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1、材料成型基础 Part II 焊接化学冶金,气相对液态金属的作用,1、气体的来源 2、气体在金属中的溶解 3、气体对金属的作用及其控制 4、焊接保护气体的选择,2.1 气体的来源,一、气体来源 焊接区内的气体是参与液态金属冶金反应最重要的物质。 焊接区气体(主要是N2、O2、H2)的来源: 1、直接来源 直接进入焊接区的气体。 2、间接来源 通过物理化学反应生成进入焊接区的气体。,1、直接来源,2.1 气体的来源,(1) 焊接材料, 如焊条药皮、焊剂及药芯焊丝中的造气剂、高价氧化物和水分等。 (2) 所采用的保护气体和其中的杂质(如氧、氮、水气等)。 (3) 热源周围的空气。 (4) 焊材表面
2、和母材坡口附着的吸附水、油、锈和氧化皮等物质, 其在焊接时也会析出气体, 如水气、氧、氢等。 (5) 焊丝和母材中因冶炼而残留的气体(很少，对气体成分影响不大)。,100 ：吸附水蒸发 400-600 ：焊条药皮中的组分如白泥和云母中的结晶水被排除。,1、直接来源,2.1 气体的来源,(6) 金属材料以及化合物的蒸发 金属元素和熔渣的各种成分在电弧高温作用下也会发生蒸发，形成相当多的蒸气。 金属材料中Zn、Mg、Pb、Mn和氟化物中AlF3、KF、LiF、NaF的沸点都比较低，它们在焊接过程中极易蒸发。 对钢铁焊接来说，铁合金的沸点虽然较高，但焊接时其浓度较大，所以气相中铁蒸气的数量相当可观。
3、,2.1 气体的来源,2、间接来源,(1) 有机物的分解和燃烧 a) 制造焊条时的造气剂和涂料增塑剂: 淀粉、纤维素、糊精、藻酸盐等有机物 b) 220 320 时分解50%; 800 完全分解。 c) 反应生成的气态产物: 主要是CO2、CO、H2、烃和水气。 纤维素的热氧化分解反应可表示为：,2.1 气体的来源,2、间接来源,(2) 碳酸盐的分解 作用: 焊条造气剂, 如CaCO3、MgCO3、BaCO3及白云石CaMg(CO3)2等 。 分解温度: CaCO3开始分解温度545, MgCO3开始分解温度325; CaCO3 剧烈分解温度为910, MgCO3剧烈分解温度为650。 分解产
4、物：CO2, CO, H2。,2.1 气体的来源,2、间接来源,(3) 高价氧化物的分解 药皮和焊剂中常用的高价氧化物如Fe2O3和MnO2, 其在焊接过程中将发生逐级分解 。 分解产物：O2和低价氧化物FeO和MnO 。,2.1 气体的来源,二、气体的分解,气体的状态（分子、原子或离子状态）对其在金属中的溶解和与金属的作用有很大的影响，进入焊接区内的气体在电弧高温作用下将进一步分解或电离，从而影响气体在金属中的溶解或其与金属的作用。 1、简单气体的分解 2、复杂气体的分解,气体分解反应比较,2.1 气体的来源,1、简单气体的分解,主要指N2、H2、O2、F2等双原子气体，它们受热而获得足够的
5、能量后，将分解为单个原子或离子和电子 。,双原子气体的分解度与温度的关系,2.1 气体的来源,1、简单气体的分解,在焊接温度下，H2和O2的分解度很大，绝大部分以原子态存在，而N2的分解度很小，基本上以分子态存在。,2.1 气体的来源,2、复杂气体的分解,CO2和H2O是焊接过程中最常见的复杂气体，它们在高温下将分解出O2，使气相的氧化性增加。水蒸气的分解产物除了O2和O外，还有H2、H和OH等，这不仅增加了气相的氧化性，而且还会增加气相中的氢分压。,2.1 气体的来源,三、气相的成分,焊接区内的气体是由CO、CO2、H2O、O2、H2、N2、金属和熔渣的蒸气及其分解或电离的产物所组成的混合物
6、。其中，对焊接质量影响最大的是N2、H2、O2、CO2和H2O。 焊接区内常常同时存在多种气体，这些气体之间也将发生复杂的反应。,2.1 气体的来源,三、气相的成分,焊接区实际气体成分冷至室温后气相的成分（体积分数，%）,用低氢型焊条焊接时，气相中H2和H2O的含量很少，故称“低氢型”。酸性焊条焊接时氢含量均较高，其中纤维素型焊条的氢含量最高。,2.1 气体的来源,四、铸造过程中的气体,直接来源： 主要来源于熔炼过程、铸型和浇注过程。 间接来源： 液态金属与铸型界面将发生化学反应，从而产生大量气体。 主要成分： 主要是H2、CO和CO2，在含氮的树脂砂型中还含有一定量的N2。 铸型内气相组成和
7、含量随温度、造型材料种类、浇注后停留时间等因素变化而变化。,2.2 气体的溶解,在焊接和熔铸过程中，与液态金属接触的气体可分为简单气体,如H2、N2、O2等; 和复杂气体两大类, 如CO2、H2O、CO等。,一、气体的溶解过程,气体在高温下可以分子、原子或离子状态存在。原子或离子状态的气体可直接溶人液态金属，而分子状态的气体必须分解为原子或离子，才能溶解到液态金属中。,(a) N原子的溶解模型,2.2 气体的溶解,气体溶解动力学过程,双原子气体溶解于液态金属的动力学过程一般有两种方式: 氮原子方式和氢原子方式。,(b) H原子的溶解模型,氢在高温时分解度较大，电弧温度下可完全分解为原子氢，故焊
8、接时氢的溶解是在电弧中分解为原子氢，原子氢穿过金属界面向内部扩散。,氮在高温下多呈分子状态, 其溶解过程可分为四个阶段： 1）气体分子向金属气体界面上运动; 2）气体被金属表面吸附; 3）气体分子在金属表面上分解为原子; 4）原子穿过金属表面层向金属内部扩散。,2.2 气体的溶解,气体溶解动力学过程,气体无论以何种方式向金属中溶解, 都要先趋近金属表面并吸附于表面上, 然后以原子状态溶入金属内部。气体趋近于金属表面的过程, 可以是气体质点的机械运动, 也可以是带电质点在电场作用下的定向运动。金属吸收不带电气体质点(如分子、原子)的过程是纯化学过程, 遵从化学反应平衡法则; 而金属吸收带电质点(
9、如离子)的过程则是电化学过程,它不服从化学反应平衡法则。,2.2 气体的溶解,气体溶解动力学过程,在电弧气氛中，氮除了以分子形式存在外，还可能以原子N和离子N+形式存在。,（a）直流反接 （b）直流正接 电流极性对氮的质点运动和溶解的影响,N+在电场作用下, 将向阴极表面运动, 且电场越强, 即阴极电压越大, 运动到阴极的N+越多。当液态金属为阴极时, 氮以原子和离子的形式溶入金属, 此时可溶解更多的氮; 当液态金属处于阳极时, 氮仅以中性原子形式溶人金属。,2.2 气体的溶解,气体溶解动力学过程,气体溶人液态金属时，扩散过程起着关键作用，它决定着气体的溶入速度。显然，金属表面与内部气体原子的
10、浓度差越大、气体的压力或温度越高，扩散速度越快。,氢的溶解与氮类似，主要差别在于弧柱空间中的氢已完全分解为原子态，并有一部分离解为H+。,2.2 气体的溶解,二、气体的溶解度,在一定温度和压力条件下，气体溶入金属的饱和浓度，称为该条件下气体的溶解度。 气体在金属中的溶解度的影响因素有： (1) 压力; (2) 温度; (3) 合金成分等。,式中: K0为常数; p为气体分压; H为气体溶解热; R为气体常数; T为绝对温度。,2.2 气体的溶解,二、气体的溶解度,对于一定成分的合金，影响气体溶解度的因素主要是温度和压力。 双原子气体溶解度S与温度和压力的关系为:,1、温度和压力对溶解度的影响,
11、(1) 压力的影响 当温度一定时，双原子气体的溶解度与其分压的平方根成正比平方根定律:,式中: K为气体溶解反应的平衡常数。,2.2 气体的溶解,氮和氢在钢、铁中的溶解度, 以及氢在Al、Cu、Mg等金属和合金中的溶解度均服从平方根定律。,降低气相中气体的分压, 可以减少焊缝金属中的气体含量。,(2) 温度的影响 当压力不变时，温度对溶解度的影响取决于溶解反应的类型。,2.2 气体的溶解,1吸热溶解 2放热溶解 气体溶解度与热效应和温度的关系,(a) 吸热溶解: H0,溶解度随温度的升高而增加。如氮在铁及铁合金中, 氢在铁、镍、铝等合金中。 (b) 放热溶解: H0, 溶解度随温度的升高而降低
12、。,(2) 温度的影响,2.2 气体的溶解,氮和氢在金属或合金中的溶解反应类型及形成化台物倾向,(2) 温度的影响,2.2 气体的溶解,氮和氢在铁中溶解度与温度的关系 PN2=0.1MPa; PH2=0.1MPa,氮和氢在液态铁中的溶解度均随温度的升高而增大, 在2200 和2400左右, 其溶解度分别达到最大值, 继续升温后由于金属蒸气压快速增加, 气体的溶解度急剧下降, 至铁的沸点(2750)溶解度变为0。,当液态铁凝固时, 氮和氢的溶解度突然下降; 在晶型转变温度, 溶解度也发生了明显的突变。,氮和氢在面心立方晶格(-Fe)中的溶解度比在体心立方晶格(-Fe和-Fe)中大, 这是由于面心
13、立方品格的间隙大于体心立方晶格的间隙所致。此外, 氮在-Fe中的溶解度随温度的升高而减小, 其主要原因在于氮与铁所形成的氮化铁(Fe4N)在高温时不稳定, 随着温度的升高, -Fe中的氮化铁将发生分解, 致使氮的溶解度降低。 金属发生相变时，由于金属组织结构的变化，气体的溶解度将发生突变。液相比固相更有利于气体的溶解。当金属由液相转变为固相时，溶解度的突然下降将对铸件和焊件中气孔的形成产生直接的影响。,(2) 温度的影响,2.2 气体的溶解,氢在不同金属中的溶解度随温度的变化 ( PH2=0.1MPa(1atm),(2) 温度的影响,2.2 气体的溶解,第II类金属 (吸氢过程是放热反应)不同
14、于第I类金属(氢的溶解是吸热反应), 随着温度的升高, 氢在第II类金属的溶解度减小, 即第II类金属在低温下吸氢量大, 高温时吸氢量小。,(a) I类金属,(b) II类金属,氮在铝、铜及其合金中的溶解度一般都非常低。因此, 在铝、铜合金精炼时, 可借助于氮气去除金属液中的有害气体和杂质。氮与铜、镍不发生作用(既不溶解,也不形成氮化物), 故焊接这类金属时, 可用氮作保护气体。,(2) 温度的影响,2.2 气体的溶解,液态铁中氧的溶解度随温度的变化,氧通常以原子氧和FeO两种形式溶入液态铁中。氧在液态铁中的溶解度随温度的升高而增大。室温下-Fe几乎不溶解氧。因此, 铁基金属中的氧绝大部分以氧
15、化物(FeO、MnO、SiO2、Al2O3等)和硅酸盐夹杂物的形式存在。,2.2 气体的溶解,2、合金成分对溶解度的影响,合金元素对液态铁中氧的溶解度的影响,氢在二元系铁合金中的溶解度(1600),氮在二元系铁合金中的溶解度(1600),氢和氮的溶解度随碳含量的增高而降低, 因此铸铁的吸气能力比钢低; 当铁液中存在第二种合金元素时, 随着合金元素含量的增加, 氧的溶解度下降。,Ti、Zr、Nb等可提高氢在液态铁中的溶解度; Ni、Cr、Mo等影响不大; C、Si、B等可降低氢在液态铁中的溶解度; O可有效地降低氢的溶解度。,合金元素浓度对焊缝含H量的影响,加热温度1600,2.2 气体的溶解,
16、2、合金成分对溶解度的影响,此外，合金元素还能改变金属表面膜的性质及金属蒸气压，从而影响气体的溶解度。例如，铁中加入微量的铝会加速水蒸气在铁液表面的分解，从而加速氢在铁液中的溶解；而含有易挥发的镁时，既能提高铁液的蒸气压，又能显著降低铁液的含气量。但铝合金含有镁时，由于镁破坏了合金表面氧化膜的致密陛，致使铝合金增氢。,2.2 气体的溶解,2、合金成分对溶解度的影响,2.2 气体的溶解,3、电流极性对溶解度的影响,（a）直流反接 （b）直流正接 电流极性对氮的质点运动和溶解的影响,电流极性决定了电弧气氛中阳离子N+和H+的运动方向, 从而影响气体的溶解量。,直流正接: 熔滴处于阴极, 阳离子将向熔滴表面运动, 熔滴温度高, 比表面积大, 故熔滴中溶解大量氢或氮; 直流反接: 阳离子仍向阴极运动, 但此时阴极已是温度较低的熔池, 故氢或氮的溶解量要少。,2.2
