材料成型理論基礎(chǔ)(焊接)-5

1、趙興科趙興科焊接理論基礎(chǔ)焊接理論基礎(chǔ)第二章第二章 焊接冶金過程焊接冶金過程本章主要以鋼鐵材料的電弧焊為例，分析焊接冶金過程特點(diǎn)，揭示焊接冶金與焊縫金屬成分、組織和性能等之間的關(guān)系。初步學(xué)會利用焊接冶金的理論基礎(chǔ)知識，控制焊縫金屬的成分和組織。本章目錄本章目錄2-1 焊接冶金過程的特點(diǎn)2-2 焊接區(qū)的氣體與熔渣2-3 氣體與金屬的作用2-4 熔渣與金屬的作用熔化焊時(shí)焊接區(qū)內(nèi)的各種物質(zhì)之間發(fā)生的高溫反應(yīng)過程稱為焊接冶金過程焊接冶金過程。焊接冶金包括物理冶金和化學(xué)冶金。物理冶金反映原子遷移現(xiàn)象，如擴(kuò)散、熔化、結(jié)晶與相變等；化學(xué)冶金反映電子遷移現(xiàn)象，如氧化、還原、分解與合成等。2.1 焊接冶金過程的特

2、點(diǎn)焊接冶金過程的特點(diǎn)焊接冶金過程實(shí)質(zhì)上是金屬在焊接條件下的二次熔煉過程。與普通冶金（如電爐煉鋼）有共同之處，同時(shí)存在顯著差別，如： 分區(qū)域進(jìn)行 快速進(jìn)行 受焊接工藝影響大因此，不能機(jī)械地搬用普通冶金規(guī)律，而必須找出焊接冶金的固有規(guī)律，以使冶金反應(yīng)向著有利的方向發(fā)展，得到優(yōu)質(zhì)的焊縫金屬。在認(rèn)識焊接冶金的特點(diǎn)之前，首先要了解焊接時(shí)保護(hù)金屬的必要性、保護(hù)方式、效果以及對焊縫金屬性能的影響。一、焊接區(qū)的保護(hù)一、焊接區(qū)的保護(hù)用低碳鋼光焊絲在空氣中無保護(hù)電弧焊接時(shí)，焊縫金屬的成分和性能與母材和焊絲比較，發(fā)生了很大的變化： 焊縫氧含量比焊絲的高2045倍； 焊縫氮含量比焊絲的高735倍； 焊縫C、Mn等合金

3、元素的含量降低。v 成分：成分：v 性能：性能： 焊縫不致密，內(nèi)部和表面存在大量氣孔； 焊縫的塑性和韌性急劇下降，脆性斷裂；低碳鋼光焊絲無保護(hù)焊接時(shí)焊縫的性能無實(shí)用價(jià)值。為了提高焊縫的質(zhì)量，需要采取各種措施減少大氣對高溫液態(tài)金屬的污染，保護(hù)是焊接冶金的首要任務(wù)。實(shí)際上，焊接方法的分類標(biāo)準(zhǔn)之一就是保護(hù)方式保護(hù)方式。1固相焊；2熱化學(xué)焊；3電阻焊；4無保護(hù)電弧焊；5焊劑保護(hù)電弧焊；6氣保護(hù)電弧焊；7輻射能焊在真空真空室內(nèi)進(jìn)行的電子束焊接，保護(hù)效果是最理想的，常用來焊接化學(xué)活性強(qiáng)的材料。惰性氣體惰性氣體（主要有氬、氦等）的純度、焊炬的結(jié)構(gòu)、氣流的特性等影響保護(hù)效果?；钚詺怏w活性氣體常用的有二氧化碳，

4、這是一種氧化性氣體，通過添加脫氧劑可以用來焊接鋼鐵材料，一般不能用于有色金屬的焊接。焊劑焊劑，高溫下成為熔渣，覆蓋在熔滴和熔池的表面將空氣隔開，典型的焊接方法是埋弧焊和電渣焊。手工電弧焊則采用氣體氣體-溶渣聯(lián)合溶渣聯(lián)合保護(hù)的。從保護(hù)的角度，上述方法均可以很好地將高溫液體金屬與空氣隔離。這種機(jī)械方式保護(hù)熔滴和熔池，有些情況下仍然得不到的合乎要求的焊縫成分與性能。燒損、增氧、脆性、裂紋等冶金處理是焊接冶金的第二個任務(wù)即：通過調(diào)整焊接材料的成分和性能控制高溫液體金屬冶金反應(yīng)的發(fā)展，獲得預(yù)期要求的焊縫成分。二、焊接冶金反應(yīng)區(qū)及其反應(yīng)條件二、焊接冶金反應(yīng)區(qū)及其反應(yīng)條件熔滴、溶池具有不同的狀態(tài)參量（溫度、

5、相接觸面積、攪拌、作用時(shí)間等），即使對熔池而言，頭部和尾部的溫度梯度分布也存在差別，這決定了焊接化學(xué)冶金過程的分區(qū)域、分階段進(jìn)行的特征。不同的焊接方法有不同的反應(yīng)區(qū)，手弧焊有三個獨(dú)立又相互聯(lián)系著的焊接冶金反應(yīng)區(qū)： 藥皮反應(yīng)區(qū)； 熔滴反應(yīng)區(qū)； 熔池反應(yīng)區(qū)。1 藥皮反應(yīng)區(qū)藥皮反應(yīng)區(qū)的溫度范圍從100至藥皮的熔點(diǎn)。這個反應(yīng)區(qū)主要冶金反應(yīng)為某些物質(zhì)的分解和合金元素的氧化。v 物質(zhì)的分解：物質(zhì)的分解：有機(jī)物（纖維素、淀粉等）CO2、CO、H2礦物質(zhì)（大理石、鈦鐵礦等）CO2、CO、O2；MOv 合金元素的氧化：合金元素的氧化：2Mn + O2 = 2MnO;Mn + CO2 = MnO +CO;Mn +

6、 H2O = MnO + H2先期脫氧：在藥皮加熱階段，通過固態(tài)藥皮中的合金元素的氧化反應(yīng)，降低焊接區(qū)氣相氧化性的過程。2 熔滴反應(yīng)區(qū)在熔滴形成、長大和過渡過程中，液體金屬與氣體、熔渣（藥皮反應(yīng)產(chǎn)物）在高溫下發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng)。這個區(qū)的冶金反應(yīng)最激烈，對焊縫的成分影響也最大。熔滴反應(yīng)區(qū)的冶金反應(yīng)主要為： 氣體的分解和溶解； 金屬的蒸發(fā)； 金屬的氧化和還原； 焊縫的合金化。3 熔池反應(yīng)區(qū)熔滴和熔渣落入熔池后，同熔化的母材混合或接觸，與此同時(shí)各相間進(jìn)一步發(fā)生物化反應(yīng)，直至金屬凝固。熔池反應(yīng)區(qū)的冶金反應(yīng)主要表現(xiàn)為： 熔池尾部：放熱反應(yīng) 溶池頭部：吸熱反應(yīng)金屬的熔化、氣體的吸收；金屬的凝固、氣體的逸出。三

7、、焊接冶金與焊接工藝條件的關(guān)系三、焊接冶金與焊接工藝條件的關(guān)系焊接冶金過程的另一個特點(diǎn)是它與焊接工藝條件有密切的聯(lián)系，改變焊接工藝（如焊接方法、焊接規(guī)范等）必然引起冶金反應(yīng)條件（反應(yīng)物的種類、數(shù)量、濃度、溫度、反應(yīng)時(shí)間等）的變化，因而也就影響到冶金反應(yīng)的過程。熔合比熔合比：在焊縫中熔化的母材所占的比例。1 熔合比的影響熔合比的數(shù)值取決于焊接方法、規(guī)范、接頭形式和尺寸、母材性質(zhì)等。當(dāng)母材與焊材的成分不同時(shí)，熔合比對焊縫金屬的成分有很大影響。ebCCC)1 (0C0焊縫中的濃度； Cb母材中的濃度；Ce焊材中的濃度熔合比考慮到焊接過程中焊材損失，用熔敷金屬中的濃度考慮到焊接過程中焊材損失，用熔敷金

8、屬中的濃度C Cd d代替代替C Ce e。多層焊時(shí)，如果各層間的熔合比是恒定的，則可以得出第n層焊縫金屬中元素濃度的計(jì)算式為：Cn=Cd-(Cd-Cb)n通過上面兩式可以看出，通過熔合比可以改變焊縫金屬的化學(xué)成分： 要保證焊縫金屬成分和性能的穩(wěn)定，必須嚴(yán)格控制焊接工藝條件； 堆焊時(shí)要調(diào)整焊接規(guī)范，盡量減小熔合比； 異種材料焊接時(shí)，要根據(jù)熔合比合理選擇焊接材料。2 熔滴過渡特性的影響熔滴反應(yīng)區(qū)進(jìn)行的冶金反應(yīng)最為激烈，對焊縫成分產(chǎn)生重要的影響。而熔滴過渡特性決定了熔滴的溫度、存在時(shí)間以及相接觸程度等，對冶金反應(yīng)有重要影響。CO2保護(hù)焊焊絲中Si元素的損失率 短路過渡比大顆粒過渡?。?隨熔滴的過渡

9、頻率提高而減小。3 熔渣有效作用系數(shù)的影響熔渣作用系數(shù)熔渣作用系數(shù)定義為焊接冶金過程中與液體金屬發(fā)生相互作用的熔渣質(zhì)量與液體金屬質(zhì)量之比。手弧焊時(shí)焊條的藥皮重量系數(shù)一定，熔渣作用系數(shù)受焊接規(guī)范的影響相對較小。但對于埋弧焊，焊接規(guī)范不僅使熔滴的過渡特性和熔合比有很大的變化，而且熔化焊劑的量也變化很大，從而改變了焊接冶金的物質(zhì)條件，最終對焊縫金屬產(chǎn)生影響。影響焊縫金屬成分的主要因素：v焊接材料（焊絲、藥皮/焊劑、保護(hù)氣體等），不僅影響焊接冶金過程，而且決定焊縫金屬的合金系統(tǒng)。調(diào)整焊接材料是控制焊縫成分的主要手段；v焊接工藝規(guī)范，通過影響焊接冶金過程發(fā)揮作用，是控制焊縫金屬成分的輔助手段。 四、焊接

10、冶金系統(tǒng)及其不平衡性四、焊接冶金系統(tǒng)及其不平衡性焊接冶金系統(tǒng)是一個復(fù)雜的高溫多相反應(yīng)系統(tǒng)。多相反應(yīng)發(fā)生在相界面上，并與傳質(zhì)、傳熱等密切相關(guān)。焊接方法、規(guī)范、焊材、母材都可能影響冶金反應(yīng)的可能性、方向、速度和限度。焊接的動態(tài)加熱過程決定了焊接冶金系統(tǒng)是非平衡。不宜直接應(yīng)用熱力學(xué)平衡的計(jì)算公式定量分析焊接冶金問題。在焊接冶金區(qū)的局部某些冶金反應(yīng)可以達(dá)到平衡狀態(tài)，例如，在熔池的頭部和尾部個別反應(yīng)的方向相反說明存在一個平衡態(tài)。因此，可以用熱力學(xué)計(jì)算定性分析局部區(qū)域焊接冶金的方向和動力學(xué)問題。2.2 焊接區(qū)的氣體和熔渣焊接區(qū)的氣體和熔渣弄清焊接區(qū)內(nèi)的氣體來源、組成、狀態(tài)及其分布特點(diǎn)對于研究氣相參與的焊接

11、冶金反應(yīng)具有重要的意義。1. 焊接區(qū)內(nèi)氣體的來源焊劑保護(hù)焊，氣體的主要來自焊接材料，如焊條藥皮、焊劑等中的造氣劑、所含的水分以及礦物質(zhì)中的氧等。焊接區(qū)內(nèi)的氣體來源與焊接方法有關(guān)。氣體保護(hù)焊，焊接區(qū)內(nèi)的氣體主要來自保護(hù)氣及其所含的雜質(zhì)（氧、氮、水分等）。還有空氣的侵入。一、焊接區(qū)內(nèi)氣體一、焊接區(qū)內(nèi)氣體(1) 有機(jī)物的分解和燃燒有機(jī)物的分解和燃燒焊條藥皮成分中常有淀粉、纖維素、糊精等有機(jī)物作為增塑劑和造氣劑。這些物質(zhì)受熱時(shí)將發(fā)生復(fù)雜的分解和燃燒反應(yīng)，統(tǒng)稱為熱氧化分解反應(yīng)，析出大量氣體。纖維素的熱氧化分解反應(yīng)可以表示為：22251065627)(mHmCOmOOHCm有機(jī)物的熱氧化分解反應(yīng)常伴隨放熱

12、效應(yīng)，同時(shí)使氣體產(chǎn)物發(fā)生分解或合成。色譜分析表明，上述反應(yīng)的氣態(tài)產(chǎn)物主要是CO2，還有少量的CO、H2、烴和水氣。焊條藥皮中的有機(jī)物在200以上時(shí)就開始熱氧化分解反應(yīng)，因此，含有有機(jī)物的焊條，烘干溫度應(yīng)控制在150 左右，不應(yīng)超過200 。(2) 碳酸鹽和高價(jià)氧化物的分解碳酸鹽和高價(jià)氧化物的分解焊條藥皮和焊劑中常用的碳酸鹽有CaCO3、MgCO3、BaCO3等，當(dāng)加熱到一定溫度時(shí)，它們就發(fā)生分解反應(yīng)，如：23COCaOCaCO分解反應(yīng)的程度用分解壓表示，是溫度的函數(shù)，上述分解反應(yīng)的分解壓與溫度的關(guān)系為：54. 78920lg2TPco空氣中的CO2分壓為30.4Pa，由此可以計(jì)算出CaCO3在

13、空氣中開始分解的溫度為545 ，電弧加熱溫度遠(yuǎn)高于此溫度，碳酸鹽在焊接過程中將完全分解。焊接材料中常用的高價(jià)氧化物主要有Fe2O3和MnO2，在焊接條件下將發(fā)生逐級分解，如：2433246OOFeOFe24362OFeOOFe反應(yīng)的結(jié)果生成低價(jià)氧化物，并放出大量的氧氣。(3) 材料的蒸發(fā)材料的蒸發(fā)焊接過程中除焊接材料中的水分發(fā)生蒸發(fā)外，金屬元素和熔渣的各種成分也會在電弧的高溫作用下發(fā)生蒸發(fā)，在焊接區(qū)內(nèi)形成大量蒸汽。這些蒸汽飄離電弧將發(fā)生凝結(jié)，成為焊接煙塵。材料蒸發(fā)不僅使氣相的成分和冶金反應(yīng)復(fù)雜化，造成合金元素的損失，并且污染環(huán)境，影響焊工身體健康。材料蒸發(fā)程度與材料（母材、焊材）中的低沸點(diǎn)物質(zhì)

14、的數(shù)量以及焊接工藝有關(guān)。2. 焊接區(qū)內(nèi)氣體的分解氣體的狀態(tài)（分子、原子和離子狀態(tài)）對其在金屬中的溶解和與金屬的作用有很大影響，需要了解焊接區(qū)內(nèi)氣體的分解和電離問題。氣體受熱后，原子的振動能和旋轉(zhuǎn)能增加，當(dāng)原子的能量達(dá)到一定值時(shí)，將使原子鍵斷裂開，分解成單個原子或離子和電子。氣體的分解反應(yīng)進(jìn)行程度用平衡常數(shù)和分解度來表示。對于雙原子分子G2分解反應(yīng)的平衡常數(shù)和分解度可以表示為：反應(yīng)通式GG22平衡常數(shù)22GGpPPK分解度004PKKnnapp(1) 簡單氣體的分解簡單氣體的分解氣體分解的平衡常數(shù)是溫度的函數(shù)，分解度也是溫度的函數(shù)，如果平衡常數(shù)對溫度的函數(shù)一旦確定，可以計(jì)算分解度隨溫度的變化曲線

15、。在焊接溫度（5000K）下，焊接區(qū)內(nèi)氣體的分解度很大，絕大部分的氫和氧都以原子狀態(tài)存在。氮的分解度較小，基本上以分子狀態(tài)存在。單原子氣體當(dāng)獲得足夠的能量后將發(fā)生熱電離。電離所需要的能量比分解時(shí)高，需要更高的能量。有電弧存在時(shí)，會發(fā)生碰撞電離和光電離，因此實(shí)際焊接區(qū)內(nèi)氣體離子化過程復(fù)雜，產(chǎn)生的離子數(shù)量很多。（2）復(fù)雜氣體的分解）復(fù)雜氣體的分解CO2和H2O是焊接區(qū)內(nèi)常見的復(fù)雜氣體，受熱后也會發(fā)生分解反應(yīng)。CO2有一種分解方式， H2O 的分解方式有多種。在焊接溫度（5000K）下這兩種氣體分子幾乎完全分解。分解產(chǎn)物中含有雙原子氣體，會進(jìn)一步發(fā)生分解。CO2分解時(shí)氣相的平衡成分與溫度的關(guān)系水蒸汽分解的產(chǎn)物比較復(fù)雜，不僅增加了氣相的氧化性，而且增