熔焊原理第四單元-焊接冶金過程課件

1、第四單元 焊接冶金過程模塊一 焊接冶金特點模塊二 氣相對焊縫金屬的作用模塊三 熔渣及其對焊縫金屬的作用模塊四 焊縫金屬中硫、磷的控制模塊五 焊縫金屬的合金化第四單元 焊接冶金過程模塊一 焊接冶金特點模塊一 焊接冶金的特點一、焊接時的焊縫金屬保護二、焊接冶金反應區(qū)的特點三、焊接參數(shù)與焊接化學冶金的關系返回模塊一 焊接冶金的特點一、焊接時的焊縫金屬保護返回一、焊接時的焊縫金屬保護保護焊縫金屬的必要性 光焊絲焊接電弧穩(wěn)定性變差，工藝性不好 焊縫金屬含氮量增加 有益元素燒損，力學性能下降下一頁一、焊接時的焊縫金屬保護保護焊縫金屬的必要性下一頁一、焊接時的焊縫金屬保護（3）氣-渣聯(lián)合保護：焊條電弧焊（2

2、）氣體保護：各種氣體保護焊（1）熔渣保護：埋弧焊、電渣焊（4）真空：真空電子束焊接返回2. 保護方式及效果（5）自保護：用含有脫氧、脫氮劑的焊絲 進行焊接一、焊接時的焊縫金屬保護（3）氣-渣聯(lián)合保護：焊條電弧焊（2二、焊接冶金反應區(qū)的特點 焊接化學冶金反應區(qū)的特點是分區(qū)域（階段）連續(xù)進行的。1.藥皮反應區(qū)2.熔滴反應區(qū)3.熔池反應區(qū)返回二、焊接冶金反應區(qū)的特點 焊接化學冶金反應區(qū)的特點藥皮反應區(qū)的特點 藥皮反應區(qū)的溫度范圍從100至藥皮的熔點，在這期間所發(fā)生的化學反就有： （1）藥皮溫度高于100 時，水分開始蒸發(fā)； （2）溫度高于200250 時，有機物開始發(fā)生分解； （3）溫度高于300時

3、，藥皮中的組成物中的結晶水和化合水開始分解； （4）溫度再升高，碳酸鹽將發(fā)生分解； CaCO3 CaO+CO2 Mn+CO2=MnO+CO（先期脫氧）返回藥皮反應區(qū)的特點 藥皮反應區(qū)的溫度范圍從100至藥 熔滴反應區(qū)的特點（1）溫度高（2）熔滴的比表面積大（3）作用時間短（4）液體金屬與熔渣發(fā)生強烈的混合 熔滴反應區(qū)是焊接冶金反應最為激烈的部位。其中有的反應已進行得相當完全，對焊縫金屬的化學成分影響很大。返回 熔滴反應區(qū)的特點（1）溫度高 熔滴反應區(qū)熔池反應區(qū)的特點（1）平均溫度較低，反應不劇烈（2）比表面積較?。?）反應時間稍長（4）溫度分布極不均勻，反應可同時向相反的方向進行 熔池反應區(qū)的

4、反應速度比熔滴區(qū)低，且對整個化學冶金過程的貢獻比較小。返回熔池反應區(qū)的特點（1）平均溫度較低，反應不劇烈 熔三、焊接參數(shù)與焊接化學冶金的關系1.焊接參數(shù)影響焊縫熔合比 熔合比隨焊接電流增加而增加，隨電弧電壓、焊接速度的增加而減小。2.焊接參數(shù)影響冶金反應的條件(反應時間） 冶金反應進行的完全程度將隨電流的增加而減小，隨電弧電壓的增加而增大。3.焊接參數(shù)影響參加冶金反應的熔渣量 埋弧焊時，焊接電流增加，熔深加大，焊劑熔化量減小；電弧電壓增加，焊劑熔化量增加。 總之，影響焊縫金屬成分的主要因素除焊接材料外，就是焊接參數(shù)。返回三、焊接參數(shù)與焊接化學冶金的關系1.焊接參數(shù)影響焊縫熔合比 模塊二 氣相對

5、焊縫金屬的作用一、焊接區(qū)內(nèi)的氣體二、氫對金屬的作用及其控制三、氮對金屬的作用及其控制四、氧對金屬的作用及其控制返回模塊二 氣相對焊縫金屬的作用一、焊接區(qū)內(nèi)的氣體返回一、焊接區(qū)內(nèi)氣體的來源與組成1.來自于焊接材料2.來自于熱源周圍空氣3.來自于焊絲和母材表面的雜質(zhì)4.來自于高溫蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體 電弧區(qū)內(nèi)的氣體是由CO、CO2、H20、O2、H2、N2和它們分解的產(chǎn)物，以及金屬、熔渣的蒸氣所組成。在高溫下CO、CO2和H20將進一步分解。返回一、焊接區(qū)內(nèi)氣體的來源與組成1.來自于焊接材料2.來自于熱源二、氫對金屬的作用其控制1.氫在金屬中的溶解2.氫在金屬中的擴散3.氫對焊接質(zhì)量的影響4.控制氫的措

6、施返回二、氫對金屬的作用其控制1.氫在金屬中的溶解返回（1）氫的溶解方式氣體保護焊，氫以原子或質(zhì)子的形式溶入金屬；電渣焊，氫通過渣層溶入金屬；手工焊和埋弧焊，上述途徑兼而有之。返回1.氫在金屬中的溶解圖4-2 H2、N2在鐵中的溶解度與溫度的關系（2）氫的溶解度（1）氫的溶解方式返回1.氫在金屬中的溶解圖4-2 H2、2. 氫在金屬中的擴散（1）擴散氫：以H、H-、H+形式存在，與金屬形成間隙固溶體可自由擴散。返回（2）殘余氫：聚集到陷阱（晶格缺陷、顯微裂紋、非金屬夾雜）中，結合成分子，不能自由擴散。：2. 氫在金屬中的擴散（1）擴散氫：以H、H-、H+形式存在3.氫對焊接質(zhì)量的影響下一頁（1

7、）氫 脆 氫脆：氫在室溫附近使鋼的塑性嚴重下降的現(xiàn)象。 氫脆是由于溶解在晶格中的氫引起的，變形導致位錯運動堆積，形成顯微空腔，氫在空腔聚集結合成分子，產(chǎn)生很高的壓力，金屬變脆。3.氫對焊接質(zhì)量的影響下一頁（1）氫 脆 3.氫對焊接質(zhì)量的影響（2）白 點 白點：碳鋼或低合金鋼焊縫，如含氫量高，常在其拉伸或彎曲斷口出現(xiàn)銀白色圓形局部脆斷點。（3）形成氣孔（4）產(chǎn)生冷裂紋返回3.氫對焊接質(zhì)量的影響（2）白 點返回4.控制氫的措施（1）限制焊接材料中氫的來源（2）清除焊件和焊絲表面上的雜質(zhì)（3）冶金處理：（4）控制焊接參數(shù): (5) 焊后脫氫處理：使氫轉(zhuǎn)化為不溶于液態(tài)金屬的OH與HF; O來源于碳酸鹽

8、：CaCO3=CaO+CO2F來源于CaF2返回I較復雜，U增加使H減少加熱300-400，并保溫4.控制氫的措施（1）限制焊接材料中氫的來源使氫轉(zhuǎn)化為不溶于三、氮對熔池金屬的作用 焊接區(qū)周圍的空氣是氣相中氮的主要來源。1.氮在金屬中的溶解2.氮對焊接質(zhì)量的影響3.控制氮的措施返回三、氮對熔池金屬的作用 焊接區(qū)周圍的空氣是氣相中氮1.氮在金屬中的溶解（1）氮以原子形式溶入： N2=2N-711.4kJ/mol（2）氮通過NO形式溶入:O+N2 NO+N N+O2 NO+O（3）氮通過離子形式溶入:直流反接時，氮在液態(tài)金屬中溶解的最少。返回1.氮在金屬中的溶解（1）氮以原子形式溶入： N2=2N

9、-72.氮對焊接質(zhì)量的影響（1）形成氣孔（2）降低焊縫金屬的力學性能（3）時效脆化： “時效”是指金屬和合金從高溫快冷或經(jīng)過一定程度冷加工變形后，其性能隨時間改變的現(xiàn)象。經(jīng)過時效，金屬的強度有所增加，而塑性、韌性有所下降。 時效脆化與N、O的存在有關返回2.氮對焊接質(zhì)量的影響（1）形成氣孔返回3.控制氮的措施（1）加強機械保護：最有效的措施（2）合理選擇焊接參數(shù)：減小弧壓（3）控制焊絲金屬的化學成分（4）采用直流反接，減少N、H含量。返回3.控制氮的措施（1）加強機械保護：最有效的措施（2）合理選四、氧對金屬的作用及其控制1. 氧在金屬中的溶解度2. 氧對焊縫金屬的氧化3.氧對焊接質(zhì)量的影響4

10、. 控制氧的措施返回 四、氧對金屬的作用及其控制1. 氧在金屬中的溶解度返回 1. 氧在金屬中的溶解氧以氧原子和FeO兩種形式溶于液態(tài)金屬。返回溫度越高，溶解度越大；反之，溶解度急劇下降1. 氧在金屬中的溶解氧以氧原子和FeO兩種形式溶于液態(tài)金屬2.氧對焊縫金屬的氧化1.自由氧對焊縫金屬的氧化Fe+1/2O2=FeO+26.97kJ/molFe+O=FeO+515.76kJ/mol2. CO2對焊縫金屬的氧化Fe+CO2=FeO+CO3.H2O對焊縫金屬的氧化H2O= H2+1/2O2 H2O=1/2 H2+OHH2O=OH+H H2O=2H+O4.混合氣體對焊縫金屬的氧化返回2.氧對焊縫金屬

11、的氧化1.自由氧對焊縫金屬的氧化Fe+13.氧對焊接質(zhì)量的影響（1）影響焊縫金屬的力學性能（2）導致氣孔產(chǎn)生（產(chǎn)生CO氣孔）（3）燒損有益元素（4）破壞電弧穩(wěn)定性 發(fā)生在熔池尾部，產(chǎn)生氣孔發(fā)生在熔滴中，產(chǎn)生飛濺返回O+Fe=FeOFeO+C=Fe+CO3.氧對焊接質(zhì)量的影響（1）影響焊縫金屬的力學性能（2）導致4.控制氧的措施1.控制焊接材料中的氧含量2.控制焊接參數(shù):采用短弧焊3.脫氧:實際生產(chǎn)中最有效的方法返回4.控制氧的措施1.控制焊接材料中的氧含量返回模塊三 焊接熔渣 熔渣是在焊接過程中焊條藥皮或焊劑熔化后，在熔池中參與化學反應而形成覆蓋在熔池表面的熔融狀非金屬物質(zhì)。一、熔渣的作用、成

12、分和分類二、熔渣的結構理論三、熔渣的性質(zhì)四、熔渣對焊縫金屬的氧化五、焊縫金屬的脫氧返回模塊三 焊接熔渣 熔渣是在焊接過程中焊條藥皮或焊一、熔渣的作用、成分和分類1.熔渣在焊接過程中的作用（1）機械保護作用（2）改善焊條工藝性能的作用（3）冶金處理作用（4）保溫的作用下一頁一、熔渣的作用、成分和分類1.熔渣在焊接過程中的作用（1）機一、熔渣的作用、成分和分類2.熔渣的成分與分類 第一類是鹽型熔渣：主要是由金屬的氟酸鹽、氯酸鹽和不含氧的化合物構成。主要焊接活潑易氧化的金屬。 第二類是鹽氧化物型熔渣：主要由氟化物和強金屬氧化物組成。主要用于重要的合金鋼的焊接。 第三類是氧化物型熔渣：主要是由各種金屬

13、氧化物組成。主要用于低碳鋼和低合金鋼的焊接。返回一、熔渣的作用、成分和分類2.熔渣的成分與分類 第二、熔渣的結構理論1.分子理論:其要點如下（1）熔渣是由自由氧化物及其復合物的分子組成的。如：SiO2、MnO、CaO； MnO .SiO2 ; CaO .TiO2等。（2）自由氧化物及其復合物處于平衡狀態(tài)。CaO+ SiO2 CaO . SiO2（3）只有自由氧化物才能參與和金屬的反應。 關于液態(tài)熔渣的結構目前有兩種理論，即分子理論（分子模型）和離子理論（離子模型）。下一頁(FeO)+C=Fe+CO式中：（）-表示熔渣中的物質(zhì)； -表示液態(tài)金屬中的物質(zhì)二、熔渣的結構理論1.分子理論:其要點如下（

14、1）熔渣是由自由（1）熔渣是由陽離子和陰離子組成的電中性溶液（2）離子的分布、聚集和相互作用取決于它的綜合矩綜合矩=Z/r （Z-離子電荷；R-離子半徑） 綜合矩越大,對異性離子的作用力越大（3）熔渣與金屬之間相互作用的過程，是離子與原子交換電荷的過程。返回二、熔渣的結構理論2.離子理論（1）熔渣是由陽離子和陰離子組成的電中性溶液返回二、熔渣的三、熔渣的性質(zhì)下一頁1.熔渣的堿度（1）熔渣的堿度按分子理論，可用下式計算：B1=理論上： B1=1為分界線，B11為堿性熔渣， B11.3為堿性熔渣堿性氧化物物質(zhì)的量（mol）酸性氧化物物質(zhì)的量（mol）三、熔渣的性質(zhì)下一頁1.熔渣的堿度（1）熔渣的堿

15、度按分子理論三、熔渣的性質(zhì)下一頁按離子理論，可用下式計算： n B2= aiMi i=1 離子理論計算熔渣的堿度：離子理論把液態(tài)熔渣中自由氧離子的濃度或氧離子活度定義為堿度。渣中自由氧離子的濃度越大，堿度越大。式中：Mi-渣中第i種氧化物物質(zhì)的量 ai-渣中第i種氧化物的堿度系數(shù)當B20時為堿性； B20時為酸性； B2=0時為中性三、熔渣的性質(zhì)下一頁按離子理論，可用下式計算： 三、熔渣的性質(zhì)2.熔渣的粘度 熔渣的粘度越大，其流動性越差。（1）溫度對黏度的影響下一頁（2）成分對黏度的影響 SiO2增加熔渣的粘度, i2、CaF2減小熔渣的粘度長渣：隨溫度降低粘度增加緩慢的熔渣，叫做長渣。 一般

16、只用于平焊。短渣：而隨溫度降低粘度迅速增加的，叫短渣。 可用于立焊、仰焊等。三、熔渣的性質(zhì)2.熔渣的粘度 熔渣的粘度越大，其流動三、熔渣的性質(zhì)3.熔渣的熔點 熔渣開始熔化的溫度就是熔渣的熔點。 藥皮開始熔化的溫度是造渣溫度。 一般造渣溫度比熔渣熔點高100200；焊接熔渣的熔點比焊縫金屬的熔點低200450。下一頁三、熔渣的性質(zhì)3.熔渣的熔點 熔渣開始熔化的溫度就5.密度 要求熔渣的密度必須低于焊縫金屬的密度。4.表面張力 熔渣的表面張力越小，則熔滴越細小，則熔滴的比表面積越大，因此有利于提高冶金反應的速度。6.線膨脹系數(shù) 熔渣的線膨脹系數(shù)主要影響脫渣性。熔渣與焊縫金屬的線膨脹系數(shù)差值越大，脫

17、渣性越好。返回三、熔渣的性質(zhì)5.密度4.表面張力6.線膨脹系數(shù) 熔渣的線膨脹系四、焊渣對焊縫金屬的氧化1.擴散氧化 FeO由熔渣向焊縫金屬擴散而使焊縫增氧的過程叫做擴散氧化。即（FeO）FeO FeO既溶于渣又溶于液態(tài)金屬鐵，上式是可逆的，服從化學平衡原則。當過程達到平衡時，則有：L=（ FeO ）/FeO下一頁四、焊渣對焊縫金屬的氧化1.擴散氧化 FeO由熔四、焊渣對焊縫金屬的氧化 L叫做分配常數(shù).其物理意義是：在一定溫度下，F(xiàn)eO在熔渣與熔池中的溶解度可隨FeO的總量而變化，但達到平衡時，兩相中的FeO濃度的比值是定值。L與溫度有關：溫度升高，L減小L與熔渣的酸堿性有關：堿性熔渣中L酸性熔

18、渣L在FeO量相同時，堿性渣中焊縫的含氧量比酸性渣大下一頁四、焊渣對焊縫金屬的氧化 L叫做分配常數(shù).其物理 焊縫金屬與熔渣中容易分解的氧化物發(fā)生置換反應而被氧化的過程，叫做置換氧化。(SiO2)+2Fe=Si+2FeO (MnO)+Fe=Mn+FeO返回四、焊渣對焊縫金屬的氧化2.置換氧化 焊縫金屬與熔渣中容易分解的氧化物發(fā)生置換反應而常用的脫氧劑有鋁、鈦、硅、錳等。脫氧劑應滿足下列要求：（1）脫氧劑在焊接溫度下對氧的親和力應大于被焊金屬的親和力。（2）脫氧產(chǎn)物不溶于液態(tài)金屬中，并且它們的密度應比液體金屬小。（3）脫氧劑本身應對焊縫金屬的性能及焊接工藝的影響（4）滿足技術要求的前提下，注意降低

19、成本。下一頁五、焊縫金屬的脫氧常用的脫氧劑有鋁、鈦、硅、錳等。脫氧劑應滿足下列要求：下一頁五、焊縫金屬的脫氧1.先期脫氧：2.沉淀脫氧：3.擴散脫氧：返回發(fā)生在藥皮反應階段。是置換氧化的逆反應是擴散氧化的逆過程五、焊縫金屬的脫氧返回發(fā)生在藥皮反應階段。是置換氧化的逆反應五、焊縫金屬的脫氧返回1.先期脫氧脫氧的效果：取決于脫氧劑對氧的親和能力特點：脫氧過程和脫氧產(chǎn)物與熔滴不發(fā)生直接關系發(fā)生部位：脫氧主要發(fā)生在焊條端部反應區(qū)五、焊縫金屬的脫氧返回1.先期脫氧脫氧的效果：取決于脫氧劑對錳的脫氧Mn+FeO=Fe+(MnO) 結論：錳在酸性熔渣中的脫氧效果較好，而在堿性熔渣中則不理想。下一頁 在酸性渣

20、中，（ MnO)與(SiO2)作用，生成MnO. SiO2,促進脫氧過程的進行。 在堿性渣中，由于自由的酸性氧化物 (SiO2）和（TiO2)很少，因此MnO以自由的形式存在，抑制了脫氧反應的進行。2.沉淀脫氧錳的脫氧 結論：錳在酸性熔渣中的脫氧效果較好，而 “聯(lián)合脫氧”的脫氧產(chǎn)物相互作用而形成熔點低、密度小的復合物，對消除夾雜是很有利的。焊接低碳鋼時常采用硅錳聯(lián)合脫氧。硅錳聯(lián)合脫氧 在堿性渣中，SiO2容易與堿性氧化物形成復合鹽，易使反應向右進行。故硅在堿性氧化物中的脫氧效果好。Si+2FeO=2Fe+(SiO2)硅的脫氧 單獨用錳、硅脫氧，效果不好 在酸性渣中，由于自由的堿性氧化物 (Ca

21、O）和（MnO)很少，因此SiO2以自由的形式存在，抑制了脫氧反應的進行。返回 “聯(lián)合脫氧”的脫氧產(chǎn)物相互作用而形成熔點低、密度3.擴散脫氧擴散脫氧是擴散氧化的逆過程。FeO (FeO) 為使擴散脫氧順利進行，關鍵是要不斷減少熔池中FeO的濃度。 如果渣中有強酸性氧化物SiO2、TiO2等，它們與FeO反應如下：(SiO2)+(FeO)=(FeOSiO2) (TiO2)+(FeO)=(FeOTiO2)可見，酸性熔渣更有利于進行擴散脫氧。返回3.擴散脫氧擴散脫氧是擴散氧化的逆過程。FeO (Fe模塊四 焊縫金屬的硫、磷的控制一、焊縫金屬中硫的危害及控制二、焊縫金屬中磷的危害及控制返回模塊四 焊縫

22、金屬的硫、磷的控制一、焊縫金屬中硫的危害及控制二一、焊縫金屬中硫的危害性及控制1.硫的存在形式 硫通常以兩種形式存在于焊縫中，即MnS、FeS,有Ni存在時，也會以NiS的形式存在。2.硫的危害易產(chǎn)生結晶裂紋、降低沖擊韌性和抗蝕性等 綜上所述，應盡量減小焊縫中的含硫量。在低碳鋼中，控制含硫量s0.035%，合金鋼s0.025%;不銹鋼s0.02%;下一頁一、焊縫金屬中硫的危害性及控制1.硫的存在形式 3. 硫的控制（1）限制焊接材料中的含硫量（2）用冶金方法脫硫錳脫硫: FeS+Mn=（MnS）+Fe堿性氧化物脫硫FeS+(MnO)=（MnS）+FeO FeS+(CaO)=（CaS）+FeO使

23、焊縫增氧結論:堿性熔渣脫S效果好返回3. 硫的控制（1）限制焊接材料中的含硫量（2）用冶金方法脫二、焊縫金屬中磷的危害性及控制1.磷的存在形式和危害 磷在液態(tài)鐵中主要以Fe2P和Fe3P的形式存在，它們與鐵、鎳形成低熔點共晶，使沖擊韌度和低溫韌性下降，脆性嚴重，即磷易造成冷脆性，導致冷裂紋的形成。 P在固態(tài)鋼中的溶解度很小，它的存在嚴重降低焊縫金屬的沖擊韌度，并使其脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。 在焊接時應嚴格控制含磷量，低碳鋼和低合金鋼中 P0.045%，高合金鋼焊縫要求P0.035%。 磷還有有益的一面。它可以提高鋼的耐大氣、耐腐蝕性能，改善鋼的切削加工性能，增加金屬流動性。下一頁二、焊縫金屬中磷的危

24、害性及控制1.磷的存在形式和危害 2.控制磷的措施（1）限制磷的來源（2）冶金方法脫磷 磷對氧的親和力比鐵大，當熔渣中存在適量的CaO 和FeO時，既可使磷氧化，又可使反應產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的復合化合物進入熔渣，達到脫磷目的。 第一步:2Fe3P+5FeO=11Fe+P2O5第二步:P2O5+3（CaO）=（CaO）3P2O5P2O5+4（CaO）=（CaO）4P2O5返回2.控制磷的措施（1）限制磷的來源（2）冶金方法脫磷 模塊五 焊縫金屬的合金化 在熔焊時要獲得預期的焊縫成分，需要通過焊接材料過渡一定的合金元素到焊縫金屬中，這個過程就是焊縫金屬的合金化。一、焊縫金屬合金化的目的二、焊縫金屬合金

25、化的方式三、合金元素的過渡系數(shù)及影響因素返 回模塊五 焊縫金屬的合金化 在熔焊時要獲得預期的焊縫成一、焊縫金屬合金化的目的 1.補償焊接中因氧化和蒸發(fā)所引起的合金元素的損失 2.消除某些焊接工藝缺陷，改善焊縫金屬的組織及力學性能。3.獲得具有特殊性能的堆焊層。返 回一、焊縫金屬合金化的目的 1.補償焊接中因氧化和蒸發(fā)所引二、焊縫金屬合金化的方式1.采用合金焊絲或帶狀電極2.應用藥芯焊絲或藥芯焊條3.采用合金藥皮或粘結焊劑4.采用合金粉末返 回二、焊縫金屬合金化的方式1.采用合金焊絲或帶狀電極2.應用藥三、合金元素的過渡系數(shù)及影響因素1.合金元素的過渡系數(shù) 所謂過渡系數(shù)，就是指焊接材料中的合金元素過渡到焊縫金屬中的數(shù)量與其原始含量的百分比，用符號x表示，其表達式為： x =xd/x0100%xd熔敷金屬中元素x的實際含量，即由焊接材料過渡到焊縫金屬中的合