第1章焊接化学冶金过程.

熔焊原理12第一章焊接化学冶金过程课题一控制焊缝熔合比课题二焊接熔渣对焊接化学冶金的作用课题三控制气相对熔池金属的危害课题四焊缝金属的合金化课题五焊缝金属的脱硫、脱磷方法焊接化学冶金过程的概念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焊缝：焊件经焊接后所形成的结合部分。熔焊时，焊缝金属是由熔化的母材与填充金属组合而成，其组成的比例取决于具体的焊接工艺条件。有必要了解焊条金属与母材在焊接中加热和熔化的特点以及影响其组成比例的因素。课题一控制焊缝熔合比4一、焊条的加热及熔化1、焊条的加热电弧焊时用于加热和熔化焊条(或焊丝)的热能有：化学反应热：仅占1％~3％，可忽略不计。电弧热：焊条熔化、使液体金属过热和蒸发的主要能源约20~27%的电弧功率加热焊材。电阻热：使焊芯本身和药皮的温度升高。5电阻热增大，使焊芯和药皮温升过高将引起以下的不良后果：①熔化激烈引起飞溅②药皮开裂与过早脱落，电弧燃烧不稳；③焊缝成形不良，甚至产生气孔等缺陷④药皮过早进行化学冶金反应．丧失冶金效应及保护作用；⑤焊条发红变软，操作困难。61)在其它条件相同时，电流密度越大，焊芯的温升越高。因此，调节焊接电流密度是控制焊条加热温度的有效措施。2)在电流密度相同的条件下，焊芯电阻越太，其温升越高，散电阻较大的不锈钢芯焊条应比碳钢焊条短，相同直径的焊条选用的电流也耍低些。3)在相同的条件下，焊条的熔化速度越高，由于被加热的时间缩短．则其温升越低。4)随药皮厚度的增加，药皮表面与焊芯的温差增大，加大了药皮开裂的向。5)调整药皮成分，使焊条金属由短路过渡变为喷射过渡，可以提高焊条的熔化速度而降低焊接终了时的药皮温度。试验表明：72.焊条金属的平均熔化速度平均熔化速度：单位时间内熔化焊芯质量或长度。平均熔化速度与焊接电流成正比。vm=m/t=αpI熔敷系数：单位时间内焊芯（或焊丝）熔敷在焊件上的金属量。αH=mH/It飞溅率：由于飞溅、氧化、蒸发，焊芯（或焊丝）在熔敷过程中的损失量与熔化的焊芯（或焊丝）质量之比。熔敷系数才是反映焊接生产率指标PH)1(83、焊条金属的过渡特性①粗滴短路过渡②附壁过渡③喷射过渡④爆炸过渡94、药皮的熔化与过渡药皮的温度、焙化及过渡特点对焊接化学冶金反应有极其重要的影响。药皮的熔点越高，厚度越大，套筒越长。熔渣过渡形式：一、以薄膜的形式包在金属熔滴的外面或被夹在熔滴内，同熔滴一起落入熔池；二、熔渣直接从焊条端部以滴状落入熔池。10二、母材的熔化与熔池的形成熔池：焊接热源作用在焊件上所形成的具有一定几何形状的液态金属部分就是熔池。熔池是由熔化的焊条金属与局部熔化的母材金属所组成的。若用非熔化极进行焊接时，熔池仅由局部熔化的母材所组成。11121、熔池的形状和尺寸熔池的形成需要一定的时间，这段时间叫做过渡时期。经过过渡时期以后，就进入准稳定时期，这时熔池的形状、尺寸和质量不再变化，只取决于母材的种类和焊接工艺条件，并随热源作同步运动。在电弧焊的条件下，准稳定时期熔池的形状如图2-14所示，类似于不标准的半椭球，其轮廓为温度等于母材熔点的等温面。图2-14焊接熔池形状示意图13在一般情况下，I↑→Bmax↓、Hmax↑；随着U↑→Bmax↑、Hmax↓。熔池长度L的大小与电弧能量成正比。熔池的上表面积，即熔池中液态金属与熔渣的接触面，取决于焊接方法和焊接工艺参数，一般为1~4cm2。熔池的比表面积S根据规范不同，变化在(0.3～13)×10-3m2/kg，比熔滴的比表面积小。142、熔池的质量和存在时间手弧焊时熔池的重量通常在0.6~16g范围之内，多数情况下小于5g。埋弧焊焊接低碳钢时，即使焊接电流很大，熔池的质量也不超过100g。由于熔池的体积和质量很小，所以熔池存在的时间很短，一般只有几秒至几十秒，因此，熔池中各种物化反应的时间是很短暂的。但它比熔滴阶段存在的时间要长。153、熔池的温度实测表明，在熔池内的温度分布是不均匀的，如图2-7所示。在熔池的前部，输入的热量大于散失的热量，所以随热源的移动，母材不断熔化。处于电弧下面的熔池表面(熔池中部)温度最高。熔池后部的温度逐渐下降，因为此处输入的热量小于散失的热量，所以不断发生金属的凝固。图2-7熔池的温度分布1—熔池中部2—头部3—尾部16熔池的平均温度主要取决于母材的性质和散热的条件。对低碳钢来讲，熔池的平均温度约为1770±100℃。174、熔池中流体的运动状态熔池中的液体金属在各种力的作用下，将发生强烈的运动，使得熔池中的热量和质量的得以传输。好处：①使熔化的母材和焊条金属能够很好的混合，形成成分均匀的焊缝金属。②熔池中的运动有利于气体和非金属夹杂物的外逸，加速冶金反应，消除焊接缺陷(如气孔)，提高焊接质量。18产生运动的原因：①熔池温度分布不均匀而造成的液态金属密度差，使液相产生对流运动。温度高的地方金属密度小，温度低的地方金属密度大。由于这种密度差将使液相从低温区向高温区流动。②温度分布不均匀也使表面张力分布不均匀。③由于焊接热源作用在熔池上的各种机械力使熔池中的液相产生搅拌作用。作用在熔池上的力：电磁力、气体吹力、熔滴下落的冲击力、离子的冲击力等。三、焊缝金属的熔合比焊缝金属是由局部熔化的母材与填充金属共同组成，其组成比例决定了焊缝的成分。熔焊时，局部熔化的母材在焊缝金属中所占的百分比叫做熔合比。θ=Am/(AH+Am)19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倾角等因素。通过改变熔合比可以改变焊缝金属的化学成分，如在堆焊时，总是调整焊接规范使熔合比尽可能的小，以减少母材成分对堆焊层性能的影响。在焊接异种钢时，熔合比对焊缝金属成分和性能的影响甚大。因此要根据熔合比选择焊接材料。20焊接化学冶金过程：指熔焊时焊接区内各种物质之间在高温条件下的相互作用。其中不仅包括化学变化，而且包括物质在各个参加反应物(如气体，熔渣，液体金属)间的迁移和扩散。焊接化学冶金过程对焊缝金属的成分、力学性能、某些焊接缺陷(如气孔，结晶裂纹)以及焊接工艺性能都有很大的影响。21一、对焊接区金属的保护保护提供良好的工艺性能渗合金保证冶金反应过程焊条药皮的作用1、保护的必要性1）提高焊接过程稳定性，减少飞溅2）减少合金烧损3）防止产生焊接缺陷，以保证力学性能222、保护方式及效果保护方式1）气保护气体保护焊2）渣保护埋弧焊3）气—渣联合保护焊条电弧焊4）真空保护真空电子束焊5）自保护自保护焊保护效果用焊缝金属中的氮含量来衡量23真空保护真空度高于0.0133Pa的真空室内进行电子束焊接，保护效果最理想的。24二、焊接化学冶金反应区手工电弧焊时有三个反应区药皮反应阶段熔滴反应阶段熔池反应阶段251.药皮反应阶段温度oC600400200100熔焊进程—药皮反应阶段水蒸发结晶水分解碳酸盐分解冶金反应二、焊接化学冶金反应区262、熔滴反应区的特点特点：反应温度高熔滴温度过高、接近沸点比表面积大是炼钢的1000倍反应时间短0.01～1s液体金属与熔渣发生激烈的混合三相系统[液、渣、气]27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2828３、熔池反应区特点：⑴熔池温度：1600～1900℃⑵接触面积小:F比=3~130㎝2/Kg⑶反应时间较长：手工焊时为3-8s埋弧焊6-25s⑷搅拌没有熔滴阶段激烈⑸熔池温度不均匀熔池阶段的反应速度比熔滴阶段小，并在这个反应过程中的贡献也较小。但这并不是说熔池反应阶段不重要，在某些情况下，熔池中的反应也有相当大的贡献。29总之，焊接化学冶金过程是分区域连续进行的，在熔滴阶段进行的反应多数在熔池阶段继续进行，但也有的停止甚至改变反应方向的。焊缝金属的最终化学成分，是上述各区冶金反应的综合结果。304．焊接化学冶金反应的条件和特点焊接化学冶金反应的条件和特点体现在反应的激烈性、达到的平衡程度等诸多方面。概括起来主要如下：（1）温度高（2）比表面积大（3）时间短（4）处于不停的运动之中（5）反应条件不断变化31三、焊接参数与焊接化学冶金的关系1、焊接参数影响焊缝熔合比2、焊接参数影响冶金反应的条件熔滴阶段的反应时间（熔滴存在的时间）随着电流的增加而变短，随着电弧电压的增加而变长。因此可以断定反应进行的完全程度将随着电流的增加而减少，随着电弧电压的增加而增大。3、焊接参数影响参加冶金反应的熔渣量32四、焊接化学冶金系统的不平衡性焊接化学冶金系统是复杂的高温多相反应系统。由物理化学可知，多相反应是在相界面上进行的，并伴随着物质的迁移过程。焊接区不等温条件排除了整个系统平衡的可能性，在系统中的局部可能出现某个反应的短暂平衡状态。焊缝金属的最终成分与熔池凝固温度下的平衡成分相差较远，各种反应距离平衡的远近程度不同。系统的不平衡性是焊接化学冶金过程的特点，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，但是可作定性分析。33课题二焊接熔渣一、熔渣的作用、成分和分类焊条药皮、焊剂或药芯焊丝中的药芯，受热熔化后形成焊接熔渣。1、熔渣在焊接过程中的作用（1）机械保护作用隔绝空气（2）改善焊接工艺性能容易引燃、稳定燃烧，减少飞溅；获得合适的熔渣粘度和脱渣性（3）冶金处理作用脱氧、脱硫、脱磷、去氢、合金化342、熔渣的成分和分类（1）盐型熔渣氧化性很弱，焊易氧化的金属及合金属于这类熔渣的渣系主要有CaF2-NaF、CaF2-BaCl2-NaF、KCl-NaCl-Na3AlF6，BaF2-MgF2-CaF2-LiF等。（2）盐-氧化物型熔渣氧化性比较弱，焊合金钢属于这一类熔渣的渣系主要有CaF2-CaO-SiO2、CaF2-CaO-Al203-SiO2、CaF2-CaO-SiO2-MgO等。（3）氧化物型熔渣氧化性较强，焊低碳钢和低合金钢属于这一类熔渣的渣系主要有FeO–MnO-SiO2、CaO–TiO2-SiO2、MnO-SiO2等。氧化性这么强，为什么用的反而比较多呢？35二、熔渣的结构理论1、分子理论要点如下：1）液态熔渣由不带电的分子组成。包括氧化物分子，CaO、SiO2等；复合物的分子，如CaO·SiO2、MnO.SiO2等；硫化物；氰化物的分子等。2）氧化物及其复合物处于平衡状态。例如在熔渣中进行着如下反应：CaO+SiO2↔CaO•SiO23)只有自由氧化物才能参与和液态金属的反应。例如只有渣中的自由氧化物FeO才能参与如下的反应：(FeO)+[C]=[Fe]+CO而复合物(FeO)2·SiO2中的FeO不能参与上述反应。4）可近似地用生成复合物的热效应来衡量氧化物之间的亲和力362、离子理论1）液态熔渣是由阳离子和阴离子组成的电中性溶液。电负性大的元素以阴离子形式存在；电负性小的元素形成阳离子；Si、Al、B等，形成复杂阴离子，SiO4-，Si3O96-，Al3O75-。2）离子的分布、聚集和相互作用取决于它的综合矩(综合矩=Z/r)。离子的综合矩越大，静电场越强，与其他离子的作用力也就越大。3）离子间的静电作用使其在熔渣中的分布不均匀4）熔渣与金属的作用是熔渣中离子与金属原子交换电荷的过程。][)(2][2)(24SiFeFeSi3738三、熔渣的碱度计算1.分子理论对熔渣碱度B1的定义为：碱度B1的倒数为酸度。理论上，当B1＞1时为碱性渣；B1＜1时为酸性渣；B1＝l时为中性渣。实际上按上式计算并不准确，根据经验B1＞1.3时，熔渣才是碱性的。这是因为式中没有考虑各氧化物酸、碱性的强弱程度，也没有考虑酸、碱氧化物的复合情况，故只能作粗略计算并加以修正。酸性氧化物摩尔分数碱性氧化物摩尔分数1B39经修正后比较精确的计算公式如下：)ZrOTiOO(Al.SiO.FeO)(MnO.O)KO(Na.CaF.MgO.CaO.B2232222210050017000700140006001