焊接冶金原理课件 03焊接化学冶金4

材料焊接冶金原理与工艺主讲：陈树海E-mail:shchen@mater.ustb.edu.cn电话：010-62334859第3章焊接化学冶金3.1焊接化学冶金系统及其特点3.2气体与金属的冶金反应3.3熔渣与金属的冶金反应3.4典型焊接方法的化学冶金3.3.4熔渣的渗氢与脱氢反应1、熔渣的渗氢反应氢的氧化物（H2O）能够溶解到焊接熔渣中，与其他金属氧化物（TiO2、CaO等）一起成为焊接熔渣。对于含有自由氧离子的酸性渣或碱性渣，水蒸气的溶解反应为：H2O+(O2-)=2(OH-)对于不含自由氧离子的熔渣，水蒸汽的溶解反应为：H2O+(SiO42-)=2(OH-)+(SiO32-)除了通过气相溶解之外，与熔渣的渗氢反应也是过渡氢元素的重要途径。1）熔渣中的氢随碱度增加熔渣中的水蒸气溶解度显著增大；1600℃时CaO-Al2O3-SiO2熔渣体系中的水蒸气溶解度与熔渣碱度的关系2）熔渣的渗氢反应含有(OH-)离子的熔渣在与液体金属接触时，界面处将可能发生如下冶金反应：2(OH-)+(Fe2+)=[H]十[Fe]+2[O]2(OH-)+[Fe]=2[H]十2(Fe2+)+2(O2-)2(OH-)=[H]十[O]+(O2-)氢从熔渣中转移到液体金属中，即发生了熔渣的渗氢过程。从上述渗氢反应的方程式还可以看出，反应产物中含有氧原子或自由氧离子，说明了熔渣在向液体金属渗氢的同时，也向液体金属过渡了氧。提高焊接气氛的氧化性可以降低液体金属中的氢含量（如CO2焊）；增加焊接熔渣的氧化性（如添加Fe2O3）可以抑制熔渣渗氢反应的进行，减少液体金属中的含氢量；增加脱氧剂（如Fe-Ti合金）的数量将促进熔渣渗氢反应，增加焊缝金属含氢量2、熔渣的脱氢反应熔渣的脱氢反应与熔渣的渗氢反应是一对逆反应，抑制熔渣渗氢反应的一切措施都可以促进熔渣的脱氢反应。渣保护电弧焊的降氢措施主要是在焊条药皮或焊剂中加入氟化物。熔渣内部脱氢反应(OH-)+(F-)=(O2-)+HF反应的结果是将高活性的OH转化成了化学稳定、且不溶解于液体金属的HF气体，降低了熔渣中的OH-浓度（活度）。按照焊接熔渣的离子结构理论模型，CaF2在熔渣以氟离子（F-）存在，水在熔渣中以氧氢离子（OH-）存在，两者在熔渣内发生化学反应：熔渣中的CaF2还可以与焊接气相中氢（水蒸气）发生冶金反应，将不稳定的氧化氢转化成稳定的HF。在SiO2含量高的酸性渣中，CaF2的脱氢反应为：2CaF2+3SiO2=2CaSiO3+SiF4↑SiF4+2H2O=SiO2+4HF↑而在低氢型碱性熔渣中，CaF2的脱氢反应为：CaF2+H2O=CaO+2HF↑熔渣与气氛的脱氢反应3.3.5熔渣的脱硫和脱磷反应1、熔渣的脱硫硫的危害1）硫化物可以与基体金属形成低熔点的共晶组织，增加热裂纹敏感性。2）少量硫化物即能显著降低焊缝金属韧性，增大冷裂纹的敏感性。硫的来源1）被焊金属和焊丝等金属制品中硫的含量通常很低；2）主要来源于焊接材料中的焊剂和焊条药皮等；3）硫由熔渣而进入液体金属。脱硫反应与脱氧反应的机理相同，即利用与硫亲和力大的合金元素与硫结合生成稳定的硫化物，并使硫化物与液体金属分离而进入熔渣。由于硫、氧两种元素的化学性质相似，与氧亲和性大的合金元素通常与硫的亲和力也大，因此脱氧剂也可以用于脱硫，钢铁材料焊接时最常用的脱硫剂是锰铁及稀土合金。[Mn]+[FeS]=(MnS)+[Fe](MnO)＋[FeS]＝(MnS)＋(FeO)(CaO)＋[FeS]＝(CaS)＋(FeO)脱硫反应1、熔渣的脱磷磷的危害1)降低钢的冲击韧性，一般应将其含量控制在0.12%以下;2)Fe3P也可以与铁、镍金属等形成低熔点共晶，增大焊缝金属的热裂纹倾向。磷的来源1)焊剂和焊条药皮中的矿石类物质（如锰矿）是焊缝金属磷的主要来源，磷通过熔渣过渡到液体金属中。与脱氧、脱硫的产物不同、钢铁材料中的脱磷产物不是金属磷化物，而是磷酸盐，即氧化磷与金属氧化物的复合物。因此，脱磷反应可以视作两步：用FeO将磷氧化生成氧化磷，用强碱性氧化物（CaO）与氧化磷生成稳定的复合化合物（磷酸盐）。2[Fe3P]+3(FeO)=（P2O3）+9[Fe](P2O3)+3(CaO)=（(CaO)3P2O3）酸性渣含有较多的FeO，有利于磷的氧化，但碱性氧化物少，不利生成稳定的磷酸盐；碱性渣的抗氧化能力弱，不允许含有较多的FeO，否者会使焊缝严重增氧。因此，依靠提高熔渣碱度来增加脱磷的效果有限。脱磷反应3.3.6焊缝金属的合金化合金化就是把所需要的合金元素通过焊接材料过渡到熔敷金属中去的过程。合金化的目的1)补充焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成的合金元素损失；2)消除焊接缺陷，改善焊缝金属的组织和性能；3)获得特殊性能的堆焊层。合金化的方式1）应用合金焊丝或带极；2）应用药芯焊丝或药芯焊条；3）应用合金药皮；4）应用合金粉末；5）熔渣还原反应：合金元素过渡系数及其影响因素合金过渡系数定义为熔敷金属中合金元素的含量与其在焊接材料中初始含量的比值，η=Cd/Ce式中，η——合金元素过渡系数，%；Cd——熔敷金属中的合金元素含量，%；Ce——焊接材料中合金元素的含量，%。过渡系数的影响因素1）合金元素的物化性质；2）焊接方法；3）其他方式，如合金元素含量、合金剂颗粒尺寸和电弧极性等。3.4典型焊接方法的化学冶金3.4.1焊接材料1、焊条焊芯，其作用为导电和填充金属，其典型成分为含碳量0.8%（wt.）的优质或高级优质钢（H08、H08A）。药皮，主要组成包括碳酸盐、金红石、萤石、铁矿石、锰铁、硅铁以及纤维素和水玻璃等。在焊接过程中这些物质发生分解产生气体和熔渣。焊条是一种专门用于焊条电弧焊（亦称“手工电弧焊”）的焊接材料，由一定长度的金属丝外表涂上特殊涂层制成，其中的金属丝通常称为焊芯，外部的特殊涂层称为焊条药皮，简称药皮。焊条的分类按照熔渣的碱度：酸性焊条碱性焊条按照熔敷金属和用途：结构钢焊条耐热钢焊条不锈钢焊条铸铁焊条镍及镍合金焊条铜及铜合金焊条铝及铝合金焊条堆焊焊条等焊条型号例如E4303是钛钙型渣系焊条，可用交直流焊接，焊缝抗拉强度不低于420MPa；E5015是低氢型焊条，采用直流焊接，焊缝最小抗拉强度不低于500MPa。焊条型号的含义序号焊条类别型号类别代号国家标准国际标准1碳钢焊条EGB/T5117—1995AWSA5.12低合金钢焊条EGB/T5118—1995AWSA5.53不锈钢焊条EGB/T983—1995AWSA5.44堆焊焊条EDGB/T984—2001AWSA5.135铸铁焊条EZGB/T10044—2006AWSA5.156铜及铜合金焊条ECuGB/T3670—1995AWSA5.67铝及铝合金焊条EAlGB/T3669—2001AWSA5.38镍基镍合金焊条ENiGB/T13814—2008AWSA5.11(ISO14172:2003)焊条型号和牌号代号对照表2、焊丝焊丝是用作焊接填充材料的金属丝，是埋弧焊、气体保护电弧焊（包括熔化极和非熔化极）、电渣焊等焊接方法中广泛应用的焊接材料。在埋弧焊、熔化极气体保护电弧焊、电渣焊等焊接方法中，焊丝还有导电的作用。1）按适用的被焊材料分类可分为碳钢焊丝、合金钢焊丝、不锈钢焊丝、铸铁焊丝、硬质合金焊丝、铝及铝合金焊丝、铜及铜合金焊丝和镍基镍合金焊丝等。2）按焊丝的形状/结构分类可分为实芯焊丝和药芯焊丝等，其中，实心焊丝又可分为气体保护电弧焊焊丝和埋弧焊焊丝等。实芯焊丝实芯焊丝由热轧线材经拉拔加工而成，为防止生锈，一般焊丝表面还需进行镀铜处理。焊丝名称碳钢焊丝合金钢焊丝铸铁焊丝铝及铝合金焊丝镍基镍合金焊丝型号类别代号ERERRZSAlERNi牌号类别代号HHHSHSHS实芯焊丝型号主要表征了焊丝的类别和特性（熔敷金属的性能、化学成分等），实芯焊丝的牌号主要按焊丝的类别和化学成分编制1）型号与牌号实心焊丝型号实例实心焊丝牌号实例2）选用TIG和MIG：一般选用与母材成分基本相同的焊丝进行焊接即可；MAG：要适当考虑焊接过程的冶金反应特点。焊接过程中将有部分合金元素烧损，因此焊接时应考虑选用Si和Mn含量比母材略高的焊丝。CO2焊：常采用C-Mn-Si系焊丝，这些焊丝中都含有Si、Mn、Ti、Al等脱氧剂，如H08MnSiA、H08Mn2SiA、H04Mn2SiTiA、H10MnSiMo等。埋弧焊：需考虑与焊剂的搭配问题。对于低碳钢和低合金钢，常用的焊丝有低锰焊丝、中锰焊丝和高锰焊丝三类：低锰焊通常与高锰高硅焊剂配合用于焊接低碳钢和强度级别较低的低合金钢；中锰焊丝配合低锰焊剂用于焊接低碳钢，配合中锰或高锰焊剂用于焊接低合金钢；高锰焊丝配合低锰或中锰焊剂用于焊接低合金钢。药芯焊丝药芯焊丝是芯部装有药粉的焊丝，一般由薄钢带卷管（圆形或异形）并同步填粉经拉拔而成。由于药芯焊丝克服了焊条无法实现自动化的局限性，焊接飞溅小、焊缝成形美观、熔敷效率高且可以进行全位置焊接1）按焊丝外层结构分类有缝焊丝、无缝焊丝；2）按药芯材质分类造渣型药芯焊丝、金属型药芯焊丝；3）按渣系的酸碱度分类钛型渣系（酸性）焊丝、钛钙型渣系（中性或弱碱性）焊丝和钙型渣系（碱性）焊丝；4）按焊接保护条件分类气体保护焊丝、自保护焊丝型号与牌号药芯焊丝型号实例结构钢药芯焊丝牌号实例药芯焊丝的类别代号药芯焊丝焊缝金属夏比冲击功不小于27焦和不小于47焦时所对应的温度和代号2、焊剂焊剂是一种颗粒状物质，其成分与焊条药皮相似，主要由各种氧化物和氟化物组成，功能和作用也与焊条药皮相似，也是在焊接过程中通过造气、造渣对焊接区金属起保护和冶金处理作用，因此，焊剂对相关焊接方法（如埋弧焊、电渣焊等）焊缝金属的化学成分和力学性能有重要影响。1）按焊剂适用的焊接方法或材料分类按适用焊接方法可以分为埋弧焊焊剂、电渣焊焊剂和堆焊焊剂；按适用材料可分为钢用焊剂和有色金属焊剂，其中钢用焊剂又可进一步分为碳碳素钢焊剂、低合金钢焊剂和不锈钢焊剂。2）按焊剂制造方法分类按制造方法可以将焊剂分为熔炼焊剂和烧结焊剂，其中烧结焊接又分为低温（300℃-500℃）烧结焊剂和高温（700℃-1000℃）烧结焊剂。3）按焊剂化学性质分类按焊剂的氧化性可以将焊剂分为氧化性焊剂、弱氧化性焊剂和非氧化性焊剂。4）按焊剂熔渣的碱度分类按焊接时形成的熔渣的碱度可以将焊剂分为酸性焊剂、中性焊剂和碱性焊剂。5）按焊剂的化学成分分类按SiO2的含量、按MnO的含量、按CaF2的含量、按SiO2、MnO和CaF2的相对含量、按焊剂的主要成分型号与牌号焊剂型号实例熔炼焊剂型号实例烧结焊剂型号实例焊剂的应用1）硅和锰的过渡高硅（高SiO2含量）或高锰（高MnO含量）的硅锰型焊剂对焊缝金属有强烈的硅或锰过渡倾向，该类焊剂通常用于焊接低碳钢或低合金钢，一般焊剂与焊丝中的硅和锰含量应高低互补，即高硅（锰）焊剂配低硅（锰）焊丝。如高硅无锰或低锰焊剂应配合高锰焊丝，高硅中锰焊剂应配合低锰焊丝，而高硅高锰焊剂应配合低碳钢焊丝或低锰焊丝等。2）焊剂的氧化性氧化性焊剂中因含有大量的SiO2和MnO，对被焊金属有较强的氧化性，因此，一般只能用于焊接低碳钢或低合金钢；弱氧化性焊剂含SiO2、MnO和FeO等活性氧化物含量较少，对被焊金属氧化性较弱，可用于焊接合金钢；非氧化性焊剂（惰性焊剂焊剂）主要由Al2O3、CaO、MgO等惰性氧化物及CaF组成，对焊缝金属基本没有氧化性，可用于焊接高合金钢。3）焊剂的工艺性能与熔敷金属的力学性能一般而言酸性焊剂具有良好的工艺性能，焊缝成形好，但焊缝含氧量高，冲击韧性较低；碱性焊剂焊缝含氧量低、冲击韧性好、抗裂性好，但焊接工艺性能较差；中性焊剂工艺性能和焊缝金属性能总体上介于酸性焊剂和碱性焊接之间。3.4.2焊条电弧焊化学冶金1、钛钙型酸性焊条焊接化学冶金钛钙型碳钢焊条工艺性能优良，广泛用于焊接低碳钢和低合金钢。现以E4303焊条为例，对钛钙型酸性焊条的焊接化学冶金进行简要的分析。E4303焊条焊芯为H08A，主要合金元素为Mn(0.30-0.55