第十章熔化焊化学冶金过程66.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,PPT,文档演模板,Office,PPT,05 十一月 2026,第十章熔化焊化学冶金过程66,第一节 焊接气体与金属的相互作用,第二节 焊接材料与焊接熔渣,第三节 焊接化学冶金反应,一、焊接区的气体,N,2,、H,2,、O,2,CO,2,和 H,2,O,焊接区的气体,焊条药皮、焊剂、焊芯,的造气剂,热源周围气体介质,母材坡口的油污、油漆、铁锈、水分空气中的气体、水分保护气体及其杂质气体。,直接进入,间接分解,第一节 焊接气体及与金属的相互作用,气体的来源,1有机物的分解和燃烧,2碳酸盐和高价氧化物的分解,3材料的蒸发,4、气体的分解,1有机物的分解和燃烧,焊条药皮中的淀粉、,纤维素、糊精等有机物,（造气、粘接、增塑剂）,热氧化分解反应,220250以上发生，,800左右完全分解,CO,2,、CO、H,2,、烃和水气,如纤维素的热氧化分解反应：,（C,6,H,10,O,5,）,m,7/2,m,O,2,（气）6,m,CO,2,（气）5,m,H,2,（气）,酸性焊条药皮中有机物的含量较高。,2碳酸盐和高价氧化物的分解,碳酸盐（CaCO,3,、MgCO,3,及 BaCO,3,等）的分解,CaCO,3,=CaO+,CO,2,MgCO,3,=MgO+,CO,2,（545 910）,（325 650）,碱性焊条药皮中碳酸盐的含量较高。,高价氧化物（Fe,2,O,3,和 MnO,2,）的分解,（在某些酸性焊条药皮中含量较高）,6 Fe,2,O,3,=4 Fe,3,O,4,+,O,2,2 Fe,3,O,4,=6 FeO+,O,2,4 MnO,2,=2 Mn,2,O,3,+,O,2,6 Mn,2,O,3,=4 Mn,3,O,4,+,O,2,3材料的蒸发,焊接过程中，除了焊接材料和母材表面的水分发生蒸发外，金属元素和熔渣的各种成分在电弧高温作用下也会发生蒸发，形成相当多的蒸气。,金属材料中Zn、Mg、Pb、Mn,氟化物中AlF,3,、KF、LiF、NaF,后果：,合金元素的损失；,产生焊接缺陷；,增加焊接烟尘，污染环境，影响焊工身体康。,极易蒸发,编 号,反 应 式,/kJ.mol,编 号,反 应 式,/kJ.mol,1,F,2,FF,270,6,CO,2,CO1/2O,2,282.8,2,H,2,HH,433.9,7,H,2,OH,2,1/2O,2,483.2,3,H,2,HH,+,e,1745,8,H,2,OOH1/2H,2,532.8,4,O,2,OO,489.9,9,H,2,OH,2,O,977.3,5,N,2,NN,711.4,10,H,2,O2HO,1808.3,4、气体的分解,简单气体（指N2、H2、O2、F2等双原子气体）的分解；,复杂气体（指CO2和H2O等）的分解，分解产物在高温下还可进一步分解和电离。,分解度,温度,T,/K,CO,2,分解时气相的平衡成分,与温度的关系,气相体积分数,/%,温度,T,/K,双原子气体分解度,与温度,的关系（,P,0,0.1MPa）,图7-3 H,2,O分解形成的气相成分与温度的关系（,P,0,0.1MPa）,温度,T,/10,3,K,气,相,体,积,分,数,/%,5.气相的成分,焊接时气相的成分和数量随着焊接方法、焊接工艺参数、焊条或焊剂的类型不同而变如表10.3所示。,低氢型焊条焊接时，气相中H,2,和H,2,O的含量很少，故称“低氢型”；,酸性焊条焊接时氢含量均较高，其中纤维素型焊条的最大。,焊接区内的气体是由CO2、H2O、N2、H2、O2、金属和熔渣的蒸,汽以及它们分解和电离的产物组成的混合物。其中对焊接质量影响,最大的是CO2、H2O、N2、H2、O2。,表10.3焊接碳钢时气相冷却至室温时的成分,焊接方法,焊条和焊剂类型,气相成分/%,备注,CO,CO,2,H,2,H,2,O,N2,手工电弧焊,高钛型（J421）,46.7,5.3,34.5,13.5,-,焊条在110烘干2h,钛钙型（J422）,50.7,5.9,37.5,5.7,-,钛铁矿（J423）,48.1,4.8,36.6,10.5,-,氧化铁（J424）,55.6,7.3,24.0,13.1,-,纤维素（J425）,42.3,2.9,41.2,12.6,-,低氢型（J427）,79.8,16.9,1.8,1.5,-,自动埋弧焊,HJ330,86.2,-,9.3,-,4.5,焊剂为玻璃状,HJ431,89-93,-,7-9,-,1.5,气焊,O,2,/C,2,H,2,=1.1-1.2,60-66,有,34-40,有,-,二、氢与金属的作用,在焊接过程中，氢主要来源于焊接材料中的水分、,含氢物质及电弧周围的水蒸气等。,1、氢在金属中的溶解：,能形成稳定的氢化物的金属如Zr、Ti、V、Ta、Nb等这类金属吸收氢时放热，因此在较低温度下吸收较多的氢，在高温时较少。焊接这类金属及合金时，须防止固态下吸收大量的氢，否则严重影响焊接质量。,不形成稳定氢化物的金属，如Al、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等，但氢能溶解在这类金属及合金中。,总之，氢通过熔渣向金属中过渡时，其溶解度取决于气相中氢和水蒸气的分压、熔渣的碱度等因素。,(Fe2+)+2(OH-)=Fe+2O+2H,Fe+2(OH-)=(Fe2+)+2(O-)+2H,2(OH-)=(O2-)+O+2H,H,2,O,气,+（O2-）=2(OH-)(1)式,氢通过熔渣向金属过渡时，氢或者水蒸气首先溶于熔渣，,以OH-的形式存在，因为水蒸气先发生下列反应：,从（1）式可以看出，,渣中自由氧离子浓度越大也即熔渣中的碱度越大，水在渣中的溶解度越大。,S,H,/mL.(100g),-1,T,/,图7-9 氢在不同金属中的溶解度随温度的变化（,p,H2,0.1MPa）,a）I类金属 b）II类金属,a）,S,H,/mL.(100g),-1,T,/,b）,第II类金属吸氢过程是放热反应，因此随着温度的升高，氢的溶解度减小，,.,合金元素对氢的溶解度有较大的影响。Ti、Zr、Nb及某些稀土元素可提高氢在液态铁中的溶解度；Mn、Ni、Cr、Mo影响不大；而C、Si、Al可降低氢的溶解度。氧是表面活性元素能够减少金属对氢的吸附，从而有效的降低氢在液态铁、低碳钢中的溶解度。,2、焊缝中的氢,钢焊缝中氢大部分是以H、H+、H-形式存在的，他们与焊缝金属形成间隙固溶体，因氢原子和离子的半径较小，这一部分氢可以在焊缝金属的晶格中自由扩散，称为扩散氢，扩散氢占80-90。另一部分氢扩散聚集到金属的晶格缺陷、显微裂纹和非金属夹杂物边缘的空隙中，结合为氢分子，因其半径大，不能自由扩散，故称为残余氢。,3、氢对焊接质量的影响,氢脆,试件拉伸过程中，金属中的位错发生运动和堆积，结果形成显微空腔。,同时，溶解在晶格中的原子氢不断地沿着位错运动的方向扩散，最后聚,集到显微空腔内结合为分子氢，使空腔内产生较高的压力导致金属变,脆。,含氢量越大、氢脆的倾向越大。接头经过消氢处理后塑性可回复。,白点,碳钢或低碳钢焊缝，如果含氢量较高，那么常常在拉伸或弯曲断面上出现银白色圆形局部脆断点，称为白点。通常，白点的中心由小夹杂物或气孔。焊缝产生白点后，塑性大大降低。,焊缝金属对白点的敏感性与含氢量、金属的组织和变形速度等因素有关。铁素体和奥氏体钢焊缝不出现白点。前者因为氢在其中扩散快、易于逸出；后者是因为氢在其中的溶解度大，并且扩散慢。碳钢和用Cr、Ni、Mo合金化的焊缝，尤其是这些元素含量较大时对白点很敏感。含氢量越大，出现白点可能性越大，若预先经过去氢处理，则可能消除白点。,气孔,冷裂纹,组织变化,氢在奥氏体中的溶解度较大。焊缝中含氢量较大时，含氢奥氏体的稳定性增加，不容易形成铁素体和珠光体，而形成马氏体，造成氢的富集而产生裂纹。,4.控制含氢量的措施,（1）限制氢的来源,限制焊接材料中氢的来源。如生产焊剂和焊条时，在焊接生产前对焊条和焊,剂严格烘干。烘干后应立即使用，对于低氢焊条还需用焊条保温筒。,（2）,焊接过程中的脱氢,熔池存在时间短暂，因此不能采用熔炼过程时的冶金除氢法。,（1）在焊条药皮和焊剂中加入氟化物,（2）控制焊接材料的氧化势,（3）在药皮或焊芯中加入微量稀土元素,（4）焊后消氢处理,（1）在焊条药皮和焊剂中加入氟化物,主要是CaF,2,，焊条药皮中加入78，即可急剧减少焊缝的氢含量。氟化物的去氢机理主要有以下两种：,在酸性渣中,，CaF,2,和SiO,2,共存时能发生如下化学反应：,2 CaF,2,+3 SiO,2,=2 CaSiO,3,+,SiF,4,生成的气体 SiF,4,沸点很低（90），它以气态形式存在，并与气相中的原子氢和水蒸气发生反应：,SiF,4,+3 H =SiF +3,HF,SiF,4,+2 H,2,O =SiO,2,+4,HF,反应生成的 HF 在高温下比较稳定，故能降低焊缝的氢含量。,在碱性焊条药皮,中，,CaF,2,首先与药皮中的水玻璃发生反应：,Na,2,O.,n,SiO,2,+,m,H,2,O =,2 NaOH,+,n,SiO,2,(,m,-1)H,2,O,2 NaOH +CaF,2,=,2,NaF,+Ca(OH),2,K,2,O.,n,SiO,2,+,m,H,2,O =,2 KOH,+,n,SiO,2,(,m,-1)H,2,O,2 KOH +CaF,2,=,2,KF,+Ca(OH),2,与此同时，CaF,2,与氢和水蒸气发生如下反应：,CaF,2,+H,2,O =CaO +2,HF,CaF,2,+2 H =Ca +2,HF,上述反应生成的 NaF 和 KF 与 HF 发生反应：,NaF +HF =,NaHF,2,KF +HF =,KHF,2,生成的氟化氢钠和氟化氢钾进入焊接烟尘，从而达到了去氢的目的。,（2）控制焊接材料的氧化势,气相中的氧可以夺取氢，生成,较稳定的OH,，从而减小气相中的氢分压，降低熔池中氢的浓度。因此：,适当提高气相的氧化性，有利于降低焊缝的氢含量,。,焊条药皮中加入碳酸盐或 Fe,2,O,3,，或采用 CO,2,作保护气体，均可获得氢含量较低的焊缝。因为碳酸盐受热后分解出 CO,2,，Fe,2,O,3,则分解出O,2,，能促使下列反应向右进行：,O +H =OH,O,2,+H,2,=2 OH,2 CO,2,+H,2,=2 CO +2 OH,在药皮中加入脱氧剂如钛铁，会增加扩散氢的含量。因此，要得到氧和氢含量都低的焊缝金属，在增加脱氧剂的同时，必须采取其他有效的去氢措施。,（3）在药皮或焊芯中加入微量稀土元素,焊条药皮中加入,微量的钇,，（强氢化物形成元素）可显著降低焊缝中扩散氢的含量，同时能提高焊缝的韧性。微量稀土元素碲和硒也有很强的去氢作用。,（4）焊后消氢处理,焊后立即,将焊件加热到350，保温1h，可使绝大部分的扩散氢去除。在生产上，对于易产生冷裂的焊件常要求进行焊后脱氢处理。但对于奥氏体钢焊接接头，脱氢处理效果不大。,三、氮与金属的作用,根据氮与金属作用的特点，分两种情况。一种是不于氮发生作用的金属，如铜和镍等，不熔解氮，又不形成氮化物，焊接这类金属时氮可以作为保护气；另一种与氮发生作用的金属，如铁、钛等既能溶解氮，又能与氮形成稳定的氮化物，焊接这类金属及合金时须防止金属氮化。,1.氮在金属中的溶解,气体的溶解过程,原子或离子状态,直接溶入,液态金属；,分子状态,的气体,先分解,为原子或离子之后再溶解到液态金属中。,温度不够高或气体难以分解时,分解 吸附 溶入,吸附 分解 溶入,双原子气体溶入金属液的两种方式：,焊接温度下氢、氧等气体的溶解,氮、氢在铁中的溶解度,（P,N2,P,H2,=0.1MPa）,氮、氢在金属凝固时溶解度陡降。,氮、氢在奥氏体中的溶解度大于铁素体。,氮、氢在液态铁中的溶解度随温度升高而增大。,在铁的气化温度附近，气体溶解度陡降。,造成气孔,引起时效脆化,氮可以降低塑性韧性提高强度，含量极低时对力学性能无影响。,2.氮对焊接质量的影响,3.控制氮含量的措施,加强对焊接区机械保护,控制焊接工艺参数,利用合金元素控制焊缝的氮含量,四、氧与金属的作用,主要讨论O,2,、CO,2,、H,2,O等气体对金属的氧化。,1、氧,在金属中的溶解,2、金属氧化还原方向的判据,3、氧化性气体对金属的氧化,1.氧在金属中的溶解,溶解过程吸热，温度升高，氧在液态铁中的溶解度变大，在1700度左右，O,可达0.4，室温下不溶于-Fe中。当P,o2,=1atm,O=K,O2,即为最大溶解量，同,时带入与温度的试验关系得到：,焊接钢时，熔滴的平均温度为2300度，由上式计算出氧含量为1.88，实际,上用光杆焊丝无保护情况下，焊缝含氧量为0.2-0.7。这主要因为空气中氧的分,压小于一个大气压；焊接时生成的CO、金属蒸汽对焊接区由保护作用；焊丝的合,金元素降低了氧的溶解度；金属与气相作用未平衡。,随着温度的升高，氧在液态铁中的溶解度增加。当液态铁中有合金元素时，,随着合金元素含量的增加，氧的溶解度下降。温度下降时焊缝和钢中氧的绝大部分以,氧化物和硅酸盐的夹杂存在，那么焊缝的含氧量既保括溶解在金属中的氧量又包,夹杂物中的氧含量。,温度,T,/,溶解度,S,O,/%,氧在金属中的溶解度,与温度的关系,氧在液态铁中的溶解度随温度升高而增大,1、金属氧化还原方向的判据,Po2,P,o2 时，金属被氧化；,Po2=,P,o2 时，处于平衡状态；,Po2 K,Mn,，显然对于过热度很高的熔滴，（SiO,2,）的氧化性可以超过（MnO）。,0 2100 T/,lgK,lgK,Si,lgK,Mn,置 换 氧 化,3 熔池反应区,熔滴和熔渣同熔化的母材混合形成熔池。,温度：1600-1900,比表面积：1300 cm2/kg,反应时间：3-8S（SMAW）,特点：熔池金属有规律的对流和搅拌运动，冶金反应比较激烈、熔池温度不均匀、同一反应在不同区域可能向相反方向进行。,工艺措施,限制杂质的来源，加强去污和保护。,三、焊接金属化学成分的控制,1.杂质元素的控制,冶金措施,转化为不溶状态或转移到熔渣中的方法；,根据杂质的种类采取相应措施。,氧,控制先期脱氧，研制气氛的氧化性，尽可能地在熔池中沉淀脱氧，实现M n-,Si联合脱氧,。,氢,转化为不溶于金属的OH(增大氧化性），转化为HF。,三、焊接金属化学成分的控制,1.杂质元素的控制,硫,提高CaO的含量降低FeO的含量、提高碱度，加入CaF2降低粘,度，升高温度，提高硫的活度可以降低硫的含量。,磷,化学冶金方法不明显。,氮,化学冶金方法不明显。,三、焊接金属化学成分的控制,过渡系数：某元素在熔敷金属中的实际含量与它在焊接材料中的原始含量之比。,影响因素,合金元素的物理化学性质,合金元素的含量,合金剂的粒度,药皮、药芯或焊剂的氧化势（放氧量）,2.合金元素的烧损,