焊接冶金原理03焊接化學冶金課件2

1、第3章 焊接化學冶金3.1 焊接化學冶金系統(tǒng)及其特點3.2 氣體與金屬的冶金反應3.3 熔渣與金屬的冶金反應3.4 典型焊接方法的化學冶金焊接保護性氣體：保護氣、造氣劑分解；雜質氣體：氧化物、油污及吸附水分的蒸發(fā)；其他氣體：液體金屬和熔渣的蒸發(fā)、殘留空氣等。2. 2 氣體與金屬的冶金反應2.2.1 焊接區(qū)氣體焊接區(qū)氣體組成 N2、O2、H2O、CO2、Ar、熔渣與金屬的高溫蒸汽氣體來源1、氣體的來源與組成2、焊接區(qū)氣體分解與電離焊接區(qū)氣體的分解 焊接區(qū)內的氣體分子在高溫條件下將發(fā)生分解反應，氣體大分子轉變成小分子、進而轉變成單個原子。氣體分子的分解程度通常用分解平衡常數(shù)（K）和分解度（）來描述

2、：氣體分解反應的平衡常數(shù)定義為某溫度下分解產(chǎn)物的摩爾數(shù)的乘積與反應物摩爾數(shù)的比；分解度定義為某溫度下已分解氣體摩爾數(shù)與反應前氣體摩爾數(shù)的比。氣體分子分解反應的平衡常數(shù)可以表示為：dlnK/dT=H/RT2式中K氣體分解反應平衡常數(shù)；H反應熱效應，J/mol；T反應溫度，K；R氣體常數(shù)，8.31J/mol K。反應方程式H0298（kJ/mol）反應方程式H0298（kJ/mol）F2 = F + F-270CO2 = CO + 1/2O2-282.8H2 = H + H-433.9H2O = H2 + 1/2O2-483.2O2 = O + O-489.9H2O = H2 + O-977.3N

3、2 = N + N-711.4H2O = 2H + O-1808.3 氣體分子分解是吸熱反應，此處的反應熱效應H是負值，并且數(shù)值越負，表示氣體分解需要的熱量越多，越不利于分解反應的進行。平衡常數(shù)：分解度：對于簡單雙原子分子，如H2、O2、N2等，反應通式表示：種簡單氣體的分解度曲線(P0=0.1MPa)對于三個及以上原子組成的復雜氣體分子，發(fā)生的產(chǎn)物和分解途徑比較復雜。 CO2和H2O是焊接化學冶金區(qū)內常見的兩種復雜氣體，在高溫下CO2氣體只有一種分解途徑，而H2O則有多種分解途徑兩種復雜氣體的分解度曲線單原子氣體當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高，需要更高的能量。有電

4、弧存在時，會發(fā)生碰撞電離和光電離，因此實際焊接區(qū)內氣體離子化過程復雜，產(chǎn)生的離子數(shù)量很多。焊接區(qū)內氣體的電離幾種氣體的熱電離反應曲線焊接區(qū)周圍的空氣是氮的主要來源。盡管焊接時采取各種保護措施，但是總有或多或少的氮侵入焊接區(qū)，與高溫金屬發(fā)生作用，對焊接質量產(chǎn)生影響。不與氮發(fā)生作用的金屬，如銅、鎳等，既不溶解氮，又不形成氮化物，可以用氮作為保護氣體；與氮發(fā)生作用的金屬，如鐵、錳、鈦等，既溶解氮又與氮形成穩(wěn)定的氮化物，焊接這類金屬及其合金，防止焊縫金屬的氮化是一個重要問題。根據(jù)與氮的作用特點，金屬分為兩類：3.2.2 氮與焊接區(qū)金屬的作用1、氮的來源2、氮的溶解分子溶解 氣體分子向氣體-金屬界面上運

5、動；氣體被金屬表面吸附；氣體分子在金屬表面上分解為原子；氣體原子穿過金屬表面層，并向金屬深處擴散。離子溶解在焊接化學冶金區(qū)形成的離子有帶正電荷的N+和帶負電荷的NO-，電弧氣氛中的N+將在負極表面富集，NO-在正極表面富集。原子溶解 5000K時開始發(fā)生分解，至8000K時基本完全分解，電弧焊弧柱中心溫度超過5000K，高能束流中心區(qū)域溫度超過10000K，氮原子被液體金屬吸附，溶入液體金屬表面并擴散到液體金屬內部。氮的溶解度KN2氮溶解反應的平衡常數(shù)，取決于金屬的種類和溫度；PN2氣相中分子氮的分壓。溶解度是指在一定溫度下溶劑所能容納溶質的最大濃度，又可稱為平衡狀態(tài)飽和濃度氮在純鐵中的溶解度

6、曲線1600平衡狀態(tài)下氮在液態(tài)純鐵中的濃度焊縫氮氣孔氮在金屬中的溶解度存在突變。保護不良時，高溫液體金屬可以吸收大量的氮，在金屬凝固過程中，過飽和的氮將以氣泡的形式從熔池中外逸，逸出不及時就會在焊縫中形成氮氣孔。3、氮對焊接質量的影響氮氣孔焊縫金屬氮脆化固體焊縫金屬中殘留的過飽和氮，一部分則以針狀氮化物（Fe4N）的形式析出，分布在晶內或晶界，使焊縫金屬的強度升高，塑性和韌性，特別是低溫韌性急劇下降。低碳鋼焊縫中的針狀氮化物焊縫的力學性能與含氮量的關系焊縫時效脆化焊縫金屬中過飽和固溶的氮原子處于不穩(wěn)定的高活性狀態(tài)，隨著時間延長將逐漸擴散至晶格不完整的地方，例如晶界、相界及位錯等處，與基體金屬形

7、成氮化物（Fe4N）而析出。時效析出的Fe4N與前面提到的在焊縫金屬冷卻過程中形成的Fe4N一樣，也是脆性的針狀相，嚴重降低焊縫金屬的韌性。由于這些Fe4N相是時效過程中不斷析出的，因此稱為焊縫金屬的時效脆化。當焊縫金屬中存在能形成穩(wěn)定氮化物的元素，如鈦、鋁、釩、鋯等，可以抑制或消除時效現(xiàn)象。4、影響焊縫含氮量的因素及控制措施焊接保護焊接區(qū)內的氮氣主要來源于周圍空氣的侵入，不同的焊接方法，由于保護效果不同，焊縫的含氮量不同。電弧長度（電弧電壓）過大，焊接區(qū)的保護效果難以保證，同時熔滴與氣相的的接觸時間延長，焊縫的含氮量增大。增加焊接電流，熔滴過渡頻率增大，氮與熔滴的接觸時間短，焊縫含氮量少。焊

8、接速度對焊縫含氮量影響不大。在同樣的焊接條件下，增加焊絲的直徑可以減少焊縫含氮量。焊接工藝參數(shù)焊接工藝參數(shù)對焊縫含氮量的影響合金元素鈦、鋁、鋯、釩以及稀土元素對氮的親和力較大，能形成穩(wěn)定的氮化物，且氮化物不溶于液態(tài)金屬，而進入渣內，減少液體金屬中的氮含量。碳能夠降低氮在鐵液中的溶解度，同時碳在氧化性氣氛中生成大量的CO、CO2等氣體，降低氮的分壓，均有利于降低焊縫含氮量焊絲中合金元素對焊縫含氮量的影響2.2.3 氫的焊接化學冶金焊接區(qū)內氫的來源有焊接材料中的各類水分、焊絲和母材待焊處表面的鐵銹與油污等雜質、電弧周圍空氣中的水蒸汽等。一般熔焊時總有或多或少的氫與金屬發(fā)生作用。1、氫的來源與溶解H

9、2O是焊接區(qū)氫的主要來源。氫的來源氫向金屬中的溶解途徑與焊接方法有關：氣體保護焊時氫通過氣相與液態(tài)金屬的界面以原子或質子形式溶入金屬；渣保護焊時氫是通過熔渣溶入金屬；手弧焊是氣-渣聯(lián)合保護焊，兩種途徑都可能。氫的溶解鎢極氬弧焊氣氛中的氫在熔池不同部位的溶解途徑和溶解數(shù)量焊接冶金區(qū)氣相中以H+離子的氫具有更高的活性。在直流反接時熔滴溶解的氫更多。氫在金屬中的溶解度與金屬的性質、溫度及氫分壓有關;對于同一金屬而言，一定溫度下氫分壓越高溶解度越大，一定氫分壓條件下溫度越高溶解度越大;金屬發(fā)生相變時（液-固、固-固）氫溶解度會發(fā)生突變.氫在金屬中的溶解度曲線氫的溶解度2、氫的存在形式與分布根據(jù)氫與金屬

10、的相互作用特點，可以把金屬分為兩類：1）氫在焊縫金屬中的存在形式氫化物形成金屬含量低時以原子形式存在，含量達到一定值后可形成比較穩(wěn)定的氫化物，加熱時會發(fā)生分解逸出。如Ti、Zr、V、Ta、Nb等。氫化物形成金屬的氫含量與溫度的關系非氫化物形成金屬除上述氫化物形成金屬以外，氫主要以固溶原子形式存在于金屬晶格間隙中，形成固溶體（多數(shù)情況下是過飽和固溶體）。這種原子狀態(tài)的氫具有很強的擴散能力，可以在焊縫金屬的晶格中自由擴散，成為擴散氫。一部分的擴散氫容易在金屬晶格缺陷、顯微裂紋和非金屬夾雜邊緣等晶格不連續(xù)的地方發(fā)生聚集，濃度達到一定值后結合成H2分子氫，失去在晶格自由擴散的能力，稱為殘余氫。焊縫金屬

11、中的含氫量是指擴散氫與殘余氫的總和焊件在焊后存放過程中，一部分固溶氫原子擴散在焊縫金屬內部晶格缺陷處結合成為殘余氫，還有一部分氫擴散至焊縫金屬表面而逸出，因此焊縫中的含氫量是隨時間變化的。熔敷金屬中的含氫量是指焊后立即按標準方法測定并換算成標準狀態(tài)下的含氫量。焊縫含氫量與焊件放置時間的關系低氫型焊條熔敷金屬中的擴散氫含量明顯低于其它類型焊條。CO2焊是一種超低氫的焊接方法。不同焊接方法獲得熔敷金屬的含氫量2) 氫在焊接接頭中的分布含氫量在焊接接頭的分布焊縫金屬中的氫原子能夠在焊縫金屬中長距離擴散，轉變成殘余氫或從焊縫金屬中逸出；氫原子在焊縫金屬中擴散的驅動力源自其化學活度，是濃度梯度、相對過飽

12、和度、溫度梯度、晶格類型等因素的綜合體現(xiàn)；母材金屬通常含氫量很低，焊縫金屬到母材氫的濃度梯度很大，焊縫中的氫常常越過焊縫邊界向母材中擴散一定的深度，3、氫對焊接質量的影響1）焊縫氫氣孔 在結晶時由于溶解度突然下降，使氫處于過飽和狀態(tài)，促使氫原子合成反應，生成氫分子（氫氣）在液態(tài)金屬內形成氫氣泡。當氫氣泡的逸出速度小于熔池結晶速度時，殘留在焊縫金屬中成為氫氣孔。2）焊縫金屬的氫脆斷面收縮率與變形時間的關系含氫鋼在室溫附近中等變形速度下加載時塑性明顯下降的現(xiàn)象稱為氫脆。含氫量高的鐵素體焊縫氫脆現(xiàn)象尤其明顯。焊縫金屬的氫脆程度取決于含氫量、試驗溫度、變形速度及焊縫金屬的組織結構3）白點含氫金屬在其變

13、形斷裂面上出現(xiàn)的銀白色圓形局部脆斷點，又稱魚眼。白點是微小夾雜物或氣孔在金屬塑性變形過程中對氫原子的“陷阱”效應而引起的。焊縫金屬對白點的敏感性與氫含量和組織等因素有關。氫在鐵素體鋼中的溶解度小、擴散速度快，易于逸出，而在奧氏體中溶解度大、擴散緩慢，難于聚集，因而，鐵素體鋼和奧氏體鋼對白點不敏感。4）氫致裂紋氫致裂紋是焊接接頭在較低的溫度（馬氏體轉變溫度）產(chǎn)生的一種裂紋，也稱延遲裂紋。氫是延遲裂紋形成的要素之一4、氫的控制措施1）限制焊接材料中的含氫（水）量焊材的各種原材料都不同程度地含有各種吸附水、結晶水、化合水或溶解的氫，制造低氫型焊材應盡量選用含水（氫）少的原料。適當提高原料的烘焙溫度可

14、降低其含水量，降低焊縫含氫量。保護氣體，氣體的純度對于焊縫金屬含氫量有很大影響焊縫含氫量與焊條烘焙溫度的關系2）工件的表面狀態(tài)焊絲和焊件待焊面上的鐵銹、油污、吸附的水分及其他含氫物質是焊縫增氫的另一個重要原因。為防止焊絲生銹，常常表面鍍銅處理。焊接鋁、鎂、鈦等金屬及其合金時，由于表面存在結構不致密的含水氧化物膜，必須采用機械或化學方法清理。3、冶金因素氧能有效降低氫在液態(tài)鐵、低碳鋼和低合金鋼中的溶解度，以及抑制氫的溶解反應；氧也是一種表面活性元素，可以減少液體金屬對氫的吸附。在藥皮或藥芯中加入微量的稀土元素，如稀土元素釔（Y）和碲（Te）能夠大幅度降低熔敷金屬擴散氫的含量，尤其是釔的添加不僅可

15、以降低擴散氫的含量，而且能夠提高焊縫的韌性焊縫含氫量與保護氣體中CO2含量的關系藥皮中釔含量對熔敷金屬擴散氫含量的影響焊后及時加熱焊件，促使擴散氫外逸，從而減少焊接接頭中含氫量的工藝稱為脫氫處理；脫氫處理工藝為：3501h；對于奧氏體鋼及鋁、鈦等合金脫氫處理效果不大。4）工藝因素焊接工藝因素對焊縫金屬含氫量的影響是很有限的，通常不單獨作為控制焊縫金屬含氫量的手段去使用。CO2氣體保護電弧焊焊是一種超低氫的焊接方法，直流反接獲得的焊縫金屬含氫量較直流正接或交流要低一些。焊縫氫含量與焊后熱處理工藝參數(shù)的關系1、 氧的來源與溶解1）氧的來源：來自空氣、來源于焊接材料。3.2.4 氧的焊接化學冶金2）

16、氧的溶解溶解氧的金屬，如Fe、Ni、Ti等；不溶解氧的金屬，如Mg、Al等，焊接時形成氧化物不溶于金屬。溶解途徑包括氣相溶解和熔渣溶解，原子氧O和氧化亞鐵FeO的共存；氧是鐵液的表面活性元素，在鐵液中形成富氧金屬層。當表面氧含量達到一定數(shù)量后可反應生成FeO；FeO的量較少時，溶解于鐵液中；的量達到一定數(shù)量后，部分氧化鐵脫離鐵液而析出。金屬被還原平衡狀態(tài)金屬被氧化金屬氧化物的分解壓 可以作為判斷金屬氧化還原反應的判據(jù)。在金屬-氧-金屬氧化物系統(tǒng)中，氧的分壓為則由于FeO溶于鐵中，所占比例很小，分解的可能性很小，分解壓很少，因此，焊接區(qū)域內微量的氧即可使鐵氧化。2、液體金屬的氧化鋼液中常含有其他與氧的親和力比鐵的元素，如C、Si、Mn等，它們與氧發(fā)生反應：焊接區(qū)域的氧化性程度常用合金元素的過渡系數(shù)衡量。過渡系數(shù)：元素由焊絲過渡到熔敷金屬中的百分數(shù)。3、氧對焊接質量的影響力學性能 氧在焊縫中不論以何種形式存在都影響焊縫的力學性能，通常使強度、塑