接化学冶金的第二个任务）,3、焊条的组成（补充内容）,（1）焊芯-焊丝 作用：导电、填充金属。（2）药皮 作用：机械保护作用 冶金处理作用,药皮组成,稳弧剂:改善引弧性能和提高电弧燃烧的稳定性，原材料为易电离或电离势低的物质。如：K2CO3、CaCO3大理石、长石、钾水玻璃 造渣剂:造成具有一定物理性能、化学性能的熔渣，起到保护作用和改善焊缝成型。如：钛铁矿、金红石、萤石、长石（硅酸盐）等。造气剂:造气保护,有机物、碳酸盐.有机物如：木粉、淀粉、析出气体CO2、H，碳酸盐析出气体CO2，高温时产生CO。脱氧剂:降低药皮中或熔渣的氧化性和脱除金属中的氧。铁合金：锰铁、钛铁、硅铁等。合金剂:使焊缝补偿烧损和获得必要的合金成分。Fe合金、纯金属.,粘结剂:将涂料牢固的粘在焊芯上，参加冶金反应，如钠水玻璃、钾水玻璃与钠水玻璃混合。增塑性:便于用机器压制焊条，额外加入一些能改善涂料塑性或滑润性物质。如云母、白泥、滑石等。药皮组成总结：一系列氧化物（Ti，Fe，Mn、Si），碳酸盐（Ca，Na，K）、硅酸盐（SiO2的复合化合物）、纯Me，有机物及CaF2等。这个问题，下节课提问。书P83页。,2.1.3 焊接化学冶金反应区及其反应条件,分区域连续进行 焊条电弧焊3个反应区。,1、药皮反应区：指焊条受热后，直到焊条药皮熔点前发生的一些反应。温度：100-1200（钢材）反应：水分的蒸发、某些物质的分解和铁合金的氧化。气保护及气体氧化问题。,水分蒸发,结晶水分解,碳酸盐分解,铁合金氧化,1200100,2 熔滴反应区,熔滴形成、长大、脱离焊条、过渡到熔池之前所发生的反应。特点：温度高 18002400，过热度300900 与气体、熔渣的接触面积大。比表面积是炼钢的1000倍各相反应时间短 末端停留0.010.1s，弧柱区0.00010.001s，平均0.011.0s，速度2.510m/s熔渣和熔滴金属发生强烈的混合.反应最激烈，包括：气体的分解和溶解、金属的蒸发、金属及其合金成分的氧化与还原以及焊缝金属的合金化。,3 熔池反应区,熔滴和熔渣同熔化的母材混合形成熔池特点平均温度低：1600-1900（熔滴18002400）比表面积小：3130 cm2/kg（熔滴103104 cm2/kg）反应时间长：3-8S（SMAW）（熔滴0.011.0s）熔池温度不均匀、同一反应在不同区域可能向相反方向进行。熔池金属对流和搅拌运动，加速反应，利于排气排渣,分区域连续进行。,2.1.4 焊接工艺条件与化学冶金反应的关系,1、熔合比的影响 熔合比：焊缝金属中，局部熔化的母材所占的比例。,熔合比F1熔化母材的面积F2填充金属的面积,C0 某元素在焊缝金属中的质量百分数。Cb 该元素在母材中的质量百分数。Ce 该元素在焊芯中的质量百分数。熔合比,CW 焊缝金属中合金元素的实际浓度。Cd 熔敷金属中元素的实际质量百分数,焊缝金属的合金元素浓度：,焊缝金属的合金元素实际浓度：,2、熔滴过渡特性的影响（实质是工艺参数）,焊接电流I的变化 冶金反应不充分,焊接电压V的变化 U 弧长 冶金反应充分,滴,t,内容：2.1焊接化学冶金过程特点 2.2气相对金属的作用 2.3熔渣及其对金属的作用 2.4焊缝金属的净化及合金过渡,第2章 焊接化学冶金,2.2 气相对金属的作用2.2.1 焊接区的气体2.2.2 氮对金属的作用2.2.3 氢对金属的作用2.2.4 氧对金属的作用,2.2 气相对金属的作用,2.2.1 焊接区的气体 气体的来源和产生（1）气体的来源 焊接材料（主要），母材和环境气氛。（2）气体的供给途径 主要由直接输入或侵入的原始气体，物化反应产生的气体。,a.有机物的分解和燃烧,淀粉、纤维素和藻酸盐酸性焊条造气剂和增塑剂,产物：CO2,CO,H2及水气,220-320 分解50%；800 完全分解。,纤维素焊条烘干温度不超过150,b.碳酸盐和高价氧化物的分解 碳酸盐：CaCO3、MgCO3、CaMg(CO3)2作用：焊条造气剂分解：CaCO3 分解545，剧烈910 MgCO3 分解325，剧烈650 产物：CO2 氧化物焊条烘干多少?高价氧化物：Fe2O3和MnO2产物：O2和低价氧化物FeO和MnOPS:药皮反应区温度100-1200,c.材料的蒸发及冶金反应 吸附水，结晶水，金属蒸气，熔渣蒸气，一些冶金反应 d.直接输入或侵入 保护气，周围空气中的N2,O2,H2O，保护气体中的N2,O2,H2O。（3）气体的分解和电离 表1-11（书P32),产物：H,O,H2,O2（4）焊接区气体的成份 由N2,H2,O2，CO2,H2O,金属和熔渣的蒸气以及它们分解和电离的产物组成的混合物。红色5种气体对焊接质量有重要影响。它们与金属的作用分两种类型：a.气体在金属中的溶解。N2,H2,O2 b.与金属化学反应（特指氧化），O2，CO2,H2O,2.2.2 氮对金属的作用,来源：主要是焊接区周围的空气。氮与金属作用有两种情况。（1）不与氮发生作用的金属，即不能熔解氮又不形成氮化物，可用N作为保护气体。（2）与氮发生作用的金属，即能溶解氮又能形成氮化物，这种情况下就要防止焊缝金属的氮化。1、氮在金属中的溶解（1）原子形式溶于液态金属（平方根定律）（2）以NO形式溶入（3）以氮离子形式溶入,2、氮对焊接质量的影响（1）气孔（2）改变力学性能，强度升，塑性、韧性降。（3）时效脆化,3、影响焊缝含氮量的因素及控制措施,（1）控氮主要途径，加强保护，减少输入（与脱氧的差异）。（2）焊接工艺参数的影响（3）合金元素的影响,2.2.3 氢对金属的作用,1、氢在金属中的溶解（1）来源：焊条药皮、焊剂、焊丝药芯中水分，药皮中有机物、焊件表面杂质（锈、油）、空气中水分 第一类能形成稳定氢化物金属，放热反应，低温吸氢多。第二类不形成稳定氢化物的金属。溶解，吸热反应（如Al，Fe，Cu），温度升高，溶解度增加。（2）溶解机构,1).氢以原子形式溶入（平方根定律）2).以 溶入 3).以 溶入,2、焊缝金属中的氢及其扩散,（1）存在形式 扩散氢：氢以原子或质子形式存在的并可在金属晶格中自由扩散。（占8到9成）残余氢：氢原子扩散聚集陷阱（金属的晶格缺陷，显微裂纹和非金属夹杂物的边缘空隙）中，结合成分子不能自由扩散。总含氢量=扩散氢残余氢,（2）接头分布,近缝区氢含量与冷裂纹产生有密切关系,3、氢对焊接质量的影响,暂态现象：脆化、白点、经时效、热处理可消除 永久现象：气孔、冷裂纹，不可消除（1）氢脆 氢在室温附近，氢溶解在金属晶格中，引起钢的塑性严重下降现象。位错堆积-显微空腔-分子氢-内压。（2）白点 断面上，肉眼可见，直径0.53mm，中心处有气孔或小的夹渣，外围有塑性裂断的痕迹，象鱼眼似的也称“鱼眼”.产生原因：白点是在塑性变形阶段产生的。（3）气孔（4）产生冷裂纹产生区域?,4、控制氢的措施,（1）限制焊接材料的含氢量，烘干（2）清理工件及焊丝上杂质，去锈、油污、吸附水分（3）冶金处理，使氢生成不溶解于液态金属的氢化物。HF,OH.（4）焊后脱氢处理（5）调整焊接规范,2.2.4 氧对金属的作用,1、氧在金属中的溶解 来源：焊接材料及母材中含氧物质和焊接区周围的空气。对熔焊：氧与金属作用不可避免，重要的是减少氧含量，降低对接头造成的危害。液态Fe中溶解形式：原子态 和FeO。随温度升高溶解增加。固态Fe中存在形式：几乎不溶解氧，以氧化物、硅酸盐等存在。,2 氧化性气体对金属的氧化,（1）氧化还原反应判据,氧化物分解压氧化物分解达到平衡时氧的平衡分压，称为氧化物的分解压。反应系统中氧的分压,（2）自由氧对金属的氧化（包括对Fe,C,Mn,Si等）对C的氧化，生成CO(焊接区气体的冶金反应来源)。（3）CO2对金属的氧化 反应产物，FeO、CO(焊接区气体的冶金反应来源)只能防弹，不能防痒，低氢。（4）H2O气对金属的氧化 反应产物，FeO,H2,既增氢，又增氧。（5）混合气体对金属的氧化,3 氧对焊缝质量的影响,（1）力学性能下降（2）产生CO气孔，及飞溅（3）合金元素烧损（4）减少氢的危害,4.防止措施 一防二脱,内容：2.1焊接化学冶金过程特点 2.2气相对金属的作用 2.3熔渣及其对金属的作用 2.4焊缝金属的净化及合金过渡,第2章 焊接化学冶金,2.3 熔渣及其对金属的作用2.3.1 焊接熔渣及其性质2.3.2 活性熔渣对焊缝金属的氧化2.3.3 焊缝金属的脱氧,2.3 熔渣及其对金属的作用,2.3.1 焊接熔渣及其性质1、熔渣的作用（1）机械保护作用 隔离氮氧（2）冶金处理作用 除害，合金化（3）改善焊接工艺性能 燃弧，脱渣，成形2、熔渣的成分和种类（1）熔渣成分：大体由氧化物、氯化物、氟化物、硅酸盐类组成，是多种化学组成的复杂体系。,（2）熔渣分为3类 第一类 盐型 第二类 盐氧化物型 第三类 氧化物型,3、熔渣的结构理论,液态熔渣的结构有两种理论：分子理论和离子理论（1）分子理论 1).液态熔渣由化合物的分子组成的。自由氧化物及其复合物的分子，氟化物，硫化物等。2).氧化物及其复合物处于平衡状态,3).只有自由氧化物才能与金属作用,分子理论可简明的定性解释熔渣与金属之间的冶金反应,但不能解释一些重要现象，如导电性、电解等。,（2）离子理论,1).液态熔渣是由阴阳离子（简单和复杂离子）组成的电中性溶液,负电性大的元素以负离子形式存在负电性小的元素以正离子形式存在,2).离子的分布，聚集和相互作用取决于它的综合矩 z离子的电荷 r离子的半径（10-1nm）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,4、熔渣的性质,（1）熔渣的碱度分子理论认为熔渣中的氧化物按其性质可分为三类1).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根据分子理论碱度的定义为：B=(R2O+RO)/RO2 R2O、RO熔渣中碱性氧化物的摩尔分数 RO2 熔渣中酸性氧化物的摩尔分数碱度B的倒数称为酸度,B1 碱 B1.3碱B1 酸B1 中修正如下：,式中CaO、MgO、CaF2、SiO2 等以质量百分数计B11 碱 B11 酸B11 中 表1-19,p53,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.B2=aiMi（日本森氏法）Mi-渣中第i种氧化物的摩尔分数;ai-渣中第i种氧化物的碱度系数;B20 碱B20 酸B2=0 中,（2）熔渣的粘度（3）熔渣的表面张力（4）熔渣的熔点,2.3.2 活性熔渣对焊缝金属的氧化,1、扩散氧化焊接钢时，FeO既溶于熔渣又溶于液态钢。在两相中的含量符合分配定律:温度不变时，增加熔渣中FeO的含量，FeO将向熔池金属中扩散。TL,FeO 向钢中分配。同样温度下，在碱性渣中比在酸性渣中更易向金属中分配,分为：扩散氧化及置换氧化,2、置换氧化,当熔渣中含有较多的易分解氧化物，则与液态铁发生置换反应，使铁氧化，氧化物中的合金元素被还原。,T反应向右进行，发生在熔滴，熔池前部。lgKSi=(FeO)2Si/(SiO2)=-13460/T+6.04,2.3.3 焊缝金属的脱氧,1、脱氧的目的和选择脱氧剂的原则 目的：减少焊缝中的含氧量。在焊丝、焊剂或药皮中加入合适的元素或铁合金，使之在焊接过程中夺取氧。即脱氧剂。选取原则：脱氧剂应在焊接温度下比被焊金属对氧具有更强的亲和力。脱氧物不应溶于液态金属而应溶于熔渣，且熔点低、密度小。Mn、Si、Ti和Al常用于脱氧剂。化学冶金反应是按区域连续进行的，脱氧也不例外。,2、先期脱氧,发生区域：药皮反应区：Fe2O3+Mn=MnO+2FeOCaCO3+Mn=CaO+CO+MnO从而使气相的氧化性减弱，但脱氧不充分。3、沉淀脱氧（置换氧化的逆过程）发生区域：熔滴、熔池。溶解在液态金属中的脱氧剂和FeO直接反应，把铁还原，脱氧产物浮出液态金属。（1）Mn的脱氧 Mn+FeO=Fe+(MnO)（碱性的）（2）Si的脱氧 Si+2FeO=2Fe+(SiO2)（酸性的）（3）Si Mn联合脱氧 Mn/Si=37 MnOSiO2,4、扩散脱氧,发生区域：液态金属与熔渣。L=(FeO)/FeO TL降低渣中 FeO的活度，及在酸性渣中，脱氧效果好。,内容：2.1焊接化学冶金过程特点 2.2气相对金属的作用 2.3熔渣及其对金属的作用 2.4焊缝金属的净化及合金过渡,第2章 焊接化学冶金,2.4 焊缝金属的净化与合金化,2.4.1焊缝金属的净化2.4.2 焊缝金属的合金化（合金过渡）,2.4.1 焊缝金属的净化,1 氮对焊缝金属的危害及控制2 氢对焊缝金属的危害及控制3 氧对焊缝金属的危害及控制4 硫磷对焊缝金属的危害及控制,（1）、焊缝中硫的危害及其控制,1）硫的危害2）控制硫的措施限制焊接材料中含硫量用冶金方法脱硫脱硫剂：碱性氧化物、锰Mn+Fes=(MnS)+Fe LgK=8220/T-1.86 T K 有利于脱硫碱性氧化物脱硫：(MnO)FeS(MnS)(FeO)(CaO)FeS(CaS)(FeO),（2）、磷的危害及控制,1）磷的危害 2）控制磷的措施 a 限制焊接材料中含磷量 b 脱磷冶金反应 a）.FeO将磷氧化生成P2O5b）.使之与渣中的碱性氧化物生成稳定的磷酸盐2Fe3P+5(FeO)+3(CaO)=(CaO)3.P2O3+11Fe2Fe3P+5(FeO)+4(CaO)=(CaO)4.P2O3+11Fe,2.4.2 焊缝金属的合金化（合金过渡）,合金过渡（焊缝金属的合金化）：把所需的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属中的过程。1、合金过渡的目的及方式（1）合金过渡的目的 补偿，改善，特殊性能 a.补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成的合金元素的损失。b.消除焊接缺陷，改善焊缝金属的组织和性能。c.获得具有特殊性能的堆焊金属。,（2）合金过渡的方式,应用合金焊丝或带极应用药芯焊丝或药芯焊条应用合金药皮或粘结焊剂应用合金粉末,2.合金过渡过程的理论分析,（1）合金剂过渡方式 a.对焊丝合金过渡，焊丝熔化后合金元素就溶解在液态金属中。b.对药皮、焊剂和药芯。合金渣渣-液界面液态金属中溶解扩散搅拌均匀。（以下针对此种形式讨论）（2）合金过渡分区域进行 Kb0.4 熔滴过渡为主 Kb0.4 熔滴、熔池过渡（3）合金过渡时物质平衡 Md=M0-(Msl+Mox)Md-过渡到熔敷金属的合金量;M0-原始加入量 Msl-残留损失 Mox-氧化损失,3.合金过渡系数及其影响因素,（1）合金过渡系数,Cd-合金元素在熔敷金属中含量Ce-合金元素原始含量Cco-合金元素在药皮中的含量Ccw-在焊芯中的含量,应用：,（2）影响过渡系数的因素,a.合金元素的物化性质Cu、Ni、Co、Fe、W、Mo、Cr、Mn、V、Si、Ti、Zr、Al在1600各种合金元素对氧的亲和力 由左到右增强 b.合金元素的含量合金元素的含量,但增加一定时,趋于定值.c.合金剂的粒度 d.药皮的成分药皮或焊剂的氧化势合金元素与其氧化物共存时,合金元素与其氧化物与渣的酸碱性相同时,e.药皮重量系数 Kb,本章小结,本章以手工电弧焊焊接低碳钢和低合金钢的冶金问题为重点，从热力学的角度来阐明焊接化学冶金的一般规律。讨论了气相及熔渣对金属的作用、焊缝净化及合金过渡等,重点内容：一些重要概念，比如焊接化学冶金、熔化速度等等。焊接化学冶金各反应区特点N H O S P对焊接质量的影响及控制措施熔渣的结构及性质(碱度）焊缝金属氧化的各种具体途径及焊缝脱氧方法合金过渡的目的及方式,