303第二节焊接化学冶金过程2

焊接技能训练教案目标群体教学时间授课教师教学日期2h课程领域焊接专业课——焊接工艺学主要行为第五章金属熔焊过程部分行为第二节焊接化学冶金过程2教学目标专业能力目标：1、掌握焊接区内气体及对焊缝区的保护；2、了解焊缝金属的合金化及中硫和磷的控制。方法能力目标：1、具有较强的理论联系实际的能力；2、刻苦钻研，精益求精，认真做事的工作态度。社会能力目标：1、具有较强的安全意识和环保意识；2、具有良好的职业素质和职业道德；3、具有良好的团队协作能力和良好的人际交往能力。教学重点和难点重点：1、焊接区内气体及对焊缝区的保护；2、焊缝金属中硫和磷的控制。难点：抽象的概念和理论分析怎样形象地传达给学生，让学生从感性认识转化为充分理解。教学方法和手段黑板板书，课堂提问，互动教学教学用具挂图、机件、多媒体设备教学内容与组织组织教学复习导入讲授新课第五章金属熔焊过程第二节焊接化学冶金过程2五、焊接区内气体六、对焊缝区的保护七、焊缝的合金化八、焊缝金属中硫和磷的控制课堂小结布置作业教学后记焊接技能训练教案组织教学：组织纪律、清点人数、填写教学日志复习导入：1、焊条金属熔滴及熔池；2、焊接过程中熔渣与金属的作用。讲授新课：第五章金属熔焊过程第二节焊接化学冶金过程2五、焊接区内气体焊接区内的气体是由CO2、H2O、N2、H2、O2、金属和熔渣的蒸气以及它们分解和电离的产物组成的混合物。对焊接质量影响最大的是CO2、H2O、N2、H2、O2。研究焊接区内的来源、产生、成分及其分布对于气相与熔化金属的相互作用具有重要意义。1、气体的来源和产生来源：（1）焊接材料；（2）气体介质；（3）焊丝和母材表面上的油锈等杂质；（4）金属和熔渣的蒸发产生的气体。2、氮与金属作用来源：主要是焊接区周围的空气。有两种情况：（1）不与氮发生作用的金属，即不能熔解氮又不形成氮化物，可用N作为保护气体。（2）与氮发生作用的金属，即能溶解氮又能形成氮化物，这种情况下就要防止焊缝金属的氮化。氮对焊接质量的影响：（1）形成气孔。熔池结晶时，氢的溶解度突然降低，当来不及析出就形成气孔；（2）影响焊缝力学性能。氮与铁等形成的化合物以针状夹杂物形式存在于焊缝金属中，使焊缝硬度提高，塑性和韧性下降，影响焊缝影响焊缝力学性能。控制焊缝含氮量的因素及措施：（1）加强对焊区金属的保护如气一渣保护、渣保护、气体保护、抽真空等是减少氮浸入的主要措施。（2）采取正确的焊接工艺规范，尽量采用短弧焊，以减少氮的浸入。采用直流反接也可以减少焊缝中的含氮量。（3）进行冶金处理，增加焊丝或药皮中的含碳量可降低焊缝中的含氮量。3、氢与金属的作用来源：焊条药皮、焊剂、焊丝药芯中水分，药皮中有机物为、焊件表面杂质（锈、油）空气中水分。氢对焊接质量的影响：（1）形成气孔。熔池结晶时，氢的溶解度突然降低，当来不及析出就形成气孔；焊接技能训练教案（2）产生白点和氢脆。钢在焊缝含氢量时，常常会在拉断面上出现如鱼目状，直径为0.5~3mm白色圆形斑点，称为白点。氢在室温下使钢的塑性严重下降的现象叫氢脆；3)产生冷裂纹。焊缝含氢量高时容易产生冷裂纹。控制焊缝含氢量的措施：（1)限制焊接材料的含氢量，药皮成分，焊前按规定烘干焊条、焊剂等焊接材料；（2)严格清理工件及焊丝：去锈、油污、吸附水分；（3)进行冶金处理，选用低氢焊条，直流反接，短弧操作；（4)焊后脱氢处理。焊后立即将焊件加热到250~350°C，保温2~6h，使焊缝中金属加速扩散溢出，降低焊缝和热影响区的含氢量。4、氧与金属的作用氧的来源：（1）电弧中的氧化性气体；（2）空气中的氧气浸入；（3）焊剂、药皮中的高价氧化物；（4）焊件表面的的铁锈、水等的分解物。氧对焊接质量的影响：（1)机械性能下降，尤其是冲击韧性降低明显；（2)化学性能变差，如抗腐蚀性能变差；（3)产生气孔、合金元素烧损；（4)工艺性能变差，影响焊接过程稳定，产生飞溅。控制焊缝含氧量的措施：（1）加强保护，如采用短弧焊、选用气体保护（合适气体流量）或真空保护等，防止空气浸入；（2）认真清理焊件表面的水分、油污、铁锈等，按规定温度烘干焊条焊剂等焊接材料；（3）对焊缝进行有效的脱氧。在焊条、焊丝中加入一些合金元素去除或减少已经浸入熔池中的氧。脱氧方式主要有：先期脱氧：药皮反应区发生在药皮加热阶段，与熔滴不发生直接关系；沉淀脱氧：溶滴、熔池内进行的的脱氧。（1）Mn的脱氧：FeO+Mn=MnO+Fe；（2）Si的脱氧：2FeO+Si=SiO2+2Fe；（3）硅锰联合脱氧；（4）扩散脱氧：FeO从熔池扩散到熔渣从而降低焊缝金属含氧量。酸性焊条以扩散脱氧为主：酸性氧化物SiO2+FeO=FeOSiO2；TiO2+FeO=FeOTiO2；碱性焊条以沉淀脱氧为主:CaO是强碱性氧化物，很难实现扩散脱氧。六、焊缝的合金化1、合金化焊缝金属的合金化就是将所需要的合金元素由焊接材料通过焊接冶金过程过渡到焊缝金属中去的反应，也称为渗合金。2、合金化的目的（1）补偿焊接过程中由于合金元素烧损和蒸发造成的损失；（2）改善组织，消除缺陷，提高性能，如加入锰可以消除硫引起的热裂纹；焊接技能训练教案（3）通过向焊缝金属渗入母材不含或含量少的合金元素，来获得特种性能（如耐磨性、红硬性、耐热性、耐蚀性等）。3、合金化的方式有两种方法：通过焊芯过渡：应用合金焊条、焊丝或带极，应用合金粉未；通过药皮过渡：应用药芯焊丝或药芯焊条，应用合金药皮或粘结焊剂。在生产上应用较广的是通过药皮过渡。通常是采用低碳钢（H08、H08A）焊条药皮中加入合金剂，从而达到合金化的目的。七、对焊缝区的保护1、光焊丝焊接时合金元素氧化损失大、易产生气孔，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。一般惰性气体保护效果较好。几乎每一种熔焊方法都是为了加强对焊接区保护而发展和完善起来的。表归纳了目前熔焊方法中采用的几种保护方式。除自保护外，其余都是把空气与焊接区机械地隔离开来。保护方式熔焊方式气体保护气焊、TIG、MIG、MAG、等离子弧焊熔渣保护埋弧焊、电渣焊渣气保护电弧焊真空保护真空电子束焊自保护焊丝种含有电子束焊八、焊缝金属中硫和磷的控制1、焊缝中硫的危害和控制硫的来源：主要来自母材、焊条、焊丝、药皮、焊剂等。焊缝中硫的危害：（1）生成低熔点共晶，产生热裂纹。焊缝中的硫主要是以FeS和MnS形式存在，MnS在液态金属中溶解度很小，且容易排除入渣，即使不能排除，而留在焊缝中，也呈球状分布于焊缝中，因而对焊缝影响不大。焊缝中FeS最为有害。FeS可以无限低溶解在液态金属中，而固态铁中溶解度很低，因此，熔池凝固时FeS析出，并与α-Fe、FeO等以形成共晶，尤其是焊接高Ni合金时形成的NiS熔点更低，这些低熔点共晶呈液态薄膜聚集在晶界，导致晶界处开裂，产生热裂纹。（2）当含C量高时，会促进S的偏析，降低冲击韧性和抗腐蚀性。控制硫的措施：（1）限制焊接材料中含硫量，如母材、焊丝、药皮或焊剂中的硫的含量是主要措施；（2）焊接过程中采用熔渣脱硫和元素脱硫，但脱硫效果较差。熔渣脱硫：就是利用熔渣中的碱性氧化物进行脱硫：FeS+MnO=Fe+MnS+FeO；FeS+CaO=Fe+CaS+FeO。脱硫产物MnS、CaS等进入熔渣被排除，从而达到达到脱硫目的。元素脱硫：就是在液态金属中加入一些对硫亲和力比铁大的元素Mn,使Fe从FeS中还原出来：FeS+Mn=Fe+MnS。MnS不溶于金属而进入熔渣达到脱硫目的。焊接技能训练教案2、焊缝中磷的危害及控制磷的来源：主要来自母材、焊条、焊丝、药皮、焊剂等。磷的危害：（1）生成低熔点共晶Fe3P＋Fe，产生热裂纹。在液态铁中可溶解较多的磷，主要以Fe2P和Fe3P的形式存在。同硫一样，Fe3P＋Fe聚集在晶界，导致晶界处开裂，产生热裂纹。（2）产生冷裂纹。磷化物Fe2P、Fe3P、Ni3P等会消弱晶粒间的结合力，且它本身又硬而脆，因此增加了焊缝金属的冷脆性，使冲击韧性下降，造成冷裂纹。控制磷的措施：（1）限制母材、填充金属、药皮和焊剂中的含磷量（主要来源：药皮和焊剂中的锰矿）；（2）焊接过程中脱磷采用两步，但脱磷效果较差。第一步：将P氧化成P2O5：2Fe2P+5FeO=P2O5+9Fe2Fe3P+5FeO=P2O5+11Fe第二步：置换脱磷。就是利用熔渣中的碱性氧化物与酸性P2O5进行反应脱硫：P2O5+3CaO=Ca3P2O8P2O5+4CaO=Ca4P2O9碱性焊条比酸性焊条脱磷、硫效果要好的多，而且抗裂性也好。课堂小结：1、焊接区内气体；2、对焊缝区的保护；3、焊缝的合金化；4、焊缝金属中硫和磷的控制。布置作业：课堂作业：焊缝的合金化。课后作业：1、焊接区内气体及对焊缝区的保护；2、焊缝金属中硫和磷的控制。