焊接化学冶金

焊接化学冶金1第1页，共80页，2023年，2月20日，星期一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

第四节合金过渡第一章--焊接化学冶金2第2页，共80页，2023年，2月20日，星期一重点内容1、焊接化学冶金过程特点2、熔敷速度、熔合比3、气相对金属的作用（H）4、焊接化学冶金的一般规律5、熔渣的作用性质6、合金过渡问题3第3页，共80页，2023年，2月20日，星期一焊接化学冶金过程：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。§1-1

焊接化学冶金过程特点4第4页，共80页，2023年，2月20日，星期一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。5第5页，共80页，2023年，2月20日，星期一不同点：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：对金属再熔炼，以满足构件性能6第6页，共80页，2023年，2月20日，星期一一、焊条熔化及熔池的形成

（一）焊条的加热及熔化

1、焊条的加热电阻热：焊接电流通过焊芯时产生的电阻热。电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量。化学反应热：药皮部分化学物质化学反应时产生的热量。7第7页，共80页，2023年，2月20日，星期一

2、焊条金属的熔化速度

焊条金属的平均熔化速度gM=G/t=αpIαp为焊条熔化系数 gM焊条金属的平均熔敷速度gD=GD/t=αHIgD为焊条的平均熔敷速度

损失系数Ψ=(G-GD)/G=(gM-gD)/gD=1-αH/αPαH=(1-Ψ)αP8第8页，共80页，2023年，2月20日，星期一3、焊条金属熔滴及过渡特性熔滴过渡形式

短路过渡、颗粒过渡、附壁过渡、射流过渡、旋转射流过渡。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。

9第9页，共80页，2023年，2月20日，星期一10第10页，共80页，2023年，2月20日，星期一2)熔滴的比表面积和作用时间熔滴的比表面积S：熔熵的表面积与其质量之比。S=Ag/ρVg=4ДR2/(4/3ДR3ρ)=3/RρI↑,R↓,S↑，利于冶金反应进行。熔滴的平均作用时间是指熔滴的平均质量与一个周期内焊芯的平均熔化速度之比。11第11页，共80页，2023年，2月20日，星期一3)熔滴的温度

实测手工电弧焊碳钢焊条：2100-2700K，熔渣平均温度：1600C0

12第12页，共80页，2023年，2月20日，星期一（二）熔池的形成1、熔池的形状和尺寸

熔池为半椭球，几何尺寸为L=P2IU其中，P2是比例系数，取决于焊接方法和规范。I是焊接电流，U是焊接电压，上式适用于点状热源。13第13页，共80页，2023年，2月20日，星期一14第14页，共80页，2023年，2月20日，星期一

2、熔池质量和存在时间

tmax=L/v

tcp=Gp/ρvAw

AW焊缝的横截面积

3、熔池温度熔池中部温度最高，头部次之，其次是尾部。15第15页，共80页，2023年，2月20日，星期一16第16页，共80页，2023年，2月20日，星期一1）液态金属密度差引起自由对流运动2）表面张力差强迫对流运动3）熔池中各种机械力搅拌4）对焊接质量的影响4、熔池运动状态

17第17页，共80页，2023年，2月20日，星期一二、焊接过程中对熔融金属的保护

1、气渣联合保护2、渣保护3、气保护4、真空保护5、自保护保护方式

18第18页，共80页，2023年，2月20日，星期一三、焊接化学冶金反应区及反应条件

1、药皮反应区：指焊条受热后，直到焊条药皮熔点前发生的一些反应。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)水分蒸发2)某些物质分解3)铁合金氧化19第19页，共80页，2023年，2月20日，星期一20第20页，共80页，2023年，2月20日，星期一2）、熔滴反应区

指熔滴形成.长大.脱离焊条.过渡到熔池之前特点:

１).温度高２).与气体.熔渣的接触面积大３).时间短速度快４).熔渣和熔滴金属进行强烈的搅拌,混合.21第21页，共80页，2023年，2月20日，星期一3、熔池反应区

1）、熔池T1600～1900℃低于熔滴T比表面积2)、接触面积小3～1303）、时间长手工焊3～8秒埋弧焊6—25s4）、搅拌没有熔滴阶段激烈5）、熔池温度不均匀的突出特点

熔池前斗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

22第22页，共80页，2023年，2月20日，星期一四、焊接工艺条件与化学冶金反应的关系

（一）、熔合比的影响焊接规范：焊接金属（焊条、焊丝）和局部熔化的母材组成。

熔合比：焊缝金属中，局部熔化的母材所占的比例。①=②：熔合比F1：熔化母材的面积F2：填充金属的面积23第23页，共80页，2023年，2月20日，星期一①焊接电流I的变化冶金反应不充分（二）、（化学反应条件的影响）熔 滴过渡特性的影响

②焊接电压V的变化U弧长冶金反应充分本节结束24第24页，共80页，2023年，2月20日，星期一§1-2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

成分： 金属及熔渣蒸气25第25页，共80页，2023年，2月20日，星期一26第26页，共80页，2023年，2月20日，星期一二、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。27第27页，共80页，2023年，2月20日，星期一(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。28第28页，共80页，2023年，2月20日，星期一29第29页，共80页，2023年，2月20日，星期一（三）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。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d30第30页，共80页，2023年，2月20日，星期一三、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，药皮中有机物为、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

31第31页，共80页，2023年，2月20日，星期一2、氢的溶解机构

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32第32页，共80页，2023年，2月20日，星期一3、[Ｈ]的影响因素氢与金属作用的特点，把金属分为两类①与氢形成稳定氢化物的金属

②不与氢形成稳定氢化物的金属③合金元素的影响：氢在铁中溶解度受合金元素影响33第33页，共80页，2023年，2月20日，星期一（二）、焊缝金属中的氢及其扩散

1.存在形式

①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。②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34第34页，共80页，2023年，2月20日，星期一２.氢在焊缝中分布

（1）氢沿长度方向的分布基本均匀但火口处含氢量较高。（2）氢沿焊接接头横断面的分布（3）母材与焊缝的匹配

35第35页，共80页，2023年，2月20日，星期一（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36第36页，共80页，2023年，2月20日，星期一2)、白点

肉眼可见，直径0.5～3mm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。

37第37页，共80页，2023年，2月20日，星期一3)、气孔

4)、组织变化和显微斑点焊缝金属A—M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A—M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38第38页，共80页，2023年，2月20日，星期一（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

39第39页，共80页，2023年，2月20日，星期一四、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

40第40页，共80页，2023年，2月20日，星期一（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

本节结束41第41页，共80页，2023年，2月20日，星期一§1-3熔渣与金属的作用

熔渣：电焊条药皮，焊剂溶化形成的金属及非金属氧化物及复合物。

一、焊接熔渣（一）熔渣的作用、成分及分类

1.熔渣的作用

1).机械保护作用

2).冶金处理作用

3).改善工艺性能

42第42页，共80页，2023年，2月20日，星期一2.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。

2).熔渣分为三类第一类氧化物型第二类盐—氧化物型第三类盐型

43第43页，共80页，2023年，2月20日，星期一（二）熔渣结构理论

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。44第44页，共80页，2023年，2月20日，星期一1.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T↑k↓自由氧化物↑浓度复合物浓度↓熔渣活性↑T↓k↑自由氧化物浓度↓复合物浓度↑熔渣活性↓45第45页，共80页，2023年，2月20日，星期一3).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46第46页，共80页，2023年，2月20日，星期一5).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。47第47页，共80页，2023年，2月20日，星期一2.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.48第48页，共80页，2023年，2月20日，星期一2).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４７负离子综合矩最大７.３二者可结合成或更复杂的离子当Ｚ↑综合矩↑r↓综合矩↑49第49页，共80页，2023年，2月20日，星期一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.50第50页，共80页，2023年，2月20日，星期一（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Al2O3Fe2O3Cr2O351第51页，共80页，2023年，2月20日，星期一根据分子理论碱度的定义为：B=Σ(R2O+RO)/ΣRO2R2O、RO—熔渣中碱性氧化物的摩尔分数 RO2—熔渣中酸性氧化物的摩尔分数碱度B的倒数称为酸度B1＞1碱B1＞1.3碱B1＜1酸B1＝1中52第52页，共80页，2023年，2月20日，星期一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;B2＞0碱B2＜0酸B2=0中53第53页，共80页，2023年，2月20日，星期一式中CaO、MgO、CaF2、SiO2等以质量百分数计B1＞1碱B1＜1酸B1＝1中54第54页，共80页，2023年，2月20日，星期一2.熔渣的粘度(1)温度对粘度的影响长渣:T↑η↓短渣:↓η↑↑(2)熔渣成分对粘度的影响CaF2CaOSiO255第55页，共80页，2023年，2月20日，星期一3.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:SiO2TiO2P2O556第56页，共80页，2023年，2月20日，星期一4.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℃57第57页，共80页，2023年，2月20日，星期一二、活性熔渣对焊缝金属的氧化（一）扩散氧化L=(FeO)/[FeO]T↑L↓饱和SiO2lgL=4906/T-1.877饱和CaO

lgL=5014/T-1.98058第58页，共80页，2023年，2月20日，星期一（二）置换氧化(SiO2)+2[Fe]＝[Si]+2FeOT↑反应向右进行lgKSi=(FeO)2[Si]/(SiO2)=-13460/T+6.04(MnO)+[Fe]=[Mn]+FeOlgKMn=(FeO)[Mn]/(MnO)=-6600/T+3.1659第59页，共80页，2023年，2月20日，星期一AF=[SiO2+042B12(MnO)]/100B1AF＞0.6高活性AF=0.3~0.1低活性AF=0.6-0.3活性能AF

≤0.1惰性60第60页，共80页，2023年，2月20日，星期一三、焊缝金属的脱氧（一）脱氧的目的和选择脱氧的原则（二）先期脱氧药皮反应区Fe2O3+Mn=MnO+2FeO

CaCO3+Mn=CaO+CO+MnO61第61页，共80页，2023年，2月20日，星期一（三）沉淀脱氧1Mn的脱氧[Mn]+[FeO]=[Fe]+(MnO)K=aMnO/aMn.aFeO=γMnO.(MnO)/aMn.aFeO62第62页，共80页，2023年，2月20日，星期一2Si的脱氧[Si]+2[FeO]＝(SiO2)+2[Fe]3Si/Mn联合脱氧63第63页，共80页，2023年，2月20日，星期一（四）扩散脱氧L=(FeO)/[FeO]T↑L↓64第64页，共80页，2023年，2月20日，星期一四、焊缝金属中硫和磷的控制（一）焊缝中硫的危害及控制

1.硫的危害

2.控制硫的措施（1）限制焊接材料中含硫量（2）用冶金方法脱硫65第65页，共80页，2023年，2月20日，星期一碱性焊条脱硫(CaO)＋[FeS]＝(CaS)＋(FeO)(MnO)＋[FeS]＝(MnS)＋(FeO)脱硫剂：碱性氧化物、锰脱硫[Mn]+[Fes]=(MnO)+[Fe]LgK=8220/T-1.86T↓K↑有利于脱硫(MgO)＋[FeS]＝(MgS)＋(FeO)66第66页，共80页，2023年，2月20日，星期一（二）焊缝中磷的危害及控制1.磷的危害2.控制磷的措施（1）限制焊接材料中含磷量（2）脱硫反应

a）.FeO将磷氧化生成P2O5b）.使之与渣中的碱性氧化物生成稳定的磷酸盐2[Fe3P]+5(FeO)+3(CaO)=(CaO)3.P2O3+11[Fe]2[Fe3P]+5(FeO)+4(CaO)=(CaO)4.P2O3+11[Fe]67第67页，共80页，2023年，2月20日，星期一§1-4合金过渡一、合金过渡的目的及方式（一）目的:补尝;改善;特殊性能（二）方式：1.应用合金焊丝或带极

2.应用药芯焊丝或药芯焊条

3.应用合金药皮或粘结焊剂

4.应用合金粉未68第68页，共80页，2023年，2月20日，星期一二、合金过渡过程的理论分析（一）合金剂过渡的方式合金→渣-液→渣-液界面→液态金属中溶解→扩散→搅拌均匀.(二）在合金过渡过程中各阶段的作用Kb≤0.4熔滴过渡为主Kb＞0.4熔池过渡为主69第69页，共80页，2023年，2月20日，星期一70第70页，共80页，2023年，2月20日，星期一（三）合金过渡时的物质平衡Md=M0-(Msl+Mxo)Md-过渡到熔敷的合金量;M0-原始加入量Msl-残留损失Mxo-氧化损失71第71页，共80页，2023年，2月20日，星期一三、合金过渡系数用及其影响因素（一）合金过渡系数式中Cd---合金元素在熔敷金属中含量 Ce---合金元素原始含量 Cco---合金元素在药皮中的含量 Ccw---在焊芯中的含量72第72页，共80页，2023年，2月20日，星期一（二）影响过渡系数的因素

1.合金元素的物化性质Cu、Ni、Co、Fe、W、Mo、Cr、Mn、V、Si、Ti、Zr、Al

在1600℃各种合金元素对氧的亲和力由左到右增强

2.合金元素的含量 合金元素的含量↑η↑,但增加一定时,趋于定值.

3.合金剂的粒度

4.药皮的成分药皮或焊剂的氧化势↑η↓合金元素与其氧化物共存时,η↑合金元素与其氧化物与渣的酸碱性相同时,η↑ 5.药皮重量系数Kb↑η↓73第73页，共80页，2023年，2月20日，星期一本章小结 本章以手工电弧焊焊接低碳钢和低合金钢的冶金问题