焊接冶金学基础16708.pptx
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1、第二章 焊接冶金学基础2.1 焊接化学冶金前言版权:TWI第二章 焊接冶金学基础2.1 焊接化学冶金v焊接化学冶金:焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程。v焊接化学冶金的特殊性v焊接区内的气体和焊接熔渣v焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用v焊缝金属的合金化及其成分控制前言2.1.1焊接化学冶金的特殊性1、焊接区金属的保护保护目的减少和防止空气(氧、氮)进入焊接区,避免合金元素烧损,降低焊缝的性能。保护方法真空:电子束焊气体:TIG焊,CO2,MIG熔渣:埋弧焊气-渣:手工焊、自保护药芯焊焊接材料熔敷金属成分性能变化低碳钢焊材熔敷金属成分及性能变化2.1.1焊接化学冶金的特殊性2、焊接冶金
2、反应区及其反应条件(1)药皮反应区 温度:100-1200(钢材)反应:水分的蒸发、某些物质的分解和铁合金的氧化手工电弧焊(2)熔滴反应区2.1.1焊接化学冶金的特殊性2、焊接冶金反应区及其反应条件(2)熔滴反应区熔滴平均温度:1800-2400 熔滴金属与气体和熔渣的接触面积:比面积:1000-10000cm2/kg,比炼钢时大1000倍各相之间的反应时间(接触时间):0.01-0.1s反应:气体的分解和溶解、金属的蒸发、金属及其合金成分的氧化与还原以及焊缝金属的合金化。特点:反应激烈、反应物含量离平衡浓度较远。2.1.1焊接化学冶金的特殊性2、焊接冶金反应区及其反应条件(3)熔池反应区熔滴
3、和熔渣同熔化的母材混合形成熔池温度:1600-1900 比表面积:1300 cm2/kg反应时间:3-8S(SMAW)特点:熔池金属有规律的对流和搅拌运动,冶金反应比较激烈、熔池温度不均匀、同一反应在不同区域可能向相反方向进行。焊接熔池与熔滴的平均温度焊接熔池的物理参数2.1.1焊接化学冶金的特殊性3、焊接冶金反应分析温度变化范围大;停留时间短;基本排除了整个系统达到热力学平衡的可能性;不同条件下焊接冶金反应离平衡的远近程度不同;利用热力学原理定性分析冶金反应的进行方向和影响因素;2.1.2 焊接区内气体和焊接熔渣1、焊接区内气体的来源和气相成分气体的来源焊接材料、保护气体焊材表面和母材坡口附
4、近的吸附水、油、锈及氧化铁皮等物质的蒸发100:吸附水蒸发400-600:焊条药皮中的组分如白泥和云母中的结晶水被排除。电弧高温:金属元素和熔渣中的各种成分发生蒸发,如Fe,Mn及氟化物等有机物的分解和燃烧碳酸盐和高价氧化物的分解有机物的分解和燃烧有机物种类:淀粉、纤维素和藻酸盐作用:酸性焊条造气剂和增塑剂分解:220-320 分解50%;800 完全分解。分解产物:CO2,CO,H2碳酸盐和高价氧化物的分解碳酸盐:CaCO3、MgCO3、CaMg(CO3)2作用:焊条造气剂分解:CaCO3 分解温度为545,剧烈分解温度为910;MgCO3 分解温度为325,剧烈分解温度为650。分解产物:
5、CO2,CO,H2高价氧化物:Fe2O3和MnO2O2和低价氧化物FeO和MnO2.1.2 焊接区内气体和焊接熔渣1、焊接区内气体的来源和气相成分 气体的高温分解 简单气体的分解:N2、H2、O2和F2 复杂气体的分解:CO2和H2O双原子气体的分解度与温度的关系CO2分解时气相的平衡成分与温度的关系2.1.2 焊接区内气体和焊接熔渣1、焊接区内气体的来源和气相成分CO2分解时气相的平衡成分与温度的关系2.1.2 焊接区内气体和焊接熔渣1、焊接区内气体的来源和气相成分 气相的成分 焊接区经常同时存在多种气体,之间存在复杂的反应。典型的反应:焊接方法 焊条/焊剂 CO CO2H2H2O N2SM
6、AW 钛钙型 50.7 5.9 37.7 5.7SMAW 纤维素型 42.3 2.9 41.2 12.6SMAW 低氢型 79.8 16.9 1.8 1.5SAW 330 86.2 9.3 4.5SAW 431 89-93 7-9 1.5焊接区实际气体成分冷至室温后气相的成分2.1.2 焊接区内气体和焊接熔渣2、焊接熔渣的类型及理化性质(1)焊接熔渣的类型v盐型熔渣:金属氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物。例如:CaF2-NaF、CaF2-BaCl2-NaFv盐-氧化物型熔渣:氟化物和强金属氧化物组成。例如:CaF2 CaO-SiO2(低氢型)、CaF2 CaO-Al2O3v氧化物型熔渣:主要由各
7、种金属氧化物组成。例如:CaO-TiO2-SiO2(钛钙型)、MnO-SiO2 2.1.2 焊接区内气体和焊接熔渣2、焊接熔渣的类型及理化性质(2)焊接熔渣的理化性质 1)熔渣的碱度碱度判据:B1.32.1.2 焊接区内气体和焊接熔渣2、焊接熔渣的类型及理化性质(2)焊接熔渣的理化性质 2)熔渣的氧化性 熔渣的氧化性取决于熔渣中的氧化物,FeO是熔渣的重要氧化源。通常用FeO的活度来代表熔渣氧化能力的强弱。3)熔渣的熔点 一般比焊缝熔点低200-450 焊接熔渣的熔点过高,将使其与液态金属间的反应不充分,易形成夹渣。熔点过低,使熔渣的覆盖性能变差,焊缝表面粗糙不平。2.1.2 焊接区内气体和焊
8、接熔渣2、焊接熔渣的类型及理化性质4)熔渣的粘度(熔渣内部相对运动时各层之间的内摩擦力)主要影响对金属的保护效果、焊缝成形、熔池中气体的外逸等;温度下降、粘度下降;酸性氧化物(SiO2)使粘度增加;2.1.3 焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用1、焊接冶金过程中的氧化还原反应 1)氧对焊接质量的影响 焊缝金属强度、塑性、韧性下降;引起金属红脆、冷脆和时效硬化;2)氧化还原反应判据 氧化物分解压氧化物分解达到平衡时氧的平衡分压,称为氧化物的分解压。反应系统中氧的分压2.1.3 焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用1、焊接冶金过程中的氧化还原反应3)氧化气体对金属的氧化自由氧CO2H2O2.1.3
9、焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用焊接冶金过程中的氧化还原反应 4)熔渣对金属的氧化 扩散氧化焊接钢时,FeO既溶于熔渣又溶于液态钢。在两相中的含量符合分配定律:L=w(FeO)/wFeO;温度不变时,增加熔渣中FeO的含量,FeO将向熔池金属中扩散。置换氧化当熔渣中含有较多的易分解氧化物,则与液态铁发生置换反应,使铁氧化,氧化物中的合金元素被还原。(SiO2)+2Fe=Si+2FeO 2FeO=FeO+(FeO)2.1.3 焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用焊接冶金过程中的氧化还原反应脱氧物不应溶于液态金属而应溶于熔渣,且熔点低、密度小,上浮至熔渣中,以减少夹杂物的数量。Mn、Si、Ti和A
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