焊接气体与金属的相互作用课件.ppt

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1、1,第一节 气体的来源与产生第二节 气体在金属中的溶解第三节 氧化性气体对金属的氧化第四节 气体的控制措施,2,第一节 气体的来源与产生,3,一、焊接区内的气体来源*,N2、H2、O2CO2 和 H2O,焊接区的气体,焊条药皮、焊剂、焊芯的造气剂;高价氧化物及有机物的分解气体;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,4,1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,二、焊接区内的气体产生*,5,1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

2、以上发生， 800左右完全分解,CO2、CO、H2、烃和水气,如纤维素的热氧化分解反应：(C6H10O5)m7/2m O2（气）6m CO2(气)5m H2（气）,酸性焊条药皮中有机物的含量较高。,6,2碳酸盐和高价氧化物的分解,碳酸盐（CaCO3、MgCO3 等）的分解 CaCO3 = CaO + CO2 MgCO3 = MgO + CO2,（545 910）（325 650）,碱性焊条药皮中碳酸盐的含量较高。,高价氧化物（Fe2O3 和 MnO2）的分解 6 Fe2O3 = 4 Fe3O4 + O2 2 Fe3O4 = 6 FeO + O2 4 MnO2 = 2 Mn2O3 + O2 6

3、Mn2O3 = 4 Mn3O4 + O2,7,3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AlF3、KF、LiF、NaF,极易蒸发,8,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 焊工身体健康。,9,表3-1 碳钢焊条电弧焊焊接区室温时的气相成分,低氢型焊条焊接时，气相中H2和H2O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。,10,4、气体的分解,简单气体（指 F2 、H2、O2、 N2等双原

4、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。,11,12,13,第二节 气体在金属中的溶解,在焊接过程中，与液态金属接触的气体可分为简单气体和复杂气体两大类。前者如H2、N2、O2等，后者如CO2、H2O、CO等。 一、气体的溶解过程 二、气体的溶解度,14,一、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。 双原子气体溶入金属液的两种方式*： 吸附 分解 溶入 分解 吸附 溶入,15,双原子气体溶入金属液的两种方式,氮溶解过程,16,双原子气体溶入金属液的两种方式,焊接温度下氢

5、、氧等气体的溶解过程,17,双原子气体溶入金属液的两种方式,氮溶解过程 氢、氧等气体的溶解过程,18,二、气体的溶解度 *,溶解度 在一定压力和温度条件下，气体溶入金属的饱和浓度。,溶解度S的影响因素,气体种类,合金成分,压力与温度,19,1压力和温度的影响,理想气体溶解度的平方根定律：Px 为气体分压， Px 溶解度Kx 为常数，取决于温度和金属的种类。,20,金属吸收气体为吸热反应，溶解度随温度的升高而增加；金属吸收气体为放热反应，溶解度随温度的上升而降低。,气体溶解度与热效应和温度的关系,金属发生相变时，由于金属组织结构的变化，气体的溶解度将发生突变。液相比固相更有利于气体的溶解。,当金

6、属由液相转变为固相时，溶解度的突然下降将对焊件中气孔的形成产生直接的影响。,21,氮和氢在金属或合金中的溶解反应类型及形成化合物倾向,2、氮、氢、氧在金属中的溶解度,22,氮、氢在铁中的溶解度,（ PN2 PH2 = 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。,23,氧在铁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,24,图 氢在不同金属中的溶解度随温度的变化（pH20.1MPa）a）I类金属(氢的溶解是吸热反应) b）II类金属,a）,SH/mL.(

7、100g)-1,T/,b）,3、合金成分对溶解度的影响,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。,25,3、合金成分对溶解度的影响,液态金属中加入能提高气体含量的合金元素，可提高气体的溶解度；若加入的合金元素能与气体形成稳定的化合物（即氮、氢、氧化合物），则降低气体的溶解度。,26,第三节 气体对金属的氧化,主要讨论O2、CO2、H2O等气体对金属的氧化。 一、金属氧化还原方向的判据二、氧化性气体对金属的氧化,27,一、金属氧化还原方向的判据,在一个由金属、金属氧化物和氧化性气体组成的系统中，采用金属氧化物的分解压 Po2作为金属是否被氧化的判据。 2 MeO 2M

8、e + O2 若氧在金属氧氧化物系统中的实际分压为Po2，则: Po2 Po2 时，金属被氧化； Po2 = Po2 时，处于平衡状态； Po2 Po2 时，金属被还原。,28,金属氧化物的分解压是温度的函数，它随温度的升高而增加。 除了Cu2O和NiO外，在同样温度下，FeO的分解压最大，即最不稳定。FeO为纯凝聚相时，其分解压为：,图 自由氧化物分解压与温度的关系,T/,Lg pO2/101.3kPa,29,式中 P o2 是液态铁中FeO的分解压；FeO 是溶解在液态铁中的 FeO 浓度；FeOmax是液态铁中 FeO 的饱和浓度。由上式可以看出，由于 FeO 溶于液态铁中，使其分解压减

9、小，致使 Fe 更容易氧化。,计算得知，在高于铁熔点的温度下Po2 很小，例如温度为1800，液态铁中FeO的质量分数为1时，Po2 =1.510-8 MPa，说明气相中只要存在微量的氧，即可使铁氧化。,通常情况下FeO溶于液态 铁中，这时其分解压为：,30,二、氧化性气体对金属的氧化,1、 自由氧对金属的氧化2、 CO2 对金属的氧化3、 H2O 对金属的氧化4、 混合气体对金属的氧化,31,1、自由氧对金属的氧化,气相中 O2 的分压超过 Po2 时，将使 Fe 氧化： Fe + O2 = FeO + 26.97 kJ/mol Fe + O = FeO + 515.76 kJ/mol 由反

10、应的热效应看，原子氧对铁的氧化比分子氧更激烈。 除了铁以外，其它对氧亲和力比铁大的元素也会发生氧化，如： C + O2 = CO Si + O2 =（SiO2） Mn + O2 =（MnO）,32,纯CO2高温分解得到的平衡气相成分和气相中氧的分压 Po2 ,随温度升高，气相的氧化性增加。,2、CO2对金属的氧化,当温度高于3000K时，CO2的氧化性超过了空气。,温度高于铁的熔点以后， Po2远大于Po2,高温下CO2对液态铁和其他许多金属来说均为活泼的氧化剂。,33,CO2与液态铁的反应式和平衡常数为： CO2 Fe CO FeO 温度升高时，平衡常数K增大，反应向右进行，促使铁氧化。计算

11、表明，即使气相中只有少量的 CO2 ，对铁也有很大的氧化性。因此，用CO2作保护气体只能防止空气中氮的侵入，不能避免金属的氧化。 用CO2 作为保护气体焊接时，应该在焊丝中增加脱氧元素。,34,3、H2O对金属的氧化,H2O 气与 Fe 的反应式和平衡常数为： H2O气FeFeOH2 可见，温度越高，H2O的氧化性越强。 H2O气除了使金属氧化外，还会提高气相中 H2 的分压，导致金属增氢。,35,4、混合气体对金属的氧化,焊接电弧空间的气相是由多种气相成分混和而成。对于不同的焊接材料，焊接区气相会有不同的组成。,O/g.(100g)-1，wO/%,ArCO2,CO2，O2/%O2/%,不同气

12、体保护焊对于熔敷金属中含氧量的影响见下图。,熔敷金属中O与保护气体成分的关系 实线O 虚线wO(焊丝H08Mn2Si 1.6mm 母材低碳钢),36,表3-2 碳钢焊条电弧焊焊接区室温时的气相成分,低氢型焊条焊接时，气相中H2和H2O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。,酸性焊条电弧焊电弧空间的氧化性远大于碱性。,37,第四节 气体的影响与控制,一、气体对金属质量的影响二、气体的控制措施,38,一、气体对金属质量的影响,残留在金属内部的气体元素对金属性能的影响取决于气体元素在金属中的存在状态。,室温下 N、H、O 在金属中的溶解度极低， 残留在接头中

13、的 HR易导致延迟裂纹和氢脆。,固溶态化合物独立气相,弥散状（氮化物）块状（氧化物、氮化物）,强化、脆化 夹杂,气孔（氢气孔，氮气孔，CO气孔）,39,二、气体的控制措施,1限制气体的来源 2控制工艺参数3冶金处理,40,1限制气体的来源,氮主要来源于空气，它一旦进入液态金属，去除就比较困难。因此，控制氮的首要措施是加强对金属的保护，防止空气与金属接触。,焊接时，惰性气体或气渣联合保护。,41,氢主要来源于水分，包括原材料本身含有的水分、材料表面吸附的水分以及铁锈或氧化膜中的结晶水、化合水等。材料内的碳氢化合物和材料表面的油污等也是氢的重要来源。 限制措施为焊材存放中防吸潮、焊前烘干和去油污。

14、,42,氧主要来源于焊材，在焊接要求比较高的合金钢和活泼金属时，应尽量选用不含氧或氧含量少的焊接材料。 如采用高纯度的惰性保护气体，采用低氧或无氧的焊条、焊剂等。,43,2控制工艺参数,增大电弧电压时，保护效果变差，液态金属与空气的接触机会增多，使焊缝中氮、氧的含量增加。因此，应尽量采用短弧焊。,焊接电流增加时，熔滴过渡频率增加，气体与熔滴作用时间缩短，焊缝中氮、氧含量减少。此外，焊接方法、熔滴过渡特性、电流种类等也有一定的影响。,44,3冶金处理,采用冶金方法对液态金属进行脱氢、脱氮、脱氧等除气处理，是降低金属中气体含量的有效方法。,45,焊接过程中的脱氢 （1）在焊条药皮和焊剂中加入氟化物

15、 （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,46,（1）在焊条药皮和焊剂中加入氟化物,主要是CaF2，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： CaF2和SiO2共存时能发生如下化学反应： 2CaF2 +3SiO2 = 2CaSiO3 +SiF4 生成的气体 SiF4 沸点很低，它以气态形式存在。,47,SiF4与气相中的原子氢和水蒸气发生反应： SiF4 + 3 H = SiF + 3 HF SiF4 + 2H2O = SiO2 + 4HF 反应生成的HF在高温下比较稳定，故能降低焊缝的氢含量。,

16、48,在碱性焊条药皮 中， CaF2首先与药皮中的水玻璃发生反应：Na2O.n SiO2 +mH2O=2NaOH+nSiO2 (m-1)H2O 2NaOH+CaF2 = 2 NaF + Ca(OH)2 K2O.n SiO2 +mH2O=2KOH+nSiO2(m-1) H2O 2 KOH + CaF2 = 2KF + Ca(OH)2,49,与此同时，CaF2与水蒸气和氢发生如下反应： CaF2 +H2O=CaO+2HF CaF2 +2H=Ca+2HF上述反应生成的 NaF 和 KF 与 HF 发生反应： NaF+HF=NaHF2 KF+HF=KHF2 生成的氟化氢钠和氟化氢钾进入焊接烟尘，从而达

17、到了去氢的目的。,50,（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。,51,焊条药皮中加入碳酸盐或 Fe2O3 ，或采用 CO2 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CO2，Fe2O3则分解出O2 ，能促使下列反应向右进行 ： O+H=OH O2 +H2=2OH 2CO2+H2=2CO+2OH,52,（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，可显著降低焊缝中扩散氢的含量，同时能提高焊缝的韧性。微量元素碲和硒也有很强的去氢作用。,53,（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。,54,本章结束,