9焊接冶金基础(芦凤桂)II

上节内容回顾焊接热传导的基本方式焊接热循环主要参数及特点作用在熔滴上的力熔滴过渡形式熔渣的作用熔渣碱度2.焊接冶金基础II芦凤桂内容简介2.3有害元素对焊缝金属的作用焊接区气体：氢、氮、氧及其化合物对焊缝金属的作用杂质元素：硫、磷等对焊缝金属的作用2.4焊缝金属的合金化2.5焊接接头的组织与性能2.3有害元素对焊缝金属的作用焊接区气体：氢、氮、氧及其化合物对焊缝金属的作用杂质元素：硫、磷等对焊缝金属的作用2.3.1氢对焊缝金属的作用氢的来源：主要来自焊条药皮或焊剂中的有机物、结晶水或吸附水、焊接和焊丝表面上的污染物、空气中的水分。氢与焊缝金属的作用①氢在金属中的溶解：a.能形成稳定化合物的金属(Zr、Ti、V、Ta、Nb)：溶解氢的反应是放热反应，吸氢量随温度的升高而降低；b.不形成稳定化合物的金属(Al、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo)：溶解氢的反应是吸热反应，焊缝金属温度越高，吸氢量越大；2.3有害元素对焊缝金属的作用氢的溶解途径：气体保护焊时通过气相与液态金属的界面以原子或质子的形式溶入金属；电渣焊时氢通过熔渣层溶入金属；手工焊和埋弧焊兼而有之。氢的溶解度：随着温度的升高氢在不形成稳定化合物的金属中溶解度增大；氢在fcc的奥氏体中的溶解度大于bcc的铁素体；2.3有害元素对焊缝金属的作用②氢在焊缝金属中的扩散在钢焊缝中，氢以H、H＋、H－形式存在，与焊缝金属形成间隙固溶体。扩散氢：氢的原子和离子半径很小，在焊缝金属的晶格中自由扩散的氢；残余氢：扩散聚集到金属的晶格缺陷、显微裂纹和非金属夹杂物边缘的空隙中，结合为氢分子，氢的半径增大，不能自由扩散。氢的扩散和分布是一个比较复杂的问题：a.氢浓度引起的扩散；b.温度分布不均匀各部位氢浓度与饱和浓度差不同引起的扩散；c.点阵结构不同引起的相变诱导扩散。2.3有害元素对焊缝金属的作用氢对焊接质量的影响①氢气孔：熔池吸收大量的氢，结晶时溶解度突然下降，使氢出于过饱和状态，促使2[H]=H2不溶于金属，形成气泡。②白点：焊缝金属断面出现银白色圆形脆断点，白点中心有夹杂或气孔，白点使焊缝金属的塑性大大下降。③氢脆：氢在室温附近使钢的塑性严重下降的现象，氢脆是溶解在金属晶格中的氢引起的，拉伸过程中位错运动造成空腔氢在此聚集为氢分子，造成高压力阻碍塑性变形，氢含量越高，脆化倾向越大。④冷裂纹:扩散氢是导致焊接接头产生冷裂纹的重要因素。2.3有害元素对焊缝金属的作用控制氢的措施①主要控制氢的来源限制焊接材料中的含氢量，清除气体介质中的水分，清除焊件及焊丝表面上的油污、杂质。②冶金处理通过焊接材料的冶金作用，使气相中的氢转化为稳定的氢化物、降低氢的分压，减少氢在焊缝金属中的溶解；增加气相中的氧化性，降低氢的分压。2.3有害元素对焊缝金属的作用③控制焊接工艺参数焊条电弧焊时，焊接电流增加使熔滴变细，增大了氢向熔滴金属溶解的可能性，由于电流增大，电弧和熔滴温度升高，引起氢和水蒸气分解度增大使熔滴吸氢量增加。气体保护焊时，当电流超过临界值，熔滴转变为射流过渡，这时熔滴温度接近金属沸点、金属蒸汽急剧增大而氢分压显著降低，熔滴过渡频率高，速度快与空气接触时间短，可减少熔滴的含氢量。直流正接，H＋向熔滴溶解，焊缝中的氢含量高。④焊后脱氢处理：焊后加热到一定温度，使得焊接接头中的氢通过扩散方法从金属中溢出，从而降低焊接接头中的含氢量。2.3有害元素对焊缝金属的作用2.3.2氮对焊缝金属的作用氮的来源及与焊缝金属的作用：氮的主要来源是空气，焊接区一旦受到空气侵入，便会发生氮与金属作用。有些金属如Cu、Ni、Ag等与氮不发生作用，即使在高温熔化状态也不溶解氮或生成氮化物。因此焊接这类金属时，可用氮作为保护气体。Fe、Ti、Mn、Cr等金属既能溶解氮，又能形成稳定的氮化物。因此焊接这类金属及其合金时必须防止焊缝金属的氮化。氮对焊接质量的影响①氮气孔：由于液态金属在高温时可溶解大量的氮，而凝固结晶时氮的溶解度突然下降，致使过饱和的氮以气泡形式从熔池中逸出。如果焊缝金属结晶速度大于氮逸出的速度时就形成气孔。②降低焊缝韧性、塑性、提高强度：形成间隙固溶体，晶格畸变使得强度提高，塑性、韧性降低；形成氮化物，硬脆的氮化物显著降低塑性、韧性；③时效脆化：在焊接快速加热、冷却过程中，金属中溶解了过饱和的固溶体，随着时间推迟，过饱和氮以针状的Fe4N析出，导致焊缝金属塑性、韧性持续下降（时效脆化）。2.3有害元素对焊缝金属的作用控制氮的措施①加强对焊接区的保护：由于氮来源于空气，所以控制氮的主要措施是加强对焊接区的保护，防止空气与液态金属发生作用。对焊接区通常的保护措施有：气体保护、熔渣保护、气渣联合保护、真空保护等。②选择合理的焊接规范：采用直流反接，减少氮离子向熔滴溶解；短弧；适当增加电流，加快熔滴过渡频率减少焊缝金属中氮含量；③控制材料成分加入Ti、Zr、Al和稀土元素脱氮，适当增加焊丝药皮中的含碳量，使得熔池沸腾利于氮的逸出，碳氧化生成CO、CO2，降低氮分压（含碳量过高会增加焊缝金属淬硬倾向影响强度和韧性）。2.3有害元素对焊缝金属的作用2.3.3氧对焊缝金属的作用氧的来源：电弧中的氧化性气体（CO2、O2、H2O），空气，焊材与焊件的铁锈、水分等。氧与焊缝金属的作用：不能溶解氧，但焊接时发生激烈氧化的金属Mg、A1等；能有限地溶解氧，焊接时也发生氧化的金属如Fe、Ni、Cu、Ti等。这类金属氧化后生成的氧化物能溶解于相应的金属中。①氧的溶解：通常以原子氧和氧化亚铁(FeO)两种形式溶于液态铁中。氧的溶解度随温度的升高而增大。焊缝金属中的氧主要以氧化物(FeO、SiO、MnO等)和硅酸盐夹杂物存在。②焊缝金属的氧化：氧化性气体对焊缝金属的氧化熔渣对焊缝金属的氧化a.扩散氧化：FeO由熔渣向焊缝金属扩散而使焊缝增氧的过程称为扩散氧化(FeO)=[FeO]。分配系数：L=(FeO)/[FeO]影响因素：熔渣的酸碱度、熔渣的温度和熔渣氧化铁含量b.置换氧化：焊缝金属与熔渣中易分解的氧化物发生置换反应而被氧化的过程称为置换氧化。焊件表面氧化物对金属的氧化焊件表面的铁锈和氧化皮在电弧高温作用下将发生分解，并与铁作用(酸性熔渣)（碱性熔渣）2.3有害元素对焊缝金属的作用2.3有害元素对焊缝金属的作用氧对焊接质量的影响①降低焊缝金属的强度、硬度、塑性，降低冲击韧性；②引起焊缝金属的热脆、冷脆及时效硬化，提高脆性转变温度；③降低焊缝金属的物理和化学性能，如降低导电性、导磁性和抗腐蚀性等；④产生气孔，熔池中的氧与碳反应，生成不溶于金属的CO；⑤烧损焊接材料中的有益合金元素，使焊缝性能变坏；⑥产生飞溅，影响焊接过程的稳定性。控制氧的措施①严格限制氧的来源采用不含氧或低氧的焊接材料②控制焊接工艺规范短弧焊、保护③脱氧处理2.3有害元素对焊缝金属的作用焊缝金属的脱氧脱氧处理是通过在焊接材料中加入某种对氧亲和力较大的元素，使其在焊接过程中夺取气相或氧化物中的氧，减少焊缝金属的氧含量。用于脱氧的元素称作脱氧剂。选择原则：①在高温下对氧的亲和力比被焊金属大；②脱氧后的产物应不溶于金属，熔点低，密度小，易浮出；③对金属的性能及焊接工艺性无害。脱氧措施①先期脱氧：在药皮或药芯加热阶段发生的脱氧反应，称为先前脱氧。先期脱氧的目的控制电弧气氛中的氧化性，减少金属的氧化a.酸性焊条的先期脱氧CaCO3=CaO+CO2MgCO3=MgO+CO2CO2+Mn=MnO+CO药皮加热阶段温度低，反应时间短，先期脱氧不完全b.碱性焊条的先期脱氧CaCO3=CaO+CO22CO2＋Si＝SiO2＋2CO2CO2＋Ti＝TiO2＋2CO2.3有害元素对焊缝金属的作用②沉淀脱氧：利用溶解在熔滴和熔池中的脱氧剂与[FeO]和[O]直接反应，把铁还原，脱氧产物转入熔渣而被清除。沉淀脱氧的主要对象是液态金属中的[FeO]。a.酸性焊条的沉淀脱氧脱氧剂：锰铁，脱氧效果好[FeO]+[Mn]=Fe+(MnO)采用硅锰联合脱氧，其脱氧产物熔点低、密度小，有利于消除夹渣；[Mn/Si]＝3～7时，脱氧产物颗粒大，熔点低，脱氧效果好。③扩散脱氧：发生在熔池与熔渣的界面，使熔池中的FeO扩散到熔渣(FeO既溶于熔池又溶于熔渣)从而降低焊缝含氧量的过程称为扩散脱氧。[FeO]=(FeO)熔渣中的FeO活度越低，扩散脱氧效果越好；熔池的搅拌作用有利于扩散脱氧。b.碱性焊条的沉淀脱氧脱氧剂：硅铁、钛铁[Si]+2[FeO]=2[Fe]+(SiO2)[Ti]+2[FeO]=2[Fe]+(TiO2)2.3有害元素对焊缝金属的作用2.3有害元素对焊缝金属的作用（S、P）焊缝中硫、磷的危害及脱除硫、磷的来源:来源于母材、焊丝、焊条、药皮或焊剂的原材料。硫、磷的危害：①硫的危害硫在钢中主要以FeS和MnS形式存在，FeS的危害性最大，它与液态铁几乎无限固溶，室温时在固态铁中的溶解度很小，熔池凝固时S容易偏析，以低熔点共晶形式呈片状或链状分布于晶界，增加了焊缝金属结晶裂纹的倾向，同时还会降低冲击韧度和抗腐蚀性；钢中含有Ni时S的有害作用严重，硫与镍形成NiS，与Ni形成熔点更低的共晶，产生结晶裂纹的倾向更大；当钢焊缝中含碳量增加时，会促进S的偏析，增加了硫的危害性。②磷的危害：磷在液态铁中的溶解度很大，并以Fe2P和Fe3P的形式存在，磷在固态铁中的溶解度很小，磷与铁和镍可形成低熔点共晶，当熔池快速凝同时，磷容易发生偏析，磷化铁常分布于晶界，减弱了晶粒间的结合力，而且它本身既硬又脆。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。2.3有害元素对焊缝金属的作用（S、P）硫的控制①限制焊接材料中的含硫量：焊缝中的S来自焊丝、药皮和焊剂。母材含硫量一般较低，所以必须限制焊焊丝、药皮和焊剂中的含硫量，尽量选择含硫量低的原材料，必须使用含硫量过高的材料时，应预先进行处理，如采用焙烧的办法使其降低到要求范围内；②冶金脱硫：选择对硫亲和力比铁大的元素进行脱硫，元素脱硫：最常用的脱硫剂是锰，其脱硫反应为[FeS]+[Mn]=(MnS)+[Fe]，熔渣脱硫：[FeS]+(MnO)=(MnS)+[FeO]，[FeS]+(CaO)=(CaS)+[FeO]，FeS]+(MgO)=(MgS)+[FeO]磷的控制①限制用于制造焊条药皮、药芯或焊剂中所用原材料的含磷量；②冶金脱磷：2[Fe3P]+5(FeO)=P2O5+11[Fe]P2O5+3(CaO)={(CaO)3.P2O5}2[Fe2P]+5(FeO)=P2O5+9[Fe]P2O5+4(CaO)={(CaO)4.P2O5}碱性渣不允许含有较多的FeO否则使焊缝增氧，不利于脱硫；酸性渣虽含有一定的FeO有利于磷的氧化,但因碱度低,其脱磷能力不如碱性渣；酸性熔渣脱硫比碱性好，碱性熔渣脱磷比酸性好；焊接时脱磷比脱硫更难，控制焊缝的含磷量应当严格限制焊接材料中的含磷量.2.4焊缝金属的合金化焊缝金属的合金化(合金过渡)：通过焊接材料向焊缝金属过渡一定合金元素的过程。焊缝金属合金化的目的①补偿焊接过程中合金元素的烧损造成的损失；②消除焊接工艺缺陷，改善焊缝的组织与性能，例如：加入Mn消除结晶裂纹，加入Ti、Al、B、Mo等细化晶粒，提高塑性、韧性；③获得具有特殊性能的堆焊金属，例如提高耐磨、耐蚀性加入Cr、Mo等元素。2.4焊缝金属的合金化合金化的方式：①通过填充金属过渡：在冶炼填充金属时就把所需的合金元素加入，然后根据焊接工艺要求轧制成实心丝状、带(板)状，把合金元素过渡到焊缝或堆焊层中去，焊缝成分均匀，损失少，成本高；②通过药皮、药芯或焊剂过渡：把所需要的合金元素以铁合金或纯金属粉末，通常称为合金剂加入到药皮、药芯或焊剂中。这种方法的优点是合金成分的配比可以任意调整，因此可以获得任意成分的焊缝或堆焊金属，损失大，合金利用率低；③直接用合金粉末涂敷过渡：把需要的合金元素按比例配制成一定粒度的合金粉末，焊接时把它输送到焊接区或直接涂敷在焊件表面或坡口内，在热源作用下与母材熔合后即可形成合金化的堆焊金属，配调方