第二章 焊接化學(xué)冶金(修改)

1、.,1,第二章 焊接化學(xué)冶金Chemical Reaction in Welding,.,2,焊接化學(xué)冶金：焊接區(qū)內(nèi)各種物質(zhì)在高溫下相互作用的過程。,Base metal,Filler metal,Chemical reaction,Weld metal composition and mechanical properties,.,3,本章主要內(nèi)容,焊接化學(xué)冶金的特殊性 焊接區(qū)內(nèi)的氣體和焊接熔渣 焊接區(qū)內(nèi)金屬、氣體與熔渣的相互作用 氣體與金屬的反應(yīng) 渣與金屬的反應(yīng) 焊縫金屬的合金化及其成分控制,.,4,2-1焊接化學(xué)冶金過程的特點(diǎn),焊條熔化及熔池形成,焊條電弧示意圖,.,5,焊條的加熱,電阻

2、熱 電流通過焊芯時產(chǎn)生的（主要用于加熱藥皮） 正常焊接時，電阻熱對焊芯的預(yù)熱作用不大 通常，在同樣的焊接電流密度條件下，不銹鋼焊條比碳鋼焊條更易發(fā)熱一些。 電弧熱qe 電弧熱主要加熱焊條端部及鄰近區(qū)域 （約10mm) qe=eIU ( e=0.20.27) (1) 化學(xué)反應(yīng)熱 很少，可忽略不計(jì),.,6,焊條熔化速度,平均熔化速度gm（melting rate) 定義：在單位時間內(nèi)熔化的焊芯質(zhì)量或長度 一般用熔化系數(shù)p表示 單位時間內(nèi)單位電流所熔化焊芯的質(zhì)量， g/A.h gm=G/t=pI (g/h) p與電流極性，藥皮成分及厚度有關(guān) 加入易電離物質(zhì)， p減小 含有強(qiáng)烈放熱的物質(zhì)（如鐵粉），

3、p增加 不能反映真正的焊接生產(chǎn)效率,.,7,焊條熔化速度,平均熔敷速度gD(deposition rate) 熔敷金屬（deposited metal)：完全由填充材料熔化后所形成的焊縫金屬。 焊縫金屬(weld metal)：熔化的母材熔敷金屬 定義：單位時間內(nèi)熔敷金屬的質(zhì)量 焊條的熔敷系數(shù)H (g/A.h) gDGD/t HI H（1）p， 為損失系數(shù) 是真正反映焊接生產(chǎn)率的指標(biāo),.,8,焊條熔化速度,幾種焊條的p 、 H 、 ,.,9,熔滴及其過渡形式,熔滴（droplet）：在電弧熱的作用下，焊條（絲）端部熔化形成的滴狀液態(tài)金屬。 熔滴過渡（metal transfer）:熔滴通過電弧

4、空間向熔池的轉(zhuǎn)移過程。,.,10,熔滴及其過渡形式-焊條熔滴過渡,短路過渡（circuitshort transfer) 通常發(fā)生在電弧長度較短時，即短弧焊時。,.,11,熔滴及其過渡形式-焊條熔滴過渡,顆粒過渡(globular transfer) 熔滴呈粗大顆粒狀向熔池自由過渡。長弧焊時發(fā)生 b) 噴射過渡（spray transfer) c) 附壁過渡（slag-wall transfer) d) 爆炸過渡（explosive transfer) 熔滴在形成、長大或過渡過程中，由激烈的冶金反應(yīng)，在熔滴內(nèi)部產(chǎn)生CO氣體，使熔滴急劇膨脹發(fā)生爆裂而形成的一種過渡形式。,.,12,熔滴及其過渡形

5、式-焊條熔滴過渡,顆粒過渡(globular transfer)也稱為粗熔滴過渡,.,13,熔滴及其過渡形式,影響因素 藥皮成分與厚度 焊芯直徑 焊接電流與極性 直流正極性：DCSP（direct current straight polarity) 或 DCEN（direct current electrode negative) 直流反極性：DCRP（direct current reverse polarity)或DCEP（direct current electrode positive),.,14,電流極性,DCSP 或DCEN,DCRP 或DCEP,.,15,熔滴的特性,熔滴的比表

6、面積S大 SAg/Vg（2/kg) 其中，Ag熔滴的表面積 Vg 熔滴的質(zhì)量若為球體熔滴，則S3/(R) R S 熔滴的比表面積越大，則金屬與熔渣和氣相的相互作用越強(qiáng)，即有利于加強(qiáng)冶金反應(yīng)。 熔滴與周圍介質(zhì)相互作用時間短 熔滴的溫度高 手工電弧焊焊接低碳鋼:21002700K,.,16,焊接熔池及其特征,熔池（weld pool) 母材上由熔化的焊條金屬與局部熔化的母材所組成的具有一定幾何形狀的液體金屬。如果焊接時不填充金屬，則熔池僅由局部熔化的母材組成。,.,17,焊接熔池及其特征,熔池的形狀和尺寸 描述焊接熔池的特征尺寸有： 熔池的長度L； 最大深度Hmax ; 最大寬度Bmax I Bm

7、ax , Hmax U Bmax , Hmax L=P2q=P2UI , p2為比例常數(shù) 熱輸入EL ,焊接熔池形狀示意圖,.,18,焊接熔池及其特征,熔池的質(zhì)量和存在時間 手弧焊0.6g16g，埋弧焊小于100g 熔池存在的最大時間：tmax=L/v ，v為焊速 熔池的溫度分布不均勻 熔池中的液態(tài)金屬處于不斷運(yùn)動狀態(tài) 有利于焊縫成分均勻化。 有利于氣體和非金屬夾雜物的外逸。,.,19,2-1焊接化學(xué)冶金過程的特點(diǎn)焊接過程中對金屬的保護(hù),保護(hù)的必要性 保護(hù)的目的是： 減少焊縫中有害雜質(zhì)的影響及 減少有益合金元素的損失。,低碳鋼無保護(hù)焊時焊縫的性能,.,20,氮、氧、氫對焊縫性能的影響,.,21

8、,焊接過程中對金屬的保護(hù),保護(hù)的方式 機(jī)械隔離保護(hù)方式：把熔化金屬和空氣隔開。 熔渣：埋弧焊（SMA）、電渣焊（ESA） 氣體：GTAW，GMAW，CO2、PAW 熔渣氣體:手工焊（SMAW），自保護(hù)藥芯焊（FCAW） 真空：電子束焊（EBW） 自保護(hù)方式（冶金化處理） 在焊材中加入脫氧、脫氮劑，通過某些冶金反應(yīng)，使得焊縫中的有害雜質(zhì)進(jìn)入熔渣。,.,22,Q：,手工電弧焊是采用什么保護(hù)？ 氣保護(hù) 渣保護(hù) 氣-渣聯(lián)合保護(hù),.,23,2-1焊接化學(xué)冶金過程的特點(diǎn)化學(xué)冶金反應(yīng)區(qū),藥皮反應(yīng)區(qū)（） 熔滴反應(yīng)區(qū)（） 熔池反應(yīng)區(qū)（）,.,24,焊接化學(xué)冶金反應(yīng)區(qū)藥皮反應(yīng)區(qū),加熱溫度低于藥皮熔化溫度，主要進(jìn)行

9、固態(tài)藥皮物質(zhì)的分解和分解產(chǎn)物間的反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為氣體和熔渣。 脫水反應(yīng) 吸附水的蒸發(fā)（T100） 結(jié)晶水和化合水開始分解（T300400） 有機(jī)物的分解反應(yīng)（T200 250） 礦物質(zhì)的分解反應(yīng) 鐵合金的氧化先期脫氧 藥皮加熱分解產(chǎn)生的自由氧等，使藥皮中的鐵合金（錳鐵，硅鐵等）發(fā)生一定的氧化，從而降低了氣相對金屬的氧化。這一過程也稱為“先期脫氧”。,.,25,焊接化學(xué)冶金反應(yīng)區(qū)熔滴反應(yīng)區(qū),從熔滴的形成、長大到過渡至熔池中都屬于熔滴反應(yīng)區(qū)。 該區(qū)的特點(diǎn)是： 熔滴溫度高:18002400 熔滴的比表面積大:100010000cm2/kg，比煉鋼 時大1000倍 各相之間反應(yīng)時間短:0.010.1s

10、 熔滴與熔渣反生強(qiáng)烈的混合 熔滴反應(yīng)區(qū)為冶金反應(yīng)最激烈的部位。,.,26,焊接化學(xué)冶金反應(yīng)區(qū)熔滴反應(yīng)區(qū),主要物化反應(yīng)有： 氣體的高度分解 氫氣和氮?dú)獾募ち胰芙?激烈的增氧反應(yīng) 氣氛中二氧化碳、水蒸氣和氧氣的直接氧化 熔渣中的（FeO)向熔滴中的分配（擴(kuò)散）氧化 熔渣中的（MnO)、(SiO2)的置換氧化 合金化過程 藥皮、焊劑、焊芯中的合金劑均能使熔滴強(qiáng)烈地合金化。 低沸點(diǎn)元素的蒸發(fā),.,27,焊接化學(xué)冶金反應(yīng)區(qū)熔池反應(yīng)區(qū),熔滴和熔渣同熔化的母材混合形成熔池 溫度：1600-1900 比表面積：1300 cm2/kg 反應(yīng)時間：3-8（SMAW） 特點(diǎn)：熔池金屬有規(guī)律的對流和攪拌運(yùn)動，冶金反應(yīng)

11、比較激烈、熔池溫度不均勻、同一反應(yīng)在不同區(qū)域可能向相反方向進(jìn)行,.,28,焊接化學(xué)冶金反應(yīng)區(qū),焊接化學(xué)冶金過程是分區(qū)域連續(xù)進(jìn)行的，各階段冶金反應(yīng)的綜合結(jié)果，決定了焊縫金屬的最終化學(xué)成分。 Q：影響化學(xué)冶金反應(yīng)的因素有哪些？ 材料成分（母材、焊材） 工藝條件,.,29,焊接工藝條件對化學(xué)冶金反應(yīng)的影響,熔合比(dilution) 的影響 焊縫金屬中局部熔化的母材所占的比例稱為熔合比。,熔合比概念示意圖,Ab-熔化母材的面積 Ad-熔敷金屬的面積,.,30,焊接工藝條件對化學(xué)冶金反應(yīng)的影響,熔合比取決于： 焊接方法 規(guī)范 接頭形式 板厚 坡口形式 母材、焊材類型 焊條（絲）的傾角等,鋁合金焊接坡口

12、形式對熔合比的影響,.,31,焊接工藝條件對化學(xué)冶金反應(yīng)的影響,假設(shè)焊接時合金元素沒有任何損失，則焊縫中某合金元素的濃度C0與熔合比的關(guān)系為： C0 Cb+(1- )Ce -(1) 若考慮焊條中的合金元素有損失，而母材中的合金元素?zé)o損失，則焊縫金屬中合金元素的實(shí)際濃度Cw為： Cw= Cb+(1- )Cd -(2),如果已知Cd, Cb, 就可以求出焊縫的化學(xué)成分。 結(jié)論：改變?nèi)酆媳?，就可以改變焊縫金屬的化學(xué)成分。,式中符號含義: Cb 該元素在母材中的質(zhì)量百分濃度（%） Ce該元素在焊條中的質(zhì)量百分濃度（%） Cd熔敷金屬（焊接得到的沒有母材成分的金屬）中該元素的實(shí)際質(zhì)量百分比（%）,.,3

13、2,焊接工藝條件對化學(xué)冶金反應(yīng)的影響,熔合比概念的應(yīng)用 堆焊時， 盡可能小，以減少BM成分對堆焊層的影響。 當(dāng)母材雜質(zhì)較多時， 應(yīng)小些好，可減少焊縫金屬中雜質(zhì)。 異種鋼焊接時，要根據(jù)熔合比來選擇焊接材料。,.,33,例題,一含Ni9%的鋼板，采用成分為80%Ni-20%Cr的焊絲進(jìn)行焊接，若熔合比為40%，試問，焊縫中合金元素的大致含量是多少？,.,34,解答,焊縫成分中，母材貢獻(xiàn)40%，焊絲貢獻(xiàn)60%。,.,35,焊接工藝條件對化學(xué)冶金反應(yīng)的影響,熔滴過渡特性的影響 I 熔滴存在時間 反應(yīng)進(jìn)行程度 Si% U 熔滴存在時間 反應(yīng)進(jìn)行程度 Si% ,熔敷金屬中硅含量與電弧電壓和電流的關(guān)系,.,

14、36,Question:,焊接化學(xué)冶金反應(yīng)的特點(diǎn) 焊接冶金過程是分區(qū)域連續(xù)進(jìn)行的 ( ) 焊接冶金反應(yīng)具有超高溫的特征 ( ) 冶金反應(yīng)界面大 ( ) 反應(yīng)過程時間短 ( ) 熔池金屬處于不斷運(yùn)動狀態(tài) ( ),.,37,小結(jié),重點(diǎn)掌握一些基本概念 焊條加熱熱源 焊條熔滴過渡的形式 焊接化學(xué)冶金反應(yīng)的特點(diǎn),本節(jié)結(jié)束,.,38,焊接材料,焊接時所消耗的材料統(tǒng)稱為焊接材料(Welding Consumables),.,39,焊條,.,40,焊條,焊條的型號是以國家標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，反映焊條主要性能的一種表示方法。,.,41,焊條,焊條的牌號 是對焊條產(chǎn)品的具體命名，是由焊條廠家制定的。為了便于選用，焊條行

15、業(yè)采用統(tǒng)一的牌號，將屬于同一焊條類型的藥皮，符合國標(biāo)中的同一型號，性能相近的產(chǎn)品統(tǒng)一命名為一個牌號。,.,42,焊接材料,藥皮（electrode coating）的作用 產(chǎn)生保護(hù)氣氛 提高焊條工藝性能 產(chǎn)生熔渣 脫氧、脫硫等 向焊縫過渡合金元素，改變焊縫成分,.,43,焊條藥皮類型,.,44,Question：,The electrode coating: Improves arc stability Produces a slag blanket Allows alloying elements to be added to the weld metal Increase the weld

16、 metal cooling rate,.,45,2-2 氣相對金屬的作用,焊接區(qū)氣體的來源 空氣 焊材表面和母材坡口附近的吸附水、油、銹及氧化鐵皮等 焊接材料（焊劑、保護(hù)氣體等）蒸發(fā)、分解和燃燒 物質(zhì)的蒸發(fā) 100 ：吸附水蒸發(fā) 400-600 ：焊條藥皮中的組分如白泥和云母中的結(jié)晶水被排除。 電弧高溫：金屬元素和熔渣中的各種成分發(fā)生蒸發(fā)，如Fe, Mn及氟化物等 有機(jī)物的分解和燃燒 碳酸鹽和高價氧化物的分解,.,46,有機(jī)物的分解和燃燒,有機(jī)物種類：淀粉、纖維素和藻酸鹽 作用：酸性焊條造氣劑和增塑劑 分解：220 320 時分解50%；800 完全分解。 分解產(chǎn)物：CO2，CO，H2,.,

17、47,碳酸鹽和高價氧化物的分解,碳酸鹽：CaCO3、MgCO3、CaMg(CO3) 2 作用：焊條造氣劑 分解：相關(guān)化學(xué)反應(yīng)式 分解產(chǎn)物：CO2，CO，H2 高價氧化物：Fe2O3和MnO2 O2和低價氧化物FeO和MnO,.,48,碳酸鹽的分解反應(yīng),若 pco2=30.4Pa，則 CaCO3開始分解溫度545 MgCO3開始分解溫度325 假設(shè)電弧氣氛的總壓力P101KPa，并令PCO2P，則 CaCO3 的分解溫度為910。 MgCO3的分解溫度為650。 在焊接溫度下，它們可以完全分解。,.,49,2.2.1氣體的分解,簡單氣體的分解：N2、H2、O2和F2 復(fù)雜氣體的分解：CO2和H2

18、O,雙原子氣體的分解度與溫度的關(guān)系,.,50,焊接區(qū)氣相的成分,焊接區(qū)經(jīng)常同時存在多種氣體，之間存在復(fù)雜的反應(yīng)。,表 焊接區(qū)實(shí)際氣體成分冷至室溫后氣相的成分,.,51,2.2.2氣相對金屬的作用-氮的作用,氮的主要來源：焊接區(qū)周圍的空氣 根據(jù)氮與金屬作用的特點(diǎn)，大致可分為兩種情況：,Fe、Ti、Mn、 Cr，必須采取保護(hù)措施防止氮化,Cu、Ni，氮可以作為保護(hù)氣體,.,52,氮對金屬的作用-氮的溶解,溶解反應(yīng) N2(g)2N 平衡時的溶解度符合平方根定律： KN2氮溶解反應(yīng)的平衡常數(shù) PN2氣相中分子氮的分壓 PN2 SN 降低焊縫中的含氮量 實(shí)際上還存在氮原子和氮離子的溶解,N表示在液態(tài)金屬

19、中,.,53,氮對金屬的作用-氮的溶解,當(dāng)金屬發(fā)生相變時，由于金屬組織結(jié)構(gòu)的變化，氣體的溶解度將發(fā)生突變。 氫和氮在-Fe（面心）中的溶解度比在-Fe和-Fe（體心）大。,固-液變化,氮和氫在鐵中溶解度與溫度的關(guān)系 PN2+P金=101KPa(1atm),.,54,氮對焊接質(zhì)量的影響,形成氮?dú)饪?氮可以顯著地影響力學(xué)性能 使強(qiáng)度提高 降低焊縫塑性(ductility)和韌性(toughness) 一部分氮以過飽和形式存在于固溶體中 一部分以針狀氮化物（Fe4N）形式析出 時效脆化 過飽和的氮隨著時間的延長，將以針狀氮化物（Fe4N）形式析出，分布在晶界或晶內(nèi)，使接頭的塑性和韌性降低。 在焊縫金

20、屬中加入穩(wěn)定氮化物的元素（鋁、鈦等），可抑制或消除時效現(xiàn)象。,.,55,氮對焊接質(zhì)量的影響,.,56,氮對焊接質(zhì)量的影響,鐵素體基體上分布著針狀的Fe4N,.,57,控制焊縫含氮量的措施,加強(qiáng)保護(hù)（主要）； 控制焊縫中含氮量的主要措施； 不同的焊接方法保護(hù)效果不同。 控制焊接工藝參數(shù)； 焊接電壓、電流與極性（直流正極性含氮量較高） 加入強(qiáng)氮化物形成元素（如Ti、Zr、Al、Si等），控制焊縫的含氮量；,.,58,控制焊縫含氮量的措施,用不同方法焊接低碳鋼時焊縫的含氮量,.,59,控制焊縫含氮量的措施,電弧電壓對焊縫含N量的影響（SMAW）,焊絲中合金元素濃度對焊縫含N量的影響,在101KPa空

21、氣中焊接、25V,250A, 20cm/min, DCRP,.,60,2.2.3氣相對金屬的作用-氫的作用,氫的主要來源：焊接材料中的水份、有機(jī)物、吸附水及結(jié)晶水，工件表面雜質(zhì)及空氣中的水分等。 根據(jù)氫與金屬作用的特點(diǎn)，可分為兩大類： 與氫形成穩(wěn)定的氫化物，如Zr、Ti、V、Nb等。 不與氫發(fā)生化合反應(yīng)，但可以溶解氫，如Fe、Cu 、Ni等。,.,61,氫對金屬的作用-氫的溶解,氫的溶解反應(yīng) H2(g)2H H=H 溶解過程并不決定焊縫中最終的含氫量，還與氫的擴(kuò)散有關(guān)。,.,62,氫對金屬的作用-氫的溶解,氫在鋼中溶解度的影響因素 溫度 合金元素 顯微組織 （體心立方）鐵素體珠光體索氏體馬氏體

22、奧氏體（面心立方） 在相同的條件下，氫在-Fe中的溶解度比-Fe中的要大。 宏觀缺欠和微觀缺陷 應(yīng)力和延性變形,增大,.,63,氫對金屬的作用-氫的溶解,氮和氫在鐵中溶解度與溫度的關(guān)系 PN2+P金=101KPa(1atm),氫在金屬中的溶解度與溫度的關(guān)系 PN2+P金= 101KPa(1atm),.,64,氫對金屬的作用-氫的溶解,Ti、Zr、Nb等可提高氫在液態(tài)鐵中的溶解度 Ni、Cr、Mo等影響不大 C、Si、B等可降低氫在液態(tài)鐵中的溶解度 O可有效地降低氫的溶解度。,合金元素濃度對焊縫含H量的影響,加熱溫度1600,.,65,焊縫中的氫及其測量,溶入焊縫金屬中的氫，可分為兩部分： 擴(kuò)散

23、氫(diffusible hydrogen) 氫以原子或質(zhì)子形式存在的并可在金屬晶格中自由擴(kuò)散。以H 、H+ 、H-形式存在。 殘余氫(residual hydrogen) 氫原子擴(kuò)散聚集到金屬的晶格缺陷，顯微裂紋和非金屬夾雜物的邊緣空隙中，結(jié)合成分子不能自由擴(kuò)散。以氫分子的形式存在。 焊縫總含氫量=擴(kuò)散氫殘余氫 測量擴(kuò)散氫的方法有甘油法、水銀法、氣相色譜法。,.,66,擴(kuò)散氫的測量,1恒溫收集箱 2試件 3集氣管 4水銀溫度計(jì) 5水銀接觸溫度計(jì) 6恒溫甘油 7隔板 8恒溫控制器 9加熱元件,甘油法測氫裝置示意圖,.,67,氫對焊接質(zhì)量的影響（之一）,氫脆/hydrogen embrittle

24、ment 定義：氫在室溫附近使鋼的塑性嚴(yán)重下降的現(xiàn)象。 氫脆形成機(jī)理（空穴氫壓脆化學(xué)說）： 由于鋼中可能存在各種缺陷（顯微空腔），氫在這些缺陷中聚合成分子狀態(tài)，而使空腔內(nèi)產(chǎn)生很高的附加壓力，導(dǎo)金屬變脆。 接頭經(jīng)去（消）氫處理后，塑性可恢復(fù)。,含氫量對低碳鋼塑性的影響,.,68,氫對焊接質(zhì)量的影響（之二）,氫白點(diǎn)(fish eye) 定義：當(dāng)碳鋼或低合金鋼焊縫含氫量較高時，在其拉伸或彎曲試件的斷面上，出現(xiàn)銀白色的圓形局部脆斷點(diǎn)稱為白點(diǎn)。 機(jī)理：焊縫中氣孔與夾雜物誘捕了一定數(shù)量的氫，在延性變形過程中，使氣孔或夾雜物周圍組織產(chǎn)生局部氫脆。 經(jīng)去氫處理后，可消除白點(diǎn)。,.,69,氫對焊接質(zhì)量的影響（之

25、三）,形成氫氣孔 產(chǎn)生冷裂紋/hydrogen induced cracking 氫是產(chǎn)生冷裂紋的主要原因之一。,.,70,控制氫的措施,限制氫的來源 限制焊接材料中的含氫量（焊前烘干） 清除焊絲和焊件表面上的雜質(zhì) 冶金處理（去氫反應(yīng)） 通過調(diào)整焊接材料的成分，使氫在焊接過程中，生成比較穩(wěn)定的、不溶于液態(tài)金屬的氫化物，如 HF，OH等。 焊后脫氫處理 焊后把焊件加熱到一定的溫度，促使氫擴(kuò)散外逸的工藝。 對于奧氏體鋼焊接接頭進(jìn)行脫氫處理效果不大。,.,71,控制氫的措施,冶金處理（去氫反應(yīng)） 在藥皮或焊劑中加入氟化物（如CaF2等） CaF2蒸氣與氫及水蒸氣直接作用 CaF2(g)+H2O(g)

26、 = CaO(g) +2HF CaF2(g) +2H =Ca(g) +2HF 酸性渣中有CaF2 與SiO2共存時，其去氫反應(yīng)為： CaF2 +3 SiO2 =2CaSiO3 +SiF4 SiF4(g) + 2H =SiF(g) +3HF SiF4(g) +2H2O (g) = SiO2(g) +4HF CaF2與水玻璃作用堿性焊條的去氫機(jī)理（P154）,由于CaF2沸點(diǎn)高(2500)，焊接時能形成蒸氣的數(shù)量有限，這種去氫方式 作用不可能大。,.,72,控制氫的措施,冶金處理（去氫反應(yīng)） 可適當(dāng)增加電弧氣氛的氧化性促使生成OH 如藥皮中加碳酸鹽，采用CO2作保護(hù)氣體等 CO2HCOOH OHO

27、H 在藥皮或焊芯中加入微量的稀土元素 Q： 低氫型焊焊條中為什么含有大量的碳酸鹽？ 為什么CO2 焊焊縫含氫量極低？ 為什么Ar弧焊焊接不銹鋼、鋁、銅時，在氬氣中加入5%的O2？,.,73,控制氫的措施,(a) GMAW,(b) FCAW,.,74,2.2.4 氧對金屬的作用,來源：空氣、保護(hù)氣氛、氧化物分解、渣與金屬的反應(yīng)產(chǎn)物等 氧在液態(tài)鐵中的溶解 氧以原子氧和FeO兩種形式溶于液態(tài)Fe中。 金屬的氧化 氧化性氣體（自由氧、CO2、H2O） 活性熔渣,液態(tài)鐵中氧的熔解度與溫度的關(guān)系,.,75,氧對金屬的作用,氧化性氣體對金屬的氧化 氧化還原反應(yīng)判據(jù) 氧化物分解 氧化物分解達(dá)到平衡時氧的平衡分

28、壓，稱為氧化物的分解壓。 反應(yīng)系統(tǒng)中氧的實(shí)際分壓：,氧化物分解壓越小，越易氧化,.,76,氧對金屬的作用,在焊接溫度下，氣相的氧分壓遠(yuǎn)大于FeO的分解壓，氧化反應(yīng)很激烈 溫度越高，反應(yīng)越激烈,.,77,氧對金屬的作用,氧對焊接質(zhì)量的影響 燒損有益的合金元素，使焊縫金屬的強(qiáng)度、塑性、韌性下降。 形成CO氣孔，產(chǎn)生飛濺。 產(chǎn)生夾渣,氧(FeO)對低碳鋼常溫力學(xué)性能的影響,注意：氧并不是在所有情況下都是有害的。,.,78,氧對金屬的作用,由夾雜引起的裂紋，低合金高強(qiáng)鋼FCAW,焊縫的蠕蟲狀氣孔,.,79,氧對金屬的作用,控制氧的措施 純化焊接材料 控制焊接工藝參數(shù)(有限) 冶金脫氧 (主要)，將在下

29、節(jié)介紹。,本節(jié)結(jié)束,.,80,2-3 熔渣及其對金屬的作用,焊接熔渣 焊接熔渣：焊接時焊條藥皮或焊劑熔化后，經(jīng)過一系列化學(xué)變化而形成的覆蓋在焊縫表面上的非金屬物質(zhì)。 熔渣的作用 機(jī)械保護(hù)作用 改善焊接工藝性能 冶金處理作用,.,81,2-3 熔渣及其對金屬的作用,熔渣的成分及分類,渣系：焊接熔渣是一個多成分的復(fù)雜體系，通常將含量少，影響小的次要成分略去，簡化為含量多，影響大的成分組成的渣系。,.,82,2-3 熔渣及其對金屬的作用,焊接熔渣的理化性質(zhì) 熔渣的堿度(basicity) 熔渣的粘度 ( viseosity) 熔渣的表面張力與界面張力 影響熔滴過渡，脫渣性，保護(hù)效果，焊縫成形等 熔渣

30、的熔點(diǎn)和密度,.,83,2-3 熔渣及其對金屬的作用焊接熔渣的理化性質(zhì),熔渣的堿度(basicity ) 熔渣堿性的強(qiáng)弱程度。堿度的倒數(shù)即為酸度。 分子理論對堿度的定義：,理論上，當(dāng)B1時，為堿性渣 當(dāng)B1時，為酸性渣 當(dāng)B=1時，為中性渣,式中，R2O、RO-熔渣中堿性氧化物的摩爾分?jǐn)?shù) RO2-熔渣中酸性氧化物的摩爾分?jǐn)?shù),.,84,2-3 熔渣及其對金屬的作用焊接熔渣的理化性質(zhì),熔渣的堿度(basicity) 實(shí)際上，當(dāng)B1.3時，熔渣才是堿性的。 比較精確的計(jì)算公式如下：,式中，CaO、MgO、CaF2、SiO2 等以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)； B11時為堿性； 根據(jù)熔渣的堿度，可將焊條和焊劑分為酸性

31、和堿性兩大類。 低氫型焊條和HJ251為堿性的。,.,85,練習(xí)：,測得熔渣的化學(xué)成分為：aO41.94%，CaF228.34%，SiO223.76%， FeO5.78%, TiO27.23%， Al2O33.57%，MnO3.74%， (Na2O+K2O)4.25%，計(jì)算熔渣的堿度B1，并判斷該渣的酸堿性。,.,86,2-3 熔渣及其對金屬的作用焊接熔渣的理化性質(zhì),熔渣的粘度 ( viseosity) 熔渣內(nèi)部相對運(yùn)動時各層之間的內(nèi)摩擦力 主要影響對金屬的保護(hù)效果、焊縫成形、熔池中氣體的外逸等； 根據(jù)熔渣粘度隨溫度變化的速率，可將熔渣分為： 長渣：隨溫度升高粘度下降緩慢的渣。 短渣：隨溫度增

32、高粘度急劇下降的渣。 短渣因凝固時間短適合于全位置焊，長渣適合于平位置焊。,熔渣粘度與溫度的關(guān)系,1-堿性渣，短渣 2-含SiO2多的酸性渣，長渣,.,87,2-3 熔渣及其對金屬的作用焊接熔渣的理化性質(zhì),熔渣的熔點(diǎn)(凝固溫度)與密度 一般比焊縫熔點(diǎn)低200-450 焊接熔渣的熔點(diǎn)過高，將使其與液態(tài)金屬間的反應(yīng)不充分，易形成夾渣。 熔點(diǎn)過低，使熔渣的覆蓋性能變差，焊縫表面粗糙不平。 密度與金屬接近的熔渣易滯留于金屬內(nèi)部形成夾雜。,.,88,Q：,焊接熔渣有哪些作用？ 機(jī)械保護(hù)作用 合金化作用 改善焊接工藝性能,.,89,2-3 熔渣及其對金屬的作用活性熔渣對焊縫金屬的氧化,熔渣的氧化性 取決于

33、熔渣中的氧化物，F(xiàn)eO是熔渣的重要氧化源。通常用FeO的活度來代表熔渣氧化能力的強(qiáng)弱。 CaO , K2O , Na2O, TiO2 , Al2O3 , MgO , SiO2 , MnO 熔渣對金屬的氧化方式 擴(kuò)散氧化 焊接鋼時，F(xiàn)eO 既溶于渣又溶于液態(tài)鋼，當(dāng)熔渣中的FeO 含量高于熔池中的FeO 含量時，熔渣中的FeO 能向熔池金屬擴(kuò)散，從而引起焊縫增氧 置換氧化 當(dāng)熔渣中含有較多的易分解氧化物，則與液態(tài)鐵發(fā)生置換反應(yīng)，使鐵氧化，氧化物中的合金元素被還原,穩(wěn)定性降低,.,90,2-3 熔渣及其對金屬的作用活性熔渣對焊縫金屬的氧化,擴(kuò)散氧化 在一定溫度下平衡時，F(xiàn)eO 在熔渣和熔池中的濃度符

34、合分配定律。 L有利于擴(kuò)散氧化,L為分配系數(shù)（與溫度和熔渣性質(zhì)有關(guān)） 表示在焊縫金屬中 ()表示在熔渣中,.,91,2-3 熔渣及其對金屬的作用活性熔渣對焊縫金屬的氧化,擴(kuò)散氧化 在同樣的溫度下，LbasicLacid 在熔渣含F(xiàn)eO量相同的情況下，堿性渣時焊縫含氧量比酸性渣時多。 堿性焊條藥皮中一般不加入含F(xiàn)eO的物質(zhì) 堿性焊條對鐵銹和氧化皮敏感性大，焊前嚴(yán)格清理。,注意：堿性焊條的焊縫含氧量實(shí)際上比酸性焊條低。,.,92,練習(xí),已知在堿性渣和酸性渣中各含有15%的FeO，熔池的平均溫度為1700，問在該溫度下平衡時分配到熔池中的eO量各為多少？為什么在兩種情況下分配到熔池中的eO量不同？為

35、什么焊縫中實(shí)際含eO量（圖8-5)遠(yuǎn)小于平衡時的含量？,.,93,2-3 熔渣及其對金屬的作用活性熔渣對焊縫金屬的氧化,置換氧化 如低碳鋼焊絲配HJ431埋弧焊 （SiO2)+2Fe=Si+2FeO (MnO)+FeO =Mn+FeO 其結(jié)果使焊縫增Mn，Si，同時使鐵氧化,.,94,2-3 熔渣及其對金屬的作用焊縫金屬的脫氧,脫氧劑(deoxidizer)： 用于脫氧的元素或鐵合金叫脫氧劑(deoxidizer)。 選擇脫氧劑的原則 在焊接溫度下對氧的親和力比被焊金屬大 1800 時，各種元素對氧親和力從小到大的次序排列為：Ni、Cu、W、Mo、Fe、Cr、Nb、Mn、V、Si、B、Ti、M

36、g、C、Al、Ce。 脫氧物不應(yīng)溶于液態(tài)金屬而應(yīng)溶于熔渣，且熔點(diǎn)低、密度小，上浮至熔渣中，以減少夾雜物的數(shù)量。 Mn、Si、Ti和Al常用于脫氧劑。 必須考慮脫氧劑對焊縫成分、性能以及焊接工藝性能的影響。,.,95,2-3 熔渣及其對金屬的作用焊縫金屬的脫氧,脫氧方式 先期脫氧 在藥皮加熱階段，固態(tài)藥皮中進(jìn)行的脫氧反應(yīng)稱為先期脫氧。反應(yīng)物為藥皮中的脫氧劑與分解產(chǎn)物O2和CO2的反應(yīng)。 擴(kuò)散脫氧 FeO (FeO)，主要在熔池的后部進(jìn)行。 沉淀脫氧（主要） 是指溶解于液態(tài)金屬中的脫氧劑直接和熔池中的FeO 起作用,使其轉(zhuǎn)化為不溶于液態(tài)金屬的氧化物,并析出轉(zhuǎn)入熔渣中的一種脫氧方式 錳的脫氧反應(yīng) 硅

37、的脫氧 硅錳聯(lián)合脫氧,.,96,2-3 熔渣及其對金屬的作用焊縫金屬的脫氧,錳的脫氧反應(yīng) 渣中的SiO2 和TiO2與MnO反應(yīng)生成復(fù)合物MnO. SiO2（或MnO. TiO2,），降低了MnO的活度，脫氧效果較好。 一般酸性焊條用錳鐵作為脫氧劑，而堿性焊條不單獨(dú)用錳鐵作為脫氧劑。,Mn + FeO = Fe + (MnO),1600時SiO2對錳脫氧的影響,.,97,2-3 熔渣及其對金屬的作用焊縫金屬的脫氧,硅的脫氧 Si +2FeO = 2Fe + (SiO2) SiO2的熔點(diǎn)高（1713） SiO2與鋼液的界面張力小，潤濕性好，不易從鋼液中分離，造成夾渣。 一般不單獨(dú)采用硅脫氧。,.

38、,98,2-3 熔渣及其對金屬的作用焊縫金屬的脫氧,硅錳聯(lián)合脫氧 Mn/Si=37時，形成的脫氧產(chǎn)物為液態(tài)MnO. SiO2。 堿性焊條一般采用硅錳鈦聯(lián)合脫氧。 CO2焊常采用硅錳聯(lián)合脫氧（采用H08M2SiA焊絲）,脫氧產(chǎn)物形態(tài)與Mn/Si的關(guān)系,.,99,2-3 熔渣及其對金屬的作用焊縫金屬的脫氧,CO2保護(hù)焊焊低碳鋼時焊縫成分與夾雜物的關(guān)系,.,100,2-3 熔渣及其對金屬的作用焊縫金屬中硫和磷的控制,焊縫中硫、磷的危害 硫在鋼焊縫中的主要存在形式：FeS、MnS，其中以FeS危害最大。 FeS在結(jié)晶時易發(fā)生偏析，形成低熔共晶，增加結(jié)晶裂紋的傾向。 焊碳鋼時，形成的低熔共晶為： FeSFeS（熔點(diǎn)為985） FeS FeO（熔點(diǎn)為940） 焊高鎳合金鋼時，形成低熔共晶：NiS+Ni(熔點(diǎn)為644) 磷在鋼焊縫中的存在形式：Fe2P ，F(xiàn)e3P。 磷與鐵、鐵鎳可形成低熔共晶,.,101,2-3 熔渣及其對金屬的作用焊縫金屬中硫和磷的控制,焊縫中硫、磷的控制 限制焊材中的含S與P的含量 用冶金方法脫S脫P(yáng) 用Mn脫SFe