第二章焊接冶金与焊接材料.docx

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1、第二章 焊接冶金与焊接材料几个概念（1）焊接冶金：熔化焊时，伴随着金属熔化、凝固、固态相变以及形成接头等过程，焊接区内的熔化的金属、熔渣与气体三者间所进行的一系列化学反应过程以及金属的结晶相变过程总称为焊接冶金过程。它研究焊接化学冶金与焊接物理冶金的基本规律，为制订各种金属材料的焊接工艺建立必要的理论基础。它对焊缝的化学成分和焊接质量（包括接头的力学性能、物理化学性能、金相组织及有无裂纹、气孔等工艺缺陷）有着决定性的影响。（2）焊接冶金过程的特点：电弧区温度高可达60008000；熔池体积小，存在时间短成分布均匀；熔池金属不断更新；反应接触面大，搅拌激烈；反应时间短0.010.1s。（3）焊接

2、化学冶金：熔焊过程中，焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程，称为焊接化学冶金过程，主要研究在各种焊接工艺条件下，冶金反应和焊缝金属成分、性能之间的关系及其变化规律。（4）焊接物理冶金过程：研究焊接条件下材料的物理冶金问题，对材料受焊后的组织、性能、化学成分的变化和产生缺陷的原因进行分析，为进一步提高焊接质量、防止各种焊接缺陷（特别是裂纹）提供理论依据。2.1 焊接化学冶金过程的任务与特点2.1.1 几个基本概念（1）母材金属：被焊金属材料的统称。（2）填充金属：焊芯或焊丝。焊条是指药皮里面的焊芯，其它熔化焊方法中指焊丝。（3）熔敷金属：完全由填充金属熔化后所形成的焊缝金属。由于熔滴在落入

3、熔池过程中与周围的熔渣和气体发生了激烈的冶金反应，所以它的成分和填充金属的有很大的不同。（4）焊缝：熔敷金属与熔化的母材金属激烈反应混合，构成熔池内的液态金属，冷却凝固后即形成焊缝。（5）熔合比（稀释率）：熔池中母材金属所占比例称熔合比。焊缝的成分取决于熔合比大小，熔合比数值与焊接方法、焊接规范、接头型式、坡口形式及母材热物理性质有关。当焊接异种金属或合金堆焊时，熔合比又可称为“稀释率”。2.1.2 焊接化学冶金的任务（1）首要任务就是对金属加强保护，防止有害气体的作用（2）焊接化学冶金的第二个任务就是对熔化金属进行冶金处理2.1.3 焊接化学冶金的特点普通化学冶金过程是对金属熔炼加工过程，在

4、放在特定的炉中进行。焊接化学冶金过程是金属在焊接条件下，再熔炼的过程，焊接时焊缝相当高炉。（1）二者共同点：金属冶炼加工。（2）不同点：原材料不同 普冶材料：矿石、焦炭、废钢铁等。焊金材料：焊条、焊丝、焊剂等。 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 焊接冶金和普通化学冶金相比也有它的特殊性，其中最重要的特点是：焊接冶金反应是分区连续进行的分区表示反应区不仅熔池一处，连续表示各区反应依次连续进行；各区的反应条件（反应物的性质和浓度、温度、反应时间、相接触面积、对流和搅拌运动等）也有较大差异。2.1.3.1 药皮反应区 温度范围从100到药皮的熔点（钢焊条约为1200）。也

5、就是说，在焊条端部的固态药皮中就开始发生物化反应，主要是水分的蒸发、某些物质的分解和铁合金的氧化。2.1.3.2 熔滴反应区是指从熔滴形成、长大、过渡到高速飞入熔池前这一阶段。该区有以下特点：（1）熔滴的温度高18002400；（2）各相之间的反应时间（接触时间）极短平均时间0.01-1S；（3）熔滴金属与气体和熔渣的接触面积大熔滴的比表面积（熔滴表面积与质量之比）要比炼钢时大1000倍，可达100010000 cm2/kg；（4）熔滴金属与熔渣发生强烈的混合，所以冶金反应最强烈，对焊缝成分影响最大。 在熔滴反应区进行的主要物化反应有：气体的高度分解；氮和氢的激烈溶解；强烈的增氧与渗合金；金属

6、的蒸发；去氢反应等。2.1.3.3 熔池反应区 指熔滴和熔渣落入熔池后，同熔化的母材混合，与此同时各相进一步发生物化反应，直至金属凝固，形成焊缝这一阶段。与熔滴反应区相比，该区具有如下特点：（1）平均温度低（16001900，低于熔滴温度）；（2）比表面积小（3130cm2/kg）；（3）反应时间稍长（手工焊38秒，埋弧焊625秒）；（4）搅拌没有熔滴阶段激烈，不过比炼钢要强烈的多，而且它反应的结果决定了焊缝最终的成分和性能；（5）熔池的突出特点之一是温度分布极不均匀：2.2 焊接熔渣焊接冶金过程是包括金属、熔渣、气体三者在内的一个体系，熔渣是其中一个极为重要的因素，这一节主要介绍熔渣的作用和

7、熔渣的物理化学性质两方面。2.2.1 熔渣的作用熔渣在焊接冶金过程中的作用主要有以下三个： 机械保护作用 改善焊接工艺性能的作用 冶金处理作用2.2.2 熔渣的组成钢焊条的熔渣是由各种氧化物及其盐类组成的，碱性焊条和焊剂形成的渣中还含有氟化物。 焊接熔渣中的氧化物按其性质可分为三类：酸性氧化物按酸性由强变弱的顺序有SiO2、TiO2、P2O5等；碱性氧化物按碱性由强变弱的顺序有K2O、Na2O、CaO、 MgO、BaO、MnO、FeO等；中性氧化物Al2O3、Fe2O3、Cr2O3等。这些氧化物是呈酸性还是呈碱性，决定于熔渣的性质。在强酸性渣中它呈弱碱性，在强碱性渣中它呈弱酸性。2.2.3 熔

8、渣的物化性质2.2.3.1 熔渣的碱度碱度是衡量熔渣酸碱性的指标，是熔渣的重要化学性质，其它物化性质都与碱度由密切关系，它可以反映熔渣的冶金反应能力和物理性质。熔渣的碱度的定义可以表示为： （2-1）为计算方便，氧化物含量也可以改为质量百分比： （2-2）根据B值就可以将熔渣分为酸性渣和碱性渣。当B1.3时为碱性渣；当B药皮的熔点熔渣的熔点温度差值：T=100-200。2.3 焊缝金属中的气体夹杂2.3.1 氢对金属的作用及控制一般熔焊时总是或多或少的氢与金属发生作用，而且氢是与所有金属都能够发生作用的活泼元素。对于大多数金属，氢是有害的，它是造成广泛采用的低合金高强钢焊接结构出现氢脆、冷裂纹

9、、氢气孔等缺陷的最主要原因。2.3.1.1 氢的来源（1）焊材中的水分（2）药皮中的有机物（3）焊丝和母材坡口表面上的铁锈、油污（4）电弧周围空气中的水分2.3.1.2 氢在金属中的溶解对于氢氧氮这样的双原子气体来说，必须分解为原子或离子才能溶于金属。一定温度下，气体在金属中的最大含量称为此气体的溶解度（氢的溶解度用SH表示）。氢在铁中的溶解度与温度的关系见图2-1。图2-1 氮、氢在铁中的溶解度与温度的关系（）从图2-1中可以看出：（1） 液态铁中当T2400时， 随温度升高，氢的溶解度增大（TSH）。（2） 在液固转变点氢的溶解度发生突变，急剧下降。这往往是造成氢气孔的主要原因。（3） 固

10、态组织的相变氢在不同晶体结构中的溶解度是不同的，一般在面心立方晶格的奥氏体钢中的溶解度要比体心立方晶格的铁素体+珠光体钢中的溶解度要大。2.3.1.3 氢在固态金属中的扩散固溶在钢焊缝中的氢原子和氢离子，由于半径很小，可以在焊缝金属的晶格中自由扩散，所以称为“扩散氢”。部分氢扩散集聚到晶格缺陷、显微裂纹和非金属夹杂等空隙中，结合成为氢分子，因为半径大，不能自由扩散，所以称为“残余氢”。由于扩散，所以焊后随放置时间增加，扩散氢减少，残余氢增多，总氢量降低。氢在焊接接头中，既能在焊缝中扩散，也能向近缝区扩散，并能扩散到近缝区相当大的深度。在焊缝中，氢沿焊缝长度方向的分布基本均匀，只是在弧坑处含氢量

11、高，所以在弧坑处容易产生氢缺陷。在近缝区，熔合线处的含氢量高低影响到此接头是否容易在此处产生冷裂纹。含氢量越高越容易产生冷裂，因为氢的存在是接头产生冷裂的三大因素之一。扩散氢的测定方法有甘油法、水银法、气相色谱法等，其中最常用的是甘油法。2.3.1.4 氢的作用结果（对焊接质量的影响）氢几乎对所有的金属焊接都有害，氢的有害作用可分为两种：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。氢脆（氢致塑性损失）氢脆是氢在室温附近使钢的塑性指标（如延伸率和断面收缩率）严重下降的现象。氢脆是溶解在金属晶格中的氢引起的。在焊缝拉伸过程中，金属中的位错发生运动和堆积，结果形成显微空

12、腔。与此同时，溶解在金属晶格中的原子氢不断沿着位错运动的方向扩散，最后聚集在显微空腔内，结合为分子氢。这个过程的发展使空腔内产生很高的压力，导致金属变脆。白点（fisheye，鱼眼）是含氢量高的碳钢或低合金钢焊缝，在拉伸或弯曲试件断面上出现的银白色圆形斑点。许多情况下，白点的中心有小夹杂物或气孔，好象鱼眼一样，所以又称为鱼眼。白点是在塑性变形过程中产生的，使焊缝塑性严重下降。 “诱捕理论”解释：焊缝中的气孔及非金属夹杂物边缘的空隙，好象“陷阱”一样捕捉氢原子，并在其中结合成氢分子，在拉伸试验中“陷阱”中的氢分子被吸附。由于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

13、，引起金属脆化。 氢气孔因为在焊接过程中如果熔池吸收了大量的氢，那么在它结晶时由于溶解度的突然下降，使氢处于过饱和状态 ，这将促使2H=H2反应发生。反应生成的分子氢不溶于金属，于是在液态金属中形成气泡。当气泡外逸速度小于结晶速度时，就在焊缝中形成气孔。冷裂纹冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度产生的一种裂纹，危害很大。2.3.1.5 控制氢的措施（1）限制氢的来源 合理选择药皮原材料严格烘干焊接材料气保护焊时，限制保护气中的含水量，必要时可采取去水、干燥等措施。清除焊丝和焊件表面上的油、锈、吸附水等杂质。可以采取机械或化学方法清除。为防止焊丝生锈，许多国家都采用表面镀铜处理。（2）冶金措施提高气相

14、的氧化性（OH夺H）氟化物除氢（HF夺H）药芯或药皮中加入微量稀土元素（3）工艺措施焊接规范对H也很有影响。电流 一般，由于I电弧温度高，氢分解度大；熔滴温度高，氢溶解度大，所以H电压电压U弧长熔滴与H作用时间H应短弧操作电流的种类和极性直流反接（试件接负极，焊把接正极）氢量最少，交流最多。焊速焊速对焊缝中的总含氢量没有影响，但对扩散氢与总氢量的比值有很大影响。（4） 焊后脱氢处理焊后加热焊件，促使氢扩散外逸，从而减少接头中含氢量的工艺叫做脱氢处理。焊后将焊件加热到350保温一小时，或加热到250保温6-8小时，可促使大部分氢扩散逸出。2.3.2 氮对金属的作用及控制2.3.2.1 氮的来源焊

15、接周围的空气是电弧气相中氮的主要来源。尽管焊接时采取了保护措施（药皮保护、气保护等），但总有或多或少的氮侵入焊接区，与熔化金属发生作用。2.3.2.2 氮的作用根据氮与金属的作用特点，可分为两种情况进行讨论：与氮不发生作用的金属，如铜和镍等，它们既不溶解氮，又不形成氮化物。所以焊接这些金属时可以用氮气作为保护气体。与氮发生作用的金属，如铁、锰、钛、硅、铬等，它们既溶解氮，又形成氮化物。所以焊接这些金属及其合金时就要防止焊缝金属的氮化。2.3.2.3 氮在金属中的溶解氮在铁中的溶解度随温度的变化关系见图2-1。可以看出，和氢相似，在液态铁中2200下随温度升高氮溶解度增大，2200以上迅速减小到

16、0；液固转变（也就是液体凝固）时溶解度突降，在固态铁中氮在不同晶格铁中的溶解度也不同。其中液固转变时溶解度突降这一点是造成氮气孔的主要原因。2.3.2.4 氮对焊接质量的影响（1） 氮气孔 （2）机械性能 提高焊缝金属的强度、硬度，降低塑性和韧性（特别是低温韧性）。（3）时效脆化（随时间延长，强度增高而塑韧性下降的现象）焊缝金属中过饱和的氮处于不稳定状态，随时间延长过饱和的氮逐渐析出，形成稳定针状氮化物Fe4N，从而强度上升而塑韧性下降。2.3.2.5 控制措施（1）加强保护，防止空气与液态金属接触（2）工艺措施采用短弧焊。增大焊接电流。采用直流反接。（3）冶金措施增加焊丝或要皮中的碳含量加入

17、钛、铝、锆和稀土等与氮亲和力大的合金元素2.3.3 氧对金属的作用及控制2.3.3.1 氧的来源（1）弧气中的氧化性气体O2、CO2和水蒸气。（2）氧化性熔渣（含FeO、MnO、SiO2）（3）焊丝、工件表面的锈（含Fe2O3）、氧化铁（Fe3O4）2.3.3.2 氧在金属中的溶解氧是以原子氧和FeO两种形式溶于液态金属中的，由于FeO中也只有一个氧原子，所以金属中两种形式的含氧量都可用O表示。氧在液态铁中溶解度与温度的关系也是溶解度随温度的升高而升高。在液态铁中加入合金元素时，随合金元素的增加氧的溶解度下降。在铁冷却过程中，氧的溶解度急剧下降。在凝固温度（1520）其溶解度为0.16%，而在

18、室温下铁中几乎不溶解氧（L是发生扩散氧化的条件，所以L越小扩散氧化越容易发生。已经证明温度越高，L越小，所以扩散氧化主要是在温度高的熔滴阶段和熔池高温区进行。扩散氧化过程需要一定的时间，所以它不是金属氧化的主要途径。置换氧化置换氧化又叫渗锰渗硅增氧反应，是渣中的活性氧化物MnO、SiO2与钢液间发生置换氧化反应：置换氧化是吸热反应，所以主要发生在熔滴区和熔池高温区，是金属氧化的主要途径。（3）焊件表面氧化物对金属的氧化2Fe(OH)2Fe2O3+3H2OFe2O3+Fe3FeOFe3O4+Fe=4FeO2.4.1.2 脱氧反应（1）对脱氧剂的要求用于脱氧的元素或铁合金叫脱氧剂。为达到脱氧目的，

19、脱氧剂应满足下列要求：脱氧剂在焊接温度下对氧的亲和力应比被焊金属对氧的亲和力大。脱氧的产物应不溶于液态金属，其密度也应小于液态金属的密度，同时应尽量使脱氧产物处于液态。必须考虑脱氧剂对焊缝成分、性能及工艺性能的影响。成本尽量低。（2）脱氧反应先期脱氧先期脱氧发生在药皮反应区。Fe2O3 + Mn = MnO+2FeOFeO + Mn = MnO + FeOMnO2 + Mn = 2MnO2CaCO3 + TiTiO2 +2CaO + 2CO2CaCO3 + Si = SiO2 + 2CaO + 2CO先期脱氧的效果取决于脱氧剂对氧的亲和力、它的粒度、氧化剂与脱氧剂的比例、焊接电流密度、伸出长度

20、等因素。扩散脱氧它是扩散氧化的逆反应，发生在液态金属与熔渣界面，以分配定律为理论基础。当(FeO)/FeO分配系数L时，发生扩散氧化，温度升高L值减小有利于扩散氧化进行，所以扩散氧化发生在熔滴区以及熔池头部高温区，另外碱性渣也有利于扩散氧化进行。扩散脱氧和扩散氧化相反，当(FeO)/FeO Pa+Pc= Pa +2/r一般情况下，气泡核的半径很小，不容易满足上面的条件，所以气泡很难长大，但是在焊接熔池中，由于有许多现成表面，使气泡呈椭圆形而不是圆形，曲率半径增大，从而使气泡长大的条件满足。气泡上浮平衡时：分析： 当90：由于形成细颈过程需要时间，结晶速度较大时，就会形成气孔。即：cos气泡易脱

21、离现成表面cos 气泡易脱离现成表面。结晶速度RR较小时，气泡有充分时间逸出，无气孔，气泡易上浮；R较大时，气泡上浮时间短，可能残余在焊缝内部。气泡上浮速度为：由公式可知：(a) r，v易浮出(b) 液体金属密度越大，v不易形成气孔。（主要与液体金属密度有关，几乎与气泡密度无关）Al液体金属密度小，产生气孔可能性；(c) 影响最大，T，易上浮v。T，V易形成气孔。焊缝中产生气孔的条件是：VR。2.6.1.3 影响气孔产生的因素以及防止措施影响气孔产生的因素很多，这里只介绍冶金因素和工艺因素两方面的影响。冶金因素的影响 熔渣氧化性的影响 焊条药皮和焊剂的影响 焊丝成分 保护气成分 铁锈和水分对产生气孔的影响工艺因素的影响 焊接规范的影响电流：熔池存在时间，气体外逸；熔滴尺寸，比表面积，易产生气孔；熔深，不易使气体逸出；焊条电阻热，药皮提前脱落，易产生气孔。电压，N气孔。焊速，气孔增加。 电流种类和极性生产经验证明，交流焊时比直流焊时气孔倾向大，直流焊时正接比反接气孔倾向大。也就是，气孔倾向：交流焊直流正接直流反接 工艺操作方面的影响a. 焊前仔细清除焊件、焊丝