焊條電弧焊操作技能課件

1、BX1-300焊接冶金過程學(xué)習(xí)目標(biāo)知識目標(biāo)：1、理解焊接冶金的特點(diǎn)、焊縫金屬脫氧、脫硫、脫磷的方法；2、掌握氣體、熔渣對焊縫金屬的影響以及預(yù)防氣孔出現(xiàn)的有效措施。能力目標(biāo)：理論聯(lián)系實(shí)踐，把理論應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)習(xí)中 焊接電弧產(chǎn)生以后，焊接區(qū)的物質(zhì)在電弧高溫作用下，會發(fā)生激烈的物理化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)的過程稱為焊接冶金過程。包括：焊接冶金過程的特點(diǎn)氣體對焊縫金屬的影響氮與金屬的作用、氫與金屬的作用、氧與金屬的作用焊縫金屬的脫氧、脫硫、脫磷焊縫金屬的滲合金一、焊接冶金的特點(diǎn)（1）溫度高及溫度梯度大 電弧溫度50008000，金屬強(qiáng)烈蒸發(fā)，周圍氣體電離，熔池受到常溫金屬包圍，溫度梯度大，電弧溫度高。藥皮中物質(zhì)的

2、分解產(chǎn)出大量的氣體，在熔池周圍形成一個(gè)保護(hù)層；同時(shí)，2 、 2等大量分解出來的氣體原子或離子很容易溶入到熔池金屬中，由于冷卻速度快，溶解度不斷下降，結(jié)果來不及析出而殘留在焊縫中；電弧高溫作用下，還會產(chǎn)生金屬蒸汽，合金元素易被氧化即燒損，使焊縫合金元素的含量下降，分布不均勻。（2）熔池體積小且保持時(shí)間短 熔池形成到結(jié)晶僅有幾秒鐘，焊縫金屬偏析嚴(yán)重。焊縫金屬的冶金反應(yīng)不充分，組織成分差異較大。（3）熔池金屬不斷更新 隨著焊接熔池的移動，不斷有新的熔化金屬和熔渣加入到熔池中參加冶金反應(yīng)。焊接熔池不斷地移動，參與反應(yīng)的物質(zhì)不 斷改變，使焊接熔池冶金反應(yīng)更為復(fù)雜。（4）反應(yīng)接觸面大、攪拌激烈 接觸面大加

3、速冶金反應(yīng)，氣體容易侵入液態(tài)金屬中，造成氮化、氧化和出現(xiàn)氣孔，但也有利于加快反應(yīng)速度，有助于熔池氣體逸出。 以焊條電弧焊為例熔池質(zhì)量僅為35克，而熔滴的表面積可達(dá)1102/g，比煉鋼時(shí)大1000倍，使反應(yīng)冶金激烈，并有強(qiáng)烈的混合作用。二、氣體對焊縫金屬的影響 氣體來源于焊接材料、焊件坡口的鐵銹、油污和吸附的水分；也可能來自于大氣。由于焊接方法、焊接電流、 藥皮和焊劑成分不同，氣體成分 為CO、2和水分等，由于熔池 保護(hù)不當(dāng)、空氣中的N2混入熔 池。這些氣體一旦侵入熔池， 將對焊縫的性能產(chǎn)生極為 不利的影響。CO220N2N2CON2（一）氧對焊縫金屬的作用 主要來源于電弧中的O2、CO2、H2

4、O，以及藥皮中的氧化物和焊件表面的鐵銹、水分等。 通常氧以原子氧和氧化亞鐵（FeO）兩種形式溶解在液態(tài)金屬中。 氧在焊縫中有兩種形式同時(shí)存在，以原子狀態(tài)單獨(dú)溶解在金屬中，但數(shù)量極??；大多數(shù)以夾雜物點(diǎn)狀分布或沿晶界形成細(xì)小疏松的網(wǎng)狀分布。無論何種形式含氧量增加，將使金屬的硬度、強(qiáng)度、塑性明顯下降，尤其是低溫沖擊韌度集聚下降，還會引起紅脆、冷脆和時(shí)效硬化。 氧還會與液態(tài)金屬中的C反應(yīng)生成CO，引起飛濺，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生氣孔。焊接有色金屬時(shí)，氧的危害更加突出。 1.氧對焊縫金屬的危害 2.減少焊縫含氧量最有效的措施 進(jìn)行脫氧。脫氧是分階段、分區(qū)域連續(xù)進(jìn)行的，方式有兩種：脫氧劑脫氧（脫氧時(shí)間分先期脫氧、沉

5、淀脫氧）及擴(kuò)散脫氧。 （1）脫氧的目的與脫氧劑的要求 脫氧的目的就是要減少焊縫中的含氧量。通過焊絲、焊劑或焊條藥皮中加入某些對氧親和力較大的合金元素，使它們在焊接過程中奪取氣相或氧化物中的氧而自身被氧化，從而減少焊縫金屬中的氧化及焊縫含氧量。 1）脫氧劑應(yīng)該是在焊接溫度下對氧的親和力比被焊金屬大，焊接鐵基合金時(shí)，生產(chǎn)中常用Al、Ti、Si、Mn等的鐵合金或金屬粉作為脫氧劑，元素對氧的親和力越大，脫氧的能力就越強(qiáng)。 2）脫氧的產(chǎn)物不能溶于液態(tài)金屬，密度小于液態(tài)金屬的密度，以便脫氧產(chǎn)物上浮到熔渣中去，減少焊縫金屬的夾雜物。 3.先期脫氧 先期脫氧發(fā)生在藥皮或焊劑加熱而未熔化前的過程中。其特點(diǎn)是脫氧

6、過程和脫氧產(chǎn)物與熔滴不發(fā)生直接關(guān)系。當(dāng)藥皮或焊劑加熱到450時(shí)以上時(shí)，藥皮中的高價(jià)氧化物及碳酸鹽等受熱分解產(chǎn)生CO2或氧與藥皮中的脫氧劑發(fā)生置換反應(yīng)，生成的氧化物轉(zhuǎn)入熔渣固定下來。 Fe2O3+Mn=MnO+2FeO、 FeO+Mn=MnO+Fe、 2CaCO3+Si=2CaO+SiO2+2CO、 2CaCO3+Ti=2CaO+TiO2+2CO CaCO3+Mn=CaO+MnO2+CO 反應(yīng)的結(jié)果使氣相的氧化性減弱。由于藥皮焊劑加熱階段溫度低，先期脫氧不完全，尚需進(jìn)一步脫氧。脫氧的效果取決于脫氧劑對氧的親和力、粒度、氧化劑和脫氧劑的比例，及焊接工藝參數(shù)。 4.沉淀脫氧 Mn的脫氧 沉淀脫氧是在

7、熔滴和熔池內(nèi)進(jìn)行的。特點(diǎn)是脫氧劑和Fe0直接反應(yīng)，將鐵還原，使脫氧產(chǎn)物轉(zhuǎn)入熔渣而被清除。 1）Mn的脫氧反應(yīng)： Mn來自藥皮和焊絲 Mn+FeO=Fe+(MnO) 脫氧效果與Mn的含量有關(guān)，增加Mn的含量可提高脫氧效果；與渣的酸堿度有關(guān)，在含有較多SiO2、TiO2 的酸性熔渣中MnO與其復(fù)合成穩(wěn)定的MnOSiO2 、Mn0TiO2減小了MnO的活度，脫氧效果好；在堿性熔渣中SiO2、TiO2 的 含量少，因而MnO活度大，不利于脫氧。故酸性焊條多采用Mn脫氧。 沉淀脫氧 Si的脫氧2）Si的脫氧反應(yīng)： Si對氧的親和力比Mn大 Si+2Fe0=2Fe+(Si02) 提高Si的含量和熔渣的堿度

8、，可提高脫氧效果，但生成的Si02熔點(diǎn)高，黏度大，不宜從液態(tài)鋼中分離，易造成夾渣，故一般不單獨(dú)用Si脫氧。 Si在堿性熔渣中脫氧效果好，酸性熔渣中脫氧效果差。3）采用Si、Mn聯(lián)合脫氧。 脫氧產(chǎn)物相互結(jié)合成熔點(diǎn)低，密度小的復(fù)合物進(jìn)入熔渣。實(shí)踐證明，當(dāng)Mn/Si=37時(shí)，脫氧產(chǎn)物可形成Mn0Si02硅酸鹽浮到熔渣中去，減小焊縫的夾雜物，降低焊縫的含氧量。堿性焊條藥皮中加入硅鐵和錳鐵進(jìn)行聯(lián)合脫氧，效果較好。 5.擴(kuò)散脫氧 擴(kuò)散脫氧是FeO從熔池向熔渣擴(kuò)散，從而降低焊縫中FeO的濃度。擴(kuò)散脫氧是擴(kuò)散氧化的逆過程。 FeO (FeO) 當(dāng)溫度下降時(shí)，反應(yīng)向右進(jìn)行，熔池中的Fe0向熔渣擴(kuò)散。所以擴(kuò)散脫氧

9、是在熔池尾部低溫區(qū)進(jìn)行的，處于熔池凝固階段。 在溫度不變的條件下，F(xiàn)e0在渣中的活度越低，脫氧效果越好。當(dāng)渣中較多的強(qiáng)酸氧化物SiO2、TiO2時(shí)，易于Fe0形成復(fù)合物，而使渣中Fe0的活度降低，液態(tài)金屬中的Fe0便不斷向渣中擴(kuò)散。所以酸性渣有利于擴(kuò)散脫氧，而堿性渣擴(kuò)散脫氧能力較差。6.酸性焊條和堿性焊條的藥皮類型不同，采用的脫氧途徑及脫氧劑選用元素也不同。（1）酸性焊條（E4303）1）先期脫氧 藥皮加熱過程中，藥皮中的碳酸鹽（CaCO3、MgCO3等）受熱分解：CaCO3=CaO+CO2MgCO3 =MgO+CO2 MnO是堿性氧化物。E4303型熔渣中酸性氧化物SiO2和TiO2很多。酸

10、性氧化物和堿性氧化物可以形成穩(wěn)定的熔渣，脫氧效果好。 藥皮內(nèi)錳鐵和CO2反應(yīng)，氧化物轉(zhuǎn)入渣中固定CO2+Mn=MnO+COMnO+SiO2=MnOSiO2（入渣）MnO+TiO2= MnOTiO2 （入渣） 早期盡可能把氧去除，以免氧與熔化金屬發(fā)生作用后使金屬氧化物。主要發(fā)生在焊條端部反應(yīng)區(qū)，脫氧過程和脫氧產(chǎn)物一般不和熔滴金屬發(fā)生直接關(guān)系。 如果E4303型焊條的藥皮主要采取硅鐵和鈦鐵作脫氧劑2CO2+Si=SiO2+2CO2CO2+Ti=TiO2+2CO 由于E4303型熔渣中SiO2及TiO2已經(jīng)很多，因此上述反應(yīng)不易進(jìn)行，不易脫氧。2）沉淀脫氧 利用熔池中的合金元素進(jìn)行脫氧，并使脫氧后的

11、產(chǎn)物不溶于熔池而排入熔渣，脫氧的對象主要是熔池的FeO。在E4303型焊條中Mn脫氧效果很好。Si、Ti對氧的親和力比Mn和氧的親和力大得多，但E4303型焊條中含有大量的SiO2和TiO2，而Si和Ti脫氧后的生成物也是SiO2和TiO2，均為酸性氧化物，無法與熔渣中存在的大量酸性氧化物結(jié)合成穩(wěn)定的熔渣。2FeO+Si=SiO2+2Fe2FeO+Ti=TiO2+2Fe而Mn的脫氧反應(yīng)：FeO+Mn=Mn+Fe MnO為堿性氧化物很容易與酸性氧化物（SiO2、TiO2）結(jié)合成穩(wěn)定的熔渣。3）擴(kuò)散脫氧 FeO既可溶解于Fe中，也可以從熔池?cái)U(kuò)散到熔渣中，熔池中FeO不斷擴(kuò)散到熔渣，使熔池的含氧量降

12、低。由于FeO為堿性氧化物，而在E4303型焊條中有大量SiO2和TiO2，因此可以形成穩(wěn)定的熔渣。FeO+SiO2= FeOSiO2FeO+TiO2= FeOTiO2 這有利于熔池中FeO不斷地向熔池中擴(kuò)散，但焊接時(shí)冶金時(shí)間很短，而擴(kuò)散需要較長時(shí)間，所以擴(kuò)散脫氧效果有限。熔池的攪拌作用有利于擴(kuò)散脫氧。（2）堿性焊條（E5015）1）先期脫氧 E5015中含有大量的大理石原料，加熱時(shí)放出氣體：CaCO3=CaO+CO2 藥皮中主要靠硅鐵和鈦鐵脫氧：2CO2+Si=SiO2+2CO2CO2+Ti=TiO2+2CO E5015熔渣堿性氧化物約占熔渣的2/3以上，熔渣的堿度很大，脫氧產(chǎn)物SiO2和T

13、iO2很容易和熔渣中的堿性氧化物結(jié)合，生成復(fù)合化合物：SiO2+CaO= SiO2CaO（入渣） TiO2+CaO= TiO2CaO （入渣） 如果E5015采用錳鐵作脫氧劑，則脫氧產(chǎn)物MnO是堿性的，則不容易形成穩(wěn)定的熔渣。因此錳鐵在E5015中只起滲合金作用。2）沉淀脫氧 E5015藥皮中Ti、Si對熔池中的FeO脫氧效果較好：2FeO+Ti=TiO2+2Fe2FeO+Si=SiO2+2Fe 脫氧后產(chǎn)物入渣固定：TiO2+CaO= TiO2CaOSiO2+CaO= SiO2CaO 擴(kuò)散脫氧在堿性焊條中基本上不存在。因?yàn)樵趬A性熔渣中存在大量的強(qiáng)堿性氧化物CaO，而熔池中的FeO也呈堿性，因此

14、擴(kuò)散脫氧難以進(jìn)行。（二）氫對焊縫的影響 主要來源于藥皮、焊劑、空氣中的水分以及坡口上的有機(jī)物和保護(hù)氣體不純等。在電弧高溫作用下，電弧區(qū)域中的氫主要以原子、離子和分子形態(tài)存在。當(dāng)溫度大于5000K時(shí)，主要以原子存在。溫度低于2000K時(shí)，主要以分子存在。 第一類與鋯、鈦、釩、鉭、鈮能形成穩(wěn)定的氫化物。300700吸氫量大，高于700時(shí)吸入量減小，氫化物分解，氫可以擴(kuò)散逸出。焊接時(shí)防止低溫吸收大量的氫。 第二類與鐵、鋁、鎳、銅、鉻、鉬不能形成穩(wěn)定的氫化物，但能溶于這類金屬中，并隨溫度的升高，溶解度也增加。 焊縫中大部分氫以離子或原子存在。一部分氫的原子或離子可在金屬晶格中自有擴(kuò)散，稱之為擴(kuò)散氫?？?/p>

15、從焊縫表面逸出一部分。一部分聚集到金屬的晶格缺陷或非金屬夾雜物的空隙中結(jié)合成分子，不能自由擴(kuò)散稱為殘余氫。對鋼焊接而言，氫的危害極大。 （1）氫致裂紋：焊接時(shí)溶解于焊縫中的氫，在冷卻過程中溶解度下降，會向熱影響區(qū)擴(kuò)散。當(dāng)某區(qū)域氫濃度 很高而溫度下降時(shí)，一些氫原子結(jié)合成氫分子，會在金屬內(nèi)造成很大局部應(yīng)力。對于淬硬傾向大的材料，在約束應(yīng)力作用下會產(chǎn)生冷裂紋。另外在接頭還容易產(chǎn)生淬硬組織，使塑性嚴(yán)重下降。 （2）氣孔：氫是焊縫中產(chǎn)生氣孔的主要因素之一。 （3）白點(diǎn)：碳鋼或低合金鋼焊縫，若含氫量較大，常常在拉伸試件的斷面出現(xiàn)魚目狀白色圓點(diǎn)。直徑一般為0.53mm，使焊縫金屬的塑性大大降低。 此外，殘余

16、在焊縫中的氫還產(chǎn)生很大的組織應(yīng)力。 為了減少氫的有害作用，焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制焊縫中的含氫量。限制氫和水分子的來源，盡量防止氫溶入金屬中。若氫含量過高，可進(jìn)行脫氫處理。（三）氮對焊縫金屬的影響 氮與金屬不反應(yīng)也不溶解，如Cu、Ni。 氮與金屬即反應(yīng)又溶解，F(xiàn)e、Mn、Cr、Ti。焊接熔池中氮以原子、離子、氮化物三種形態(tài)同時(shí)存在。 在-Fe中溶解度很小，冷卻時(shí)來不及逸出，一部分以過飽和形態(tài)存在于固溶體中，提高了焊縫的強(qiáng)度，降低了焊縫的塑性和韌性，在焊縫中形成的氣孔，降低了焊縫的致密性和力學(xué)性能。 另一部分以針狀氮化物（Fe）的形式析出，分布在晶界和固溶體內(nèi)。提高了焊縫的強(qiáng)度和硬度，使塑性和韌性急劇下

17、降。同時(shí)Fe是一種時(shí)效產(chǎn)物，即氮是一種能促使焊縫金屬時(shí)效脆化的元素。當(dāng)焊縫金屬中氮的體積分?jǐn)?shù)Mg0MnOFeOA12O3Fe2O3(強(qiáng)一弱) CaO效果最好，因此常用CaO脫磷。 3CaO+P2O5=Ca3P2O8 4CaO+P2O5=Ca4P2O9 從上述討論中可知，渣中如同時(shí)有足夠的自由FeO和自由CaO(在渣中未形成穩(wěn)定復(fù)合化合物的FeO或CaO)，則脫磷效果好。但具體在堿性焊條或酸性焊條中，要同時(shí)具有上述兩個(gè)條件是困難的。 堿性焊條熔渣中含有自由CaO較多，但堿性焊條脫氧性能強(qiáng)，因此不能同時(shí)有較多的自由FeO，如一定要增加FeO，勢必引起焊縫金屬中含氧量上升，以致降低焊縫性能。六、焊縫

18、金屬的滲合金焊縫金屬合金化的目的1、補(bǔ)償焊接過程中因蒸發(fā)和氧化所引起的合金元素的損失。保證焊縫金屬的成分和性能。2、消除某些焊接工藝缺陷，改善焊縫金屬的組織和力學(xué)性能。焊縫中Mn的含量0.6%，可以消除硫的危害；為細(xì)化晶粒提高韌性，向焊縫過渡Ti、Al、Mo等合金元素。3、獲得具有特殊性能的堆焊層。生產(chǎn)中采用堆焊的方法，通過焊接材料向堆焊層過渡一些母材中沒有的合金元素，如Cr、Mo、W、Mn等，以獲得具有預(yù)期特殊性能的表面層。合金化的影響因素： 1.合金元素的物理化學(xué)性質(zhì)。沸點(diǎn)越低越易蒸發(fā)，過渡到焊縫的合金越少；對氧親和力越大，氧化損失越大，過渡到焊縫的合金越少。 2.合金元素的含量。藥皮焊劑中合金元素含量越多，過渡到焊縫的合金也就越多。 3.合金元素的粒度。增大合金顆粒，其表面積減少，燒損也小，過渡到焊縫的合金也就增多。 4.合金元素氧化物的性質(zhì)。合金元素氧化物的酸堿性與熔渣的酸堿性相同時(shí)，有利于合金過度，反之，不利于合金過渡。如：熔渣堿度增大，硅的過渡降低，錳的過渡增加。 5.藥皮重量系數(shù)和焊接參數(shù)。焊條藥皮較厚，形成的熔渣也厚，合金進(jìn)入熔池的路徑增長，在渣中殘留量和氧化損失也增加，過渡到焊縫的合金就少。埋弧焊時(shí)焊劑熔化率增加過渡系數(shù)減小。電壓增高，熔化率增大，反極性時(shí)，熔化率大。手工電弧焊時(shí)