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1、Presented by Feng金属熔焊原理及材料焊接金属熔焊原理及材料焊接第三章 焊接化学冶金过程Contents 目录1.1焊接区金属的保护1.2焊接化学冶金的反应区焊接区内的气体和焊接熔渣2焊接化学冶金的特殊性12.1焊接区内的气体2.2焊接熔渣焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用33.1氮对焊接金属的作用3.2氢对焊缝金属的作用3.3氧对焊缝金属的作用3.4焊缝中硫磷的控制焊缝金属的合金化44 焊接化学冶金过程：熔化焊时，焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程。各种物质：气体、液态金属、熔渣。任务防止或减少有害杂质侵入 减少合金元素烧损 对熔化金属进行冶金处理焊接化学冶金主要研究在各
2、种焊接工艺条件下，冶金反应和焊缝金属成分、性能之间的关系及其变化规律。1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化5 1.焊接化学冶金的特殊性焊接化学冶金与普通冶金过程相比，具有两方面特殊性：1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化02焊接化学冶金过程是分区连续进行的。01焊接化学冶金需对焊接区的金属进行保护。6 普通化学冶金过程和焊接化学冶金过程对比1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化共同点
3、金属冶炼加工不同点普通化学冶金过程是对金属熔炼加工过程，放在特定的炉中进行。焊接化学冶金过程是金属在焊接条件下，再熔炼的过程，焊接时焊缝相当高炉。原材料不同目的不同 普冶材料：矿石、焦炭、废钢铁等。焊冶材料：焊条、焊丝、焊剂等。普冶：提炼金属焊冶：对金属再熔炼，以满足构件性能7 1.1焊接区金属的保护u保护的必要性用低碳钢光焊丝在空气中进行无保护焊接时,焊缝金属的化学成分和性能与母材和焊丝相比,发生了很大的变化。由于熔化金属与其周围的空气发生激烈的相互作用,使焊缝金属中氧和氮的含量显著增加。根 据 资 料 介 绍,含 氮 量 可 达 0.105%0.218%(质 量 分 数),比 焊 丝 中
4、含 氮 量 高 2045倍;含 氧 量 为0.14%0.72%(质量分数),比焊丝中含氧量高735倍。同时锰、碳等有益合金元素因烧损和蒸发而减少。这时焊缝金属的塑性和韧性急剧下降,但是由于氮的强化作用,强度变化比较小(见表3-1)。此外,用光焊丝焊接时,电弧不稳定,使焊缝中产生气孔。因此这种光焊丝无保护焊接是没有实用价值的。1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化8 为了提高焊缝金属的质量,把熔焊方法用于制造重要结构,就必须尽量减少焊缝金属中有害杂质的含量和有益合金元素的损失,使焊缝金属得到合适的化学成分。因此,焊接化学冶金的
5、首要任务就是对焊接区内的金属加强保护,以免受空气的有害作用。力学性能抗拉强度/MPa断后生长率（）冲击韧度/（J/cm）冷弯角（）母材3904402530147.0180焊缝3303905104.924.52040表3-1低碳钢光焊丝无保护焊时焊缝的力学性能1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化9 焊接区金属保护方式与效果熔焊方法焊条电弧焊埋弧焊电渣焊氩弧焊Co2气体保护焊等离子弧焊激光焊电子束焊自保护保护方式渣-气联合保护熔渣保护熔渣保护气体保护气体保护气体保护气体保护真空保护自保护1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气
6、体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化熔渣保护气体保护渣-气联合保护真空保护自保护10 一般来讲，焊剂及其焙渣的保护效果与焊剂的结构和松装密度有关。与玻璃状的焊剂相比，多孔性的浮石状焊剂具有较大的表面积，吸附的空气较多，保护的效果较差。1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化熔渣保护是利用焊剂、药芯或药皮熔化形成的熔渣起到保护作用的。对子埋弧焊来讲，焊剂及其熔渣的保护效果是很好的，焊缝中氮的质量分数介于 0.002%0.007%。11 1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区
7、气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化常用的情性气体主要是氩，其次是氦。惰性气体的保护效果很好，熔化极氩弧焊焊缝中氮的质量分数只有0.0068%左右。常用的活性气体 主 要 是 具 有 氧 化 性 的 二 氧 化 碳，保 护 效 果 也 比 较 好，焊 缝 中 氮 的 质 量 分 数 介 于 0.008%0.015%。气体保护是利用外加气体对焊接区进行保护的方法。保护的效果取决于气体的性质和纯度，并找气体性质分为惰性气体保护和活性气体保护。12 1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化造渣剂熔化以后形成熔渣，覆盖在熔滴
8、和熔池的表面上将空气隔开，这种隔离作用通常称为机械保护。熔渣凝固以后，在焊缝上面形成渣壳，可以防止处于高温的焊缝金属与空气接触。同时造气剂（主要是有机物、碳酸盐等）受热以后分解，析出大量气体。这些气体在药皮套筒内被电弧加热膨胀，从而形成定向气流吹向熔池，将焊接区与空气隔开。渣-气联合保护是通过药皮或药芯中的造渣剂和造气剂在焊接过程中形成熔渣和气体而共同起到保护作用的。渣-气联合保护的保护效果，取决于其中保护材料的含量、熔渣的性质和焊接参数等，在这种联合保护作用下，均可保证焊缝含氮量小于0.014%，达到了一般保护效果要求。13 1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体
9、、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化真空保护是指利用真空环境使焊接区的空气含量显著降低的保护方法。在真空度高于 0.01Pa 的真空室内进行电子束焊接保护效果是最理想的。这时虽然不能100%排除掉空气，但随着真空度的提高，可以把氧和氮的有害作用降至最低。14 1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化自保护自保护焊不是利用机械隔离空气的办法来保护焊缝金属的，而是在焊丝中加人脱氧和脱氮剂，使空气进人焊缝的氧和氮反应生成氧化物和氮化物，并使其成渣，从而达到降低焊缝中的氧和氮的方法。由于没有外加的保护介质，故称自保护。自保护的保
10、护效果较差，所以目前生产上很少使用。15 1.2 焊接化学冶金的反应区焊接化学冶金过程与普通化学冶金过程不同，它是分区域（或阶段）连续进行的，且各区的反应条件也有较大差异，因而也就影响到反应进行的可能性、方向、速度和限制。焊条电弧焊主要有以下三种不同的反应区域：1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化药皮反应区熔滴反应区熔池反应区16 1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化17 1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金
11、属的作用4 焊缝金属的合金化药皮反应区是指焊条端部药皮开始反应的温度至药皮熔点之间的区域(钢焊条为 1001200)。l水分的蒸发l某些物质的分解l铁合金的氧化熔滴反应区是指焊条端部药皮开始反应的温度至药皮熔点之间的区域(钢焊条为 1001200)。l熔滴温度高l熔滴的比表面积大l熔滴的作用时间短l熔滴金属与熔渣发生强烈的混合熔池反应区是指焊条端部药皮开始反应的温度至药皮熔点之间的区域(钢焊条为 1001200)。l温度低、比表面积小、反应时间长l温度分布及不均l熔池中反应速度比熔滴中要小l熔池反应物不断更新与熔滴反应区有以下差别它有以下特点发生的物理化学反应18 2 焊接区内的气体和焊接熔渣
12、1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化气体的来源焊接材料焊条药皮、焊剂和药芯焊丝甲的造气剂、高价氧化物和水分都是气体的重要来源。造气剂（如碳酸盐、淀粉、纤维素等）和高价氧化物在加热时发生分解放出大量的气体（如 二氧化碳、氢气、氧气等）。若使用潮湿的焊条或焊剂焊接时会析出大量的水蒸气。在气焊和气体保护焊时，焊接区内的气体主要来自所采用燃气和保护气体。一般情况下，焊丝和母材中因治炼而残留的气体是很少的，对气相的成分影响不大。研究表明，焊接区内的气体主要来源于焊接材料。焊接区周围的空气热源周围的空气是一种难以避免的气源，因为不管何
13、种焊接方法。都不能完全排除电孤周围的空气，此外焊接过程中某些因素的变化也会使空气侵入，使保护效果变差。据估算，焊条电弧焊时，侵入电弧中的空气约占电孤区气体的 3%。焊丝和母材表面的杂质 焊丝和母材表面的杂质 焊丝表面和母材坡口附近的铁锈、油污、油漆和吸附水等，在焊接时也会析出气体，并进入焊接区内。金属和熔渣蒸发产生的气体金属和熔渣蒸发产生的气体 在焊接过程中，除焊接材料中的水分发生蒸发外，金属元素和熔渣在电弧的高温作用下也会发生蒸发，形成的蒸气进入气相中。123419 2.1焊接区内的气体1、有机物的分解和燃烧气体的产生1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与
14、焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化有机物种类作用分解分解产物淀粉、纤维素和藻酸盐酸性焊条造气剂和增塑剂220 320 分解50%；800 完全分解CO2、CO、H220 1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化2、碳酸盐和高价氧化物的分解CaCO3、MgCO3、CaMg(CO3)2作用：焊条造气剂分解：CaCO3=CaO+CO2 MgCO3=MgO+CO2 分解产物：CO2,CO碳酸盐Fe2O3和MnO2Fe2O3=Fe3O4+O2 Fe3O4=FeO+O2分解产物：O2和低价氧化物FeO和MnO高价氧化物21 100：吸附水
15、蒸发400 600：药皮结晶水分解蒸发电弧高温：金属元素和熔渣中的各种成分发生蒸发，如Fe Mn及氟化物等1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化3、物质的蒸发及冶金反应4、直接输入或侵入(空气、保护气体)22 2.2 焊接熔渣1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化熔渣是指焊接过程中焊条药皮或焊剂熔化后在熔池中参与化学反应而覆盖于熔池表面的熔融状非金属物质。熔渣在焊接区形成独立的相，它是焊接冶金反应的主要参与物之一熔渣的作用熔渣的成分和分类熔渣的性质1.机械
16、保护作用2.冶金处理作用3.改善焊接工艺1.盐型熔渣2.盐-氧化物型熔渣3.氧化物型熔渣1.熔渣的碱度2.熔渣的粘度3.熔渣的表面张力4.熔渣的熔点5.密度和线膨胀系数23 3.1氮对焊接金属的作用氢、氮在铁中的溶解度与温度的关系1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化氮在金属中的溶解方式：以原子的方式渗入1以离子的形式溶入2以NO形式溶入324 1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化氮对焊接质量的影响：形成气孔1降低焊接金属的力学性能2时效脆化325 1
17、焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化控制焊缝中含氮量的措施氮不同于氧，一旦进人液态金属，脱氮就比较困难，又由于氮主要来源于空气，所以控制氮的主要措施是加强保护，防止空气与液态金属发生作用。加电弧电压即增加电弧长度，会导致保护变坏，氮与熔滴的作用时间增长，故使焊缝金属的含氮量增加。为减少焊缝中的氮含量，应尽量采用短弧焊。增加焊丝或药皮中含碳量，可降低焊缝中的含氮量。这是因为碳能够降低氮在铁中的溶解度，碳氧化生成CO、CO2，加强了焊接区保护，碳氧化引起的熔池沸腾有利于氮的逸出在焊丝中加人一定量的合金元素（如钛、铝、锆等)，可以减
18、少焊缝中的含氮量。因为这些元素对氮的亲和力较大，能形成稳定的氮化物，且它们不溶于液态金属而进人熔渣。同时，这些元素对氧的亲和力也较大，可减少气相中 NO 的含量，也减少了焊缝含氮量。自保护焊时，就是根据这个原理在焊丝中加人这一类元素进行脱氮的加强焊接区的保护选择正确的焊接参数控制焊接材料中的合金元素26 氢在焊接接头中，既能在焊缝中扩散，也能向近缝区扩散，并能扩散到近缝区相当大的深度。在焊缝中，氢沿焊缝长度方向的分布基本均匀，只是在弧坑处含氢量高，所以在弧坑处容易产生氢缺陷。在近缝区，熔合线处的含氢量高低影响到此接头是否容易在此处产生冷裂纹。含氢量越高越容易产生冷裂，因为氢的存在是接头产生冷裂
19、纹的三大因素之一。1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化3.2 氢对焊缝金属的作用氢在金属中的溶解：焊接区的氢可以处于分子、原子和离子状态。以 溶入 3氢以原子形式溶入1以 溶入 2焊缝金属中的氢及其扩散：扩散氢：固溶在钢焊缝中的氢原子和氢离子，由于半径很小，可以在焊缝金属的晶格中自由扩散。残余氢：部分氢扩散集聚到晶格缺陷、显微裂纹和非金属夹杂等空隙中，结合成为氢分子，因为半径大，不能自由扩散。27 1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化氢对焊接质量的影响
20、1.氢脆2.白点3.气孔4.产生冷裂纹控制氢的措施1.限制焊接材料中的氢含量（焊条、焊剂使用前进行严格烘干；存放焊接材料时，加强防潮；控制保护气体水分）2.清楚焊丝和焊件表面上的杂志3.冶金处理（在药皮和焊剂中加入氟化物;增加焊接材料的氧化性）4.控制焊接参数5.焊后脱氢处理28 氢对钢的强度没有明显影响，但其塑性，特别是断后伸长率、断面收缩率随含氢量增加而显著下降。对焊缝金属进行去氢处理后，其塑性可以基本恢复。脆现象是由溶解在金属晶格中的氢引起的。在试件拉伸过程中，金属中的位错发生运动和堆积，结果形成显微空腔。与此同时，溶解在晶格中的氢原子不断地沿者位错运动的方向扩散，最后聚集到显微空腔内，
21、结合为氢分子。这个过程的发展使空腔内产生很高的压力，导致金属变脆。氢脆与焊缝金属的含氢量、试验温度及焊缝金属的组织结构等有关。焊缝含氢量越高，氢脆的倾向越大。氢脆只有在一定的试验温度范围内(如室温）才明显表现出来。因为温度较高时，氢可以迅速扩散外逸；而温度很低时，氢的扩散速度很小，来不及扩散聚集。另外，氢脆也与金属组织有关，在马氏体中氢脆最严重，而在奥氏体中氢脆不明显1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化氢脆金属中因吸收氢而导致塑性严重下降的现象称为氢脆。29 1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气
22、体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化白点 对于碳钢或低合金钢焊缝，如含氢量较高，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，称之为白点。白点的直径一般为 0.53mm，其周围为韧性断口，故用肉眼即可辨认。在大多数情況下，白点的中心有小夹杂物或气孔，好像鱼眼一样，故又称鱼眼。如果焊缝金属产生了白点，则其塑性将大大降低。若焊件预先进行消氢处理，则不会出现白点。焊缝金属对白点的敏感性与含氢量、金属的组织等因素有关。试件含氢量越多，则出现白点的可能性越大。纯铁素体和奥氏体钢焊缝不出现白点。前者是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，且扩散很慢。碳钢和用 C
23、r、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30 1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化气孔 如果熔池吸收了大量的氢，在熔池凝固结晶时，由于氢的溶解度发生突变，必然发生氢由固态向液态中聚集，而在液态中形成过饱和状态。这时部分原子氢将结合为分子氢进而形成气泡。当气泡外逸速度小于结晶速度时，就留在焊缝中形成了气孔。31 1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化产生冷裂纹 冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度时产生的一种裂纹，其危害性很大。氢是产
24、生冷裂纹的因素之一，焊缝含氢量越高，产生冷裂纹倾向越大。32 1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化3.3 氧对焊缝金属的作用1、氧在金属中的溶解：（1）以原子O形式溶解 T，溶解度（2）以FeO形式溶解 第二种合金元素，溶解度氧对焊接质量的影响：合金元素烧损3降低力学性能1产生气孔233 1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化焊缝金属的氧化控制氧的措施1.气相对焊缝金属的氧化（自由氧对焊缝金属的氧化、二氧化碳对焊缝金属的氧化、H2O对焊缝金属的氧化）2.
25、熔渣对焊缝金属的氧化（扩散氢、置换氢气）3.焊件表面氧化物对金属的氧化1.纯化焊接材料2.采取严格的焊接工艺措施3.脱氧34 3.4 焊缝中硫磷的控制1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化S的存在形式：MnS、FeS。FeS的存在形式危害最大。硫的危害低熔点共晶：Fe+FeS(985)FeS+FeO(940)NiS+Ni(644)增加焊缝金属产生结晶裂纹的倾向1降低冲击韧性和抗腐蚀性235 限制焊接材料中含硫量限制焊缝含硫量的关键。1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊
26、缝金属的合金化控制硫的措施用冶金方法脱硫控制硫的措施脱硫反应实质：用某种元素（脱硫剂）与溶解在熔池中硫（或硫化物）生成在液态金属中不溶解的产物，使其进入熔渣或经熔渣溢出。36 1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化P的存在形式：Fe2P、Fe3P硫的危害低熔点共晶：Fe3P+Fe(1050)Ni3P+Fe(880)增加焊缝金属产生结晶裂纹的倾向1降低冲击韧性、脆性转变温度升高（脆化）237 1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化控制磷的措施（1）限制焊接材
27、料中含磷量药皮和焊剂中的锰矿是导致焊缝增磷的主要来源（2）脱磷反应 a）FeO将磷氧化生成P2O5b）使之与渣中的碱性氧化物生成稳定的磷酸盐控制原材料的含磷量是限制焊缝含磷量的主要办法。2Fe3P+5(FeO)+3(CaO)=(CaO)3.P2O3+11Fe2Fe3P+5(FeO)+4(CaO)=(CaO)4.P2O3+11Fe38 4 焊缝金属的合金化1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化焊缝金属合金化的目的焊缝金属合金化的方式1.补偿焊接过程中由于合金元素氧化和蒸发等造成的损失，以保证焊缝金属的成分、组织和性能符合预定的要求。2.通过向焊缝金属中渗入母材中不含或者少含的合金元素，以满足焊件对焊缝金属的特殊要求。3.消除焊接工艺缺陷，改善焊缝金属的组织和性能。1.应用合金焊丝或带极2.用药芯焊丝或药芯焊条3.应用合金药皮或烧结焊剂4.应用合金粉末39 影响合金元素过渡系数的因素（合金元素物理化学性质、焊接区介质的氧化性、合金元素的含量、合金剂的粒度、药皮药皮重量系数和焊接参数）1 焊接化学冶金的特殊性2 焊接区内的气体和焊接熔渣3 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用4 焊缝金属的合金化合金元素的过渡系数及其影响因素：合金元素的过渡系数金属熔焊原理及材料焊接第三章 焊接化学冶金过程本章结束 谢谢!