1、第第3 3章章 焊接化学冶金焊接化学冶金3.1 焊接化学冶金系统及其特点焊接化学冶金系统及其特点3.2 气体与金属的冶金反应气体与金属的冶金反应3.3 熔渣与金属的冶金反应熔渣与金属的冶金反应3.4 典型焊接方法的化学冶金典型焊接方法的化学冶金 焊接保护性气体：保护气、造气剂分解；杂质气体：氧化物、油污及吸附水分的蒸发；其他气体：液体金属和熔渣的蒸发、残留空气等。2.2 气体与金属的冶金反应气体与金属的冶金反应2.2.1 焊接区气体焊接区气体 焊接区气体组成焊接区气体组成 N2、O2、H2O、CO2、Ar、熔渣与金属的高温蒸汽 气体来源气体来源1、气体的来源与组成、气体的来源与组成2、焊接区气
2、体分解与电离、焊接区气体分解与电离 焊接区气体的分解焊接区气体的分解 焊接区内的气体分子在高温条件下将发生分解反应，气体大分子转变成小分子、进而转变成单个原子。气体分子的分解程度通常用分解平衡常数（K）和分解度（）来描述：气体分解反应的平衡常数定义为某温度下分解产物的摩尔数的乘积与反应物摩尔数的比；分解度定义为某温度下已分解气体摩尔数与反应前气体摩尔数的比。气体分子分解反应的平衡常数可以表示为：dlnK/dT=H/RT2式中K气体分解反应平衡常数；H反应热效应，J/mol；T反应温度，K；R气体常数，8.31J/mol K。反应方程式H0298（kJ/mol）反应方程式H0298（kJ/mol
3、）F2=F+F-270CO2=CO+1/2O2-282.8H2=H+H-433.9H2O=H2+1/2O2-483.2O2=O+O-489.9H2O=H2+O-977.3N2=N+N-711.4H2O=2H+O-1808.3 气体分子分解是吸热反应，此处的反应热效应H是负值，并且数值越负，表示气体分解需要的热量越多，越不利于分解反应的进行。GG22平衡常数：22GGpPPK分解度：004PKKnnapp对于简单双原子分子，如H2、O2、N2等，反应通式表示：种简单气体的分解度曲线(P0=0.1MPa)对于三个及以上原子组成的复杂气体分子，发生的产物和分解途径比较复杂。CO2和H2O是焊接化学冶
4、金区内常见的两种复杂气体，在高温下CO2气体只有一种分解途径，而H2O则有多种分解途径两种复杂气体的分解度曲线单原子气体当获得足够的能量后将发生热电离。电离所需要的能量比分解时高，需要更高的能量。有电弧存在时，会发生碰撞电离和光电离，因此实际焊接区内气体离子化过程复杂，产生的离子数量很多。焊接区内气体的电离焊接区内气体的电离几种气体的热电离反应曲线焊接区周围的空气是氮的主要来源。尽管焊接时采取各种保护措施，但是总有或多或少的氮侵入焊接区，与高温金属发生作用，对焊接质量产生影响。不与氮发生作用的金属，如铜、镍等，既不溶解氮，又不形成氮化物，可以用氮作为保护气体；与氮发生作用的金属，如铁、锰、钛等
5、，既溶解氮又与氮形成稳定的氮化物，焊接这类金属及其合金，防止焊缝金属的氮化是一个重要问题。根据与氮的作用特点，金属分为两类：3.2.2 氮与焊接区金属的作用氮与焊接区金属的作用1、氮的来源、氮的来源2、氮的溶解、氮的溶解分子溶解分子溶解 气体分子向气体-金属界面上运动；气体被金属表面吸附；气体分子在金属表面上分解为原子；气体原子穿过金属表面层，并向金属深处扩散。离子溶解离子溶解在焊接化学冶金区形成的离子有带正电荷的N+和带负电荷的NO-，电弧气氛中的N+将在负极表面富集，NO-在正极表面富集。原子溶解原子溶解 5000K时开始发生分解，至8000K时基本完全分解，电弧焊弧柱中心温度超过5000
6、K，高能束流中心区域温度超过10000K，氮原子被液体金属吸附，溶入液体金属表面并扩散到液体金属内部。氮氮的溶解度的溶解度22NNNPKSKN2氮溶解反应的平衡常数，取决于金属的种类和温度；PN2气相中分子氮的分压。溶解度是指在一定温度下溶剂所能容纳溶质的最大浓度，又可称为平衡状态饱和浓度氮在纯铁中的溶解度曲线1600平衡状态下氮在液态纯铁中的浓度 焊缝焊缝氮气孔氮气孔氮在金属中的溶解度存在突变。保护不良时，高温液体金属可以吸收大量的氮，在金属凝固过程中，过饱和的氮将以气泡的形式从熔池中外逸，逸出不及时就会在焊缝中形成氮气孔。3、氮对焊接质量的影响、氮对焊接质量的影响氮气孔焊缝金属氮焊缝金属氮
7、脆化脆化固体焊缝金属中残留的过饱和氮，一部分则以针状氮化物（Fe4N）的形式析出，分布在晶内或晶界，使焊缝金属的强度升高，塑性和韧性，特别是低温韧性急剧下降。低碳钢焊缝中的针状氮化物焊缝的力学性能与含氮量的关系焊缝焊缝时效脆化时效脆化焊缝金属中过饱和固溶的氮原子处于不稳定的高活性状态，随着时间延长将逐渐扩散至晶格不完整的地方，例如晶界、相界及位错等处，与基体金属形成氮化物（Fe4N）而析出。时效析出的Fe4N与前面提到的在焊缝金属冷却过程中形成的Fe4N一样，也是脆性的针状相，严重降低焊缝金属的韧性。由于这些Fe4N相是时效过程中不断析出的，因此称为焊缝金属的时效脆化。当焊缝金属中存在能形成稳
8、定氮化物的元素，如钛、铝、钒、锆等，可当焊缝金属中存在能形成稳定氮化物的元素，如钛、铝、钒、锆等，可以抑制或消除时效现象。以抑制或消除时效现象。4、影响、影响焊缝含氮量的因素及控制措施焊缝含氮量的因素及控制措施焊接焊接保护保护焊接区内的氮气主要来源于周围空气的侵入，不同的焊接方法，由于保护效果不同，焊缝的含氮量不同。电弧长度（电弧电压）过大，焊接区的保护效果难以保证，同时熔滴与气相的的接触时间延长，焊缝的含氮量增大。增加焊接电流，熔滴过渡频率增大，氮与熔滴的接触时间短，焊缝含氮量少。焊接速度对焊缝含氮量影响不大。在同样的焊接条件下，增加焊丝的直径可以减少焊缝含氮量。焊接工艺参数焊接工艺参数焊接
9、工艺参数对焊缝含氮量的影响合金元素合金元素钛、铝、锆、钒以及稀土元素对氮的亲和力较大，能形成稳定的氮化物，且氮化物不溶于液态金属，而进入渣内，减少液体金属中的氮含量。碳能够降低氮在铁液中的溶解度，同时碳在氧化性气氛中生成大量的CO、CO2等气体，降低氮的分压，均有利于降低焊缝含氮量焊丝中合金元素对焊缝含氮量的影响2.2.3 氢的焊接化学冶金氢的焊接化学冶金焊接区内氢的来源有焊接材料中的各类水分、焊丝和母材待焊处表面的铁锈与油污等杂质、电弧周围空气中的水蒸汽等。一般熔焊时总有或多或少的氢与金属发生作用。1、氢的来源与溶解、氢的来源与溶解H2O是焊接区氢的主要来源。是焊接区氢的主要来源。氢的来源氢
10、的来源氢向金属中的溶解途径与焊接方法有关：气体保护焊时氢通过气相与液态金属的界面以原子或质子形式溶入金属；渣保护焊时氢是通过熔渣溶入金属；手弧焊是气-渣联合保护焊，两种途径都可能。氢的溶解氢的溶解钨极氩弧焊气氛中的氢在熔池不同部位的溶解途径和溶解数量焊接冶金区气相中以H+离子的氢具有更高的活性。在直流反接时熔滴溶解的氢更多。氢在金属中的溶解度与金属的性质、温度及氢分压有关;对于同一金属而言，一定温度下氢分压越高溶解度越大，一定氢分压条件下温度越高溶解度越大;金属发生相变时（液-固、固-固）氢溶解度会发生突变.氢在金属中的溶解度曲线氢的溶解度氢的溶解度2、氢的存在形式与分布、氢的存在形式与分布根
11、据氢与金属的相互作用特点，可以把金属分为两类：1）氢在焊缝金属中的存在形式）氢在焊缝金属中的存在形式氢化物形成金属氢化物形成金属含量低时以原子形式存在，含量达到一定值后可形成比较稳定的氢化物，加热时会发生分解逸出。如Ti、Zr、V、Ta、Nb等。氢化物形成金属的氢含量与温度的关系非氢化物形成金属非氢化物形成金属除上述氢化物形成金属以外，氢主要以固溶原子形式存在于金属晶格间隙中，形成固溶体（多数情况下是过饱和固溶体）。这种原子状态的氢具有很强的扩散能力，可以在焊缝金属的晶格中自由扩散，成为扩散氢扩散氢。一部分的扩散氢容易在金属晶格缺陷、显微裂纹和非金属夹杂边缘等晶格不连续的地方发生聚集，浓度达到
12、一定值后结合成H2分子氢，失去在晶格自由扩散的能力，称为残余氢残余氢。焊缝金属中的含氢量是指扩散氢与残余氢的总和 焊件在焊后存放过程中，一部分固溶氢原子扩散在焊缝金属内部晶格缺陷处结合成为残余氢，还有一部分氢扩散至焊缝金属表面而逸出，因此焊缝中的含氢量是随时间变化的。熔敷金属中的含氢量熔敷金属中的含氢量是指焊后立即按标准方法测定并换算成标准状态下的含氢量。焊缝含氢量与焊件放置时间的关系v 低氢型焊条熔敷金属中的扩散氢含量明显低于其它类型焊条。v CO2焊是一种超低氢的焊接方法。不同焊接方法获得熔敷金属的含氢量2)氢氢在焊接接头中在焊接接头中的分的分布布含氢量在焊接接头的分布 焊缝金属中的氢原子
13、能够在焊缝金属中长距离扩散，转变成残余氢或从焊缝金属中逸出；氢原子在焊缝金属中扩散的驱动力源自其化学活度，是浓度梯度、相对过饱和度、温度梯度、晶格类型等因素的综合体现；母材金属通常含氢量很低，焊缝金属到母材氢的浓度梯度很大，焊缝中的氢常常越过焊缝边界向母材中扩散一定的深度，3、氢、氢对焊接质量的影响对焊接质量的影响1）焊）焊缝氢气孔缝氢气孔 在结晶时由于溶解度突然下降，使氢处于过饱和状态，促使氢原子合成反应，生成氢分子（氢气）在液态金属内形成氢气泡。当氢气泡的逸出速度小于熔池结晶速度时，残留在焊缝金属中成为氢气孔。2）焊缝金属的氢脆）焊缝金属的氢脆断面收缩率与变形时间的关系 含氢钢在室温附近中
14、等变形速度下加载时塑性明显下降的现象称为氢脆。含氢量高的铁素体焊缝氢脆现象尤其明显。焊缝金属的氢脆程度取决于含氢量、试验温度、变形速度及焊缝金属的组织结构3）白）白点点 含氢金属在其变形断裂面上出现的银白色圆形局部脆断点，又称鱼眼。白点是微小夹杂物或气孔在金属塑性变形过程中对氢原子的“陷阱”效应而引起的。焊缝金属对白点的敏感性与氢含量和组织等因素有关。氢在铁素体钢中的溶解度小、扩散速度快，易于逸出，而在奥氏体中溶解度大、扩散缓慢，难于聚集，因而，铁素体钢和奥氏体钢对白点不敏感。4）氢致裂纹）氢致裂纹氢致裂纹是焊接接头在较低的温度（马氏体转变温度）产生的一种裂纹，也称延迟裂纹。氢是延迟裂纹形成的
15、要素之一4、氢、氢的控制措施的控制措施1）限）限制焊接材料中的含氢（水）量制焊接材料中的含氢（水）量 焊材的各种原材料都不同程度地含有各种吸附水、结晶水、化合水或溶解的氢，制造低氢型焊材应尽量选用含水（氢）少的原料。适当提高原料的烘焙温度可降低其含水量，降低焊缝含氢量。保护气体，气体的纯度对于焊缝金属含氢量有很大影响焊缝含氢量与焊条烘焙温度的关系2）工件的表面状态）工件的表面状态 焊丝和焊件待焊面上的铁锈、油污、吸附的水分及其他含氢物质是焊缝增氢的另一个重要原因。为防止焊丝生锈，常常表面镀铜处理。焊接铝、镁、钛等金属及其合金时，由于表面存在结构不致密的含水氧化物膜，必须采用机械或化学方法清理。
16、3、冶金因素、冶金因素 氧能有效降低氢在液态铁、低碳钢和低合金钢中的溶解度，以及抑制氢的溶解反应；氧也是一种表面活性元素，可以减少液体金属对氢的吸附。在药皮或药芯中加入微量的稀土元素，如稀土元素钇（Y）和碲（Te）能够大幅度降低熔敷金属扩散氢的含量，尤其是钇的添加不仅可以降低扩散氢的含量，而且能够提高焊缝的韧性焊缝含氢量与保护气体中CO2含量的关系药皮中钇含量对熔敷金属扩散氢含量的影响 焊后及时加热焊件，促使扩散氢外逸，从而减少焊接接头中含氢量的工艺称为脱氢处理；脱氢处理工艺为：3501h；对于奥氏体钢及铝、钛等合金脱氢处理效果不大。4）工艺因素）工艺因素焊接工艺因素对焊缝金属含氢量的影响是很
17、有限的，通常不单独作为控制焊缝金属含氢量的手段去使用。CO2气体保护电弧焊焊是一种超低氢的焊接方法，直流反接获得的焊缝金属含氢量较直流正接或交流要低一些。焊缝氢含量与焊后热处理工艺参数的关系1、氧的来源与溶解氧的来源与溶解1）氧的来源：）氧的来源：来自空气、来源于焊接材料。3.2.4 氧的焊接化学冶金氧的焊接化学冶金2）氧的溶解）氧的溶解 溶解氧的金属，如Fe、Ni、Ti等；不溶解氧的金属，如Mg、Al等，焊接时形成氧化物不溶于金属。溶解途径包括气相溶解和熔渣溶解，原子氧O和氧化亚铁FeO的共存；氧是铁液的表面活性元素，在铁液中形成富氧金属层。当表面氧含量达到一定数量后可反应生成FeO；FeO
18、的量较少时，溶解于铁液中；的量达到一定数量后，部分氧化铁脱离铁液而析出。22OOPP22OOPP金属被还原平衡状态金属被氧化金属氧化物的分解压 可以作为判断金属氧化还原反应的判据。2OP在金属-氧-金属氧化物系统中，氧的分压为2OP则2 2 2OFeFeO由于FeO溶于铁中，所占比例很小，分解的可能性很小，分解压很少，因此，焊接区域内微量的氧即可使铁氧化。2、液体金属、液体金属的氧化的氧化22OOPP钢液中常含有其他与氧的亲和力比铁的元素，如C、Si、Mn等，它们与氧发生反应：COOC221)(212MnOOMn)(22SiOOSi焊接区域的氧化性程度常用合金元素的过渡系数衡量。过渡系数过渡系
19、数：元素由焊丝过渡到熔敷金属中的百分数。3 3、氧、氧对焊接质量的影响对焊接质量的影响 力学性能力学性能 氧在焊缝中不论以何种形式存在都影响焊缝的力学性能，通常使强度、塑性和韧性明显下降。物理、化学性能物理、化学性能降低焊缝的导电性、导磁性和抗蚀性等，有色金属、活性金属和难熔金属时氧的有害作用更加突出。CO气气孔孔与碳发生反应，生成不溶于金属的CO，会形成气孔。焊接工艺性能焊接工艺性能熔滴中的含氧和碳较多时，生成的CO受热膨胀，造成飞溅。氧对低碳钢焊缝力学性能的影响4 4、控、控制氧的措施制氧的措施 净化材料净化材料焊前严格清理焊接材料和母材待焊处的氧化物、油污、水分等有利于减少焊缝含氧量。强化保护强化保护为了减少焊缝含氧量，尽量采用短弧焊接。冶金脱氧冶金脱氧在焊接材料中加入合适的元素，使之在焊接过程中夺取氧，以减少被焊金属的氧化，从液态金属中排出氧。
