第一章(1,2節(jié))焊接化學(xué)冶金

1、1 2 3 焊絲 母材 熔池 焊道 導(dǎo)電嘴 保護(hù)氣體 溶 滴 電弧 4 5 6 gM=G/t =pI p為焊條熔化系數(shù) gD=GD/t=HI H為焊條熔敷系數(shù) =(G-GD)/G=(gM-gD)/gD=1-H/p 蒸發(fā)蒸發(fā) 過(guò)渡過(guò)渡 飛濺飛濺 氧化氧化 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 N2、H2、O2 CO2 和和 H2O 直接進(jìn)入直接進(jìn)入間接分解間接分解 焊條藥皮、焊劑、藥芯的造氣劑焊條藥皮、焊劑、藥芯的造氣劑 22 焊條藥皮中的淀粉、焊條藥皮中的淀粉、 纖維素、糊精等有機(jī)物纖維素、糊精等有機(jī)物 （造氣、粘接、增塑劑）（造氣、粘接、增塑劑）

2、 熱氧化分解反應(yīng)熱氧化分解反應(yīng) 220250以上發(fā)生，以上發(fā)生， 800左右完全分解左右完全分解 CO2、CO、H2、烴和水氣、烴和水氣 如纖維素的熱氧化分解反應(yīng)：如纖維素的熱氧化分解反應(yīng)： （C6H10O5）m7/2m O2（氣）（氣）6m CO2（氣）（氣）5m H2（氣）（氣） 酸性焊條藥皮中有機(jī)物的含量較高酸性焊條藥皮中有機(jī)物的含量較高 23 碳酸鹽（碳酸鹽（CaCO3、MgCO3 及及 BaCO3 等）的分解等）的分解 CaCO3 = CaO + CO2 （545 910） MgCO3 = MgO + CO2（325 650） 堿性焊條藥皮中碳酸鹽的含量較高堿性焊條藥皮中碳酸鹽的含量

3、較高 高價(jià)氧化物（高價(jià)氧化物（Fe2O3 和和 MnO2）的分解）的分解 （在某些酸性焊條藥皮中含量較高）（在某些酸性焊條藥皮中含量較高） 6 Fe2O3 = 4 Fe3O4 + O2 2 Fe3O4 = 6 FeO + O2 4 MnO2 = 2 Mn2O3 + O2 6 Mn2O3 = 4 Mn3O4 + O2 24 焊接過(guò)程中，除了焊接材料和母材表面的水分發(fā)生蒸發(fā)外，金屬元素和熔渣的各種成分在焊接過(guò)程中，除了焊接材料和母材表面的水分發(fā)生蒸發(fā)外，金屬元素和熔渣的各種成分在 電弧高溫作用下也會(huì)發(fā)生蒸發(fā)，形成相當(dāng)多的蒸氣。電弧高溫作用下也會(huì)發(fā)生蒸發(fā)，形成相當(dāng)多的蒸氣。 金屬材料中金屬材料中Zn

4、、Mg、Pb、Mn 氟化物中氟化物中AlF3、KF、LiF、NaF 極易蒸發(fā)極易蒸發(fā) 物質(zhì)物質(zhì)ZnMgPbMnCrAlNiSi 沸點(diǎn)沸點(diǎn)9071126174020972222232724592467 物質(zhì)物質(zhì)CuFeTiVCNbMoW 沸點(diǎn)沸點(diǎn)25472753312733804502474248045927 物質(zhì)物質(zhì)CsFAlF3KFLiFNaFBaF2MgF2CaF2 沸點(diǎn)沸點(diǎn)12571260150016701700213722392500 后果：后果：合金元素的損失；合金元素的損失； 產(chǎn)生焊接缺陷；產(chǎn)生焊接缺陷； 增加焊接煙塵，污染環(huán)境，影響焊工身體健康。增加焊接煙塵，污染環(huán)境，影響焊工身

5、體健康。 純金屬和氟化物的沸點(diǎn)（純金屬和氟化物的沸點(diǎn)（） 25 編 號(hào)反 應(yīng) 式 /kJ.mol編 號(hào)反 應(yīng) 式 /kJ.mol 1F2FF2706CO2CO1/2O2282.8 2H2HH433.97H2OH21/2O2483.2 3H2HH+e17458H2OOH1/2H2532.8 4O2OO489.99H2OH2O977.3 5N2NN711.410H2O2HO1808.3 簡(jiǎn)單氣體簡(jiǎn)單氣體（指（指N N2 2、H H2 2、O O2 2、F F2 2等雙原子氣體）的分解等雙原子氣體）的分解 復(fù)雜氣體復(fù)雜氣體（指（指COCO2 2和和H H2 2O O等）的分解等）的分解 分解產(chǎn)物在高

6、溫下還可進(jìn)一步分解和電離分解產(chǎn)物在高溫下還可進(jìn)一步分解和電離 298 H 298 H 26 分分 解解 度度 溫度溫度 T / K CO2分解時(shí)氣相的平衡成分分解時(shí)氣相的平衡成分 與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系 氣氣 相相 體體 積積 分分 數(shù)數(shù) / % 溫度溫度 T / K 雙原子氣體分解度雙原子氣體分解度與溫度與溫度 的關(guān)系（的關(guān)系（P00.1MPa） 27 圖圖7-3 H2O分解形成的氣相成分與溫度的關(guān)系（分解形成的氣相成分與溫度的關(guān)系（P00.1MPa） 溫度溫度 T /103K 氣氣 相相 體體 積積 分分 數(shù)數(shù) / % 28 低氫型焊條低氫型焊條焊接時(shí)，氣相中焊接時(shí)，氣相中H H2 2和

7、和H H2 2O O的含量很少，故稱的含量很少，故稱“低氫型低氫型” 酸性焊條酸性焊條焊接時(shí)氫含量均較高，其中焊接時(shí)氫含量均較高，其中纖維素型焊條纖維素型焊條的最大的最大 藥藥 皮皮 類(lèi)類(lèi) 型型 氣相成分（體積分?jǐn)?shù)）氣相成分（體積分?jǐn)?shù)） /% 備備 注注 COCO2H2H2O 高鈦型（高鈦型（J421）46.75.334.513.5 焊條在焊條在 110 烘干烘干2h 鈦鈣型（鈦鈣型（J422）50.75.937.55.7 鈦鐵礦型（鈦鐵礦型（J423）48.14.836.610.5 氧化鐵型（氧化鐵型（J424）55.67.324.013.1 纖維素型（纖維素型（J425）42.32.941

8、.212.6 低氫型（低氫型（J427）79.816.91.81.5 29 氣體氣體金金 屬屬 與與 合合 金金溶解反應(yīng)類(lèi)型溶解反應(yīng)類(lèi)型形成化合物傾向形成化合物傾向 氫氫 Fe、Ni、Al、Cu、Mg、Cr、Co 等金屬及合金等金屬及合金 吸熱反應(yīng)吸熱反應(yīng)不能形成穩(wěn)定氫化物不能形成穩(wěn)定氫化物 Ti、Zr、V、Nb、Ta、Th 等金屬及合金等金屬及合金 放熱反應(yīng)放熱反應(yīng)能形成穩(wěn)定氫化物能形成穩(wěn)定氫化物 30 2 HH =KP H S 吸附吸附 分解分解 溶溶 入入 分解分解 吸附吸附 溶入溶入 31 （ PN2 PH2 = 0.1MPa ） 氮、氫在金屬凝固氮、氫在金屬凝固 時(shí)溶解度陡降。時(shí)溶解

9、度陡降。 氮、氫在奧氏體中的氮、氫在奧氏體中的 溶解度大于鐵素體。溶解度大于鐵素體。 氮、氫在液態(tài)鐵中的溶解氮、氫在液態(tài)鐵中的溶解 度隨溫度升高而增大。度隨溫度升高而增大。 在鐵的氣化溫度附近，在鐵的氣化溫度附近， 氣體溶解度陡降。氣體溶解度陡降。 32 SH/mL.(100g)-1 T/ 氫在不同金屬中的溶解度隨溫度的變化（氫在不同金屬中的溶解度隨溫度的變化（pH20.1MPa） a）I類(lèi)金屬類(lèi)金屬 b）II類(lèi)金屬類(lèi)金屬 SH/mL.(100g)-1 T/ 第第II類(lèi)金屬吸氫過(guò)程是放熱反應(yīng)，因此隨類(lèi)金屬吸氫過(guò)程是放熱反應(yīng)，因此隨 著溫度的升高，氫的溶解度減小，著溫度的升高，氫的溶解度減小，

10、33 在室溫下仍有較大的擴(kuò)散能力，在室溫下仍有較大的擴(kuò)散能力， 如在如在2020時(shí)，時(shí)，HH的擴(kuò)散速度比的擴(kuò)散速度比NN、 CC高高101012 12倍！ 倍！ 占?xì)淇偭康恼細(xì)淇偭康?0%80%以上。以上。 總含氫量總含氫量=擴(kuò)散氫擴(kuò)散氫氫氫 34 HH2 35 焊條保溫桶焊條保溫桶遠(yuǎn)紅外焊條烘箱遠(yuǎn)紅外焊條烘箱 36 2 主要是主要是 CaF2，焊條藥皮中加入，焊條藥皮中加入78，即可急劇減，即可急劇減 少焊縫的氫含量。少焊縫的氫含量。 氟化物的去氫機(jī)理主要有以下兩種：氟化物的去氫機(jī)理主要有以下兩種： 在酸性渣中在酸性渣中， CaF2和和SiO2共存時(shí)能發(fā)生如下化共存時(shí)能發(fā)生如下化 學(xué)反應(yīng)：學(xué)

11、反應(yīng)： 2 CaF2 + 3 SiO2 = 2 CaSiO3 + SiF4 生成的氣體生成的氣體 SiF4 沸點(diǎn)很低（沸點(diǎn)很低（90），它以氣），它以氣 態(tài)形式存在，并與氣相中的原子氫和水蒸氣發(fā)態(tài)形式存在，并與氣相中的原子氫和水蒸氣發(fā) 生反應(yīng)：生反應(yīng)： SiF4 + 3 H = SiF + 3 HF SiF4 + 2 H2O = SiO2 + 4 HF 反應(yīng)生成的反應(yīng)生成的 HF 在高溫下比較穩(wěn)定，故能降低在高溫下比較穩(wěn)定，故能降低 焊縫的氫含量。焊縫的氫含量。 37 CaF2首先與藥皮中的水玻璃發(fā)生反應(yīng)：首先與藥皮中的水玻璃發(fā)生反應(yīng)： Na2O.n SiO2 + m H2O = 2 NaOH

12、 + n SiO2 (m-1)H2O 2 NaOH + CaF2 = 2 NaF + Ca(OH)2 K2O.n SiO2 + m H2O = 2 KOH + n SiO2(m-1) H2O 2 KOH + CaF2 = 2KF + Ca(OH)2 與此同時(shí)，與此同時(shí)，CaF2與氫和水蒸氣發(fā)生如下反應(yīng)：與氫和水蒸氣發(fā)生如下反應(yīng)： CaF2 + H2O = CaO + 2 HF CaF2 + 2 H = Ca + 2 HF 上述反應(yīng)生成的上述反應(yīng)生成的 NaF 和和 KF 與與 HF 發(fā)生反應(yīng)：發(fā)生反應(yīng)： NaF + HF = NaHF2 KF + HF = KHF2 生成的氟化氫鈉和氟化氫鉀進(jìn)

13、入焊接煙塵，從而達(dá)到了去氫的目的。生成的氟化氫鈉和氟化氫鉀進(jìn)入焊接煙塵，從而達(dá)到了去氫的目的。 38 氣相中的氧可以?shī)Z取氫，生成氣相中的氧可以?shī)Z取氫，生成較穩(wěn)定的較穩(wěn)定的OH ，從而減小氣相中的氫分壓，從而減小氣相中的氫分壓， 降低熔池中氫的濃度。因此：降低熔池中氫的濃度。因此： 適當(dāng)提高氣相的氧化性，有利于降低焊縫的氫含適當(dāng)提高氣相的氧化性，有利于降低焊縫的氫含 量量。 焊條藥皮中加入碳酸鹽或焊條藥皮中加入碳酸鹽或 Fe2O3 ，或采用，或采用 CO2 作保護(hù)氣體，均可獲得氫含作保護(hù)氣體，均可獲得氫含 量較低的焊縫。因?yàn)樘妓猁}受熱后分解出量較低的焊縫。因?yàn)樘妓猁}受熱后分解出 CO2 ，F(xiàn)e2

14、O3 則分解出則分解出O2 ，能促使下，能促使下 列反應(yīng)向右進(jìn)行列反應(yīng)向右進(jìn)行 ： O + H = OH O2 + H2 = 2 OH 2 CO2 + H2 = 2 CO + 2 OH 在藥皮中加入脫氧劑如鈦鐵，會(huì)增加擴(kuò)散氫的含量。因此，要得到氧和氫在藥皮中加入脫氧劑如鈦鐵，會(huì)增加擴(kuò)散氫的含量。因此，要得到氧和氫 含量都低的焊縫金屬，在增加脫氧劑的同時(shí)，必須采取其他有效的去氫措施。含量都低的焊縫金屬，在增加脫氧劑的同時(shí)，必須采取其他有效的去氫措施。 22 O PP H OHH 39 釔釔Y Y、 焊條藥皮中加入微量的焊條藥皮中加入微量的釔釔，可顯著降低焊縫中擴(kuò)散氫的含量，同時(shí)能提高焊，可顯著降

15、低焊縫中擴(kuò)散氫的含量，同時(shí)能提高焊 縫的韌性。微量稀土元素縫的韌性。微量稀土元素碲碲和和硒硒也有很強(qiáng)的去氫作用。也有很強(qiáng)的去氫作用。 40 電流種類(lèi)和極性電流種類(lèi)和極性 交流電焊接時(shí)，焊縫含氫量比用直流電焊交流電焊接時(shí)，焊縫含氫量比用直流電焊 接時(shí)多接時(shí)多 反極性焊接時(shí)，焊縫的含氫量比正極性時(shí)反極性焊接時(shí)，焊縫的含氫量比正極性時(shí) 少少 + - H+ - + H+ 直流正極性直流正極性直流反極性直流反極性 41 如：焊后立即如：焊后立即將焊件加熱到將焊件加熱到 350350，保溫，保溫1h1h，可使絕大部分的，可使絕大部分的 擴(kuò)散氫去除。擴(kuò)散氫去除。 在生產(chǎn)上，對(duì)于易產(chǎn)生冷裂的在生產(chǎn)上，對(duì)于易產(chǎn)

16、生冷裂的 焊件常要求進(jìn)行焊后脫氫處理。焊件常要求進(jìn)行焊后脫氫處理。 但對(duì)于奧氏體鋼焊接接頭，脫但對(duì)于奧氏體鋼焊接接頭，脫 氫處理效果不大。氫處理效果不大。 42 43 溫度溫度 T/ 溶解度溶解度%/oS 734. 2 6320 lg max0 T S 44 在一個(gè)由金屬、金屬氧化物和氧化性氣體組成的系統(tǒng)中，采用在一個(gè)由金屬、金屬氧化物和氧化性氣體組成的系統(tǒng)中，采用金屬氧化物的金屬氧化物的 分解壓分解壓 Po2作為金屬是否被氧化的判據(jù)。作為金屬是否被氧化的判據(jù)。 分解達(dá)到平衡時(shí)氧的分壓分解達(dá)到平衡時(shí)氧的分壓Po2 ，稱為反應(yīng)，稱為反應(yīng)氧化物的分解壓氧化物的分解壓。 若氧在金屬氧氧化物系統(tǒng)中的若

17、氧在金屬氧氧化物系統(tǒng)中的實(shí)際分壓實(shí)際分壓為為Po2，則，則: Po2 Po2 時(shí)，金屬被氧化；時(shí)，金屬被氧化； Po2 = Po2 時(shí)，處于平衡狀態(tài)；時(shí)，處于平衡狀態(tài)； Po2 Po2 時(shí)，金屬被還原。時(shí)，金屬被還原。 2 22 OMe n m OMe n nm 45 自由氧化物分解壓與溫度的關(guān)系自由氧化物分解壓與溫度的關(guān)系 T/ Lg pO2/ 101.3kPa MoO 金屬氧化物的分解壓是金屬氧化物的分解壓是 溫度的函數(shù)，它隨溫度的升溫度的函數(shù)，它隨溫度的升 高而增加。高而增加。 除了除了 Ni 和和 Cu 外，在同外，在同 樣溫度下，樣溫度下，F(xiàn)eO的分解壓最大，的分解壓最大， 即最不穩(wěn)

18、定。即最不穩(wěn)定。FeO為為純凝聚相純凝聚相 時(shí)，其分解壓為：時(shí)，其分解壓為： 43.6 26730 lg 2 O T p 46 式中式中 Po2 是液態(tài)鐵中是液態(tài)鐵中FeO的分解壓；的分解壓；FeO 是溶解在液態(tài)鐵中的是溶解在液態(tài)鐵中的 FeO 濃度；濃度； FeOmax是液態(tài)鐵中是液態(tài)鐵中 FeO 的飽和濃度。的飽和濃度。 由式（由式（7-15）可以看出，由于）可以看出，由于 FeO 溶于液態(tài)鐵中，使其分解壓減小，致使溶于液態(tài)鐵中，使其分解壓減小，致使 Fe 更容更容 易氧化。易氧化。 p 計(jì)算得知，在高于鐵熔點(diǎn)的溫度下計(jì)算得知，在高于鐵熔點(diǎn)的溫度下 Po2 很小，例如溫度為很小，例如溫度為

19、18001800，液，液 態(tài)鐵中態(tài)鐵中 FeO FeO 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 1時(shí)，時(shí)， Po2 =1.510-5 KPa( ( 說(shuō)明氣相中只要存在微量的氧，即可使鐵氧化。說(shuō)明氣相中只要存在微量的氧，即可使鐵氧化。 p 通常情況下通常情況下FeOFeO溶于液態(tài)鐵中，這時(shí)其分解壓為：溶于液態(tài)鐵中，這時(shí)其分解壓為： 2 max 2 OO FeO FeO 22 pp 47 中中 O2 的分壓超過(guò)的分壓超過(guò) Po2 時(shí)，將使時(shí)，將使 Fe 氧化：氧化： Fe + O2 = FeO + 26.97 kJ/mol Fe + O = FeO + 515.76 kJ/mol 由反應(yīng)的熱效應(yīng)看，由反應(yīng)的熱

20、效應(yīng)看，原子氧對(duì)鐵的氧化比分子氧更激烈原子氧對(duì)鐵的氧化比分子氧更激烈。 除了鐵以外，鋼液中其它對(duì)氧親和力比鐵大的元素也會(huì)發(fā)生氧化，如：除了鐵以外，鋼液中其它對(duì)氧親和力比鐵大的元素也會(huì)發(fā)生氧化，如： C + O2 = CO Si + O2 =（SiO2） Mn + O2 =（MnO） 48 溫度溫度/K1800200022002500300035004000 氣相成分氣相成分 ( 體積分體積分 數(shù)數(shù) ) / CO299.3497.7493.9481.1044.2616.695.92 CO0.441.514.0412.6037.1655.5462.72 O20.220.762.026.3018.5

21、827.7731.36 氣相中氧的分壓氣相中氧的分壓 pO2 /101.325kPa 2.2 10-3 7.6 10-3 2.02 10-2 6.3 10-2 18.58 10-2 27.77 10-2 31.36 10-2 FeO飽和時(shí)飽和時(shí) PO2 /101.325kPa 3.81 10-9 1.08 10-7 1.35 10-6 5.3 10-5 氣氣 高溫下高溫下CO2對(duì)液態(tài)鐵和其他許多金屬來(lái)說(shuō)均為活潑的氧化劑。對(duì)液態(tài)鐵和其他許多金屬來(lái)說(shuō)均為活潑的氧化劑。 49 CO2與液態(tài)鐵的反應(yīng)式和平衡常數(shù)為：與液態(tài)鐵的反應(yīng)式和平衡常數(shù)為： CO2 Fe CO FeO 溫度升高時(shí)，平衡常數(shù)溫度升高

22、時(shí)，平衡常數(shù)K增大，反應(yīng)向右進(jìn)行，促使鐵氧化。增大，反應(yīng)向右進(jìn)行，促使鐵氧化。 計(jì)算表明，即使氣相中只有少量的計(jì)算表明，即使氣相中只有少量的 CO2 ，對(duì)鐵也有很大的氧化性。，對(duì)鐵也有很大的氧化性。 因此，用因此，用CO2作保護(hù)氣體只能防止空氣中氮的侵入，不能避免金屬的氧化。作保護(hù)氣體只能防止空氣中氮的侵入，不能避免金屬的氧化。 用用CO2 作為保護(hù)氣體焊接時(shí)，應(yīng)該在焊絲中增加脫氧元素。作為保護(hù)氣體焊接時(shí)，應(yīng)該在焊絲中增加脫氧元素。 855.6 11576 lg T K 50 H2O 氣與氣與 Fe 的反應(yīng)式和平衡常數(shù)為：的反應(yīng)式和平衡常數(shù)為： H2O氣氣 Fe FeO H2 可見(jiàn)，可見(jiàn)，溫度

23、越高，溫度越高，H2O 的氧化性越強(qiáng)的氧化性越強(qiáng)。 在液態(tài)鐵存在的溫度，在液態(tài)鐵存在的溫度，H2O 氣的氧化性比氣的氧化性比 CO2 小小。但應(yīng)。但應(yīng) 注意，注意，H2O氣除了使金屬氧化外，氣除了使金屬氧化外，還會(huì)提高氣相中還會(huì)提高氣相中 H2 的分的分 壓，導(dǎo)致金屬增氫壓，導(dǎo)致金屬增氫。 5.5 10200 lg T K 51 溫度溫度/K 鈦鐵礦型鈦鐵礦型低氫型低氫型 Po2Po2Po2Po2 1800 2000 2500 3000 8.5210-10 9.4710-10 4.9810-6 2.9610-4 1.4010-9 8.4210-9 2.1610-7 1.8810-6 2.1210-9 8.0210-8 6.3010-5 5.3510-3 5.4910-11 3.3010-10 8.47