第二章焊接化学冶金过程.ppt

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1、熔焊原理,1,2,第二章 焊接化学冶金过程第一节 焊缝金属的构成第二节 焊接化学冶金过程的特点第三节 焊接熔渣第四节 氢、氮对熔池金属的作用第五节 焊缝金属的氧化与还原第六节 焊缝金属的脱硫、脱磷第七节 焊缝金属的合金化,焊接化学冶金过程的概念在熔焊过程中，焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程研究目的运用这些规律合理地选择焊接材料，控制焊缝金属的成分和性能使之符合使用要求，设计创造新的焊接材料,3,焊缝：焊件经焊接后所形成的结合部分。熔焊时，焊缝金属是由熔化的母材与填充金属组合而成，其组成的比例取决于具体的焊接工艺条件。有必要了解焊条金属与母材在焊接中加热和熔化的特点以及影响其组成比例的

2、因素。,第一节 焊缝金属的组成,4,一、焊条的加热及熔化 1、焊条的加热 电弧焊时用于加热和熔化焊条(或焊丝)的热能有：化学反应热：仅占13，可忽略不计。电弧热：焊条熔化、使液体金属过热和蒸发的主要 能源约2027%的电弧功率加热焊材。电阻热：使焊芯本身和药皮的温度升高。,5,电阻热增大，使焊芯和药皮温升过高将引起以下的不良后果：熔化激烈引起飞溅药皮开裂与过早脱落，电弧燃烧不稳；焊缝成形不良，甚至产生气孔等缺陷药皮过早进行化学冶金反应丧失冶金效应及保护作用；焊条发红变软，操作困难。,6,1)在其它条件相同时，电流密度越大，焊芯的温升越高。因此，调节焊接电流密度是控制焊条加热温度的有效措施。2)

3、在电流密度相同的条件下，焊芯电阻越太，其温升越高，散电阻较大的不锈钢芯焊条应比碳钢焊条短，相同直径的焊条选用的电流也耍低些。3)在相同的条件下，焊条的熔化速度越高，由于被加热的时间缩短则其温升越低。4)随药皮厚度的增加，药皮表面与焊芯的温差增大，加大了药皮开裂的向。5)调整药皮成分，使焊条金属由短路过渡变为喷射过渡，可以提高焊条的熔化速度而降低焊接终了时的药皮温度。,试验表明：,7,2.焊条金属的平均熔化速度 平均熔化速度：单位时间内熔化焊芯质量或长度。平均熔化速度与焊接电流成正比。vm=m/t=pI熔敷系数：单位时间内焊芯（或焊丝）熔敷在焊件上的金属量。H=mH/It 飞溅率：由于飞溅、氧化

4、、蒸发，焊芯（或焊丝）在熔敷过程中的损失量与熔化的焊芯（或焊丝）质量之比。,熔敷系数才是反映焊接生产率指标,8,3、焊条金属的过渡特性,粗滴短路过渡,附壁过渡,喷射过渡,爆炸过渡,9,4、药皮的熔化与过渡,药皮的温度、焙化及过渡特点对焊接化学冶金反应有极其重要的影响。药皮的熔点越高，厚度越大，套筒越长。熔渣过渡形式：一、以薄膜的形式包在金属熔滴的外面或被夹在熔滴内，同熔滴一起落入熔池；二、熔渣直接从焊条端部以滴状落入熔池。,10,二、母材的熔化与熔池的形成熔池：焊接热源作用在焊件上所形成的具有一定几何形状的液态金属部分就是熔池。熔池是由熔化的焊条金属与局部熔化的母材金属所组成的。若用非熔化极进

5、行焊接时，熔池仅由局部熔化的母材所组成。,11,12,1、熔池的形状和尺寸 熔池的形成需要一定的时间，这段时间叫做过渡时期。经过过渡时期以后，就进入准稳定时期，这时熔池的形状、尺寸和质量不再变化，只取决于母材的种类和焊接工艺条件，并随热源作同步运动。在电弧焊的条件下，准稳定时期熔池的形状如图2-14所示，类似于不标准的半椭球，其轮廓为温度等于母材熔点的等温面。,图2-14 焊接熔池形状示意图,13,在一般情况下，IBmax、Hmax；随着U Bmax、Hmax。熔池长度L的大小与电弧能量成正比。熔池的上表面积，即熔池中液态金属与熔渣的接触面，取决于焊接方法和焊接工艺参数，一般为14cm2。熔池

6、的比表面积S根据规范不同，变化在(0.313)10-3m2/kg，比熔滴的比表面积小。,14,2、熔池的质量和存在时间手弧焊时熔池的重量通常在0.616g范围之内，多数情况下小于5g。埋弧焊焊接低碳钢时，即使焊接电流很大，熔池的质量也不超过100g。由于熔池的体积和质量很小，所以熔池存在的时间很短，一般只有几秒至几十秒，因此，熔池中各种物化反应的时间是很短暂的。但它比熔滴阶段存在的时间要长。,15,3、熔池的温度 实测表明，在熔池内的温度分布是不均匀的，如图2-7所示。在熔池的前部，输入的热量大于散失的热量，所以随热源的移动，母材不断熔化。处于电弧下面的熔池表面(熔池中部)温度最高。熔池后部的

7、温度逐渐下降，因为此处输入的热量小于散失的热量，所以不断发生金属的凝固。,图2-7 熔池的温度分布1熔池中部 2头部 3尾部,16,熔池的平均温度主要取决于母材的性质和散热的条件。对低碳钢来讲，熔池的平均温度约为1770100。,17,4、熔池中流体的运动状态 熔池中的液体金属在各种力的作用下，将发生强烈的运动，使得熔池中的热量和质量的得以传输。好处：使熔化的母材和焊条金属能够很好的混合，形成成分均匀的焊缝金属。熔池中的运动有利于气体和非金属夹杂物的外逸，加速冶金反应，消除焊接缺陷(如气孔)，提高焊接质量。,18,产生运动的原因：熔池温度分布不均匀而造成的液态金属密度差，使液相产生对流运动。温

8、度高的地方金属密度小，温度低的地方金属密度大。由于这种密度差将使液相从低温区向高温区流动。温度分布不均匀也使表面张力分布不均匀。由于焊接热源作用在熔池上的各种机械力使熔池中的液相产生搅拌作用。作用在熔池上的力：电磁力、气体吹力、熔滴下落的冲击力、离子的冲击力等。,三、焊缝金属的熔合比 焊缝金属是由局部熔化的母材与填充金属共同组成，其组成比例决定了焊缝的成分。熔焊时，局部熔化的母材在焊缝金属中所占的百分比叫做熔合比。=Am/(AH+Am),19,取决于焊接方法、规范、接头形式和板厚、坡口角度和形式、母材性质、焊接材料种类以及焊条倾角等因素。通过改变熔合比可以改变焊缝金属的化学成分，如在堆焊时，总

9、是调整焊接规范使熔合比尽可能的小，以减少母材成分对堆焊层性能的影响。在焊接异种钢时，熔合比对焊缝金属成分和性能的影响甚大。因此要根据熔合比选择焊接材料。,20,焊接化学冶金过程：指熔焊时焊接区内各种物质之间在高温条件下的相互作用。其中不仅包括化学变化，而且包括物质在各个参加反应物(如气体，熔渣，液体金属)间的迁移和扩散。焊接化学冶金过程对焊缝金属的成分、力学性能、某些焊接缺陷(如气孔，结晶裂纹)以及焊接工艺性能都有很大的影响。,注意：与钢铁冶金的区别！,第二节 焊接化学冶金过程的特点,21,一、对焊接区金属的保护,保护提供良好的工艺性能渗合金保证冶金反应过程,焊条药皮的作用,1、保护的必要性

10、1）提高焊接过程稳定性，减少飞溅 2）减少合金烧损 3）防止产生焊接缺陷，以保证力学性能,22,2、保护方式及效果,保护方式1）气保护 气体保护焊2）渣保护 埋弧焊3）气渣联合保护 焊条电弧焊4）真空保护 真空电子束焊5）自保护 自保护焊保护效果用焊缝金属中的氮含量来衡量,23,真空保护 真空度高于0.0133Pa的真空室内进行电子束焊接，保护效果最理想的。,24,二、焊接化学冶金反应区,手工电弧焊时有三个反应区,药皮反应阶段,熔滴反应阶段,熔池反应阶段,25,1.药皮反应阶段,温度oC,600400200100,熔焊进程药皮反应阶段,水蒸发,结晶水分解,碳酸盐分解,冶金反应,二、焊接化学冶金

11、反应区,26,2、熔滴反应区的特点特点：反应温度高熔滴温度过高、接近沸点比表面积大是炼钢的1000倍反应时间短0.011s液体金属与熔渣发生激烈的混合三相系统液、渣、气,焊接反应最为激烈的部位,27,主要冶金反应：气体的分解和溶解金属的氧化、还原焊缝金属的合金化金属蒸发,28,28,、熔池反应区特点：熔池温度：16001900 接触面积小:F比=31302/Kg 反应时间较长：手工焊时为3-8s 埋弧焊6-25s 搅拌没有熔滴阶段激烈 熔池温度不均匀 熔池阶段的反应速度比熔滴阶段小，并在这个反应过程中的贡献也较小。但这并不是说熔池反应阶段不重要，在某些情况下，熔池中的反应也有相当大的贡献。,2

12、9,总之，焊接化学冶金过程是分区域连续进行的，在熔滴阶段进行的反应多数在熔池阶段继续进行，但也有的停止甚至改变反应方向的。焊缝金属的最终化学成分，是上述各区冶金反应的综合结果。,30,4焊接化学冶金反应的条件和特点,焊接化学冶金反应的条件和特点体现在反应的激烈性、达到的平衡程度等诸多方面。概括起来主要如下：（1）温度高（2）比表面积大（3）时间短（4）处于不停的运动之中（5）反应条件不断变化,31,三、焊接参数与焊接化学冶金的关系,1、焊接参数影响焊缝熔合比2、焊接参数影响冶金反应的条件熔滴阶段的反应时间（熔滴存在的时间）随着电流的增加而变短，随着电弧电压的增加而变长。因此可以断定反应进行的完

13、全程度将随着电流的增加而减少，随着电弧电压的增加而增大。3、焊接参数影响参加冶金反应的熔渣量,32,四、焊接化学冶金系统的不平衡性,焊接化学冶金系统是复杂的高温多相反应系统。由物理化学可知，多相反应是在相界面上进行的，并伴随着物质的迁移过程。焊接区不等温条件排除了整个系统平衡的可能性，在系统中的局部可能出现某个反应的短暂平衡状态。焊缝金属的最终成分与熔池凝固温度下的平衡成分相差较远，各种反应距离平衡的远近程度不同。系统的不平衡性是焊接化学冶金过程的特点，因此不能直接应用热力学平衡的计算公式定量地分析焊接化学冶金问题，但是可作定性分析。,33,第三节 焊接熔渣,一、熔渣 的作用、成分和分类焊条药

14、皮、焊剂或药芯焊丝中的药芯，受热熔化后形成焊接熔渣。,1、熔渣在焊接过程中的作用（1）机械保护作用 隔绝空气（2）改善焊接工艺性能 容易引燃、稳定燃烧，减少飞溅；获得合适的熔渣粘度和脱渣性（3）冶金处理作用 脱氧、脱硫、脱磷、去氢、合金化,34,2、熔渣的成分和分类,（1）盐型熔渣氧化性很弱，焊易氧化的金属及合金 属于这类熔渣的渣系主要有CaF2-NaF、CaF2-BaCl2-NaF、KCl-NaCl-Na3AlF6，BaF2-MgF2-CaF2-LiF等。（2）盐-氧化物型熔渣 氧化性比较弱，焊合金钢 属于这一类熔渣的渣系主要有CaF2-CaO-SiO2、CaF2-CaO-Al203-SiO

15、2、CaF2-CaO-SiO2-MgO等。（3）氧化物型熔渣氧化性较强，焊低碳钢和低合金钢 属于这一类熔渣的渣系主要有FeOMnO-SiO2、CaOTiO2-SiO2、MnO-SiO2等。,氧化性这么强，为什么用的反而比较多呢？,35,二、熔渣的结构理论,1、分子理论 要点如下：1）液态熔渣由不带电的分子组成。包括氧化物分子，CaO、SiO2等；复合物的分子，如CaOSiO2、MnO.SiO2等；硫化物；氰化物的分子等。2）氧化物及其复合物处于平衡状态。例如在熔渣中进行着如下反应：CaO+SiO2CaOSiO23)只有自由氧化物才能参与和液态金属的反应。例如只有渣中的自由氧化物FeO才能参与如

16、下的反应：(FeO)+C=Fe+CO 而复合物(FeO)2SiO2中的FeO不能参与上述反应。4）可近似地用生成复合物的热效应来衡量氧化物之间的亲和力,36,2、离子理论 1）液态熔渣是由阳离子和阴离子组成的电中性溶液。电负性大的元素以阴离子形式存在；电负性小的元素形成阳离子；Si、Al、B等，形成复杂阴离子，SiO4-，Si3O96-，Al3O75-。2）离子的分布、聚集和相互作用取决于它的综合矩(综合矩=Z/r)。离子的综合矩越大，静电场越强，与其他离子的作用力也就越大。3）离子间的静电作用使其在熔渣中的分布不均匀4）熔渣与金属的作用是熔渣中离子与金属原子交换电荷的过程。,37,38,三、

17、熔渣的碱度计算1.分子理论对熔渣碱度B1的定义为：,碱度B1的倒数为酸度。理论上，当B11时为碱性渣；B11时为酸性渣；B1l时为中性渣。实际上按上式计算并不准确，根据经验B11.3时，熔渣才是碱性的。这是因为式中没有考虑各氧化物酸、碱性的强弱程度，也没有考虑酸、碱氧化物的复合情况，故只能作粗略计算并加以修正。,39,经修正后比较精确的计算公式如下：,式中各成分均以质量分数计，则B1l 碱性渣B11 中性渣B11 酸性渣 用修正后的计算公式计算低氢型焊条和HJ251焊剂的熔渣是碱性的，符合实际情况。,（2）离子理论 离子理论把熔渣中自由氧离子（即游离状态的氧离子）的含量（或氧离子的活度）定义为

18、碱度，用B2表示。渣中自由氧离子的含量越大，其碱度越大。最常用的碱度表达式：,式中 Mi 渣中第i种氧化物的摩尔分数；ai 渣中第i种氧化物的碱度系数。,一般 B20 碱性渣 B20 中性渣 B20 酸性渣,40,41,四、焊接熔渣的物理性能1、熔渣的熔点熔渣熔点对焊接工艺性能和焊接质量的影响：当熔渣的熔点过高时，会比熔池金属过早开始凝固而不能均匀覆盖于熔池金属表面，导致保护效果下降，焊缝成形差，其至形成夹杂。若熔渣熔点过低，熔池金属开始凝固时，熔渣仍处于流动状态，也无法保证焊缝表面成形。焊接熔渣的熔点要与焊丝和母材的熔点相匹配，控制在合适的范围。焊钢时，熔渣的熔点应在11501350之间。,

19、42,熔渣的熔点取决于组成物的种类、数量和颗粒度：当熔渣中低熔点组成物含量高，其熔点就低。高熔点组成物含量多，颗粒度越大时，其熔点也越高。根据渣系相图、调整组成分的种类和配比，使之形成低熔点共晶或化合物，可降低其熔点。,熔渣的熔点是指熔渣开始熔化的温度，不是药皮开始熔化的温度，后者一般称为造渣温度。但两者之间有一定的关系，一般的规律是：药皮的熔点高时，所形成的熔渣的熔点也高。熔渣的熔点取决于组成物的种类、数量和颗粒度：当熔渣中低熔点组成物含量高，其熔点就低。高熔点组成物含量多，颗粒度越大时，其熔点也越高。根据渣系相图、调整组成分的种类和配比，使之形成低熔点共晶或化合物，可降低其熔点。,43,2

20、、熔渣的粘度 粘度是液体内部发生相对运动时所产上的摩擦力，反映了质点在液体内部移动的难易程度。熔渣的粘度对焊接工艺性能、化学冶金反应有很大影响。熔渣的粘度取决于熔渣的结构，结构越复杂，离子尺寸越大，熔渣质点移动越困难，其粘度就越大。影响熔渣结构的因素是熔渣的成分和温度。,44,（1）温度对熔渣粘度的影响 温度升高熔渣的粘度下降，如图。但碱性渣和酸性渣下降的趋势不同。在含SiO2较多的酸性渣中，复杂Si-O离子较多，随着温度升高，Si-O极性键逐渐断开，出现尺寸较小的Si-O离子，因而粘度逐渐下降。碱性渣中离子尺寸小，易于移动。当高于液相线时，粘度迅速下降，当温度低于液相线时，渣中出现细小的晶体

21、，其粘度迅速增大。,熔渣粘度与温度的关系1碱性渣2含SiO2多的酸性渣,45,从图看出，当两种渣的粘度都变化时，含SiO2多的酸性渣对应的温度变化T2大，即凝固时间长，故称长渣。这种渣不适于仰焊。碱性渣对应的T1小，即凝固时间短，故称短渣。这种渣适于全位置焊接。焊接钢材用的熔渣粘度，在1500左右时，为0.10.2Pas比较合适。,46,（2）熔渣的成分对粘度的影响 在熔渣中加入能促使形成粗大阴离子的物质，可使粘度增大；加入阻碍形成粗大阴离子的物质可以降低熔渣的粘度。SiO2易与O2合形成粗大阴离子，故在酸性渣中加入SiO2会迅速提高熔渣粘度。若加入能产生O2的碱性氧化物，如CaO、MgO、M

22、nO、FeO等，就能破坏Si-O离子键，使阴离子尺寸变小，因而可降低粘度。,47,在碱性渣中若加入高熔点的碱性氧化物，如CaO，则可能出现未熔化的固体质点而使渣的流动阻力增大。使熔渣粘度升高。这时若加入SiO2，它与CaO形成低熔点的硅酸盐，又可使渣的粘度下降。CaF2能促进CaO的熔化，所产生的F又能起到O2的作用，使阴离子尺寸变小，所以把它加到酸性渣或碱性渣中都可降低粘度。,48,3、密度 熔渣的密度是其基本物理性质之一，它对熔渣从液体金属中浮出的速度、夹渣形成的难易和熔渣的流动性都有直接的影响。因此，熔渣的密度必须低于焊缝金属的密度。,49,4、表面张力 表面张力是液体表面所受到的指向液

23、体内部的力，它是由于表面层分子与内部分子所处的状态不同而引起的。熔渣的表面张力主要取决于熔渣组元质点间化学键的性质和温度。键能越大，其表面张力也越大。金属键的键能最大，故液体金属的表面张力最大；具有离子键的物质，如CaO、MgO、FeO、MnO等键能比较大，它们的表面张力也较大；具有共价键的物质，如TiO2、SiO2、P2O5等，键能小，其表面张力也小。,50,在熔渣中加入酸性氧化物，如TiO2、SiO2等，能使表面张力减小；加入碱性氧化物如CaO、MgO、MnO等，可增加表面张力。CaF2也能降低熔渣的表面张力。温度升高可使熔渣表面张力下降，因为高温离子半径增大，综合矩减小，同时也增大离子之

24、间的距离，减弱了离子之间的相互作用力。熔滴的表面张力以及与液体金属的界面张力影响熔滴的尺寸和熔渣的覆盖性能。熔渣与液体金属的界面张力减小，熔滴的尺寸减小；反之，熔滴粗化。,51,5、熔渣的线膨胀系数和导电性 熔渣的线膨胀系数主要影响脱渣性，熔渣与焊缝金属的线膨胀系数差值越大，脱渣性越好。一般，碱性氧化物如SiO2、MgO等，可增加熔渣的电导率，而酸性氧化物，如SiO2、Al2O3等，可降低电导率。由于温度升高会使渣中离子的尺寸变小，活动能力增强，故使熔渣的电导率增大。根据用途不同，焊接熔渣在2000时的导电率在1.510s/cm范围内。,52,第四节 氢、氮对熔池金属的作用,一、焊接区内气体的

25、来源,1、焊接材料如焊条的药皮、焊剂和药芯中的造气剂、高价氧化物和水分等 2、热源周围的气体介质 3、焊丝和母材表面上的杂质焊条（丝）和焊件表面存在铁皮、铁锈、油漆和吸附水等 4、高温蒸发所产生的气体,二、氢对熔池金属的作用 1、氢在金属中的溶解,溶解过程与焊接方法相关气体保护焊：气/液金属界面，H2，H，H+电渣焊、电渣熔炼：渣/液金属界面手工电弧焊、埋弧焊：两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 可以进入液相OH不溶于液态金属,根据氢与金属作用的特点，可以把金属分为两类：第一类是能形成稳定氢化物的金属，如Zr、Ti、V、Ta、Nb等。这些金属在吸收氢不多时，

26、与氢形成固溶体；在吸收氢较多时，与氢形成氢化物。在温度为300700的范围内，这些金属在固态下可吸收大量的氢；再升高温度，则氢化物分解，由金属中析出氢气，其氢含量下降，因此，这类金属及合金焊接时，必须防止在固态下吸收大量的氢，否则将严重影响金属的性能。第二类是不形成稳定氢化物的金属，如Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等。但氢可以溶解于这类金属及其合金中。氢溶解于固态或液态金属时，首先分解为原子，然后溶解。,2、氢在金属中的扩散 在钢焊缝金属中，氢大部分是以氢原子、正离子或负离子形式存在的。H的原子和离子半径很小，它们与焊缝金属形成间隙固溶体。其中一部分氢可以在焊缝金属晶格中自由扩散，称为扩散氢。还

27、有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，因其半径增大，不能自由扩散，称为残余氢。因氢在扩散过程中总有一部分要转变为残余氢，还有一部分扩散到焊件以外的空间，所以焊缝金属中的总的氢含量和扩散氢的含量都是随时间的延长而减少，残余氢则增加。,3、氢对焊接质量的影响（1）氢脆 金属在室温时因吸收氢而导致塑性降低的现象叫做氢脆。氢对钢的屈服强度与抗拉强度没有明显影响；而塑性，特别是断面收缩率，则随氢含量的增加而急剧下降。氢脆的一个重要特点是，它与试验温度和试验时的应变速度有关。在室温范围，氢脆表现明显，试验温度较高或很低时，都不会出现氢脆。,（2）白点 在碳钢

28、或低合金钢焊缝中，如果氢含量高，则常常在其拉伸或弯曲试件的断面上，出现银白色圆形局部脆断点，称为白点。如果焊缝金属中有产生白点的倾向，则其塑性将大大下降。,直径0.50.3mm，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：拉伸或弯曲的延性变形过程中，在焊缝金属中局部产生的氢脆现象。,（3）氢气孔,形成原因：熔池液态金属中溶解较多的氢冷却凝固后，氢在固液相中溶解度突变,T(oC),H(cm3/1oog),（4）冷裂纹 在焊接接头中，冷裂纹是危害性极大的一种焊接缺陷，而氢是促使冷裂纹产生的主要因素之一。.危害严重主要因素：钢种的淬硬倾向焊接接头含氢量及其分布接头所承受的拘束应力状态,4

29、.氢的控制 氢对焊缝金属有不利影响，必须加以消除和控制。首先要减少氢的来源；其次在焊接过程中利用冶金手段加以去除；根据需要作焊后消氢处理。,限制氢的来源 限制焊接材料中的含氢量 在制造焊条、焊剂及药芯焊丝中使用的各种原材料都在不同程度上含有吸附水、结晶水、化合水或溶解氢等，设计配方时应尽量选用不含或少含氢的原材料。制造焊接材料时，应按技术要求进行烘焙以降低成品的含水量。焊条、焊剂成品长期存放会吸潮。因此，用前应进行烘干：一般含有机物的焊条其烘干温度为150200；低氢型焊条为350450。烘干时间不小于2h；烘干后应立即使用，或放在保温筒内随用随取。,清除气体介质中的水分 气体保护电弧焊时，保

30、护气体Ar、CO2中常含水分，用前应有去水或干燥等措施。清除焊件及焊丝表面上的油污、杂质 焊件待焊面和焊丝表面的铁锈、油污、吸附水分及其他含氢物质都是使焊缝增氢的主要原因之一，焊前应认真清除。,冶金方式控制氢 冶金处理的原理 通过焊接材料的冶金作用，使气相中的氢转化为稳定的氢化物、降低氢的分压，以达到减少氢在焊缝金属中的溶解，HF和OH都是高温下较稳定的氢化物，而且不溶于钢中。只须适当调整焊接材料成分，促使气相中的氢转变成HF和OH，即可减少焊缝中的含氢量。,方法氟化物去氢HF在药皮或焊剂中加入氟化物，焊接时在气相中能使氢转变成HF。最常用的氟化物是CaF2在高硅高锰焊剂中加入适当比例的CaF

31、2，可以显著降低焊缝的含氢量。氟化物去氢作用为：CaF2(气)H2O(气)CaO(气)2HF CaF2(气)2HCa(气)十2HF,CO2去氢OH如果能增强气相中的氧化性或增加熔池中氧含量，都能使氢转变成OH，达到减少焊缝金属中氢溶解的目的。CO2气体具有氧化性，故CO2气体保护焊时，CO2能减少焊缝中的含氢量；焊条电弧焊时低氢型焊条药皮中碳酸盐受热分解出的CO2也起同样的作用；CO2去氢反应为CO2H COOH,氧气去氢 氩弧焊时，为了解决气孔问题，常在氩气中加入体积分数5左右的氧气，增加气相中的氧化性，降低氢的分压，使之按下式进行脱氢反应：OH=OHO2H22OH稀土元素去氢 在药皮或焊芯

32、中加入微量稀土元素如钇、碲、硒等，也可以降低扩散氢含量。,控制焊接工艺参数 焊接电流 焊条电弧焊时，焊接电流增加使熔滴变细，增大了氢向熔滴金属溶解机会，又由于电流增大，电弧和熔滴温度升高，引起氢和水蒸汽分解度增大，使熔滴吸氢量增加。气体保护焊时，当电流超过临界值，熔滴转变为射流过渡，这时熔滴温度接近金属沸点，金属蒸汽急剧增大而氢分压显著降低，同时熔滴过渡频率高，速度快，与空气接触时间短，因而可减少熔滴的含氢量。,电源性质和极性用交流电焊接时，因弧柱温度周期性变化，引起周围气氛的体积也相应发生周期性胀与缩的变化，增加了熔滴与气氛接触机会，故焊缝含氢量比直流焊接时多。采用直流正接时，因H向阴极运动

33、，有利于向高温熔滴溶解，故氢在焊缝中含量比直流反接时高。,焊后脱氢处理 焊件焊后经过特定的热处理可以使氢扩散外逸，减少接头中的含氢量。右图说明加热温度越高，脱氢所需时间越短。,图 焊后脱氢处理温度-时间-焊缝含氢量关系,普通钢一般用350，保温1h，就可去除大部分氢。奥氏体钢接头进行脱氢处理效果不大，因为氢在奥氏体组织中的溶解度大，而扩散速度小。,三、氮对金属的作用 1.氮在金属中的溶解 空气是氮的主要来源，空气一旦侵入焊接区，便会发生氮与金属作用。与氮不发生作用的金属 如铜、镍、银等，即使在高温熔化状态也不溶解氮或与氮生成氮化物。因此焊接这类金属时，可用氮作保护气体。既能溶解氮，又能与氮形成

34、稳定的氮化物的金属 如铁、锰、钛、铬等，焊接这类金属及其合金时，必须防止焊缝金属的氮化。,氮在金属中的溶解反应为：N22N 氮在金属中的溶解度与平衡时该气体的分压平方根成比例。在气相中氮的分压越大，其溶解度越大。因此，降低气相中氮的分压可有效地减少氮在金属中的含量。,氮在纯铁中的溶解度与温度的关系如右图所示，从图中看出，除铁外，氮在铁中的溶解度随温度升高而增大，因这种溶解属吸热反应。在2200时溶解度最大，达473100g。升至铁的沸点附近则溶解度急剧降低，真正为零。,这是由于金属大量蒸发，使气相中氮的分压显著下降所致。铁从液态转变为固态时，氮的溶解度突然下降70-80%，析出的氮是形成焊缝小

35、气孔的重要原因之一。,图 氮在铁中的溶解度与温度的关系,在铁熔液中加入C、Si、Ni会降低氮的溶解度，而加入V、Mn、Cr会增加氮的溶解度，见右图。,图 合金元素1600下对氮在铁中的溶解度的 影响,2.氮对焊接质量的影响 在碳钢焊缝中，氮是有害杂质，其不利影响有：形成气孔 由于液态金属在高温时可溶解大量氮，凝固结晶时氮的溶解度突然下降，过饱和的氮以气泡形式从熔池中逸出，当焊缝金属结晶速度大于氮逸出的速度时，就形成气孔。（2）降低焊缝金属的力学性能 氮是提高低碳钢和低合金钢焊缝金属强度、降低塑性和韧性的元素。,（3）使焊缝金属时效脆化 焊缝金属中过饱和的氮处于不稳定状态，随着时间的延长，过饱和

36、的氮逐渐析出，形成稳定的针状氮化物Fe4N，因而使焊缝金属的强度增高，塑性和韧性下降，特别是低温韧性急剧下降，见右图。,图 氮对焊缝金属常温力学性能的影响,在焊缝中加入Ti、Al、Zr等能够形成稳定氮化物的元素，可有效抑制或消除失效现象。,3.氮的控制 加强机械保护 氮来自空气，故控制氮的主要措施是加强对焊接区的保护，防止空气与液态金属发生接触。目前生产上对焊接区的保护措施主要有：气体保护、熔渣保护、气渣联合保护和抽真空等。,下表为用不同焊接方范焊接低碳钢时焊缝的含氮量，说明了各自氮的保护效果。焊条药皮的保护作用，在很大程度上取决于药皮的成分和数量。,选用合理焊接工艺参数 电弧电压（U）焊条电

37、弧焊时，电弧电压增大，说明电弧被拉长，空气侵入焊接区并与熔摘的接触机会加大，从而使焊缝金属含氮量增大，如右图。因此，采用短弧焊对减少氮含量有利。,图 手工焊时U对焊缝O和N的影响,焊接电流（I）增大焊接电流，可增加熔滴过渡频率，缩短了熔滴与空气作用时间，因而焊缝中含氮量可减少。极性 用直流反接时，可减少焊缝含氮量，这与减少氮离子的熔滴溶解有关。焊丝直径（）在相同工艺条件下，增大焊丝直径可使焊缝含氮量减少，这和焙滴变粗与空气接触面减少有关。焊接速度（v）试验表明，焊接速度对焊缝含氮量影响不大,控制焊丝金属的成分 对已侵入焊缝中的氮，若能使其转化为稳定的氮化物，就可以降低其有害作用。Ti、Al、Z

38、r和稀土元素对氮有较大的亲和力，易形成稳定的氮化物，而且这些氮化物不溶于铁液而进入熔渣中。,从右图中看出：碳可降低氮在铁中的溶解度。故可以在焊丝或药皮中增加碳含量、以减少焊缝中的含氮量。此外：碳氧化生成的CO和CO2，可加强焊接区的保护作用和降低氮的分压。碳氧化时引起熔池沸腾，也有利于氮的逸出。,图 合金元素1600下对氮在铁中的溶解度的 影响,24,84,第五节 焊接金属的氧化与还原,主要研究在焊接条件下，金属及合金元素的氧化与烧损、金属氧化物的还原等。掌握焊接时金属氧化还原的规律，对改善焊缝金属的成分及提高焊接质量有重要的意义。,85,氧的来源 焊接区的氧来自周围空气以及焊接材料或焊件中的

39、高价氧化物、水分、铁锈等的分解物。氧的危害 氧的化学性质很活泼，在焊接高温下可与许多金属元素作用，不仅使焊缝金属中有益合金元素被烧损，而且所形成的氧化物又夹杂在焊缝中，使焊缝金属的力学性能严重下降。,86,根据氧与金属作用的特点，把金属分为两类：不能溶解氧，但焊接时发生激烈氧化的金属 如Mg、Al等；能有限地溶解氧，同时焊接时也发生氧化的金属 如Fe、Ni、Cu、Ti等，这类金属氧化后生成的氧化物能溶解于相应的金属中。下面介绍氧对铁的作用：,87,氧在金属中的溶解 氧是以原子氧和氧化亚铁（FeO）两种形式溶解在液态铁中。这种溶解为吸热过程，其溶解度随温度升高而增大，如图。,图 液态金属中氧的溶

40、解度与温度的关系,88,上图中，当液态铁凝固时氧的溶解度急剧下降，在2000时为0.8%；刚凝固（约1520）时为0.16%；当铁转变为铁时下降到0.05%以下；室温的铁中几乎不溶解（0.001）。因此，焊缝金属中的氧几乎全部以氧化物（FeO、SiO2、MnO、Al2O3）和硅酸盐夹杂物的形式存在。通常所说的焊缝含氧量是指总含氧量，既包括溶解氧也包括非金属夹杂物中的氧。,89,在液态铁中，随着合金元素量增加，氧的溶解度下降，如图。元素与氧的亲和力愈强，氧的溶解度愈小。氧在焊缝金属中，无论是单独存在还是以氧化物存在都是有害的，使焊缝金属强度、塑性和韧性明显下降。,图 Me含量对液态铁中氧的溶解度

41、的影响,90,一、焊接时金属的氧化 焊接时对金属的氧化除自由氧直接与金属发生作用外，其余都是在各个反应区内通过氧化性气体（如CO2、H2O等），或活性熔渣与金属相互作用实现的。,91,1.自由氧对焊缝金属的氧化 电弧焊时，空气中的氧总是或多或少地侵入电弧内，焊接材料中的高阶氧化物等物质也因受热而分解产生氧气。这样使气相中自由氧的分压大于氧化物的分解压，金属就被氧化。对铁而言，其氧化反应为：Fe1/2O2=FeO26.97(Nmol)FeO=FeO515.76(Nmol)从反应的热效应看，原子氧对Fe的氧化比分子氧更激烈。,92,焊接钢材时，除Fe发生氧化外，钢液中其他对氧亲和力比Fe大的合金元

42、素也发生氧化，如：C1/2O2=COSiO2=（SiO2）Mn1/2O2=（MnO）,93,2.CO2对金属的氧化 在高温下CO2对液态Fe和其他许多金属来说是活泼的氧化剂。当温度高于3000K时，CO2的氧化性超过了空气。所以在焊接高温条件下，用CO2作保护气体只能防止空气中的氮，而不能防止金属的氧化。焊接钢材时Fe被氧化，其他Me也将被烧损，碳的氧化在焊缝中可能产生气孔。故用CO2气体保护焊时，必须采用含硅、锰高的焊丝(如H08Mn2Si)或药芯焊丝，以利于脱氧气。同理在含碳酸盐的药皮中也须加入脱氧剂。CO2与液态铁的反应：CO2 Fe CO FeO,94,3.H2O气对金属的氧化 气相中

43、的水蒸气不仅使焊缝增氢，而且使Fe和其他Me氧化，与铁的反应如下：H2O（气）FeFeO H2 温度越高，H2O气的氧化性越强。因此，为了保证焊接质量，当气相中含有较多水分时，在去氢的同时，也须进行脱氧。例如低氢型焊条的药皮中，须含有较多的脱氧剂。,95,4.混合气体对金属的氧化焊条电弧焊时，气相不是单一的气体，而是多种气体混合，高温下它们对Fe是氧化性的，故在焊条的药皮中须加入脱氧剂；气体保护焊时，为了改善电弧的电、热和工艺性能常采用混合气体保护，如ArO2、ArCO2、ArCO2O2和CO2O2等。,24,96,在惰性气体（Ar）中随着加入氧化性气体O2和CO2的增多，合金元素的烧损量、焊

44、缝中非金属夹杂物和氧的含量都增加。对焊缝金属的力学性能产生不利影响。特别是低温韧性明显下降，甚至可能产生气孔。故采用含氧化性混合气体焊接时，应按其氧化能力大小选择含有合适脱氧剂的焊丝。,26,97,二、熔渣对焊缝金属的氧化 活性熔渣对焊缝金属发生氧化有两种基本形式，即扩散氧化和置换氧化。1.扩散氧化 焊接期时，FeO既溶于渣中，又溶于钢中，在一定温度下达到平衡时FeO在两相中的含量符合分配定律：,式中 L分配常数；(FeO)FeO在熔渣中的含量；FeOFeO在液态钢中的含量。,26,98,分配定律是指各个物质在两个溶媒中的分配一定要使得它在溶媒中的含量的比值保持不变。若温度不变，当熔渣中的Fe

45、O增多时，它将向液态钢中扩散，从而使焊缝金属含氧量增加。焊接低碳钢试验证明，焊缝中的含氧量随着熔渣中FeO含量的增加成直线增加。FeO的分配常数L与熔渣的性质和温度有关。无论是酸性渣还是碱性渣，温度升高时，L减小，即在高温时FeO向液态钢中分配，所以扩散氧化主要在熔滴阶段和熔池的头部（高温区）进行。,99,在同样温度下，FeO在碱性渣中比在酸性渣中更容易向焊缝金属中分配，也即在熔渣中含FeO量相同时，用碱性渣的焊缝金属含氧量比用酸性渣时多。因此，在碱性焊条药皮中一般不加入含FeO的物质，并要求焊前消除焊件表面上的氧化皮和铁锈，否则会使焊缝金属增氧，并且可能产生气孔等缺陷，这是碱性焊条对铁锈和氧

46、化皮敏感性大的原因。,100,酸性渣含SiO2、TiO2等酸性氧化物较多，与FeO形成复合物，使FeO的活度减小，所以渣中FeO含量相同时，焊缝含氧量减少。注意：不要由此认为碱性焊条的焊缝比酸性焊条的焊缝含氧量高，恰恰相反，碱性焊条的焊缝含氧量比酸性焊条低，这是因为碱性焊条药皮的氧化势小的缘故。,26,101,2.置换氧化 当熔渣中含有较多的易分解的氧化物时，可能与液态钢发生置换反应，使铁氧化，而该氧化物中的元素被还原。例如，用低碳钢焊丝配用高硅高锰焊剂(HJ431)埋弧焊钢时，熔渣中含有高温下易分解的SiO2和MnO，发生如下反应：（FeO）（SiO2)2Fe=Si2FeO FeO,26,1

47、02,（FeO）（MnO)Fe=MnFeO FeO反应结果焊缝增加硅和锰，同时铁被氧化，生成的FeO大部分进入熔渣，小部分溶于液态钢中，使焊缝增氧。上述反应的方向和程度取决于温度及反应物的活度和含量，以及焊接工艺参数等。通常升高温度，反应向右进行，说明置换氧化主要发生在熔滴阶段和熔池前部高温区。在熔池后部，因温度下降，上述反应向左进行，已还原的硅和锰有一部分又被氧化，生成的SiO2和MnO往往在焊缝金属中形成非金属夹杂物。,103,在焊丝或药皮中对O亲和力比Fe大的元素，如Al、Ti、Cr等时，将与SiO2、MnO发生更为激烈的置换反应。以Al的置换反应为例：4Al 3(SiO2)=2(Al2

48、O3)3Si 2Al 3(MnO)=(Al2O3)3Mn反应生成的Al2O3使焊缝中非金属夹杂物增多，含氧量升高，同时Si、Mn含量也显著增加。,104,某些强氧化物，如B2O3、Al2O3、TiO2也会在一定条件下发生置换氧化，使焊缝增B、Al、Ti和O，而同时其他元素，如Si等被烧损。用SiO2和MnO含量高的焊接材料焊接时，置换氧化会使焊缝的O增加。,105,在焊接低碳钢或低合金钢时，因焊缝中Si和Mn也同时增加，对接头性能不仅不受影响，反而得到局部改善，所以高硅高锰焊剂配合低碳钢焊丝焊接低碳钢及低合金钢得到了广泛应用。这种配合关系不能用于中、高合金钢和合金的焊接，因为氧和硅会显著降低焊

49、缝金属抗裂性能和力学性能，尤其是低温冲击韧度。因此，在研制焊接高合金钢和合金焊条或焊剂时必须注意要去除药皮或焊剂中的SiO2，并使用不含硅酸盐的粘结剂（如铝酸钠）。,106,3.焊件表面氧化物对金属的氧化 焊件表面的氧化皮和铁锈在焊接中对金属也有氧化作用。这是因为，铁锈在高温下要发生分解：2Fe(OH)3 Fe2O3+3H2O分解出来的H2O进入气相，增加了气相的氧化性。而Fe2O3又可使铁氧化：Fe2O3+Fe 3FeO,107,氧化铁皮的主要成分是Fe3O4，在焊接高温下它可使铁发生氧化：Fe3O4+Fe 4FeO反应生成的FeO虽然大部分进入熔渣，但还有一部分也进入了焊缝，使之增氧。因此

50、，焊前清理焊接边缘是必不可少的措施。,108,4.氧对焊接质量的影响 对力学性能的影响 随着焊缝含氧量的增加，其强度、塑性和韧性显著下降，如图。特别是焊缝金属的低温冲击韧性急剧下降，此外，还引起热脆、冷脆和时效硬化。,图 氧（以Fe O形式存在）对低碳钢常温力学性能的影响,109,形成气孔 溶解在熔池中的氧和碳发生反应，生成不溶于金属的CO，熔池凝固时，CO气泡来不及逸出就会引起气孔。对焊接过程的影响 熔滴中含氧和碳多时相互作用生成的CO受热膨胀，使熔滴爆炸，造成飞溅，影响焊接过程的稳定性。合金元素烧损 在焊接过程中氧能烧损钢中的有益合金元素，从而使焊缝金属性能变坏。,110,在某些情况下使焊