第一章--焊接化学冶金

第一章焊接化学冶金1主要内容第一节焊接化学冶金过程的特点第二节气相对金属的作用第三节熔渣对金属的作用第四节合金过渡2•焊接化学冶金的概念–在熔焊过程中，焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程•研究目的–运用这些规律合理地选择焊接材料，控制焊缝金属的成分和性能使之符合使用要求，设计创造新的焊接材料3第一节焊接化学冶金过程的特点一、焊条熔化及熔池形成（一）焊条的加热及熔化1.加热方式①电阻加热：使焊芯发热，应加以控制②电弧加热：用约20~30%的电弧功率加热焊材–焊条端部药皮表面的温度可达600℃左右，冶金反应–焊接结束时，焊芯温度不超过600~650℃2.焊条金属的熔化①焊条金属的熔化速度4a.焊条金属的平均熔化速度gM=G/t=αPIgM——焊条金属的平均熔化速度（g/h）G——焊芯熔化量（g）t——电弧燃烧的时间（h）I——焊接电流（A）αP——焊条的熔化系数（g/(A•h)b.焊条金属的平均熔敷速度gD=GD/t=αHIgD——焊条金属的平均熔敷速度（g/h）GD——熔敷到焊缝金属中的金属质量（g）αH——焊条的熔敷系数（g/(A•h)），真正反映焊接生产率的指标c.损失系数：飞溅、氧化、蒸发Ψ=(G–GD)/G=1-αH/αP5②焊条金属的瞬时熔化速度③焊条熔滴的过渡特性熔滴：在电弧热的作用下，焊条端部熔化形成的滴状液态金属称为熔滴。熔滴过渡：当熔滴长大到一定尺寸时，在各种力的作用下脱离焊条，以滴状的形式过渡到熔池中去，然后周而复始。熔滴过渡特性对焊接过程的影响：焊接过程的稳定性、焊接冶金、焊缝成形–a.短路过渡：电弧空间＜熔滴滴落长度–b.颗粒过渡：重力+电磁斥力表面张力–c.射流过渡：电流增大时–d.旋转射流过渡：电流进一步增大时–e.附（渣）壁过渡：埋弧焊时6④熔滴的比表面积R—熔滴半径R减小，熔滴细化，可增大比表面积，有利于加强冶金反应（增大焊接电流、药皮加表面活性物质等）S相当大，可达103~104cm2/kg。R3R34R4)(V32g质量表面积gAS7⑤熔滴的相互作用时间（平均作用时间）mcp—熔滴平均质量；gcp—平均熔化速度；m0—熔滴脱落后残留在焊条端部的液态金属质量；mtr—单滴质量；τ—熔滴长大时间。τcp在0.01~1.0S内变化)21(0trcpcpcpmmgm8⑥熔滴的温度–平均温度为1800~2400℃（手工电弧焊接低碳钢）–随焊接电流的增加而升高，随焊丝直径的增加而降低9熔渣的过渡•以薄膜的形式包在熔滴外面或夹在熔滴内同熔滴一起落入熔池•直接从焊条端部流入熔池或以滴状落入熔池（药皮厚度大时）•熔渣的平均温度不超过1600℃10（二）焊接熔池的形成1.熔池的概念–母材上由熔化的焊条金属与局部熔化的母材所组成的具有一定几何形状的液体金属。–经过一定的过渡时期后，熔池进入准稳定期，形状、尺寸、质量不再变化，仅与母材的种类、焊接工艺参数有关，并随热源作同步运动。2.熔池的形状–不标准的半椭球–其轮廓为温度等于母材熔点的等温面图1-3焊接熔池形状示意图113.熔池的参数①最大深度：Hmax②最大宽度：Bmax③长度：L=P2q=P2IU（P2为与焊接方法及电流相关的变量，mm/kw）④最大横截面积：FM=K1E（K1为与温度相关的参数，E为线能量）maxmaxmaxmaxB,H,U;B,H,I}一般12⑤熔池质量–手工电弧焊：0.6-16g，多数情况下小于5g–埋弧焊：＜100g⑥熔池表面积：1-4cm2⑦熔池的比表面积：（0.3~13）×10-3m2/kg，远小于熔滴的比表面积⑧熔池存在时间：t=L/ν（ν—焊接速度），几秒到几十秒之间，熔池中各种物化反应的时间短暂，但比熔滴阶段长⑨熔池温度：1770±100℃134.熔池中液态金属的运动–①熔池中发生运动的原因首先是温度分布不均匀性所造成的自由对流运动，液体从高温区流向低温区–②由于表面张力差造成的对流，液体从高温区流向低温区–③各种机械力的搅拌作用（如气流吹力，电磁力，离子冲击力，熔滴冲击力等）14二、焊接过程中对金属的保护•焊接化学冶金的任务–①对焊接区实施保护，免受空气侵害–②熔化金属，冶金处理，获得所要求的焊缝成型和性能151.光焊丝焊接时–[N]增加20~45倍，[O]增加7~35倍，[Mn]、[C]蒸发、氧化损失–产生气孔，导致塑性韧性下降，不实用2.保护方法–药皮、焊剂、药芯、保护气体、自保护等3.保护效率–与保护方法相关，一般惰性气体保护效果较好16三、焊接冶金学反应区及其反应条件（以手工电弧焊为例）17（一）药皮反应区1.产生的气体①100~1200℃：水分蒸发、某些物质的分解、铁合金的氧化–a.100℃吸附水分蒸发–b.200~400℃排除结晶水–c.400℃排除化合水②有机物的分解和燃烧：产生CO2、CO、H2③碳酸盐的分解（大理石CaCO3、菱苦土MgCO3）：产生CO2④高价氧化物分解（赤铁矿Fe2O3、锰矿MnO2）：产生O2182.产生的气体对熔化金属有机械保护作用3.产生的气体对铁合金（Mn-Fe、Si-Fe、Ti-Fe）有很大的氧化作用①在温度大于600℃的条件下：–2Mn+O2=2MnO–Mn+CO2=MnO+CO–Mn+H2O=MnO+H2②结果使气相的氧化性大大降低，达到“先期脱氧”的作用4.产生熔渣19（二）熔滴反应区1.特点–①熔滴温度高：1800~2400℃，过热度很大，达到300～900℃；最高温度约2800℃，接近钢的沸点–②熔滴比表面积大，103~104cm2/kg：一般比炼钢时大1000倍–③反应接触时间短：熔滴存在时间短，内部又存在流动–④熔滴金属与熔渣发生强烈的混合：熔滴内包含着熔渣质点，尺寸可达50μm，相互接触面积大，反应物与产物充分交流，反应速度加快总之，熔滴反应区反应时间较短，但温度高，相互接触面积大，反应最为激烈，对焊缝的影响最大202.主要冶金反应–气体的分解和溶解–金属的氧化、还原–焊缝金属的合金化–金属蒸发–反应时间短，一般小于1秒，不利于冶金反应达到平衡状态21（三）熔池反应区熔滴和熔渣落入熔池后，各相进一步发生物化反应，直至金属凝固，形成焊缝金属。1.熔池反应区的物理条件–①熔滴金属和部分熔渣与熔化的母材充分混合–②熔池的平均温度较低（1600~1900℃）–③比表面积小（3~130cm2/kg）–④时间从几秒到几十秒–⑤温度分布不均（在熔池头部的反应可能与尾部不一样），例如在熔池的前部发生金属的熔化、气体的吸收，并有利于发展吸热反应；而在熔池的后部却发生金属的凝固、气体的逸出，并有利于发展放热反应。–此外，熔池中的强烈运动，有助于加快反应速度，并为气体和非金属夹杂物的外逸创造了有利条件。222.熔池反应区的化学条件①熔池反应体系中各相浓度接近平衡浓度，反应速度小②熔池反应物质处在连续更新过程中，且维持准稳定状态3.熔池反应区物化反应的特点①熔池阶段的反应速度比熔滴阶段小，并且在整个反应过程中的贡献也较小②主要化学冶金反应同熔滴阶段，但程度和方向有可能改变③反应时间长，对流和搅拌现象的存在利于熔池成分的均匀化和冶金反应的进行，对焊缝化学成分具有决定性影响23四、焊接工艺条件与化学冶金的关系焊接化学冶金过程与焊接工艺条件有密切的联系。改变焊接工艺条件（如焊接方法、焊接工艺参数等）必然引起冶金反应条件（反应物的种类、数量、温度、反应时间等）的变化，因而也就影响到冶金反应的过程。（一）熔合比的影响1.熔合比的定义：一般熔焊时，焊缝金属是由填充金属和局部熔化的母材组成的。在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比，可用试验的方法测得。24dppAAAθ——为熔合比Ap——焊缝截面中母材所占的面积Ad——焊缝截面中填充金属所占的面积25Y形坡口26U形坡口27双V形坡口28熔合比取决于焊接方法、规范、接头形式和板厚、坡口角度和形式、母材性质、焊接材料种类以及焊条（焊丝）的倾角等因素。2.熔合比对焊缝金属的影响当母材和填充金属的成分不同时，熔合比对焊缝金属的成分有很大的影响。假设焊接时合金元素没有任何损失，则这时焊缝金属中的合金元素浓度称为原始浓度，它与熔合比的关系为：C0=θCb+(1-θ)CeC0——某元素在焊缝金属中的原始质量百分浓度（%）；Cb——该元素在母材中的质量百分浓度（%）；Ce——该元素在焊条中的质量百分浓度（%）；θ——熔合比。293031熔合比的应用：堆焊时，尽可能小，以减少BM成分对堆焊层的影响。当母材杂质较多时，应小一点，可减少焊缝金属中的杂质。异种钢焊接时，要根据熔合比来选择焊接材料。（二）熔滴过渡特性的影响焊接工艺参数对熔滴过渡特性有很大影响，因此对冶金反应也必然会发生影响。–熔滴的过渡特性不同，意味着熔滴阶段的反应时间不同：细颗粒短路过渡时反应时间短，不充分，合金元素损失小；大颗粒时反应时间长，反应充分，合金元素损失大。32•U↑，I↓→熔敷金属中的Si%↑•I↑→熔滴存在时间↓→反应进行程度↓•U↑→熔滴存在时间↑→反应进行程度↑五、焊接化学冶金系统及其不平衡性1.化学冶金系统焊接冶金系统是一个复杂的高温多相反应系统。–①手工焊、埋弧焊：液态金属—熔渣—气相–②气体保护焊：气相—液态金属–③电渣焊：渣—液态金属2.不平衡性–焊接区的不等温条件条件导致了整个系统的非平衡性，导致焊缝最终成分远离凝固平衡温度下的成分–因此，不能直接应用热力学平衡的计算公式定量地分析焊接化学冶金问题，但是作定性分析是有益的。33第二节气体对金属的作用一、焊接区内的气体（一）气体的来源及产生1.来源：焊材本身（造气剂及高价氧化物、水）、锈及油污、空气侵入（约占3%）2.产生①有机物分解:纤维素约220~250℃开始分解，与水玻璃混合时，分解温度会更低，反应产物主要是CO2，少量CO、H2、烃类及水气。34②碳酸盐的分解a.空气中:分解物开始剧烈CaCO3545℃910℃MgCO3325℃650℃b.BaCO3分解温度比CaCO3高c.白云石CaMg(CO3)2分解分两步进行：CaMg(CO3)2=CaCO3+MgO+CO2CaCO3=CaO+CO2d.焊条烘干温度：–含CaCO3的焊条＜450℃–含MgCO3的焊条＜300℃–含有机物的焊条＜200℃35③高价氧化物的分解6Fe2O3=4Fe3O4+O22Fe3O4=6FeO+O24MnO2=2Mn2O3+O26Mn2O3=4Mn3O4+O22Mn3O4=6MnO+O2④材料的蒸发•沸点较低的Zn、Mg、Pb、Mn，氟化物AlF3、KF、LiF、NaF等•使气相的成分复杂化，造成合金元素的损失，产生焊接缺陷，增加焊接烟尘，污染环境，影响焊工身体健康。36（二）气体的分解1.简单气体反应方程式⊿H（kJ／mol）N2=N+N-712.4O2=O+O-489.9H2=H+H-433.9H2=H+H++e（发生电离）-1745•单原子气体三种电离方式：–热电离、碰撞电离、光电离（依次要求的温度降低）372.复杂气体的分解反应方程式⊿H（kJ／mol）分解温度CO2=CO+O2-282.84000KH2O=H2+O2-483.2＜4500KH2O=OH+H2-532.0＞4500KH2O=H2+O-977.3更高温度H2O=2H+O-1803.3更高温度383.气相的成分及分布（如表1-12）–主要成分：CO2、CO、H2、H2O、N2、O2–低氢型焊条：H2、H2O很少–分布不均匀39二、氮（N）对金属的作用1.N的来源与溶解①来源：周围空气污染。尽管焊接时采取了保护措施，但总有或多或少的氮侵入焊接区与熔化金属发生作用。根据氮与金属作用的特点，大致可分为两种情况：1）不与氮发生作用的金属，如铜和镍等，他们既不溶解，又不形成氮化物，因此焊接这一类金属可用氮作为保护气体；2）与氮发生作用的金属，如铁、钛等既能溶解氮，又能与氮形成稳定的氮化物，因此焊接这一类金属及合金时，防止焊缝金属的氮化是一个重要的问题。40②氮在金属中的溶解：气体