第十講焊接的化學(xué)冶金學(xué)

1、2021-11-251材料成形過程中的化學(xué)材料成形過程中的化學(xué)冶金及質(zhì)量控制冶金及質(zhì)量控制The Chemical Metallurgy and Quality Control in Material Forming Processing2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG2材料成形材料成形(鑄造、焊接時鑄造、焊接時)的高溫過程中，金屬的高溫過程中，金屬液化。與其周圍的接觸物質(zhì)（氣體、熔渣、液化。與其周圍的接觸物質(zhì)（氣體、熔渣、形壁等）發(fā)生不同的物理化學(xué)反應(yīng)形壁等）發(fā)生不同的物理化學(xué)反應(yīng)化學(xué)化學(xué)冶金過程。冶金過程?？赡芨淖円簯B(tài)金屬的化學(xué)成分?？赡芨淖円簯B(tài)金屬的化學(xué)成分。影響

2、固化后金屬的物理化學(xué)性能。影響固化后金屬的物理化學(xué)性能。2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG31.1 導(dǎo)論導(dǎo)論一、液態(tài)成形的化學(xué)冶金特點(diǎn)一、液態(tài)成形的化學(xué)冶金特點(diǎn)主要發(fā)生在熔煉過程，包括煉鋼、煉鐵主要發(fā)生在熔煉過程，包括煉鋼、煉鐵一般的化學(xué)反應(yīng)：氧化、脫氧、脫硫、脫磷和合金一般的化學(xué)反應(yīng)：氧化、脫氧、脫硫、脫磷和合金化等化等溫度較低溫度較低(1600左右左右),),液態(tài)金屬體積較大液態(tài)金屬體積較大, ,熔煉時間熔煉時間較長較長, ,反應(yīng)可以達(dá)到或接近平衡狀態(tài)。反應(yīng)可以達(dá)到或接近平衡狀態(tài)。2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG4二、焊接過程的化學(xué)冶金特點(diǎn)二、

3、焊接過程的化學(xué)冶金特點(diǎn)以典型的手工焊條焊接為例以典型的手工焊條焊接為例:1.焊芯焊芯core wire 2. 藥皮藥皮covering /coating 3. 熔滴熔滴droplet 4. 熔池熔池molten pool /weld pool 5. 焊縫金屬焊縫金屬WM 7. 液態(tài)熔渣液態(tài)熔渣molten slag 8. 熔渣熔渣(已凝固已凝固)slag2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG5藥皮反應(yīng)區(qū)藥皮反應(yīng)區(qū)熔滴反應(yīng)區(qū)熔滴反應(yīng)區(qū)熔池反應(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)造渣反應(yīng)區(qū)。造渣反應(yīng)區(qū)。焊條端部加熱到焊條端部加熱到200-1200（熔點(diǎn)）的區(qū)域。（熔點(diǎn)）的區(qū)域

4、。主要發(fā)生水的蒸發(fā)、固態(tài)藥皮成分主要發(fā)生水的蒸發(fā)、固態(tài)藥皮成分中的相互作用及分解反應(yīng)：中的相互作用及分解反應(yīng)：1)1)分解：分解：CaCOCaCO3 3CaO+COCaO+CO2 2 有機(jī)物有機(jī)物HH2 2+CO+H+CO+H2 2O O2)2)除水：除水：a.a.水分蒸發(fā)（物理過程）水分蒸發(fā)（物理過程） b.b.結(jié)晶水，水化合物分解結(jié)晶水，水化合物分解 （化學(xué)過程）（化學(xué)過程）3)氧化：氧化：Mn+CO2 2MnO+COMnO+CO Si+2FeO2Fe+SiO Si+2FeO2Fe+SiO2 2 *GTAW、GMAW無此區(qū)域無此區(qū)域2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG6

5、特點(diǎn)：特點(diǎn)：1）溫度高）溫度高 1800-24002）比表面積大）比表面積大 極大的液態(tài)金屬極大的液態(tài)金屬-氣體氣體/熔渣熔渣 相界面相界面大大加速了冶金反應(yīng)大大加速了冶金反應(yīng)3）反應(yīng)時間短）反應(yīng)時間短(熔滴存在時間小于熔滴存在時間小于1s）4）熔滴金屬與熔渣發(fā)生強(qiáng)烈的混）熔滴金屬與熔渣發(fā)生強(qiáng)烈的混合：化學(xué)反應(yīng)激烈、充分進(jìn)行合：化學(xué)反應(yīng)激烈、充分進(jìn)行*GTAW無此區(qū)域2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG7焊接化學(xué)冶金反應(yīng)的最后階段。焊接化學(xué)冶金反應(yīng)的最后階段。特點(diǎn)：特點(diǎn)：1）平均溫度較低：）平均溫度較低： 1600-1900前后部溫差大，反應(yīng)方向不同。前后部溫差大，反應(yīng)方向

6、不同。2 2）比表面積小，但存在（反應(yīng)）時間較長。）比表面積小，但存在（反應(yīng)）時間較長。3 3）熔池中金屬、熔渣不斷更新）熔池中金屬、熔渣不斷更新(renewing)(renewing)。2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG8一、氣體來源一、氣體來源1、液態(tài)成形過程中氣體來源、液態(tài)成形過程中氣體來源 （1）熔煉：爐和環(huán)境氣氛）熔煉：爐和環(huán)境氣氛 H2O、N2、H2、O2、CO2、CO （2）鑄造：水氣、有機(jī)物、空氣、型砂、）鑄造：水氣、有機(jī)物、空氣、型砂、粘結(jié)劑粘結(jié)劑2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG92、焊接成形過程中氣體來源、焊接成形過程中氣體來源

7、（1）空氣、保護(hù)氣）空氣、保護(hù)氣（2）來自藥皮成分的氣體）來自藥皮成分的氣體1）有機(jī)物分解、燃燒）有機(jī)物分解、燃燒淀粉、纖維素、油污等淀粉、纖維素、油污等2）碳酸鹽和高價氧化物的分解）碳酸鹽和高價氧化物的分解CaCOCaCO3 3CaO+COCaO+CO2 2Fe2 2O3 3OO2 2+Fe+Fe3 3O O4 4OO2 2+FeO+FeO3)材料中低佛點(diǎn)物質(zhì)的蒸發(fā)材料中低佛點(diǎn)物質(zhì)的蒸發(fā)H2 2O、Zn、Mg、KF、NaF4）化學(xué)反應(yīng)）化學(xué)反應(yīng)FeOFe+COOFe+CO2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG10二、液態(tài)金屬與氣體的反應(yīng)二、液態(tài)金屬與氣體的反應(yīng)N2 2、H2

8、 2、O2 2是對金屬作是對金屬作用最大（有害）的三種用最大（有害）的三種氣體。氣體。1、氮、氮 Nitrogen(1)氮在金屬中的溶解氮在金屬中的溶解N2 22N 即即: 1/2N2 2N 平衡時深解度與氮溶平衡時深解度與氮溶解反應(yīng)平衡常數(shù)及氣解反應(yīng)平衡常數(shù)及氣相中分子氮的分壓之相中分子氮的分壓之間的關(guān)系間的關(guān)系:平方根定律平方根定律/西華特定律西華特定律Siverts law2NN=KPNSg2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG11N2離解度低離解度低（T5000K）Henrys2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG12 在氣氛含氧時（在空氣中），盡管

9、在氣氛含氧時（在空氣中），盡管PN2 4000），），且不溶于鋼。且不溶于鋼。3 3）加稀土或稀有分散元素）加稀土或稀有分散元素稀土金屬稀土金屬rare earths: rare earths: 鈰鈰CeCe 鑭鑭La La 鐿鐿YbYb稀有分散元素稀有分散元素rare elementsrare elements：碲：碲Te Te 硒硒SeSe4 4）焊接工藝規(guī)范：）焊接工藝規(guī)范： DCRPDCRP5 5）焊后脫氫處理）焊后脫氫處理 250-350250-350保溫保溫2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG22兩類兩類:一類是不溶解氧的金屬如一類是不溶解氧的金屬如Al, Mg

10、等；等； 另一類是能有限溶解氧的金屬如：另一類是能有限溶解氧的金屬如： Fe、Ni、Cu、Ti等。生成的氧化物能等。生成的氧化物能溶解于相應(yīng)的金屬中。溶解于相應(yīng)的金屬中。2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG231）氧在金屬中的溶解）氧在金屬中的溶解以以Fe為例為例:2FeO2Fe+O2反應(yīng)方向反應(yīng)方向氧在鐵液中以原子氧和氧在鐵液中以原子氧和FeO兩種形式存在。兩種形式存在。T ，溶解度溶解度2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG242）氧化反應(yīng)）氧化反應(yīng)pO2pO2 金屬被氧化；金屬被氧化； 金屬被還原；金屬被還原； = 平衡。平衡。（氣相中氧的實(shí)際分壓（

11、氣相中氧的實(shí)際分壓 金屬氧化物的分解壓）金屬氧化物的分解壓）2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG25(1)強(qiáng)度、韌性、塑性下降強(qiáng)度、韌性、塑性下降(2)CO氣孔氣孔(3)合金元素氧化合金元素氧化但但O并非越低越好，為防止氫的作用，形并非越低越好，為防止氫的作用，形成針狀鐵素體組織等，都需要一定的成針狀鐵素體組織等，都需要一定的O。2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG26與與N2不同，不同，O主要來源于焊接材料中的氧主要來源于焊接材料中的氧化物及分解氧化性氣體?；锛胺纸庋趸詺怏w。（1）控制藥皮、焊劑、保護(hù)氣體中的含氧）控制藥皮、焊劑、保護(hù)氣體中的含氧量

12、；量；（2）冶金脫氧）冶金脫氧(deoxidation, deoxidixation) （3）控制焊接工藝參數(shù)：電弧電壓增大，）控制焊接工藝參數(shù)：電弧電壓增大，空氣與熔渣接觸機(jī)會增多，可能導(dǎo)致焊縫空氣與熔渣接觸機(jī)會增多，可能導(dǎo)致焊縫增氧增氧2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG272.3 液態(tài)金屬與熔渣的反應(yīng)液態(tài)金屬與熔渣的反應(yīng)2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG281、熔渣、熔渣作用：作用：（1）機(jī)械隔離保護(hù)）機(jī)械隔離保護(hù)（2）冶金處理：脫氧、脫硫、合金化）冶金處理：脫氧、脫硫、合金化（3）改善焊接工藝性能：引弧）改善焊接工藝性能：引弧(arc-stri

13、king)、穩(wěn)?。ā⒎€(wěn)?。?arc-stabilizing）等）等2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG292、熔渣的成分和分類熔渣的成分和分類熔煉金屬時，常用的熔渣可以分為酸性和堿性兩熔煉金屬時，常用的熔渣可以分為酸性和堿性兩大類。大類。主要成分：主要成分：SiO2、CaO、Al2O3CaO多，堿性；多，堿性； SiO2多，酸性。多，酸性。熔渣的堿度：熔渣的堿度：R1.2為堿性渣；為堿性渣；R=0.81.2為中性渣為中性渣2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG30焊接時根據(jù)熔渣的成分和性能可分為三類焊接時根據(jù)熔渣的成分和性能可分為三類（1）氧化物型：應(yīng)用得

14、最多的一種焊接渣）氧化物型：應(yīng)用得最多的一種焊接渣系，有一定的氧化性系，有一定的氧化性 MnO-SiO2-FeO-CaO-TiO2（2）鹽型熔渣：無氧化性）鹽型熔渣：無氧化性 CaF2, NaF, BaCl2（3）鹽）鹽-氧化物型：上述兩種類型的復(fù)合氧化物型：上述兩種類型的復(fù)合型型 CaO-SiO2-CaF22021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG31根據(jù)離子理論(B0為堿性渣,0為酸性渣,=0為中性渣):Mi為熔渣中第i種氧化物的摩爾分?jǐn)?shù)；ai為第i種氧化物的堿度系數(shù)。22(+RO)=R OBROni= 1=iiBa M2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG

15、323、熔渣的物理性能、熔渣的物理性能（1）熔渣的粘度（）熔渣的粘度（viscosity）液體內(nèi)部相對運(yùn)動的摩擦力。液體內(nèi)部相對運(yùn)動的摩擦力。 長渣（長渣（long slag）凝固溫度范圍大；）凝固溫度范圍大； 短渣（短渣（short slag）凝固溫度范圍小。）凝固溫度范圍小。 短渣有利于全位置焊接。短渣有利于全位置焊接。（2）熔渣的熔點(diǎn)）熔渣的熔點(diǎn)（3）熔渣的表面張力）熔渣的表面張力2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG334、活性熔渣對金屬的氧化、活性熔渣對金屬的氧化（1）擴(kuò)散氧化）擴(kuò)散氧化 FeO既溶于渣，又溶于鋼既溶于渣，又溶于鋼液，因此能在熔渣與鋼液，因此能在熔渣

16、與鋼液之間進(jìn)行擴(kuò)散分配，液之間進(jìn)行擴(kuò)散分配，在一定溫度下平衡時，在一定溫度下平衡時，它在兩相中的濃度符合它在兩相中的濃度符合分配定律：分配定律：（2）置換氧化）置換氧化 鐵或其它金屬置換出其鐵或其它金屬置換出其它氧化物中元素而自身它氧化物中元素而自身氧化的過程。氧化的過程。 Fe+(XO) (FeO)+XFeO=(FeO)L2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG345、脫氧處理、脫氧處理前述氧化反應(yīng)的逆反應(yīng)即為脫氧處理。前述氧化反應(yīng)的逆反應(yīng)即為脫氧處理。常用脫氧劑（常用脫氧劑（deoxidizer, deoxidant, desoxidizer, desoxidant)Mn，

17、Si，Ti2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG35焊條藥皮反應(yīng)區(qū)發(fā)生的脫氧過程：（Fe2O3)+(Mn)(MnO)+2(FeO) +(Mn)(MnO)+(Fe)2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG36（2）沉淀脫氧）沉淀脫氧又稱析出脫氧(precipitation deoxidation)2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG37（3）擴(kuò)散脫氧）擴(kuò)散脫氧即分配脫氧:控制L and/or (FeO)就可使FeO減少,即擴(kuò)散氧化逆過程T高,L小, Fe多(擴(kuò)散氧化)反之,擴(kuò)散脫氧FeO=(FeO)L2021-11-25材料成形原理-焊接-X

18、IONG JG38（1）金屬中硫的危害及控制）金屬中硫的危害及控制主要是形成低熔點(diǎn)共晶主要是形成低熔點(diǎn)共晶(low melting point eutectic)FeS-Fe和和Fe3P-Fe2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG39（2）金屬中磷的危害及控制）金屬中磷的危害及控制1）磷的危害）磷的危害2）控制磷的措施）控制磷的措施 限制磷的來源；限制磷的來源； 冶金方法脫磷冶金方法脫磷2021-11-25材料成形原理-焊接-XIONG JG405、合金化、合金化合金化：將所需的合金元素加入到金屬中去的過程合金化：將所需的合金元素加入到金屬中去的過程（1）合金化的目的）合金化的目的對于液態(tài)成形：主要是改善金屬的組織性能。對于液態(tài)成形：主要是改善金屬的組織性能。對于焊接成形：補(bǔ)償在高溫下金屬由于蒸發(fā)或氧化等造成的損對于焊接成形：補(bǔ)償在高溫下金屬由于蒸發(fā)或氧化等造成的損失；消除焊接缺陷，改善焊縫金屬的組織與性能，或獲得失；消除焊接缺陷，改善焊縫金屬的組織與性能，或獲得特殊性能的堆焊金屬層。特殊性能的堆焊金屬層。2021-