02-焊接化学冶金过程

熔焊方法的保护方式
保护方式 熔渣保护 气体保护 气-渣联合保护 真空保护 自保护 焊接方法 埋弧焊、电渣焊、不含造气物质的焊条或药心芯焊接 惰性气体或其它气体（如二氧化碳、混合气体）保护焊接 具有造气物质的焊条或药芯焊丝焊接 真空电子束焊接 含有脱氧、脱硫剂的“自保护”焊丝进行焊接
二、焊接化学冶金过程的特点
E5015
但由于冶金时间短，脱硫、脱磷反应来不及充分进行， 但由于冶金时间短，脱硫、脱磷反应来不及充分进行， 总的来说，酸性焊条和碱性焊条的脱硫、 总的来说，酸性焊条和碱性焊条的脱硫、脱磷效果仍较 因此，严格的控制母材和焊接材料中的硫、 差。因此，严格的控制母材和焊接材料中的硫、磷的来 源是控制焊缝金属中含硫量含磷量的主要措施
氧对焊接质量的影响 烧损大量的有益元素，使焊缝的强度、硬度、塑性、 烧损大量的有益元素，使焊缝的强度、硬度、塑性、 韧性↓ 。 韧性↓（尤其是冲击韧性降低明显） 降低焊缝金属的物理性能和化学性能。 降低焊缝金属的物理性能和化学性能。 如：降低导电、导磁和耐蚀性。 氧与碳、氢反应生成不溶于金属的CO和H2O,结晶时来不及 逸出而在焊缝内形成气孔 形成气孔。 形成气孔 产生飞溅，使电弧不稳。 产生飞溅，使电弧不稳。 控制氧的措施： 短弧焊接，加强保护。 短弧焊接，加强保护 严格清理焊丝、焊件表面的杂质。 严格清理焊丝、焊件表面的杂质。 进行冶金脱氧。 进行冶金脱氧
磷在焊缝中主要以铁的磷化物Fe P、Fe P的形式存在。 Fe 2 3 硫、磷的危害 硫、磷是焊缝中的有害杂质。 FeS与α-Fe、FeO等形成低熔点共晶体(FeS+α-Fe、 低熔点共晶体(FeS+α Fe、 低熔点共晶体(FeS+ FeS+FeO)，聚集在晶界上形成液态薄膜，在焊接拉应力 FeS+FeO) 作用下导致晶界处开裂，产生热裂纹 产生热裂纹。 产生热裂纹 硫还能引起偏析，降低焊缝金属的冲击韧性和耐腐蚀性。 硫还能引起偏析，降低焊缝金属的冲击韧性和耐腐蚀性。 磷与硫一样可以与铁形成低熔点共晶体(Fe P+P)，聚 低熔点共晶体(Fe P+P)， 低熔点共晶体 3 集在晶界上，产生热裂纹。 集在晶界上，产生热裂纹。 磷化物削弱了晶粒间的结合力，增加冷脆性， 磷化物削弱了晶粒间的结合力，增加冷脆性，使冲击韧 性降低，造成冷裂。 性降低，造成冷裂。
硫化物共晶、磷化物共晶的熔点见下表：
共晶物 熔点 FeS+α-Fe 985 FeS+FeO 940 NiS+Ni 644 Fe3P+P 1050
脱硫和脱磷的措施 脱硫的措施： 脱硫的主要措施有元素脱硫和熔渣脱硫 元素脱硫和熔渣脱硫 元素脱硫 在液态金属中加入一些对硫亲和力比对铁大的元素，把铁 从FeS中还原出来，形成的硫化物不溶于金属而进入熔渣， 从而达到脱硫的目的。在焊接中最常用的是Mn元素脱硫 Mn元素脱硫 Mn FeS + Mn
扩散脱氧 利用FeO 既能熔于熔池金属，又能溶解于熔渣的特性， 既能熔于熔池金属，又能溶解于熔渣的特性， 利用 从熔池扩散到熔渣， 使FeO从熔池扩散到熔渣，从而降低焊缝含氧量。这一 从熔池扩散到熔渣 从而降低焊缝含氧量。 脱氧方式称为扩散脱氧。 脱氧方式称为扩散脱氧。 [FeO]→(FeO) 由于E4303焊条中存在大量的SiO2 、 TiO2(等酸性 氧化物)、FeO 易从熔池扩散到熔渣中，与之结合成 稳定的复合物FeO.SiO2、FeO.TiO2，从而降低了熔池 中的[FeO]含量。 酸性焊条焊接以扩散脱氧 扩散脱氧作为主要脱氧方式。 酸性焊条 扩散脱氧 碱性焊条焊接则以沉淀脱氧 沉淀脱氧为主， 碱性焊条 沉淀脱氧 扩散脱氧几乎不存在。 扩散脱氧几乎不存在。
含义：指焊接区中各种物质（熔化金属、熔渣、气体）之 间在高温作用下相互作用的过程。 目的： 防止空气的有害作用。 消除焊缝金属的有害杂质（去S、去P、去H）. 添加某些有益的合金元素，提高焊缝金属的各种性能。
一、对焊接区金属的保护
保护的目的： 防止空气的有害作用，保证焊缝质量。 保护的方式： 熔渣保护、气体保护、渣气联合保护、真空保护、自保护。
焊接化学冶金过程
目的与要求： 目的与要求： ①掌握焊接化学冶金过程的含义及目的。 ②掌握焊接化学冶金过程的特点。 ③掌握并理解有害元素对焊缝金属的作用。 ④掌握焊缝金属中硫、磷的来源、危害及控制措施。 ⑤掌握焊缝金属合金化的含义、目的及方式。 重点： 重点： ①焊接化学冶金过程的含义、目的及特点。 ②有害元素对焊缝金属的作用。 ③焊缝金属中硫、磷的控制措施；焊缝金属合金化 难点： 难点： 有害元素对焊缝金属的作用。
酸、碱性焊条脱S、脱P的特点 酸性焊条的脱S 酸性焊条的脱S、脱P效果比碱性焊条差，为什么？ 效果比碱性焊条差，为什么？ E4303 含 CaO、MnO较少，熔渣脱硫效果差，仅靠Mn元素脱S 同时因为CaO少，所以脱硫能力差。 熔渣中含大量的CaO、MnO 既能进行熔渣脱S又可脱P，同时又可元素脱硫，所 以碱性焊条脱S 、P能力大于酸性焊条的脱S、P能力
为什么？ 为什么？
2、氢对焊缝金属的作用： 氢对焊缝金属的作用： 氢的来源 来自受潮的药皮或焊剂中的水分。 药皮或焊剂中的有机物。 空气中的水分。 焊件表面的铁锈，油脂及油污等。 氢一般不与金属化合，但能溶解于Fe、 Ni、Gr、Mo、Cu等金 原子或离 属中，氢在铁中的溶解是以原子 离 原子 子状态熔入的见右图 子状态 其溶解度与T和铁的同素异形结构体有 关。随着T↑,H的溶解度↑ ，且在相变 时溶解度发生突变。
控制氮的措施 (1)加强对焊接区液态金属的保护 防止空气中氮的侵入。 加强对焊接区液态金属的保护， (1)加强对焊接区液态金属的保护，防止空气中氮的侵入。 (2)采取正确的焊接工艺措施 采取正确的焊接工艺措施。 (2)采取正确的焊接工艺措施。 尽量采用短弧焊接 采用直流反接比直流正接可减小焊缝中的氮的含量。 采用直流反接比直流正接可减小焊缝中的氮的含量。 4、焊缝金属中硫、磷的控制 硫、磷的来源 主要来自于母材、焊剂、焊丝、药皮等材料 硫、磷的存在形式 硫在焊缝中主要以FeS、MnS FeS、 FeS MnS的形式存在，其中 FeS形式危害最大 形式危害最大。 FeS形式危害最大
=
Fe + MnS
不溶于金属 而进入熔渣
熔渣脱硫 利用熔渣中的碱性氧化物CaO、MnO及CaF 等进行脱硫n。 碱性氧化物CaO 碱性氧化物CaO、MnO及 2 脱硫产物CaS、MnS进入熔渣被排除，从而达到脱硫目的。 FeS + MnO = MnS + FeO FeS + CaO = CaS + FeO Ca比Mn对硫的亲和力强，并且CaS完全不熔于金属，所 以CaO的脱硫效果比MnO好 CaO的脱硫效果比MnO好 。 CaO的脱硫效果比MnO CaF2 脱硫主要是利用氟与硫化合生成 挥发性氟硫化合物 利用氟与硫化合生成 作用可产生CaO CaO进行的 及CaF2与SiO2作用可产生CaO进行的 。
小结
1、掌握焊接化学冶金过程的含义及目的。 掌握焊接化学冶金过程的含义及目的。 了解对焊接区金属的保护方式。 2、了解对焊接区金属的保护方式。 掌握焊接化学冶金过程的特点。 3、掌握焊接化学冶金过程的特点。 掌握并理解有害元素对焊缝金属的作用。 4、掌握并理解有害元素对焊缝金属的作用。 掌握焊缝金属中硫、磷的来源、 5、掌握焊缝金属中硫、磷的来源、危害及控制措施 掌握焊缝金属合金化的含义、目的及方式。 6、掌握焊缝金属合金化的含义、目的及方式。
焊缝金属的脱氧——设法在焊丝、药皮中加入一些合金元素 去除或减少已进入熔池中的氧，这个过程称为焊缝金属的脱氧。 脱氧剂的选择原则 脱氧剂在焊接温度下对氧的亲和力应比被焊金属的 的亲和力大。 的亲和力大。如：AI>Ti>Si>Mn>Fe.元素对氧的亲 元素对氧的亲 和力↑ 脱氧能力↑ 和力↑，脱氧能力↑。 脱氧后的产物应不熔于金属而容易被排除入渣， 脱氧后的产物应不熔于金属而容易被排除入渣，且 熔点应低，密度比金属小， 。 熔点应低，密度比金属小，容易上浮
三、有害金属对焊缝金属的作用
焊缝金属中的有害元素主要是： 焊缝金属中的有害元素主要是：氧、氢、氮、硫、磷。 焊接中的O2、H2、N2主要来源： 焊条、焊丝、焊剂等焊接材料 电弧周围的空气及未清理干净的母材表面。 焊缝中的S、P主要来自于母材、焊条、焊丝、焊剂等。 1、 氧对焊缝金属的作用 氧的来源： 电弧中的氧化性气体（二氧化碳、氧气、水） 周围的空气。 焊件表面的铁锈水分等分解的产物。 焊剂、药皮中的高阶氧化物。 氧存在形式：氧在焊缝金属中主要以FeO的形式存在。
3、氮对焊缝金属的作用
氮的来源：主要来自于周围的空气 周围的空气 氮的存在形式：以原子、NO和离子形式溶入铁及其合金中 以原子、 以原子 NO和离子形式溶入铁及其合金中 氮在铁中的溶解度随温度升高而增大。如下图所示。 氮既不溶解于铜等金属，又不与其形成化合物，故焊 既不溶解于铜等金属，又不与其形成化合物 既不溶解于铜等金属 接这类金属时可以用氮气作保护气体 氮气作保护气体。 氮气作保护气体 氮对焊接质量的影响 形成氮气孔 影响焊缝的力学性能 氮与铁形成化合物，并以针状夹 杂物形式存在于焊缝金属中，使 硬度和强度提高，塑性，韧性降 低，影响焊缝的力学性能。
温度高、温度梯度大
。 。
T柱=6000～8000 C
T池=2000 C
高温作用下电弧周围的气体(CO2、N2、H2)大量分解,分解 后的气体原子或离子溶解在液态金属中而形成气孔。 熔池温差大、温度梯度大，使焊件易产生应力和变形甚至 产生裂纹。 熔池体积小，存在时间短。 造成整个冶金反应不充分→形成偏折。 熔池金属不断更新。 反应接触面大，搅拌强烈。
氢对焊接质量的影响 形成气孔 产生白点和氢脆 产生冷脆 控制氢的措施 严格清理焊件及焊丝表面杂质。 严格清理焊件及焊丝表面杂质。 焊条、焊剂焊前应烘干，保护气体应进行提纯处理。 焊条、焊剂焊前应烘干，保护气体应进行提纯处理 采用低H形焊条，直流反接， 采用低 形焊条，直流反接，短弧焊接工艺 形焊条 焊后消H处理 处理。 焊后消 处理。