焊接冶金学.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流焊接冶金学.精品文档.从发展趋势看,焊接逐步向高效率、高质量,降低劳动强度,降低能源消耗的方向发展。焊接能源应当:热量高度集中,可快速实现焊接过程,并保证得到致密而强韧的焊缝和最小的焊接热影响区热源种类 电弧热、化学热、电阻热、高频热源、摩擦热、等离子焰、电子束、激光束等等。焊接过程的热效率 热源提供的热量为Q0,有效地用于加热焊件的热量为Q,那 一定条件下是常数,决定于热源性质、焊接工艺方法、焊接材料种类、焊接金属的性质及尺寸形状等。焊接传热的基本形式:电弧焊条件下,由热源传给焊件主要以辐射和对流为主;母材和焊条获取热量后,以热传导为主。
2、焊接传热研究内容主要是焊件上的温度变化及其分布。温度梯度:构件上某点温度最大方向导数。稳定温度场:焊件上各点的温度不随时间的改变而变。焊接准稳定温度场:对于正常焊接条件下移动热源,经过一定的时间以后,焊件各点温度虽随时间而变化,但温度能跟随热源一起移动,热源下各点的温度相对保持不变。加热和熔化焊条的热能:电阻热、电弧热和化学反应热。电阻加热:电阻加热使焊芯和药皮的温度升高。焊条金属的熔化: 焊条金属的熔化速度在焊接过程中是不均匀的。焊条金属平均熔化速度: 单位时间内熔化焊芯的质量或长度,即平均熔化速度,试验表明与焊接电流成正比。熔敷速度:单位时间内焊接材料进入焊缝金属的质量。损失系数:飞溅、氧
3、化和金属蒸发损失焊条金属与熔化金属总量之比。分析可知提高焊条熔化速度的途径:增加电弧在焊条端部析热;提高过渡频率,以细颗粒过渡;在药皮中加入铁粉或其他金属添加剂;适当增加电阻热等研究熔滴过渡的意义:过渡影响焊接过程稳定性、飞溅大小、焊缝成形和缺陷产生;影响高温冶金反应的时间、温度、比表面;调节焊接热输入,影响焊缝结晶、改变热影响区的尺寸和性能;影响焊条金属的溶化速度比表面:熔滴的表面积Fg与其体积Vg或质量之比对低碳钢熔滴平均温度21002700K。 电流 I,熔滴温度T 焊条直径,T熔池的形状、尺寸、温度、存在时间、流动状态对熔池中的冶金反应、结晶方向、晶体结构、夹杂物数量分布、焊接缺陷的产
4、生均有重要影响。准稳定期熔池的形状类似于不标准的半椭球:I,Bmax HU,B HL=P2UIP2比例系数,与方法、电流有关熔池表面积:14cm2比表面:(0.313)10-3m2/kg熔池金属运动的原因:温度不均匀造成的对流: 表面张力差引起的对流, 热源机械力产生的搅拌作用熔池金属运动作用:使焊缝金属成分均匀 , 有利于气体、非金属夹杂外逸 .加速冶金反应,消除焊接缺陷 熔合边界运动受到限制,出现化学成分的不均匀性。焊接化学冶金过程:熔焊过程中,焊接区各种物质之间在高温下相互作用的过程。 该过程对焊缝金属成分、性能、焊接缺陷的产生及工艺性能都有很大影响焊接过程保护的必要性: 无保护下焊接,
5、焊缝金属与母材和焊丝比较发生了很大变化。保护方式:熔渣保护 气体保护 渣气联合保护 真空保护 ,保护效果以焊缝金属中氮的含量评价。药皮反应区 :温度 : 100熔点 ,反应 水蒸发、物质分解和铁合金氧T100吸附水蒸发,200400结晶水被排除,化合水需要更高温度才能析出 有机物、碳酸盐分解 铁合金氧化先期脱氧 ,药皮反应阶段是一准备阶段,对质量有一定影响熔滴反应区 :温度高( 斑点温度:2800,平均18002400) ,比表面大( 约为炼钢的1000倍) 作用时间短 (反应主要在焊条末端进行熔滴与渣发生强烈的混合 对焊缝金属的成分影响非常大反应:气体分解、溶解、金属蒸发、氧化还原、合金化熔
6、池反应区物理条件: 温度相对低 16001900,且分布不均。比表面小3130cm2/kg 反应时间稍长 38s 化学条件: 浓度差小,反应速度 药皮重量系数Kb影响 药皮重量系数Kb:单位长度上药皮与焊芯的质量比 Kb大时,有部分药皮只参与熔池反应。 临界药皮厚度h0熔池反应是不断更新的 结论:熔池阶段的反应速度比熔滴阶段小,且在整个反应过程中的贡献较小;但在某些情况下(大厚药皮)熔池反应也有相当大的作用熔合比:焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例。 熔合比的数值取决于焊接方法、规范、接头型式和尺寸、坡口型式和角度、母材性质、焊接材料种类以及焊条的倾角。因此,要保证焊缝金属和性能的稳定性,必须
7、严格控制焊接工艺条件,使熔合比稳定;堆焊时,需要调节焊接规范使熔合比尽可能小,减少母材成分对堆焊层性能的影响;异种钢焊接熔合比对焊缝成分和性能影响很大,要根据熔合比选择焊接材料。熔滴过渡特性的影响l 熔滴阶段 I反应时间t;V反应时间t l 气体的来源和产生 焊接区的气体主要来源于焊接材料;热源周围的空气会少量侵入电弧;焊丝和母材坡口附近的铁锈、油污、油漆、吸附水等 (1)有机物的分解、燃烧 (2)碳酸盐、高价氧化物的分解 (3)材料蒸发 物质的沸点越低越容易蒸发;溶液中物质浓度越高,饱和蒸气压越大,越易蒸发 氮对金属的作用 焊接区周围的空气是气相中氮的主要来源。 氮的溶解过程 :气体分子向气
8、体与金属界面上运动,气体被金属表面吸附,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,这个过程不受电厂影响,氮的溶解随温度增高而增大 ;温度继续增加,溶解度急剧下降。 当凝固时,氮的溶解度突然下降电弧条件下氮气的溶解比平方根定律计算高。原因:电弧中受激分子、原子溶解快;N+可在阴极溶解;其它含氮物质分解引起溶解度增加。氮对焊接质量的影响 在碳钢焊缝中氮是有害物质。促使生产气孔 (2) 提高焊缝金属强度,降低塑性和韧性,氮在钢中溶解度低,。(3)时效脆化, 金属中过饱和的氮处于不稳定状态,随时间延长,过饱和氮将逐渐析出,形成稳定氮化物。使焊缝金属强度,塑性、韧性。 加入氮稳定
9、元素,可抑制和消除时效现象焊接工艺参数的影响 焊接U,电弧长度保护变差,作用时间增加;焊接I,过度频率,作用时间,溶解量;正极性比反极性大氢对金属的作用氢主要来源于焊接材料中的水分、含氢物质及电弧周围空气中的水蒸气。焊接方法不同,氢向金属中溶解的途径不同。气体保护焊,氢以原子或质子的形式溶金属; 电渣焊,氢通过渣层溶入金属; 手工焊和埋弧焊,上述途径兼而有之。金属通过渣进入金属,其溶解度取决于气相中水和氢的分压、熔渣的碱度、氟化物的含量。氢通过气相进入金属,溶解度取决氢的状态。如为分子态,溶解度符合平方根定律焊缝金属中的氢及其扩散 扩散氢:以H、H-、H+形式存在,与金属形成间隙固溶体可自由扩
10、散。 残余氢:聚集到陷阱(晶格缺陷、显微裂纹、非金属夹杂)中,结合成分子,不能自由扩散。随放置时间的增加,扩散氢,残余氢,总的含氢量。 甘油法或水银法可测定熔敷金属扩散氢 真空加热法可测量残余氢含量 氢对焊接质量的影响氢脆:氢在室温附近使钢的塑性严重下降的现象。氢脆是由于溶解在晶格中的氢引起的,变形导致位错运动堆积,形成显微空腔,氢在空腔聚集结合成分子,产生很高的压力,金属变脆。白点:碳钢或低合金钢焊缝,如含氢量高,常在其拉伸或弯曲断口出现银白色圆形局部脆断点。形成气孔 产生冷裂纹控制焊接工艺参数 手工电弧焊, I熔滴吸氢;U焊缝含氢。电流种类和极性对焊缝含氢量有影响。 通过工艺限制氢很有限。
11、氧对金属的作用 氧以原子氧和FeO两种形式溶于液态铁中。其溶解度随温度的升高而增大 第二合金元素存在时,随合金含量增加氧的溶解度下降。 铁冷却中,氧溶解度急剧下降。钢中的氧绝大部分以氧化物形式存在。金属氧化物的分解压是温度的函数,随温度增高而增加氧对焊接质量的影响 强度、塑性、韧性明显下降 对物理化学性能的影响,降低焊缝导电性、导磁性和耐蚀性 促进生成CO气孔 增加飞溅,影响焊接过程的稳定性氧在有些条件下是有利的如:铸铁冷焊为烧损多余的碳;耐热钢焊接为抑制Si还原;为减少焊缝含氢;改进电弧特性,加入氧化剂。控制氧的措施 纯化焊接材料(尽量用不含氧或含氧少的焊接材料。)控制焊接工艺参数(UO (
12、弧长作用时间) 脱氧熔渣及其对金属的作用 焊接熔渣在焊接过程中的作用机械保护作用 保护熔滴和熔池。 改善工艺性能 引弧、稳弧;减少飞溅;保证操作性能、脱渣性和焊缝成形。冶金处理 脱氧、脱硫、脱磷和去氢;合金化熔渣的成分和分类盐型熔渣 金属氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物组成。氧化性很小,用于焊接铝、钛和其它化学活性金属及其合金 盐-氧化物型 氟化物和强金属氧化物组成。氧化性较小,用于焊接合金钢。 氧化物型 金属氧化物组成,氧化性较弱,主要用于焊接低碳钢和低合金钢。粘度:单位速度梯度下,作用在单位面积上的内摩擦力。流体发生相对运动时,其内摩擦力的量度,用表示,其倒数1/称为流动性。 粘度取决于熔渣
13、的成分和温度,实际上取决于熔渣的结构。温度对粘度的影响 温度升高,熔渣粘度下降,但碱性渣和酸性渣下降的趋势不同。 熔渣成分对粘度的影响 酸性渣加入SiO2,使Si-O阴离子的聚合程度增大,其尺寸增大,粘度;减少SiO2,加入TiO2 ,可减少复杂Si-O离子,降低粘度;含TiO2较多的酸性渣已不是玻璃状,而接近晶体状,变为短渣;加入碱性氧化物,减低渣的粘度。 碱性渣高熔点的氧化物会使粘度增加。加入少量SiO2可降低年度;加入CaF2能促使CaO熔化,降低粘度。表面张力的物理含义: 表面张力与其中质点之间的作用力大小有关,即与化学键能有关。 键能,张力因此,金属键、离子键、共价键张力逐渐降低。熔
14、渣中加入酸性氧化物TiO2、SiO2、B2O5,形成半径较大的阴离子,与阳离子结合弱,被排挤到熔渣表面,表面张力降低。加入碱性氧化物CaO、MgO、MnO等增加表面张力,因为Ca2+、Mg2+、Mn2+阳离子的综合矩较大。 温度升高熔渣的表面张力减 T,离子半径,综合矩,相互作用减弱。熔渣熔点:固态熔渣开始熔化的温度。焊条药皮熔点指药皮开始熔化的温度(造渣温度)。 熔渣(药皮)熔点取决于组成物的种类、数量和粒度。脱氧:减少被焊金属的氧化和从液态金属中 排除氧的过程。脱氧主要措施是在焊丝、焊剂或药皮中加入合适元素,使之在焊接过程中夺取氧。脱氧剂:用于脱氧的元素或铁合金脱氧剂的选择原则: 脱氧剂在
15、焊接温度下对氧的亲和力比被焊金属大。脱氧产物应不溶于液态金属,其密度应小于金属液体,且应尽量使其处于液态。必须考虑脱氧剂对焊缝金属成分、性能及工艺性能的影响。先期脱氧 :在药皮加热阶段,固态药皮中进行的脱氧反应。 特点:脱氧过程和产物与熔滴不发生直接关系。 含有脱氧剂的药皮被加热时,高价氧化物或碳酸盐分解出的氧或二氧化碳和脱氧剂反应:反应结果使气相的氧化性减弱;先期脱氧是不完全的沉淀脱氧:溶解在液态金属中的脱氧剂和FeO 直接反应,把铁还原,脱氧产物浮出液态金属。锰的脱氧反应,熔渣的性质对锰脱氧的效果影响很大,酸性渣效果好;碱性渣不利于锰脱氧。根据锰的浓度不同,脱氧产物可形成液态产物,也可能形
16、成固态产物。在一定温度下,过多加入锰会形成固态产物,易造成焊缝夹杂。 硅的脱氧反应 提高碱度和金属中硅的含量,可提高脱氧效果。硅脱氧能力比锰大,但生成的SiO2熔点高,处于固态,不易聚合为大质点;同时界面张力小,润湿性好,不易分离,易造成夹渣。一般不单独用硅脱氧。 硅锰联合脱氧 适当比例的硅和锰,当Mn/Si=3.1 ,处于的位置,焊缝夹杂物较少。实践证明,当Mn/Si =37,脱氧产物可形成硅酸盐MnOSiO2,其密度小,熔点低,在钢中处于液态。易聚合成大的质点上浮。CO2焊,常在焊丝中加入 扩散脱氧是在金属液与熔渣的界面进行的,以分配定律为理论基础。焊缝金属中硫和磷的控制 硫的危害 偏析,
17、形成低熔共晶,促进结晶裂纹产生; 降低冲击韧性和抗腐蚀性控制硫的措施 限制材料中的含硫量 限制母材、焊丝和药皮中的硫的含量 冶金方法脱硫焊接条件下常用锰作为脱硫剂:T有利脱硫,由于焊接条件下,冷却快,反应时间短,实际不利于脱硫;增加锰含量,脱硫效果。碱性氧化物也能脱硫磷的危害 形成低熔共晶,促进结晶裂纹产生 磷化铁分布于晶界,冷脆,韧性降低控制磷的措施 限制母材、焊接材料的含磷量 冶金脱磷分成两步:氧化成P2O5与碱性氧化物生成磷酸盐增加渣的碱度可以减少焊缝的含磷量;加入CaF2有利于脱磷,Ca2+降低P2O5活度, CaF2降低粘度;焊接条件下, FeO对脱磷影响不大。合金过渡:把所需要的合
18、金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属中去的过程。合金过渡的目的 补偿蒸发、氧化损失的元素;消除焊接缺陷,改善焊缝组织和性能;获得特殊性能的堆焊金属。合金过渡的方式 应用合金焊丝或带极 应用药芯焊丝或药芯焊条 应用合金药皮或粘结焊剂 应用合金粉末氧化损失取决于元素对氧的亲和力、气相和熔渣的氧化性等因素。影响过渡系数的因素 合金元素的物化性质(沸点越低,蒸发损失越大,过渡系数越小;对氧的亲和力越大,氧化损失越大,过渡系数越小 合金元素的含量 含量增加,过渡系数逐渐增加 合金剂的粒度 增加合金剂的粒度,其表面积和氧化损失减小,残留损失不变,过渡系数增大 药皮(焊剂)的成分 氧化势越大,过渡系数越小;合金
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