第2章 焊接化学冶金1ppt课件

第2章焊接化学冶金,第一节焊接化学冶金过程特点,第二节气相与金属的作用,第三节熔渣与金属的作用,第四节合金过渡,主要内容,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、熔渣。,焊接化学冶金过程特点,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。,2.1焊接化学冶金的特殊性,一、保护的必要性（1）防止熔化金属与空气发生激烈的相互作用，降低焊缝金属中氧和氮的含量。（2）防止有益合金元素的烧损和蒸发而减少，使焊缝得到合适的化学成分。（3）防止电弧不稳定，避免焊缝中产生气孔。焊接化学冶金的首要任务就是对焊接区内的金属加强保护，以免受空气的有害作用。,低碳钢焊材熔敷金属成分及性能变化,二、焊接过程中对熔融金属的保护,1、气渣联合保护焊条电弧焊2、渣保护埋弧焊3、气保护TIG焊,CO2,MIG焊4、真空保护电子束焊5、自保护,保护方式,20921-2a,2.1.2焊接化学冶金的反应区,图2-3焊接化学冶金的反应区药皮反应区熔滴反应区熔池反应区药皮开始反应温度焊条端部熔滴温度弧柱中部熔熵温度熔池最高温度熔池最低温度,20921-2a,2.1.2焊接化学冶金的反应区,1.药皮反应区(1)水分的蒸发当药皮被加热时，其吸附水开始蒸发，直到温度超过100时，吸附水全部蒸发；当温度超过200400时，药皮中的白泥、云母等组成物中的结晶水将被去除，而化合水则需在更高的温度下才能析出。(2)某些物质的分解当药皮受热达到一定温度时，其中的纤维素、木粉和淀粉等有机物开始分解和燃烧，形成CO2、CO及H2等气体。,11,(3)铁合金的氧化以上所述的因水分蒸发和某些物质分解所形成的H2O、CO2和O2等氧化性气体，会对被焊金属和药皮中的铁合金(如锰铁、硅铁和钛铁等)造成很强的氧化作用，从而使气相的氧化性大大降低，即实现了所谓的先期脱氧。,20921-2a,2.1.2焊接化学冶金的反应区,2.熔滴反应区(1)反应温度高在钢材的电弧焊中，熔滴活性斑点处的温度接近焊芯材料的沸点，高达2800左右。(2)相的接触面积大正常焊接条件下，熔滴比较细小，其比表面积可达100010000cm2/kg，比炼钢时大1000倍左右，故熔滴与气体和熔渣的接触面积很大。,13,(3)反应时间短熔滴在焊条末端的停留时间仅为0.010.1s，熔滴以高达2.510m/s的速度穿过弧柱区的时间更短，只有0.00010.001s。(4)相的混合强烈在熔滴形成、长大及过渡过程中，由于受到多种力的作用，其形状不断变化，导致局部表面发生收缩或扩张，使熔滴表面上的渣层发生破坏而相互混合，甚至被熔滴金属所包围，故熔滴与熔渣发生了强烈的混合作用。,20921-2a,2.1.2焊接化学冶金的反应区,3.熔池反应区(1)反应速度低与熔滴相比，熔池平均温度较低，约为16001900；熔池比表面积较小，约为3001300cm2/kg；熔池存在时间稍长，但也不超过几十秒，如焊条电弧焊时为38s，埋弧焊时为625s。,20921-2a,2.1.2焊接化学冶金的反应区,(2)反应不同步熔池的温度分布极不均匀，其前部温度比后部高。(3)具有一定的搅动作用在气流、等离子流以及由于熔池温度分布不匀造成的液态金属密度差异和表面张力差异等因素的综合作用下，熔池中的液态金属会发生有规律的对流和搅动，有助于加快反应速度，也为气体和非金属夹杂物的外逸创造了条件。,反应的不平衡性复杂的高温多相系统液态金属熔渣电弧气氛焊接区内不等温条件整个系统不可能平衡系统的个别反应：短暂的平衡.,2-2气相与金属的作用,一、焊接区内的气体（一）气体的来源和产生气体的来源焊接材料、保护气体焊材表面和母材坡口附近的吸附水、油、锈及氧化铁皮等物质的蒸发100：吸附水蒸发400-600：焊条药皮中的组分如白泥和云母中的结晶水被排除。电弧高温：金属元素和熔渣中的各种成分发生蒸发，如Fe,Mn及氟化物等有机物的分解和燃烧碳酸盐和高价氧化物的分解,有机物的分解和燃烧有机物种类：淀粉、纤维素和藻酸盐作用：酸性焊条造气剂和增塑剂分解：220-320分解50%；800完全分解。分解产物：CO2,CO,H2,碳酸盐：CaCO3、MgCO3、CaMg(CO3)2作用：焊条造气剂分解：CaCO3分解温度为545，剧烈分解温度为910；MgCO3分解温度为325，剧烈分解温度为650。分解产物：CO2,CO,H2高价氧化物：Fe2O3和MnO2O2和低价氧化物FeO和MnO,碳酸盐和高价氧化物的分解,20,图2-4不同物质对碳酸钙分解度的影响(加热速度为30/s)1CaC2CaC+Ca3CaC+Ti4CaC+Si5CaC+NC(比例11)6CaC+Ca+Ti+NC(比例1221)7CaC+Ca+Ti(比例122),20921-2a,物质的蒸发及冶金反应,表2-4一些常用金属和氟化物的沸点,成分：金属及熔渣蒸气,直接输入或侵入,双原子气体的分解度与温度的关系,CO2分解时气相的平衡成分与温度的关系,气体的高温分解简单气体的分解：N2、H2、O2和F2复杂气体的分解：CO2和H2O,气相的成分焊接区经常同时存在多种气体，之间存在复杂的反应。典型的反应：,焊接区实际气体成分冷至室温后气相的成分,焊条电弧焊SMAW,氩弧焊GTAW，埋弧自动焊SAW.二氧化碳气保焊GMAW.二氧化碳汽保焊药芯焊丝FCAW,二、氮与金属作用,来源：主要是焊接区周围的空气。氮与金属作用有两种情况。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。,(一)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,（二）氮对焊接质量的影响,1)时效脆化2)气孔3)有利一面：可作为合金元素加入钢中，一般指高合金钢。,（三）影响焊缝含氮量的因素及控制措施,1）、机械保护：气渣保护、渣保护、气体保护、抽真空。对于适渣型焊条：保护效果取决于药皮的数量及成分2）、焊接工艺规范影响：3）、焊丝成分的影响：增加焊丝或药皮中的含碳量可降低焊缝中的含氮量,三、氢对金属的作用,（一）、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第二类不形成稳定氢化物的金属,2、氢的溶解,焊接区为氢可以处于分子、原子和离子状态,1).氢以原子形式溶入2).以溶入3).以溶入,气体对金属的作用,焊接区内的气体是由CO2、H2O、N2、H2、O2、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对焊接质量影响最大的是N2、H2、O2、CO2、H2O,来源：焊接区周围的空气与金属的作用不与氮发生作用的金属不溶解氮、不形成氮化物Cu、Ni氮保护气与氮发生作用的金属既溶解氮又能形成稳定氮化物Fe、Ti防止焊缝金属氮化是焊接这类合金的重要环节,溶解过程运动吸附分解穿越扩散纯化学溶解，不受电场影响,氮在铁中的溶解度与温度的关系,T(oC),N(cm3/1oog),氮对焊接质量的影响,1、有害杂质冷却速度大一部分氮以过饱和形式存在于固溶体中一部分以针状氮化物Fe4N的形式析出强度、硬度升高塑性和韧性，特别是低温韧性急剧下降2、促使产生气孔液态金属高温时溶解大量氮，凝固时溶解度下降过饱和的氮以气泡形式逸出焊缝金属结晶速度气泡逸出速度形成气泡,3、促使焊缝金属时效脆化焊缝中的氮处于过饱和的不稳定态随时间延长，过饱和的N析出形成Fe4N强度，塑性，韧性焊缝金属中，Ti、Al、Zr可以抑制或消除时效现象例如：15MnVNV：V改变氮化物的形态，使之弥散点状分布N：微量，起到强化作用,2.5.1影响因素及控制措施,1、焊接区保护N一旦进入液态金属脱氮比较困难主要措施加强保护、防止空气与金属作用2、焊接工艺参数采用短弧焊增加焊接电流直流正接好于交流，好于直流反接增加焊丝直径N%，多层焊单层焊N%，小直径焊条大直径焊条,2.5.1影响因素及控制措施,3、合金元素增加含碳量可降低焊缝含氮量C降低了N在Fe中的溶解度CO、CO2降低了气相中氮的分压C氧化引起熔池沸腾，利于N2逸出Ti、Al、Zr和RE与N有较大亲和力，可形成稳定氮化物，且不溶于液态钢与O有较大亲和力，减少气相中NO的含量,氢对金属的作用,来源：焊接材料中的水分含氢物质电弧周围空气中的水蒸气根据氢与金属的作用能形成稳定氢化物的金属Zr、Ti、V、Ta、Nb固态下吸收大量氢,不形成稳定氢化物的金属Al、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo但是氢能够溶于这类金属及其合金中,应用广泛重点讨论,2.5.2氢在金属中的溶解,溶解过程与焊接方法相关气体保护焊：气/液金属界面，H2，H，H+电渣焊、电渣熔炼：渣/液金属界面手工电弧焊、埋弧焊：两者兼而有之氢从熔渣中向金属中过渡,()表示在熔渣中表示在金属中,H可以进入液相OH不溶于液态金属,2.5.2氢在金属中的扩散,焊缝（固态金属）中氢的存在形式H、H+、H可以在金属晶格中自由扩散的氢扩散氢：80-90%聚集在杂质、微裂纹、晶格缺陷的氢残余氢焊后随着放置时间增加：扩散氢减少残余氢增加总氢量下降,42,2.5.2氢在金属中的扩散,熔敷金属中的扩散氢含量（cm3/100g）焊后用标准方法测定并换算为标准状态下的含氢量测定标准方法甘油法GB3965-83色谱法水银法,2.5.2氢在金属中的扩散,扩散氢的分布氢沿焊接接头横断面的分布,H(cm3/100g),2.5.2氢对焊接质量的影响,熔焊时，进入焊缝和热影响区中的氢将对接头产生危害。,1、氢气孔2、氢白点3、氢脆4、氢致裂纹,焊缝中形成,焊缝和热影响区中形成,2.5.2氢对焊接质量的影响,1、氢气孔形成原因：熔池液态金属中溶解较多的氢冷却凝固后，氢在固液相中溶解度突变,T(oC),H(cm3/1oog),2.5.2氢对焊接质量的影响,V金属结晶长大V气泡逸出多余的氢将在液固界面处形成气泡固液相中溶解度差别越大，越易形成氢气孔平衡态：氢气孔敏感性AlFeNi非平衡态：凝固前后溶解度差别更大,2.5.2氢对焊接质量的影响,2、氢白点氢白点：碳钢和低合金钢焊缝金属中含氢量较多时，在拉伸或弯曲的试件断面上，出现光亮圆形的局部脆性断裂点直径0.50.3mm，白点周围为延性断口多数情况，白点中心有气孔或夹杂物实质：拉伸或弯曲的延性变形过程中，在焊缝金属中局部产生的氢脆现象。,2.5.2氢对焊接质量的影响,3、氢脆焊缝和热影响区中有氢存在时，将会降低其延性，产生氢脆焊接接头不同部位的氢脆敏感性与组织种类有关奥氏体纯铁素体铁素体珠光体低碳马氏体贝氏体索氏体托氏体高碳马氏体降低熔敷金属的碳含量母材含碳量过高时，需减少母材金属的稀释率,2.5.2氢对焊接质量的影响,4、产生冷裂纹HgdrogeninducedCrackHydrogen-assistedCrack危害严重主要因素：钢种的淬硬倾向焊接接头含氢量及其分布接头所承受的拘束应力状态,后续课程中重点研究,2.5.2控制氢的措施,限制来源70烘干少用或不用含结晶水的原料制造焊条焊前严格清除油锈冶金处理氟化物有去氢的作用，如CaF2提高氧化势:CO2+H=CO+OH稀土、稀散元素，进一步去氢：碲、钇,2.5.2控制氢的措施,焊接规范很大局限性熔滴过渡小电流种类和极性（直流反接比较好）脱氢处理焊后将焊件加热到一定的温度促使氢扩散外逸焊件加热到350oC,保温1h,2.5.3氧对金属的作用,根据氧与金属的作用不溶解氧，但焊接时发生激烈氧化的金属Mg、Al等能有限溶解氧，同时焊接过程中也发生氧化的金属Fe、Ni、Cu、Ti等生成的金属氧化物能溶解于相应的金属中主要研究FeO,2.5.3氧在金属中的溶解,氧以原子氧和FeO两种形式溶于液态铁中的氧在液态铁中的溶解度随着温度的升高而增大铁冷却过程中，氧的溶解度急剧下降,液态铁中氧的溶解度与温度的关系,2.5.3氧在金属中的溶解,当液态铁中有第二相合金元素时，随着合金元素含量的增加，氧的溶解度下降焊缝金属和钢中所含的氧氧化物（FeO、SiO2、MnO）硅酸盐夹杂,合金元素浓度CMe对液态铁中氧的溶解度的影响(1600oC),2.5.3氧对焊接质量的影响,氧在焊缝中无论以何种形式存在，对焊缝性能都有很大的影响。随氧含量提高：焊缝强度、塑性、韧性都明显下降尤其是低温冲击韧度急剧下降热脆：在某一温度出现脆硬相，350400oC冷脆：析出相硬，形态不好时效硬化：析出相使基体强化CO在熔池凝固时来不及逸出，形成气孔烧损有益合金元素影响焊接过程稳定性,2.5.3氧对焊接质量的影响,必须指出，焊接材料具有氧化性并不是在所有情况下都是有害的为了减少焊缝含氢量，改进电弧的特性，获得必要的熔渣物理化学性能，在焊接材料中有时要故意加入一定量的氧化剂,2.5.3控制氧的措施,鉴于氧的有害作用，必须控制焊缝的氧含量纯化焊接材料选用不含氧或含氧少的焊接材料例如，采用高纯度的惰性气体作为保护气体，采用低氧、无氧焊条、焊剂，乃至真空室中焊接控制焊接工艺参数很有限电弧电压U，空气侵入电弧，焊缝含氧增加采用短弧焊脱氧冶金方法脱氧最有效,2.5.3氧化还原反应,金属氧化还原方向的判据(物理化学)金属氧化氧化性气体对金属的氧化活性熔渣扩散氧化置换氧化铁锈、氧化皮脱氧分阶段脱氧Mn、Si脱氧,氧化方式,3、的影响因素,氢与金属作用的特点，把金属分为两类与氢形成稳定氢化物的金属不与氢形成稳定氢化物的金属合金元素的影响：氢在铁中溶解度受合金元素影响,（二）、焊缝金属中的氢及其扩散,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。总含氢量=扩散氢剩余氢,（三）、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、改变组织、显微斑点、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,2)、白点,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。“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,引起金属脆化。,3)、气孔4)、组织变化和显微斑点焊缝金属AM时，由于氢在A有较大的溶解度，当含氢量高的焊缝自A化，温度冷却时，引起局部A过冷残余A增加，残余AM时，富氢的组织内产生大的内应力，造成显微裂纹5)、产生冷裂纹,（四）控制氢的措施,1)、限制焊接材料的含氢量，药皮成分2)、严格清理工件及焊丝：去锈、油污、吸附水分3)、冶金处理4)、调整焊接规范5)、焊后脱氢处理,四、氧对金属的作用,（一）氧在金属中的溶解1).以原子氧形式溶解2).以FeO形式溶解（二）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,（三）氧对焊接质量的影响,1).机械性能下降2).化学性能变差3).产生气孔CO合金元素烧损4).工艺性能变差,（四）防止措施一防二脱,第二节焊接区内的气体,一、焊接区气体（一）气体来源焊接材料：焊接区内的气体主要来源于焊接材料。焊条药皮、焊剂及焊丝药芯中都含有造气剂。热源周围的气体介质：热源周围的空气是难以避免的气体来源，而焊接材料中的造气剂所产生的气体，不能完全排除焊接区内的空气。焊丝和母材表面上的杂质：焊丝表面和母材表面的杂质，如铁锈、油污、氧化铁皮以及吸附水等，在焊接过程中受热而析出气体进入气相中。,(二)气体的产生除直接输送和侵入焊接区内的气体外，焊接过程中所进行物化反应也产生气体。1有机物的分解和燃烧,2碳酸盐和高价氧化物的分解：碳酸盐的分解CaCO3CaOCO2MgCO3MgOCO2高价氧化物的分解：6Fe2O34Fe3O4O2；2Fe2O36FeOO24Mn2O32Mn3O4O2；6Mn2O34Mn3O4O23材料的蒸发：电弧的高温作用下,焊接材料中水分、金属元素和熔渣的各种成分发生蒸发，形成的蒸气。,纤维素热分解反应为：,(三)气体的分解,1.简单气体的分解双原子气体G2分解反应的通式：G22G,设气体G2的原始分子数为n0，已分解的分子数为n，则平衡气体的分解度为=n/n0，若气体G2分解后混合气体的总压力为p0，则分解度可表示为,平衡常数可表示为：,G22Gno0non2n,2.CO2和H2O等复杂气体的分解升高温度CO2可分解生成CO和O2，使气相氧化性增加。水蒸气分解比较复杂，分解的产物有H2、O2、H、O不仅增加了气相的氧化性，而且增加了气相中氢的分压，使焊缝金属增氧和增氢。,(三)气相的成分和分布,3焊接方法对气相的成分和数量影响低氢型焊条手工电弧焊接时，气相含H2和H2O少，称“低氢型”；埋弧焊时，气相中含CO2和H2O很少，氧化性较小；焊条电弧焊时气相的氧化性相对较大。,焊接碳钢时冷至室温时气相成分,对焊接质量影响较大的气体为：N2、H2、O2、CO2、H2O与金属的作用表现为两种类型：气体在金属中的溶解气体与金属的化学反应,二、氮对金属的作用,焊接时电弧气氛中氮的主要来源是周围的空气。焊接时空气中的氮总是或多或少地会侵入焊接区，与熔化金属发生作用。按照氮与金属作用的特点，可将金属分为两类：不与氮发生作用的金属，如Cu、Ni、Ag等，它们既不溶解氮，又不形成氮化物。焊接此类金属时，可以使用氮作为保护气体；与氮发生作用的金属，如Fe、Ti、Cr等。它们既能溶解氮，又能与氮形成稳定的氮化物。因此焊接这类金属时，防止焊缝金属的氮化非常重要。,（一）氮在金属中的溶解,1.溶解过程：气体的溶解反应分为以下四个阶段：（1）气体分子向气体与金属两相界面处运动；（2）气体分子被金属表面吸附；（3）在金属表面上，气体分子分解为原子；（4）气体原子穿过金属表面层，并向金属内部扩散。氮在金属中的溶解反应为：N22N2.溶解度SN（溶解平方根定律）：,降低气相中氮的分压就可以减少金属中的含氮量,氮和氢在铁中的溶解度与温度关系(PN2+P金=10lkPa(1atm),3.氮在铁中的溶解度与温度的关系：溶解度随温度的升高而增大。T=2200时，氮的溶解发达到最大值。继续升高温度，氮的溶解度急剧下降T=2750时，氮的溶解度为零。加入C、Si、Ni会减少氮的溶解度；加入V、Nb、Cr会增加氮的溶解度。,4.电弧焊时的气体溶解过程复杂,含N量高的原因（与纯化学溶解相比）：电弧中受激的N2，特别是氮原子比没有受激的N2的溶解速度高；电弧中的氮离子可在阴极溶解；氧化性电弧气氛中形成的NO，遇到温度较低的液态金属时又分解为N和O，N会迅速溶于金属中。,（二）氮对焊接质量的影响,1促使焊缝产生气孔：液态金属在高温时可以溶解大量的氮，凝固结晶时氮的溶解度突然下降，过饱和氮以气泡形式从熔池中逸出，若焊缝金属的结晶速度大于氮的逸出速度时，就形成气孔。2氮是提高低碳、低合金钢焊缝强度，降低塑性和韧性的元素。如果熔池中含有比较多的氮，一部分氮将以过饱和的形式存在于固溶体中；另一部分氮则以针状氮化物Fe4N的形式析出，分布于晶界或晶内，因而使焊缝金属的强度、硬度升高，而塑性、韧性，特别是低温韧度急剧下降。,3氮是促使焊缝金属时效脆化的元素：焊缝金属中过饱和的氮处于不稳定状态，随着时间的延长，过饱和的氮逐渐析出，形成稳定的碳氮化物Fe4N，因而使焊缝金属的强度增加、塑性、韧性降低。4氮可以作为合金元素加入钢中。在焊缝金属中加入能形成稳定氮化物元素，如RE、A1、Ti、Zr等，可以抑制或消除时效现象。,（三）控制焊缝合氮量的措施,1加强焊接区的保护（1）焊条药皮的保护作用，取决于药皮的成分和数量。Kb增大，SN下降，当Kb40，SN0.040.05%，下降不明显。当药皮中加入造气剂，形成气渣联合保护，使SN降到0.02。（2）药芯焊丝的保护效果，取决于保护成分含量和形状系数。形状系数增大，保护效果好。形状系数：单位长度药芯焊丝腔体内金属带的重量与外壳金属带重量的比值。,2焊接工艺参数的影响（1）U（电弧长度），氮可以与熔滴作用时间，SN，应尽量采用短弧焊。（2）I，熔滴过渡频率f,熔滴阶段作用时间,SN。直流正极性焊接时焊缝含氮量比反极性(焊条接正极，工件接负极)时高。（3）焊接速度对焊缝的含氮量影响不大。（4）增加焊丝直径，熔滴变粗，焊缝含氮量下降。（5）多层焊时焊缝含氮量比单层焊时高，这与氮的逐层积累有关。,3利用合金元素控制焊缝合氮量：(1)增加焊丝或药皮中的含碳量可降低焊缝的含氮量，其原因是：a)碳能够降低氮在铁中的溶解度。b)碳氧化生成CO、CO2加强保护作用，降低了氮分压。c)碳的氧化引起熔池沸腾，有利于氮的逸出。(2)Ti、A1、Zr和稀土元素对氮有较大的亲合力，能形成稳定的氮化物。并且这些氮化物不溶于铁水，而进入熔渣中。这些元素对氧的亲力也很大，因此，可减少气相中NO的含量，这在一定程度上减少了焊缝的含氮量。,三、氢对金属的作用,（一）氢在金属中的溶解1按照氢与金属作用的特点，将金属划分为两类：1)能形成稳定氢化物的金属如Zr、Ti、V、Ta、Nb等。特点是：金属吸收氢的反应是放热反应，温度较低时吸氢量多；温度较高时吸氢量少。当吸氢量较多时，可形成氢化物（ZrH、TiH、VH、TaH、NbH）；当温度超过氢化物保持稳定的临界温度时，氢化物发生分解、氢则扩散逸出；当吸氢量较少时，这类金属与氢可形成固溶体。2)不能形成稳定氢化物的金属如A1、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等。氢能够溶解于这类金属及其合金中，溶解反应为吸热反应。,2氢溶解的途径与焊接方法有关：（1）气体保护焊时，氢是通过气相与液态金属的界面，以原子或质子的形式溶入金属的；（2）电渣焊时，氢是通过熔渣层溶入金属的；（3）手工电弧焊和埋弧焊时，氢的溶入是上述两种途径综合结果。,含自由氧离子酸碱性渣：对于不含自由氧离子：若渣中含有氟化物，,3溶解于渣中的H以OH离子形式存在,4H从熔渣中向金属中过渡发生的化学反应:,5H溶解的平方根定律,(2)合金的影响：C、Si、A1可降低氢在液态铁中的溶解度；Ti、Zr、Nb及稀土元素可以提高氢的溶解度；Mn、N、Cr、Mg影响不大；O可减少金属对氢吸附，减少氢在液态铁中溶解度。(3)组织：在奥氏体中，氢的溶解度大；在珠光体钢，氢的溶解度小。P244,6影响溶解度的因素温度：熔滴阶段吸收的氢比熔池阶段多。在金属沸点温度时，氢的溶解度为0。在金属相变点，氢溶解度发生突变,易形成气孔、裂纹等焊接缺陷。,（二）焊缝金属中的氢及其扩散,1存在形式：氢以H、H+、H-存在，在焊缝中形成间隙固溶体。扩散氢：氢原子及离子半径很小，可以在焊缝金属晶格中自由扩散，故被称为扩散氢。残余氢：氢扩散到金属的晶格缺陷、显微裂纹或非金属夹杂物边缘的微小空隙中时，结合成氢分子，由于分子的半径大而不能自由扩散，被称为残余氢。2H的扩散焊缝金属放置时间越长，扩散氢越减少，残余氢越增加，而焊缝的总氢量下降。3H的扩散形式：浓度扩散：H由浓度高的焊缝向热影响区扩散热扩散：类金属从低温（饱和度大）向高温扩散（饱和度低），与浓度扩散相反。应力诱导扩散：类金属发生相变、产生应力，应力的存在使H向拉应力大的方向扩散，H向焊缝根部及焊缝边界应力集中区扩散。,4H的测量测氢方法有水银法、甘油法、气相色谱法和排液法。熔敷金属扩散氢含量是试样经焊接后、立即冷却，按照测氢标难规定的方法测定并换算成标准状态下的含氢量。5H的分布氢沿焊缝长度方向的分布不均匀。氢不仅在焊缝中存在，还向近缝区中扩散，并且扩散深度较大。,图1-29氢在焊接接头横断面上的分布1-低碳钢，碱性焊条2-低碳钢，钛型焊条3-30CrMnSi钢，铁素体焊缝4-30CrMnSi钢，奥氏体焊条5-工业纯铁，纤维素型焊条,图1-30临近熔合线近缝区内氢的浓度随时间的变化1-Q235+奥氏体焊缝2-45钢+奥氏体焊缝3-Q235+铁素体焊缝4-45钢+铁素体焊缝,（三）氢对焊接质量的影响,1形成气孔熔池凝固结晶时，氢的溶解度突然下降，使氢处于过饱和状态，就促使发生如下反应：2HH2，反应生成的分子氢在液态金属中形成气泡。当气泡向外逸出的速度小于熔池的凝固速度时，就在焊缝中形成气孔。2产生冷裂纹焊接接头冷却到较低温度下（对于钢来说在Ms温度以下）时才产生的焊接裂纹称为冷裂纹。3造成氢脆氢在室温附近使钢塑性严重下降现象称为氢脆。氢脆是由于原了氢扩散聚集于钢显微空隙中，结合为分子氢，造成空隙内产生很高压力，阻碍金属塑性变形，导致金属变脆。4出现白点白点是出现在焊缝金属拉伸或弯曲试件的断面上的一种白色园形斑点，中心含有微细气孔或夹杂物，周围则为银白色的脆化部分，其形状类似鱼眼珠中的白点。它主要是在外力作用下，氢在微小气孔或夹杂物处的集结造成脆化。,（四）控制氢的措施,1限制焊接材料中的含氢量制造焊条、焊剂及药芯焊丝的各种原材料，如有机物、天然云母、水玻璃、铁合金等，都不同程度地含有吸附水、结晶水、化合水或溶解的氢。因此，在制造低氢或超低氢（HTm时，气相中氧的分压PO2远大于FeO的分解压PO2。高温时，CO2也是很强的氧化剂。当T=3000K时，PO2=20.3kPa，(即0.2atm)，气相中氧的分压约等于空气中氧的分压；当T3000K时，CO2的氧化性超过了空气。,4H2O气对金属的氧化水蒸气分解既使焊缝金属增氢，又使液体铁及其他合金元素氧化，其反应式及平衡常数又表示如下：,当温度升高时，H2O的氧化性增强。在液态铁存在的温度下，CO2氧化性大于H2O的氧化性。气相中含有较多的H2O时，仅仅进行脱氧并不能保证焊缝质量，必须同时去氢或减少H2O的来源。,5混合气体对金属的氧化手工电弧焊时，焊接区的气相是多种气体的混合物。钛铁矿型焊条析出的气体在接近熔池结晶温度(2000K)时，是还原性的；在2500K以上时，是氧化性的。低氢型焊条析出气体，高于熔池结晶温度时，都是氧化性的。,电弧气氛中氧的分压PO2和FeO的分解压(l01kPa),(2)气体保护焊，改善电弧电、热和工艺特性，采用混合气体。ArO2，ArCO2，ArO2CO2，O2CO2。O（与100g金属反应的总氧量）作为评定混合气体氧化能力指标。,（三）氧对焊接质量的影响,氧在焊缝金属中以溶解状态和氧化物夹杂两种形式存在，焊缝含氧量是指总的含氧量。一般溶解在钢中的氧很少，绝大部分氧是以夹杂物的形式存在的。1焊缝的强度、塑性、韧性明显下降；尤其是焊缝金属的低温冲击韧度急剧下降，引起焊缝金属的时效硬化、热脆及冷脆等、以及物理及化学性能的变化。2形成气孔：在熔池阶段，溶解的氧与碳发生冶金反应，反应产物是不溶于金属的CO。如果在熔池进行凝固时CO气泡来不及逸出，就会形成CO气孔。3烧损的有益合金元素，从而使焊缝金属的性能变坏。4形成飞溅在熔滴中所进行的氧与碳的冶金反应，生成CO受热膨胀，造成熔滴爆炸，形成飞溅，破坏了焊接过程的稳定性。,（四）控制氧的措施,控制氧的措施是预防和脱氧。(1)采用纯度高的焊接材料尽量采用不含或少含氧量的焊接材料。例如，采用低氧或无氧焊条、焊剂；采用高纯度的惰性气体作为保护气体；真空条件下焊接，可以降低焊缝金属含氧量。(2)控制焊接工艺参数增加电弧电压使空气容易侵入电弧，并且增加了氧与熔滴接触的时间，致使焊缝含氧量增加。为了减少焊缝合氧量应尽量采用短弧焊。(3)采用冶金方法进行脱氧通过向焊丝或焊条药皮中加入某种合金元素，使这些合金元素在焊接过程中被氧化，从而保护被焊金属及其合金元素不被氧化。,2.3焊接熔渣对金属的作用,一、焊接熔渣（一）熔渣的作用、成分及分类1熔渣在焊接过程中的作用（1）机械保护作用：液态熔渣覆盖在熔滴和熔池的表面上，把液态金属与空气隔离开，保护液态金属不被氧化和氮化。熔渣凝固后所形成的渣壳覆盖在焊缝金属上，使高温的焊缝金属不受空气的侵害。（2）冶金处理作用：熔渣可以去除焊缝中的有害杂质，如脱氧、脱硫、脱磷、脱氢；向焊缝金属过渡有益合金元素。（3）改善焊接工艺性能：在熔渣中加入某些物质可以使电弧容易引燃、稳定燃烧，减少飞溅，以及获得良好的焊缝成形等。,2.熔渣的成分和分类,1).熔渣成分：大体由氧化物、氯化物、氟化物、硼酸盐类组成是多种化学组成的复杂体系。第一类氧化物型第二类盐氧化物型第三类盐型,2).熔渣分为三类焊接熔渣的类型（成分）盐型熔渣：金属氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物。氧化性很小例如：CaF2-NaF、CaF2-BaCl2-NaF盐-氧化物型熔渣：氟化物和强金属氧化物组成。氧化性较小例如：CaF2CaO-SiO2（低氢型）、CaF2CaO-Al2O3氧化物型熔渣：主要由各种金属氧化物组成。氧化性较强例如：CaO-TiO2-SiO2（钛钙型）、MnO-SiO2,焊接铝、钛和其它化学活性金属及其合金,焊接合金钢及合金,焊接低碳钢和低合金钢,（二）熔渣微观结构,液态熔渣的结构有两种理论：分子理论和离子理论分子理论可简明的定性为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。,1.分子理论：,1).液态熔渣由自由氧化物及其复合物的分子组成2).氧化物之间成盐反应服从质量作用定律,当Tk自由氧化物浓度复合物浓度熔渣活性Tk自由氧化物浓度复合物浓度熔渣活性,3).只有自由氧化物才能与金属作用,4).各氧化物之间的化学亲和力可近似用生成复合物时的热效应来衡量,5).液态熔渣是理想的熔体-服从理想溶液定律,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).熔滴是由简单和复杂的离子组成的中性溶液,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碱性渣中SiO2少，氧以自由氧离子形式存在酸性渣中SiO2多，形式复杂的离子.之间形成离子团，极性键结合.,2).离子的分布，聚集和相互作用取决于它的综合矩,综合矩=Z/rr=其子Z离子电荷（静电单位）r离子半径离子综合矩越大，静电场愈强，与其它离子作用力愈大综合矩如综合矩最大,负离子综合矩最大.二者可结合成或更复杂的离子当综合矩r综合矩,盐型简单结构均匀溶液，氧化型熔渣具有复杂网状，结构的化学成分更不均匀的离子溶液，盐氧化物型比较复杂的化学成分微观不均的离子溶液。,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离子理论分子理论由于离子交换电荷、运动、形成电流.,（三）熔渣的性质与其结构的关系,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SiO2TiO2P2O52).碱性氧化物K2ONa2OCaOMgOBaOMnOFeO3).中性氧化物Al2O3Fe2O3Cr2O3,根据分子理论碱度的定义为：ai、i熔渣中碱性氧化物的质量分数、碱度系数aj、j熔渣中酸性氧化物的质量分数、碱度系数,B11碱B11酸B11中,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=aiMiMi-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,式中CaO、MgO、CaF2、SiO2等以质量百分数计,B11碱B11酸B11中,2.熔渣的粘度,(1)温度对粘度的影响长渣:T短渣:T(2)熔渣成分对粘度的影响CaF2CaOSiO2,3.熔渣的表面张力,实际气相与熔渣间的界面张力.键能越大表面张力越大.金属键:K2ONa2OCaOMgOBaOMnOFeO共价键:SiO2TiO2P2O5,4.熔渣的熔点药皮熔点:药皮熔化温度熔渣熔点:固态熔渣熔化温度焊接钢的熔点在1150-1350,（一）置换氧化,(SiO2)+2FeSi+2FeO,T反应向右进行lgKSi=(FeO)2Si/(SiO2)=-13460/T+6.04(MnO)+Fe=Mn+FeOlgKMn=(FeO)Mn/(MnO)=-6600/T+3.16,二、熔渣对焊缝金属的氧化,AF=SiO2+042B12(MnO)/100B1AF0.6高活性AF=0.