焊接化學(xué)冶金

1、 焊接冶金學(xué)基礎(chǔ)1 、焊接化學(xué)冶金焊接化學(xué)冶金：焊接區(qū)內(nèi)各種物質(zhì)之間在高溫下相互作用的過程。焊接化學(xué)冶金的特殊性焊接區(qū)內(nèi)的氣體和焊接熔渣焊接區(qū)內(nèi)金屬、氣體與熔渣的相互作用焊縫金屬的合金化及其成分控制1）、焊接區(qū)金屬的保護保護目的 減少和防止空氣（氧、氮）進入焊接區(qū)，避免合金元素?zé)龘p，降低焊縫的性能。保護方法真空：電子束焊氣體：TIG焊, CO2, MIG熔渣：埋弧焊氣-渣：手工焊、自保護藥芯焊焊接材料熔敷金屬成分性能變化低碳鋼焊材熔敷金屬成分及性能變化2）、焊接冶金反應(yīng)區(qū)及其反應(yīng)條件（1）藥皮反應(yīng)區(qū) 溫度：100-1200 （鋼材）反應(yīng)：水分的蒸發(fā)、某些物質(zhì)的分解和鐵合金的氧化手工電弧焊（2）

2、熔滴反應(yīng)區(qū)3）、焊接冶金反應(yīng)區(qū)及其反應(yīng)條件（1）熔滴反應(yīng)區(qū)熔滴平均溫度：1800-2400 熔滴金屬與氣體和熔渣的接觸面積：比面積：1000-10000cm2/kg,比煉鋼時大1000倍各相之間的反應(yīng)時間（接觸時間）：0.01-0.1s反應(yīng)：氣體的分解和溶解、金屬的蒸發(fā)、金屬及其合金成分的氧化與還原以及焊縫金屬的合金化。特點：反應(yīng)激烈、反應(yīng)物含量離平衡濃度較遠。 （2）熔池反應(yīng)區(qū)熔滴和熔渣同熔化的母材混合形成熔池溫度：1600-1900 比表面積：1300 cm2/kg反應(yīng)時間：3-8S（SMAW）特點：熔池金屬有規(guī)律的對流和攪拌運動，冶金反應(yīng)比較激烈、熔池溫度不均勻、同一反應(yīng)在不同區(qū)域可能向

3、相反方向進行。焊接熔池與熔滴的平均溫度焊接熔池的物理參數(shù)3）、焊接冶金反應(yīng)分析溫度變化范圍大；停留時間短；基本排除了整個系統(tǒng)達到熱力學(xué)平衡的可能性；不同條件下焊接冶金反應(yīng)離平衡的遠近程度不同；利用熱力學(xué)原理定性分析冶金反應(yīng)的進行方向和影響因素；焊接區(qū)內(nèi)氣體和焊接熔渣1、焊接區(qū)內(nèi)氣體的來源和氣相成分氣體的來源焊接材料、保護氣體焊材表面和母材坡口附近的吸附水、油、銹及氧化鐵皮等物質(zhì)的蒸發(fā)100 ：吸附水蒸發(fā)400-600 ：焊條藥皮中的組分如白泥和云母中的結(jié)晶水被排除。電弧高溫：金屬元素和熔渣中的各種成分發(fā)生蒸發(fā)，如Fe, Mn及氟化物等有機物的分解和燃燒碳酸鹽和高價氧化物的分解有機物的分解和燃燒

4、有機物種類：淀粉、纖維素和藻酸鹽作用：酸性焊條造氣劑和增塑劑分解：220 -320 分解50%；800 完全分解。分解產(chǎn)物：CO2,CO,H2碳酸鹽和高價氧化物的分解碳酸鹽：CaCO3、MgCO3、CaMg(CO3) 2作用：焊條造氣劑分解： CaCO3 分解溫度為545 ，劇烈分解溫度為910 ；MgCO3 分解溫度為325 ，劇烈分解溫度為650 。分解產(chǎn)物：CO2,CO,H2高價氧化物：Fe2O3和MnO2O2和低價氧化物FeO和MnO2.1.2 焊接區(qū)內(nèi)氣體和焊接熔渣1、焊接區(qū)內(nèi)氣體的來源和氣相成分氣體的高溫分解簡單氣體的分解：N2、H2、O2和F2復(fù)雜氣體的分解：CO2和H2O雙原子

5、氣體的分解度與溫度的關(guān)系CO2分解時氣相的平衡成分與溫度的關(guān)系2.1.2 焊接區(qū)內(nèi)氣體和焊接熔渣1、焊接區(qū)內(nèi)氣體的來源和氣相成分CO2分解時氣相的平衡成分與溫度的關(guān)系2.1.2 焊接區(qū)內(nèi)氣體和焊接熔渣1、焊接區(qū)內(nèi)氣體的來源和氣相成分氣相的成分焊接區(qū)經(jīng)常同時存在多種氣體，之間存在復(fù)雜的反應(yīng)。典型的反應(yīng)：OHCOHCO222焊接方法焊條/焊劑COCO2H2H2ON2SMAW鈦鈣型50.75.937.75.7SMAW纖維素型42.32.941.212.6SMAW低氫型79.816.91.81.5SAW33086.29.34.5SAW43189-937-91.32.1.2 焊接區(qū)內(nèi)氣體和焊接熔渣2、焊

6、接熔渣的類型及理化性質(zhì)（2）焊接熔渣的理化性質(zhì) 2）熔渣的氧化性 熔渣的氧化性取決于熔渣中的氧化物，F(xiàn)eO是熔渣的重要氧化源。通常用FeO的活度來代表熔渣氧化能力的強弱。 3）熔渣的熔點 一般比焊縫熔點低200-450 焊接熔渣的熔點過高，將使其與液態(tài)金屬間的反應(yīng)不充分，易形成夾渣。 熔點過低，使熔渣的覆蓋性能變差，焊縫表面粗糙不平。2.1.2 焊接區(qū)內(nèi)氣體和焊接熔渣2、焊接熔渣的類型及理化性質(zhì)4）熔渣的粘度 (熔渣內(nèi)部相對運動時各層之間的內(nèi)摩擦力) 主要影響對金屬的保護效果、焊縫成形、熔池中氣體的外逸等； 溫度下降、粘度下降； 酸性氧化物（SiO2）使粘度增加；2.1.3 焊接區(qū)內(nèi)金屬、氣體

7、與熔渣的相互作用1、焊接冶金過程中的氧化還原反應(yīng)1） 氧對焊接質(zhì)量的影響焊縫金屬強度、塑性、韌性下降；引起金屬紅脆、冷脆和時效硬化；2）氧化還原反應(yīng)判據(jù))(2TfPo222OMenmOMennm 氧化物分解壓氧化物分解達到平衡時氧的平衡分壓，稱為氧化物的分解壓。反應(yīng)系統(tǒng)中氧的分壓2oP2.1.3 焊接區(qū)內(nèi)金屬、氣體與熔渣的相互作用1、焊接冶金過程中的氧化還原反應(yīng)3）氧化氣體對金屬的氧化自由氧CO2H2O 時，反應(yīng)向右進行；22ooPP 時，反應(yīng)向左進行；22ooPPFeOOFe22/ 12FeOCOFeCO22HFeOFeOH2.1.3 焊接區(qū)內(nèi)金屬、氣體與熔渣的相互作用焊接冶金過程中的氧化還

8、原反應(yīng)4）熔渣對金屬的氧化擴散氧化焊接鋼時，F(xiàn)eO既溶于熔渣又溶于液態(tài)鋼。在兩相中的含量符合分配定律:L=w(FeO)/wFeO；溫度不變時，增加熔渣中FeO的含量，F(xiàn)eO將向熔池金屬中擴散。置換氧化當熔渣中含有較多的易分解氧化物，則與液態(tài)鐵發(fā)生置換反應(yīng)，使鐵氧化，氧化物中的合金元素被還原。（SiO2)+2Fe=Si+2FeO 2FeO=FeO+(FeO)2.1.3 焊接區(qū)內(nèi)金屬、氣體與熔渣的相互作用焊接冶金過程中的氧化還原反應(yīng)脫氧物不應(yīng)溶于液態(tài)金屬而應(yīng)溶于熔渣，且熔點低、密度小，上浮至熔渣中，以減少夾雜物的數(shù)量。Mn、Si、Ti和Al常用于脫氧劑。5）金屬的還原反應(yīng)（脫氧反應(yīng)）各種脫氧元素在

9、焊接中被氧化，以降低焊接區(qū)的氧化性，使被焊金屬及有益合金元素免受氧化；或使被氧化的金屬從它們的氧化物中還原出來的反應(yīng)。脫氧劑應(yīng)在焊接溫度下比被焊金屬對氧具有更強的親和力。1800 時，各種元素對氧親和力從小到大的次序排列為：Ni、Cu、W、Mo、Fe、Cr、Nb、Mn、V、Si、B、Ti、Mg、C、Al、Ce。氫在焊接冶金中的行為及其控制氫對金屬的影響氫脆氣孔裂紋控制氫的措施限制焊接材料及母材中的含氫量冶金處理：通過調(diào)整焊接材料的成分，使氫在焊接過程中，生成比較穩(wěn)定的、不溶于液態(tài)金屬的氫化物，如HF。焊后脫氫處理：消氫處理。（焊縫中氮、硫及磷同樣需要控制）2.1.4焊縫金屬的合金化一、合金化方

10、式 合金化（滲合金）：將所需的合金元素由焊接材料通過焊接冶金過渡到焊縫金屬的反應(yīng)。3、通過藥皮、藥芯和焊劑中的合金元素氧化物與Fe置換反應(yīng)，還原合金元素。2、將粉末狀態(tài)的合金加入藥皮、焊劑中通過焊接過程過渡到焊縫金屬中去。1、應(yīng)用含所需合金元素的焊絲、帶（板）極、焊條芯或藥芯焊絲將合金元素過渡到焊縫或堆焊層中。2.1.4焊縫金屬的合金化一、合金化方式 藥藥 芯芯 焊焊 絲絲Flux cored wires藥芯焊絲藥芯焊絲4焊縫金屬的合金化二、合金元素的過渡系數(shù)I Ident.- No. Base Metal Weld preparation Welding process Type of fl

11、uxcored wire Amperage A Voltage V Welding speed cm/min Heat input kJ / cm 1 A 1. Head SDA S2 2. Head TC 735 B-2D 750 G+ 700 32 36 100 29,5 2 D 36 TC 735 B-1D 850 G+ 32 40 39,8 3 A 1.Head SDA S2 2.Head TC 735 B-2D 950 G+ 900 34 36 90 43,1 3 3 3 back up fluxpowder 10 15 15 copper rail ceramic back up

12、ceramic back up steel tracks 二、合金元素的過渡系數(shù)IIdent.-No.Macro photographDepositionrate kg / h CSiMnPSImpact ISO-V J 0 - 20C120,50,1170,161,060,0160,011 94 66 82 85n.b.213,50,1040,301,390,0140,008 1541 58 160 169 141 136 135 131328,50,1070,161,290,0150,006 139 155 150 157 140 140 147 159二、合金元素的過渡系數(shù)過渡系數(shù)：某元

13、素在熔敷金屬中的實際含量與它在焊接材料中的原始含量之比。影響因素合金元素的物理化學(xué)性質(zhì)合金元素的含量合金劑的粒度藥皮、藥芯或焊劑的氧化勢（放氧量）三、焊縫金屬化學(xué)成分的計算熔合比：焊縫金屬中熔化的母材所占的比例。dbbAAA熔合比概念示意圖）元素的實際質(zhì)量分數(shù)（焊接材料熔敷金屬中該）；分數(shù)（該元素在母材中的質(zhì)量式中：%)(%)()()1 ()()(dbdbwMwMwMwMwMw合金元素的實際含量：4焊縫金屬的合金化四、焊縫金屬化學(xué)成分的控制焊縫金屬化學(xué)成分的控制改變?nèi)酆媳热墼行ё饔孟禂?shù)焊縫金屬成分的預(yù)測數(shù)學(xué)模型計算機1焊接熔池凝固過程的特點焊接熔池凝固過程與鑄造凝固過程的差別焊接熔池體積小，

14、冷卻速度高；平均100 /s，約為鑄造的104。焊接熔池的液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài)熔池邊界的溫度梯度比鑄造時高103 104倍。熔池在運動狀態(tài)下結(jié)晶結(jié)晶前沿隨熱源同步運動液態(tài)金屬受到力的攪拌運動熔池金屬存在對流運動1焊接熔池凝固過程的特點焊接熔池凝固過程的特點外延結(jié)晶從熔池邊界半熔化的母材開始生長非均質(zhì)形核柱狀晶形式外延結(jié)晶示意圖1焊接熔池凝固過程的特點焊接熔池凝固過程的特點擇優(yōu)生長每一種晶體點陣都存在一個最優(yōu)結(jié)晶取向, 對于立方點陣的金屬（Fe, Ni, Cu, Al），最優(yōu)結(jié)晶取向為。溫度梯度大的方向，也是晶粒易于生長的方向。與焊接熔池邊界垂直的方向溫度梯度G最大。當母材晶粒取向與導(dǎo)熱最快的方

15、向一致時，即垂直熔池邊界時，晶粒生長最快而優(yōu)先長大。焊縫金屬柱狀晶的擇優(yōu)生長2焊縫金屬的結(jié)晶形態(tài)熔池中不同部位溫度梯度和結(jié)晶速度不同，成分過冷的分布不同，焊縫各部位出現(xiàn)不同的結(jié)晶形態(tài)：平面晶、胞狀晶、樹枝狀晶、等軸晶。焊縫中結(jié)晶形態(tài)的變化低合金鋼焊縫的組織形態(tài)分類3焊縫金屬的顯微組織與性能（低合金鋼）2.2.3焊縫金屬的顯微組織與性能（低合金鋼為例）鐵素體先共析鐵素體溫度：770-680 ；位置：沿奧氏體晶界形態(tài)：長條形或多邊形塊狀性能特點：使韌性下降側(cè)板條鐵素體溫度：700-550 位置：從晶界鐵素體側(cè)面生長形狀：板條狀性能特點：使韌性下降2.2.3焊縫金屬的顯微組織與性能鐵素體針狀鐵素體溫

16、度：500 ；位置：在奧氏體晶粒內(nèi)部形態(tài)：針狀條件：中等冷卻速度性能特點：韌性好細晶鐵素體溫度：500 以下位置：在奧氏體晶粒內(nèi)部形狀：細晶狀條件：存在細化晶粒的元素（Ti，B等）性能特點：韌性好.3焊縫金屬的顯微組織與性能珠光體接近平衡下的組織，焊接條件下很少產(chǎn)生。貝氏體上貝氏體溫度：550-450 ；位置：沿奧氏體晶界析出形態(tài)：平行的條狀鐵素體之間分布有滲碳體性能特點：韌性較差下貝氏體溫度：450 -Ms形態(tài)：針狀鐵素體和針狀滲碳體的機械混合物性能特點：強度和韌性都較好3焊縫金屬的顯微組織與性能馬氏體板條馬氏體低碳低合金鋼奧氏體內(nèi)部細條狀綜合性能指標在馬氏體中最好片狀馬氏體焊縫中含碳量大于

17、0.4%粗大，經(jīng)常貫穿奧氏體晶粒內(nèi)部硬度高而脆M-A組元富碳馬氏體和殘余奧氏體硬度高焊縫金屬連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖焊縫金屬連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖合金元素和含氧量對焊接CCT圖的影響不同含氧量的Si-Mn系焊縫金屬CCT圖 1、優(yōu)化合金成分1）嚴格限制有害的雜質(zhì)元素：S、P、N、O和H；2）通過合金元素來提高焊縫韌性促使高熔點第二相質(zhì)點的析出，通過定扎作用阻止奧氏體晶粒長大；降低奧氏體分解溫度，減少邊界鐵素體的形成；在奧氏體內(nèi)形成鐵素體形核核心，促使奧氏體在500-550溫度區(qū)間分解得到針狀鐵素體，防止在奧氏體晶界形成側(cè)板條鐵素體；防止M-A組元的形成；防止或減少低溫產(chǎn)物馬氏體、上貝氏體的形成； 3）配置多種微量合金元素，則可能在大幅度地提高焊縫金屬的強度的同時提高韌性和抗裂性Mn和Si最為常用的強化焊縫的元素例如，對于低合金鋼（C:0.10-0.13%）埋弧焊時，Mn、Si分別處于0.8-1.0%和0.1-0.25%時，可以得到細晶鐵素體和針狀鐵素體，具有較好的韌性Mn和Si對低合金鋼焊縫韌性的影響 在Mn-Si系基礎(chǔ)上復(fù)合添加Ti和BB在高溫下易向奧氏體晶界擴散，在晶界沉淀聚集而降低晶界擴散，使晶界奧氏體的穩(wěn)定性增大，抑制了PF和FSP的形核與生長，從而使轉(zhuǎn)變開始溫度向低溫方向移動。Ti與氧的親和力很大，焊縫中的Ti以微小顆粒可以作為“釘子”位于晶粒邊界，阻礙奧氏體晶粒的長大。