焊接化學冶金

焊接化學冶金1第1頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)焊接化學冶金過程特點第二節(jié)氣相與金屬的作用第三節(jié)熔渣與金屬的作用

第四節(jié)合金過渡第一章--焊接化學冶金2第2頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一重點內(nèi)容1、焊接化學冶金過程特點2、熔敷速度、熔合比3、氣相對金屬的作用（H）4、焊接化學冶金的一般規(guī)律5、熔渣的作用性質(zhì)6、合金過渡問題3第3頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一焊接化學冶金過程：熔化焊時，焊接區(qū)內(nèi)各種物質(zhì)之間在高溫下相互作用的過程。要點：各種物質(zhì)包括氣體、液態(tài)金屬、熔渣。§1-1

焊接化學冶金過程特點4第4頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一普通化學冶金過程和焊接化學冶金過程對比

普通化學冶金過程是對金屬熔煉加工過程，在放牧特定的爐中進行。焊接化學冶金過程是金屬在焊接條件下，再熔煉的過程，焊接時焊縫相當高爐。二者共同點：金屬冶煉加工。5第5頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一不同點：1）原材料不同

普冶材料：礦石、焦炭、廢鋼鐵等。焊金材料：焊條、焊絲、焊劑等。

2）目的不同

普冶：提煉金屬；焊冶：對金屬再熔煉，以滿足構(gòu)件性能6第6頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一一、焊條熔化及熔池的形成

（一）焊條的加熱及熔化

1、焊條的加熱電阻熱：焊接電流通過焊芯時產(chǎn)生的電阻熱。電弧熱：焊接電弧傳給焊條端部的熱量。化學反應(yīng)熱：藥皮部分化學物質(zhì)化學反應(yīng)時產(chǎn)生的熱量。7第7頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一

2、焊條金屬的熔化速度

焊條金屬的平均熔化速度gM=G/t=αpIαp為焊條熔化系數(shù) gM焊條金屬的平均熔敷速度gD=GD/t=αHIgD為焊條的平均熔敷速度

損失系數(shù)Ψ=(G-GD)/G=(gM-gD)/gD=1-αH/αPαH=(1-Ψ)αP8第8頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一3、焊條金屬熔滴及過渡特性熔滴過渡形式

短路過渡、顆粒過渡、附壁過渡、射流過渡、旋轉(zhuǎn)射流過渡。堿性焊條：短路過渡和大顆粒過渡；酸性焊條：細顆粒過渡和附壁過渡。

9第9頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一10第10頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一2)熔滴的比表面積和作用時間熔滴的比表面積S：熔熵的表面積與其質(zhì)量之比。S=Ag/ρVg=4ДR2/(4/3ДR3ρ)=3/RρI↑,R↓,S↑，利于冶金反應(yīng)進行。熔滴的平均作用時間是指熔滴的平均質(zhì)量與一個周期內(nèi)焊芯的平均熔化速度之比。11第11頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一3)熔滴的溫度

實測手工電弧焊碳鋼焊條：2100-2700K，熔渣平均溫度：1600C0

12第12頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一（二）熔池的形成1、熔池的形狀和尺寸

熔池為半橢球，幾何尺寸為L=P2IU其中，P2是比例系數(shù)，取決于焊接方法和規(guī)范。I是焊接電流，U是焊接電壓，上式適用于點狀熱源。13第13頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一14第14頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一

2、熔池質(zhì)量和存在時間

tmax=L/v

tcp=Gp/ρvAw

AW焊縫的橫截面積

3、熔池溫度熔池中部溫度最高，頭部次之，其次是尾部。15第15頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一16第16頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一1）液態(tài)金屬密度差引起自由對流運動2）表面張力差強迫對流運動3）熔池中各種機械力攪拌4）對焊接質(zhì)量的影響4、熔池運動狀態(tài)

17第17頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一二、焊接過程中對熔融金屬的保護

1、氣渣聯(lián)合保護2、渣保護3、氣保護4、真空保護5、自保護保護方式

18第18頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一三、焊接化學冶金反應(yīng)區(qū)及反應(yīng)條件

1、藥皮反應(yīng)區(qū)：指焊條受熱后，直到焊條藥皮熔點前發(fā)生的一些反應(yīng)。焊接方法不同，冶金反應(yīng)階段也不同。以手工電弧焊為例，加以討論1)水分蒸發(fā)2)某些物質(zhì)分解3)鐵合金氧化19第19頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一20第20頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一2）、熔滴反應(yīng)區(qū)

指熔滴形成.長大.脫離焊條.過渡到熔池之前特點:

１).溫度高２).與氣體.熔渣的接觸面積大３).時間短速度快４).熔渣和熔滴金屬進行強烈的攪拌,混合.21第21頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一3、熔池反應(yīng)區(qū)

1）、熔池T1600～1900℃低于熔滴T比表面積2)、接觸面積小3～1303）、時間長手工焊3～8秒埋弧焊6—25s4）、攪拌沒有熔滴階段激烈5）、熔池溫度不均勻的突出特點

熔池前斗部分發(fā)生金屬熔化和氣體的吸收,利于吸熱反應(yīng)熔池后斗部分發(fā)生金屬凝固和氣體的析出,利于放熱反應(yīng)

22第22頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一四、焊接工藝條件與化學冶金反應(yīng)的關(guān)系

（一）、熔合比的影響焊接規(guī)范：焊接金屬（焊條、焊絲）和局部熔化的母材組成。

熔合比：焊縫金屬中，局部熔化的母材所占的比例。①=②：熔合比F1：熔化母材的面積F2：填充金屬的面積23第23頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一①焊接電流I的變化冶金反應(yīng)不充分（二）、（化學反應(yīng)條件的影響）熔 滴過渡特性的影響

②焊接電壓V的變化U弧長冶金反應(yīng)充分本節(jié)結(jié)束24第24頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一§1-2氣相與金屬的作用一、焊接區(qū)內(nèi)的氣體

（一）氣體的來源和產(chǎn)生來源：1.焊接材料

2.氣體介質(zhì)

3.焊絲和母材表面上的油銹等雜質(zhì)。

4.金屬和熔渣的蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體

成分： 金屬及熔渣蒸氣25第25頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一26第26頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一二、氮與金屬作用

來源：主要是焊接區(qū)周圍的空氣。氮與金屬作用有兩種情況。

1、不與氮發(fā)生作用的金屬，即不能熔解氮又不形成氮化物，可用N作為保護氣體。

2、與氮發(fā)生作用的金屬，即能溶解氮又能形成氮化物，這種情況下就要防止焊縫金屬的氮化。27第27頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一(一)氮在金屬中的溶解

1）原子形式溶于液態(tài)金屬

2）以NO形式溶入

3）以氮離子形式溶入（二）氮對焊接質(zhì)量的影響

1)時效脆化2)氣孔3)有利一面：可作為合金元素加入鋼中，一般指高合金鋼。28第28頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一29第29頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一（三）影響焊縫含氮量的因素及控制措施

1）、機械保護：氣一渣保護、渣保護、氣體保護、抽真空。對于適渣型焊條：保護效果取決于藥皮的數(shù)量及成分2）、焊接工藝規(guī)范影響：3）、焊絲成分的影響：增加焊絲或藥皮中的含碳量可降低焊縫中的含氮量d30第30頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一三、氫對金屬的作用

（一）、氫在金屬中的溶解

1、來源：焊條藥皮、焊劑、焊絲藥芯中水分，藥皮中有機物為、焊件表面雜質(zhì)（銹、油）空氣中水分第一類能形成穩(wěn)定氫化物金屬第二類不形成穩(wěn)定氫化物的金屬

31第31頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一2、氫的溶解機構(gòu)

焊接區(qū)為氫可以處于分子、原子和離子狀態(tài)1).氫以原子形式溶入2).以溶入3).以溶入32第32頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一3、[Ｈ]的影響因素氫與金屬作用的特點，把金屬分為兩類①與氫形成穩(wěn)定氫化物的金屬

②不與氫形成穩(wěn)定氫化物的金屬③合金元素的影響：氫在鐵中溶解度受合金元素影響33第33頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一（二）、焊縫金屬中的氫及其擴散

1.存在形式

①擴散氫：氫以原子或質(zhì)子形式存在的并可在金屬晶格中自由擴散。②殘余氫（剩余氫）：氫原子擴散聚集到金屬的晶格缺陷，顯微裂紋和非金屬夾雜物的邊緣空隙中，結(jié)合成分子不能自由擴散?？偤瑲淞?擴散氫＋剩余氫34第34頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一２.氫在焊縫中分布

（1）氫沿長度方向的分布基本均勻但火口處含氫量較高。（2）氫沿焊接接頭橫斷面的分布（3）母材與焊縫的匹配

35第35頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一（三）、氫對焊接質(zhì)量的影響

暫態(tài)現(xiàn)象：脆化、白點、經(jīng)時效、熱處理可消除永久現(xiàn)象：氣孔、改變組織、顯微斑點、冷裂紋、不可消除

1)、氫脆氫在室溫附近，氫溶解在金屬晶格中，引起鋼的塑性嚴重下降現(xiàn)象36第36頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一2)、白點

肉眼可見，直徑0.5～3mm中心處有氣孔或小的夾渣，外圍有塑性裂斷的痕跡，象魚眼似的也稱“魚眼”.

產(chǎn)生原因：白點是在塑性變形階段產(chǎn)生的?！罢T捕理論”解釋：焊縫中的氣孔及非金屬夾雜物邊緣的空隙,好象“陷阱”一樣.捕捉氫原子，并在其中結(jié)合成氫分子,在拉伸試驗中“陷阱”中的氫分子被吸附.由于塑性變形新產(chǎn)生的微裂紋表面上,分解成原子氫,原子氫擴散到微裂紋金屬晶格內(nèi),引起金屬脆化。

37第37頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一3)、氣孔

4)、組織變化和顯微斑點焊縫金屬A—M時，由于氫在A有較大的溶解度，當含氫量高的焊縫自A化，溫度冷卻時，引起局部A過冷殘余A增加，殘余A—M時，富氫的組織內(nèi)產(chǎn)生大的內(nèi)應(yīng)力，造成顯微裂紋

5)、產(chǎn)生冷裂紋38第38頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一（四）控制氫的措施

1)、限制焊接材料的含氫量，藥皮成分2)、嚴格清理工件及焊絲：去銹、油污、吸附水分3)、冶金處理4)、調(diào)整焊接規(guī)范5)、焊后脫氫處理

39第39頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一四、氧對金屬的作用

（一）氧在金屬中的溶解

1).以原子氧形式溶解2).以FeO形式溶解

（二）金屬被氧化的途徑

氣相中氧化氣體與金屬相互作用1).自由氧對金屬的氧化

2).CO2對金屬的氧化

3).H2O氣對金屬的氧化

4).混合氣體對金屬的氧化

40第40頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一（三）氧對焊接質(zhì)量的影響

1).機械性能下降2).化學性能變差

3).產(chǎn)生氣孔CO合金元素燒損4).工藝性能變差

（四）防止措施一防二脫

本節(jié)結(jié)束41第41頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一§1-3熔渣與金屬的作用

熔渣：電焊條藥皮，焊劑溶化形成的金屬及非金屬氧化物及復合物。

一、焊接熔渣（一）熔渣的作用、成分及分類

1.熔渣的作用

1).機械保護作用

2).冶金處理作用

3).改善工藝性能

42第42頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一2.熔渣的成分和分類

1).熔渣成分：大體由氧化物、氯化物、氟化物、硼酸鹽類組成是多種化學組成的復雜體系。

2).熔渣分為三類第一類氧化物型第二類鹽—氧化物型第三類鹽型

43第43頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一（二）熔渣結(jié)構(gòu)理論

液態(tài)熔渣的結(jié)構(gòu)有兩種理論：

分子理論和離子理論分子理論可簡明的定性為解釋熔渣與金屬之間的冶金反應(yīng),但不能解釋一些重要現(xiàn)象，如導電性、電解等。44第44頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一1.分子理論：1).液態(tài)熔渣由自由氧化物及其復合物的分子組成2).氧化物之間成鹽反應(yīng)服從質(zhì)量作用定律

當T↑k↓自由氧化物↑濃度復合物濃度↓熔渣活性↑T↓k↑自由氧化物濃度↓復合物濃度↑熔渣活性↓45第45頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一3).只有自由氧化物才能與金屬作用4).各氧化物之間的化學親和力可近似用生成復合物時的熱效應(yīng)來衡量46第46頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一5).液態(tài)熔渣是理想的熔體---服從理想溶液定律分子理論可簡明的定性解釋熔渣與金屬之間的冶金反應(yīng),但不能解釋一些重要現(xiàn)象，如導電性、電解等。47第47頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一2.離子理論：

1).熔滴是由簡單和復雜的離子組成的中性溶液負電性大的元素以負離子形式存在負電性小的元素以正離子形式存在堿性渣中少，氧以自由氧離子形式存在酸性渣中SiO2多，形式復雜的離子.之間形成離子團，極性鍵結(jié)合.48第48頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一2).離子的分布，聚集和相互作用取決于它的綜合矩

綜合矩=Z/rr=其子Z—離子電荷（靜電單位）r—離子半徑離子綜合矩越大，靜電場愈強，與其它離子作用力愈大綜合矩如綜合矩最大４７負離子綜合矩最大７.３二者可結(jié)合成或更復雜的離子當Ｚ↑綜合矩↑r↓綜合矩↑49第49頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一鹽型簡單結(jié)構(gòu)均勻溶液，氧化型熔渣具有復雜網(wǎng)狀，結(jié)構(gòu)的化學成分更不均勻的離子溶液，鹽—氧化物型比較復雜的化學成分微觀不均的離子溶液。

3).液態(tài)熔渣與金屬之間相互作用的過程是原子與離子交換電荷的過程離子理論分子理論由于離子交換電荷、運動、形成電流.50第50頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一（三）熔渣的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)的關(guān)系1.熔渣的堿度分子理論認為熔渣中的氧化物按其性質(zhì)可分為三類

1).酸性氧化物SiO2TiO2P2O52).堿性氧化物K2ONa2OCaOMgOBaOMnOFeO3).中性氧化物Al2O3Fe2O3Cr2O351第51頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一根據(jù)分子理論堿度的定義為：B=Σ(R2O+RO)/ΣRO2R2O、RO—熔渣中堿性氧化物的摩爾分數(shù) RO2—熔渣中酸性氧化物的摩爾分數(shù)堿度B的倒數(shù)稱為酸度B1＞1堿B1＞1.3堿B1＜1酸B1＝1中52第52頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一離子理論對堿度定義液態(tài)熔渣中自由氧離子的濃度定義為堿度.B2=∑aiMiMi-渣中第i種氧化物的摩爾分數(shù);ai-渣中第i種氧化物的堿度系數(shù);B2＞0堿B2＜0酸B2=0中53第53頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一式中CaO、MgO、CaF2、SiO2等以質(zhì)量百分數(shù)計B1＞1堿B1＜1酸B1＝1中54第54頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一2.熔渣的粘度(1)溫度對粘度的影響長渣:T↑η↓短渣:↓η↑↑(2)熔渣成分對粘度的影響CaF2CaOSiO255第55頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一3.熔渣的表面張力實際氣相與熔渣間的界面張力.鍵能越大表面張力越大.金屬鍵:K2ONa2OCaOMgOBaOMnOFeO共價鍵:SiO2TiO2P2O556第56頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一4.熔渣的熔點藥皮熔點:藥皮熔化溫度熔渣熔點:固態(tài)熔渣熔化溫度焊接鋼的熔點在1150-1350℃57第57頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一二、活性熔渣對焊縫金屬的氧化（一）擴散氧化L=(FeO)/[FeO]T↑L↓飽和SiO2lgL=4906/T-1.877飽和CaO

lgL=5014/T-1.98058第58頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一（二）置換氧化(SiO2)+2[Fe]＝[Si]+2FeOT↑反應(yīng)向右進行l(wèi)gKSi=(FeO)2[Si]/(SiO2)=-13460/T+6.04(MnO)+[Fe]=[Mn]+FeOlgKMn=(FeO)[Mn]/(MnO)=-6600/T+3.1659第59頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一AF=[SiO2+042B12(MnO)]/100B1AF＞0.6高活性AF=0.3~0.1低活性AF=0.6-0.3活性能AF

≤0.1惰性60第60頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一三、焊縫金屬的脫氧（一）脫氧的目的和選擇脫氧的原則（二）先期脫氧藥皮反應(yīng)區(qū)Fe2O3+Mn=MnO+2FeO

CaCO3+Mn=CaO+CO+MnO61第61頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一（三）沉淀脫氧1Mn的脫氧[Mn]+[FeO]=[Fe]+(MnO)K=aMnO/aMn.aFeO=γMnO.(MnO)/aMn.aFeO62第62頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一2Si的脫氧[Si]+2[FeO]＝(SiO2)+2[Fe]3Si/Mn聯(lián)合脫氧63第63頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一（四）擴散脫氧L=(FeO)/[FeO]T↑L↓64第64頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一四、焊縫金屬中硫和磷的控制（一）焊縫中硫的危害及控制

1.硫的危害

2.控制硫的措施（1）限制焊接材料中含硫量（2）用冶金方法脫硫65第65頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一堿性焊條脫硫(CaO)＋[FeS]＝(CaS)＋(FeO)(MnO)＋[FeS]＝(MnS)＋(FeO)脫硫劑：堿性氧化物、錳脫硫[Mn]+[Fes]=(MnO)+[Fe]LgK=8220/T-1.86T↓K↑有利于脫硫(MgO)＋[FeS]＝(MgS)＋(FeO)66第66頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一（二）焊縫中磷的危害及控制1.磷的危害2.控制磷的措施（1）限制焊接材料中含磷量（2）脫硫反應(yīng)

a）.FeO將磷氧化生成P2O5b）.使之與渣中的堿性氧化物生成穩(wěn)定的磷酸鹽2[Fe3P]+5(FeO)+3(CaO)=(CaO)3.P2O3+11[Fe]2[Fe3P]+5(FeO)+4(CaO)=(CaO)4.P2O3+11[Fe]67第67頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一§1-4合金過渡一、合金過渡的目的及方式（一）目的:補嘗;改善;特殊性能（二）方式：1.應(yīng)用合金焊絲或帶極

2.應(yīng)用藥芯焊絲或藥芯焊條

3.應(yīng)用合金藥皮或粘結(jié)焊劑

4.應(yīng)用合金粉未68第68頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一二、合金過渡過程的理論分析（一）合金劑過渡的方式合金→渣-液→渣-液界面→液態(tài)金屬中溶解→擴散→攪拌均勻.(二）在合金過渡過程中各階段的作用Kb≤0.4熔滴過渡為主Kb＞0.4熔池過渡為主69第69頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一70第70頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一（三）合金過渡時的物質(zhì)平衡Md=M0-(Msl+Mxo)Md-過渡到熔敷的合金量;M0-原始加入量Msl-殘留損失Mxo-氧化損失71第71頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一三、合金過渡系數(shù)用及其影響因素（一）合金過渡系數(shù)式中Cd---合金元素在熔敷金屬中含量 Ce---合金元素原始含量 Cco---合金元素在藥皮中的含量 Ccw---在焊芯中的含量72第72頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一（二）影響過渡系數(shù)的因素

1.合金元素的物化性質(zhì)Cu、Ni、Co、Fe、W、Mo、Cr、Mn、V、Si、Ti、Zr、Al

在1600℃各種合金元素對氧的親和力由左到右增強

2.合金元素的含量 合金元素的含量↑η↑,但增加一定時,趨于定值.

3.合金劑的粒度

4.藥皮的成分藥皮或焊劑的氧化勢↑η↓合金元素與其氧化物共存時,η↑合金元素與其氧化物與渣的酸堿性相同時,η↑ 5.藥皮重量系數(shù)Kb↑η↓73第73頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一本章小結(jié) 本章以手工電弧焊焊接低碳鋼和低合金鋼的冶金問題