焊接化学冶金公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

第一章焊接化学冶金第一章焊接化学冶金1第1页第1页第一章焊接化学冶金第一节 焊接化学冶金过程特点第二节 气相与金属作用第三节 熔渣与金属作用 第四节 合金过渡第一章第一章-焊接化学冶金焊接化学冶金2第2页第2页第一章焊接化学冶金重点内容重点内容1、焊接化学冶金过程特点2、熔敷速度、熔合比3、气相对金属作用（H）4、焊接化学冶金普通规律5、熔渣作用性质6、合金过渡问题3第3页第3页第一章焊接化学冶金焊接化学冶金过程：熔化焊时，焊接区内各种物质之间在高温下互相作用过程。要点：各种物质包括气体、液态金属、熔渣。1-1 1-1 焊接化学冶金过程特点焊接化学冶金过程特点4第4页第4页第一章焊接化学冶金普通化学冶金过程和焊接化学普通化学冶金过程和焊接化学冶金过程对比冶金过程对比普通化学冶金过程是对金属熔炼加工过程，在放牧特定炉中进行。焊接化学冶金过程是金属在焊接条件下，再熔炼过程，焊接时焊缝相称高炉。两者共同点两者共同点：金属冶炼加工。5第5页第5页第一章焊接化学冶金不同点：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）目不同普冶：提炼金属；焊冶：对金属再熔炼，以满足构件性能6第6页第6页第一章焊接化学冶金一、焊条熔化及熔池形成一、焊条熔化及熔池形成（一）焊条加热及熔化（一）焊条加热及熔化 1 1、焊条加热、焊条加热 1)电阻热：焊接电流通过焊芯时产生电阻热。2)电弧热：焊接电弧传给焊条端部热量。3)化学反应热：药皮部分化学物质化学反应时产生热量。7第7页第7页第一章焊接化学冶金 2、焊条金属熔化速度、焊条金属熔化速度 焊条金属平均熔化速度gM=G/t=pIp为焊条熔化系数gM焊条金属平均熔敷速度gD=GD/t=HIgD为焊条平均熔敷速度损失系数损失系数=(GGD)/G=(gMgD)/gD=1H/PH=(1)P8第8页第8页第一章焊接化学冶金3、焊条金属熔滴及过渡特性、焊条金属熔滴及过渡特性1)熔滴过渡形式熔滴过渡形式短途经渡、颗粒过渡、附壁过渡、射流过渡、旋转射流过渡。碱性焊条：短途经渡和大颗粒过渡；酸性焊条：细颗粒过渡和附壁过渡。9第9页第9页第一章焊接化学冶金10第10页第10页第一章焊接化学冶金2)熔滴比表面积和作用时间熔滴比表面积和作用时间熔滴比表面积S：熔熵表面积与其质量之比。S=Ag/Vg=4R2/(4/3R3)=3/RI,R,S，利于冶金反应进行。熔滴平均作用时间是指熔滴平均质量与一个周期内焊芯平均熔化速度之比。11第11页第11页第一章焊接化学冶金3)熔滴温度熔滴温度 实测手工电弧焊碳钢焊条：2100-2700K，熔渣平均温度：1600C012第12页第12页第一章焊接化学冶金（二）熔池形成（二）熔池形成1、熔池形状和尺寸、熔池形状和尺寸 熔池为半椭球，几何尺寸为L=P2IU 其中，P2是百分比系数，取决于焊接办法和规范。I是焊接电流，U是焊接电压，上式适合用于点状热源。13第13页第13页第一章焊接化学冶金14第14页第14页第一章焊接化学冶金 2、熔池质量和存在时间、熔池质量和存在时间tmax=L/vtcp=Gp/vAwAW焊缝横截面积 3、熔池温度、熔池温度熔池中部温度最高，头部次之，另一方面是尾部。15第15页第15页第一章焊接化学冶金16第16页第16页第一章焊接化学冶金1）液态金属密度差引起自由对流运动2）表面张力差逼迫对流运动3）熔池中各种机械力搅拌4）对焊接质量影响4、熔池运动状态、熔池运动状态17第17页第17页第一章焊接化学冶金二、焊接过程中对熔融金属二、焊接过程中对熔融金属保护保护1、气渣联合保护2、渣保护3、气保护4、真空保护5、自保护保护方式保护方式18第18页第18页第一章焊接化学冶金三、焊接化学冶金反应区及反三、焊接化学冶金反应区及反应条件应条件1 1、药皮反应区、药皮反应区：指焊条受热后，直到焊条药皮熔点前发生一些反应。焊接方法不同，冶金反应阶段也不同。以手工电弧焊为例，加以讨论1)水分蒸发2)一些物质分解3)铁合金氧化 19第19页第19页第一章焊接化学冶金20第20页第20页第一章焊接化学冶金2 2）、熔滴反应区）、熔滴反应区指熔滴形成.长大.脱离焊条.过渡到熔池之前 特点特点:).温度高).与气体.熔渣接触面积大).时间短速度快).熔渣和熔滴金属进行强烈搅拌,混合.21第21页第21页第一章焊接化学冶金3 3、熔池反应区、熔池反应区1）、熔池T 16001900低于熔滴T 比表面积2)、接触面积小3130 3）、时间长 手工焊38秒埋弧焊625s4）、搅拌没有熔滴阶段激烈5）、熔池温度不均匀 突出特点 熔池前斗部分发生金属熔化和气体吸取,利于吸热反应熔池后斗部分发生金属凝固和气体析出,利于放热反应22第22页第22页第一章焊接化学冶金四、焊接工艺条件与化学冶金四、焊接工艺条件与化学冶金反应关系反应关系（一）、熔合比影响（一）、熔合比影响焊接规范：焊接金属（焊条、焊丝）和局部熔化母材构成。熔合比熔合比：焊缝金属中，局部熔化母材所占百分比。=：熔合比 F1：熔化母材面积 F2：填充金属面积 23第23页第23页第一章焊接化学冶金焊接电流I改变 冶金反应不充足（二）、（化学反应条件影响）熔（二）、（化学反应条件影响）熔滴过渡特性影响滴过渡特性影响焊接电压V改变 U 弧长 冶金反应充足本节结束24第24页第24页第一章焊接化学冶金 1-2 1-2 气相与金属作用气相与金属作用一、焊接区内气体一、焊接区内气体 （一）气体起源和产生（一）气体起源和产生起源：起源：1.焊接材料 2.气体介质 3.焊丝和母材表面上油锈等杂质。4.金属和熔渣蒸发产气愤体 成份：成份：金属及熔渣蒸气25第25页第25页第一章焊接化学冶金26第26页第26页第一章焊接化学冶金二、氮与金属作用起源：起源：主要是焊接区周围空气。氮与金属作用有两种情况。1、不与氮发生作用金属，即不能熔解氮又不形成氮化物，可用N作为保护气体。2、与氮发生作用金属，即能溶解氮又能形成氮化物，这种情况下就要预防焊缝金属氮化。27第27页第27页第一章焊接化学冶金(一一)氮在金属中溶解氮在金属中溶解 1）原子形式溶于液态金属 2）以NO形式溶入 3）以氮离子形式溶入（二）氮对焊接质量影响（二）氮对焊接质量影响1)时效脆化2)气孔 3)有利一面：可作为合金元素加入钢中，普通指高合金钢。28第28页第28页第一章焊接化学冶金29第29页第29页第一章焊接化学冶金（三）影响焊缝含氮量原因及控制办法（三）影响焊缝含氮量原因及控制办法1 1）、机机械械保保护护：气一渣保护、渣保护、气体保护、抽真空。对于适渣型焊条：保护效果取决于药皮数量及成份 2 2）、焊接工艺规范影响）、焊接工艺规范影响：3 3）、焊焊丝丝成成份份影影响响 ：增长焊丝或药皮中含碳量可减少焊缝中含氮量d30第30页第30页第一章焊接化学冶金三、氢对金属作用三、氢对金属作用（一）、氢在金属中溶解（一）、氢在金属中溶解 1 1、起起源源：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 第一类能形成稳定氢化物金属 第二类不形成稳定氢化物金属31第31页第31页第一章焊接化学冶金2 2、氢溶解机构、氢溶解机构焊接区为氢能够处于分子、原子和离子状态 1).氢以原子形式溶入2).以 溶入 3).以 溶入 32第32页第32页第一章焊接化学冶金3、影响原因影响原因氢与金属作用特点，把金属分为两类 与氢形成稳定氢化物金属 不与氢形成稳定氢化物金属 合金元素影响：氢在铁中溶解度受合金元素影响 33第33页第33页第一章焊接化学冶金（二）、焊缝金属中氢及其扩散（二）、焊缝金属中氢及其扩散1.1.存在形式存在形式 扩散氢：氢以原子或质子形式存在并可在金属晶格中自由扩散。残余氢（剩余氢）：氢原子扩散汇集到金属晶格缺点，显微裂纹和非金属夹杂物边沿空隙中，结合成份子不能自由扩散。总含氢量=扩散氢剩余氢34第34页第34页第一章焊接化学冶金.氢在焊缝中分布氢在焊缝中分布（1）氢沿长度方向分布基本均匀但火口处含氢量较高。（2）氢沿焊接接头横断面分布（3）母材与焊缝匹配35第35页第35页第一章焊接化学冶金（三）、氢对焊接质量影响（三）、氢对焊接质量影响暂态现象：脆化、白点、经时效、热处理可消除 永久现象：气孔、改变组织、显微斑点、冷裂纹、不可消除 1)1)、氢氢脆脆 氢在室温附近，氢溶解在金属晶格中，引起钢塑性严重下降现象36第36页第36页第一章焊接化学冶金2)2)、白点、白点 肉眼可见，直径0.53mm中心处有气孔或小夹渣，外围有塑性裂断痕迹，象鱼眼似也称“鱼眼”.产生原因：产生原因：白点是在塑性变形阶段产生。“诱捕理论诱捕理论”解释：解释：焊缝中气孔及非金属夹杂物边沿空隙,好象“陷阱”同样.捕获氢原子，并在其中结合成氢分子,在拉伸试验中“陷阱”中氢分子被吸附.由于塑性变形新产生微裂纹表面上,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。37第37页第37页第一章焊接化学冶金3)3)、气孔、气孔 4)4)、组织改变和显微斑点、组织改变和显微斑点 焊缝金属AM时，由于氢在A有较大溶解度，当含氢量高焊缝自A化，温度冷却时，引起局部A过冷残余A增长，残余AM时，富氢组织内产生大内应力，造成显微裂纹 5)5)、产生冷裂纹、产生冷裂纹38第38页第38页第一章焊接化学冶金（四）控制氢办法（四）控制氢办法1)、限制焊接材料含氢量，药皮成份 2)、严格清理工件及焊丝：去锈、油污、吸附水分 3)、冶金处理 4)、调整焊接规范 5)、焊后脱氢处理39第39页第39页第一章焊接化学冶金四、氧对金属作用四、氧对金属作用（一）氧在金属中溶解（一）氧在金属中溶解1).以原子氧形式溶解2).以FeO形式溶解（二）金属被氧化路径（二）金属被氧化路径气相中氧化气体与金属互相作用1).自由氧对金属氧化2).CO2对金属氧化3).H2O气对金属氧化4).混合气体对金属氧化40第40页第40页第一章焊接化学冶金（三）氧对焊接质量影响（三）氧对焊接质量影响1).机械性能下降2).化学性能变差3).产气愤孔CO合金元素烧损4).工艺性能变差（四）预防办法（四）预防办法一防二脱本节结束41第41页第41页第一章焊接化学冶金1-3 1-3 熔渣与金属作用熔渣与金属作用 熔渣：熔渣：电焊条药皮，焊剂溶化形成金属及非金属氧化物及复合物。一、焊接熔渣一、焊接熔渣（一）熔渣作用、成份及分类（一）熔渣作用、成份及分类1.熔渣作用熔渣作用1).机械保护作用2).冶金处理作用3).改进工艺性能42第42页第42页第一章焊接化学冶金2.熔渣成份和分类熔渣成份和分类1).熔渣成份熔渣成份：大体由氧化物、氯化物、氟化物、硼酸盐类构成是各种化学构成复杂体系。2).熔渣分为三类熔渣分为三类第一类氧化物型第二类盐氧化物型第三类盐型43第43页第43页第一章焊接化学冶金（二）熔渣结构理论（二）熔渣结构理论液态熔渣结构有两种理论：分子理论分子理论和离子理论离子理论 分子理论可简明定性为解释熔渣与金属之间冶金反应,但不能解释一些主要现象，如导电性、电解等。44第44页第44页第一章焊接化学冶金1.分子理论：分子理论：1).液态熔渣由自由氧化物及其复合物分子构成液态熔渣由自由氧化物及其复合物分子构成2).氧化物之间成盐反应服从质量作用定律氧化物之间成盐反应服从质量作用定律 当Tk自由氧化物浓度复合物浓度熔渣活性Tk自由氧化物浓度复合物浓度熔渣活性45第45页第45页第一章焊接化学冶金3).只有自由氧化物才干与金属作用只有自由氧化物才干与金属作用4).各氧化物之间化学亲和力可近似用生成各氧化物之间化学亲和力可近似用生成复合物时热效应来衡量复合物时热效应来衡量46第46页第46页第一章焊接化学冶金5).液态熔渣是抱负熔体液态熔渣是抱负熔体-服从抱负溶液定律服从抱负溶液定律 分子理论可简明定性解释熔渣与金属之间冶金反应,但不能解释一些主要现象，如导电性、电解等。47第47页第47页第一章焊接化学冶金2.离子理论：离子理论：1).熔滴是由简朴和复杂离子构成中性溶液负电性大元素以负离子形式存在负电性小元素以正离子形式存在 碱性渣中 少，氧以自由氧离子形式存在酸性渣中SiO2多，形式复杂离子.之间形成离子团，极性键结合.48第48页第48页第一章焊接化学冶金2).离子分布，汇集和互相作用取决于它综离子分布，汇集和互相作用取决于它综合矩合矩 综合矩综合矩=Z/r r=Z/r r=其子其子ZZ离子电荷（静电单位）离子电荷（静电单位）rr离子半径离子半径离离子子综综合合矩矩越越大大，静静电电场场愈愈强强，与与其其它它离离子子作作用用力力愈愈大大综合矩综合矩如如 综合矩最大综合矩最大负离子综合矩最大.两者可结合成或更复杂离子当综合矩r综合矩49第49页第49页第一章焊接化学冶金盐型简朴结构均匀溶液，氧化型熔渣含有复盐型简朴结构均匀溶液，氧化型熔渣含有复杂网状，结构化学成份更不均匀离子溶液，杂网状，结构化学成份更不均匀离子溶液，盐盐氧化物型比较复杂化学成份微观不均离氧化物型比较复杂化学成份微观不均离子溶液。子溶液。3).3).液液态态熔熔渣渣与与金金属属之之间间互互相相作作用用过过程程是是原原子子与与离离子子互互换电荷过程换电荷过程离子理论离子理论分子理论分子理论由于离子互换电荷、运动、形成电流由于离子互换电荷、运动、形成电流.50第50页第50页第一章焊接化学冶金（三）熔渣性质与其结构关系1.1.熔渣碱度熔渣碱度分子理论认为熔渣中氧化物按其性质可分为三类1).酸性氧化物 SiO2 TiO2 P2O52).碱性氧化物 K2O Na2O CaO MgO BaO MnO FeO3).中性氧化物 Al2O3 Fe2O3 Cr2O351第51页第51页第一章焊接化学冶金依据分子理论碱度定义为：B=(R 2O+RO)/RO2R 2O、RO熔渣中碱性氧化物摩尔分数 RO2 熔渣中酸性氧化物摩尔分数碱度B倒数称为酸度B11碱B11.3碱B11酸B11中52第52页第52页第一章焊接化学冶金离子理论对碱度定义液态熔渣中自由氧离子浓度定义为碱度.B2=aiMiMi渣中第i种氧化物摩尔分数;ai-渣中第i种氧化物碱度系数;B20碱B2 0 酸B2=0中53第53页第53页第一章焊接化学冶金式中CaO、MgO、CaF2、SiO2等以质量百分数计B11碱B11酸B11中54第54页第54页第一章焊接化学冶金2.熔渣粘度熔渣粘度(1)温度对粘度影响长渣:T短渣:(2)熔渣成份对粘度影响CaFCaF2 2 CaO SiO2CaO SiO255第55页第55页第一章焊接化学冶金3.3.熔渣表面张力熔渣表面张力实际气相与熔渣间界面张力.键能越大表面张力越大.金属键:K2O Na2O CaO MgO BaO MnO FeO共价键:SiO2 TiO2 P2O556第56页第56页第一章焊接化学冶金4.4.熔渣熔点熔渣熔点药皮熔点药皮熔点:药皮熔化温度药皮熔化温度熔渣熔点熔渣熔点:固态熔渣熔化温度固态熔渣熔化温度焊接钢熔点在焊接钢熔点在1150-13501150-135057第57页第57页第一章焊接化学冶金二、活性熔渣对焊缝金属氧化二、活性熔渣对焊缝金属氧化（一）扩散氧化L=(FeO)/FeO TL饱和SiO2lgL=4906/T1.877饱和CaOlgL=5014/T1.98058第58页第58页第一章焊接化学冶金（二）置换氧化(SiO2)+2FeSi+2FeOT反应向右进行lgKSi=(FeO)2Si/(SiO2)=13460/T+6.04(MnO)+Fe=Mn+FeOlgKMn=(FeO)Mn/(MnO)=6600/T+3.1659第59页第59页第一章焊接化学冶金AF=SiO2+042B12(MnO)/100B1AF0.6高活性AF=0.30.1低活性AF=0.60.3活性能AF0.1惰性60第60页第60页第一章焊接化学冶金三、焊缝金属脱氧三、焊缝金属脱氧（一）脱氧目的和选择脱氧原则（二）先期脱氧药皮反应区Fe2O3+Mn=MnO+2FeOCaCO3+Mn=CaO+CO+MnO61第61页第61页第一章焊接化学冶金（三）沉淀脱氧1 Mn脱氧Mn+FeO=Fe+(MnO)K=aMnO/aMn.aFeO=MnO.(MnO)/aMn.aFeO62第62页第62页第一章焊接化学冶金2Si脱氧Si+2FeO(SiO2)+2Fe3Si/Mn联合脱氧63第63页第63页第一章焊接化学冶金（四）扩散脱氧L=(FeO)/FeO TL64第64页第64页第一章焊接化学冶金四、焊缝金属中硫和磷控制四、焊缝金属中硫和磷控制（一）焊缝中硫危害及控制（一）焊缝中硫危害及控制1.硫危害2.控制硫办法（1）限制焊接材料中含硫量（2）用冶金办法脱硫65第65页第65页第一章焊接化学冶金碱性焊条脱硫碱性焊条脱硫(CaO)FeS(CaS)(FeO)(MnO)FeS(MnS)(FeO)脱硫剂：碱性氧化物、锰脱硫Mn+Fes=(MnO)+FeLgK=8220/T1.86TK有助于脱硫(MgO)FeS(MgS)(FeO)66第66页第66页第一章焊接化学冶金（二）焊缝中磷危害及控制（二）焊缝中磷危害及控制1.磷危害 2.控制磷办法（1）限制焊接材料中含磷量（2）脱硫反应a）.FeO将磷氧化生成P2O5b）.使之与渣中碱性氧化物生成稳定磷酸盐2Fe3P+5(FeO)+3(CaO)=(CaO)3.P2O3+11Fe2Fe3P+5(FeO)+4(CaO)=(CaO)4.P2O3+11Fe67第67页第67页第一章焊接化学冶金 1-4 1-4 合金过渡合金过渡一、合金过渡目的及方式一、合金过渡目的及方式（一）目的:补尝;改进;特殊性能（二）方式：1.应用合金焊丝或带极 2.应用药芯焊丝或药芯焊条 3.应用合金药皮或粘结焊剂 4.应用合金粉未68第68页第68页第一章焊接化学冶金二、合金过渡过程理论分析二、合金过渡过程理论分析（一）合金剂过渡方式合金渣液渣液界面液态金属中溶解扩散搅拌均匀.(二）在合金过渡过程中各阶段作用Kb0.4熔滴过渡为主Kb0.4熔池过渡为主69第69页第69页第一章焊接化学冶金70第70页第70页第一章焊接化学冶金（三）合金过渡时物质平衡Md=M0(Msl+Mxo)Md过渡到熔敷合金量;M0原始加入量Msl残留损失Mxo氧化损失71第71页第71页第一章焊接化学冶金三、合金过渡系数用及其影响原因三、合金过渡系数用及其影响原因（一）合金过渡系数（一）合金过渡系数式中Cd-合金元素在熔敷金属中含量Ce-合金元素原始含量Cco-合金元素在药皮中含量Ccw-在焊芯中含量72第72页第72页第一章焊接化学冶金（二）影响过渡系数原因（二）影响过渡系数原因1.合金元素物化性质Cu、Ni、Co、Fe、W、Mo、Cr、Mn、V、Si、Ti、Zr、Al在1600各种合金元素对氧亲和力 由左到右增强 2.合金元素含量合金元素含量,但增长一定期,趋于定值.3.合金剂粒度 4.药皮成份药皮或焊剂氧化势合金元素与其氧化物共存时,合金元素与其氧化物与渣酸碱性相同时,5.药皮重量系数 Kb 73第73页第73页第一章焊接化学冶金本章小结本章小结本章以手工电弧焊焊接低碳钢和低合金钢冶金问题为重点，从热力学角度来阐明焊接化学冶金普通规律。也讨论了熔渣对金属作用、合金过渡几种形式及影响原因74第74页第74页第一章焊接化学冶金思考题1.焊接化学冶金与炼钢相比，在原材料方面和反应条件方面主要有哪些不同？2.调控焊缝化学成份有哪两种手段？它们怎样影响焊缝化学成份？3.焊接区内气体主要起源是什么？它们是怎样产生？75第75页第75页第一章焊接化学冶金4.为何电弧焊时熔化金属含氮量高于它正常溶解度？5.氮对焊接质量有哪些影响？控制焊缝含氮量主要办法是什么？6.手弧焊时，氢通过哪些路径向液态铁中溶解？写出溶解反应及规律？7.氢对焊接质量有哪些影响？8既然伴随碱度增长水蒸气在熔渣中溶解度增大，为何在低氢型焊条熔敷金属中含氢量反而比酸性焊条少？76第76页第76页第一章焊接化学冶金9.综合分析各种原因对手工电弧焊时焊缝含氢量影响。10.今欲制造超低氢焊条问设计药皮配方时应采用什么办法？11.氧对焊接质量有哪些影响？应采用什么办法减少焊缝含氧量？12.保护焊焊接低合金钢时，应采用什么焊丝？为何？13.在焊接过程中熔渣起哪些作用？设计焊条、焊剂时应主要调控熔渣哪些物化性质？为何？77第77页第77页第一章焊接化学冶金14.测得熔渣化学成份为：CaO41.94%、28.34%、23.76%、FeO5.78%、7.23%、3.57%、MnO3.74%、4.25%，计算熔渣碱度和，并判断该渣酸碱性。15.已知在碱性渣和酸性渣中各含有15%FeO，熔池平均温度为1700，问在该温度下平衡时分派到熔池中FeO量各为多少？为何在两种情况下分派到熔池中FeO量不同？为何焊缝中实际含FeO量远小于平衡时含量？78第78页第78页第一章焊接化学冶金16.既然熔渣碱度越高，其中自由氧多，为何碱性焊条焊缝含氧量比酸性焊条焊缝含氧量低？17.为何焊接高铝钢时，即使焊条药皮中不含硅，只是由于用水玻璃作粘结剂，焊缝还会严重增硅？18.综合分析熔渣中在焊接化学冶金过程是所起作用。19.综合分析熔渣碱度对金属氧化、脱氧、脱硫、脱磷、合金过渡影响。79第79页第79页第一章焊接化学冶金本章结束本章结束80第80页第80页