焊接冶金原理03焊接化學(xué)冶金4課件

1、第3章 焊接化學(xué)冶金3.1 焊接化學(xué)冶金系統(tǒng)及其特點3.2 氣體與金屬的冶金反應(yīng)3.3 熔渣與金屬的冶金反應(yīng)3.4 典型焊接方法的化學(xué)冶金3.3.4熔渣的滲氫與脫氫反應(yīng)1、熔渣的滲氫反應(yīng) 氫的氧化物（H2O）能夠溶解到焊接熔渣中，與其他金屬氧化物（TiO2、CaO等）一起成為焊接熔渣。對于含有自由氧離子的酸性渣或堿性渣，水蒸氣的溶解反應(yīng)為：H2O + (O2-) = 2(OH-) 對于不含自由氧離子的熔渣，水蒸汽的溶解反應(yīng)為：H2O + (SiO42-) = 2(OH-) + (SiO32-) 除了通過氣相溶解之外，與熔渣的滲氫反應(yīng)也是過渡氫元素的重要途徑。1）熔渣中的氫隨堿度增加熔渣中的水蒸

2、氣溶解度顯著增大；1600時CaO-Al2O3-SiO2熔渣體系中的水蒸氣溶解度與熔渣堿度的關(guān)系2）熔渣的滲氫反應(yīng) 含有(OH-)離子的熔渣在與液體金屬接觸時，界面處將可能發(fā)生如下冶金反應(yīng)：2(OH-)+ (Fe2+) = H 十 Fe + 2O2(OH-)+ Fe = 2H 十 2(Fe2+) + 2(O2-) 2(OH-) = H 十 O + (O2-) 氫從熔渣中轉(zhuǎn)移到液體金屬中，即發(fā)生了熔渣的滲氫過程。從上述滲氫反應(yīng)的方程式還可以看出，反應(yīng)產(chǎn)物中含有氧原子或自由氧離子，說明了熔渣在向液體金屬滲氫的同時，也向液體金屬過渡了氧。提高焊接氣氛的氧化性可以降低液體金屬中的氫含量（如CO2焊）；

3、增加焊接熔渣的氧化性（如添加Fe2O3）可以抑制熔渣滲氫反應(yīng)的進(jìn)行，減少液體金屬中的含氫量；增加脫氧劑（如Fe-Ti合金）的數(shù)量將促進(jìn)熔渣滲氫反應(yīng)，增加焊縫金屬含氫量2、熔渣的脫氫反應(yīng)熔渣的脫氫反應(yīng)與熔渣的滲氫反應(yīng)是一對逆反應(yīng)，抑制熔渣滲氫反應(yīng)的一切措施都可以促進(jìn)熔渣的脫氫反應(yīng)。渣保護(hù)電弧焊的降氫措施主要是在焊條藥皮或焊劑中加入氟化物。熔渣內(nèi)部脫氫反應(yīng)(OH-) + (F-) = (O2-) + HF 反應(yīng)的結(jié)果是將高活性的OH轉(zhuǎn)化成了化學(xué)穩(wěn)定、且不溶解于液體金屬的HF氣體，降低了熔渣中的OH-濃度（活度）。按照焊接熔渣的離子結(jié)構(gòu)理論模型，CaF2在熔渣以氟離子（F-）存在，水在熔渣中以氧氫離

4、子（OH-）存在，兩者在熔渣內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)： 熔渣中的CaF2還可以與焊接氣相中氫（水蒸氣）發(fā)生冶金反應(yīng)，將不穩(wěn)定的氧化氫轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的HF。在SiO2含量高的酸性渣中，CaF2的脫氫反應(yīng)為：2CaF2 + 3SiO2 = 2CaSiO3 + SiF4 SiF4 + 2H2O = SiO2 + 4HF 而在低氫型堿性熔渣中，CaF2的脫氫反應(yīng)為：CaF2 + H2O = CaO + 2HF 熔渣與氣氛的脫氫反應(yīng)3.3.5 熔渣的脫硫和脫磷反應(yīng)1、熔渣的脫硫硫的危害1）硫化物可以與基體金屬形成低熔點的共晶組織，增加熱裂紋敏感性。2）少量硫化物即能顯著降低焊縫金屬韌性，增大冷裂紋的敏感性。硫的來源1

5、）被焊金屬和焊絲等金屬制品中硫的含量通常很低；2）主要來源于焊接材料中的焊劑和焊條藥皮等；3）硫由熔渣而進(jìn)入液體金屬。脫硫反應(yīng)與脫氧反應(yīng)的機(jī)理相同，即利用與硫親和力大的合金元素與硫結(jié)合生成穩(wěn)定的硫化物，并使硫化物與液體金屬分離而進(jìn)入熔渣。由于硫、氧兩種元素的化學(xué)性質(zhì)相似，與氧親和性大的合金元素通常與硫的親和力也大，因此脫氧劑也可以用于脫硫，鋼鐵材料焊接時最常用的脫硫劑是錳鐵及稀土合金。Mn+FeS=(MnS)+Fe(MnO)FeS(MnS)(FeO) (CaO)FeS(CaS)(FeO) 脫硫反應(yīng)1、熔渣的脫磷磷的危害降低鋼的沖擊韌性，一般應(yīng)將其含量控制在0.12%以下;Fe3P也可以與鐵、鎳

6、金屬等形成低熔點共晶，增大焊縫金屬的熱裂紋傾向。磷的來源1)焊劑和焊條藥皮中的礦石類物質(zhì)（如錳礦）是焊縫金屬磷的主要來源，磷通過熔渣過渡到液體金屬中。與脫氧、脫硫的產(chǎn)物不同、鋼鐵材料中的脫磷產(chǎn)物不是金屬磷化物，而是磷酸鹽，即氧化磷與金屬氧化物的復(fù)合物。因此，脫磷反應(yīng)可以視作兩步：用FeO將磷氧化生成氧化磷，用強(qiáng)堿性氧化物（CaO）與氧化磷生成穩(wěn)定的復(fù)合化合物（磷酸鹽）。2Fe3P+3(FeO)=（P2O3）+9Fe (P2O3)+3(CaO)=（(CaO)3 P2O3） 酸性渣含有較多的FeO，有利于磷的氧化，但堿性氧化物少，不利生成穩(wěn)定的磷酸鹽；堿性渣的抗氧化能力弱，不允許含有較多的FeO，

7、否者會使焊縫嚴(yán)重增氧。因此，依靠提高熔渣堿度來增加脫磷的效果有限。脫磷反應(yīng)3.3.6 焊縫金屬的合金化合金化就是把所需要的合金元素通過焊接材料過渡到熔敷金屬中去的過程。合金化的目的1)補(bǔ)充焊接過程中由于蒸發(fā)、氧化等原因造成的合金元素?fù)p失；2)消除焊接缺陷，改善焊縫金屬的組織和性能；3)獲得特殊性能的堆焊層。合金化的方式1）應(yīng)用合金焊絲或帶極；2）應(yīng)用藥芯焊絲或藥芯焊條；3）應(yīng)用合金藥皮；4）應(yīng)用合金粉末；5）熔渣還原反應(yīng)：合金元素過渡系數(shù)及其影響因素合金過渡系數(shù)定義為熔敷金屬中合金元素的含量與其在焊接材料中初始含量的比值，= Cd/Ce 式中， 合金元素過渡系數(shù)，%； Cd熔敷金屬中的合金元素

8、含量，%； Ce焊接材料中合金元素的含量，%。過渡系數(shù)的影響因素1）合金元素的物化性質(zhì)；2）焊接方法；3）其他方式，如合金元素含量、合金劑顆粒尺寸和電弧極性等。3. 4 典型焊接方法的化學(xué)冶金3.4.1 焊接材料1、焊條 焊芯，其作用為導(dǎo)電和填充金屬，其典型成分為含碳量0.8%（wt.）的優(yōu)質(zhì)或高級優(yōu)質(zhì)鋼（H08、H08A）。 藥皮，主要組成包括碳酸鹽、金紅石、螢石、鐵礦石、錳鐵、硅鐵以及纖維素和水玻璃等。在焊接過程中這些物質(zhì)發(fā)生分解產(chǎn)生氣體和熔渣。 焊條是一種專門用于焊條電弧焊（亦稱“手工電弧焊”）的焊接材料，由一定長度的金屬絲外表涂上特殊涂層制成，其中的金屬絲通常稱為焊芯，外部的特殊涂層稱

9、為焊條藥皮，簡稱藥皮。焊條的分類按照熔渣的堿度：酸性焊條堿性焊條按照熔敷金屬和用途：結(jié)構(gòu)鋼焊條耐熱鋼焊條不銹鋼焊條鑄鐵焊條鎳及鎳合金焊條銅及銅合金焊條鋁及鋁合金焊條堆焊焊條等焊條型號例如E4303是鈦鈣型渣系焊條，可用交直流焊接，焊縫抗拉強(qiáng)度不低于420MPa；E5015是低氫型焊條，采用直流焊接，焊縫最小抗拉強(qiáng)度不低于500MPa。焊條型號的含義序號焊條類別型號類別代號國家標(biāo)準(zhǔn)國際標(biāo)準(zhǔn)1碳鋼焊條EGB/T51171995AWS A5.12低合金鋼焊條EGB/T51181995AWS A5.53不銹鋼焊條EGB/T9831995AWS A5.44堆焊焊條EDGB/T9842001AWS A5.

10、135鑄鐵焊條EZGB/T100442006AWS A5.156銅及銅合金焊條ECuGB/T36701995AWS A5.67鋁及鋁合金焊條EAlGB/T36692001AWS A5.38鎳基鎳合金焊條ENiGB/T138142008AWS A5.11(ISO 14172:2003)焊條型號和牌號代號對照表2、焊絲 焊絲是用作焊接填充材料的金屬絲，是埋弧焊、氣體保護(hù)電弧焊（包括熔化極和非熔化極）、電渣焊等焊接方法中廣泛應(yīng)用的焊接材料。在埋弧焊、熔化極氣體保護(hù)電弧焊、電渣焊等焊接方法中，焊絲還有導(dǎo)電的作用。1）按適用的被焊材料分類 可分為碳鋼焊絲、合金鋼焊絲、不銹鋼焊絲、鑄鐵焊絲、硬質(zhì)合金焊絲、

11、鋁及鋁合金焊絲、銅及銅合金焊絲和鎳基鎳合金焊絲等。2）按焊絲的形狀/結(jié)構(gòu)分類 可分為實芯焊絲和藥芯焊絲等，其中，實心焊絲又可分為氣體保護(hù)電弧焊焊絲和埋弧焊焊絲等。實芯焊絲實芯焊絲由熱軋線材經(jīng)拉拔加工而成，為防止生銹，一般焊絲表面還需進(jìn)行鍍銅處理。焊絲名稱碳鋼焊絲合金鋼焊絲鑄鐵焊絲鋁及鋁合金焊絲鎳基鎳合金焊絲型號類別代號ERERRZSAlERNi牌號類別代號HHHSHSHS實芯焊絲型號主要表征了焊絲的類別和特性（熔敷金屬的性能、化學(xué)成分等），實芯焊絲的牌號主要按焊絲的類別和化學(xué)成分編制1）型號與牌號實心焊絲型號實例實心焊絲牌號實例2）選用TIG和MIG： 一般選用與母材成分基本相同的焊絲進(jìn)行焊接

12、即可；MAG：要適當(dāng)考慮焊接過程的冶金反應(yīng)特點。焊接過程中將有部分合金元素?zé)龘p，因此焊接時應(yīng)考慮選用Si和Mn含量比母材略高的焊絲。CO2焊：常采用C-Mn-Si系焊絲，這些焊絲中都含有Si、Mn、Ti 、Al等脫氧劑，如H08MnSiA、H08Mn2SiA、H04Mn2SiTiA、H10MnSiMo等。埋弧焊：需考慮與焊劑的搭配問題。對于低碳鋼和低合金鋼，常用的焊絲有低錳焊絲、中錳焊絲和高錳焊絲三類：低錳焊通常與高錳高硅焊劑配合用于焊接低碳鋼和強(qiáng)度級別較低的低合金鋼；中錳焊絲配合低錳焊劑用于焊接低碳鋼，配合中錳或高錳焊劑用于焊接低合金鋼；高錳焊絲配合低錳或中錳焊劑用于焊接低合金鋼。藥芯焊絲

13、藥芯焊絲是芯部裝有藥粉的焊絲，一般由薄鋼帶卷管（圓形或異形）并同步填粉經(jīng)拉拔而成。由于藥芯焊絲克服了焊條無法實現(xiàn)自動化的局限性，焊接飛濺小、焊縫成形美觀、熔敷效率高且可以進(jìn)行全位置焊接1）按焊絲外層結(jié)構(gòu)分類 有縫焊絲、無縫焊絲；2）按藥芯材質(zhì)分類 造渣型藥芯焊絲、金屬型藥芯焊絲；3）按渣系的酸堿度分類 鈦型渣系（酸性）焊絲、鈦鈣型渣系（中性或弱堿性）焊絲和鈣型渣系（堿性）焊絲；4）按焊接保護(hù)條件分類 氣體保護(hù)焊絲、自保護(hù)焊絲型號與牌號藥芯焊絲型號實例結(jié)構(gòu)鋼藥芯焊絲牌號實例藥芯焊絲的類別代號藥芯焊絲焊縫金屬夏比沖擊功不小于27焦和不小于47焦時所對應(yīng)的溫度和代號2、焊劑焊劑是一種顆粒狀物質(zhì)，其成

14、分與焊條藥皮相似，主要由各種氧化物和氟化物組成，功能和作用也與焊條藥皮相似，也是在焊接過程中通過造氣、造渣對焊接區(qū)金屬起保護(hù)和冶金處理作用，因此，焊劑對相關(guān)焊接方法（如埋弧焊、電渣焊等）焊縫金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能有重要影響。1）按焊劑適用的焊接方法或材料分類 按適用焊接方法可以分為埋弧焊焊劑、電渣焊焊劑和堆焊焊劑；按適用材料可分為鋼用焊劑和有色金屬焊劑，其中鋼用焊劑又可進(jìn)一步分為碳碳素鋼焊劑、低合金鋼焊劑和不銹鋼焊劑。2）按焊劑制造方法分類 按制造方法可以將焊劑分為熔煉焊劑和燒結(jié)焊劑，其中燒結(jié)焊接又分為低溫（300-500）燒結(jié)焊劑和高溫（700-1000）燒結(jié)焊劑。3）按焊劑化學(xué)性質(zhì)分類

15、按焊劑的氧化性可以將焊劑分為氧化性焊劑、弱氧化性焊劑和非氧化性焊劑。4）按焊劑熔渣的堿度分類 按焊接時形成的熔渣的堿度可以將焊劑分為酸性焊劑、中性焊劑和堿性焊劑。5）按焊劑的化學(xué)成分分類 按SiO2的含量、按MnO的含量、按CaF2的含量、按SiO2、MnO和CaF2的相對含量、按焊劑的主要成分型號與牌號焊劑型號實例熔煉焊劑型號實例燒結(jié)焊劑型號實例焊劑的應(yīng)用1）硅和錳的過渡 高硅（高SiO2含量）或高錳（高M(jìn)nO含量）的硅錳型焊劑對焊縫金屬有強(qiáng)烈的硅或錳過渡傾向，該類焊劑通常用于焊接低碳鋼或低合金鋼，一般焊劑與焊絲中的硅和錳含量應(yīng)高低互補(bǔ)，即高硅（錳）焊劑配低硅（錳）焊絲。如高硅無錳或低錳焊劑

16、應(yīng)配合高錳焊絲，高硅中錳焊劑應(yīng)配合低錳焊絲，而高硅高錳焊劑應(yīng)配合低碳鋼焊絲或低錳焊絲等。2）焊劑的氧化性 氧化性焊劑中因含有大量的SiO2和MnO，對被焊金屬有較強(qiáng)的氧化性，因此，一般只能用于焊接低碳鋼或低合金鋼；弱氧化性焊劑含SiO2、MnO和FeO等活性氧化物含量較少，對被焊金屬氧化性較弱，可用于焊接合金鋼；非氧化性焊劑（惰性焊劑焊劑）主要由Al2O3、CaO、MgO等惰性氧化物及CaF組成，對焊縫金屬基本沒有氧化性，可用于焊接高合金鋼。3）焊劑的工藝性能與熔敷金屬的力學(xué)性能 一般而言酸性焊劑具有良好的工藝性能，焊縫成形好，但焊縫含氧量高，沖擊韌性較低；堿性焊劑焊縫含氧量低、沖擊韌性好、抗

17、裂性好，但焊接工藝性能較差；中性焊劑工藝性能和焊縫金屬性能總體上介于酸性焊劑和堿性焊接之間。3.4.2焊條電弧焊化學(xué)冶金1、鈦鈣型酸性焊條焊接化學(xué)冶金 鈦鈣型碳鋼焊條工藝性能優(yōu)良，廣泛用于焊接低碳鋼和低合金鋼?，F(xiàn)以E4303焊條為例，對鈦鈣型酸性焊條的焊接化學(xué)冶金進(jìn)行簡要的分析。E4303焊條焊芯為H08A，主要合金元素為Mn(0.30-0.55) ；藥皮為鈦鈣型，配方如表3-26所示，其原料主要有金紅石（造渣、穩(wěn)?。?、鈦白粉（造渣、成形、穩(wěn)?。?、還原鈦鐵礦（造渣），云母（造渣、成形）、白泥（造渣、成形），大理石（造渣、造氣）、白云石（造渣、造氣）等，除此之外，藥皮中還含有14%的錳鐵（脫氧劑

18、）。氧化反應(yīng)1）電弧氣氛對焊接區(qū)金屬的氧化焊條類型氣相成分（%體積）備 注COCO2H2H2ON2鈦鈣型50.7 5.9 37.7 5.7 焊條在110烘干2h鈦鐵鈣型48.1 4.8 36.6 10.5 纖維素型42.3 2.9 41.2 12.6 鈦型46.7 5.3 34.5 13.5 低氫型79.8 16.9 1.8 1.5 氧化鐵型55.6 7.3 24.0 13.1 2）熔渣對焊接區(qū)金屬的氧化焊條類型熔渣化學(xué)成分（%）熔渣堿度熔渣類型SiO2TiO2Al2O3FeOMnOCaOMgONa2OK2OCaF2B1B2鈦鐵鈣型29.214.01.115.626.58.71.31.41.1

19、0.88-0.1氧化物型鈦型23.437.710.06.911.73.70.52.22.90.43-2.0氧化物型鈦鈣型25.130.23.59.513.78.85.21.72.30.76-0.9氧化物型纖維素型34.717.55.511.914.42.15.83.84.30.60-1.3氧化物型氧化鐵型40.41.34.522.719.31.34.61.81.50.60-0.7氧化物型低氫型24.17.01.54.03.535.80.80.820.31.860.9鹽-氧化物型脫氧反應(yīng)由于FeO在液態(tài)鐵中有一定的溶解度，焊接過程中將有部分的FeO溶解在熔池中，這些氧如果不加以脫除，不僅將使焊縫

20、增氧，降低焊縫性能，而且還將促進(jìn)碳的氧化而增加氣孔傾向。先期脫氧：熔滴反應(yīng)階段和熔池反應(yīng)階段脫硫反應(yīng)合金元素過渡元素Mn的過渡：1）藥皮和焊芯中的Mn元素直接進(jìn)入熔池；2）通過式氧化錳反應(yīng)過渡到熔池。元素Si的過渡2、低氫型堿性焊條焊接化學(xué)冶金 E5015焊條焊芯為H08A，主要合金元素為Mn(0.30-0.55) ；焊條藥皮的主要原料為大理石、氟石（螢石），硅砂以及鈦鐵、錳鐵、硅鐵等鐵合金。形成的渣系為CaO- SiO2- CaF2，堿度約1.86，屬堿性熔渣。脫氧反應(yīng)脫氫反應(yīng)1）氟石脫氫3）氟石與水玻璃作用而脫氫2）氟石與石英聯(lián)合脫氫脫硫磷反應(yīng)脫硫、脫磷都是依靠熔渣中的CaO等堿性氧化物來

21、實現(xiàn)的合金元素過渡在焊接冶金過程中，當(dāng)一種合金元素的氧化物與熔渣的酸堿性相同時，有利于該合金元素的過渡。由于MnO是堿性氧化物，因此，在低氫型堿性焊條中錳的過渡系數(shù)比較高，盡管焊芯（H08A）中錳含量僅有0.30%-0.55%，但焊縫熔敷金屬錳含量可達(dá)0.7%-1.1%。另外，焊條藥皮中加入了較多的活性更高的鈦作為脫氧劑，有利于提高硅的過渡系數(shù)，焊后焊縫熔敷金屬中的硅含量可達(dá)0.35%-0.45%。3.4.3埋弧焊化學(xué)冶金1. 埋弧焊焊接冶金過程的特點(1）空氣不易侵入焊接區(qū)(2）冶金反應(yīng)充分2. 低碳鋼埋弧焊的化學(xué)冶金硅錳的過渡錳的過渡量與焊劑中MnO含量的關(guān)系硅的過渡量與焊劑中SiO2含量的關(guān)系影響因素:焊劑成分和錳硅原始含量焊劑的堿度焊接參數(shù)碳的氧化燒損埋弧焊時焊劑中一般不含碳，焊縫的碳來源于焊絲和母材。焊接過程中將會有一定的碳被氧化燒損：脫氫反應(yīng) 采用高錳高硅焊劑埋弧焊時，其氫的控制主要是