焊接冶金基礎(chǔ)

焊接冶金基礎(chǔ)第1頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二緒論一、焊接技術(shù)在工程建設(shè)中的作用與地位鋼材冶煉：煉鋼（保證鋼材成分）→軋鋼（改變鋼材形狀）金屬材料加工方法：冷加工：車、刨、鉆、銑、磨…..熱加工：鑄、鍛、焊、熱處理?！?0％的鋼鐵材料需要經(jīng)過焊接加工。鋼鐵構(gòu)件在使用過程中，焊接接頭是最容易發(fā)生事故的部位。第2頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二二、焊接的本質(zhì)及分類1焊接的定義：被焊工件通過加熱或加壓或兩者并用，用或不用填充材料，使被焊材料之間達(dá)到原子間的結(jié)合而形成永久性連接的工藝過程稱為焊接。2熔接的本質(zhì)：只有當(dāng)被連接金屬原子之間距離接近rA（rA≈0.3~0.5nm）時(shí)，金屬鍵才能起作用，這時(shí)金屬原子之間的結(jié)合力最大。第3頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二為了使金屬表面緊密接觸，焊接通常采取以下幾種措施：(1)對(duì)被焊接金屬施加壓力或不斷地摩擦，破壞接觸表面的氧化膜，使結(jié)合處緊密接觸。(2)將金屬加熱到塑性狀態(tài)，施加壓力使接觸面的氧化膜被破壞。加熱也增加原子的振動(dòng)能，促進(jìn)擴(kuò)散和結(jié)晶過程的進(jìn)行。(3)通過液態(tài)中間材料，如粘結(jié)劑或低熔點(diǎn)金屬，將兩個(gè)固態(tài)金屬連接在一起。因液態(tài)金屬原子之間的距離很容易達(dá)到rA，所以加熱熔化金屬，凝固后兩塊金屬即可實(shí)現(xiàn)連接。第4頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二焊接方法分為：熔焊：焊接接頭加熱熔化，使原子相互擴(kuò)散接觸，凝固結(jié)晶連接。壓焊：對(duì)焊件加熱加壓，使焊接接頭之間接觸，原子擴(kuò)散連接。釬焊：通過低熔點(diǎn)釬料將焊接接頭連接在一起。第5頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二三、焊接技術(shù)的發(fā)展古代：熱鍛連接，熔化焊、釬焊19世紀(jì)末：碳弧焊；20世紀(jì)初：氣焊、電弧焊；20世紀(jì)中：高效焊接技術(shù)，如埋弧焊、氣體保護(hù)焊等；20世紀(jì)末至今：高能、高質(zhì)量焊接，如電子束焊、激光焊，計(jì)算機(jī)技術(shù)在焊接中的應(yīng)用。各種金屬、非金屬、復(fù)合材料的焊接等。第6頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二四、學(xué)習(xí)建議本課程包括：焊接冶金基礎(chǔ)、焊接應(yīng)力與變形、焊接材料、焊接工藝、焊接方法、常用金屬的焊接、焊接缺陷的產(chǎn)生與防止、焊接結(jié)構(gòu)、焊接檢驗(yàn)等。內(nèi)容量大、涉及面廣、實(shí)踐性強(qiáng)。學(xué)好基礎(chǔ)理論，理論與實(shí)踐結(jié)合，培養(yǎng)分析問題和解決問題能力。第7頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第一章焊接冶金基礎(chǔ)熔焊過程：加熱→熔化→冶金反應(yīng)→結(jié)晶→固態(tài)相變→接頭。熔化焊的冶金反應(yīng)：金屬、熔渣、氣相之間的反應(yīng)。第8頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第一節(jié)焊接熱過程焊接加熱特點(diǎn)：局部、高溫、加熱冷卻速度快、熱源運(yùn)動(dòng)。一、常用焊接熱源（一）常用熱源：電弧熱、化學(xué)熱、電阻熱、摩擦熱、高能束。焊接熱源發(fā)展趨勢(shì)是：高能（激光）、高效（高熔覆率）、低能耗（熱效率）、高質(zhì)量（氣保焊）、低勞動(dòng)強(qiáng)度（自動(dòng)焊）。第9頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（二）焊接加熱效率式中：q－電弧有效功率(W)；I－焊接電流(A)；U－電弧電壓(V)；η－焊接熱效率。

η與焊接方法、焊接材料、焊接工藝等因素有關(guān)。TIG(tungsten-inert-gasarcwelding)：鎢極惰性氣體保護(hù)焊MIG(metal-inert-gasarcwelding)：金屬熔化極惰性氣體保護(hù)焊第10頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二焊接線能量式中：E－焊接線能量J/cm；v－焊接速度cm/s。（三）焊接傳熱的基本方式(1)傳導(dǎo)：金屬固體的內(nèi)部、焊縫對(duì)熔渣之間的熱傳遞。(2)對(duì)流：液態(tài)金屬和液態(tài)熔渣的內(nèi)部熱傳遞。(3)輻射：焊條端部對(duì)熔池、熱金屬對(duì)大氣之間的熱傳遞。第11頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二二、焊接溫度場(chǎng)指焊接某一區(qū)域某一瞬間溫度的分布。也可以說，溫度是空間某點(diǎn)位置和時(shí)間的函數(shù)。

T=f（x,y,z,t）式中：T－焊件上某點(diǎn)某瞬時(shí)的溫度；x,y,z－焊件某點(diǎn)的坐標(biāo)；t－時(shí)間。

因?yàn)楹附訜嵩词前匆欢ㄋ俣葎蛩龠\(yùn)動(dòng)，所以焊接溫度場(chǎng)則是一個(gè)橢圓。第12頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（一）焊接溫度場(chǎng)的特點(diǎn)等溫線、等溫面：溫度場(chǎng)中溫度相等各點(diǎn)的連線和連面。在溫度場(chǎng)內(nèi)，不同溫度的等溫線或等溫面不會(huì)相交。熱源中心為原點(diǎn)，焊接方向?yàn)閄軸，焊件寬度為Y軸（移動(dòng)坐標(biāo)系）。焊接溫度場(chǎng)對(duì)Y軸對(duì)稱，對(duì)X軸不對(duì)稱。第13頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（二）影響溫度場(chǎng)的因素?zé)嵩葱再|(zhì)：熱源能量越集中，加熱面積越小。焊接工藝參數(shù)：a)熱源功率不變、焊接速度變；b)焊接速度不變，熱源功率變；c)熱源功率和焊接速度都變，但比值一定。第14頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二被焊金屬物理性質(zhì)：熱導(dǎo)率、比熱容、熱擴(kuò)散率、表面散熱系數(shù)等。第15頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二焊件的幾何形狀：厚板焊接結(jié)構(gòu)：三維傳熱，熱源可視為點(diǎn)狀；薄板焊接結(jié)構(gòu)：二維傳熱，熱源可視為線狀；絲狀焊接結(jié)構(gòu)：一維傳熱，熱源可視為面狀。第16頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二三、焊接熱循環(huán)（一）焊接熱循環(huán)的概念焊件上某一點(diǎn)從低溫到高溫，又從高溫降到低溫，溫度隨時(shí)間的變化稱為焊接熱循環(huán)。焊接熱循環(huán)包括：加熱的速度（ωH）、最高加熱溫度（Tm）、相變溫度以上停留的時(shí)間（tH）和冷卻速度或冷卻時(shí)間（t8/5）。第17頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（二）焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)及特點(diǎn)1加熱的速度（ωH）

ωH非常快，使相變溫度提高，并造成奧氏體均勻化和碳化物溶解都不充分。2加熱的最高溫度（Tm）Tm越高，晶粒越粗大，焊接冶金速度越快。3相變溫度以上停留的時(shí)間（tH）tH越長(zhǎng)，越有利于奧氏體均質(zhì)化。但晶粒也越易長(zhǎng)大。

tH包括加熱時(shí)的停留時(shí)間tˊ和冷卻時(shí)的停留時(shí)間t〞。tH＝tˊ+t〞4焊接熱影響區(qū)的冷卻速度（Tc）和冷卻時(shí)間（t8/5)t8/5－焊件從800℃冷至500℃所需的時(shí)間，對(duì)焊接質(zhì)量影響很大，尤其是易淬硬鋼的焊接。第18頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（四）影響焊接冷卻速度（熱循環(huán)）的因素（1）金屬熱物理性質(zhì)：金屬的導(dǎo)熱系數(shù)越大，冷卻速度就越快。（2）鋼板厚度：鋼板的尺寸越大、越厚，冷卻速度就越快。但板厚超過25mm后，冷卻速度趨于一定值。第19頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（3）鋼板初始溫度：初始溫度越高，冷卻速度越低。預(yù)熱是控制淬硬組織、避免產(chǎn)生冷裂紋的重要手段。（4）焊接線能量：增加焊接線能量（UI/v），可降低冷卻速度。第20頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（5）焊接接頭的形狀：角焊縫、T字接頭的冷卻速度比對(duì)接焊縫的冷卻速度要快得多。第21頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二焊件不同位置的焊接熱循環(huán)的值不同。第22頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（三）多層焊的焊接熱循環(huán)1長(zhǎng)段多層焊（>1m）：焊第二道焊縫時(shí)，第一道焊縫已降至低溫（<200℃）。所以焊易淬硬性鋼時(shí)，焊第二道焊縫時(shí)，應(yīng)防止第一道焊縫溫度過低產(chǎn)生裂紋。第23頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二2短段多層焊：第一道焊縫仍處于高溫時(shí)，進(jìn)行第二道焊縫的焊接。短段多層焊適于焊接晶粒易長(zhǎng)大而又易于淬硬的鋼種，尤其是用于鑄鐵補(bǔ)焊。第24頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（五）焊接熱循環(huán)調(diào)整方法（1）根據(jù)被焊金屬選擇合理焊接方法。（2）合理選擇工藝參數(shù)。在保證焊接質(zhì)量的前提下，盡量減少焊接線能量E。但高效焊接往往是高E。（3）對(duì)淬硬鋼采取預(yù)熱或緩冷措施。（4）采用多層焊。第25頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第二節(jié)焊接的化學(xué)冶金過程一、焊縫金屬的組成1焊條的熔化與過渡熔化焊條的熱量：焊接電弧熱、電阻熱、化學(xué)反應(yīng)熱。電弧熱：是熔化焊條的主要熱源，但僅有部分電功率被用來加熱熔化焊條

qe=ηeUI式中：U－電弧電壓；I－焊接電流；ηe－有效加熱系數(shù)（0.2~0.3）第26頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（2）焊條平均熔化速度平均熔化速度gM：

式中：G－熔化的焊芯質(zhì)量；αP－焊條熔化系數(shù)[g/(A·h)]，Ｉ-焊接電流．平均熔敷速度gD：

式中：αH－焊條熔化系數(shù)[g/(A·h)]

損失部分與焊芯質(zhì)量之比稱損失系數(shù)ψ

ψ一般為10％左右。第27頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二熔滴過渡作用力重力、表面張力、電磁壓縮力、摩擦力、電弧氣體吹力等。熔滴過渡形式取決于焊接方法、保護(hù)氣體、焊接電流等。有滴狀過渡、短路過渡、噴射過渡（附壁過渡）。第28頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二熔滴的特點(diǎn)：1）熔滴比表面積S（表面積Ag與其質(zhì)量ρVg之比）大：

R越小，S越大，熔滴與氣相、熔渣之間的反應(yīng)越激烈。2）熔滴存在時(shí)間短，一般在0.01~1秒之間。3）熔滴平均溫度為2100~2700℃。因此在焊接過程中，熔滴的反應(yīng)十分劇烈。第29頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（二）母材的熔化及熔池熔池的形狀與尺寸熔池呈半橢球狀，其輪廓為母材熔點(diǎn)的等溫面，并隨焊接熱源同步移動(dòng)。熔池的長(zhǎng)度基本和焊接功率成正比

L=P2UI式中：P2－比例系數(shù)，和焊接方法、焊接工藝參數(shù)有關(guān)。第30頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二2熔池的溫度熔池內(nèi)的溫度是不均勻的，平均溫度約1770℃（~2000K，焊接化學(xué)冶金的計(jì)算溫度）。熔池中流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在各種力的作用下（熱對(duì)流、電弧吹力、電磁力等），熔池內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的攪拌作用，有利于加速焊接化學(xué)冶金反應(yīng)、均勻焊縫金屬成分、氣體和非金屬夾雜外逸。第31頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（2）熔池質(zhì)量和存在時(shí)間熔池質(zhì)量在幾克到幾十幾克之間，取決于焊接方法。熔池液態(tài)存在的時(shí)間取決于焊接方法、焊接規(guī)范等。

第32頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二二、焊接化學(xué)冶金特點(diǎn)（1）在保護(hù)狀態(tài)下進(jìn)行隔絕空氣，尤其是空氣中的氮。不同的焊接方法采用不同的保護(hù)措施。第33頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（2）分區(qū)域或分階段連續(xù)進(jìn)行：藥皮、熔滴、熔池反應(yīng)；（3）反應(yīng)溫度高：弧柱5000～8000℃、熔滴2200℃、熔池1800℃；（4）反應(yīng)界面大，尤其是熔滴；（5）反應(yīng)時(shí)間短；（6）熔融金屬處于不斷運(yùn)動(dòng)。第34頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（三）焊接冶金各反應(yīng)區(qū)特點(diǎn)1藥皮反應(yīng)區(qū)100～1200℃1）<400℃，吸附水蒸發(fā)，化合物釋放結(jié)晶水。2）～400℃，有機(jī)物開始分解燃燒，形成CO、CO2、H2等。3）>400℃，無機(jī)化合物碳酸鹽和高價(jià)氧化物（CaCO3、Fe2O3）開始分解，產(chǎn)生CO2、CO等氣體。4）>600℃，鐵合金開始被氧化。第35頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二2熔滴反應(yīng)區(qū)主要反應(yīng)有：氣體的溶解和分解、金屬的蒸發(fā)、金屬及其合金的氧化和還原、高價(jià)氧化物分解成低價(jià)氧化物6Fe2O3（赤鐵礦）=4Fe3O4+O24MnO2（錳礦）=2Mn2O3+O2第36頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二3熔池反應(yīng)區(qū)熔池溫度前高后低，所以熔池前后的反應(yīng)不同。前面金屬熔化、吸收氣體；后面金屬凝固、氣體逸出。熔池強(qiáng)烈攪拌，有利反應(yīng)和氣體、夾雜逸出。所以熔池階段的反應(yīng)速度要比熔滴階段小得多。第37頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二三、焊接熔渣1熔渣的作用（1）機(jī)械保護(hù)作用：覆蓋在金屬外表面，隔離空氣。（2）改善焊接工藝：加入穩(wěn)弧劑等成分使焊條容易引弧、穩(wěn)定燃燒、減少飛濺、保證焊縫成形、脫渣等。（3）冶金作用：熔渣與金屬發(fā)生脫氧、脫硫、除氫、合金化等冶金反應(yīng)。焊條藥皮的原材料是一些礦物質(zhì)，熔渣是由許多成分組成，構(gòu)成復(fù)雜的渣系，如MnO-SiO2、CaO-TiO2-SiO2、CaF2-CaO-SiO2等，以保證熔渣的熔點(diǎn)、粘度等工藝指標(biāo)。第38頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二3熔渣的堿度（分子理論）按分子理論，渣中氧化物分為：1）酸性氧化物：按酸性強(qiáng)弱順序?yàn)镾iO2、TiO2、P2O5等。2）堿性氧化物：按堿性強(qiáng)弱順序?yàn)镹a2O、CaO、MgO、MnO、FeO等。3）中性氧化物：如Al2O3、Fe2O3、Cr2O3等。分子理論的堿度公式是

式中：R2O、RO－堿性氧化物摩爾分?jǐn)?shù)；RO2－酸性氧化物摩爾分?jǐn)?shù)。

B>1堿性渣，B<1酸性渣。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)B>1.3渣才呈堿性。第39頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第三節(jié)有害元素對(duì)焊縫金屬的作用焊接中的有害元素包括：H2、N2、O2、S、P、H2O等。一、氫對(duì)焊縫金屬的作用（一）氫的來源焊條藥皮中的吸附水、結(jié)晶水和有機(jī)物，焊件表面的污染物、空氣中的水分。（二）氫與焊縫金屬的作用1氫的溶解分子狀態(tài)的氫必須分解為原子狀態(tài)和離子狀態(tài)才能向金屬中溶解。吸附第40頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二金屬中溶氫量與氣相中的氫分壓符合平方根定律。平衡常數(shù)KH2和溫度有關(guān)。溫度越高，吸氫量越大。所以焊接中吸氫主要是在熔滴階段。由于在焊接電弧中，大部分氫分子已分解成氫原子、離子，所以實(shí)際吸氫量高于平方根定律。在晶格變化時(shí)，金屬的吸氫量有突變。第41頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二2氫與金屬的作用方式根據(jù)氫在金屬中的溶解量，可分為兩大類：第一類：吸氫金屬，如Zr、Ti、V…等，能形成穩(wěn)定氫化物MxHy。吸氫反應(yīng)是放熱反應(yīng)，低溫吸氫，高溫釋放氫。第二類：氫能溶入金屬，但不能生成氫化物，如Al、Fe、Ni….等，溶解反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，溫度越高，溶解度越大。第42頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二3氫在焊縫金屬中的擴(kuò)散凝固后焊縫金屬內(nèi)，氫以原子和分子兩種形式留在焊縫中：(1)擴(kuò)散氫：以原子形式存在，與金屬形成間隙固溶體。因H半徑很小，可在晶格內(nèi)自由移動(dòng)，所以叫擴(kuò)散氫。(2)殘余氫：當(dāng)擴(kuò)散氫移動(dòng)到金屬內(nèi)部的缺陷部位時(shí)，氫原子轉(zhuǎn)換成氫分子，因體積增大，滯留在這些部位。焊縫金屬內(nèi)的含氫量與焊接方法有關(guān)。第43頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二焊縫金屬中擴(kuò)散氫的行為：隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)或加熱，焊縫中的擴(kuò)散氫減少，殘余氫增加，總的氫量減少。由于擴(kuò)散氫極易擴(kuò)散到近縫區(qū)，造成體積急劇膨脹，這些部位又是焊縫性能薄弱區(qū)，所以容易在這些部位發(fā)生焊接裂紋。第44頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二3氫對(duì)焊接質(zhì)量的影響（1）氫脆：在室溫下，氫可以使鋼塑性下降，但強(qiáng)度不變。焊縫加熱除氫后，可恢復(fù)塑性。（2）白點(diǎn)：含氫量高的焊縫破壞時(shí)，斷口有一些白點(diǎn)，導(dǎo)致焊縫塑性下降。（3）形成氣孔：在焊縫凝固時(shí)，來不及逸出的氫就形成氣泡，使焊縫強(qiáng)度下降。（4）產(chǎn)生冷裂紋：焊縫冷卻下來后產(chǎn)生的裂紋叫冷裂紋，也叫延遲裂紋。一般發(fā)生在高強(qiáng)鋼或一些應(yīng)力比較集中的部位。第45頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（四）控制氫的措施以控制氫的來源為主。（1）減少焊接材料中的含氫（水）量：在使用前應(yīng)烘干，以減少焊接材料儲(chǔ)存時(shí)吸附的水。烘干溫度取決于焊條類型。（2）清理焊絲和工件表面雜質(zhì)：一些金屬氧化物常含結(jié)晶水，如FeO·H2O,Al(OH)3,Mg(OH)2，在焊接高溫下，釋放出的結(jié)晶水會(huì)增加焊縫含氫量。第46頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（4）冶金處理：形成一些低沸點(diǎn)、不溶于液態(tài)金屬的含氫氣體，如HF和OH。1）藥皮中加入氟化物：氟化物（如CaF2）和SiO2可顯著降低焊縫含氫量。2CaF2+3SiO2+2H2O→2CaSiO3+HFHF沸點(diǎn)低，即使在高溫下也十分穩(wěn)定，所以降低了氣相中氫的活度。2）提高焊接區(qū)域的氧化性：氫與氧反應(yīng)生成穩(wěn)定的OH，降低氣相中氫的分壓CO2+H=CO+OHO+H=OHO2+H2=2OH第47頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二3焊后脫氫處理焊后將焊縫加熱幾百度并保溫一段時(shí)間，可以消除絕大部分的擴(kuò)散氫。第48頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二二、氮對(duì)焊縫金屬的作用（一）氮的來源主要來自空氣。一旦滲入焊縫金屬形成氮化合物，就很難通過冶金的辦法消除。（二）氮對(duì)金屬的作用(1)不與氮發(fā)生作用的金屬：如銅、鎳等；(2)容易和氮發(fā)生作用的金屬：如鐵、鈦等。第49頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（三）氮對(duì)焊接質(zhì)量的影響氮是有害元素：1產(chǎn)生氣孔：高溫吸收的氮在冷凝時(shí)來不及釋放就形成氣孔。2氮可以使焊縫金屬的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性（尤其是低溫韌性）下降。3氮可以引起焊縫金屬時(shí)效脆化。第50頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（四）控制氮的措施1加強(qiáng)焊接區(qū)的保護(hù)：如渣保護(hù)、氣保護(hù)或氣－渣聯(lián)合保護(hù)。2焊接工藝參數(shù)：增加電弧電壓將延長(zhǎng)熔滴過渡時(shí)間，焊縫含氮量增加。3合金元素的影響：碳在生成CO、CO2，加強(qiáng)氣保護(hù)，降低氮分壓。Ti、Al、Zr、RE形成穩(wěn)定氮化物進(jìn)入渣中。第51頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二三、氧對(duì)焊縫金屬的作用在焊接中，氧既是有害元素，又是必須要利用的元素。（一）氧的來源焊接氣氛中的氧化性氣體（CO2、O2、H2O）、藥皮中高價(jià)氧化物、焊件表面的銹。（二）氧與焊縫金屬的作用氧是以原子氧和FeO兩種形式溶于液態(tài)鐵中，溶解度隨溫度的提高而增加。第52頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二焊縫金屬的氧化（1）氧化性氣體對(duì)金屬的氧化氧分子或氧原子對(duì)金屬的氧化：

[Fe]+O=FeO；[Si]+O2→（SiO2）；[Mn]+O2→（MnO）CO2對(duì)金屬氧化：CO2→CO+O2

H2O對(duì)金屬的氧化：H2O+[Fe]=[FeO]+H2

第53頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（2）熔渣對(duì)焊縫金屬的氧化1）擴(kuò)散氧化

FeO既能溶入液態(tài)鋼中，又能溶入液態(tài)熔渣中，平衡時(shí)它在兩相中的濃度符合分配定律：分配常數(shù)L與溫度、渣的性質(zhì)等有關(guān)：1）溫度升高，L減少。所以擴(kuò)散氧化發(fā)生在熔滴和熔池前半部的高溫區(qū)。2）L>1，所以渣中的FeO要比焊縫金屬中的FeO量多。3）FeO屬堿性氧化物，所以堿性渣中的FeO更易向金屬中擴(kuò)散。第54頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（2）置換氧化對(duì)一些易分解的氧化物，如SiO2、MnO等，如果數(shù)量較大，則有可能與液態(tài)鐵發(fā)生置換反應(yīng)，使鐵氧化，而該氧化物被還原。如（FeO）(SiO2)+[Fe]==[Si]+FeO[FeO]（FeO）(MnO)+[Fe]==[Mn]+FeO[FeO]

反應(yīng)結(jié)果使焊縫中的硅、錳含量增加，鐵被氧化。第55頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（三）氧對(duì)焊接質(zhì)量的影響（1）隨著氧含量增加，焊縫強(qiáng)度、塑性、韌性（尤其是低溫沖擊韌性）下降。（2）和熔池中的碳反應(yīng)生成CO氣體，造成飛濺和氣孔。（3）燒損合金元素，降低焊縫金屬性能。（4）可以有效減少焊縫中的含氫量。焊縫內(nèi)的含氧量與焊接方法、工藝等有關(guān)。第56頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（四）控制氧的措施（1）嚴(yán)格控制氧的來源，如氣保焊采用高純惰性氣體、低氧焊絲，清除焊絲和焊件表面鐵銹和污物。（2）焊接工藝參數(shù)：采取短弧焊，減少熔滴與氣相的反應(yīng)時(shí)間。（3）用脫氧劑進(jìn)行脫氧處理。第57頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（五）焊縫金屬的脫氧脫氧方法與原則：（1）減少氣相氧化性和減少熔渣氧化性；（2）在焊絲、焊條藥皮中加入對(duì)氧親和力大于鐵的合金元素，如Al、Ti、C、Si、Mn。親和力越大，脫氧能力越強(qiáng)。（3）脫氧產(chǎn)物應(yīng)不溶于液態(tài)金屬，上浮進(jìn)入渣中。（4）剩余脫氧劑不能對(duì)焊縫成分、性能有不利的影響。第58頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二在焊接過程中，脫氧可以分階段進(jìn)行。1先期脫氧發(fā)生在藥皮反應(yīng)區(qū)的脫氧反應(yīng)。

Fe2O3+Mn→MnO+FeOCaCO3+Si→CaO+SiO2+COCaCO3+Mn→CaO+MnO+CO

反應(yīng)結(jié)果是減弱氣相氧化性。由于藥皮反應(yīng)區(qū)溫度低，又處于固態(tài)，所以先期脫氧是不完全的。第59頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二2沉淀脫氧發(fā)生在熔滴反應(yīng)區(qū)和熔池內(nèi)的脫氧反應(yīng)。液態(tài)金屬中的脫氧劑和FeO直接反應(yīng)，把鐵還原，脫氧產(chǎn)物浮出，進(jìn)入渣中。[Mn]+[FeO]=[Fe]+（MnO）[Si]+2[FeO]=2[Fe]+（SiO2）提高[Mn]、[Si]或減少(MnO)、（SiO2)可提高脫氧效果。雖然硅的脫氧能力比錳大，但容易在金屬中造成SiO2夾雜。

Mn在酸性渣中，Si堿性渣中脫氧效果比較好。Mn和Si聯(lián)合脫氧，可生成復(fù)合物MnO·SiO2，脫氧效果比較好。第60頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二3擴(kuò)散脫氧擴(kuò)散脫氧是在液態(tài)金屬與熔渣界面上進(jìn)行的，是以分配定律為理論基礎(chǔ)的

降低溫度可以提高L，使[FeO]→(FeO)，因此擴(kuò)散脫氧是發(fā)生在熔池的低溫區(qū)域。第61頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二四、焊縫中硫的危害和控制（一）焊縫中硫的來源焊縫中的硫主要來自焊條藥皮。（二）焊縫中硫的危害硫以低熔點(diǎn)共晶Fe+FeS（熔點(diǎn)985℃），或FeS+FeO（熔點(diǎn)940℃），呈片狀或鏈狀分布于晶界，增加了焊縫金屬產(chǎn)生結(jié)晶裂紋傾向（熱裂紋）。第62頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（三）控制措施1）限制焊接材料中的含硫量。2）冶金措施：用對(duì)硫親和力比鐵大的元素進(jìn)行脫硫，如RE，Ca，Mg，Mn等。[FeS]+[Mn]→(MnS)+[Fe]

反應(yīng)產(chǎn)物MnS熔點(diǎn)較高（1610℃），不溶入鋼液，大部分進(jìn)入熔渣。即使留在鋼中也是以球狀彌散分布，故危害較小。第63頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第四節(jié)焊縫金屬的合金化一、合金化的目的式1）補(bǔ)償在焊接過程中合金元素的損失；2）保證焊縫的組織和機(jī)械性能，如加入Ti，B可以細(xì)化組織；3）消除焊接缺陷，如除硫；4）使焊縫金屬具有某種特殊性能，如耐蝕性、耐磨性等。第64頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二二、合金化方式1通過焊絲過渡：均勻、合金燒損少，但成本高、不易調(diào)整。2合金藥皮：合金元素加到藥皮中，簡(jiǎn)單、成本低，但合金損失大，成分不均勻。3藥芯焊絲：焊絲內(nèi)包裹合金粉末?？扇我庹{(diào)整成分，損失小，但成本高。4合金粉末：將合金粉末直接輸入到焊接區(qū)。比例可調(diào)，合金損失小，但均勻性差。5置換反應(yīng)（氧化）：通過金屬氧化物還原的方式來合金化。(SiO2)→[Si]+[O](MnO)→[Mn]+[O]第65頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二三、合金過渡系數(shù)及影響因素（1）合金過渡系數(shù)合金元素的過渡系數(shù)η等于它在熔敷金屬中實(shí)際含量Cd與它的原始含量Ce之比

一般焊絲過渡系數(shù)η～40%，藥皮過渡系數(shù)η～10%。（2）影響過渡系數(shù)的因素1）合金元素的物化性質(zhì)：沸點(diǎn)、對(duì)氧的親和力等。2）藥皮的氧化勢(shì)、合金元素及其氧化物在藥皮中是否共存，以及合金元素