焊接原理PPT電子教案課件第二章 焊接化學(xué)冶金

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1、第二章第二章 焊接化學(xué)冶金焊接化學(xué)冶金第一節(jié)第一節(jié) 焊接化學(xué)冶金過(guò)程的特點(diǎn)焊接化學(xué)冶金過(guò)程的特點(diǎn)焊接化學(xué)冶金過(guò)程焊接化學(xué)冶金過(guò)程: 熔焊過(guò)程中，焊接區(qū)內(nèi)各種物質(zhì)之間在高溫下相互作用的過(guò)程熔焊過(guò)程中，焊接區(qū)內(nèi)各種物質(zhì)之間在高溫下相互作用的過(guò)程.一、焊接冶金過(guò)程的任務(wù)一、焊接冶金過(guò)程的任務(wù) 以低碳鋼光焊絲無(wú)保護(hù)焊為例：以低碳鋼光焊絲無(wú)保護(hù)焊為例：焊縫含焊縫含氮氮量高出焊絲量高出焊絲2045倍；倍；含含氧氧量量高出高出焊絲焊絲735倍倍后果：焊縫產(chǎn)生氣孔，塑韌性降低后果：焊縫產(chǎn)生氣孔，塑韌性降低.1. 對(duì)焊接區(qū)金屬進(jìn)行保護(hù)對(duì)焊接區(qū)金屬進(jìn)行保護(hù)焊接化學(xué)冶金的首要任務(wù)就是對(duì)焊接區(qū)金屬加強(qiáng)保護(hù)，焊接化學(xué)冶

2、金的首要任務(wù)就是對(duì)焊接區(qū)金屬加強(qiáng)保護(hù)，以免空氣的有害作用以免空氣的有害作用 保護(hù)的必要性保護(hù)的必要性保護(hù)材料：保護(hù)材料：焊條藥皮、焊劑、藥芯焊絲、保護(hù)氣體焊條藥皮、焊劑、藥芯焊絲、保護(hù)氣體 保護(hù)手段：保護(hù)手段：焊接操作工藝焊接操作工藝 保護(hù)的方式保護(hù)的方式 不同的焊接方法具有不同的保護(hù)方式不同的焊接方法具有不同的保護(hù)方式 3. 控制控制P、S、H等有害元素含量等有害元素含量 2. 焊縫金屬合金化焊縫金屬合金化二、焊接冶金過(guò)程中的特點(diǎn)二、焊接冶金過(guò)程中的特點(diǎn)1. 需要對(duì)金屬進(jìn)行保護(hù)需要對(duì)金屬進(jìn)行保護(hù) 2. 焊接冶金過(guò)程是分區(qū)域（階段）連續(xù)進(jìn)行的焊接冶金過(guò)程是分區(qū)域（階段）連續(xù)進(jìn)行的 過(guò)程，各階段

3、之間相互聯(lián)系過(guò)程，各階段之間相互聯(lián)系(1)手工電弧焊有三個(gè)區(qū)域手工電弧焊有三個(gè)區(qū)域： 藥皮反應(yīng)區(qū)藥皮反應(yīng)區(qū) 熔滴反應(yīng)區(qū)熔滴反應(yīng)區(qū) 熔池反應(yīng)區(qū)熔池反應(yīng)區(qū) 圖圖2-1 藥皮反應(yīng)區(qū)：藥皮反應(yīng)區(qū)：100藥皮熔化藥皮熔化主要化學(xué)反應(yīng)：主要化學(xué)反應(yīng)： 水分的蒸發(fā)水分的蒸發(fā) 某些物質(zhì)的分解某些物質(zhì)的分解 鐵合金的氧化鐵合金的氧化 T600 鐵合金明顯氧化，氣相的氧化性大大降低鐵合金明顯氧化，氣相的氧化性大大降低“先期脫氧先期脫氧” 熔滴反應(yīng)區(qū)：熔滴反應(yīng)區(qū)：熔滴從形成、長(zhǎng)大直至過(guò)渡到熔池之中熔滴從形成、長(zhǎng)大直至過(guò)渡到熔池之中特點(diǎn)：特點(diǎn)： 熔滴溫度高熔滴溫度高 熔滴與氣體和熔渣的接觸面積大熔滴與氣體和熔渣的接觸

4、面積大 各相之間反應(yīng)時(shí)間短各相之間反應(yīng)時(shí)間短 熔滴與熔渣發(fā)生強(qiáng)烈的混合熔滴與熔渣發(fā)生強(qiáng)烈的混合 主要化學(xué)反應(yīng)：主要化學(xué)反應(yīng)： 氣體的分解和溶解氣體的分解和溶解 金屬的蒸發(fā)金屬的蒸發(fā) 金屬及其合金成分的氧化和還原金屬及其合金成分的氧化和還原 焊縫金屬的合金化焊縫金屬的合金化 熔池反應(yīng)區(qū)：熔池反應(yīng)區(qū)： 物理?xiàng)l件：物理?xiàng)l件： 平均溫度較低平均溫度較低 ； 比表面積??；比表面積??； 反應(yīng)時(shí)間稍長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間稍長(zhǎng) ； 溫度分布極不均勻溫度分布極不均勻. 化學(xué)條件：化學(xué)條件： 反應(yīng)物濃度與平衡濃度之差較小，熔池中的反應(yīng)較??；反應(yīng)物濃度與平衡濃度之差較小，熔池中的反應(yīng)較??； 當(dāng)藥皮重量系數(shù)較大時(shí)，參與和熔池金屬

5、作用的熔渣數(shù)量比參當(dāng)藥皮重量系數(shù)較大時(shí)，參與和熔池金屬作用的熔渣數(shù)量比參 與和熔滴金屬作用的數(shù)量多；與和熔滴金屬作用的數(shù)量多； 溶池中的液體金屬在各種力作用下，發(fā)生強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng)溶池中的液體金屬在各種力作用下，發(fā)生強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng). 3. 冶金過(guò)程與冶金過(guò)程與“焊接方法焊接方法”和和“焊接規(guī)范焊接規(guī)范” 有有關(guān)關(guān) (1) 熔合比：熔合比： 焊縫金屬由填充金屬和局部熔化的母材組成焊縫金屬由填充金屬和局部熔化的母材組成. 焊縫金屬中局部熔化母材所占的比例稱為焊縫金屬中局部熔化母材所占的比例稱為熔合比熔合比. (2) 熔滴反應(yīng)時(shí)間：熔滴反應(yīng)時(shí)間： 熔滴反應(yīng)時(shí)間即熔滴的存在時(shí)間熔滴反應(yīng)時(shí)間即熔滴的存在時(shí)間. 隨

6、焊接電流增大而變短，隨焊接電流增大而變短， 隨電弧電壓的升高而延長(zhǎng)隨電弧電壓的升高而延長(zhǎng). (3) 熔渣有效作用系數(shù)熔渣有效作用系數(shù) 焊材母材母材FFF焊縫母材FF 熔池熔化渣與作用GG手弧焊手弧焊:埋弧焊埋弧焊: bk熔池熔渣GGkffkGGI熔渣熔池fkGGU熔渣熔池 4. 冶金過(guò)程具有不平衡性，但存在平衡趨勢(shì)冶金過(guò)程具有不平衡性，但存在平衡趨勢(shì) 溫度、時(shí)間、相界面等溫度、時(shí)間、相界面等.一、焊接區(qū)內(nèi)的氣體一、焊接區(qū)內(nèi)的氣體 第二節(jié)第二節(jié) 氣相對(duì)金屬的作用氣相對(duì)金屬的作用1. 氣體的來(lái)源氣體的來(lái)源（2 2）鐵銹、油污、氧化皮）鐵銹、油污、氧化皮 （3 3）坡口表面氧化物）坡口表面氧化物 （

7、4 4）揮發(fā)物和蒸汽）揮發(fā)物和蒸汽 2.氣體的產(chǎn)生氣體的產(chǎn)生（1 1）有機(jī)物的分解和燃燒）有機(jī)物的分解和燃燒 （2）碳酸鹽和高價(jià)氧化物的分解）碳酸鹽和高價(jià)氧化物的分解 碳酸鈣：開(kāi)始分解碳酸鈣：開(kāi)始分解 T=545，劇烈分解，劇烈分解T=910； 碳酸鎂：開(kāi)始分解碳酸鎂：開(kāi)始分解 T=325，劇烈分解，劇烈分解T=650。 （3）材料的蒸發(fā)）材料的蒸發(fā)（1 1）焊接材料）焊接材料 焊接區(qū)氣相中常見(jiàn)的簡(jiǎn)單氣體有焊接區(qū)氣相中常見(jiàn)的簡(jiǎn)單氣體有N N2 2、H H2 2、O O2 2等雙原子等雙原子氣體。氣體。3. 氣體的分解氣體的分解 （1 1）簡(jiǎn)單的分解）簡(jiǎn)單的分解 2000400060008000

8、 Ta0.80.60.40.20 圖圖2-2 雙原子氣體的分解度與溫度的關(guān)系雙原子氣體的分解度與溫度的關(guān)系 (P0=101Kpa) H22H O22O N22N 設(shè)設(shè)O2的原始分子數(shù)為的原始分子數(shù)為 n0，達(dá)到平衡時(shí)，達(dá)到平衡時(shí)已分解已分解的分子數(shù)為的分子數(shù)為 n達(dá)到平衡時(shí)氣體的分解度為：達(dá)到平衡時(shí)氣體的分解度為： a = n/n0 - 1反應(yīng)平衡常數(shù)：反應(yīng)平衡常數(shù)： kp= Po2/ Po2 - 2平衡態(tài)氣體總壓力為：平衡態(tài)氣體總壓力為： P = Po2+ PO - 3 則：則： P = Po2+ PO( n0n) RT/V - 4O2 = 2O平衡分子數(shù)：平衡分子數(shù)： n0- n 2n 平

9、衡分壓力：平衡分壓力： Po2 = (n0- n)RT/V； PO = 2nRT/V將將 kP= f(T)、P= 1 atm = 101 kp 等關(guān)系代入上式，即可算出等關(guān)系代入上式，即可算出上述上述圖圖2-2所示的所示的 a-T關(guān)系圖關(guān)系圖.PKKaaPnnnnnRTVnnnnnnnRTVPPkPPooP41141)(441202220002022即：（2）復(fù)雜氣體的分解復(fù)雜氣體的分解 COCO2 2、H H2 2O O 是焊接冶金中常見(jiàn)的復(fù)雜氣體。是焊接冶金中常見(jiàn)的復(fù)雜氣體。 2222OCOCO22OCOCOPPPP222OCOCOPPP32pkap 4044145892222.lglgT

10、pppkCOOCOp二、氣體對(duì)金屬的作用二、氣體對(duì)金屬的作用 1.1.氮對(duì)金屬的作用氮對(duì)金屬的作用 氮在鐵中既能溶解，也能形成穩(wěn)定的氮化物氮在鐵中既能溶解，也能形成穩(wěn)定的氮化物.（1 1）氮在鐵中的溶解：）氮在鐵中的溶解： 溶解方式：溶解方式： 分子形式溶入分子形式溶入; 原子形式溶入原子形式溶入; NO 形式溶入形式溶入. 由質(zhì)量作用定律得出氮的平衡溶解度：由質(zhì)量作用定律得出氮的平衡溶解度： 氮溶解反應(yīng)的平衡常數(shù)氮溶解反應(yīng)的平衡常數(shù) 氣相中氮分子的分壓氣相中氮分子的分壓 22NN 22NNNpKS2NK2Np 氮在液態(tài)鐵中的溶解度與溫度的關(guān)系：氮在液態(tài)鐵中的溶解度與溫度的關(guān)系： 圖圖2-3

11、氮和氫在鐵中的溶解度與溫度的關(guān)系氮和氫在鐵中的溶解度與溫度的關(guān)系6001000140018002200 260001020304050T/H、N (cm3/100g)H2N2L圖中可看出：圖中可看出：(1) 氮在液態(tài)鐵中的溶解度隨著溫度的升高而增大；氮在液態(tài)鐵中的溶解度隨著溫度的升高而增大；(2) 當(dāng)溫度為當(dāng)溫度為2200時(shí)，氮的溶解度達(dá)到最大值；時(shí)，氮的溶解度達(dá)到最大值；(3) 繼續(xù)升高溫度溶解度急劇下降，至鐵的沸點(diǎn)繼續(xù)升高溫度溶解度急劇下降，至鐵的沸點(diǎn) 溶解度變?yōu)榱?；溶解度變?yōu)榱悖?4) 當(dāng)液態(tài)凝固時(shí)，氮的溶解度突然下降至當(dāng)液態(tài)凝固時(shí)，氮的溶解度突然下降至1/4左右左右.(1)(1)氮對(duì)焊

12、接質(zhì)量的影響氮對(duì)焊接質(zhì)量的影響 (2)(2)氮的防止措施氮的防止措施 加強(qiáng)保護(hù)加強(qiáng)保護(hù) 采用合理的焊接規(guī)范采用合理的焊接規(guī)范 直流反接極直流反接極 在焊接材料中加入脫氮?jiǎng)┰诤附硬牧现屑尤朊摰獎(jiǎng)?產(chǎn)生氣孔；產(chǎn)生氣孔； 提高強(qiáng)度、降低塑性和韌性；提高強(qiáng)度、降低塑性和韌性； 促使焊縫金屬時(shí)效脆化促使焊縫金屬時(shí)效脆化. 2.2.氫對(duì)金屬的作用氫對(duì)金屬的作用 （1 1）氫的來(lái)源：）氫的來(lái)源： 焊接材料：水分；含氫物質(zhì)（有機(jī)物） 空氣中的水蒸氣； 氧化皮、油污等. （2）氫在金屬中溶解）氫在金屬中溶解 與與Zr、Ti、V、Ta 等形成穩(wěn)定的氫化物；等形成穩(wěn)定的氫化物； 與與Al、Fe、Ni、Cu、Cr 等

13、不形成穩(wěn)定氫化物等不形成穩(wěn)定氫化物. . 三種溶解方式：三種溶解方式： 分子形式，離子形式，原子形式分子形式，離子形式，原子形式 (3)(3)氫在焊縫金屬中的存在形式氫在焊縫金屬中的存在形式及其擴(kuò)散及其擴(kuò)散 氫在焊縫金屬中的存在形式：氫在焊縫金屬中的存在形式： 擴(kuò)散氫擴(kuò)散氫HD : 以以H H、H H+ +或或H H- -形式存在于金屬焊縫中形式存在于金屬焊縫中, , 形成間隙固溶體形成間隙固溶體. . 因氫原子和因氫原子和氫氫離子半徑很小，可在焊縫金屬的晶格中自由擴(kuò)散離子半徑很小，可在焊縫金屬的晶格中自由擴(kuò)散擴(kuò)散氫擴(kuò)散氫. . 殘余氫殘余氫HR： 擴(kuò)散氫中的一部分聚集到陷阱（位錯(cuò)、空位、微裂

14、紋或界面）中，結(jié)合為擴(kuò)散氫中的一部分聚集到陷阱（位錯(cuò)、空位、微裂紋或界面）中，結(jié)合為 氫分子，因其半徑大，不能自由擴(kuò)散氫分子，因其半徑大，不能自由擴(kuò)散殘余氫殘余氫. 因擴(kuò)散之緣故，焊縫金屬中的含氫量隨時(shí)間而變化因擴(kuò)散之緣故，焊縫金屬中的含氫量隨時(shí)間而變化 一部分?jǐn)U散氫從焊縫中逸出，而另一部分變則為殘余氫一部分?jǐn)U散氫從焊縫中逸出，而另一部分變則為殘余氫 隨焊縫金屬放置時(shí)間延長(zhǎng)，擴(kuò)散氫減少，殘余氫增加，總氫量下降隨焊縫金屬放置時(shí)間延長(zhǎng)，擴(kuò)散氫減少，殘余氫增加，總氫量下降圖圖2-4 焊縫中的含氫量與焊后放置時(shí)間的關(guān)系焊縫中的含氫量與焊后放置時(shí)間的關(guān)系 1-總氫量總氫量; 2-擴(kuò)散氫擴(kuò)散氫; 3-殘余

15、氫殘余氫總結(jié)：總結(jié)： 所有的焊接方法都使金屬增氫；所有的焊接方法都使金屬增氫； 手弧焊時(shí)，低氫焊條增氫量最小手弧焊時(shí)，低氫焊條增氫量最小； CO2氣電焊是超低氫型的焊接方法氣電焊是超低氫型的焊接方法. (4) 氫對(duì)焊接質(zhì)量的影響氫對(duì)焊接質(zhì)量的影響 氫脆；氫脆； 白點(diǎn)；白點(diǎn)； 形成氣孔；形成氣孔； 產(chǎn)生冷裂紋產(chǎn)生冷裂紋. . (5) 控制氫的措施控制氫的措施 選用低氫型的焊接材料選用低氫型的焊接材料 清除焊絲和焊件表面上的鐵銹、油污、氧化皮清除焊絲和焊件表面上的鐵銹、油污、氧化皮 冶金處理冶金處理 選用堿性焊接材料（在藥皮和焊劑中加入氟化物）；選用堿性焊接材料（在藥皮和焊劑中加入氟化物）； 增加

16、氣、渣的氧化性（增加氣、渣的氧化性（ CO2氣電焊）；氣電焊）； 在藥皮或焊芯中加入微量的稀土或稀散元素在藥皮或焊芯中加入微量的稀土或稀散元素. 焊接工藝焊接工藝 小電流、短弧焊焊接，堿性焊條直流反接極，接線對(duì)稱小電流、短弧焊焊接，堿性焊條直流反接極，接線對(duì)稱. 焊后除氫熱處理焊后除氫熱處理 緊急后熱緊急后熱3.3.氧對(duì)金屬的作用氧對(duì)金屬的作用 (1)(1)氧在金屬中的溶解氧在金屬中的溶解 a.a.氧在鐵液中的溶解氧在鐵液中的溶解 氧是以氧是以原子氧原子氧和和FeO兩種形式溶于液態(tài)鐵中的兩種形式溶于液態(tài)鐵中的. 氧在液態(tài)鐵中的溶解度隨溫度的升高而增大，隨合金元素含量的氧在液態(tài)鐵中的溶解度隨溫度

17、的升高而增大，隨合金元素含量的 升高而降低升高而降低. b.b.氧在焊縫金屬中的存在形式氧在焊縫金屬中的存在形式 溶解的氧溶解的氧O: O: 室溫下，室溫下，S S0 0 0.001% 0.001% ； 氧化物和硅酸鹽夾渣氧化物和硅酸鹽夾渣. .(2) (2) 氧化性氣體對(duì)金屬的氧化氧化性氣體對(duì)金屬的氧化 金屬氧化還原反應(yīng)方向的判據(jù)金屬氧化還原反應(yīng)方向的判據(jù) 金屬氧化物的分解壓金屬氧化物的分解壓: :一定一定T T下的平衡常數(shù)下的平衡常數(shù) K Kp p 金屬氧化物的分解反應(yīng)：金屬氧化物的分解反應(yīng)：222OMnmOMnenem由上述反應(yīng)式可見(jiàn)：作為脫氧劑。、用因此，焊接鋼鐵時(shí)，常的分解壓最大。之

18、外，和除了下，?？梢?jiàn)，在同一關(guān)系見(jiàn)圖各金屬的即：所以：溫度一定時(shí)為常數(shù)。的飽和蒸氣壓，和分別為和其中，MnSiFeONiOOCuTTkTfPkPkkOMMPPPPPkpOpOpnemeOMMnOMOnmMpnemeneme2 22461)(,222平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)金屬被氧化金屬被氧化22OOpp22OOpp22OOpp 金屬被還原金屬被還原 氣體對(duì)氣體對(duì)金屬的氧化金屬的氧化 自由氧對(duì)自由氧對(duì)金屬的氧化：金屬的氧化： 空氣中，空氣中，PoPo2 2=0.21atm=0.21atm21.3 kPa21.3 kPa 若與純?nèi)襞c純 FeOFeO 渣相平衡，則有：渣相平衡，則有： 光焊絲焊接時(shí)，由上式計(jì)

19、算知：光焊絲焊接時(shí)，由上式計(jì)算知： T=1800KT=1800K時(shí)，時(shí)，P PO2O2=10=10-11 -11 atmatm P P空氣空氣 0.21atm0.21atm T=3000K T=3000K時(shí)，時(shí)，P PO2O2=10=10-8 -8 atmatm P 3000K時(shí)，隨溫度升高，二氧化碳對(duì)金屬的氧化性大于時(shí)，隨溫度升高，二氧化碳對(duì)金屬的氧化性大于 空氣；空氣； b. 隨溫度升高，氧氣分壓（氧化性）增大，熔滴氧化大于熔池；隨溫度升高，氧氣分壓（氧化性）增大，熔滴氧化大于熔池； c. 二氧化碳保護(hù)焊只能防氮，而不能防金屬的氧化二氧化碳保護(hù)焊只能防氮，而不能防金屬的氧化. 焊絲中必焊絲

20、中必 須加入脫氧劑和合金化元素須加入脫氧劑和合金化元素.1404.414548lglg212222122TPPPKOCOCOCOOCOCO32212222OCOCOOCOCOPPPatmPPP. atm 0.2K0003T.10.21atm02 atm 0.2K0003T222228OOOCOCOOPatmPPPPPT時(shí)，），而遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于（略小于空氣中的，時(shí)，計(jì)算知：、下的出不同聯(lián)立以上三式，即可求 H2O對(duì)金屬的氧化對(duì)金屬的氧化 聯(lián)立以上三式，可解出不同聯(lián)立以上三式，可解出不同T下的各種分壓下的各種分壓. 在在T3000K時(shí)時(shí): 可見(jiàn)：可見(jiàn)：a. H2O可使金屬發(fā)生強(qiáng)烈氧化，可使金屬發(fā)生強(qiáng)烈氧

21、化，其氧化性弱其氧化性弱CO2和空氣和空氣. b. 水蒸氣使金屬氧化的同時(shí)，也使金屬增氫水蒸氣使金屬氧化的同時(shí)，也使金屬增氫. 低氫型焊條盡管脫氧劑豐富，但焊前還需烘干低氫型焊條盡管脫氧劑豐富，但焊前還需烘干.31221045.313154lglg21222222222222atmPPPPPTPPPKOHOHOHHOOHOHOHOHatmatmPO810061. 0222HFeOFeOH混合氣體對(duì)金屬的氧化混合氣體對(duì)金屬的氧化 手弧焊時(shí)：手弧焊時(shí)： 氣相為混合物：氣相為混合物： 氣電焊時(shí)：氣電焊時(shí)： 為了改善電弧的電熱特性和工藝特性，常用氣體：為了改善電弧的電熱特性和工藝特性，常用氣體： Ar

22、+CO2；Ar+CO2O2；Ar+O2 隨著隨著CO2和和O2 含量增大，氣體氧化性增強(qiáng)，焊絲中應(yīng)添加含量增大，氣體氧化性增強(qiáng)，焊絲中應(yīng)添加 適量脫氧劑適量脫氧劑.OHCOCOH222氧對(duì)焊接質(zhì)量的影響氧對(duì)焊接質(zhì)量的影響 焊接過(guò)程使焊縫金屬增氧焊接過(guò)程使焊縫金屬增氧. 增氧量與焊材、焊法和焊接規(guī)范有關(guān)增氧量與焊材、焊法和焊接規(guī)范有關(guān). a. 降低焊縫強(qiáng)度和塑性，引起熱脆、冷脆、時(shí)效硬化；降低焊縫強(qiáng)度和塑性，引起熱脆、冷脆、時(shí)效硬化； b. 引起焊接過(guò)程中的飛濺：引起焊接過(guò)程中的飛濺：O+C=CO c. 合金元素?zé)龘p，降低焊縫性能（氣孔）；合金元素?zé)龘p，降低焊縫性能（氣孔）； d. 某些情況氧化

23、是有益的，如氣割某些情況氧化是有益的，如氣割.控制氧的措施控制氧的措施 a. 純化焊材：純化焊材： 低氧焊材；惰性氣體保護(hù)焊接低氧焊材；惰性氣體保護(hù)焊接. b. 控制焊接工藝：控制焊接工藝： 電流適中，短弧焊電流適中，短弧焊. 以減小空氣影響以減小空氣影響. c. 脫氧：脫氧： 脫氧劑冶金脫氧脫氧劑冶金脫氧.第三節(jié)第三節(jié) 熔渣及其對(duì)金屬的作用熔渣及其對(duì)金屬的作用 一焊接熔渣一焊接熔渣1熔渣的作用及分類熔渣的作用及分類 作用作用: （必考） (1) 機(jī)械保護(hù)作用機(jī)械保護(hù)作用 (2) 改善焊接工藝性能改善焊接工藝性能 (3) 冶金處理作用（如脫氧脫硫、脫磷、去氫等）冶金處理作用（如脫氧脫硫、脫磷、

24、去氫等） 分類：分類：( (成分、性能）成分、性能） a. 鹽型熔渣：鹽型熔渣：主要由金屬氟酸鹽、氯酸鹽組成主要由金屬氟酸鹽、氯酸鹽組成. 氧化性很小氧化性很小. 用于焊接鋁、鈦、活性金屬及其合金用于焊接鋁、鈦、活性金屬及其合金. b. 鹽氧化物型熔渣：鹽氧化物型熔渣： 主要由氟化物和強(qiáng)金屬氧化物組成主要由氟化物和強(qiáng)金屬氧化物組成. 氧化性較小氧化性較小. 用于焊接合金鋼用于焊接合金鋼. J422, HJ431, HJ 250, HJ350等等. c. 氧化物型熔渣：氧化物型熔渣： 主要由金屬氧化物組成主要由金屬氧化物組成. 氧化性較強(qiáng)氧化性較強(qiáng). 用于焊接低碳鋼和低合金鋼用于焊接低碳鋼和低合

25、金鋼. J21，J24等等. 本課程主要討論后兩種熔渣主要討論后兩種熔渣2熔渣的結(jié)構(gòu)理論熔渣的結(jié)構(gòu)理論A.A. 分子結(jié)構(gòu)理論分子結(jié)構(gòu)理論 以凝固熔渣的相分析和化學(xué)成分分析為依據(jù)以凝固熔渣的相分析和化學(xué)成分分析為依據(jù)熔渣由酸性氧化物和堿性氧化物組成；熔渣由酸性氧化物和堿性氧化物組成；氧化物及其復(fù)合物處于平衡狀態(tài)；氧化物及其復(fù)合物處于平衡狀態(tài)； 22SiOCaOSiOCaO只有自由氧化物才能參與和金屬的反應(yīng)；只有自由氧化物才能參與和金屬的反應(yīng)； 反應(yīng)符合質(zhì)量守恒定律反應(yīng)符合質(zhì)量守恒定律. .（FeO）+ C = Fe + CO 復(fù)合氧化物復(fù)合氧化物 (FeO)2SiO2 中的中的 FeO 則不能則

26、不能B. B. 離子結(jié)構(gòu)理論離子結(jié)構(gòu)理論 目前，缺乏系統(tǒng)的熱力學(xué)資料目前，缺乏系統(tǒng)的熱力學(xué)資料（1）液態(tài)熔渣是由）液態(tài)熔渣是由正離子正離子和和負(fù)離子負(fù)離子組成的電中性溶液；組成的電中性溶液；（2）離子在熔渣中的分布、聚集和相互作用取決于它的）離子在熔渣中的分布、聚集和相互作用取決于它的綜綜 合矩（離子電荷合矩（離子電荷/離子半徑）離子半徑）. 離子的綜合矩越大，其靜電場(chǎng)越強(qiáng)，與異號(hào)離子的引力越大離子的綜合矩越大，其靜電場(chǎng)越強(qiáng)，與異號(hào)離子的引力越大（3）液體熔渣與金屬之間相互作用的過(guò)程，是）液體熔渣與金屬之間相互作用的過(guò)程，是原子與離子原子與離子 交換電荷的過(guò)程交換電荷的過(guò)程： Si4 + 2

27、Fe = 2 Fe2 + Si 表表8-3 8-3 正、負(fù)離子的綜合矩正、負(fù)離子的綜合矩離子離子離子半徑離子半徑/nm綜合矩綜合矩102（靜庫(kù)（靜庫(kù)/cm）離子離子離子半徑離子半徑/nm綜合矩綜合矩102（靜庫(kù)（靜庫(kù)/cm）K0.1333.61Ti40.06828.2Na0.0955.05Al30.05028.8Ca20.1069.0Si40.04147.0Mn20.09110.6F-0.1333.6Fe20.08311.6PO43-0.2765.2Mg20.07812.9S2-0.1745.6Mn30.07020.6SiO44-0.2796.9Fe30.06721.5O2-0.1327.3陽(yáng)

28、離子中陽(yáng)離子中Si4 的綜合矩最大，陰離子中的綜合矩最大，陰離子中O2-的綜合矩最大，的綜合矩最大，二者最易結(jié)合為復(fù)雜的硅氧陰離子二者最易結(jié)合為復(fù)雜的硅氧陰離子SiO44- . 3. 3. 熔渣的性質(zhì)熔渣的性質(zhì) (1) 熔渣的堿度熔渣的堿度 根據(jù)分子理論分子理論，定義為定義為： 酸性氧化物堿性氧化物MMB 理論上理論上: : B1時(shí)為堿性渣；時(shí)為堿性渣； B1.3 時(shí)為堿性渣；時(shí)為堿性渣； B 0為堿性渣；為堿性渣； B2離子鍵離子鍵(堿性氧化物）堿性氧化物）共價(jià)鍵（酸性共價(jià)鍵（酸性 氧化物）氧化物） 堿性熔渣鋪展性能較差堿性熔渣鋪展性能較差 隨隨溫度升高，熔渣的表面張力減小溫度升高，熔渣的表

29、面張力減小. . 熔渣的熔點(diǎn)應(yīng)略低于焊材或母材：熔渣的熔點(diǎn)應(yīng)略低于焊材或母材： 熔渣熔點(diǎn)過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)影響對(duì)液態(tài)金屬的保護(hù)效果和焊縫外觀成形熔渣熔點(diǎn)過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)影響對(duì)液態(tài)金屬的保護(hù)效果和焊縫外觀成形. 熔渣是一個(gè)多元體系，其液固轉(zhuǎn)變?cè)谝欢囟葏^(qū)間進(jìn)行熔渣是一個(gè)多元體系，其液固轉(zhuǎn)變?cè)谝欢囟葏^(qū)間進(jìn)行. 熔渣各組元的熔點(diǎn)較高，而以一定比例構(gòu)成復(fù)合渣時(shí)其凝固溫度大大降低熔渣各組元的熔點(diǎn)較高，而以一定比例構(gòu)成復(fù)合渣時(shí)其凝固溫度大大降低.（4 4）熔渣的熔點(diǎn)和密度）熔渣的熔點(diǎn)和密度 焊條藥皮和固態(tài)焊劑開(kāi)始熔化的溫度焊條藥皮和固態(tài)焊劑開(kāi)始熔化的溫度造渣溫度造渣溫度. 隨溫度升高，焊劑由固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)

30、，由絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體隨溫度升高，焊劑由固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，由絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體. 焊接碳鋼時(shí)，熔渣的熔點(diǎn)約為焊接碳鋼時(shí)，熔渣的熔點(diǎn)約為11501350. 密度是熔渣的基本性質(zhì)之一密度是熔渣的基本性質(zhì)之一. 它影響熔渣與液態(tài)金屬間的相對(duì)位置與相它影響熔渣與液態(tài)金屬間的相對(duì)位置與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度對(duì)運(yùn)動(dòng)速度. 密度大的熔渣易滯留于金屬內(nèi)部形成夾雜密度大的熔渣易滯留于金屬內(nèi)部形成夾雜. 選用焊材時(shí)，要保證熔渣具有合適的凝固溫度范圍和較低的密度選用焊材時(shí)，要保證熔渣具有合適的凝固溫度范圍和較低的密度 表表8-5幾種常見(jiàn)化合物的熔點(diǎn)和密度幾種常見(jiàn)化合物的熔點(diǎn)和密度化化 合合 物物FeOMnOSiO2TiO2Al2O3(

31、FeO)2SiO2MnOSiO2(MnO)2SiO2熔熔 點(diǎn)點(diǎn) / 13691580172318252050120512701326密度密度/(103kg/m3)5.805.112.264.073.954.303.604.10二活性熔渣對(duì)焊縫金屬的氧化二活性熔渣對(duì)焊縫金屬的氧化 1.1.擴(kuò)散氧化擴(kuò)散氧化 在一定溫度下達(dá)到平衡時(shí)，在一定溫度下達(dá)到平衡時(shí)，F(xiàn)eO在熔池和熔渣中的濃度符合分在熔池和熔渣中的濃度符合分 配定律：配定律： L為分配系數(shù)，為分配系數(shù)，L1 溫度溫度T （L）一定時(shí)，隨（）一定時(shí)，隨（FeO）升高，）升高，F(xiàn)eO亦升亦升高高. 渣中的氧可使焊縫金屬氧化渣中的氧可使焊縫金屬氧化

32、. . FeOFeOL L與與T和熔渣性質(zhì)有關(guān)和熔渣性質(zhì)有關(guān): 在在Si2O飽和的酸性渣中：飽和的酸性渣中： 在在CaO飽和的堿性渣中：飽和的堿性渣中： a. 隨隨T升高，升高，L降低降低:(FeO)FeO 擴(kuò)散氧化主要在熔滴和熔池高溫區(qū)進(jìn)行擴(kuò)散氧化主要在熔滴和熔池高溫區(qū)進(jìn)行. . b.b.同一溫度下，同一溫度下，L L酸酸 L L堿堿 即：在即：在(FeO)含量相同的條件下，含量相同的條件下，F(xiàn)eO堿堿FeO酸酸 堿性熔渣焊縫增氧量大于酸性熔渣形成的焊縫堿性熔渣焊縫增氧量大于酸性熔渣形成的焊縫. 結(jié)論：結(jié)論： 堿性焊條藥皮中一般不加入含堿性焊條藥皮中一般不加入含F(xiàn)eOFeO的物質(zhì)，而且在焊接

33、之前，的物質(zhì)，而且在焊接之前， 還需仔細(xì)清除焊絲及焊件表面的鐵銹、油污、氧化皮還需仔細(xì)清除焊絲及焊件表面的鐵銹、油污、氧化皮. .以防焊縫以防焊縫 增氧、產(chǎn)生氣孔增氧、產(chǎn)生氣孔. . 試用熔渣分子結(jié)構(gòu)理論予以解釋試用熔渣分子結(jié)構(gòu)理論予以解釋. 980.15014lg877.14906lgTLTL堿酸圖圖8-4 多元渣系中多元渣系中FeO的等活度曲線的等活度曲線 （1600） 2 2置換氧化置換氧化 渣中若存在較多易分解的氧化物，可與鐵反應(yīng)，使鐵氧化，元素被還原渣中若存在較多易分解的氧化物，可與鐵反應(yīng)，使鐵氧化，元素被還原. 例如：例如：H08A焊絲焊絲（0.08C、0.03%Si、0.02O)

34、 HJ431 (42%SiO2、33%MnO、37%CaF2) 埋弧焊埋弧焊，發(fā)生反應(yīng)：，發(fā)生反應(yīng)： 生成的生成的FeOFeO 大部分進(jìn)入熔渣（大部分進(jìn)入熔渣（FeOFeO ），少部分進(jìn)入鐵液），少部分進(jìn)入鐵液FeOFeO . 則與鐵液則與鐵液 相平衡的反應(yīng)平衡常數(shù)為：相平衡的反應(yīng)平衡常數(shù)為： 計(jì)算結(jié)果如表計(jì)算結(jié)果如表2-1 ，可見(jiàn)：可見(jiàn)： T=1770 k：K KSiSi OO2 2Si%Si% 1.21.21010-5-5 ，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)反應(yīng)處于平衡狀態(tài)； T1770 k：K KSiSi 1.21.21010-5-5 ，鐵發(fā)生氧化，硅被還原，鐵發(fā)生氧化，硅被還原， 隨隨T升高，升高，

35、K KSiSi 增大增大置換反應(yīng)主要發(fā)生于高溫區(qū)置換反應(yīng)主要發(fā)生于高溫區(qū)； T1770 k： K KSiSi 1.21.21010-5-5 ，反應(yīng)向左進(jìn)行，反應(yīng)向左進(jìn)行脫氧過(guò)程，同時(shí)增硅脫氧過(guò)程，同時(shí)增硅： FeOSiFeSiO22)(2 04.613460lg22TSiOSiFeOKSi FeSiOFeOSi2 同樣，同樣，還發(fā)生反應(yīng)還發(fā)生反應(yīng) ： 以及錳的脫氧反應(yīng)：以及錳的脫氧反應(yīng)： 結(jié)論：結(jié)論： 高溫氧化，低溫脫氧高溫氧化，低溫脫氧. 熔敷金屬增熔敷金屬增SiT/KT/KK KSiSi焊焊 絲絲OO2 2Si%Si%118311831.391.391010-5-51.21.21010-5

36、-5207320738.318.311010-4-4227322731.11.11010-2-2247324739.779.771010-2-2257325732.332.331010-1-1表表2-1 不同溫度下的不同溫度下的SiO2與與Fe反應(yīng)平衡常數(shù)反應(yīng)平衡常數(shù)FeOMnFeMnO)( FeMnOFeOMn三焊縫金屬的脫氧三焊縫金屬的脫氧 1.1.脫氧目的脫氧目的: : 降低焊縫金屬的含氧量降低焊縫金屬的含氧量防止氧化防止氧化, ,排出脫氧產(chǎn)物排出脫氧產(chǎn)物. . 2.2.選擇脫氧劑的原則選擇脫氧劑的原則: : (1) 在焊接溫度下在焊接溫度下,與氧的親和力大于被焊接金屬；與氧的親和力大于

37、被焊接金屬； (2) 脫氧的產(chǎn)物應(yīng)不溶于金屬液，其密度也應(yīng)小于液態(tài)金屬的密度；脫氧的產(chǎn)物應(yīng)不溶于金屬液，其密度也應(yīng)小于液態(tài)金屬的密度； (3) 保證焊縫成分、性能以及焊接工藝性能；考慮經(jīng)濟(jì)性保證焊縫成分、性能以及焊接工藝性能；考慮經(jīng)濟(jì)性. 3. 脫氧方式：脫氧方式： （1）擴(kuò)散脫氧）擴(kuò)散脫氧 （2）沉淀脫氧）沉淀脫氧（1）擴(kuò)散脫氧）擴(kuò)散脫氧 當(dāng)溫度下降時(shí)，當(dāng)溫度下降時(shí)，F(xiàn)eO的分配系數(shù)的分配系數(shù)L增大增大, 發(fā)生擴(kuò)散過(guò)程發(fā)生擴(kuò)散過(guò)程: FeO(FeO) 擴(kuò)散脫氧的關(guān)鍵擴(kuò)散脫氧的關(guān)鍵： 降低降低渣中渣中（FeO）的活度）的活度 酸性渣中酸性渣中： SiO2和和TiO2與與FeO生成復(fù)合物生成復(fù)合

38、物FeOSiO2和和FeOTiO2. FeO的活度減少，有利于擴(kuò)散脫氧的活度減少，有利于擴(kuò)散脫氧. 堿性渣中：堿性渣中： FeO的活度大，擴(kuò)散脫氧的能力比酸性渣差的活度大，擴(kuò)散脫氧的能力比酸性渣差. 熔渣中的脫氧劑可降低熔渣中的脫氧劑可降低FeO的活度，加強(qiáng)擴(kuò)散脫氧的活度，加強(qiáng)擴(kuò)散脫氧. （2）沉淀脫氧）沉淀脫氧 脫氧劑脫氧，在熔池內(nèi)進(jìn)行脫氧劑脫氧，在熔池內(nèi)進(jìn)行. A.A.錳的脫氧錳的脫氧 增加增加 Mn，或減少脫氧產(chǎn)物（，或減少脫氧產(chǎn)物（MnO)都有利于脫氧都有利于脫氧. 酸性渣中：酸性渣中：采用采用Mn-Fe單獨(dú)作脫氧劑單獨(dú)作脫氧劑 堿性渣中：堿性渣中：不用不用Mn單獨(dú)脫氧單獨(dú)脫氧 原因：

39、原因： a. 酸性渣中含有較多的酸性渣中含有較多的SiO2和和TiO2，易與脫氧產(chǎn)物，易與脫氧產(chǎn)物(MnO）生成）生成 復(fù)合物（復(fù)合物（MnOSiO2 )和（和（MnO TiO2 ) ，使，使MnO減小，減小， 脫氧效果較好；脫氧效果較好； b. 堿性渣中的（堿性渣中的（CaO)多，（多，（MnO)活度大，脫氧產(chǎn)物不易排出，活度大，脫氧產(chǎn)物不易排出， 脫氧效果不好脫氧效果不好. )(MnOFeFeOMn B. 硅的脫氧硅的脫氧 Si +2 FeO2 Fe+ (SiO2 ) 提高熔提高熔Si含量和渣堿度含量和渣堿度B，均可提高熔渣脫氧效果，均可提高熔渣脫氧效果. 一般不單獨(dú)用硅脫氧一般不單獨(dú)用硅

40、脫氧 原因：原因：硅的脫氧能力比錳大，但生成的硅的脫氧能力比錳大，但生成的SiO2熔點(diǎn)高，通常處于固態(tài)，熔點(diǎn)高，通常處于固態(tài)， 不易聚合為大的質(zhì)點(diǎn)；不易聚合為大的質(zhì)點(diǎn)； SiO2與鋼液的界面張力小，潤(rùn)濕性好，與鋼液的界面張力小，潤(rùn)濕性好，SiO2不易從鋼液中分離，不易從鋼液中分離， 易形成夾雜易形成夾雜. C.C.硅錳聯(lián)合脫氧硅錳聯(lián)合脫氧 硅的脫氧產(chǎn)物與錳的硅的脫氧產(chǎn)物與錳的脫氧產(chǎn)物脫氧產(chǎn)物可可形成硅酸鹽，其密度小而熔點(diǎn)低，形成硅酸鹽，其密度小而熔點(diǎn)低， 在鋼液中處于液態(tài)。容易聚合為大的質(zhì)點(diǎn)而浮到渣中，減少焊縫中的在鋼液中處于液態(tài)。容易聚合為大的質(zhì)點(diǎn)而浮到渣中，減少焊縫中的 夾雜物，降低焊縫中

41、的含氧量夾雜物，降低焊縫中的含氧量. 生產(chǎn)中常用硅錳聯(lián)合脫氧，生產(chǎn)中常用硅錳聯(lián)合脫氧，脫氧脫氧效果好效果好J422、HJ431與與H08A埋弧焊、埋弧焊、H08Mn2SiA焊絲焊絲CO2氣氣電焊均為硅錳聯(lián)合脫氧的典型例子電焊均為硅錳聯(lián)合脫氧的典型例子. . 圖圖2-6 四四. .焊縫中硫、磷的控制焊縫中硫、磷的控制(一一) 焊縫中硫的控制焊縫中硫的控制 來(lái)源來(lái)源： (1) 焊材：焊材：a. 焊絲過(guò)渡率為焊絲過(guò)渡率為 70%80% 焊絲低碳鋼焊絲低碳鋼H08A：S、P0.030.04% 低合金鋼低合金鋼H08MnSiA：S、P0.0250.03% 高合金鋼高合金鋼0Cr18Ni9Ti：S、P0.

42、02% b. 藥皮、焊劑渡率為藥皮、焊劑渡率為50 （P、S0.10.5%） (2) 母材：母材：過(guò)渡率為過(guò)渡率為100 A3鋼鋼 S0.055%,P0.045%； 20鋼鋼 P、 S0.040% 危害：危害：硫以硫以FeS、NiS 形式在焊縫中形成低熔點(diǎn)共晶，增加了焊形式在焊縫中形成低熔點(diǎn)共晶，增加了焊縫金屬產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向，降低金屬的沖擊韌性和腐蝕性縫金屬產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向，降低金屬的沖擊韌性和腐蝕性. Fe+FeS 共晶，共晶，Te=985; FeS+FeO 共晶，共晶，Te=940 NiS+Ni 共晶，共晶，Te=644 控制措施：控制措施： (1) 控制焊材中的含硫量：控制焊材中的

43、含硫量： 低硫焊絲，烘焙焊劑低硫焊絲，烘焙焊劑 (2) 用冶金方法脫硫：用冶金方法脫硫： a. 用錳脫硫，生成用錳脫硫，生成MnS b. 用堿性熔渣脫硫，生成用堿性熔渣脫硫，生成MgS、CaS c. 用稀土元素脫硫，生成用稀土元素脫硫，生成LaS、CeS1.補(bǔ)償焊接過(guò)程中合金元素的氧化和蒸發(fā)損失；補(bǔ)償焊接過(guò)程中合金元素的氧化和蒸發(fā)損失；2.2.改善焊縫金屬的組織和性能（冶金處理，細(xì)化晶粒）；改善焊縫金屬的組織和性能（冶金處理，細(xì)化晶粒）；3.3.獲得特殊的性能及堆焊層獲得特殊的性能及堆焊層. .第四節(jié)第四節(jié) 合金過(guò)渡合金過(guò)渡一一. 合金過(guò)渡合金過(guò)渡焊縫金屬合金化焊縫金屬合金化 把所需要的合金元

44、素通過(guò)焊接材料過(guò)渡到焊縫金屬中去的過(guò)程把所需要的合金元素通過(guò)焊接材料過(guò)渡到焊縫金屬中去的過(guò)程.二二. 合金過(guò)渡的目的合金過(guò)渡的目的 （必考）（必考）三三. .合金化途徑：合金化途徑： 焊接方法不同，合金化方式不同，可單獨(dú)使用，也可復(fù)合使用焊接方法不同，合金化方式不同，可單獨(dú)使用，也可復(fù)合使用. . 常用方式：常用方式： 合金焊絲和帶極；合金焊絲和帶極； 藥芯焊絲或藥芯焊條；藥芯焊絲或藥芯焊條； 藥皮和焊劑；藥皮和焊劑； 焊接粉末焊接粉末. .四四. .合金過(guò)渡系數(shù)：合金過(guò)渡系數(shù)：cobcwdedCKCCCC式中式中 Cd合金元素在熔敷金屬中含量；合金元素在熔敷金屬中含量；C Ce e合金元素的原始含量；合金元素的原始含量； CCO合金元素在藥皮中的含量；合金元素在藥皮中的含量； CCW合金元素在焊芯中的含量。合金元素在焊芯中的含量。熔敷金屬中的實(shí)際含量與原始含量之比，即熔敷金屬中的實(shí)際含量與原始含量之比，即返回