第二章焊接冶金与焊接材料

第二章焊接冶金与焊接材料几个概念（1）焊接冶金：熔化焊时，伴随着金属熔化、凝固、固态相变以及形成接头等过程，焊接区内的熔化的金属、熔渣与气体三者间所进行的一系列化学反应过程以及金属的结晶相变过程总称为焊接冶金过程。它研究焊接化学冶金与焊接物理冶金的基本规律，为制订各种金属材料的焊接工艺建立必要的理论基础。它对焊缝的化学成分和焊接质量（包括接头的力学性能、物理化学性能、金相组织及有无裂纹、气孔等工艺缺陷）有着决定性的影响。（2）焊接冶金过程的特点：①电弧区温度高——可达6000～8000℃；②熔池体积小，存在时间短——成分布均匀；③熔池金属不断更新；④反应接触面大，搅拌激烈；⑤反应时间短——0.01～0.1s。（3）焊接化学冶金：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，称为焊接化学冶金过程，主要研究在各种焊接工艺条件下，冶金反应和焊缝金属成分、性能之间的关系及其变化规律。（4）焊接物理冶金过程：研究焊接条件下材料的物理冶金问题，对材料受焊后的组织、性能、化学成分的变化和产生缺陷的原因进行分析，为进一步提高焊接质量、防止各种焊接缺陷（特别是裂纹）提供理论依据。2.1焊接化学冶金过程的任务与特点2.1.1几个基本概念（1）母材金属：被焊金属材料的统称。（2）填充金属：焊芯或焊丝。焊条是指药皮里面的焊芯，其它熔化焊方法中指焊丝。（3）熔敷金属：完全由填充金属熔化后所形成的焊缝金属。由于熔滴在落入熔池过程中与周围的熔渣和气体发生了激烈的冶金反应，所以它的成分和填充金属的有很大的不同。（4）焊缝：熔敷金属与熔化的母材金属激烈反应混合，构成熔池内的液态金属，冷却凝固后即形成焊缝。（5）熔合比（稀释率）：熔池中母材金属所占比例称熔合比。焊缝的成分取决于熔合比大小，熔合比数值与焊接方法、焊接规范、接头型式、坡口形式及母材热物理性质有关。当焊接异种金属或合金堆焊时，熔合比又可称为“稀释率”。2.1.2焊接化学冶金的任务（1）首要任务就是对金属加强保护，防止有害气体的作用（2）焊接化学冶金的第二个任务就是对熔化金属进行冶金处理2.1.3焊接化学冶金的特点普通化学冶金过程是对金属熔炼加工过程，在放在特定的炉中进行。焊接化学冶金过程是金属在焊接条件下，再熔炼的过程，焊接时焊缝相当高炉。（1）二者共同点：金属冶炼加工。（2）不同点：①原材料不同普冶材料：矿石、焦炭、废钢铁等。焊金材料：焊条、焊丝、焊剂等。②目的不同普冶：提炼金属；焊冶：对金属再熔炼，以满足构件性能焊接冶金和普通化学冶金相比也有它的特殊性，其中最重要的特点是：焊接冶金反应是分区连续进行的——分区表示反应区不仅熔池一处，连续表示各区反应依次连续进行；各区的反应条件（反应物的性质和浓度、温度、反应时间、相接触面积、对流和搅拌运动等）也有较大差异。2.1.3.1药皮反应区温度范围从100℃到药皮的熔点（钢焊条约为1200℃）。也就是说，在焊条端部的固态药皮中就开始发生物化反应，主要是水分的蒸发、某些物质的分解和铁合金的氧化。2.1.3.2熔滴反应区是指从熔滴形成、长大、过渡到高速飞入熔池前这一阶段。该区有以下特点：（1）熔滴的温度高——1800～2400℃；（2）各相之间的反应时间（接触时间）极短——平均时间0.01-1S；（3）熔滴金属与气体和熔渣的接触面积大——熔滴的比表面积（熔滴表面积与质量之比）要比炼钢时大1000倍，可达1000～10000cm2/kg；（4）熔滴金属与熔渣发生强烈的混合，所以冶金反应最强烈，对焊缝成分影响最大。在熔滴反应区进行的主要物化反应有：气体的高度分解；氮和氢的激烈溶解；强烈的增氧与渗合金；金属的蒸发；去氢反应等。2.1.3.3熔池反应区指熔滴和熔渣落入熔池后，同熔化的母材混合，与此同时各相进一步发生物化反应，直至金属凝固，形成焊缝这一阶段。与熔滴反应区相比，该区具有如下特点：（1）平均温度低（1600～1900℃，低于熔滴温度）；（2）比表面积小（3～130cm2/kg）；（3）反应时间稍长（手工焊3～8秒，埋弧焊6～25秒）；（4）搅拌没有熔滴阶段激烈，不过比炼钢要强烈的多，而且它反应的结果决定了焊缝最终的成分和性能；（5）熔池的突出特点之一是温度分布极不均匀：2.2焊接熔渣焊接冶金过程是包括金属、熔渣、气体三者在内的一个体系，熔渣是其中一个极为重要的因素，这一节主要介绍熔渣的作用和熔渣的物理化学性质两方面。2.2.1熔渣的作用熔渣在焊接冶金过程中的作用主要有以下三个：⑴机械保护作用⑵改善焊接工艺性能的作用⑶冶金处理作用2.2.2熔渣的组成钢焊条的熔渣是由各种氧化物及其盐类组成的，碱性焊条和焊剂形成的渣中还含有氟化物。焊接熔渣中的氧化物按其性质可分为三类：①酸性氧化物——按酸性由强变弱的顺序有SiO2、TiO2、P2O5等；②碱性氧化物——按碱性由强变弱的顺序有K2O、Na2O、CaO、MgO、BaO、MnO、FeO等；③中性氧化物——Al2O3、Fe2O3、Cr2O3等。这些氧化物是呈酸性还是呈碱性，决定于熔渣的性质。在强酸性渣中它呈弱碱性，在强碱性渣中它呈弱酸性。2.2.3熔渣的物化性质2.2.3.1熔渣的碱度碱度是衡量熔渣酸碱性的指标，是熔渣的重要化学性质，其它物化性质都与碱度由密切关系，它可以反映熔渣的冶金反应能力和物理性质。熔渣的碱度的定义可以表示为：酸性氧化物的摩尔分数碱性氧化物的摩尔分数B（2-1）为计算方便，氧化物含量也可以改为质量百分比：酸性氧化物％碱性氧化物％B（2-2）根据B值就可以将熔渣分为酸性渣和碱性渣。当B1.3时为碱性渣；当B1.3时为酸性渣。酸性渣的焊条我们称为酸性焊条，碱性渣的焊条我们称为碱性焊条。它们的冶金性能、焊接工艺性能以及焊缝的成分和性能都有显著不同。但利用上面的计算公式实际计算出来的B值是不准确的，因为它既没有考虑到氧化物酸性和碱性的强弱程度，也没有考虑酸性氧化物与碱性氧化物形成复合物的情况。比较精确的计算公式是：)(3.0017.0)(007.0)(014.0006.0015.0018.0322222221OAlZrOTiOSiOFeOMnOOKONaCaFMgOCaOB（2-3）式中的氧化物以质量百分比计算。当B1大于1时为碱性渣，小于1时为酸性渣，等于1时为中性渣。这个公式计算起来比较麻烦，所以清华大学的陈伯蠡教授建议采用下列修正式：)(3.0)(4.0322222221OAlZrOTiOSiOCaFFeOMnOOKONaMgOCaOB（2-4）当B1大于1.5时为碱性渣，小于1.0时为酸性渣，1～1.5时为中性渣。2.2.3.2熔渣的粘度熔渣粘度是指液态渣内部相对运动时各层之间产生的内摩擦力（在单位速度梯度下，作用在单位面积上的内摩擦力），它的单位是帕秒（Pa·S），用η表示。粘度的倒数φ=1/η叫流动性，粘度越小，流动性越大。粘度是焊接熔渣重要的物理性质之一，对渣的保护效果、飞溅、焊接操作性、焊缝成型、熔池中气体的外逸、合金元素在渣中的残留损失、化学反应的活泼性等都有显著的影响。粘度过大，渣冶金反应能力降低，焊缝成形不良且易产生气孔等缺陷；粘度过小，渣覆盖性差，降低保护效果，焊缝成形差且不能全位置焊。粘度变化的影响因素熔渣的粘度决定于温度和渣的成分。（1）温度的影响温度与粘度的关系为RTEAe＝，其中：A为取决于熔渣本性的常数；E为质点移动所需要的活化能；R为气体常数；T为绝对温度。（2）熔渣成分的影响焊钢用熔渣的粘度在1500℃左右时为0.1～0.2Pa·S比较合适。2.2.3.3表面张力熔渣的表面张力实际上是熔渣与气相接触时的比表面能，而熔渣和金属间的比表面能称为界面张力。它们对熔滴过渡、焊缝成型、脱渣性及冶金反应等都有很大影响。比如，熔渣的表面张力大的话会阻碍熔滴过渡，因为熔滴大。2.2.3.4密度ρ熔渣的密度影响熔渣在熔池金属中的浮出速度。密度越小，渣轻越容易浮出，不易产生夹渣。2.2.3.5线膨胀系数它主要是影响脱渣性。渣的线膨胀系数与焊缝金属的相差越大，越容易脱渣。2.2.3.6熔化性（熔点、凝固温度范围）一般：焊芯的熔点药皮的熔点熔渣的熔点温度差值：△T=100-200℃。2.3焊缝金属中的气体夹杂2.3.1氢对金属的作用及控制一般熔焊时总是或多或少的氢与金属发生作用，而且氢是与所有金属都能够发生作用的活泼元素。对于大多数金属，氢是有害的，它是造成广泛采用的低合金高强钢焊接结构出现氢脆、冷裂纹、氢气孔等缺陷的最主要原因。2.3.1.1氢的来源（1）焊材中的水分（2）药皮中的有机物（3）焊丝和母材坡口表面上的铁锈、油污（4）电弧周围空气中的水分2.3.1.2氢在金属中的溶解对于氢氧氮这样的双原子气体来说，必须分解为原子或离子才能溶于金属。一定温度下，气体在金属中的最大含量称为此气体的溶解度（氢的溶解度用SH表示）。氢在铁中的溶解度与温度的关系见图2-1。图2-1氮、氢在铁中的溶解度与温度的关系（kPaPPkPaPPeeFHFN10110122或）从图2-1中可以看出：（1）液态铁中当T2400℃时，随温度升高，氢的溶解度增大（T↑→SH↑）。（2）在液固转变点氢的溶解度发生突变，急剧下降。这往往是造成氢气孔的主要原因。（3）固态组织的相变氢在不同晶体结构中的溶解度是不同的，一般在面心立方晶格的奥氏体钢中的溶解度要比体心立方晶格的铁素体+珠光体钢中的溶解度要大。2.3.1.3氢在固态金属中的扩散固溶在钢焊缝中的氢原子和氢离子，由于半径很小，可以在焊缝金属的晶格中自由扩散，所以称为“扩散氢”。部分氢扩散集聚到晶格缺陷、显微裂纹和非金属夹杂等空隙中，结合成为氢分子，因为半径大，不能自由扩散，所以称为“残余氢”。由于扩散，所以焊后随放置时间增加，扩散氢减少，残余氢增多，总氢量降低。氢在焊接接头中，既能在焊缝中扩散，也能向近缝区扩散，并能扩散到近缝区相当大的深度。在焊缝中，氢沿焊缝长度方向的分布基本均匀，只是在弧坑处含氢量高，所以在弧坑处容易产生氢缺陷。在近缝区，熔合线处的含氢量高低影响到此接头是否容易在此处产生冷裂纹。含氢量越高越容易产生冷裂，因为氢的存在是接头产生冷裂的三大因素之一。扩散氢的测定方法有甘油法、水银法、气相色谱法等，其中最常用的是甘油法。2.3.1.4氢的作用结果（对焊接质量的影响）氢几乎对所有的金属焊接都有害，氢的有害作用可分为两种：暂态现象——脆化、白点，经时效、热处理可消除；永久现象——气孔、冷裂纹，不可消除。⑴氢脆（氢致塑性损失）氢脆是氢在室温附近使钢的塑性指标（如延伸率和断面收缩率）严重下降的现象。氢脆是溶解在金属晶格中的氢引起的。在焊缝拉伸过程中，金属中的位错发生运动和堆积，结果形成显微空腔。与此同时，溶解在金属晶格中的原子氢不断沿着位错运动的方向扩散，最后聚集在显微空腔内，结合为分子氢。这个过程的发展使空腔内产生很高的压力，导致金属变脆。⑵白点（fisheye，鱼眼）是含氢量高的碳钢或低合金钢焊缝，在拉伸或弯曲试件断面上出现的银白色圆形斑点。许多情况下，白点的中心有小夹杂物或气孔，好象鱼眼一样，所以又称为鱼眼。白点是在塑性变形过程中产生的，使焊缝塑性严重下降。“诱捕理论”解释：焊缝中的气孔及非金属夹杂物边缘的空隙，好象“陷阱”一样捕捉氢原子，并在其中结合成氢分子，在拉伸试验中“陷阱”中的氢分子被吸附。由于塑性变形新产生的微裂纹表面上，分解成原子氢，原子氢扩散到微裂纹金属晶格内，引起金属脆化。⑶氢气孔因为在焊接过程中如果熔池吸收了大量的氢，那么在它结晶时由于溶解度的突然下降，使氢处于过饱和状态，这将促使2H=H2反应发生。反应生成的分子氢不溶于金属，于是在液态金属中形成气泡。当气泡外逸速度小于结晶速度时，就在焊缝中形成气孔。⑷冷裂纹冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度产生的一种裂纹，危害很大。2.3.1.5控制氢的措施（1）限制氢的来源①合理选择药皮原材料②严格烘干焊接材料③气保护焊时，限制保护气中的含水量，必要时可采取去水、干燥等措施。④清除焊丝和焊件表面上的油、锈、吸附水