第一章焊接化学冶金第一章焊接化学冶金1第1页第1页第一章焊接化学冶金第一节 焊接化学冶金过程特点第二节 气相与金属作用第三节 熔渣与金属作用 第四节 合金过渡第一章第一章-焊接化学冶金焊接化学冶金2第2页第2页第一章焊接化学冶金重点内容重点内容1、焊接化学冶金过程特点2、熔敷速度、熔合比3、气相对金属作用（H）4、焊接化学冶金普通规律5、熔渣作用性质6、合金过渡问题3第3页第3页第一章焊接化学冶金焊接化学冶金过程：熔化焊时，焊接区内各种物质之间在高温下互相作用过程。要点：各种物质包括气体、液态金属、熔渣。1-1 1-1 焊接化学冶金过程特点焊接化学冶金过程特点4第4页第4页第一章焊接化学冶金普通化学冶金过程和焊接化学普通化学冶金过程和焊接化学冶金过程对比冶金过程对比普通化学冶金过程是对金属熔炼加工过程，在放牧特定炉中进行。焊接化学冶金过程是金属在焊接条件下，再熔炼过程，焊接时焊缝相称高炉。两者共同点两者共同点：金属冶炼加工。5第5页第5页第一章焊接化学冶金不同点：1）原材料不同 普冶材料：矿石、焦炭、废钢铁等。焊金材料：焊条、焊丝、焊剂等。2）目不同普冶：提炼金属；焊冶：对金属再熔炼，以满足构件性能6第6页第6页第一章焊接化学冶金一、焊条熔化及熔池形成一、焊条熔化及熔池形成（一）焊条加热及熔化（一）焊条加热及熔化 1 1、焊条加热、焊条加热 1)电阻热：焊接电流通过焊芯时产生电阻热。2)电弧热：焊接电弧传给焊条端部热量。3)化学反应热：药皮部分化学物质化学反应时产生热量。7第7页第7页第一章焊接化学冶金 2、焊条金属熔化速度、焊条金属熔化速度 焊条金属平均熔化速度gM=G/t=pIp为焊条熔化系数gM焊条金属平均熔敷速度gD=GD/t=HIgD为焊条平均熔敷速度损失系数损失系数=(GGD)/G=(gMgD)/gD=1H/PH=(1)P8第8页第8页第一章焊接化学冶金3、焊条金属熔滴及过渡特性、焊条金属熔滴及过渡特性1)熔滴过渡形式熔滴过渡形式短途经渡、颗粒过渡、附壁过渡、射流过渡、旋转射流过渡。碱性焊条：短途经渡和大颗粒过渡；酸性焊条：细颗粒过渡和附壁过渡。9第9页第9页第一章焊接化学冶金10第10页第10页第一章焊接化学冶金2)熔滴比表面积和作用时间熔滴比表面积和作用时间熔滴比表面积S：熔熵表面积与其质量之比。S=Ag/Vg=4R2/(4/3R3)=3/RI,R,S，利于冶金反应进行。熔滴平均作用时间是指熔滴平均质量与一个周期内焊芯平均熔化速度之比。11第11页第11页第一章焊接化学冶金3)熔滴温度熔滴温度 实测手工电弧焊碳钢焊条：2100-2700K，熔渣平均温度：1600C012第12页第12页第一章焊接化学冶金（二）熔池形成（二）熔池形成1、熔池形状和尺寸、熔池形状和尺寸 熔池为半椭球，几何尺寸为L=P2IU 其中，P2是百分比系数，取决于焊接办法和规范。I是焊接电流，U是焊接电压，上式适合用于点状热源。13第13页第13页第一章焊接化学冶金14第14页第14页第一章焊接化学冶金 2、熔池质量和存在时间、熔池质量和存在时间tmax=L/vtcp=Gp/vAwAW焊缝横截面积 3、熔池温度、熔池温度熔池中部温度最高，头部次之，另一方面是尾部。15第15页第15页第一章焊接化学冶金16第16页第16页第一章焊接化学冶金1）液态金属密度差引起自由对流运动2）表面张力差逼迫对流运动3）熔池中各种机械力搅拌4）对焊接质量影响4、熔池运动状态、熔池运动状态17第17页第17页第一章焊接化学冶金二、焊接过程中对熔融金属二、焊接过程中对熔融金属保护保护1、气渣联合保护2、渣保护3、气保护4、真空保护5、自保护保护方式保护方式18第18页第18页第一章焊接化学冶金三、焊接化学冶金反应区及反三、焊接化学冶金反应区及反应条件应条件1 1、药皮反应区、药皮反应区：指焊条受热后，直到焊条药皮熔点前发生一些反应。焊接方法不同，冶金反应阶段也不同。以手工电弧焊为例，加以讨论1)水分蒸发2)一些物质分解3)铁合金氧化 19第19页第19页第一章焊接化学冶金20第20页第20页第一章焊接化学冶金2 2）、熔滴反应区）、熔滴反应区指熔滴形成.长大.脱离焊条.过渡到熔池之前 特点特点:).温度高).与气体.熔渣接触面积大).时间短速度快).熔渣和熔滴金属进行强烈搅拌,混合.21第21页第21页第一章焊接化学冶金3 3、熔池反应区、熔池反应区1）、熔池T 16001900低于熔滴T 比表面积2)、接触面积小3130 3）、时间长 手工焊38秒埋弧焊625s4）、搅拌没有熔滴阶段激烈5）、熔池温度不均匀 突出特点 熔池前斗部分发生金属熔化和气体吸取,利于吸热反应熔池后斗部分发生金属凝固和气体析出,利于放热反应22第22页第22页第一章焊接化学冶金四、焊接工艺条件与化学冶金四、焊接工艺条件与化学冶金反应关系反应关系（一）、熔合比影响（一）、熔合比影响焊接规范：焊接金属（焊条、焊丝）和局部熔化母材构成。熔合比熔合比：焊缝金属中，局部熔化母材所占百分比。=：熔合比 F1：熔化母材面积 F2：填充金属面积 23第23页第23页第一章焊接化学冶金焊接电流I改变 冶金反应不充足（二）、（化学反应条件影响）熔（二）、（化学反应条件影响）熔滴过渡特性影响滴过渡特性影响焊接电压V改变 U 弧长 冶金反应充足本节结束24第24页第24页第一章焊接化学冶金 1-2 1-2 气相与金属作用气相与金属作用一、焊接区内气体一、焊接区内气体 （一）气体起源和产生（一）气体起源和产生起源：起源：1.焊接材料 2.气体介质 3.焊丝和母材表面上油锈等杂质。4.金属和熔渣蒸发产气愤体 成份：成份：金属及熔渣蒸气25第25页第25页第一章焊接化学冶金26第26页第26页第一章焊接化学冶金二、氮与金属作用起源：起源：主要是焊接区周围空气。氮与金属作用有两种情况。1、不与氮发生作用金属，即不能熔解氮又不形成氮化物，可用N作为保护气体。2、与氮发生作用金属，即能溶解氮又能形成氮化物，这种情况下就要预防焊缝金属氮化。27第27页第27页第一章焊接化学冶金(一一)氮在金属中溶解氮在金属中溶解 1）原子形式溶于液态金属 2）以NO形式溶入 3）以氮离子形式溶入（二）氮对焊接质量影响（二）氮对焊接质量影响1)时效脆化2)气孔 3)有利一面：可作为合金元素加入钢中，普通指高合金钢。28第28页第28页第一章焊接化学冶金29第29页第29页第一章焊接化学冶金（三）影响焊缝含氮量原因及控制办法（三）影响焊缝含氮量原因及控制办法1 1）、机机械械保保护护：气一渣保护、渣保护、气体保护、抽真空。对于适渣型焊条：保护效果取决于药皮数量及成份 2 2）、焊接工艺规范影响）、焊接工艺规范影响：3 3）、焊焊丝丝成成份份影影响响 ：增长焊丝或药皮中含碳量可减少焊缝中含氮量d30第30页第30页第一章焊接化学冶金三、氢对金属作用三、氢对金属作用（一）、氢在金属中溶解（一）、氢在金属中溶解 1 1、起起源源：焊条药皮、焊剂、焊丝药芯中水分，药皮中有机物为、焊件表面杂质（锈、油）空气中水分 第一类能形成稳定氢化物金属 第二类不形成稳定氢化物金属31第31页第31页第一章焊接化学冶金2 2、氢溶解机构、氢溶解机构焊接区为氢能够处于分子、原子和离子状态 1).氢以原子形式溶入2).以 溶入 3).以 溶入 32第32页第32页第一章焊接化学冶金3、影响原因影响原因氢与金属作用特点，把金属分为两类 与氢形成稳定氢化物金属 不与氢形成稳定氢化物金属 合金元素影响：氢在铁中溶解度受合金元素影响 33第33页第33页第一章焊接化学冶金（二）、焊缝金属中氢及其扩散（二）、焊缝金属中氢及其扩散1.1.存在形式存在形式 扩散氢：氢以原子或质子形式存在并可在金属晶格中自由扩散。残余氢（剩余氢）：氢原子扩散汇集到金属晶格缺点，显微裂纹和非金属夹杂物边沿空隙中，结合成份子不能自由扩散。总含氢量=扩散氢剩余氢34第34页第34页第一章焊接化学冶金.氢在焊缝中分布氢在焊缝中分布（1）氢沿长度方向分布基本均匀但火口处含氢量较高。（2）氢沿焊接接头横断面分布（3）母材与焊缝匹配35第35页第35页第一章焊接化学冶金（三）、氢对焊接质量影响（三）、氢对焊接质量影响暂态现象：脆化、白点、经时效、热处理可消除 永久现象：气孔、改变组织、显微斑点、冷裂纹、不可消除 1)1)、氢氢脆脆 氢在室温附近，氢溶解在金属晶格中，引起钢塑性严重下降现象36第36页第36页第一章焊接化学冶金2)2)、白点、白点 肉眼可见，直径0.53mm中心处有气孔或小夹渣，外围有塑性裂断痕迹，象鱼眼似也称“鱼眼”.产生原因：产生原因：白点是在塑性变形阶段产生。“诱捕理论诱捕理论”解释：解释：焊缝中气孔及非金属夹杂物边沿空隙,好象“陷阱”同样.捕获氢原子，并在其中结合成氢分子,在拉伸试验中“陷阱”中氢分子被吸附.由于塑性变形新产生微裂纹表面上,分解成原子氢,原子氢扩散到微裂纹金属晶格内,引起金属脆化。37第37页第37页第一章焊接化学冶金3)3)、气孔、气孔 4)4)、组织改变和显微斑点、组织改变和显微斑点 焊缝金属AM时，由于氢在A有较大溶解度，当含氢量高焊缝自A化，温度冷却时，引起局部A过冷残余A增长，残余AM时，富氢组织内产生大内应力，造成显微裂纹 5)5)、产生冷裂纹、产生冷裂纹38第38页第38页第一章焊接化学冶金（四）控制氢办法（四）控制氢办法1)、限制焊接材料含氢量，药皮成份 2)、严格清理工件及焊丝：去锈、油污、吸附水分 3)、冶金处理 4)、调整焊接规范 5)、焊后脱氢处理39第39页第39页第一章焊接化学冶金四、氧对金属作用四、氧对金属作用（一）氧在金属中溶解（一）氧在金属中溶解1).以原子氧形式溶解2).以FeO形式溶解（二）金属被氧化路径（二）金属被氧化路径气相中氧化气体与金属互相作用1).自由氧对金属氧化2).CO2对金属氧化3).H2O气对金属氧化4).混合气体对金属氧化40第40页第40页第一章焊接化学冶金（三）氧对焊接质量影响（三）氧对焊接质量影响1).机械性能下降2).化学性能变差3).产气愤孔CO合金元素烧损4).工艺性能变差（四）预防办法（四）预防办法一防二脱本节结束41第41页第41页第一章焊接化学冶金1-3 1-3 熔渣与金属作用熔渣与金属作用 熔渣：熔渣：电焊条药皮，焊剂溶化形成金属及非金属氧化物及复合物。一、焊接熔渣一、焊接熔渣（一）熔渣作用、成份及分类（一）熔渣作用、成份及分类1.熔渣作用熔渣作用1).机械保护作用2).冶金处理作用3).改进工艺性能42第42页第42页第一章焊接化学冶金2.熔渣成份和分类熔渣成份和分类1).熔渣成份熔渣成份：大体由氧化物、氯化物、氟化物、硼酸盐类构成是各种化学构成复杂体系。2).熔渣分为三类熔渣分为三类第一类氧化物型第二类盐氧化物型第三类盐型43第43页第43页第一章焊接化学冶金（二）熔渣结构理论（二）熔渣结构理论液态熔渣结构有两种理论：分子理论分子理论和离子理论离子理论 分子理论可简明定性为解释熔渣与金属之间冶金反应,但不能解释一些主要现象，如导电性、电解等。44第44页第44页第一章焊接化学冶金1.分子理论：分子理论：1).液态熔渣由自由氧化物及其复合物分子构成液态熔渣由自由氧化物及其复合物分子构成2).氧化物之间成盐反应服从质量作用定律氧化物之间成盐反应服从质量作用定律 当Tk自由氧化物浓度复合物浓度熔渣活性Tk自由氧化物浓度复合物浓度熔渣活性45第45页第45页第一章焊接化学冶金3).只有自由氧化物才干与金属作用只有自由氧化物才干与金属作用4).各氧化物之间化学亲和力可近似用生成各氧化物之间化学亲和力可近似用生成复合物时热效应来衡量复合物时热效应来衡量46第46页第46页第一章焊接化学冶金5).液态熔渣是抱负熔体液态熔渣是抱负熔体-服从抱负溶液定律服从抱负溶液定律 分子理论可简明定性解释熔渣与金属之间冶金反应,但不能解释一些主要现象，如导电性、电解等。47第47页第47页第一章焊接化学冶金2.离子