西安工大焊接冶金学基本原理-第2章焊接化学冶金

1、西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接冶金学焊接冶金学-基本原理基本原理主讲主讲: : 张文兴张文兴西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金含义含义：在熔焊过程中，焊接区内各种物质之间在高温下相互作用。作用作用：对焊缝金属的成分、性能、缺陷和焊接工艺都有很大影响

2、。内容内容：研究在各种焊接工艺条件下，冶金反应与焊缝金属成分、性能之间的关系及变化规律。目的目的：合理选择焊接材料，控制焊缝金属成分和性能，设计创造新的焊接材料。西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金本章内容：本章内容： 2.12.1焊接化学冶金过程特点焊接化学冶金过程特点 2.22.2气相对金属的作用气相对金属的作用 2.32.3熔渣及其对金属的作用熔渣及其对金属的作用 2.42.4焊缝金属的合金过渡焊缝金属的合金过渡西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院Scho

3、ol of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金2.12.1焊接化学冶金过程特点焊接化学冶金过程特点2.1.1焊条熔化及熔池形成焊条熔化及熔池形成2.1.2焊接过程中对熔融金属的保护焊接过程中对熔融金属的保护2.1.3 焊接化学冶金反应区及其反应条件焊接化学冶金反应区及其反应条件2.1.4 焊接工艺条件与化学冶金反应的关系焊接工艺条件与化学冶金反应的关系西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金普通化学

4、冶金和焊接化学冶金过程对比：普通化学冶金和焊接化学冶金过程对比：普通化学冶金过程普通化学冶金过程 对金属熔炼加工过程，在特定的熔炉中进行。对金属熔炼加工过程，在特定的熔炉中进行。焊接化学冶金过程焊接化学冶金过程 金属在焊接条件下，再熔炼的过程，焊接时焊缝相当于熔炉。金属在焊接条件下，再熔炼的过程，焊接时焊缝相当于熔炉。二者共同点二者共同点：金属冶炼加工。金属冶炼加工。不同点：不同点：1 1）原材料不同）原材料不同 普冶材料：矿石、焦炭、废钢铁普冶材料：矿石、焦炭、废钢铁 焊接材料：焊条、焊丝、焊剂焊接材料：焊条、焊丝、焊剂2 2）目的不同）目的不同 普冶：提炼金属；调整状态普冶：提炼金属；调整

5、状态 焊冶：对金属再熔炼，以满足构件性能焊冶：对金属再熔炼，以满足构件性能焊接原理就是用基本理论焊接原理就是用基本理论 分析在焊接条件下的特点，分析在焊接条件下的特点，重点是不同之处。重点是不同之处。含义或形式不同在熔炉中进行，量大焊缝相当于熔炉，量小西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金西安工业大学材化

6、学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金2.1.12.1.1焊条熔化及熔池形成焊条熔化及熔池形成1 1、焊条的加热及熔化、焊条的加热及熔化（1 1）焊条的加热）焊条的加热 电阻热：焊接电流通过焊芯时产生的电阻热。（电阻热：焊接电流通过焊芯时产生的电阻热。（600600650650) ) 电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量。（主要）电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量。（主要） 化学反应热：药皮部分化学物质化学反应时产生的热量（极少）化学反应热：药皮部分化学物质化学反应时产生的热量（极少）

7、 2.12.1焊接化学冶金过程的特点焊接化学冶金过程的特点西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金（2 2） 焊条金属的熔化速度焊条金属的熔化速度 焊条金属的平均熔化速度：焊条金属的平均熔化速度： 单位时间内熔化的焊芯质量或长度称为单位时间内熔化的焊芯质量或长度称为,与焊接电流成正比与焊接电流成正比 MPGgItgM焊条金属平均熔化速度（g/h)G 熔化的焊芯质量（g） t 电弧燃烧的时间（h） I 焊接电流（A) P焊条的熔化系数g/(Ah)西安工业大学材化学院西安工

8、业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金 焊条金属平均熔敷速度：焊条金属平均熔敷速度： 单位时间内真正进入焊缝金属的那一部分金属的质量称单位时间内真正进入焊缝金属的那一部分金属的质量称DDHGgItgD焊条金属的平均熔敷速度（g/h)GD熔敷到焊缝金属中的金属质量（g）H焊条的平均熔敷系数（g/(Ah)）损失系数：损失系数： 损失的金属质量与熔化的焊芯质量之比，称为损失的金属质量与熔化的焊芯质量之比，称为 = (G-G= (G-GD D)/G = (g)/G = (gM M-g-gD D)/g)

9、/gM M = 1-= 1-H H/P P H H = (1-) = (1-) P P西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金熔滴：熔滴：在电弧热的作用下，焊条端部熔化形成的滴状液态金属。在电弧热的作用下，焊条端部熔化形成的滴状液态金属。（3 3） 焊条金属熔滴及过渡特性焊条金属熔滴及过渡特性 a a）熔滴的过渡形式）熔滴的过渡形式短路过渡、颗粒过渡、附壁过渡。西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Eng

10、ineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金短路过渡示意图碱性焊条：短路过渡和大颗粒过渡；酸性焊条：细颗粒过渡和附壁过渡。 西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金图焊条端部熔滴质量随时间的变化图焊条端部熔滴质量随时间的变化 (低氢碱性焊条，反接低氢碱性焊条，反接)西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金b) 熔滴的比表面积和熔滴的比

11、表面积和 与周围介质相互作用时间与周围介质相互作用时间熔滴的比表面积熔滴的比表面积S S： 熔滴的表面积与其质量之比，称为熔滴的表面积与其质量之比，称为。 熔滴越细，比表面积越大熔滴越细，比表面积越大 I,R,S，利于冶金反应进行。，利于冶金反应进行。 大小大小 103104cm2/kg熔滴与周围介质的平均相互作用时间：熔滴与周围介质的平均相互作用时间：很短很短, 0.011.0s, 0.011.0s内。内。234343ggARSVRR比表面积小存在时间短西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章

12、 焊接化学冶金焊接化学冶金 c）熔滴温度）熔滴温度 实测手工电弧焊碳钢焊条实测手工电弧焊碳钢焊条: 熔滴平均温度：熔滴平均温度： 1800-2400 熔渣平均温度：熔渣平均温度： 1600 熔池平均温度：熔池平均温度： 1770100 电流越大温度越高，焊丝直径越细温度越高。电流越大温度越高，焊丝直径越细温度越高。注：注：药皮熔化后（熔渣）的向熔池过渡药皮熔化后（熔渣）的向熔池过渡：以薄膜的形式包在熔滴外面或夹在熔滴内同熔滴一起过渡。以薄膜的形式包在熔滴外面或夹在熔滴内同熔滴一起过渡。直接从焊条端部流入熔池或以滴状落入熔池。直接从焊条端部流入熔池或以滴状落入熔池。温度高西安工业大学材化学院西安

13、工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金2 2 熔池的形成熔池的形成熔池：熔池：熔焊时，母材上由熔化的焊条金属与局部熔化的母熔焊时，母材上由熔化的焊条金属与局部熔化的母材所组成的具有一定材所组成的具有一定几何形状几何形状的液体金属。的液体金属。 就像钢锭冶炼一样，不过体积小。就像钢锭冶炼一样，不过体积小。西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金（1）熔池的形状和尺寸）熔

14、池的形状和尺寸熔池为半椭球，几何尺寸：熔池为半椭球，几何尺寸：Hmax(深度）深度）, Bmax（宽度）（宽度）, L（长度）（长度） I，Bmax (主要受主要受I控制控制) Hmax (不确定，不确定，TIG略有增大略有增大) ； U，Hmax (主要受主要受U控制控制) Bmax (不确定不确定) ； P P2 2比例系数，取决于焊接比例系数，取决于焊接 方法和电流方法和电流 2.4-5.52.4-5.5 I I焊接电流焊接电流 UU焊接电压焊接电压 该式适用于点状热源该式适用于点状热源 。比表面积：比表面积： 熔池熔池 (0.313)10cm2/kg 熔滴熔滴 103104cm2/kg

15、2LP IU西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金（2）熔池的质量和存在时间）熔池的质量和存在时间 质量质量：手弧焊：手弧焊：0.616g，一般小于，一般小于5g 埋弧焊：最大埋弧焊：最大100g。 最大存在时间：最大存在时间：几秒几秒-几十秒几十秒 比熔滴长。比熔滴长。 tmax=L/v v：焊速：焊速 平均存在时间：平均存在时间： m mp p：熔池的质量：熔池的质量 ：熔池液态金属的密度：熔池液态金属的密度A Aw w：焊缝的横截面积：焊缝的横截面积pcpWmt

16、vA平均长度西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金 （3 3）熔池温度）熔池温度 熔池中部温度最高，前部熔池中部温度最高，前部/ /尾部低。尾部低。熔滴平均温度：熔滴平均温度： 1800-2400熔池平均温度：熔池平均温度： 1770100熔渣平均温度：熔渣平均温度： 1600西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金（4 4）熔池运动状态）熔池

17、运动状态a a）液态金属密度差引起自由对流运动）液态金属密度差引起自由对流运动b b）表面张力差引起强迫对流运动）表面张力差引起强迫对流运动c c）熔池中各种机械力搅拌）熔池中各种机械力搅拌 对焊接质量的影响对焊接质量的影响元素扩散元素扩散成分均匀化成分均匀化熔渣运动熔渣运动反应彻底反应彻底 上浮上浮夹杂夹杂（熔渣密度小）（熔渣密度小）气泡上浮气泡上浮气孔气孔西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金2.1.22.1.2焊接过程中对熔融金属的保护焊接过程中对熔融金属的保护

18、1 1、保护的必要性及目的、保护的必要性及目的 现象：氧氮显著提高现象：氧氮显著提高 合金元素烧损合金元素烧损 电弧不稳电弧不稳 目的：减少和防止空气（氧、氮）进入焊接区，避免合金元目的：减少和防止空气（氧、氮）进入焊接区，避免合金元素烧损，素烧损，降低焊缝的性能；降低焊缝的性能；促进电弧稳定燃烧，促进电弧稳定燃烧，改善工艺性能改善工艺性能。光焊丝焊接塑韧性下降焊接化学冶金焊接化学冶金首要任务首要任务工艺性下降西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金2、保护方式和效果、

19、保护方式和效果真空：电子束焊真空：电子束焊(小于小于0.0133Pa）气体：气体：TIG焊焊, CO2, MIG熔渣：埋弧焊，渣保护的焊条熔渣：埋弧焊，渣保护的焊条气气-渣：焊条电弧焊、药芯焊渣：焊条电弧焊、药芯焊自保护：焊丝含脱氧剂，脱氮剂（非机械隔离空气）自保护：焊丝含脱氧剂，脱氮剂（非机械隔离空气） 效果效果效果差无实用价值但可作为补充西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金3、焊条的组成（补充内容）、焊条的组成（补充内容）（1 1）焊芯）焊芯- -焊丝焊丝 作用

20、：导电、填充金属。作用：导电、填充金属。（2 2）药皮）药皮 作用：机械保护作用作用：机械保护作用 冶金处理作用冶金处理作用西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金药皮组成药皮组成稳弧剂稳弧剂: : 改善引弧性能和提高电弧燃烧的稳定性（原材料为易改善引弧性能和提高电弧燃烧的稳定性（原材料为易电离或电离势低的物质）。电离或电离势低的物质）。 如：如：K K2 2COCO3 3、CaCOCaCO3 3大理石、长石、钾水玻璃等。大理石、长石、钾水玻璃等。造渣剂造渣剂: : 造

21、成具有一定造成具有一定物理性能、化学性能物理性能、化学性能的熔渣，起到保护的熔渣，起到保护作用和改善焊缝成型。作用和改善焊缝成型。 如：钛铁矿、金红石、萤石如：钛铁矿、金红石、萤石( (CaF2 ) )、长石（硅酸盐）等。、长石（硅酸盐）等。 造气剂造气剂: : 造气保护。有机物、碳酸盐。有机物如：木粉、淀粉、造气保护。有机物、碳酸盐。有机物如：木粉、淀粉、析出气体析出气体COCO2 2、H H2 2。碳酸盐析出气体。碳酸盐析出气体COCO2 2，高温时产生，高温时产生COCO。脱氧剂脱氧剂: : 降低药皮中或熔渣的氧化性和脱除金属中的氧。降低药皮中或熔渣的氧化性和脱除金属中的氧。 如：铁合金

22、，锰铁、钛铁、硅铁等。如：铁合金，锰铁、钛铁、硅铁等。合金剂合金剂: : 使焊缝补偿烧损和获得必要的合金成分。使焊缝补偿烧损和获得必要的合金成分。 如：如：FeFe合金、纯金属。合金、纯金属。西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金粘结剂粘结剂:将涂料牢固的粘在焊芯上，参加冶金反应，如钠水玻将涂料牢固的粘在焊芯上，参加冶金反应，如钠水玻璃、钾水玻璃与钠水玻璃混合。璃、钾水玻璃与钠水玻璃混合。增塑性增塑性:便于用机器压制焊条，额外加入一些能改善涂料塑性便于用机器压制焊条，

23、额外加入一些能改善涂料塑性或滑润性物质。如云母、白泥、滑石等。或滑润性物质。如云母、白泥、滑石等。药皮组成总结：药皮组成总结：一系列氧化物（一系列氧化物（Ti，Fe，Mn、Si），碳酸盐（），碳酸盐（Ca，Na，K）、）、硅酸盐（硅酸盐（SiO2的复合化合物）、纯的复合化合物）、纯Me，有机物及，有机物及CaF2等。等。书书P83页。页。西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金2.1.3 焊接化学冶金反应区及其反应条件焊接化学冶金反应区及其反应条件分区域连续进行分区域连

24、续进行 焊条电弧焊焊条电弧焊3个反应区。个反应区。YT西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金1、药皮反应区：、药皮反应区： 指焊条受热后，直到焊条药指焊条受热后，直到焊条药皮熔点前发生的一些反应皮熔点前发生的一些反应。温度温度：100-1200 （钢）（钢）反应反应：水分的蒸发、某些物：水分的蒸发、某些物质的分解和铁合金的氧化。质的分解和铁合金的氧化。气保护及气体氧化问题。气保护及气体氧化问题。 （先期脱氧）（先期脱氧）水分蒸发结晶水分解碳酸盐分解铁合金氧化西安工业大

25、学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金2 熔滴反应区熔滴反应区熔滴形成、长大、脱离焊条、过渡到熔池之前所发生的反应。熔滴形成、长大、脱离焊条、过渡到熔池之前所发生的反应。特点特点：温度高温度高 1800180024002400，过热度，过热度300300900 900 与气体、熔渣的接触面积大与气体、熔渣的接触面积大。比表面积是炼钢的。比表面积是炼钢的10001000倍倍各相反应时间短各相反应时间短 末端停留末端停留0.010.010.1s 0.1s ，速度，速度2.52.51

26、0m/s10m/s，弧柱区弧柱区0.00010.00010.001s0.001s熔渣和熔滴金属发生强烈的混合熔渣和熔滴金属发生强烈的混合。反应最激烈，包括：气体的分解和溶解、金属的蒸发、金属及其反应最激烈，包括：气体的分解和溶解、金属的蒸发、金属及其合金成分的氧化与还原等。合金成分的氧化与还原等。 西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金3 熔池反应区熔池反应区 熔滴和熔渣进入熔池，到金属凝固形成焊缝熔滴和熔渣进入熔池，到金属凝固形成焊缝所发生的反应。所发生的反应。物理

27、特点（与熔滴反应区相比）：物理特点（与熔滴反应区相比）：平均温度低平均温度低：1600-1900 （熔滴（熔滴1800180024002400）比表面积小比表面积小：3130 cmcm2 2/kg/kg（熔滴（熔滴10103 3104 cmcm2 2/kg/kg）反应时间长反应时间长：3-8s3-8s（SMAWSMAW）（熔滴）（熔滴0.010.011.0s1.0s）化学特点：化学特点：反应物浓度与平衡浓度之差小；反应物浓度与平衡浓度之差小； 反应速度慢反应速度慢当药皮系数当药皮系数Kb比较大时，参与反应比较大时，参与反应 的熔渣数量比较多；（的熔渣数量比较多；（见下图）见下图） 反应物时不断

28、更新的。反应物时不断更新的。 反应动态平衡、焊缝成分稳定反应动态平衡、焊缝成分稳定 西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金熔池温度不均匀，前部有利于吸热反应、熔池温度不均匀，前部有利于吸热反应、金属熔化、吸气；后部有利于放热反应、金属熔化、吸气；后部有利于放热反应、金属凝固、排气。另外，熔池金属对流金属凝固、排气。另外，熔池金属对流和搅拌运动，加速反应，利于排气排渣和搅拌运动，加速反应，利于排气排渣、熔池、熔滴对化学冶金反应、熔池、熔滴对化学冶金反应的贡献与的贡献与K

29、b有关有关注意：焊接化学冶金不是间断注意：焊接化学冶金不是间断而是而是分区域连续进行分区域连续进行。西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金2.1.4 焊接工艺条件与化学冶金反应的关系焊接工艺条件与化学冶金反应的关系1 1、熔合比的影响、熔合比的影响 熔合比：熔合比：焊缝金属中，局部熔化的母材所占的比例。焊缝金属中，局部熔化的母材所占的比例。 BABSSS 熔合比SB熔化母材的面积SA填充金属的面积西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Materi

30、al and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金 C0 某元素在焊缝金属中的质量百分数。某元素在焊缝金属中的质量百分数。 Cb 该元素在母材中的质量百分数。该元素在母材中的质量百分数。 Ce 该元素在焊芯中的质量百分数。该元素在焊芯中的质量百分数。 熔合比熔合比0(1)beCCCCW 焊缝金属中合金元素的实际浓度。焊缝金属中合金元素的实际浓度。Cd 熔敷金属中元素的实际质量百分数熔敷金属中元素的实际质量百分数(1)wbdCCC焊缝金属的合金元素浓度：焊缝金属的合金元素浓度：焊缝金属的合金元素实际浓度：焊缝金属的合金元素实际浓度：西安工业大学材化学院

31、西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金2、熔滴过渡特性的影响（实质是工艺参数）、熔滴过渡特性的影响（实质是工艺参数）焊接电流焊接电流I I的变化的变化 冶金反应不充分冶金反应不充分It 滴焊接电弧电压焊接电弧电压U U的变化的变化 U U 弧长弧长 t t滴滴 冶金反应充分冶金反应充分西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金过程特点焊接化学冶金过程特点

32、西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金内容：内容： 2.12.1焊接化学冶金过程特点焊接化学冶金过程特点 2.22.2气相对金属的作用气相对金属的作用 2.32.3熔渣及其对金属的作用熔渣及其对金属的作用 2.42.4焊缝金属的合金过渡焊缝金属的合金过渡第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金2.2 气相

33、对金属的作用气相对金属的作用2.2.1 焊接区的气体焊接区的气体2.2.2 氮对金属的作用氮对金属的作用2.2.3 氢对金属的作用氢对金属的作用2.2.4 氧对金属的作用氧对金属的作用西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金2.2 气相对金属的作用气相对金属的作用2.2.1 焊接区的气体焊接区的气体 气体的来源和产生气体的来源和产生（1）气体的来源）气体的来源 焊接材料（主要），母材和环境气氛。焊接材料（主要），母材和环境气氛。（2）气体的供给途径）气体的供给途径 主要

34、由主要由直接输入或侵入直接输入或侵入的原始气体，的原始气体，物化反应产生的气体物化反应产生的气体。西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金a. 有机物的分解和燃烧有机物的分解和燃烧淀粉、纤维素和藻酸盐淀粉、纤维素和藻酸盐酸性焊条造气剂和增塑剂酸性焊条造气剂和增塑剂产物：产物：CO2,CO,H2及水气及水气220 -320 分解分解50%；800 完全分解。完全分解。纤维素焊条烘干温度不超过150西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material

35、 and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金 b.碳酸盐和高价氧化物的分解碳酸盐和高价氧化物的分解 碳酸盐：碳酸盐：CaCO3、MgCO3、CaMg(CO3) 2作用：焊条造气剂作用：焊条造气剂分解：分解： CaCOCaCO3 3 分解分解545 545 ，剧烈，剧烈910910 MgCO MgCO3 3 分解分解325 325 ，剧烈，剧烈650 650 产物：产物：COCO2 2 氧化物氧化物焊条烘干多少度焊条烘干多少度? ?高价氧化物：高价氧化物：Fe2O3和和MnO2产物：产物：O2和低价氧化物和低价氧化物FeO和和MnOPS:药皮反应区温

36、度药皮反应区温度100-1200 西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金 c. 材料的蒸发及冶金反应材料的蒸发及冶金反应 吸附水，结晶水，金属蒸气，熔渣蒸气，一些冶金反应吸附水，结晶水，金属蒸气，熔渣蒸气，一些冶金反应 d.直接输入或侵入直接输入或侵入 保护气，周围空气中的保护气，周围空气中的N2,O2,H2O，保护气体中的，保护气体中的N2,O2,H2O。（3）气体的分解和电离）气体的分解和电离 产物：产物：H,O,H2,O2（4）焊接区气体的成份）焊接区气体的成份

37、 由由N2, H2, O2，CO2, H2O,金属和熔渣的蒸气以及它们分解和电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。红色离的产物组成的混合物。红色5种气体对焊接质量有重要影响。种气体对焊接质量有重要影响。它们与金属的作用分两种类型：它们与金属的作用分两种类型： a.气体在金属中的溶解。气体在金属中的溶解。N2, H2, O2 b.与金属化学反应（特指氧化），与金属化学反应（特指氧化）， O2，CO2, H2O西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金2.2

38、.2 氮对金属的作用氮对金属的作用来源：来源：主要是焊接区周围的空气。主要是焊接区周围的空气。氮与金属作用形式：氮与金属作用形式： （1 1）不与氮发生作用的金属，即不能熔解氮又不形成氮）不与氮发生作用的金属，即不能熔解氮又不形成氮化物，可用化物，可用N N作为保护气体，如作为保护气体，如CuCu、NiNi等。等。 （2 2）与氮发生作用的金属，即能溶解氮又能形成氮化物）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，如，这种情况下就要防止焊缝金属的氮化，如FeFe、TiTi等。等。西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material a

39、nd Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金 一个大气压分压时温度对一个大气压分压时温度对H和和N 在在Fe中的溶解度影响中的溶解度影响分析：电弧焊时含氮量远大于其溶解度的原因西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金1 1、氮在金属中的溶解、氮在金属中的溶解 （1 1）原子形式溶于液态金属）原子形式溶于液态金属 （平方根定律：（平方根定律： ） （2 2）以）以NONO形式溶入形式溶入（氧化气氛条件下）（氧化气氛条件下） （3

40、3）以氮离子形式溶入）以氮离子形式溶入（电离）（电离）液态金属中含氮量远高于溶解度的原因：液态金属中含氮量远高于溶解度的原因： 过热度大；受激条件下溶解速度大；过热度大；受激条件下溶解速度大；N N3+3+在阴极溶入；在阴极溶入；NONO溶入溶入N22NNON+O西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金2、氮对焊接质量的影响、氮对焊接质量的影响 （1）气孔）气孔 （2）改变力学性能，强度升，塑性、韧性降。）改变力学性能，强度升，塑性、韧性降。 （3）时效脆化）时效脆化（

41、形成针状（形成针状Fe4N, 加加Ti、Al、Zr抑制或消除）抑制或消除）西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金3、影响焊缝含氮量的因素及控制措施、影响焊缝含氮量的因素及控制措施 （1）控氮主要途径，加强保护，减少输入）控氮主要途径，加强保护，减少输入（与脱氧的差异）（与脱氧的差异）。 如焊条：药皮气渣联合保护如焊条：药皮气渣联合保护选择焊条；或采用保护效果更好的方法选择焊条；或采用保护效果更好的方法 （2）焊接工艺参数的影响。）焊接工艺参数的影响。 如短弧焊（小电压

42、）、大电流，缩短熔滴存在时间；大直径焊丝，熔如短弧焊（小电压）、大电流，缩短熔滴存在时间；大直径焊丝，熔滴半径大溶氮量降低滴半径大溶氮量降低 （3）合金元素的影响（图）合金元素的影响（图1-23，P37）焊接化学冶金效果降低熔滴温度下降冶金效果变差西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金2.2.3 氢对金属的作用氢对金属的作用1 1、氢在金属中的溶解、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）来源：焊条药皮、焊剂、焊丝药芯中水分，药皮中有

43、机物、焊件表面杂质（锈、油）、空气中水分物、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一类能形成稳定氢化物金属 ，放热反应，低温吸氢多。，放热反应，低温吸氢多。 （ 如：如：Ti, Zr, V, Ta, Nb） 第二类不形成稳定氢化物的金属。溶解，吸热反应第二类不形成稳定氢化物的金属。溶解，吸热反应 ，温度升，温度升高，溶解度增加。（如：高，溶解度增加。（如：Al, Fe, Cu, Ni, Cr，Mo） （2）溶解机构）溶解机构1).1).氢以原子形式溶入（一般）氢以原子形式溶入（一般） （平方根定律）（平方根定律）2).2).以以 溶入溶入 （熔渣）（熔渣）3).3).

44、以以 溶入溶入 （电弧）（电弧） OHH西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金 2、焊缝金属中的氢及其扩散、焊缝金属中的氢及其扩散（1）存在

45、形式）存在形式 扩散氢扩散氢：氢以原子或质子形式：氢以原子或质子形式存在的并可在金属晶格中自由存在的并可在金属晶格中自由扩散。（占扩散。（占8到到9成）成） 残余氢残余氢：氢原子扩散聚集：氢原子扩散聚集陷阱陷阱（金属的晶格缺陷，显微裂纹（金属的晶格缺陷，显微裂纹和非金属夹杂物的边缘空隙）和非金属夹杂物的边缘空隙）中，结合成分子不能自由扩散。中，结合成分子不能自由扩散。 总含氢量总含氢量=扩散氢残余氢扩散氢残余氢西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金（2）接头分布）接头

46、分布近缝区氢含量与冷裂纹产生有密切关系近缝区氢含量与冷裂纹产生有密切关系西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金3、氢对焊接质量的影响、氢对焊接质量的影响永久现象：气孔、冷裂纹（不可消除）永久现象：气孔、冷裂纹（不可消除） 暂态现象：脆化、白点（时效、热处理可消除）暂态现象：脆化、白点（时效、热处理可消除） 1)1)、气孔气孔2)2)、冷裂纹冷裂纹3)3)、氢脆氢脆 室温时氢溶解在金属晶格中，引起钢的塑性室温时氢溶解在金属晶格中，引起钢的塑性严重下降现象严重下降现象4)

47、4)、白点、白点 产生区域产生区域?西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金 白点：肉眼可见，直径白点：肉眼可见，直径0.50.53mm3mm中心处有气孔或小的夹渣，外中心处有气孔或小的夹渣，外围有脆性裂断的痕迹。围有脆性裂断的痕迹。 产生时间：产生时间：白点是在塑性变形阶段产生的。白点是在塑性变形阶段产生的。 解释解释“诱捕理论诱捕理论”：焊缝中的气孔及非金属夹杂物边缘的空隙：焊缝中的气孔及非金属夹杂物边缘的空隙, ,好象好象“陷阱陷阱”一样。捕捉氢原子，并在其中结合

48、成氢分子一样。捕捉氢原子，并在其中结合成氢分子, ,在在拉伸试验中拉伸试验中“陷阱陷阱”中的氢分子被吸附。由于塑性变形新产生中的氢分子被吸附。由于塑性变形新产生的微裂纹表面上的微裂纹表面上, ,分解成原子氢，原子氢扩散到微裂纹金属晶分解成原子氢，原子氢扩散到微裂纹金属晶格内格内, ,引起金属脆化。引起金属脆化。 消除措施消除措施：去氢处理：去氢处理西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金4、控制氢的措施、控制氢的措施（1）限制焊接材料的含氢量，）限制焊接材料的含氢量，烘

49、干烘干 （2）清理工件及焊丝上杂质，）清理工件及焊丝上杂质， 去锈、油污、吸附水分去锈、油污、吸附水分 （3）冶金处理）冶金处理 ，使氢生成不，使氢生成不 溶于液态金属的氢化物。溶于液态金属的氢化物。 如：如：HF, OH，稀土元素，稀土元素（4）焊后脱氢处理）焊后脱氢处理 ：3501h（5）调整焊接规范）调整焊接规范 （与氮类似，效果差）（与氮类似，效果差）西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金2.2.4 氧对金属的作用氧对金属的作用1、氧在金属中的溶解、氧在金属中

50、的溶解来源：来源：焊接材料、母材焊接材料、母材(形成氧化性气体形成氧化性气体O2、CO2、H2O)和空气。和空气。 对熔焊：对熔焊：氧与金属作用不可避免，重要的是减少焊缝中氧氧与金属作用不可避免，重要的是减少焊缝中氧含量，降低对接头造成的危害。含量，降低对接头造成的危害。存在形式：存在形式： 液态液态Fe：O和和FeO 固态固态Fe：氧化物：氧化物(FeO、SiO2、MnO、Al2O3) 和硅酸盐和硅酸盐(夹杂物夹杂物)，(无无O，室温氧几乎不溶解，室温氧几乎不溶解)西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第

51、第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金2 氧化性气体对金属的氧化氧化性气体对金属的氧化（1）氧化还原反应判据）氧化还原反应判据 氧化物分解压氧化物分解压氧化物分解达到平衡时氧的平衡分压，称氧化物分解达到平衡时氧的平衡分压，称为氧化物的分解压。为氧化物的分解压。 反应系统中氧的分压反应系统中氧的分压2oP)(2TfPo 22ooPP时，金属被还原，反应向右进行； 22ooPP时，金属被氧化，反应向左进行；系统：系统：液态液态FeFeOO2西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化

52、学冶金（2）自由氧对金属的氧化）自由氧对金属的氧化 （包括对（包括对Fe,C,Mn,Si等）等） 对对C的氧化，生成的氧化，生成CO(焊接区气体的冶金反应来源焊接区气体的冶金反应来源)。（3）CO2对金属的氧化对金属的氧化 反应产物，反应产物，FeO、CO(焊接区气体的冶金反应来源焊接区气体的冶金反应来源) CO2焊焊只能防弹，不能防痒，低氢。只能防弹，不能防痒，低氢。（4）H2O气对金属的氧化气对金属的氧化 反应产物，反应产物，FeO,H2, 既增氢，又增氧。既增氢，又增氧。（5）混合气体对金属的氧化）混合气体对金属的氧化 2FeOCOFeCOFeOOFe22/122HFeOFeOH西安工业

53、大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金3 氧对焊缝质量的影响氧对焊缝质量的影响（1）力学性能下降）力学性能下降（2）产生）产生CO气孔，及飞溅气孔，及飞溅（3）合金元素烧损）合金元素烧损（4）减少氢的危害）减少氢的危害4.4.防止措施防止措施 一防二脱一防二脱 西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金气体气体来源来源控制（有效）控制（有效）N 大气大气

54、1防防H有机物有机物水水吸附水吸附水 药皮药皮结晶水结晶水锈锈油油大气大气 药皮、焊剂：吸附药皮、焊剂：吸附(结晶结晶)水水1防防 母材、焊丝：锈、油母材、焊丝：锈、油 大气大气2脱脱（焊后脱氢处理：（焊后脱氢处理：3501h）3反应（氧化：反应（氧化：HF OH ）O有机物有机物CO2、H2O高钾氧化物高钾氧化物H2O 水水保护气（保护气（CO2保护焊）保护焊）大气大气1防防2脱脱水水 母材、焊丝母材、焊丝药皮、药皮、焊剂焊剂西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金西

55、安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金内容：内容： 2.12.1焊接化学冶金过程特点焊接化学冶金过程特点 2.22.2气相对金属的作用气相对金属的作用 2.32.3熔渣及其对金属的作用熔渣及其对金属的作用 2.42.4焊缝金属的合金过渡焊缝金属的合金过渡第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金2.3 熔渣及

56、其对金属的作用熔渣及其对金属的作用2.3.1 焊接熔渣及其性质焊接熔渣及其性质2.3.2 活性熔渣对焊缝金属的氧化活性熔渣对焊缝金属的氧化2.3.3 焊缝金属的脱氧焊缝金属的脱氧2.3.4 焊缝金属中硫和磷的危害及控制焊缝金属中硫和磷的危害及控制西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金2.3 熔渣及其对金属的作用熔渣及其对金属的作用2.3.1 焊接熔渣及其性质焊接熔渣及其性质1、熔渣、熔渣：电焊条药皮，焊剂溶化形成的金属、非金属氧化物及电焊条药皮，焊剂溶化形成的金属、非

57、金属氧化物及其复合物等组成的非金属物质其复合物等组成的非金属物质 。2、熔渣的作用、熔渣的作用 （1 1）机械保护作用）机械保护作用 隔离氮氧隔离氮氧 （2 2）冶金处理作用）冶金处理作用 除害，合金化除害，合金化 （3 3）改善焊接工艺性能）改善焊接工艺性能 燃弧，脱渣，成形燃弧，脱渣，成形西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金 3 3、熔渣的成分和种类、熔渣的成分和种类 （1 1）熔渣成分：大体由氧化物、氯化物、氟化物、硅酸盐类）熔渣成分：大体由氧化物、氯化物、氟

58、化物、硅酸盐类组成，是多种化学组成的复杂体系。组成，是多种化学组成的复杂体系。 （2）熔渣分为）熔渣分为3类类 第一类第一类 盐型盐型 (氟化物、氯化物、无氧化合物氟化物、氯化物、无氧化合物) 第二类第二类 盐盐氧化物型氧化物型 (CaF2/CaO/Al2O3) 第三类第三类 氧化物型氧化物型 (CaO/TiO2/SiO2)西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金3、熔渣的结构理论、熔渣的结构理论22CaOSiOCaO SiOQ 液态熔渣的结构有两种理论：液态熔渣的结构

59、有两种理论： 分子理论和离子理论分子理论和离子理论（1 1）分子理论）分子理论 1).1).液态熔渣由化合物的分子组成的。自由氧化物及其复合液态熔渣由化合物的分子组成的。自由氧化物及其复合物的分子，氟化物，硫化物等。物的分子，氟化物，硫化物等。 2).2).氧化物及其复合物处于平衡状态氧化物及其复合物处于平衡状态 )()()(22SiOCaOSiOCaOk当当Tk自由氧化物浓度自由氧化物浓度复合物浓度复合物浓度，表明熔渣活性，表明熔渣活性 Tk自由氧化物浓度自由氧化物浓度复合物浓度复合物浓度，表明熔渣活性，表明熔渣活性西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material

60、 and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金()()FeOMnMnOFe() FeOOFeCO 分子理论可简明的定性解释熔渣与金属之间的冶金反应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。但不能解释一些重要现象，如导电性、电解等。3).3).只有自由氧化物才能与金属作用只有自由氧化物才能与金属作用4).4).各氧化物之间的化学亲和力可近似用生成复合物时的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热效应来衡量卡590022SiOFeOSiOFeO卡28400)(2222SiOCaOS