《共需8學時》PPT課件.ppt

共需8學時,內(nèi)容： 2.1焊接化學冶金過程特點 2.2氣相對金屬的作用 2.3熔渣及其對金屬的作用 2.4焊縫金屬的凈化及合金過渡,第2章 焊接化學冶金,2.1焊接化學冶金過程特點 2.1.1焊條熔化及熔池形成 2.1.2焊接過程中對熔融金屬的保護 2.1.3 焊接化學冶金反應區(qū)及其反應條件 2.1.4 焊接工藝條件與化學冶金反應的關(guān)系,焊接化學冶金過程：熔化焊時，焊接區(qū)內(nèi)各種物質(zhì)之間在高溫下相互作用的過程。 要點：各種物質(zhì)包括氣體、液態(tài)金屬、固態(tài)金屬、熔渣。 對焊縫金屬的成分、性能，某些焊接缺陷（氣孔、結(jié)晶裂紋）等有很大的影響。 本章以 焊條電弧焊 焊接低碳鋼/低合金鋼 冶金問題為研究對象。,普通化學冶金和焊接化學冶金過程對比： 普通化學冶金過程 對金屬熔煉加工過程，在特定的熔爐中進行。 焊接化學冶金過程 金屬在焊接條件下，再熔煉的過程，焊接時焊縫相當于熔爐。 二者共同點：金屬冶煉加工。 不同點： 1）原材料不同 普冶材料：礦石、焦炭、廢鋼鐵，母合金 焊接材料：焊條、焊絲、焊劑 2）目的不同 普冶：提煉金屬；調(diào)整狀態(tài) 焊冶：對金屬再熔煉，以滿足構(gòu)件性能,焊接原理就是用基本理論 分析在焊接條件下的特點，不同之處。,2.1.1焊條熔化及熔池形成 1、焊條的加熱及熔化 （1）焊條的加熱 電阻熱：焊接電流通過焊芯時產(chǎn)生的電阻熱。（600650oC) 電弧熱：焊接電弧傳給焊條端部的熱量。（部分） 化學反應熱：藥皮部分化學物質(zhì)化學反應時產(chǎn)生的熱量（極少）,2.1焊接化學冶金過程的特點,（2） 焊條金屬的熔化速度 焊條金屬的平均熔化速度： 單位時間內(nèi)熔化的焊芯質(zhì)量或長度稱為,與焊接電流成正比,gM焊條金屬平均熔化速度（g/h) G 熔化的焊芯質(zhì)量（g） t 電弧燃燒的時間（h） I 焊接電流（A) P焊條的熔化系數(shù)g/(Ah),焊條金屬平均熔敷速度： 單位時間內(nèi)真正進入焊縫金屬的那一部分金屬的質(zhì)量稱,gD焊條金屬的平均熔敷速度（g/h) GD熔敷到焊縫金屬中的金屬質(zhì)量（g） H焊條的平均熔敷系數(shù)（g/(Ah)）,損失系數(shù)： 損失的金屬質(zhì)量與熔化的焊芯質(zhì)量之比，稱為 =(G-GD)/G=(gM-gD)/gM=1-H/P H=(1-) P,熔滴：在電弧熱的作用下，焊條端部熔化形成的滴狀液態(tài)金屬。 熔滴過渡：,（3） 焊條金屬熔滴及過渡特性 a）熔滴的過渡形式,圖焊條端部熔滴質(zhì)量隨時間的變化 (低氫堿性焊條，反接),b) 熔滴的比表面積和 與周圍介質(zhì)相互作用時間,熔滴的比表面積S： 熔滴的表面積與其質(zhì)量之比，稱為。,熔滴越細，比表面積越大 I,R,S，利于冶金反應進行。 熔滴 103104cm2/kg 熔池 (0.313)10cm2/kg,熔滴與周圍介質(zhì)的平均相互作用時間： 很短,0.011.0s內(nèi)。,c）熔滴溫度 實測手工電弧焊碳鋼焊條: 熔滴平均溫度： 1800-2400 熔渣平均溫度： 1600 熔池平均溫度： 1770100 電流越大溫度越高，焊絲直徑越細溫度越高。,注：藥皮熔化后（熔渣）的向熔池過渡： 以薄膜的形式包在熔滴外面或夾在熔滴內(nèi)同熔滴一起過渡。 直接從焊條端部流入熔池或以滴狀落入熔池。,2 熔池的形成,熔池：熔焊時，母材上由熔化的焊條金屬與局部熔化的母材所組成的具有一定幾何形狀的液體金屬。 就像鋼錠冶煉一樣，不過體積小。,（1）熔池的形狀和尺寸 熔池為半橢球，幾何尺寸：Hmax(深度）, Bmax（寬度）, L（長度） P2比例系數(shù)，取決于焊接方法和規(guī)范 2.4-5.5 I焊接電流 U焊接電壓 該式適用于點狀熱源 。 比表面積： 熔池 (0.313)10cm2/kg,（2）熔池的質(zhì)量和存在時間 質(zhì)量：手弧焊：0.616g，一般小于5g 埋弧焊：最大100g。 最大存在時間：幾秒-幾十秒 比熔滴長。 tmax=L/v v：焊速 平均存在時間： mp：熔池的質(zhì)量 ：熔池液態(tài)金屬的密度 Aw：焊縫的橫截面積,（3）熔池溫度 熔池中部溫度最高，頭部次之，其次是尾部。,熔滴平均溫度： 1800-2400 熔渣平均溫度： 1600 熔池平均溫度： 1770100,（4）熔池運動狀態(tài) a）液態(tài)金屬密度差引起自由對流運動 b）表面張力差引起強迫對流運動 c） 熔池中各種機械力攪拌 d）對焊接質(zhì)量的影響,2.1.2焊接過程中對熔融金屬的保護 1、 保護的必要性及目的 現(xiàn)象：氧氮顯著提高 減少有害雜質(zhì) 保護合金元素燒損 目的：減少和防止空氣（氧、氮）進入焊接區(qū)，避免合金元素燒損，降低焊縫的性能。焊接化學冶金首要任務。,2、保護方式和效果 真空：電子束焊(小于0.0133Pa） 氣體：TIG焊, CO2, MIG 熔渣：埋弧焊 氣-渣：手工焊、藥芯焊 自保護：焊絲含脫氧劑，脫氮劑（非機械隔離空氣） 即便有保護（隔離空氣），因藥皮或保護氣體的雙刃特性，還需進行冶金處理，獲得合適焊縫成分和性能，如合金過渡（焊接化學冶金的第二個任務）,3、焊條的組成（補充內(nèi)容）,（1）焊芯-焊絲 作用：導電、填充金屬。 （2）藥皮 作用：機械保護作用 冶金處理作用,藥皮組成,穩(wěn)弧劑 :改善引弧性能和提高電弧燃燒的穩(wěn)定性，原材料為易電離或電離勢低的物質(zhì)。如：K2CO3、CaCO3大理石、長石、鉀水玻璃 造渣劑:造成具有一定物理性能、化學性能的熔渣，起到保護作用和改善焊縫成型。 如：鈦鐵礦、金紅石、螢石、長石（硅酸鹽）等。 造氣劑:造氣保護 ,有機物、碳酸鹽.有機物如：木粉、淀粉、析出氣體CO2、H，碳酸鹽析出氣體CO2，高溫時產(chǎn)生CO。 脫氧劑:降低藥皮中或熔渣的氧化性和脫除金屬中的氧。鐵合金：錳鐵、鈦鐵、硅鐵等。 合金劑:使焊縫補償燒損和獲得必要的合金成分。Fe合金、純金屬.,粘結(jié)劑:將涂料牢固的粘在焊芯上，參加冶金反應，如鈉水玻璃、鉀水玻璃與鈉水玻璃混合。 增塑性:便于用機器壓制焊條，額外加入一些能改善涂料塑性或滑潤性物質(zhì)。如云母、白泥、滑石等。 藥皮組成總結(jié)： 一系列氧化物（Ti，F(xiàn)e，Mn、Si），碳酸鹽（Ca，Na，K）、硅酸鹽（SiO2的復合化合物）、純Me，有機物及CaF2等。 這個問題，下節(jié)課提問。 書P83頁。,2.1.3 焊接化學冶金反應區(qū)及其反應條件,分區(qū)域連續(xù)進行 焊條電弧焊3個反應區(qū)。,1、藥皮反應區(qū)：指焊條受熱后，直到焊條藥皮熔點前發(fā)生的一些反應。 溫度：100-1200 （鋼材） 反應：水分的蒸發(fā)、某些物質(zhì)的分解和鐵合金的氧化。 氣保護及氣體氧化問題。,水分蒸發(fā),結(jié)晶水分解,碳酸鹽分解,鐵合金氧化,1200 100,2 熔滴反應區(qū),熔滴形成、長大、脫離焊條、過渡到熔池之前所發(fā)生的反應。 特點： 溫度高 18002400，過熱度300900 與氣體、熔渣的接觸面積大。比表面積是煉鋼的1000倍 各相反應時間短 末端停留0.010.1s ，弧柱區(qū)0.00010.001s，平均0.011.0s，速度2.510m/s 熔渣和熔滴金屬發(fā)生強烈的混合. 反應最激烈，包括：氣體的分解和溶解、金屬的蒸發(fā)、金屬及其合金成分的氧化與還原以及焊縫金屬的合金化。,3 熔池反應區(qū),熔滴和熔渣同熔化的母材混合形成熔池 特點 平均溫度低：1600-1900 （熔滴18002400） 比表面積小：3130 cm2/kg（熔滴103104 cm2/kg） 反應時間長：3-8S（SMAW）（熔滴0.011.0s） 熔池溫度不均勻、同一反應在不同區(qū)域可能向相反方向進行。 熔池金屬對流和攪拌運動，加速反應，利于排氣排渣,分區(qū)域連續(xù)進行。,2.1.4 焊接工藝條件與化學冶金反應的關(guān)系,1、熔合比的影響 熔合比：焊縫金屬中，局部熔化的母材所占的比例。, 熔合比 F1熔化母材的面積 F2填充金屬的面積,C0 某元素在焊縫金屬中的質(zhì)量百分數(shù)。 Cb 該元素在母材中的質(zhì)量百分數(shù)。 Ce 該元素在焊芯中的質(zhì)量百分數(shù)。 熔合比,CW 焊縫金屬中合金元素的實際濃度。 Cd 熔敷金屬中元素的實際質(zhì)量百分數(shù),焊縫金屬的合金元素濃度：,焊縫金屬的合金元素實際濃度：,2、熔滴過渡特性的影響（實質(zhì)是工藝參數(shù)）,焊接電流I的變化 冶金反應不充分,焊接電壓V的變化 U 弧長 冶金反應充分,滴,t,內(nèi)容： 2.1焊接化學冶金過程特點 2.2氣相對金屬的作用 2.3熔渣及其對金屬的作用 2.4焊縫金屬的凈化及合金過渡,第2章 焊接化學冶金,2.2 氣相對金屬的作用 2.2.1 焊接區(qū)的氣體 2.2.2 氮對金屬的作用 2.2.3 氫對金屬的作用 2.2.4 氧對金屬的作用,2.2 氣相對金屬的作用,2.2.1 焊接區(qū)的氣體 氣體的來源和產(chǎn)生 （1）氣體的來源 焊接材料（主要），母材和環(huán)境氣氛。 （2）氣體的供給途徑 主要由直接輸入或侵入的原始氣體，物化反應產(chǎn)生的氣體。,a. 有機物的分解和燃燒,淀粉、纖維素和藻酸鹽 酸性焊條造氣劑和增塑劑,產(chǎn)物： CO2,CO,H2及水氣,220 -320 分解50%； 800 完全分解。,纖維素焊條烘干溫度不超過150,b.碳酸鹽和高價氧化物的分解 碳酸鹽：CaCO3、MgCO3、CaMg(CO3) 2 作用：焊條造氣劑 分解： CaCO3 分解545 ，劇烈910 MgCO3 分解325 ，劇烈650 產(chǎn)物：CO2 氧化物 焊條烘干多少? 高價氧化物：Fe2O3和MnO2 產(chǎn)物：O2和低價氧化物FeO和MnO PS:藥皮反應區(qū)溫度100-1200 ,c. 材料的蒸發(fā)及冶金反應 吸附水，結(jié)晶水，金屬蒸氣，熔渣蒸氣，一些冶金反應 d.直接輸入或侵入 保護氣，周圍空氣中的N2,O2,H2O，保護氣體中的N2,O2,H2O。 （3）氣體的分解和電離 表1-11（書P32),產(chǎn)物：H,O,H2,O2 （4）焊接區(qū)氣體的成份 由N2,H2,O2，CO2,H2O,金屬和熔渣的蒸氣以及它們分解和電離的產(chǎn)物組成的混合物。紅色5種氣體對焊接質(zhì)量有重要影響。它們與金屬的作用分兩種類型： a.氣體在金屬中的溶解。N2,H2,O2 b.與金屬化學反應（特指氧化）， O2，CO2,H2O,2.2.2 氮對金屬的作用,來源：主要是焊接區(qū)周圍的空氣。 氮與金屬作用有兩種情況。 （1）不與氮發(fā)生作用的金屬，即不能熔解氮又不形成氮化物，可用N作為保護氣體。 （2）與氮發(fā)生作用的金屬，即能溶解氮又能形成氮化物，這種情況下就要防止焊縫金屬的氮化。 1、氮在金屬中的溶解 （1）原子形式溶于液態(tài)金屬 （平方根定律） （2）以NO形式溶入 （3）以氮離子形式溶入,2、氮對焊接質(zhì)量的影響 （1）氣孔 （2）改變力學性能，強度升，塑性、韌性降。（3） 時效脆化,3、影響焊縫含氮量的因素及控制措施,（1）控氮主要途徑，加強保護，減少輸入（與脫氧的差異）。 （2）焊接工藝參數(shù)的影響 （3）合金元素的影響,2.2.3 氫對金屬的作用,1、氫在金屬中的溶解 （1）來源：焊條藥皮、焊劑、焊絲藥芯中水分，藥皮中有機物、焊件表面雜質(zhì)（銹、油）、空氣中水分 第一類能形成穩(wěn)定氫化物金屬 ，放熱反應，低溫吸氫多。 第二類不形成穩(wěn)定氫化物的金屬。溶解，吸熱反應（如Al，F(xiàn)e，Cu） ，溫度升高，溶解度增加。 （2）溶解機構(gòu),1).氫以原子形式溶入 （平方根定律） 2).以 溶入 3).以 溶入,2、焊縫金屬中的氫及其擴散,（1）存在形式 擴散氫：氫以原子或質(zhì)子形式存在的并可在金屬晶格中自由擴散。（占8到9成） 殘余氫：氫原子擴散聚集陷阱（金屬的晶格缺陷，顯微裂紋和非金屬夾雜物的邊緣空隙）中，結(jié)合成分子不能自由擴散。 總含氫量=擴散氫殘余氫,（2）接頭分布,近縫區(qū)氫含量與冷裂紋產(chǎn)生有密切關(guān)系,3、氫對焊接質(zhì)量的影響,暫態(tài)現(xiàn)象：脆化、白點、經(jīng)時效、熱處理可消除 永久現(xiàn)象：氣孔、冷裂紋，不可消除 （1） 氫脆 氫在室溫附近， 氫溶解在金屬晶格中，引起鋼的塑性嚴重下降現(xiàn)象。位錯堆積-顯微空腔-分子氫-內(nèi)壓。 （2） 白點 斷面上，肉眼可見，直徑0.53mm，中心處有氣孔或小的夾渣，外圍有塑性裂斷的痕跡，象魚眼似的也稱“魚眼”. 產(chǎn)生原因：白點是在塑性變形階段產(chǎn)生的。 （3）氣孔 （4）產(chǎn)生冷裂紋 產(chǎn)生區(qū)域?,4、控制氫的措施,（1）限制焊接材料的含氫量，烘干 （2）清理工件及焊絲上雜質(zhì)，去銹、油污、吸附水分 （3）冶金處理 ，使氫生成不溶解于液態(tài)金屬的氫化物。HF,OH. （4）焊后脫氫處理 （5）調(diào)整焊接規(guī)范,2.2.4 氧對金屬的作用,1、氧在金屬中的溶解 來源：焊接材料及母材中含氧物質(zhì)和焊接區(qū)周圍的空氣。 對熔焊：氧與金屬作用不可避免，重要的是減少氧含量，降低對接頭造成的危害。 液態(tài)Fe中溶解形式：原子態(tài) 和FeO。隨溫度升高溶解增加。 固態(tài)Fe中存在形式：幾乎不溶解氧，以氧化物、硅酸鹽等存在。,2 氧化性氣體對金屬的氧化,（1）氧化還原反應判據(jù),氧化物分解壓 氧化物分解達到平衡時氧的平衡分壓，稱為氧化物的分解壓。 反應系統(tǒng)中氧的分壓,（2）自由氧對金屬的氧化 （包括對Fe,C,Mn,Si等） 對C的氧化，生成CO(焊接區(qū)氣體的冶金反應來源)。 （3）CO2對金屬的氧化 反應產(chǎn)物，F(xiàn)eO、CO(焊接區(qū)氣體的冶金反應來源) 只能防彈，不能防癢，低氫。 （4）H2O氣對金屬的氧化 反應產(chǎn)物，F(xiàn)eO,H2,既增氫，又增氧。 （5）混合氣體對金屬的氧化,3 氧對焊縫質(zhì)量的影響,（1）力學性能下降 （2）產(chǎn)生CO氣孔，及飛濺 （3）合金元素燒損 （4）減少氫的危害,4.防止措施 一防二脫,內(nèi)容： 2.1焊接化學冶金過程特點 2.2氣相對金屬的作用 2.3熔渣及其對金屬的作用 2.4焊縫金屬的凈化及合金過渡,第2章 焊接化學冶金,2.3 熔渣及其對金屬的作用 2.3.1 焊接熔渣及其性質(zhì) 2.3.2 活性熔渣對焊縫金屬的氧化 2.3.3 焊縫金屬的脫氧,2.3 熔渣及其對金屬的作用,2.3.1 焊接熔渣及其性質(zhì) 1、熔渣的作用 （1）機械保護作用 隔離氮氧 （2）冶金處理作用 除害，合金化 （3）改善焊接工藝性能 燃弧，脫渣，成形 2、熔渣的成分和種類 （1）熔渣成分：大體由氧化物、氯化物、氟化物、硅酸鹽類組成，是多種化學組成的復雜體系。,（2）熔渣分為3類 第一類 鹽型 第二類 鹽氧化物型 第三類 氧化物型,3、熔渣的結(jié)構(gòu)理論,液態(tài)熔渣的結(jié)構(gòu)有兩種理論： 分子理論和離子理論 （1）分子理論 1).液態(tài)熔渣由化合物的分子組成的。自由氧化物及其復合物的分子，氟化物，硫化物等。 2).氧化物及其復合物處于平衡狀態(tài),3).只有自由氧化物才能與金屬作用,分子理論可簡明的定性解釋熔渣與金屬之間的冶金反應,但不能解釋一些重要現(xiàn)象，如導電性、電解等。,（2）離子理論,1).液態(tài)熔渣是由陰陽離子（簡單和復雜離子）組成的電中性溶液,負電性大的元素以負離子形式存在 負電性小的元素以正離子形式存在,2).離子的分布，聚集和相互作用取決于它的綜合矩 z離子的電荷 r離子的半徑（10-1nm） 3).液態(tài)熔渣與金屬之間相互作用的過程是原子與離子交換電荷的過程,4、熔渣的性質(zhì),（1）熔渣的堿度 分子理論認為熔渣中的氧化物按其性質(zhì)可分為三類 1).酸性氧化物 SiO2 TiO2 P2O5 2).堿性氧化物 K2O Na2O CaO MgO BaO MnO FeO 3).中性氧化物 Al2O3 Fe2O3 Cr2O3 根據(jù)分子理論堿度的定義為： B=(R2O+RO)/RO2 R2O、RO熔渣中堿性氧化物的摩爾分數(shù) RO2 熔渣中酸性氧化物的摩爾分數(shù) 堿度B的倒數(shù)稱為酸度,B1 堿 B1.3堿 B1 酸 B1 中 修正如下：,式中CaO、MgO、CaF2、SiO2 等以質(zhì)量百分數(shù)計 B11 堿 B11 酸 B11 中 表1-19,p53,離子理論對堿度定義:,液態(tài)熔渣中自由氧離子的濃度定義為堿度. B2=aiMi （日本森氏法） Mi-渣中第i種氧化物的摩爾分數(shù); ai-渣中第i種氧化物的堿度系數(shù); B20 堿 B20 酸 B2=0 中,（2） 熔渣的粘度 （3）熔渣的表面張力 （4）熔渣的熔點,2.3.2 活性熔渣對焊縫金屬的氧化,1、擴散氧化 焊接鋼時，F(xiàn)eO既溶于熔渣又溶于液態(tài)鋼。 在兩相中的含量符合分配定律: 溫度不變時，增加熔渣中FeO的含量，F(xiàn)eO將向熔池金屬中擴散。 TL,FeO 向鋼中分配。 同樣溫度下，在堿性渣中比在酸性渣中更易向金屬中分配,分為：擴散氧化及置換氧化,2、置換氧化,當熔渣中含有較多的易分解氧化物，則與液態(tài)鐵發(fā)生置換反應，使鐵氧化，氧化物中的合金元素被還原。,T反應向右進行，發(fā)生在熔滴，熔池前部。 lgKSi=(FeO)2Si/(SiO2)= -13460/T+6.04,2.3.3 焊縫金屬的脫氧,1、脫氧的目的和選擇脫氧劑的原則 目的：減少焊縫中的含氧量。 在焊絲、焊劑或藥皮中加入合適的元素或鐵合金，使之在焊接過程中奪取氧。即脫氧劑。 選取原則： 脫氧劑應在焊接溫度下比被焊金屬對氧具有更強的親和力。 脫氧物不應溶于液態(tài)金屬而應溶于熔渣，且熔點低、密度小。Mn、Si、Ti和Al常用于脫氧劑。 化學冶金反應是按區(qū)域連續(xù)進行的，脫氧也不例外。,2、先期脫氧,發(fā)生區(qū)域：藥皮反應區(qū)： Fe2O3+Mn=MnO+2FeO CaCO3+Mn=CaO+CO+MnO 從而使氣相的氧化性減弱，但脫氧不充分。 3、沉淀脫氧 （置換氧化的逆過程） 發(fā)生區(qū)域：熔滴、熔池。溶解在液態(tài)金屬中的脫氧劑和FeO直接反應，把鐵還原，脫氧產(chǎn)物浮出液態(tài)金屬。 （1）Mn的脫氧 Mn+FeO=Fe+(MnO)（堿性的） （2）Si的脫氧 Si+ 2FeO=2Fe +(SiO2) （酸性的） （3）Si Mn聯(lián)合脫氧 Mn/Si=37 MnOSiO2,4、擴散脫氧,發(fā)生區(qū)域：液態(tài)金屬與熔渣。 L=(FeO)/FeO TL 降低渣中 FeO的活度，及在酸性渣中，脫氧效果好。,內(nèi)容： 2.1焊接化學冶金過程特點 2.2氣相對金屬的作用 2.3熔渣及其對金屬的作用 2.4焊縫金屬的凈化及合金過渡,第2章 焊接化學冶金,2.4 焊縫金屬的凈化與合金化,2.4.1焊縫金屬的凈化 2.4.2 焊縫金屬的合金化（合金過渡）,2.4.1 焊縫金屬的凈化,1 氮對焊縫金屬的危害及控制 2 氫對焊縫金屬的危害及控制 3 氧對焊縫金屬的危害及控制 4 硫磷對焊縫金屬的危害及控制,（1）、焊縫中硫的危害及其控制,1）硫的危害 2）控制硫的措施 限制焊接材料中含硫量 用冶金方法脫硫 脫硫劑：堿性氧化物、錳 Mn+Fes=(MnS)+Fe LgK=8220/T-1.86 T K 有利于脫硫 堿性氧化物脫硫： (MnO)FeS(MnS)(FeO) (CaO)FeS(CaS)(FeO),（2）、磷的危害及控制,1）磷的危害 2）控制磷的措施 a 限制焊接材料中含磷量 b 脫磷冶金反應 a）.FeO將磷氧化生成P2O5 b）.使之與渣中的堿性氧化物生成穩(wěn)定的磷酸鹽 2Fe3P+5(FeO)+3(CaO)= (CaO)3.P2O3+11Fe 2Fe3P+5(FeO)+4(CaO)= (CaO)4.P2O3+11Fe,2.4.2 焊縫金屬的合金化（合金過渡）,合金過渡（焊縫金屬的