第一章 焊接化学冶金

第一章焊接化学冶金主要内容焊接化学冶金过程的特点气相对金属的作用熔渣对金属的作用合金的过渡第一节焊接化学冶金过程的特点本节概念性的内容较多，通过对本节的理解，加以记忆焊条熔化→形成熔滴→过渡→形成熔池焊接保护熔合比化学冶金反应区一焊条熔化及熔池形成(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：电阻热：焊接电流通过焊芯时产生电阻热，使其本身和药皮的温度升高。电弧热：焊条熔化、使液体金属过热和蒸发的主要能源。用于加热和熔化焊条的功率qe仅是其全部功率的一小部分，即：qe=ηeUI(ηe-焊条加热有效系数)化学反应热：仅占1％~3％，可忽略不计。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。gM=G/t=αpI平均熔敷速度：单位时间内熔敷在焊件上的金属质量称为平均熔敷速度。gD=GD/t=αpI损失系数：在焊接过程中，由于飞溅、氧化、蒸发损失的一部分焊条金属(或焊丝)质量与熔化的焊芯质量之比称焊条损失系数。熔敷速度才是反映焊接生产率指标PHMDMDgggGGG1PH)1(3焊条金属熔滴及其过渡特性(1)熔滴过渡的形式短路过渡：短弧焊时焊条端部熔滴长大到一定的尺寸就与熔池发生接触，形成短路，电弧熄灭。在各种力的作用下过渡到熔池中，电弧重新引燃，如此重复这一过程。颗粒状过渡：当电弧的长度足够长时，焊条端部的熔滴长大到较大的尺寸在各种力的作用下，以颗粒状落入熔池，此时不发生短路，接着进行下一个过渡周期。附壁过渡：熔滴沿着焊条端部的药皮套筒壁向熔池过渡的形式碱性焊条主要是短路过渡和大颗粒状过渡。用酸性焊条焊接时为细颗粒状过渡和附壁过滤。以滴状形式过渡到熔池熔滴端部熔化焊条各种力的作用下长大电弧热(2)熔滴的比表面积和相互作用时间熔滴的比表面积:表面积与质量之比：设熔滴是半径为r的球体，比表面积：RRRS/3)34/(432ggVAS/熔滴越细，比表面积越大。cpcpcpgm/)//()21(0trtrcpmmm]2/1)/[(0trcpmmτcp，熔滴平均相互作用时间mcp熔滴平均质量，mcp=m0+1/2mtr，m0熔滴脱落后在焊条端部剩余液体量；mtr单个熔滴质量；τ熔滴长大时间；gcp熔滴过渡一个周期内焊芯的平均熔化速度，gcp=mtr/τ熔滴平均相互作用时间表示式：图1-1焊条端部熔滴质量随时间的变化(低氢碱性焊条，反接)（3）熔滴温度：熔滴温度是研究熔滴阶段各种物理化学反应时的重要数据。目前还不能从理论上精确地计算出熔滴温度，只能作为定性的参考。●随焊丝直径的增大，熔滴的温度降低。●低碳钢熔滴的平均温度在2100~2700K的范围内。（二）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。若用非熔化极进行焊接时，熔池仅由局部熔化的母材所组成。1熔池形状和尺寸：宽度、深度和长度◆焊接电流的增加，熔池的最大深度Hmax增大；熔池的最大宽度Bmax相对减小；◆随电弧电压升高，Hmax减小，Bmax增加。◆熔池的长度近似估算：L=P2q=P2UI2熔池的质量和存在时间熔池的质量很小：手工电弧焊时，0.6-16g，多数情况下为5g以下；自动理弧焊时，熔池的质量较大，但通常也小于100g。熔池存在的时间很短，一般只有几秒至几十秒。熔池中冶金反应时间是很短暂的，但比熔滴阶段存在的时间长。vLtmax熔池最大存在时间（熔池长度决定）：由熔池质量确定的时间为：vAwmtcp3熔池的温度熔池各处的温度不均匀。熔池前部，母材就不断地熔化熔池中部具有最高的温度。熔池后部的温度逐渐降低。低碳钢熔池的平均温度约为1770±100℃。图1-4熔池的温度分布1-中部2-前部3-后部4熔池中流体的运动状态熔池中液体金属发生强烈运动，使熔池中热量和质量传输过程得以进行。1运动方向：熔化的母材由熔池前部，沿结晶前沿的弯曲表面向熔池的后部运动；熔池的表面上，液态金属由熔池的后部向中心运动。2运动作用：a)使母材和焊条金属充分混合，形成成分均匀的焊缝金属。b)有利于气体和非金属夹杂物外逸，加速冶金反应，消除焊接缺陷(如气孔)，提高焊接质量。图1-5TIG焊钛合金时熔池中金属的流向二焊接过程中对金属的保护(一)保护的必要性（1）防止熔化金属与空气发生激烈的相互作用，降低焊缝金属中氧和氮的含量。（2）防止有益合金元素的烧损和蒸发而减少，使焊缝得到合适的化学成分。（3）防止电弧不稳定，避免焊缝中产生气孔。焊接化学冶金的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。(二)保护的方式和效果1埋弧焊：是利用焊剂及其熔化以后形成的熔渣隔离空气保护金属的，焊剂保护效果取决于焊剂的粒度和结构。2气体保护焊：保护效果取决于保护气的性质与纯度。惰性气体(氩、氦等)保护效果好，用于合金钢和化学活性金属及其合金。3渣-气联合保护：焊条药皮和焊丝药芯一般是由造气剂、造渣剂和铁合金等组成，这些物质在焊接过程中形成渣-气联合保护。4真空：真空保护效果是最理想的，如度高于0.0133Pa的真空室内进行电子束焊接，把氧和氮有害作用减至最小。5自保护焊：在焊丝或药芯中加入脱氧和脱氮剂，使由空气进入熔化金属中的氧和氮进入熔渣中，故称自保护。图1-6熔敷金属中含氮量与焊丝药芯中保护材料含量关系图1-7焊条熔化析出气体数量V对熔敷金属含氮量影响三焊接化学冶金反应区及其反应条件不同焊接方法有不同的反应区：◆手工电弧焊时有三个反应区：药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区。◆熔化极气体保护焊：只有熔滴和熔池反应区。◆不填充金属的气焊、钨极氩弧焊和电子束焊接只有一个熔池反应区。图1-8焊接化学冶金反应区Ⅰ-药皮反应区Ⅱ-熔滴反应区Ⅲ-熔滴反应区，(一)药皮反应区药皮反应区温度范围从l00℃至药皮熔点，主要物化反应有：1水分蒸发：药皮被加热，吸附水就开始蒸发，T100℃，吸附水全部蒸发，T=200~400℃，药皮组成物结晶水将被排除，化合水需更高温度下才能析出。2有机物燃烧和分解：★有机物，如木粉、纤维素和淀粉等则开始分解和燃烧，形成CO、CO2、H2等气体。★焊条中的碳酸盐(CaCO3，MgCO3)和高价氧化物(如赤铁矿Fe2O3，锰矿MnO2等)也发生分解，形成CO2、O2等气体。3铁合金氧化：上述物化反应产生的大量气体，对被焊金属和药皮中的铁合金(如锰铁、硅铁和钛铁等)有很大的氧化作用。温度高于600℃就会发生铁合金的明显氧化，结果使气相的氧化性大大下降，即所谓“先期脱氧”。(二)熔滴反应区熔滴形成、长大、过渡至熔池都属熔滴反应区。特点：1熔滴温度高，熔滴金属过热度大：熔滴活性斑点处温度接近焊芯沸点，约2800℃；熔滴平均温度在1800~2400℃范围。熔滴金属过热度很大，达300~900℃。2熔滴与气体和熔渣的接触面积大：熔滴的比表面积大3各相之间的反应时间短：熔滴在焊条末端停留时间为0.01~0.1s。熔滴向熔池过渡速度高达2.5~10m/s，经过弧柱区时间很短。在这个区备相接触的平均时间约为0.01~1.0s。熔滴阶段的反应主要是在焊条末端进行。4熔滴与熔渣发生强烈的混合：混合作用不仅增加了相接触面积，而且有利于反应物和产物进入和退出反应表面，加快反应速度。(三)熔池反应区1熔池反应区的物理条件●与熔滴相比，熔池的平均温度较低，约为1600~1900℃；比表面积较小，约为3~130cm2/kg；反应时间稍长些，如手工电弧焊时通常为3~8s，埋弧焊时为6~25s。●熔池温度分布极不均匀，因此在熔池的前部和后部反应可以同时向相反的方向进行。●熔池中的强烈运动，有助于加快反应速度，并为气体和非金属夹杂物的外逸创造了有利条件。2熔池反应区的化学条件▲熔池阶段系统中反应物的浓度与平衡浓度之差比熔滴阶段小，熔池中的反应速度比熔滴中要小。新熔化的母材、焊芯和药皮不断进入熔池前部，凝固的金属和熔渣不断从熔池后部退出反应区。熔池反应区的反应物质是不断更新的。▲药皮重量系数Kb（单位长度上药皮与焊芯的质量比)较大时，参与和熔池金属作用的熔渣数量比参与和熔滴金属作用的数量多。因为Kb大时有一部分熔渣直接流入熔池，而不与熔滴发生作用。▲临界药皮厚度h0，在h0以外的药皮所形成的熔渣不与熔滴接触，只与熔池发生作用。增加药皮厚度能够加强熔池阶段的反应。h0取决于药皮的成分和焊接工艺参数。随着Kb的增加，硅在熔滴和熔敷金属中的含量开始时都迅速减少(即硅的氧化损失增加)。当Kb≥0.18(相当药皮厚度为1mm)时，熔滴中硅的氧化损失趋于稳定，而熔池中依靠没有与熔滴接触的那一部分熔渣使硅继续氧化。图l-9硅在熔滴和熔敷金属中的含量与Kb的关系○熔滴●熔覆金属四焊接工艺条件与化学冶金反应关系(一)熔合比焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比。熔合比取决于焊接方法、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(焊丝)倾角等因素。ebCCC)1(0焊条中的合金元素实际上是有损失的，母材中的合金元素几乎可以全部过渡到焊缝金属中。焊缝中某元素的实际浓度为：dbwCCC)1(Cd－熔敷金属中某元素实际浓度，即焊接时，没有母材金属熔入时的浓度堆焊而言：212LLLSSS（二）熔滴过渡特性的影响图1-10：熔敷金属中含硅量随电压增大和焊接电流减小而增大。图1-11中：f↑→I↑→反应时间τ↓→Si损失率↓f↓→U↑相反图1-10熔敷金属中含硅量与电弧电压和焊接电流的关系图1-11CO2堆焊时过渡频率f和过渡时间τ与硅的损失率φ的关系五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。第二节焊接区内的气体一、焊接区气体（一）气体来源焊接材料：焊接区内的气体主要来源于焊接材料。焊条药皮、焊剂及焊丝药芯中都含有造气剂。热源周围的气体介质：热源周围的空气是难以避免的气体来源，而焊接材料中的造气剂所产生的气体，不能完全排除焊接区内的空气。焊丝和母材表面上的杂质：焊丝表面和母材表面的杂质，如铁锈、油污、氧化铁皮以及吸附水等，在焊接过程中受热而析出气体进入气相中。(二)气体的产生除直接输送和侵入焊接区内的气体外，焊接过程中所进行物化反应也产生气体。1有机物的分解和燃烧2225106562/7)(mHmCOmOOHCm2碳酸盐和高价氧化物的分解：碳酸盐的分解CaCO3→CaO＋CO2MgCO3→MgO＋CO2高价氧化物的分解：6Fe2O3＝4Fe3O4＋O2；2Fe2O3＝6FeO＋O24Mn2O3＝2Mn3O4＋O2；6Mn2O3＝4Mn3O4＋O23材料的蒸发：电弧的高温作用下,焊接材料中水分、金属元素和熔渣的各种成分发生蒸发，形成的蒸气。纤维素热分解反应为：(三)气体的分解1简单气体的分解双原子气体G2分解反应的通式：G2＝2G22GGpppK设气体G2的原始分子数为n0，已分解的分子数为n，则平衡气体的分解度为α=n/n0，若气体G2分解后混合气体的总压力为p0，则分解度α可表示为04pKKpp平衡常数可表示为：G2＝2Gno0no－n2n2CO2和H2O等复杂气体的分解升高温度CO2可分解生成CO和O2，使气相氧化性增加。水蒸气分解比较复杂，分解的产物有H2、O2、H、O不仅增加了气相的氧化性，而且增加了气相中氢的分压，使焊缝金属增氧和增氢。(三)气相的成分和分布3焊接方法