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1、,第2章 焊接化学冶金,目录,2.1 焊接化学冶金过程的特点 2.1.1 焊接过程中对金属的保护 2.1.2 焊接化学冶金反应区及其反应条件 2.1.3 焊接工艺条件与化学冶金反应的关系 2.1.4 焊接化学冶金系统及其不平衡性 2.2 气相对金属的作用 2.2.1 焊接区内的气体 2.2.2 氮对金属的作用 2.2.3 氢对金属的作用 2.2.4 氧对金属的作用,目录,2.3 熔渣及其对金属的作用 2.3.1 焊接熔渣 2.3.2 活性熔渣对焊缝金属的氧化 2.3.3 焊缝金属的脱氧 2.3.4 焊缝金属中硫和磷的控制 2.4 合金过渡 2.4.1 合金过渡的目的及方式 2.4.2 合金过渡
2、过程的理论分析 2.4.3 合金过渡系数及其影响因素,熔焊过程中,焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程,称为焊接化学冶金过程。这是一个极为复杂的物理化学变化过程。 焊接化学冶金过程对焊缝金属的化学成分、性能,某些焊接缺欠(如气孔、结晶裂纹等)以及焊接工艺性能都有很大的影响,因此引起了人们广泛深入的研究,现已发展成为焊接理论的一个重要分支焊接化学冶金学。它主要研究在各种焊接工艺条件下,冶金反应与焊缝金属化学成分、性能之间的关系及其变化规律。其研究的目的在于运用这些规律合理地选择焊接材料,控制焊缝金属的化学成分和性能使之符合使用要求,设计创造新的焊接材料。 本章以焊条电弧焊方法焊接低碳钢和低
3、合金钢时的冶金问题为重点,从热力学的角度来阐明焊接化学冶金的一般规律。它可以作为分析其他熔焊方法及材料冶金问题的基础。由于目前有关焊接化学冶金动力学方面的研究还很不成熟,故本章不做介绍。,2.1 焊接化学冶金过程的特点,焊接化学冶金过程与炼钢过程相比,无论是在原材料方面还是在冶炼条件方面都有很大的不同。因此,必须研究焊接化学冶金的特点,找出其本身固有的规律,以指导人们使冶金反应向有利的方向发展,从而得到优质的焊缝金属。 本节关于焊接化学冶金过程的特点将从焊接区内的金属(包括焊件、焊条等焊接材料)进行必须的保护、焊接冶金反应的区域性及连续性、焊接工艺条件对于化学冶金反应的影响,以及焊接冶金系统的
4、不平衡性等几个方面进行论述。,2.1.1 焊接过程中对金属的保护,在焊接过程中必须对焊接区内的金属进行保护,这是焊接化学冶金的特点之一。这里主要介绍保护的必要性、保护的方式和效果及其对焊缝金属性能的影响。 1.保护的必要性 用低碳钢光焊丝在空气中进行无保护焊接时,焊缝金属的化学成分和性能与母材和焊丝相比,发生了很大的变化。由于熔化金属与其周围的空气发生激烈的相互作用,使焊缝金属中氧和氮的含量显著增加。根据资料介绍,含氮量可达0.105%0.218%(质量分数),比焊丝中含氮量高2045倍;含氧量为0.14%0.72%(质量分数),比焊丝中含氧量高735倍。同时锰、碳等有益合金元素因烧损和蒸发而
5、减少。这时焊缝金属的塑性和韧性急剧下降,但是由于氮的强化作用,强度变化比较小(见表2-1)。此外,用光焊丝焊接时,电弧不稳定,使焊缝中产生气孔。因此这种光焊丝无保护焊接是没有实用价值的。 为了提高焊缝金属的质量,把熔焊方法用于制造重要结构,就必须尽量减少焊缝金属中有害杂质的含量和有益合金元素的损失,使焊缝金属得到合适的化学成分。因此,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。,2.1.1 焊接过程中对金属的保护,表2-1 低碳钢无保护焊时焊缝的性能,2.保护的方式和效果 事实上,大多数熔焊方法都是基于加强保护的思路发展和完善起来的。迄今为止,已找到许多保护材料(
6、如焊条药皮、焊剂、药芯焊丝中的药芯、保护气体等)和保护手段(见表2-2)。,表2-2 熔焊方法的保护方式,2.1.1 焊接过程中对金属的保护,各种保护方式的保护效果是不同的。例如,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,焊剂的保护效果取决于焊剂的粒度和结构。多孔性的浮石状焊剂比玻璃状的焊剂具有更大的表面积,吸附的空气更多,因此保护效果较差。试验表明,焊剂的粒度越大,其松装密度(单位体积内焊剂的质量)越小,透气性越大,焊缝金属中含氮量越高,说明保护效果越差(见表2-3)。但是不应当认为焊剂的松装密度越大越好。因为当熔池中有大量气体析出时,如果松装密度过大,则透气性过小,将阻碍气
7、体外逸,促使焊缝中形成气孔,使焊缝表面出现压坑等缺欠,所以焊剂应当有适当的透气性。埋弧焊时焊缝的含氮量一般为0.002%0.007%(质量分数),比焊条电弧焊的保护效果好。,表2-3 中锰高硅低氟焊剂(HJ331)的松装密度与焊缝含氮量的关系,2.1.1 焊接过程中对金属的保护,气体保护焊的保护效果取决于保护气的性质与纯度、焊炬的结构、气流的特性等因素。一般来说,惰性气体(氩、氦等)的保护效果是比较好的,因此适用于焊接合金钢和化学活性金属及其合金。 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的(见第3章)。这些物质在焊接过程中能形成渣-气联合保护。造渣剂熔化以后形成熔渣,覆盖在熔滴
8、和熔池的表面上将空气隔离开。熔渣凝固以后,在焊缝上面形成渣壳,可以防止处于高温的焊缝金属与空气接触。同时造气剂(主要是有机物和碳酸盐等)受热以后分解,析出大量气体。据计算,熔化100g焊芯,焊条可以析出25005080cm3的气体。这些气体在药皮套筒中被电弧加热膨胀,从而形成定向气流吹出熔池,将焊接区与空气隔离开。用焊条和药芯焊丝焊接时的保护效果,取决于其中保护材料的含量、熔渣的性质和焊接参数等(见本章第2.2节),并用熔敷金属中的含氮量多少衡量保护的好坏。由图2-1可以看出,随着药芯焊丝中保护材料含量的增加,熔敷金属中的含氮量减少。过分增加其含量,则药芯的熔化将落后于金属外皮,从而使保护效果
9、变坏。图2-2表示出焊条熔化时析出的气体数量越多,熔敷金属中的含氮量越少。用工业生产的焊条和药芯焊丝焊接时,焊缝含氮量(质量分数)为0.010%0.014%(低碳钢为0.004%),证明保护基本上是可靠的。,2.1.1 焊接过程中对金属的保护,图2-1 熔敷金属中的含氮量与焊丝,图2-2 焊条熔化时析出气体的体积,2.1.1 焊接过程中对金属的保护,在真空度高于1.3310-2Pa的真空室内进行电子束焊接,其保护效果是最理想的。这时虽然不能把空气完全排除掉,但随着真空度的提高,可以把氧和氮的有害作用减至最小。 自保护焊是利用特制的实心或药芯光焊丝在空气中焊接的一种方法。它不是利用机械隔离空气的
10、办法来保护金属的,而是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。因实心自保护焊丝的保护效果欠佳,焊缝金属的塑性和韧性偏差,所以目前生产上应用较少。 应当指出,目前关于隔离空气的问题已基本解决。但是仅仅机械地保护熔化金属,在有些情况下仍然不能得到合格的焊缝成分。例如,在多数情况下药皮、焊剂对金属具有程度不同的氧化性,从而使焊缝金属增氧。因此焊接冶金的另一个任务是对熔化金属进行冶金处理,也就是说,通过调整焊接材料的成分和性能,控制冶金反应的发展,来获得预期要求的焊缝成分,这是本章要讨论的主要内容。,2.1.2 焊接化学冶金反应区及其反应条件,与普通化学冶
11、金过程不同,焊接化学冶金过程是分区域(或阶段)连续进行的,且各区的反应条件(反应物的性质和浓度、温度、反应时间、相接触面积、对流和搅拌运动等)也有较大的差异,因而也就影响到各区反应进行的可能性、方向、速度和限度。 不同焊接方法有不同的反应区。焊条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,如图2-3所示。熔化极气体保护焊时,只有熔滴和熔池两个反应区。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。现以焊条电弧焊为例加以讨论。,图2-3 焊条电弧焊的焊接化学冶金反应区,2.1.2 焊接化学冶金反应区及其反应条件,1.药皮反应区 药皮反应区的温度范围从100至药皮的熔点(
12、对于钢焊条约为1200)。在该区内的主要物化反应有水分的蒸发、某些物质的分解和铁合金的氧化。 当药皮加热到一定温度时,其中的有机物,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。某些焊条中的碳酸盐(如大理石CaCO3,菱苦土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。 上述物化反应产生的大量气体,一方面对熔化金属有机械保护作用,另一方面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。试验表明,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。这个过程即所谓的“先期脱氧”(见本章第
13、2.3节)。 药皮反应阶段可视为准备阶段。因为这一阶段反应的产物可作为熔滴和熔池阶段的反应物,所以它对整个焊接化学冶金过程和焊接质量有一定的影响。,2.1.2 焊接化学冶金反应区及其反应条件,2.熔滴反应区 从熔滴形成、长大到过渡至熔池中都属于熔滴反应区。从反应条件看,这个区有以下特点: (1)熔滴的温度高 对于电弧焊焊接钢材而言,熔滴活性斑点处的温度接近焊芯的沸点,约为2800;熔滴的平均温度根据焊接参数不同,在18002400的范围内变化。这样使熔滴金属的过热度很大,可达300900。 (2)熔滴与气体和熔渣的接触面积大 在正常情况下,熔滴的比表面积可达103104cm2/kg,约比炼钢时
14、大1000倍。 (3)各相之间的反应时间(接触时间)短 熔滴在焊条末端停留时间仅为0.010.1s。熔滴向熔池过渡的速度高达2.510m/s,经过弧柱区的时间极短,只有0.00010.001s。在这个区各相接触的平均时间为0.011.0s。由此可知,熔滴阶段的反应主要是在焊条末端进行的。,2.1.2 焊接化学冶金反应区及其反应条件,(4)熔滴与熔渣发生强烈的混合 在熔滴形成、长大和过渡过程中,它不断地改变自己的形状,使其表面局部收缩或扩张。这时总有可能拉断覆盖在熔滴表面上的渣层,而被熔滴金属所包围。金相分析已证明,熔滴内包含着熔渣的质点,其尺寸可达50m。这种混合作用不仅增加了相的接触面积,而
15、且有利于反应物和产物进入和退出反应表面,从而加快反应速度。 由上述特点可知,在该区的反应时间虽短,但因温度高,相接触面积大,并有强烈的混合作用,所以冶金反应最激烈,许多反应可达到接近终了的程度,因而对焊缝成分影响最大。在熔滴反应区进行的主要物化反应有气体的分解和溶解、金属的蒸发、金属及其合金成分的氧化和还原,以及焊缝金属的合金化等。这些问题在下面将详细讨论。,2.1.2 焊接化学冶金反应区及其反应条件,3.熔池反应区 熔滴和熔渣落入熔池后,各相之间进一步发生物化反应,直至金属凝固,形成焊缝金属。 (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,为16001900;比表面积较小,为3
16、130cm2/kg;反应时间稍长些,但也不超过几十秒,例如焊条电弧焊时通常为38s,埋弧焊时为625s。熔池的突出特点之一是温度分布极不均匀,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。例如在熔池的前部发生金属的熔化、气体的吸收,并有利于发展吸热反应;而在熔池的后部即发生金属的凝固、气体的逸出,并有利于发展放热反应。此外,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 熔池反应区的化学条件与熔滴反应区也有所不同。 首先,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,所以在其余条件相同的情况下熔池中的反应速度比熔滴中要小。,2.1.2 焊接化学冶金反应区及其反应条件,其次,当药皮质量系数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,这必然给冶金反应带来影响。例如,用具有氧化型药皮的焊条焊接时,随
