焊接化学冶金1.pptx

第一章 焊接化学冶金,焊接冶金学,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,第,2,章,焊接化学冶金,1/141,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,主要内容,2/141,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相互作用过程。,关键点：各种物质包含气体、液态金属、熔渣。,焊接化学冶金过程特点,3/141,普通化学冶金过程和焊接化学冶金过程对比,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，焊接时焊缝相当高炉。,二者共同点,：金属冶炼加工4/141,不一样点：,1,）原材料不一样,普冶材料：矿石、焦炭、废钢铁等。,焊金材料：焊条、焊丝、焊剂等。,2,）目标不一样,普冶：提炼金属；,焊冶：对金属再熔炼，以满足构件性能,5/141,2.1,焊接化学冶金特殊性,一、保护必要性,（,1,）预防熔化金属与空气发生激烈相互作用，降低焊缝金属中氧和氮含量。,（,2,）预防有益合金元素烧损和蒸发而降低，使焊缝得到适当化学成份。,（,3,）预防电弧不稳定，防止焊缝中产生气孔。,焊接化学冶金,首要任务,就是,对焊接区内金属加强保护，以免受空气有害作用。,6/141,低碳钢焊材熔敷金属成份及性能改变,7/141,二、焊接过程中对熔融金属保护,1气渣联合保护,焊条电弧焊,2,、渣保护,埋弧焊,3,、气保护,TIG,焊,CO,2,MIG,焊,4,、真空保护,电子束焊,5,、自保护,保护方式,8/141,20921-2a,2.1.2焊接化学冶金反应区,图2-3焊接化学冶金反应区,药皮反应区熔滴反应区熔池反应区药皮开始反应温度,焊条端部熔滴温度弧柱中部熔熵温度,熔池最高温度熔池最低温度,9/141,20921-2a,2.1.2焊接化学冶金反应区,1.药皮反应区,(1)水分蒸发当药皮被加热时，其吸附水开始蒸发，直到温度超出100时，吸附水全部蒸发；当温度超出200400时，药皮中白泥、云母等组成物中结晶水将被去除，而化合水则需在更高温度下才能析出。,(2)一些物质分解当药皮受热到达一定温度时，其中纤维素、木粉和淀粉等有机物开始分解和燃烧，形成CO,2,、CO及H,2,等气体。,10/141,(3)铁合金氧化以上所述因水分蒸发和一些物质分解所形成H,2,O、CO,2,和O,2,等氧化性气体，会对被焊金属和药皮中铁合金(如锰铁、硅铁和钛铁等)造成很强氧化作用，从而使气相氧化性大大降低，即实现了所谓先期脱氧。,11,11/141,20921-2a,2.1.2焊接化学冶金反应区,2.熔滴反应区,(1)反应温度高在钢材电弧焊中，熔滴活性斑点处温度靠近焊芯材料沸点，高达2800左右。,(2),相接触面积大正常焊接条件下，熔滴比较细小，其比表面积可达,1000,10000cm,2,/kg,，比炼钢时大,1000,倍左右，故熔滴与气体和熔渣接触面积很大。,12/141,(3),反应时间短熔滴在焊条末端停留时间仅为,0.01,0.1s,，熔滴以高达,2.5,10m/s,速度穿过弧柱区时间更短，只有,0.0001,0.001s,。,(4)相混合强烈在熔滴形成、长大及过渡过程中，因为受到各种力作用，其形状不停改变，造成局部表面发生收缩或扩张，使熔滴表面上渣层发生破坏而相互混合，甚至被熔滴金属所包围，故熔滴与熔渣发生了强烈混合作用。,13,13/141,20921-2a,2.1.2焊接化学冶金反应区,3.熔池反应区,(1)反应速度低与熔滴相比，熔池平均温度较低，约为16001900；熔池比表面积较小，约为3001300cm,2,/kg；熔池存在时间稍长，但也不超出几十秒，如焊条电弧焊时为38s，埋弧焊时为625s。,14/141,20921-2a,2.1.2焊接化学冶金反应区,(2)反应不一样时熔池温度分布极不均匀，其前部温度比后部高。,(3)含有一定搅动作用在气流、等离子流以及因为熔池温度分布不匀造成液态金属密度差异和表面张力差异等原因综合作用下，熔池中液态金属会发生有规律对流和搅动，有利于加紧反应速度，也为气体和非金属夹杂物外逸创造了条件。,15/141,反应不平衡性,复杂高温多相系统,液态金属,熔渣,电弧气氛,焊接区内不等温条件整个系统不可能平衡,系统个别反应：短暂平衡,.,16/141,2-2,气相与金属作用,一、焊接区内气体,（一）气体起源和产生,气体起源,焊接材料、保护气体,焊材表面和母材坡口附近吸附水、油、锈及氧化铁皮等,物质蒸发,100,：吸附水蒸发,400-600,：焊条药皮中组分如白泥和云母中结晶水被排除。,电弧高温：金属元素和熔渣中各种成份发生蒸发，如,Fe,Mn,及氟化物等,有机物分解和燃烧,碳酸盐和高价氧化物分解,17/141,有机物分解和燃烧,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：,CO,2CO,H,2,18/141,碳酸盐：,CaCO,3,、,MgCO,3,、,CaMg(CO,3,),2,作用：焊条造气剂,分解：,CaCO,3,分解温度为,545,，猛烈分解温度为,910,；,MgCO,3,分解温度为,325,，猛烈分解温度为,650,。,分解产物：,CO,2,CO,H,2,高价氧化物：,Fe,2,O,3,和,MnO,2,O,2,和低价氧化物,FeO,和,MnO,碳酸盐和高价氧化物分解,19/141,20,图2-4不一样物质对碳酸钙分解度影响(加热速度为30/s),1CaC2CaC+Ca3CaC+Ti4CaC+Si,5CaC+NC(百分比11)6CaC+Ca+Ti+NC(百分比1221),7CaC+Ca+Ti(百分比122),20/141,20921-2a,物质蒸发及冶金反应,表2-4一些惯用金属和氟化物沸点,物质,Zn,Mg,Pb,Mn,Cr,Al,Ni,Si,Cu,Fe,沸点/,907,1126,1740,2097,2222,2327,2459,2467,2547,2753,物质,Ti,C,Mo,Al,KF,LiF,NaF,Ba,Mg,Ca,沸点/,3127,4502,4804,1260,1500,1670,1700,2137,2239,2500,21/141,成份：,金属及熔渣蒸气,直接输入或侵入,22/141,双原子气体分解度与温度关系,CO,2,分解时气相平衡成份与温度关系,气体高温分解,简单气体分解：,N,2,、,H,2,、,O,2,和,F,2,复杂气体分解：,CO,2,和,H,2,O,23/141,气相成份,焊接区经常同时存在各种气体，之间存在复杂反应。,经典反应：,焊接方法,焊条,/,焊剂,CO,CO,2,H,2,H,2,O,N,2,SMAW,钛钙型,50.7,5.9,37.7,5.7,SMAW,纤维素型,42.3,2.9,41.2,12.6,SMAW,低氢型,79.8,16.9,1.8,1.5,SAW,330,86.2,9.3,4.5,SAW,431,89-93,7-9,气泡逸出速度形成气泡,35/141,3,、促使焊缝金属时效脆化,焊缝中氮处于过饱和不稳定态,随时间延长，过饱和,N,析出,形成,Fe,4,N,强度，塑性，韧性,焊缝金属中，,Ti,、,Al,、,Zr,能够抑制或消除时效现象,比如：,15MnVN,V,：,V,改变氮化物形态，使之弥散点状分布,N,：微量，起到强化作用,36/141,2.5.1,影响原因及控制办法,1,、焊接区保护,N,一旦进入液态金属脱氮比较困难,主要办法加强保护、预防空气与金属作用,2,、焊接工艺参数,采取短弧焊,增加焊接电流,直流正接好于交流，好于直流反接,增加焊丝直径,N%,，多层焊,单层焊,N%,，小直径焊条,大直径焊条,-,+,直流正接,（直流负极性）,37/141,2.5.1,影响原因及控制办法,3,、合金元素,增加含碳量可降低焊缝含氮量,C,降低了,N,在,Fe,中溶解度,CO,、,CO,2,降低了气相中氮分压,C,氧化引发熔池沸腾，利于,N,2,逸出,Ti,、,Al,、,Zr,和,RE,与,N,有较大亲和力，可形成稳定氮化物，且不溶于液态钢,与,O,有较大亲和力，降低气相中,NO,含量,38/141,氢对金属作用,起源：,焊接材料中水分,含氢物质,电弧周围空气中水蒸气,依据氢与金属作用,能形成稳定氢化物金属,Zr,、,Ti,、,V,、,Ta,、,Nb,固态下吸收大量氢,不形成稳定氢化物金属,Al,、,Fe,、,Ni,、,Cu,、,Cr,、,Mo,不过氢能够溶于这类金属及其合金中,应用广泛,重点讨论,39/141,2.5.2,氢在金属中溶解,溶解过程与焊接方法相关,气体保护焊：气,/,液金属界面，,H,2,，,H,，,H,+,电渣焊、电渣熔炼：渣,/,液金属界面,手工电弧焊、埋弧焊：二者兼而有之,氢从熔渣中向金属中过渡,(),表示在熔渣中,表示在金属中,H,能够进入液相,OH,不溶于液态金属,40/141,2.5.2,氢在金属中扩散,焊缝（固态金属）中氢存在形式,H,、,H,+,、,H,能够在金属晶格中自由扩散氢,扩散氢：,80-90%,聚集在杂质、微裂纹、晶格缺点氢,残余氢,焊后伴随放置时间增加：,扩散氢降低,残余氢增加,总氢量下降,41/141,42H (cm,3,/1oog),T(,o,C),总氢量,扩散氢,残余氢,42/141,2.5.2,氢在金属中扩散,熔敷金属中扩散氢含量（,cm,3,/100g,）,焊后用标准方法测定并换算为标准状态下含氢量,测定标准方法,甘油法,GB3965-83,色谱法,水银法,43/141,2.5.2,氢在金属中扩散,扩散氢分布,氢沿焊接接头横断面分布,H (cm,3,/100g),44/141,2.5.2,氢对焊接质量影响,熔焊时，进入焊缝和热影响区中氢将对接头产生危害。,1,、氢气孔,2,、氢白点,3,、氢脆,4,、氢致裂纹,焊缝中形成,焊缝和热影响区中形成,45/141,2.5.2,氢对焊接质量影响1,、,氢气孔,形成原因：,熔池液态金属中溶解较多氢,冷却凝固后，氢在固液相中溶解度突变,T(,o,C),H (cm,3,/1oog),46/141,2.5.2,氢对焊接质量影响,V,金属结晶长大,V,气泡逸出,多出氢将在液固界面处形成气泡,固液相中溶解度差异越大，越易形成氢气孔,平衡态：氢气孔敏感性,AlFeNi,非平衡态：凝固前后溶解度差异更大,47/141,2.5.2,氢对焊接质量影响,2,、氢白点,氢白点：碳钢和低合金钢焊缝金属中含氢量较多时，在拉伸或弯曲试件断面上，出现光亮圆形局部脆性断裂点,直径,0.5,0.3mm,，白点周围为延性断口,多数情况，白点中心有气孔或夹杂物,实质：拉伸或弯曲延性变形过程中，在焊缝金属中局部产生氢脆现象。,48/141,2.5.2,氢对焊接质量影响,3,、,氢脆,焊缝和热影响区中有氢存在时，将会降低其延性，产生氢脆,焊接接头不一样部位氢脆敏感性与组织种类相关,奥氏体纯铁素体铁素体珠光体低碳马氏体贝氏体索氏体托氏体高碳马氏体,降低熔敷金属碳含量,母材含碳量过高时，需降低母材金属稀释率,49/141,2.5.2,氢对焊接质量影响,4,、产生冷裂纹,Hgdrogen induced Crack,Hydrogen-assisted Crack,危害严重,主要原因：,钢种淬硬倾向,焊接接头含氢量及其分布,接头所承受拘束应力状态,后续课程中重点研究,50/141,2.5.2,控制氢办法,限制起源,70,烘干,少用或不用含结晶水原料制造焊条,焊前严格去除油锈,冶金处理,氟化物有去氢作用，如,CaF,2,提升氧化势,:CO,2,+H=CO+OH,稀土、稀散元素，深入去氢：碲、钇,51/141,2.5.2,控制氢办法,焊接规范,很大不足,熔滴过渡小,电流种类和极性（直流反接比很好）,脱氢处理,焊后将焊件加热到一定温度促使氢扩散外逸,焊件加热到,350,o,C,保温,1h,52/141,2.5.3,氧对金属作用,依据氧与金属作用,不溶解氧，但焊接时发生激烈氧化金属,Mg,、,Al,等,能有限溶解氧，同时焊接过程中也发生氧化金属,Fe,、,Ni,、,Cu,、,Ti,等,生成金属氧化物能溶解于对应金属中,主要研究,FeO,53/141,2.5.3,氧在金属中溶解,氧以,原子氧,和,FeO,两种形式溶于液态铁中,氧在液态铁中溶解度伴随温度升高而增大,铁冷却过程中，氧溶解度急剧下降,液态铁中氧溶解度与温度关系,54/141,2.5.3,氧在金属中溶解,当液态铁中有第二相合金元素时，伴随合金元素含量增加，氧溶解度下降,焊缝金属和钢中所含氧,氧化物（,FeO,、,SiO,2,、,MnO,）,硅酸盐夹杂,C,Me,(%),S,o,(%),合金元素浓度,C,Me,对液态铁中氧溶解度影响,(1600,o,C),55/141,2.5.3,氧对焊接质量影响,氧在焊缝中不论以何种形式存在，对焊缝性能都有很大影响。随氧含量提升：,焊缝强度、塑性、韧性都显著下降,尤其是低温冲击韧度急剧下降,热脆：在某一温度出现脆硬相，,350,400,o,C,冷脆：析出相硬，形态不好,时效硬化：析出相使基体强化,CO,在熔池凝固时来不及逸出，形成气孔,烧损有益合金元素,影响焊接过程稳定性,56/141,2.5.3,氧对焊接质量影响,必须指出，焊接材料含有氧化性并不是在全部情况下都是有害,为了降低焊缝含氢量，改进电弧特征，取得必要熔渣物理化学性能，在焊接材料中有时要有意加入一定量氧化剂,57/141,2.5.3,控制氧办法,鉴于氧有害作用，必须控制焊缝氧含量,纯化焊接材料,选取不含氧或含氧少焊接材料,比如，采取高纯度惰性气体作为保护气体，采取低氧、无氧焊条、焊剂，乃至真空室中焊接,控制焊接工艺参数,很有限,电弧电压,U,，空气侵入电弧，焊缝含氧增加,采取短弧焊,脱氧,冶金方法脱氧,最有效,58/141,2.5.3,氧化还原反应,金属氧化还原方向判据,(,物理化学,),金属氧化,氧化性气体对金属氧化,活性熔渣,扩散氧化,置换氧化,铁锈、氧化皮,脱氧,分阶段脱氧,Mn,、,Si,脱氧,氧化方式,59/141,3,、,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,60/141,（二）、焊缝金属中氢及其扩散,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（剩下氢）：氢原子扩散聚集到金属晶格缺点，显微裂纹和非金属夹杂物边缘空隙中，结合成份子不能自由扩散。,总含氢量,=,扩散氢剩下氢,61/141,（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),、氢脆,氢在室温附近，氢溶解在金属晶格中，引发钢塑性严重下降现象,62/141,2),、白点,肉眼可见，直径,0.5,3mm,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：,白点是在塑性变形阶段产生。,“,诱捕理论,”,解释：,焊缝中气孔及非金属夹杂物边缘空隙,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,”,中氢分子被吸附,.,因为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,引发金属脆化。,63/141,3),、气孔,4),、组织改变和显微斑点,焊缝金属,A,M,时，因为氢在,A,有较大溶解度，当含氢量高焊缝自,A,化，温度冷却时，引发局部,A,过冷残余,A,增加，残余,A,M,时，富氢组织内产生大内应力，造成显微裂纹,5),、产生冷裂纹,64/141,（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,65/141,四、氧对金属作用,（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,气相中氧化气体与金属相互作用,1).,自由氧对金属氧化,2).CO,2,对金属氧化,3).H,2,O,气对金属氧化,4).,混合气体对金属氧化,66/141,（三）氧对焊接质量影响,1).,机械性能下降,2).,化学性能变差,3).,产生气孔,CO,合金元素烧损,4).,工艺性能变差,（四）预防办法,一防二脱,67/141,第二节,焊接区内气体一、焊接区气体,（一）气体起源,焊接材料：,焊接区内气体主要起源于焊接材料。,焊条药皮、焊剂及焊丝药芯中都含有造气剂。,热源周围气体介质,：热源周围空气是难以防止气体起源，而焊接材料中造气剂所产生气体，不能完全排除焊接区内空气。,焊丝和母材表面上杂质：,焊丝表面和母材表面杂质，如铁锈、油污、氧化铁皮以及吸附水等，在焊接过程中受热而析出气体进入气相中。,68/141,(,二,),气体产生,除直接输送和侵入焊接区内气体外，,焊接过程中所进行物化反应也产生气体。,1,有机物分解和燃烧,2,碳酸盐和高价氧化物分解：,碳酸盐分解,CaCO,3,CaO,CO,2,MgCO,3,MgO,CO,2,高价氧化物分解,：,6Fe,2,O,3,4Fe,3,O,4,O,2,；,2Fe,2,O,3,6FeO,O,2,4Mn,2,O,3,2Mn,3,O,4,O,2,；,6Mn,2,O,3,4Mn,3,O,4,O,2,3,材料蒸发：,电弧高温作用下,焊接材料中水分、金属元素和熔渣各种成份发生蒸发，形成蒸气。,纤维素热分解反应为：,69/141,(,三,),气体分解,1.,简单气体分解,双原子气体,G,2,分解反应通式：,G,2,2G,设气体,G,2,原始分子数为,n,0,，已分解分子数为,n,，则平衡气体分解度为,=n/n,0,，,若气体,G,2,分解后混合气体总压力为,p,0,，则分解度,可表示为,平衡常数可表示为：,G,2,2G,n,o,0,n,o,n 2n,70/141,2.CO,2,和,H,2,O,等复杂气体分解,升高温度,CO,2,可分解生成,CO,和,O,2,，,使气相氧化性增加。,水蒸气分解比较复杂，,分解产物有,H,2,、,O,2,、,H,、,O,不但增加了气相氧化性，而且增加了气相中氢分压，,使焊缝金属增氧和增氢,。,71/141,(,三,),气相成份和分布,3,焊接方法对气相成份和数量影响,低氢型焊条手工电弧焊接时，气相含,H,2,和,H,2,O,少，称,“,低氢型,”,；,埋弧焊时，气相中含,CO,2,和,H,2,O,极少，氧化性较小；,焊条电弧焊时气相氧化性相对较大。,72/141,焊接碳钢时冷至室温时气相成份,73/141,对焊接质量影响较大气体为：,N,2,、,H,2,、,O,2,、,CO,2,、,H,2,O,与金属作用表现为两种类型：,气体在金属中溶解,气体与金属化学反应,74/141,二、氮对金属作用,焊接时电弧气氛中氮主要起源是周围空气。,焊接时,空气中氮总是或多或少地会侵入焊接区，与熔化金属发生作用,。,按照氮与金属作用特点，可将金属分为两类：,不与氮发生作用金属,，如,Cu,、,Ni,、,Ag,等，它们既不溶解氮，又不形成氮化物。焊接这类金属时，,能够使用氮作为保护气体,；,与氮发生作用金属,，如,Fe,、,Ti,、,Cr,等。它们既能溶解氮，又能与氮形成稳定氮化物。所以焊接这类金属时，预防焊缝金属氮化非常主要。,75/141,（一）氮在金属中溶解,1.,溶解过程：气体溶解反应分为以下四个阶段：,（,1,）气体分子向气体与金属两相界面处运动；,（,2,）气体分子被金属表面吸附；,（,3,）在金属表面上，气体分子分解为原子；,（,4,）气体原子穿过金属表面层，并向金属内部扩散。,氮在金属中溶解反应为,：,N,2,2N,2.,溶解度,S,N,（溶解平方根定律）：,降低气相中氮分压就能够降低金属中含氮量,76/141,氮和氢在铁中溶解度与温度关系,(,P,N2,+,P,金,=,10l kPa(1atm),3.,氮在铁中溶解度与温度关系：,溶解度随温度升高而增大。,T=,2200,时，氮溶解发到达最大值。,继续升高温度，氮溶解度急剧下降,T=,2750,时，氮溶解度为零。,加入,C,、,Si,、,Ni,会降低氮溶解度；,加入,V,、,Nb,、,Cr,会增加氮溶解度,。,77/141,4.,电弧焊时气体溶解过程复杂,含,N,量高原因（与,纯化学溶解相比,）：,电弧中受激,N,2,，尤其是氮原子比没有受激,N,2,溶解速度高；,电弧中氮离子可在阴极溶解；,氧化性电弧气氛中形成,NO,，碰到温度较低液态金属时又分解为,N,和,O,，,N,会快速溶于金属中。,78/141,（二）氮对焊接质量影响,1,促使焊缝产生气孔,：液态金属在高温时能够溶解大量氮，凝固结晶时氮,溶解度突然下降,，过饱和氮以气泡形式从熔池中逸出，若焊缝金属,结晶速度大于氮逸出速度,时，就形成气孔。,2,氮是提升低碳、低合金钢焊缝强度，降低塑性和韧性元素。,假如熔池中含有比较多氮，一部分氮将以,过饱和形式,存在于固溶体中；另一部分氮则以,针状氮化物,Fe,4,N,形式,析出，分布于晶界或晶内，因而使焊缝金属强度、硬度升高，而塑性、韧性，尤其是低温韧度急剧下降。,79/141,3,氮是促使焊缝金属时效脆化元素,：焊缝金属中过饱和氮处于不稳定状态，伴随时间延长，过饱和氮逐步析出，,形成稳定碳氮化物,Fe,4,N,，因而使焊缝金属强度增加、塑性、韧性降低。,4,氮能够作为合金元素加入钢中,。在焊缝金属中加入能形成稳定氮化物元素，如,RE,、,A1,、,Ti,、,Zr,等，能够抑制或消除时效现象。,80/141,（三）控制焊缝合氮量办法,1,加强焊接区保护,（,1,）焊条药皮保护作用，取决于药皮成份和数量。,K,b,增大，,S,N,下降，当,K,b,40,，,S,N,0.040.05%,，下降不显著。,当药皮中加入造气剂，形成气渣联合保护，使,S,N,降到,0.02,。,（,2,）药芯焊丝保护效果，取决于保护成份含量和形状系数。,形状系数增大，保护效果好。,形状系数：,单位长度药芯焊丝腔体内金属带重量与外壳金属带重量比值。,81/141,2,焊接工艺参数影响1,）,U,（电弧长度,），氮能够与熔滴作用时间,，,S,N,，应尽可能采取短弧焊。,（,2,）,I,，,熔滴过渡频率,f,熔滴阶段作用时间,S,N,。,直流正极性焊接时焊缝含氮量比反极性,(,焊条接正极，工件接负极,),时高。,（,3,）焊接速度,对,焊缝含氮量影响不大,。,（,4,）增加,焊丝直径,，熔滴变粗，焊缝含氮量下降。,（,5,）,多层焊,时焊缝含氮量比单层焊时高，这与氮逐层积累相关。,82/141,3,利用合金元素控制焊缝合氮量：,(1),增加焊丝或药皮中含碳量可降低焊缝含氮量，,其原因是：,a),碳能够降低氮在铁中溶解度。,b),碳氧化生成,CO,、,CO,2,加强保护作用，降低了氮分压。,c),碳氧化引发熔池沸腾，有利于氮逸出。,(2)Ti,、,A1,、,Zr,和稀土元素对氮有较大亲协力，能形成稳定氮化物。,而且这些氮化物不溶于铁水，而进入熔渣中。这些元素对氧亲力也很大，所以，可降低气相中,NO,含量，这在一定程度上降低了焊缝含氮量。,83/141,三、氢对金属作用,（一）氢在金属中溶解,1,按照氢与金属作用特点，将金属划分为两类：,1),能形成稳定氢化物金属 如,Zr,、,Ti,、,V,、,Ta,、,Nb,等。,特点是：,金属吸收氢反应是,放热反应,，温度较低时吸氢量多；温度较高时吸氢量少。,当吸氢量较多时，可形成氢化物,（,ZrH,、,TiH,、,VH,TaH,、,NbH,）；当温度超出氢化物保持稳定临界温度时，氢化物发生分解、氢则扩散逸出；,当,吸氢量较少时，这类金属与氢可形成固溶体,。,2),不能形成稳定氢化物金属,如,A1,、,Fe,、,Ni,、,Cu,、,Cr,、,Mo,等。氢能够溶解于这类金属及其合金中，溶解反应为,吸热反应,。,84/141,2,氢溶解路径与焊接方法相关：,（,1,）气体保护焊时，,氢是经过气相与液态金属界面,，以原子或质子形式溶入金属；,（,2,）电渣焊时，氢是经过,熔渣层,溶入金属；,（,3,）手工电弧焊和埋弧焊时，氢溶入是上述,两种路径,综合结果。,含自由氧离子酸碱性渣：,对于不含自由氧离子：,若渣中含有氟化物,，,3,溶解于渣中,H,以,OH,离子形式存在,85/141,4 H,从熔渣中向金属中过渡发生化学反应,:,5 H,溶解平方根定律,86/141,(2),合金影响：,C,、,Si,、,A1,可降低氢在液态铁中溶解度；,Ti,、,Zr,、,Nb,及稀土元素能够提升氢溶解度；,Mn,、,N,、,Cr,、,Mg,影响不大；,O,可降低金属对氢吸附，降低氢在液态铁中溶解度。,(3),组织：,在奥氏体中，氢溶解度大；在珠光体钢，氢溶解度小。,P244,6,影响溶解度原因,温度：,熔滴阶段吸收氢比熔池阶段多。,在金属沸点温度时，氢溶解度为,0,。,在金属相变点，氢溶解度发生突变,易形成气孔、裂纹等焊接缺点。,87/141,（二）焊缝金属中氢及其扩散,1,存在形式：,氢以,H,、,H,+,、,H,-,存在，在焊缝中形成间隙固溶体。,扩散氢：,氢原子及离子半径很小，能够在焊缝金属晶格中自由扩散，故被称为,扩散氢,。,残余氢：,氢扩散到金属晶格缺点、显微裂纹或非金属夹杂物边缘微小空隙中时，结合成氢分子，因为分子半径大而不能自由扩散，被称为,残余氢,。,2 H,扩散,焊缝金属放置时间越长，扩散氢越降低，残余氢越增加，而焊缝总氢量下降。,3 H,扩散形式：,浓度扩散：,H,由浓度高焊缝向热影响区扩散,热扩散：,类金属从低温（饱和度大）向高温扩散（饱和度低），与浓度扩散相反。,应力诱导扩散：,类金属发生相变、产生应力，应力存在使,H,向拉应力大方向扩散，,H,向焊缝根部及焊缝边界应力集中区扩散。,88/141,4 H,测量,测氢方法有水银法、甘油法、气相色谱法和排液法。熔敷金属扩散氢含量是,试样经焊接后、马上冷却，按照测氢标难要求方法测定并换算成标准状态下含氢量,。,5 H,分布,氢沿焊缝长度方向分布不均匀。,氢不但在焊缝中存在，还向近缝区中扩散，而且扩散深度较大,。,图,1-29,氢在焊接接头横断面上分布,1-,低碳钢，碱性焊条,2-,低碳钢，钛型焊条,3-30CrMnSi,钢，铁素体焊缝,4-30CrMnSi,钢，奥氏体焊条,5-,工业纯铁，纤维素型焊条,89/141,图,1-30临近熔合线近缝区内氢浓度随时间改变,1-Q235+,奥氏体焊缝,2-45,钢,+,奥氏体焊缝,3-Q235+,铁素体焊缝,4-45,钢,+,铁素体焊缝,90/141,（三）氢对焊接质量影响,1,形成气孔,熔池凝固结晶时，氢溶解度突然下降，使氢处于过饱和状态，就促使发生以下反应：,2HH,2,，反应生成分子氢在液态金属中形成气泡。当气泡向外逸出速度小于熔池凝固速度时，就在,焊缝中,形成气孔。,2,产生冷裂纹,焊接接头冷却到较低温度下（对于钢来说在,M,s,温度以下）时才产生焊接裂纹称为冷裂纹。,3,造成氢脆,氢在室温附近使钢塑性严重下降现象称为氢脆,。氢脆是因为原了氢扩散聚集于钢显微空隙中，结合为分子氢，造成空隙内产生很高压力，妨碍金属塑性变形，造成金属变脆。,4,出现白点,白点是出现在,焊缝金属,拉伸或弯曲试件断面上一个白色园形斑点，中心含有微细气孔或夹杂物，周围则为银白色脆化部分，其形状类似鱼眼珠中白点。,它主要是在外力作用下，氢在微小气孔或夹杂物处集结造成脆化。,91/141,（四）控制氢办法,1,限制焊接材料中含氢量,制造焊条、焊剂及药芯焊丝各种原材料，如有机物、天然云母、水玻璃、铁合金等，都不一样程度地含有吸附水、结晶水、化合水或溶解氢。所以，在制造低氢或超低氢（,HTm,时，气相中氧分压,P,O2,远大于,FeO,分解压,P,O2,。,高温时，,CO,2,也是很强氧化剂当,T=3000 K,时，,P,O2,=20.3kPa,，,(,即,0.2 atm),，气相中氧分压约等于空气中氧分压；,当,T3000 K,时，,CO,2,氧化性超出了空气。,99/141,4 H,2,O,气对金属氧化,水蒸气分解既使焊缝金属增氢，又使液体铁及其它合金元素氧化，其反应式及平衡常数又表示以下：,当温度升高时，,H,2,O,氧化性增强。,在液态铁存在温度下，,CO,2,氧化性大于,H,2,O,氧化性。,气相中含有较多,H,2,O,时，仅仅进行脱氧并不能确保焊缝质量，必须同时去氢或降低,H,2,O,起源。,100/141,5,混合气体对金属氧化,手工电弧焊时，焊接区气相是各种气体混合物。,钛铁矿型焊条析出气体在靠近熔池结晶温度,(K),时，是还原性；在,2500K,以上时，是氧化性。,低氢型焊条析出气体，高于熔池结晶温度时，都是氧化性。,电弧气氛中氧分压,P,O2,和,FeO,分解压,(,l01kPa,),(2),气体保护焊，改进电弧电、热和工艺特征，采取混合气体。,Ar,O,2,，,Ar,CO,2,，,Ar,O,2,CO,2,，,O,2,CO,2,。,O,（,与,100g,金属反应总氧量,）作为评定混合气体氧化能力指标。,101/141,（三）氧对焊接质量影响,氧在焊缝金属中以,溶解状态和氧化物夹杂,两种形式存在，焊缝含氧量是指总含氧量。普通溶解在钢中氧极少，绝大部分氧是以夹杂物形式存在。,1,焊缝强度、塑性、韧性显著下降,；尤其是焊缝金属低温冲击韧度急剧下降，引发焊缝金属时效硬化、热脆及冷脆等、以及物理及化学性能改变。,2,形成气孔：,在熔池阶段，溶解氧与碳发生冶金反应，反应产物是不溶于金属,CO,。假如在熔池进行凝固时,CO,气泡来不及逸出，就会形成,CO,气孔。,3,烧损有益合金元素，从而使焊缝金属性能变坏。,4,形成飞溅,在熔滴中所进行氧与碳冶金反应，生成,CO,受热膨胀，造成熔滴爆炸，形成飞溅，破坏了焊接过程稳定性。,102/141,（四）控制氧办法,控制氧办法是预防和脱氧。,(1),采取纯度高焊接材料,尽可能采取不含或少含氧量焊接材料。比如，采取低氧或无氧焊条、焊剂；采取高纯度惰性气体作为保护气体；真空条件下焊接，能够降低焊缝金属含氧量。,(2),控制焊接工艺参数,增加电弧电压使空气轻易侵入电弧，而且增加了氧与熔滴接触时间，致使焊缝含氧量增加。为了降低焊缝合氧量应尽可能采取短弧焊。,(3),采取冶金方法进行脱氧,经过向焊丝或焊条药皮中加入某种合金元素，使这些合金元素在焊接过程中被氧化，从而保护被焊金属及其合金元素不被氧化。,103/141,2.3,焊接熔渣对金属作用,一、焊接熔渣,（一）熔渣作用、成份及分类,1,熔渣在焊接过程中作用,（,1,）机械保护作用：,液态熔渣覆盖在熔滴和熔池表面上，把液态金属与空气隔离开，保护液态金属不被氧化和氮化。熔渣凝固后所形成渣壳覆盖在焊缝金属上，使高温焊缝金属不受空气侵害。,（,2,）冶金处理作用：,熔渣能够去除焊缝中有害杂质，如脱氧、脱硫、脱磷、脱氢；向焊缝金属过渡有益合金元素。,（,3,）改进焊接工艺性能：,在熔渣中加入一些物质能够使电弧轻易引燃、稳定燃烧，降低飞溅，以及取得良好焊缝成形等。,104/141,2.,熔渣成份和分类,1).,熔渣成份,：,大致由氧化物、氯化物、氟化物、硼酸盐类组成是各种化学组成复杂体系。,第一类 氧化物型,第二类 盐,氧化物型,第三类 盐型,105/141,2).,熔渣分为三类,焊接熔渣类型（成份）,盐型熔渣：金属氟酸盐、氯酸盐和不含氧化合物。氧化性很小,比如：,CaF,2,-NaF,、,CaF,2,-BaCl,2,-NaF,盐,-,氧化物型熔渣：氟化物和强金属氧化物组成。,氧化性较小,比如：,CaF,2,CaO-SiO,2,（低氢型）,、,CaF,2,CaO-Al,2,O,3,氧化物型熔渣：主要由各种金属氧化物组成。,氧化性较强,比如：,CaO-TiO,2,-SiO,2,（钛钙型）、,MnO-SiO,2,焊接铝、钛和其它化学活性金属及其合金,焊接合金钢及合金,焊接低碳钢,和低合金钢,106/141,（二）熔渣微观结构,液态熔渣结构有两种理论：,分子理论,和,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。,107/141,1.,分子理论：,1).,液态熔渣由自由氧化物及其复合物分子组成,2).,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,108/141,3),.,只有自由氧化物才能与金属作用,4).,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,109/141,5),.,液态熔渣是理想熔体,-,服从理想溶液定律,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。,110/141,2.,离子理论：,1).,熔滴是由简单和复杂离子组成中性溶液,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,SiO,2,少，氧以自由氧离子形式存在,酸性渣中,SiO,2,多，形式复杂离子,.,之间形成离子团，极性键结合,.,111/141,2),.,离子分布，聚集和相互作用取决于它综合矩,综合矩,=Z/r r=,其子,Z,离子电荷（静电单位）,r,离子半径,离子综合矩越大，静电场愈强，与其它离子作用力愈大综合矩,如 综合矩最大,负离子 综合矩最大,.,二者可结合成或更复杂离子,当综合矩,r,综合矩,112/141,盐型简单结构均匀溶液，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，盐,氧化物型比较复杂化学成份微观不均离子溶液。,3)液态熔渣与金属之间相互作用过程是原子与离子交换电荷过程,离子理论,分子理论,因为离子交换电荷、运动、形成电流,.,113/141,（三）熔渣性质与其结构关系,1.,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,SiO,2,TiO,2,P,2,O,5,2).,碱性氧化物,K,2,O Na,2,O CaO MgO BaO MnO FeO,3).,中性氧化物,Al,2,O,3,Fe,2,O,3,Cr,2,O,3,114/141,依据分子理论碱度定义为：,a,i,、,i,熔渣中碱性氧化物质量分数、碱度系数,a,j,、,j,熔渣中酸性氧化物质量分数、碱度系数,B,1,1,碱,B,1,1,酸,B,1,1,中,115/141,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,.,B,2,=a,i,M,i,Mi-,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,;,B,2,0,碱,B,2,0,酸,B,2,=0,中,116/141,式中,CaO,、,MgO,、,CaF,2,、,SiO,2,等以质量百分数计,B,1,1,碱,B,1,1,酸,B,1,1,中,117/141,2.,熔渣粘度,(1),温度对粘度影响,长渣,:T ,短渣,:T ,(2),熔渣成份对粘度影响,CaF,2,CaO SiO,2,118/141,3.,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,:,K,2,O Na,2,O CaO MgO BaO MnO FeO,共价键,:,SiO,2,TiO,2,P,2,O,5,119/141,4.,熔渣熔点,药皮熔点,:,药皮熔化温度,熔渣熔点,:,固态熔渣熔化温度,焊接钢熔点在,1150-1350,120/141,（一）置换氧化,(SiO,2,)+2Fe,Si+2FeO,T,反应向右进行,lgK,Si,=(FeO),2,Si/(SiO2)=-13460/T+6.04,(MnO)+Fe=Mn+FeO,lgK,Mn,=(FeO)Mn/(MnO)=-6600/T+3.16,二、熔渣对焊缝金属氧化