8焊接冶金.

焊条电弧焊操作技能焊接冶金第一节焊接冶金过程第二节焊缝金属的结晶焊接冶金过程焊接电弧产生以后，焊接区的物质在电弧高温作用下，会发生激烈的物理化学反应，反应的过程称为焊接冶金过程。包括：焊接冶金过程的特点气体对焊缝金属的影响氮与金属的作用、氢与金属的作用、氧与金属的作用焊缝金属的脱氧、脱硫、脱磷焊缝金属的渗合金焊接冶金过程氮与金属的作用氮与金属不反应也不溶解，如Cu、Ni。氮与金属即反应又溶解，Fe、Mn、Cr、Ti。焊接熔池中氮以原子、离子、氮化物三种形态同时存在。在α-Fe中溶解度很小，冷却时来不及逸出，一部分以过饱和形态存在于固溶体中，提高了焊缝的强度降低了焊缝的塑性和韧性，在焊缝中形成的气孔降低了焊缝的致密性和力学性能。另一部分以针状氮化物（Fe４Ｎ）的形式析出，分布在晶界和固溶体内。提高了焊缝的强度和硬度，使塑性和韧性急剧下降。同时Fe４Ｎ是一种时效产物，即氮是一种能促使焊缝金属时效脆化的元素。当焊缝金属中氮的体积分数0.01%时，对焊缝力学性能影响不大。应当指出，当焊缝中氮与钒同时存在时形成稳定的氮化钒（ＶＮ），可以抑制时效现象。经过正火或调质处理后，ＶＮ以细小的颗粒弥散分布，可以提高钢的强度，而不降低塑性和韧性。焊接冶金过程氢与金属的作用主要来源于药皮、焊剂、空气中的水分以及坡口上的有机物和保护气体不纯等。在电弧高温作用下，电弧区域中的氢主要以原子、离子和分子形态存在。当温度大于5000K时，主要以原子存在。温度低于2000K时，主要以分子存在。第一类与锆、钛、钒、鉭、铌能形成稳定的氢化物。300~700C°吸氢量大，高于700C°时吸入量减小，氢化物分解，氢可以扩散逸出。焊接时防止低温吸收大量的氢。第二类与铁、铝、镍、铜、铬、钼不能形成稳定的氢化物，但能溶于这类金属中，并随温度的升高，溶解度也增加。焊缝中大部分氢以离子或原子存在。一部分氢的原子或离子可在金属晶格中自有扩散，称之为扩散氢。可从焊缝表面逸出一部分。一部分聚集到金属的晶格缺陷或非金属夹杂物的空隙中结合成分子，不能自由扩散称为残余氢。对钢焊接而言，氢的危害极大。一方面是暂态现象氢脆和白点，可通过热处理消除；另一方面是气孔和裂纹，是永久现象，不可消除。氢脆和白点使塑性和韧性大大下降，裂纹则导致结构直接脆断破坏。此外，残余在焊缝中的氢还产生很大的组织应力。焊接冶金过程焊接冶金过程的特点热过程的特性确定了冶金过程的特点：1、电弧温度高。药皮中物质的分解产出大量的气体，在熔池周围形成一个保护层；同时，ＣＯ2、Η2等大量分解出来的气体原子或离子很容易溶入到熔池金属中，由于冷却速度快，溶解度不断下降，结果来不及析出而残留在焊缝中；电弧高温作用下，还会产生金属蒸汽，合金元素易被氧化，即烧损，使焊缝合金元素的含量下降，分布不均匀。2、熔池反应时间短。焊缝金属的冶金反应不充分，组织成分差异较大。3、熔池体积小，而反应接触面积大。以焊条电弧焊为例熔池质量仅为3~5克，而熔滴的表面积可达1~10㎝2/g，比炼钢时大1000倍，使反应冶金激烈，并有强烈的混合作用。4、熔池反应是运动的。焊接熔池不断地移动，参与反应的物质不断改变，使焊接熔池冶金反应更为复杂。焊接冶金过程气体对焊缝金属的影响气体来源于焊接材料、焊件坡口的铁锈、油污和吸附的水分；也可能来自于大气。由于焊接方法、焊接电流、药皮和焊剂成分不同，气体成分为CO、Ｈ2和水分等，由于熔池保护不当、空气中的N2混入熔池。这些气体一旦侵入熔池，将对焊缝的性能产生极为不利的影响。COＨ2Ｈ20N2N2ＨCON2焊接冶金过程氧化性气体与金属的作用1、自由氧对金属作用。药皮中高价氧化物（Mn2O2、Fe2O3）分解或空气中氧的侵入。2、CO2对金属作用。药皮中碳酸盐分解或CO2气体保护焊。3、H2O对金属作用。焊接区水蒸气在高温下分解。[Fe]+1/2O2=FeO+26.97KJ/mol[Fe]+O=FeO+515.76KJ/molCO2=CO+1/2O2H2O=H2+1/2O2H2O=1/2H2+OHH2O=H+OHH2O=2H+O原子氧对金属的作用比分子氧更激烈。水蒸气能分解出氧与金属作用，也能分解出氢，使焊缝增氢，所以，应限制水分的来源。第三节焊接冶金过程2、置换氧化焊缝金属与熔渣中浓度高易分解的氧化物发生置换反应而被氧化的过程，称置换氧化。(SiO2)+[Fe]→[Si]+2FeO(MnO)+[Fe]→[Mn]+FeOSiO2、MnO浓度高反应向右，浓度低反应向左；温度高反应向右，温度低反应向左。置换氧化发生在熔池熔滴阶段及熔池头部高温区。反应结果焊缝中硅、锰、氧都增加。低碳钢低合金钢焊接由于硅锰增加，抗裂性能提高；高合金钢和合金焊接中，由于硅的增加，使力学性能首先是低温冲击韧性显著变坏，应设法降低SiO2的含量。熔渣中氧化性熔渣与金属的作用扩散与置换生成的FeO，一部分进入熔渣，一部分进入熔池，使焊缝增氧。焊接冶金过程焊件和填充金属表面的氧化物与金属的相互作用。焊件和填充金属表面氧化物主要是铁锈焊接时发生分解。2Fe(OH)3Fe2O3+3H2O分解出来的水进入气相，增加了气相的氧化性，Fe2O3和液态Fe继续发生作用：Fe2O3+Fe3FeO氧化皮的主要成分是Fe3O4，它也与液态Fe发生作用：Fe3O4+Fe4FeO反应生成的FeO大部分进入熔渣，小部分进入焊缝，使焊缝增氧。所以，焊前对焊接区的清理、打磨除油除锈是必要的。焊接冶金过程氧在焊缝中有两种形式同时存在，以原子状态单独溶解在金属中，但数量极小；大多数以夹杂物点状分布或沿晶界形成细小疏松的网状分布。无论何种形式含氧量增加，将使金属的硬度、强度、塑性明显下降，尤其是低温冲击韧度集聚下降，还会引起红脆、冷脆和时效硬化。氧还会与液态金属中的C反应生成CO，引起飞溅，导致焊缝产生气孔。焊接有色金属时，氧的危害更加突出。脱氧是分阶段、分区域连续进行的，按脱氧的方式和特点分为先期脱氧、沉淀脱氧、扩散脱氧。氧对焊缝金属的危害焊接冶金过程脱氧的目的与脱氧剂的要求脱氧的目的就是要减少焊缝中的含氧量。通过焊丝、焊剂或焊条药皮中加入某些对氧亲和力较大的合金元素，使它们在焊接过程中夺取气相或氧化物中的氧而自身被氧化，从而减少焊缝金属中的氧化及焊缝含氧量。脱氧剂应该是在焊接温度下对氧的亲和力比被焊金属大，焊接铁基合金时，生产中常用Al、Ti、Si、Mn等的铁合金或金属粉作为脱氧剂，元素对氧的亲和力越大，脱氧的能力就越强。脱氧的产物不能溶于液态金属，密度小于液态金属的密度，以便脱氧产物上浮到熔渣中去，减少焊缝金属的夹杂物。焊接冶金过程先期脱氧•先期脱氧发生在药皮或焊剂加热而未熔化前的过程中。其特点是脱氧过程和脱氧产物与熔滴不发生直接关系。当药皮或焊剂加热到450℃时以上时，药皮中的高价氧化物及碳酸盐等受热分解产生CO2或氧与药皮中的脱氧剂发生置换反应，生成的氧化物转入熔渣固定下来。Fe2O3+Mn==MnO+2FeO、FeO+Mn==MnO+Fe、2CaCO3+Si==2CaO+SiO2+2CO、2CaCO3+Ti==2CaO+TiO2+2COCaCO3+Mn==CaO+MnO2+CO反应的结果使气相的氧化性减弱。由于药皮焊剂加热阶段温度低，先期脱氧不完全，尚需进一步脱氧。脱氧的效果取决于脱氧剂对氧的亲和力、粒度、氧化剂和脱氧剂的比例，及焊接工艺参数。焊接冶金过程沉淀脱氧Mn的脱氧沉淀脱氧是在熔滴和熔池内进行的。特点是脱氧剂和[Fe0]直接反应，将铁还原，使脱氧产物转入熔渣而被清除。1、Mn的脱氧反应：Mn来自药皮和焊丝[Mn]+[Fe0]==[Fe]+(Mn0)脱氧效果与Mn的含量有关，增加Mn的含量可提高脱氧效果；与渣的酸碱度有关，在含有较多SiO2、TiO2的酸性熔渣中Mn0与其复合成稳定的Mn0·SiO2、Mn0·TiO2减小了Mn0的活度，脱氧效果好；在碱性熔渣中SiO2、TiO2的含量少，因而Mn0活度大，不利于脱氧。故酸性焊条多采用Mn脱氧。焊接冶金过程沉淀脱氧Si的脱氧2、Si的脱氧反应：Si对氧的亲和力比Mn大[Si]+2[Fe0]==2[Fe]+(Si02)提高Si的含量和熔渣的碱度，可提高脱氧效果，但生成的Si02熔点高，黏度大，不宜从液态钢中分离，易造成夹渣，故一般不单独用Si脱氧。Si在碱性熔渣中脱氧效果好，酸性熔渣中脱氧效果差。3、采用Si、Mn联合脱氧。脱氧产物相互结合成熔点低，密度小的复合物进入熔渣。实践证明，当[Mn]/[Si]=3~7时，脱氧产物可形成Mn0·Si02硅酸盐浮到熔渣中去，减小焊缝的夹杂物，降低焊缝的含氧量。碱性焊条药皮中加入硅铁和锰铁进行联合脱氧，效果较好。第三节焊接冶金过程扩散脱氧扩散脱氧是Fe0从熔池向熔渣扩散，从而降低焊缝中Fe0的浓度。扩散脱氧是扩散氧化的逆过程。[FeO]→(Fe0)当温度下降时，反应向右进行，熔池中的Fe0向熔渣扩散。所以扩散脱氧是在熔池尾部低温区进行的，处于熔池凝固阶段。在温度不变的条件下，Fe0在渣中的活度越低，脱氧效果越好。当渣中较多的强酸氧化物SiO2、TiO2时，易于Fe0形成复合物，而使渣中Fe0的活度降低，液态金属中的Fe0便不断向渣中扩散。所以酸性渣有利于扩散脱氧，而碱性渣扩散脱氧能力较差。焊接冶金过程通常母材和焊材中硫磷含量较低，对焊缝影响不大。但是，药皮焊剂中含有相当的硫磷，过渡到焊缝就造成危害。1、FeS和MnS与液态铁能无限互熔，与铁和镍形成低熔点共晶物，Fe·FeS（985℃），FeS·FeO（940℃），NiS·Ni（644℃），熔池凝固时易产生偏析，增加焊缝金属热裂纹倾向，降低冲击韧度和抗腐蚀性。当钢中含碳量增加，会促进硫的偏析，加重硫的危害。硫磷对焊缝金属的危害2、Fe3P和Fe2P在液态铁中溶解度很大，磷与铁镍能形成低熔点共晶Fe3P·Fe（1050℃），Ni3P·Fe（880℃）。然而，磷在固态铁中溶解度只有千分之几，熔池凝固时，磷容易发生偏析，磷化铁分布于晶界，削弱了晶界结合力；而且本身又硬又脆，增加了焊缝金属的冷脆性，冲击韧度降低，脆性转变温度升高。焊接冶金过程选择对硫亲和力比铁大的元素进行脱硫。最常用的脱硫剂是Mn，脱硫反应为：[FeS]+[Mn]==(MnS)+[Fe]MnS不溶于钢液，大部分进入熔渣，少量残留在焊缝中，以点状弥散分布，危害较小。反应为放热反应，熔池温度降低，有利于脱硫，但温度低的熔池尾部，冷却快，反应时间短，脱硫不完全。因此，增加熔池中Mn的含量才能取得好的脱硫效果。焊缝金属的脱硫熔渣中碱性氧化物MnO、CaO也能脱硫：[FeS]+(MnO)==(MnS)+[FeO]、[FeS]+(CaO)==(CaS)+[FeO]生成的MnS、CaS不熔于液态钢进入熔渣。增加MnO、CaO的含量，减少FeO的含量（加强脱氧），有利于脱硫。碱性渣的脱硫能力比酸性渣强。焊接冶金过程药皮和焊剂中的锰矿是焊缝增磷的主要来源，以(MnO)3·P2O5的形式存在，焊接时P通过(MnO)3·P2O5+11[Fe]=3(MnO)+2[Fe3P]+5(FeO)-Q，反应进入熔池。这一反应为吸热反应，在熔池头部有利于磷向熔池过渡。焊缝金属的脱磷头部磷对氧的亲和力比Fe大，因此，熔渣中存在适量的碱性氧化物CaO和FeO时，就可使磷氧化，又使生成物转变为稳定的复合物进入熔渣，达到脱磷目的。2[Fe3P]+5(FeO)=P2O5+11[Fe]P2O5+3(CaO)=(CaO)3·P2O5P2O5+4(CaO)=(CaO)4·P2O5提高熔渣碱度可增强脱磷效果。碱性熔渣中不允许有较多的FeO，所以脱磷效果不理想；酸性熔渣虽然有较多的FeO，有利于磷的氧化，但碱度低，脱磷效果更差。所以脱磷比脱硫更困难。焊接冶金过程焊缝金属合金化的目的1、补偿焊接过程中因蒸发和氧化所引起的合金元素的损失。保证焊缝金属的成分和性能2、消除某些焊接工艺缺陷，改善焊缝金属的组织和力学性能。焊缝中Mn的含量≥0.6%，可以消除硫的危害；为细化晶粒提高韧性，向焊缝过渡Ti、Al、Mo等合金元素。3、获得具