焊接原理PPT电子教案课件-第二章 焊接化学冶金.ppt

第二章 焊接化学冶金,第一节 焊接化学冶金过程的特点,焊接化学冶金过程: 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.,一、焊接冶金过程的任务,以低碳钢光焊丝无保护焊为例： 焊缝含氮量高出焊丝2045倍；含氧量高出焊丝735倍 后果：焊缝产生气孔，塑韧性降低.,1. 对焊接区金属进行保护,焊接化学冶金的首要任务就是对焊接区金属加强保护， 以免空气的有害作用,保护的必要性,保护材料：焊条药皮、焊剂、药芯焊丝、保护气体 保护手段：焊接操作工艺,保护的方式,不同的焊接方法具有不同的保护方式,3. 控制p、s、h等有害元素含量,2. 焊缝金属合金化,二、焊接冶金过程中的特点,1. 需要对金属进行保护,2. 焊接冶金过程是分区域（阶段）连续进行的 过程，各阶段之间相互联系,手工电弧焊有三个区域： 药皮反应区 熔滴反应区 熔池反应区,图2-1, 药皮反应区：100药皮熔化,主要化学反应： 水分的蒸发 某些物质的分解 铁合金的氧化,t600 铁合金明显氧化，气相的氧化性大大降低 “先期脱氧”, 熔滴反应区：,熔滴从形成、长大直至过渡到熔池之中,特点： 熔滴温度高 熔滴与气体和熔渣的接触面积大 各相之间反应时间短 熔滴与熔渣发生强烈的混合,主要化学反应：, 气体的分解和溶解 金属的蒸发 金属及其合金成分的氧化和还原 焊缝金属的合金化, 熔池反应区：,物理条件： 平均温度较低 ； 比表面积小； 反应时间稍长 ； 温度分布极不均匀.,化学条件： 反应物浓度与平衡浓度之差较小，熔池中的反应较小； 当药皮重量系数较大时，参与和熔池金属作用的熔渣数量比参 与和熔滴金属作用的数量多； 溶池中的液体金属在各种力作用下，发生强烈的运动.,3. 冶金过程与“焊接方法”和“焊接规范” 有关 (1) 熔合比： 焊缝金属由填充金属和局部熔化的母材组成. 焊缝金属中局部熔化母材所占的比例称为熔合比. (2) 熔滴反应时间： 熔滴反应时间即熔滴的存在时间. 随焊接电流增大而变短， 随电弧电压的升高而延长. (3) 熔渣有效作用系数,手弧焊: 埋弧焊:,4. 冶金过程具有不平衡性，但存在平衡趋势,温度、时间、相界面等.,一、焊接区内的气体,第二节 气相对金属的作用,1. 气体的来源,（2）铁锈、油污、氧化皮,（3）坡口表面氧化物,（4）挥发物和蒸汽,2.气体的产生,（1）有机物的分解和燃烧,（2）碳酸盐和高价氧化物的分解 碳酸钙：开始分解 t=545，剧烈分解t=910； 碳酸镁：开始分解 t=325，剧烈分解t=650。 （3）材料的蒸发,（1）焊接材料,设o2的原始分子数为 n0，达到平衡时已分解的分子数为 n,达到平衡时气体的分解度为： a = n/n0 - 1 反应平衡常数： kp= po2/ po2 - 2 平衡态气体总压力为： p = po2+ po - 3 则： p = po2+ po( n0n) rt/v - 4,o2 = 2o,平衡分子数： n0- n 2n,平衡分压力： po2 = (n0- n)rt/v； po = 2nrt/v,将 kp= f(t)、p= 1 atm = 101 kp 等关系代入上式，即可算出上述图2-2所示的 a-t关系图.,二、气体对金属的作用 1.氮对金属的作用 氮在铁中既能溶解，也能形成稳定的氮化物. （1）氮在铁中的溶解： 溶解方式： 分子形式溶入; 原子形式溶入; no 形式溶入. 由质量作用定律得出氮的平衡溶解度： 氮溶解反应的平衡常数 气相中氮分子的分压,氮在液态铁中的溶解度与温度的关系：,图中可看出： (1) 氮在液态铁中的溶解度随着温度的升高而增大； (2) 当温度为2200时，氮的溶解度达到最大值； (3) 继续升高温度溶解度急剧下降，至铁的沸点 溶解度变为零； (4) 当液态凝固时，氮的溶解度突然下降至1/4左右.,(1)氮对焊接质量的影响,(2)氮的防止措施, 加强保护 采用合理的焊接规范 直流反接极 在焊接材料中加入脱氮剂, 产生气孔； 提高强度、降低塑性和韧性； 促使焊缝金属时效脆化.,2.氢对金属的作用 （1）氢的来源： 焊接材料：水分；含氢物质（有机物） 空气中的水蒸气； 氧化皮、油污等. （2）氢在金属中溶解 与zr、ti、v、ta 等形成稳定的氢化物； 与al、fe、ni、cu、cr 等不形成稳定氢化物. 三种溶解方式： 分子形式，离子形式，原子形式,(3)氢在焊缝金属中的存在形式及其扩散 氢在焊缝金属中的存在形式： 扩散氢hd : 以h、h+或h-形式存在于金属焊缝中, 形成间隙固溶体. 因氢原子和氢离子半径很小，可在焊缝金属的晶格中自由扩散扩散氢. 残余氢hr： 扩散氢中的一部分聚集到陷阱（位错、空位、微裂纹或界面）中，结合为 氢分子，因其半径大，不能自由扩散残余氢. 因扩散之缘故，焊缝金属中的含氢量随时间而变化 一部分扩散氢从焊缝中逸出，而另一部分变则为残余氢 随焊缝金属放置时间延长，扩散氢减少，残余氢增加，总氢量下降,图2-4 焊缝中的含氢量与焊后放置时间的关系 1-总氢量; 2-扩散氢; 3-残余氢,总结： 所有的焊接方法都使金属增氢； 手弧焊时，低氢焊条增氢量最小； co2气电焊是超低氢型的焊接方法.,(4) 氢对焊接质量的影响 氢脆； 白点； 形成气孔； 产生冷裂纹. (5) 控制氢的措施 选用低氢型的焊接材料 清除焊丝和焊件表面上的铁锈、油污、氧化皮 冶金处理 选用碱性焊接材料（在药皮和焊剂中加入氟化物）； 增加气、渣的氧化性（ co2气电焊）； 在药皮或焊芯中加入微量的稀土或稀散元素. 焊接工艺 小电流、短弧焊焊接，碱性焊条直流反接极，接线对称. 焊后除氢热处理 紧急后热,3.氧对金属的作用 (1)氧在金属中的溶解 a.氧在铁液中的溶解 氧是以原子氧和feo两种形式溶于液态铁中的. 氧在液态铁中的溶解度随温度的升高而增大，随合金元素含量的 升高而降低. b.氧在焊缝金属中的存在形式 溶解的氧o: 室温下，s0 0.001% ； 氧化物和硅酸盐夹渣. (2) 氧化性气体对金属的氧化 金属氧化还原反应方向的判据 金属氧化物的分解压:一定t下的平衡常数 kp 金属氧化物的分解反应：,气体对金属的氧化 自由氧对金属的氧化： 空气中，po2=0.21atm21.3 kpa 若与纯 feo 渣相平衡，则有： 光焊丝焊接时，由上式计算知： t=1800k时，po2=10-11 atm p空气 0.21atm t=3000k时，po2=10-8 atm p空气 0.21atm 可见在焊接条件下： 反应向右进行，金属被强烈氧化., co2对金属的氧化 设在空气中焊接： 可见：a. 在t3000k时，随温度升高，二氧化碳对金属的氧化性大于 空气； b. 随温度升高，氧气分压（氧化性）增大，熔滴氧化大于熔池； c. 二氧化碳保护焊只能防氮，而不能防金属的氧化. 焊丝中必 须加入脱氧剂和合金化元素.,h2o对金属的氧化 联立以上三式，可解出不同t下的各种分压. 在t3000k时: 可见：a. h2o可使金属发生强烈氧化，其氧化性弱co2和空气. b. 水蒸气使金属氧化的同时，也使金属增氢. 低氢型焊条尽管脱氧剂丰富，但焊前还需烘干.,混合气体对金属的氧化 手弧焊时： 气相为混合物： 气电焊时： 为了改善电弧的电热特性和工艺特性，常用气体： ar+co2；ar+co2o2；ar+o2 随着co2和o2 含量增大，气体氧化性增强，焊丝中应添加 适量脱氧剂.,氧对焊接质量的影响 焊接过程使焊缝金属增氧. 增氧量与焊材、焊法和焊接规范有关. a. 降低焊缝强度和塑性，引起热脆、冷脆、时效硬化； b. 引起焊接过程中的飞溅：o+c=co c. 合金元素烧损，降低焊缝性能（气孔）； d. 某些情况氧化是有益的，如气割. 控制氧的措施 a. 纯化焊材： 低氧焊材；惰性气体保护焊接. b. 控制焊接工艺： 电流适中，短弧焊. 以减小空气影响. c. 脱氧： 脱氧剂冶金脱氧.,第三节 熔渣及其对金属的作用,一焊接熔渣 1熔渣的作用及分类 作用: （必考） (1) 机械保护作用 (2) 改善焊接工艺性能 (3) 冶金处理作用（如脱氧脱硫、脱磷、去氢等） 分类：(成分、性能） a. 盐型熔渣：主要由金属氟酸盐、氯酸盐组成. 氧化性很小. 用于焊接铝、钛、活性金属及其合金. b. 盐氧化物型熔渣： 主要由氟化物和强金属氧化物组成. 氧化性较小. 用于焊接合金钢. j422, hj431, hj 250, hj350等. c. 氧化物型熔渣： 主要由金属氧化物组成. 氧化性较强. 用于焊接低碳钢和低合金钢. j21，j24等 本课程主要讨论后两种熔渣,2熔渣的结构理论,分子结构理论 以凝固熔渣的相分析和化学成分分析为依据,熔渣由酸性氧化物和碱性氧化物组成；,氧化物及其复合物处于平衡状态；,只有自由氧化物才能参与和金属的反应；,反应符合质量守恒定律.,（feo）+ c = fe + co 复合氧化物 (feo)2sio2 中的 feo 则不能,b. 离子结构理论 目前，缺乏系统的热力学资料,（1）液态熔渣是由正离子和负离子组成的电中性溶液； （2）离子在熔渣中的分布、聚集和相互作用取决于它的综 合矩（离子电荷/离子半径）. 离子的综合矩越大，其静电场越强，与异号离子的引力越大 （3）液体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： si4 + 2 fe = 2 fe2 + si ,表8-3 正、负离子的综合矩,阳离子中si4 的综合矩最大，阴离子中o2-的综合矩最大， 二者最易结合为复杂的硅氧阴离子sio44- .,3. 熔渣的性质 (1) 熔渣的碱度 根据分子理论，定义为：,理论上: b1时为碱性渣； b1时为酸性渣； b=1时为中性渣.,实际测量得出: b1.3 时为碱性渣； b 1.3 时为酸性渣； b= 1.3 时为中性渣. 原因：定义式无考虑氧化物之酸碱性强弱.,熔渣碱度修正式： b1 = 0.018cao+0.015mgo+0.006caf2+0.014(k2o+na2o)+0.007(mno+feo) 0.017sio2 + 0.005(al2o3 + tio2 + zro2）,实际应用最为广泛的是森氏法： 其中： 为氧化物的碱度系数， 为氧化物的摩尔分数. 计算结果为： b2 0为碱性渣； b2 0为酸性渣； b2= 0为中性渣.,表8-4 渣中常见氧化物的i值,根据离子理论，定义为： b = log o2-,碱性氧化物在液态渣中产生o2-： cao = ca2 + o2- 酸性氧化物消耗渣中的o2- ： sio2 + 2 o2- = sio44- 碱性渣中o2-多，活度大，碱度高； 酸性渣中o2-少，活度小，碱度低.,o2- 越多，是否意味着氧化性越强？,（2）熔渣的粘度 熔渣粘度对渣的保护效果、焊接工艺、焊缝成形、气体逸出、合金元素 在渣中的残留损失、反映活泼性等均有影响. 熔渣的粘度主要取决于渣的结构成分和温度： 式中：t为温度、r为气体波尔之曼常数，e为质点移动所需活化能， a为与熔渣性质相关的系数. a. 熔渣结构越复杂，其值越大 酸性渣中，含氧酸阴离子较多，渣的粘度较大. b. 随t升高，降低 酸性熔渣和碱性熔渣中的下降趋势是不相同的.见图2-5 富含 sio2的酸性渣中，随温度升高，粘度下降缓慢（因复杂si-o 键 的 断开是逐渐发生的）长渣 碱性渣中的质点小，随温度升高很快减少并消失，是故粘度下降很快 短渣,c. 降低酸性渣粘度措施： 加入tio2 ，以减少si-o键数量； 加入cao和caf2 ，破坏si-o结合键.,（3）熔渣的表面张力 表面张力取决于相间质点之间的作用力，即化学键键能. 键能越大表面张力越大： 金属键离子键(碱性氧化物）共价键（酸性 氧化物） 碱性熔渣铺展性能较差 随温度升高，熔渣的表面张力减小.,熔渣的熔点应略低于焊材或母材： 熔渣熔点过高或过低，都会影响对液态金属的保护效果和焊缝外观成形. 熔渣是一个多元体系，其液固转变在一定温度区间进行. 熔渣各组元的熔点较高，而以一定比例构成复合渣时其凝固温度大大降低.,（4）熔渣的熔点和密度 焊条药皮和固态焊剂开始熔化的温度造渣温度. 随温度升高，焊剂由固体转变为液态，由绝缘体变为导体.,焊接碳钢时，熔渣的熔点约为11501350.,密度是熔渣的基本性质之一. 它影响熔渣与液态金属间的相对位置与相对运动速度. 密度大的熔渣易滞留于金属内部形成夹杂. 选用焊材时，要保证熔渣具有合适的凝固温度范围和较低的密度 表8-5几种常见化合物的熔点和密度,二活性熔渣对焊缝金属的氧化 1.扩散氧化 在一定温度下达到平衡时，feo在熔池和熔渣中的浓度符合分 配定律： l为分配系数，l1 温度t （l）一定时，随（feo）升高，feo亦升高. 渣中的氧可使焊缝金属氧化., l与t和熔渣性质有关: 在si2o饱和的酸性渣中： 在cao饱和的碱性渣中： a. 随t升高，l降低:(feo)feo 扩散氧化主要在熔滴和熔池高温区进行. b.同一温度下，l酸 l碱 即：在(feo)含量相同的条件下，feo碱feo酸 碱性熔渣焊缝增氧量大于酸性熔渣形成的焊缝. 结论： 碱性焊条药皮中一般不加入含feo的物质，而且在焊接之前， 还需仔细清除焊丝及焊件表面的铁锈、油污、氧化皮.以防焊缝 增氧、产生气孔. 试用熔渣分子结构理论予以解释.,图8-4 多元渣系中feo的等活度曲线 （1600）,2置换氧化 渣中若存在较多易分解的氧化物，可与铁反应，使铁氧化，元素被还原. 例如：h08a焊丝（0.08c、0.03%si、0.02o) hj431 (42%sio2、33%mno、37%caf2) 埋弧焊，发生反应： 生成的feo 大部分进入熔渣（feo ），少部分进入铁液feo . 则与铁液 相平衡的反应平衡常数为： 计算结果如表2-1 ，可见： t=1770 k：ksi o2si% 1.210-5 ，反应处于平衡状态； t1770 k：ksi 1.210-5 ，铁发生氧化，硅被还原， 随t升高， ksi 增大置换反应主要发生于高温区； t1770 k： ksi 1.210-5 ，反应向左进行脱氧过程，同时增硅：,同样，还发生反应 ： 以及锰的脱氧反应： 结论： 高温氧化，低温脱氧. 熔敷金属增si,三焊缝金属的脱氧 1.脱氧目的: 降低焊缝金属的含氧量防止氧化,排出脱氧产物. 2.选择脱氧剂的原则: (1) 在焊接温度下,与氧的亲和力大于被焊接金属； (2) 脱氧的产物应不溶于金属液，其密度也应小于液态金属的密度； (3) 保证焊缝成分、性能以及焊接工艺性能；考虑经济性. 3. 脱氧方式： （1）扩散脱氧 （2）沉淀脱氧,（1）扩散脱氧 当温度下降时，feo的分配系数l增大, 发生扩散过程: feo(feo) 扩散脱氧的关键： 降低渣中（feo）的活度 酸性渣中： sio2和tio2与feo生成复合物feosio2和feotio2. feo的活度减少，有利于扩散脱氧. 碱性渣中： feo的活度大，扩散脱氧的能力比酸性渣差. 熔渣中的脱氧剂可降低feo的活度，加强扩散脱氧.,（2）沉淀脱氧 脱氧剂脱氧，在熔池内进行. a.锰的脱氧 增加 mn，或减少脱氧产物（mno)都有利于脱氧. 酸性渣中：采用mn-fe单独作脱氧剂 碱性渣中：不用mn单独脱氧 原因： a. 酸性渣中含有较多的sio2和tio2，易与脱氧产物(mno）生成 复合物（mnosio2 )和（mno tio2 ) ，使mno减小， 脱氧效果较好； b. 碱性渣中的（cao)多，（mno)活度大，脱氧产物不易排出， 脱氧效果不好.,b. 硅的脱氧 si +2 feo2 fe+ (sio2 ) 提高熔si含量和渣碱度b，均可提高熔渣脱氧效果. 一般不单独用硅脱氧 原因：硅的脱氧能力比锰大，但生成的sio2熔点高，通常处于固态， 不易聚合为大的质点； sio2与钢液的界面张力小，润湿性好，sio2不易从钢液中分离， 易形成夹杂. c.硅锰联合脱氧 硅的脱氧产物与锰的脱氧产物可形成硅酸盐，其密度小而熔点低， 在钢液中处于液态。容易聚合为大的质点而浮到渣中，减少焊缝中的 夹杂物，降低焊缝中的含氧量. 生产中常用硅锰联合脱氧，脱氧效果好 j422、hj431与h08a埋弧焊、h08mn2sia焊丝co2气电焊均为硅锰联合脱氧的典型例子.,图2-6,四.焊缝中硫、磷的控制,(一) 焊缝中硫的控制 来源： (1) 焊材：a. 焊丝过渡率为