焊接冶金学基础

第二章焊接冶金学基础2.1焊接化学冶金前言版权：TWI第二章焊接冶金学基础2.1焊接化学冶金焊接化学冶金：焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程。焊接化学冶金的特殊性焊接区内的气体和焊接熔渣焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用焊缝金属的合金化及其成分控制前言2.1.1焊接化学冶金的特殊性1、焊接区金属的保护保护目的–减少和防止空气（氧、氮）进入焊接区，避免合金元素烧损，降低焊缝的性能。保护方法–真空：电子束焊–气体：TIG焊,CO2,MIG–熔渣：埋弧焊–气-渣：手工焊、自保护药芯焊焊接材料熔敷金属成分性能变化低碳钢焊材熔敷金属成分及性能变化2.1.1焊接化学冶金的特殊性2、焊接冶金反应区及其反应条件（1）药皮反应区–温度：100-1200℃（钢材）–反应：水分的蒸发、某些物质的分解和铁合金的氧化手工电弧焊（2）熔滴反应区2.1.1焊接化学冶金的特殊性2、焊接冶金反应区及其反应条件（2）熔滴反应区–熔滴平均温度：1800-2400℃–熔滴金属与气体和熔渣的接触面积：比面积：1000-10000cm2/kg,比炼钢时大1000倍–各相之间的反应时间（接触时间）：0.01-0.1s–反应：气体的分解和溶解、金属的蒸发、金属及其合金成分的氧化与还原以及焊缝金属的合金化。–特点：反应激烈、反应物含量离平衡浓度较远。2.1.1焊接化学冶金的特殊性2、焊接冶金反应区及其反应条件（3）熔池反应区熔滴和熔渣同熔化的母材混合形成熔池温度：1600-1900℃比表面积：1300cm2/kg反应时间：3-8S（SMAW）特点：熔池金属有规律的对流和搅拌运动，冶金反应比较激烈、熔池温度不均匀、同一反应在不同区域可能向相反方向进行。焊接熔池与熔滴的平均温度焊接熔池的物理参数2.1.1焊接化学冶金的特殊性3、焊接冶金反应分析温度变化范围大；停留时间短；基本排除了整个系统达到热力学平衡的可能性；不同条件下焊接冶金反应离平衡的远近程度不同；利用热力学原理定性分析冶金反应的进行方向和影响因素；2.1.2焊接区内气体和焊接熔渣1、焊接区内气体的来源和气相成分气体的来源焊接材料、保护气体焊材表面和母材坡口附近的吸附水、油、锈及氧化铁皮等物质的蒸发100℃：吸附水蒸发400-600℃：焊条药皮中的组分如白泥和云母中的结晶水被排除。电弧高温：金属元素和熔渣中的各种成分发生蒸发，如Fe,Mn及氟化物等有机物的分解和燃烧碳酸盐和高价氧化物的分解有机物的分解和燃烧有机物种类：淀粉、纤维素和藻酸盐作用：酸性焊条造气剂和增塑剂分解：220℃-320℃分解50%；800℃完全分解。分解产物：CO2,CO,H2碳酸盐和高价氧化物的分解碳酸盐：CaCO3、MgCO3、CaMg(CO3)2作用：焊条造气剂分解：CaCO3分解温度为545℃，剧烈分解温度为910℃；MgCO3分解温度为325℃，剧烈分解温度为650℃。分解产物：CO2,CO,H2高价氧化物：Fe2O3和MnO2O2和低价氧化物FeO和MnO2.1.2焊接区内气体和焊接熔渣1、焊接区内气体的来源和气相成分气体的高温分解简单气体的分解：N2、H2、O2和F2复杂气体的分解：CO2和H2O双原子气体的分解度与温度的关系CO2分解时气相的平衡成分与温度的关系2.1.2焊接区内气体和焊接熔渣1、焊接区内气体的来源和气相成分CO2分解时气相的平衡成分与温度的关系2.1.2焊接区内气体和焊接熔渣1、焊接区内气体的来源和气相成分气相的成分焊接区经常同时存在多种气体，之间存在复杂的反应。典型的反应：OHCOHCO222焊接方法焊条/焊剂COCO2H2H2ON2SMAW钛钙型50.75.937.75.7SMAW纤维素型42.32.941.212.6SMAW低氢型79.816.91.81.5SAW33086.29.34.5SAW43189-937-91.5焊接区实际气体成分冷至室温后气相的成分2.1.2焊接区内气体和焊接熔渣2、焊接熔渣的类型及理化性质（1）焊接熔渣的类型盐型熔渣：金属氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物。例如：CaF2-NaF、CaF2-BaCl2-NaF盐-氧化物型熔渣：氟化物和强金属氧化物组成。例如：CaF2–CaO-SiO2（低氢型）、CaF2–CaO-Al2O3氧化物型熔渣：主要由各种金属氧化物组成。例如：CaO-TiO2-SiO2（钛钙型）、MnO-SiO22.1.2焊接区内气体和焊接熔渣2、焊接熔渣的类型及理化性质（2）焊接熔渣的理化性质1）熔渣的碱度22ROROORxxxB尔分数；熔渣中酸性氧化物的摩尔分数；熔渣中碱性氧化物的摩、22ROROORxxx碱度判据：B1.32.1.2焊接区内气体和焊接熔渣2、焊接熔渣的类型及理化性质（2）焊接熔渣的理化性质2）熔渣的氧化性–熔渣的氧化性取决于熔渣中的氧化物，FeO是熔渣的重要氧化源。通常用FeO的活度来代表熔渣氧化能力的强弱。3）熔渣的熔点–一般比焊缝熔点低200-450℃–焊接熔渣的熔点过高，将使其与液态金属间的反应不充分，易形成夹渣。–熔点过低，使熔渣的覆盖性能变差，焊缝表面粗糙不平。2.1.2焊接区内气体和焊接熔渣2、焊接熔渣的类型及理化性质4）熔渣的粘度(熔渣内部相对运动时各层之间的内摩擦力)–主要影响对金属的保护效果、焊缝成形、熔池中气体的外逸等；–温度下降、粘度下降；–酸性氧化物（SiO2）使粘度增加；2.1.3焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用1、焊接冶金过程中的氧化还原反应1）氧对焊接质量的影响焊缝金属强度、塑性、韧性下降；引起金属红脆、冷脆和时效硬化；2）氧化还原反应判据)(2TfPo222OMenmOMennm氧化物分解压氧化物分解达到平衡时氧的平衡分压，称为氧化物的分解压。反应系统中氧的分压}{2oP2.1.3焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用1、焊接冶金过程中的氧化还原反应•3）氧化气体对金属的氧化–自由氧–CO2–H2O时，反应向右进行；22ooPP时，反应向左进行；22ooPPFeOOFe22/1][][2FeOCOFeCO22][][HFeOFeOH2.1.3焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用焊接冶金过程中的氧化还原反应4）熔渣对金属的氧化扩散氧化焊接钢时，FeO既溶于熔渣又溶于液态钢。在两相中的含量符合分配定律:L=w(FeO)/w[FeO]；温度不变时，增加熔渣中FeO的含量，FeO将向熔池金属中扩散。置换氧化当熔渣中含有较多的易分解氧化物，则与液态铁发生置换反应，使铁氧化，氧化物中的合金元素被还原。（SiO2)+2[Fe]=[Si]+2FeO2FeO=[FeO]+(FeO)2.1.3焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用焊接冶金过程中的氧化还原反应脱氧物不应溶于液态金属而应溶于熔渣，且熔点低、密度小，上浮至熔渣中，以减少夹杂物的数量。Mn、Si、Ti和Al常用于脱氧剂。5）金属的还原反应（脱氧反应）各种脱氧元素在焊接中被氧化，以降低焊接区的氧化性，使被焊金属及有益合金元素免受氧化；或使被氧化的金属从它们的氧化物中还原出来的反应。脱氧剂应在焊接温度下比被焊金属对氧具有更强的亲和力。1800℃时，各种元素对氧亲和力从小到大的次序排列为：Ni、Cu、W、Mo、Fe、Cr、Nb、Mn、V、Si、B、Ti、Mg、C、Al、Ce。氢在焊接冶金中的行为及其控制氢对金属的影响氢脆气孔裂纹控制氢的措施限制焊接材料及母材中的含氢量冶金处理：通过调整焊接材料的成分，使氢在焊接过程中，生成比较稳定的、不溶于液态金属的氢化物，如HF。焊后脱氢处理：消氢处理。（焊缝中氮、硫及磷同样需要控制）2.1.4焊缝金属的合金化一、合金化方式合金化（渗合金）：将所需的合金元素由焊接材料通过焊接冶金过渡到焊缝金属的反应。3、通过药皮、药芯和焊剂中的合金元素氧化物与Fe置换反应，还原合金元素。2、将粉末状态的合金加入药皮、焊剂中通过焊接过程过渡到焊缝金属中去。1、应用含所需合金元素的焊丝、带（板）极、焊条芯或药芯焊丝将合金元素过渡到焊缝或堆焊层中。2.1.4焊缝金属的合金化一、合金化方式药芯焊丝Fluxcoredwires药芯焊丝2.1.4焊缝金属的合金化二、合金元素的过渡系数IIdent.-No.BaseMetalWeldpreparationWeldingprocessTypeoffluxcoredwireAmperage[A]Voltage[V]Weldingspeed[cm/min]Heatinput[kJ/cm]1A1.HeadSDAS22.HeadTC735B-2D750G+700323610029,52D36TC735B-1D850G+324039,83A1.HeadSDAS22.HeadTC735B-2D950G+90034369043,1333backupfluxpowder101515copperrailceramicbackupceramicbackupsteeltracks2.1.4焊缝金属的合金化二、合金元素的过渡系数IIdent.-No.MacrophotographDepositionrate[kg/h]CSiMnPSImpactISO-V[J]0-20°C120,50,1170,161,060,0160,01194668285n.b.213,50,1040,301,390,0140,008154158160169141136135131328,50,1070,161,290,0150,0061391551501571401401471592.1.4焊缝金属的合金化二、合金元素的过渡系数过渡系数：某元素在熔敷金属中的实际含量与它在焊接材料中的原始含量之比。影响因素合金元素的物理化学性质合金元素的含量合金剂的粒度药皮、药芯或焊剂的氧化势（放氧量）2.1.4焊缝金属的合金化三、焊缝金属化学成分的计算熔合比：焊缝金属中熔化的母材所占的比例。dbbAAA熔合比概念示意图）元素的实际质量分数（焊接材料熔敷金属中该）；分数（该元素在母材中的质量式中：%)(%)()()1()()(dbdbwMwMwMwMwMw合金元素的实际含量：2.1.4焊缝金属的合金化四、焊缝金属化学成分的控制焊缝金属化学成分的控制改变熔合比熔渣有效作用系数焊缝金属成分的预测数学模型计算机2.2焊接熔池的凝固及焊缝相变组织2.2.1焊接熔池凝固过程的特点焊接熔池凝固过程与铸造凝固过程的差别焊接熔池体积小，冷却速度高；平均100℃/s，约为铸造的104。焊接熔池的液态金属处于过热状态熔池边界的温度梯度比铸造时高103–104倍。熔池在运动状态下结晶结晶前沿随热源同步运动液态金属受到力的搅拌运动熔池金属存在对流运动2.2焊接熔池的凝固及焊缝相变组织2.2.1焊接熔池凝固过程的特点焊接熔池凝固过程的特点外延结晶从熔池边界半熔化的母材开始生长非均质形核柱状晶形式外延结晶示意图2.2焊接熔池的凝固及焊缝相变组织2.2.1焊接熔池凝固过程的特点焊接熔池凝固过程的特点择优生长每一种晶体点阵都存在一个最优结晶取向,对于立方点阵的金属（Fe,Ni,Cu,Al），最优结晶取向为001。温度梯度大的方向，也是晶粒易于生长的方向。与焊接熔池边界垂直的方向温度梯度G最大。当母材晶粒取向001与导热最快的方向一致时，即垂直熔池边界时，晶粒生长最快而优先长大。焊缝金属柱状晶的择优生长2.2焊接熔池的凝固及焊缝相变组织2.2.2焊缝金属的结晶形态熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，成分过冷的分布不同，焊缝各部位出现不同的结晶形态：平面晶、胞状晶、树枝状晶、等轴晶。焊缝中结晶形态的变化低合金钢焊缝的组织形态分类2.2.3焊缝金属的显微组织与性能（低合金钢）2.2.3焊缝金属的显微组织与性能（低合金