第三章焊接过程中冶金反应原理

1、第一篇第一篇 连接成形理论基础连接成形理论基础焊接方法焊接方法焊接材料焊接材料焊缝的成份焊缝的成份焊缝的性能焊缝的性能化学冶金过程化学冶金过程本章讲授目的本章讲授目的第第1 1节连接成形的冶金反应特点节连接成形的冶金反应特点第第2 2节液态金属与气体界面的反应节液态金属与气体界面的反应第第4 4节合金化及工艺条件对冶金反应的影响节合金化及工艺条件对冶金反应的影响 第第3 3节液态金属与熔渣的相互作用节液态金属与熔渣的相互作用第第1节节 连接成形的冶金反应特点连接成形的冶金反应特点第第2节节 液态金属与气体界面的反应液态金属与气体界面的反应N2、H2、O2CO2 和和 H2O 焊接材料，焊接材料

2、，如：焊条药皮、焊剂、焊芯、高价氧化物及有机物母材坡口的油污、铁锈、水分母材坡口的油污、铁锈、水分空气中的气体、水分空气中的气体、水分保护气体及其杂质气体保护气体及其杂质气体直接进入直接进入间接分解间接分解热氧化分解反应热氧化分解反应 200250后后 CO2、CO、H2、烃和水气、烃和水气 如纤维素的热氧化分解反应：如纤维素的热氧化分解反应：（C6H10O5）m7/2m O2（气）（气）6m CO2（气）（气）5m H2（气）（气）酸性焊条药皮中有机物的含量较高。酸性焊条药皮中有机物的含量较高。（545 910）（325 650） 碱性焊条药皮中碳酸盐的含量较高。碱性焊条药皮中碳酸盐的含量较

3、高。高价氧化物（高价氧化物（Fe2O3 和和 MnO2）的逐级分解）的逐级分解 （在某些酸性焊条药皮中含量较高）（在某些酸性焊条药皮中含量较高） 6 Fe2O3 = 4 Fe3O4 + O2 2 Fe3O4 = 6 FeO + O2 4 MnO2 = 2 Mn2O3 + O2 6 Mn2O3 = 4 Mn3O4 + O2；极易蒸发极易蒸发 溶解度溶解度S S的的影响因素影响因素 气体种类气体种类合金成分合金成分温度与压力温度与压力xxPkS 气体溶解度与热效应和温度的关系气体溶解度与热效应和温度的关系1吸热溶解吸热溶解 2放热溶解放热溶解溶溶解解度度温度温度12 金属发生相变时，金属发生相变时

4、，由于金属组织结构的由于金属组织结构的变化，气体的溶解度变化，气体的溶解度将发生突变。液相比将发生突变。液相比固相更有利于气体的固相更有利于气体的溶解。溶解。 当金属由液相转当金属由液相转变为固相时，溶解度变为固相时，溶解度的突然下降将对铸件的突然下降将对铸件和焊件中气孔的形成和焊件中气孔的形成产生直接的影响。产生直接的影响。（ PN2 PH2 = 0.1MPa ）氮、氢在金属凝固氮、氢在金属凝固时溶解度陡降。时溶解度陡降。氮、氢在奥氏体中的氮、氢在奥氏体中的溶解度大于铁素体。溶解度大于铁素体。氮、氢在液态铁中的溶解氮、氢在液态铁中的溶解度随温度升高而增大。度随温度升高而增大。在铁的气化温度附

5、近，在铁的气化温度附近，气体溶解度陡降。气体溶解度陡降。SH/mL.(100g)-1T/氢在不同金属中的溶解度随温度的变化（氢在不同金属中的溶解度随温度的变化（pH20.1MPa）a）I类金属类金属 b）II类金属类金属a）SH/mL.(100g)-1T/b）第第II类金属吸氢过程是放热反应，因此随着类金属吸氢过程是放热反应，因此随着温度的升高，氢的溶解度减小，温度的升高，氢的溶解度减小， 温度温度 T/溶解度溶解度SO/%与温度的关系与温度的关系氧在液态铁中的溶解度随氧在液态铁中的溶解度随温度升高而增大温度升高而增大铁液中氧的溶解度随温度的变化铁液中氧的溶解度随温度的变化 氢在二元系铁合金中

6、的溶解度（1600）氢溶解度SH/ml.(100g)-1合金元素含量wMe /% 氮在二元系铁合金中的溶解度（1600）合金元素含量wMe /%氮溶解度SN/液态金属中加入能提高气体含量的合金元素，可提高气体的液态金属中加入能提高气体含量的合金元素，可提高气体的溶解度；若加入的合金元素能与气体形成稳定的化合物（即溶解度；若加入的合金元素能与气体形成稳定的化合物（即氮、氢、氧化合物），则降低气体的溶解度。氮、氢、氧化合物），则降低气体的溶解度。 自由氧化物分解压与温度的关系自由氧化物分解压与温度的关系T/Lg pO2/101.3kPaMoO高温下高温下CO2对液态铁和其他许多金属来说均为活泼的氧

7、化剂。对液态铁和其他许多金属来说均为活泼的氧化剂。H2O对金属的氧化反应特点：对金属的氧化反应特点： 温度越高，温度越高，H2O 的氧化性越强。的氧化性越强。 在液态铁存在的温度，在液态铁存在的温度，H2O 气的氧化性比气的氧化性比 CO2 小。小。但应注意，但应注意，H2O气除了使金属氧化外，还会提高气相气除了使金属氧化外，还会提高气相中中 H2 的分压，导致金属增氢。的分压，导致金属增氢。室温下室温下 N、H、O 在金属中的溶解度极低，在金属中的溶解度极低， 残留在接头中的残留在接头中的 HR易导致冷裂纹和氢脆。易导致冷裂纹和氢脆。固溶态固溶态化合物化合物独立气相独立气相晶界、晶内弥散状（

8、氮化晶界、晶内弥散状（氮化物物Fe4N）块状（氧化物、氮化物）块状（氧化物、氮化物）强化、脆化强化、脆化 夹杂夹杂气孔（氢气孔，氮气孔，气孔（氢气孔，氮气孔，CO气孔）气孔）氢在室温附近使氢在室温附近使钢的塑性严重下钢的塑性严重下降降限制措施：焊接时，采用渣保护、气保护或渣气联合限制措施：焊接时，采用渣保护、气保护或渣气联合保护。保护。（2）氢主要来源于水分）氢主要来源于水分，包括原材料（母材、焊接材料，包括原材料（母材、焊接材料等）本身含有的水分、材料表面吸附的水分以及铁锈或等）本身含有的水分、材料表面吸附的水分以及铁锈或氧化膜中的结晶水、化合水等。材料内的氧化膜中的结晶水、化合水等。材料内的碳氢化合物碳氢化合物和和材料表面的材料表面的油污油污等也是氢的重要来源。等也是氢的重要来源。 限制措施：焊材存放中防吸潮、焊前烘干和去除杂质限制措施：焊材存放中防吸潮、焊前烘干和去除杂质和油污。和油污。（3） 氧主要来源于焊材或矿石，氧主要来源于焊材或矿石，在焊接要求比较在焊接要求比较高的合金钢和活泼金属时，应高的合金钢和活泼金属时，应尽量选用不含氧或氧尽量选用不含氧或氧含量少的焊接材料含量少的焊接材料，如采用高纯度的惰性保护气体，如采用高纯度的惰性保护气体，采用低氧或无氧的焊条、焊剂等。采用低氧或无氧的焊条、焊剂等