焊接化学冶金.ppt
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1、第2章 焊接化学冶金,2.1 焊接化学冶金的特殊性,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。焊缝成分、组织和性能 焊接工艺性能 焊接缺陷要点:各种物质包括气体、液态金属、熔渣。目的:分析材料的焊接性、选择焊接材料和制定焊接工艺,焊接化学冶金过程,普通化学冶金过程和焊接化学冶金过程对比,普通化学冶金过程是对金属熔炼加工过程,在放牧特定的炉中进行。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。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
2、属再熔炼,以满足构件性能,2.1.1 焊接区金属的保护,1、保护的必要性。无保护时,受空气的作用:1)焊缝成分显著变化。O、N,C和ME(烧损、蒸发)2)焊缝力学性能降低。塑性和韧性 3)焊接工艺性能 电弧稳定性、焊接飞溅 焊接成型、气孔,2、保护方式,1)气渣联合保护 2)渣保护 3)气保护 4)真空保护 5)自保护,2.1.2 焊接化学冶金的反应区,焊接方法不同,冶金反应阶段也不同。以手工电弧焊为例,加以讨论。1、药皮反应区:指焊条受热后,直到焊条药皮熔点前的区域。1)水分蒸发:注意温度(P46)2)某些物质分解:有机物、无机物分解产生CO2、CO、H2、O2 3)铁合金氧化:完成先期脱氧
3、,2、熔滴反应区,指熔滴形成.长大.脱离焊条.过渡到熔池之前的区域。,特点:P46,).温度高:温度最高).与气体、熔渣的接触面积大).时间短速度快).熔渣和熔滴金属进行强烈的搅拌,混合.,3、熔池反应区,1)反应速度低。(1)熔池温度较低。T 16001900低于熔滴T;(2)比表面积小。3001300cm2/kg(3)熔池存在时间长。手工焊38秒,埋弧焊625s2)搅拌没有熔滴阶段激烈3)熔池温度不均匀的突出特点(反应不同步),熔池前半部分发生金属熔化和气体的吸收,利于吸热反应,熔池后斗部分发生金属凝固和气体的析出,利于放热反应。,2.1.3 焊接化学冶金系统的不平衡性,1、多相的反应系统
4、反应温度高,多相参与反应:焊条电弧焊(111):液-渣-气三个相;埋弧焊(12):液-渣2个相;气保焊:气-液2个相。不平衡的反应系统,2.2 焊接区内气体与金属的作用,2.2.1 焊接区内的气体1、气体的种类和来源1)种类:N2、H2、O2、H2O、CO2、金属及熔渣蒸气。2)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,重要影响,3)气体的供给途径,途径:直接输入或侵入;物化反应生成(1)有机物的分解和燃烧;2(C6H10O5)m+7mO2=12mCO2+10mH2焊条烘干温度:酸性焊条;(2)碳酸盐和高价氧化物的分解;碱性焊条(含
5、大量CaCO3、MgCO3)(3)物质的蒸发和冶金反应;影响因素:沸点(饱和蒸汽压)(4)直接输入或侵入。输入:保护气体:CO2、Ar、He等 侵入:有害气体:N2、O2、H2O 来源:空气介质 保护气体中的杂质,2、气体的分解和气相的组分,1)气体的分解多原子(CO2、H2O)、双原子(N2、H2、O2、F2)简单气体、单原子或离子与电子(吸热反应):气体-液态金属,2)气相的组分,多种气体组成P51 表2-6,2.2.2 气体与金属的作用,1、氮对金属作用 2、氢对金属作用 3、氧对金属作用,补充知识,金属在高温加工过程中,即使采取了一定的保护措施,但总是难免要和一些气体相接触。这些气体主
6、要来自周围大气或加热炉的炉气以及被加工金属表面与加工工具表面的氧化膜、吸附水、油污及一些有机物等在加热过程中分解放出的气体,此外加工中所用的辅助材料(如炉料中的矿石、溶剂、焊条药皮、焊剂和各种涂料等)也能放出气体,其中能引起金属中气体杂质(N、H、O)含量增加的气体有N2、H2、O2和水蒸汽H2O、SO2、CO2等。,但这些分子状态的气体都不能直接溶入金属,只有分解成氮、氢、氧的原子或离子后才能溶入金属,而金属在高温加工时刚好为它们的分解和溶入创造了有利的条件。在大多数情况下,气体对于金属及合金的性能和零部件质量均有不良影响。例如:溶解于钢及铜合金中的氢,易使合金形成细小的裂纹而变脆,产生所谓
7、“氢病”;溶解在合金中的氧、氮等气体通常也都使合金的强度特别是塑性大大降低。,此外,液态金属气体间的反应是在熔融状态下金属精炼时重要的基本反应体系之一,因此,研究气体在液态金属和合金中溶解和析出的规律,从而制定减少合金吸气及对合金脱气的措施,对于进一步提高合金的质量,保证得到健全合格的产品,具有十分重要的意义。气体与液态金属的作用:A 溶解。N2、H2、O2B 化学反应。与氧化性气体CO2、H2O、O2等作用金属及合金元素烧损。,气体溶解度和气体的溶解,在一定的温度和压力条件下,金属吸收气体的饱和浓度,叫作该条件下气体的溶解度。气体溶解度常用每100克金属含有的气体在标准状态下的体积来表示(即
8、cm3/100g),有时也用溶解气体对金属的重量百分数(%)表示,它们之间的换算关系是:氢:1.0cm3/100g=0.00009%=0.9ppm氮:1.0cm3/100g=0.00125%=12.5ppm氧:1.0cm3/100g=0.00143%=14.3ppm,气体在金属中的溶解,亦即金属吸收气体可由以下四个过程组成:气体分子撞击到金属表面 在高温金属表面上气体分子离解为原子状态 气体原子被吸附在金属表面 气体原子扩散进入金属内部前三个过程是吸附过程,最后一个是扩散过程。金属吸收气体时,实际上这四个过程是同时存在的,而其中扩散是关键,因为它决定金属的吸气速度。完成上述吸气过程也需要一定时
9、间。在未达到饱和浓度以前,如果金属温度愈高,气体与金属接触时间愈长,吸收气体就愈多,一直达到该状态下饱和浓度为止。,溶解反应方程,双原子气体X2:X2=2X平衡时的溶解度单原子气体X:X=X平衡时的溶解度,1、氮对金属作用,来源:主要是焊接区周围的空气。氮与金属作用有两种情况:A 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。Cu、Ni 用N2作保护气体。B 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(2)以NO形式溶入(3)以氮离子形式溶入(4)双原子气体的溶解满足平方根定律 2)
10、氮对焊接质量的影响(1)时效脆化:包括相析出(Fe4N)、应变时效脆化。(2)气孔:N2(3)有利一面:可作为合金元素加入钢中,一般指高合金钢。不锈钢N代镍的奥氏体不锈钢(节约Ni、提高耐点蚀能力);N代碳的马氏体不锈钢,3)影响焊缝含氮量的因素及控制措施,(1)机械保护:气一渣保护、渣保护、气体保护、抽真空。各种焊法的保护效果:P72 12最好,其次CO2气保焊(2)焊接工艺规范影响:短弧 I,熔滴过渡频率增加,N与熔滴作用时间 直流反接,减少N溶解 其它。焊丝直径,直径,熔滴变粗,N;单层焊、多层焊问题 P72(3)脱N剂。Al、Ti、Zr、Re:脱氧、脱N(4)焊丝成分的影响。增加焊丝或
11、药皮中的含碳量可降低焊缝中的含氮量:降低N的溶解度;C氧化形成CO、CO2保护作用;氧化时的沸腾搅拌作用。,2、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(Zr、Ti、V、Ta、Nb):增加氢在液态金属中的溶解度;这类金属的吸氢反应是放热反应。较低温度吸氢。脆化问题:如焊接钛合金。第二类不形成稳定氢化物的金属(Al、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo):但氢能溶于这类金属及合金中。溶解反应为吸热反应。液态金属吸氢,(2)溶解方式,焊接区为氢可以处于分子、原子和离子状态氢以原子形式溶入以 O
12、H-溶入 以 H+溶入溶解满足平方根定律、线性规律,(3)的影响因素,氢与金属用的特点,把金属分为两类 与氢形成稳定氢化物的金属 Zr、Ti、V、Ta、Nb不与氢形成稳定氢化物的金属 Fe、Ni、Ca、Cr、Mo温度T。T,H,熔滴、熔池合金元素的影响:氢在铁中溶解度受合金元素影响 P54图2-11晶格类型的影响。fcc大于bcc,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。残余氢(剩余氢):氢原子扩散聚集到金属的晶格缺陷,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。危害最大 总含氢量=扩散氢剩余氢 H=HD+HR,(2
13、)扩散规律,时间T,HD HR,H所有的熔焊方法增氢:CO2气保焊氢最低111中,低氢焊条的氢低氢在不同组织中扩散系数不同 bcc,fcc 奥氏体焊缝:显著降低熔合区的氢含量原因:溶氢能力强,扩散系数小对预防冷裂纹有好处。,3)H对焊接质量的影响,暂态现象:脆化、白点。经焊后脱氢处理可消除 永久现象:气孔、冷裂纹。不可消除 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。前提:在塑性变形过程中产生;2H H2原因:变形位错运动、堆积形成显微空腔 溶解在金属晶格的H沿位错运动方向扩散汇集显微空腔H2显微空腔压力 金属变脆,白点:H22H,肉眼可见,直径0.53mm中心处有气孔或
14、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。“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的金属晶格内,引起金属脆化。,气孔,氢气孔 产生冷裂纹,4)控制氢的措施,(1)控制氢的来源 限制焊接材料的含氢量,药皮成分 严格清理工件及焊丝:去锈、油污、吸附水分(2)冶金处理 焊材中加氟化物:CaF2 增加焊接材料的氧化性:CO2、药皮中Fe2O3(高温分解出O2)焊材中加入Re。,(3
15、)工艺措施,调整焊接工艺参数 a I,b 直流反接电源焊后脱氢处理,3、氧对金属的作用,1)氧在金属中的溶解(氧的来源:氧化物、气体)(1)以原子氧形式溶解;(2)以FeO形式溶解 2)金属被氧化的途径 气相中氧化气体与金属相互作用:(1)自由氧对金属的氧化(2)CO2对金属的氧化(3)H2O气对金属的氧化(4)混合气体对金属的氧化,3)氧对焊接质量的影响,(1)机械性能下降:尤其韧性 还可引起热脆、冷脆和时效硬化(2)导电、导磁和抗腐蚀性能下降;(3)产生CO气孔、合金元素烧损;(4)工艺性能变差 电弧稳定性降低,4)防止措施 一防二脱,2.3 焊接熔渣对金属的作用,熔渣:电焊条药皮、焊剂溶
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