第三章焊接化学治金 上海充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY
第三章 焊接化学冶金
内容提纲 1 焊接化学冶金过程特点 2 焊接区内的气体与熔渣 3 气体对金属的作用 4 焊缝中硫和磷 5 焊缝金属的合金化
内容提纲 Page . 2 1 焊接化学冶金过程特点 2 焊接区内的气体与熔渣 3 气体对金属的作用 4 焊缝中硫和磷 5 焊缝金属的合金化
0.焊接过程中对金属的保护方式 ①熔渣：焊接过程中，焊剂和非金属夹杂经化学反应形成覆盖于 焊缝表面的非金属物质。防止有害气体侵入，防止焊缝高温金 属被空气氧化。 SiO2+TiO2 CaO+MgO Al,O:+MnO CaF, K,O+Na,O BB24 15 37 19 25 3 OK FLUX 15 35 20 25 ·熔渣的作用 ①)机械保护作用：防止有害气体侵入，防止焊缝高温金属被空气氧化； ②改善焊接工艺性能：熔渣中的易电离物质使得电弧易引弧、稳弧，熔渣的物理 化学性质保持焊缝成形、减少飞溅、防止焊缝产生气孔； ③冶金处理：熔渣与液态金属之间的冶金反应可清除焊缝中的杂质(H、0、S、 P),向焊缝过渡合金元素。 ·熔渣的种类 ①盐型熔渣：主要是氯盐、氟盐组成，氧化性很小，易焊A1、T和活性元金属及其合金； ②盐-氧化物型熔渣：主要是氟化物、碱金属或碱金属氧化物组成，氧化性弱，主要用于 焊接各种合金钢； ③氧化物型熔渣：各种氧化物组成，氧化性较强，主要用于焊接低合金钢、碳钢
0. 焊接过程中对金属的保护方式 ① 熔渣：焊接过程中，焊剂和非金属夹杂经化学反应形成覆盖于 焊缝表面的非金属物质。防止有害气体侵入，防止焊缝高温金 属被空气氧化。 ▪ 熔渣的作用 ①机械保护作用：防止有害气体侵入，防止焊缝高温金属被空气氧化； ②改善焊接工艺性能：熔渣中的易电离物质使得电弧易引弧、稳弧，熔渣的物理 化学性质保持焊缝成形、减少飞溅、防止焊缝产生气孔； ③冶金处理：熔渣与液态金属之间的冶金反应可清除焊缝中的杂质（H、O、S、 P），向焊缝过渡合金元素。 ▪ 熔渣的种类 ①盐型熔渣：主要是氯盐、氟盐组成，氧化性很小，易焊Al、Ti和活性元金属及其合金； ②盐－氧化物型熔渣：主要是氟化物、碱金属或碱金属氧化物组成，氧化性弱，主要用于 焊接各种合金钢； ③氧化物型熔渣：各种氧化物组成，氧化性较强，主要用于焊接低合金钢、碳钢。 SiO2+TiO2 CaO+MgO Al2O3+MnO CaF2 K2O+ Na2O BB24 15 37 19 25 3 OK FLUX 15 35 20 25
0.焊接过程中对金属的保护方式 气体保护：保护气体的性质、纯度、焊炬的结构、气流的特性 ③渣-气联合保护：造气剂（有机物、碳酸盐）、造渣剂（钛铁矿、 金红石、大理石、石英砂等) ④真空保护 ⑤自保护：焊丝或药芯中加入脱氧和脱氮剂 保护方式 熔焊方法 熔渣 埋弧焊、电渣焊、不含造气成分的焊条和药芯焊丝焊接 气体 气焊，在惰性气体和其他保护气体（如C02、混合气体）中焊接 熔渣和气体 具有造气成分的焊条和药芯焊丝焊接 真空 真空电子束焊接 自保护 用含有脱氧剂、脱氮剂的自保护焊丝焊接
0. 焊接过程中对金属的保护方式 ② 气体保护：保护气体的性质、纯度、焊炬的结构、气流的特性 ③ 渣-气联合保护：造气剂（有机物、碳酸盐）、造渣剂（钛铁矿、 金红石、大理石、石英砂等） ④ 真空保护 ⑤ 自保护：焊丝或药芯中加入脱氧和脱氮剂
3.1焊接化学冶金的特点 焊接化学冶金：熔焊过程中，焊接区内各种物质直接在高温 下相互作用的过程。金属、熔渣与气相之间进行一系列的相互 作用，如：金属氧化、还原、脱硫、脱磷、渗合金等。 ①特点：熔焊时焊接区内（焊材、弧柱、熔池和熔渣）各种 物质（气相、药皮、液相一熔池金属和熔渣、高温母材） 在高温下的相互作用，包括化学反应、迁移和扩散。 ②作用：焊缝化学冶金过程对焊缝金属的成分、组织、性能、 缺陷等有很大的影响
3.1 焊接化学冶金的特点 ▪ 焊接化学冶金：熔焊过程中，焊接区内各种物质直接在高温 下相互作用的过程。金属、熔渣与气相之间进行一系列的相互 作用，如：金属氧化、还原、脱硫、脱磷、渗合金等。 ①特点：熔焊时焊接区内（焊材、弧柱、熔池和熔渣）各种 物质（气相、药皮、液相－熔池金属和熔渣、高温母材） 在高温下的相互作用,包括化学反应、迁移和扩散。 ②作用：焊缝化学冶金过程对焊缝金属的成分、组织、性能、 缺陷等有很大的影响
3.1.2焊接化学反应区 分区域连续进行：药皮反应区、熔滴 反应区、熔池反应区（熔池前端、后 端)； ② 超高温：温度高，反应快速激烈（焊 接弧柱温度可达20000K,熔滴温度 接近金属沸点温度，熔池温度高达 3000K): T/℃ (a)焊接区纵剖面 (b)焊接反应区温度变化特性示意 治金反应界面大：熔滴比表面积大 (相同体积)，熔池与渣和气相充分接 触，有利于冶金反应快速完成： ④ 时间短：加热、冷却速度快，不利于 反应充分进行； ⑤ 熔融金属处于不断运动状态：有利于 提高冶金反应速度，促进气体和杂质 的排除，使焊缝成分均匀化
3.1.2 焊接化学反应区 ① 分区域连续进行：药皮反应区、熔滴 反应区、熔池反应区（熔池前端、后 端）； ② 超高温：温度高，反应快速激烈（焊 接弧柱温度可达20000 K，熔滴温度 接近金属沸点温度，熔池温度高达 3000 K）； ③ 冶金反应界面大：熔滴比表面积大 (相同体积)，熔池与渣和气相充分接 触，有利于冶金反应快速完成； ④ 时间短：加热、冷却速度快，不利于 反应充分进行； ⑤ 熔融金属处于不断运动状态：有利于 提高冶金反应速度，促进气体和杂质 的排除，使焊缝成分均匀化
3.1.2焊接化学反应区-药皮反应区 脱水反应 超过100℃水分蒸发，超过350-400C结晶水分解，水进入弧柱增加 了弧柱的含氧量和含氢量； 有机物的分解（木粉、纤维素、淀粉）： 温度超过200-280℃有机物分解产生C0和H2进入弧柱； 3 矿物质的分解 焊条芯 焊条 CaCO3=CaO+CO2 药皮 夹持长度 直径 2Fe203-4Fe0+02 ④ 铁合金氧化 焊条长度 温度高于600℃区域，药皮分解产物自由氧、C02、水蒸气会和药皮 中的锰铁、硅铁发生反应，这一过程又称为先前脱氧，使弧柱气 氛的氧化性大大下降； 2Mn+O2=2MnO;Mn+CO2 MnO+CO;Mn+H2O=MnO+H2 ⑤ 气体间反应 药皮反应阶段产生的气体之间也会产生反应 CO2+H2=CO+H2O
3.1.2 焊接化学反应区-药皮反应区 ① 脱水反应 超过100ºC水分蒸发，超过350-400℃结晶水分解，水进入弧柱增加 了弧柱的含氧量和含氢量； ② 有机物的分解（木粉、纤维素、淀粉）： 温度超过200-280℃有机物分解产生CO和H2进入弧柱； ③ 矿物质的分解 ④ 铁合金氧化 温度高于600℃区域，药皮分解产物自由氧、CO2、水蒸气会和药皮 中的锰铁、硅铁发生反应，这一过程又称为先前脱氧，使弧柱气 氛的氧化性大大下降； 2Mn＋O2＝2MnO；Mn＋CO2＝MnO＋CO；Mn＋H2O＝MnO＋H2 ⑤ 气体间反应 药皮反应阶段产生的气体之间也会产生反应
3.1.2焊接化学反应区-熔滴反应区 \n 特点：温度高，比表面积大，混合作用强烈，此区域是冶金反应 最激烈的区域 ①气体的高度分解：H2、HO、CO2、N2 ②氢气和氮气溶解：分解的N、H溶解到熔融金属中； ③熔融金属的氧化反应： 电弧气氛中的氧化性气体和熔滴金属产生氧化反应； 熔渣中的MnO、SiO,与熔滴产生置换氧化，熔渣中FeO向熔滴扩散氧化； ④金属的蒸发：熔滴的温度接近沸点，一些低沸点的元素Mn、Zn 发生蒸发，产生金属蒸气； ⑤熔滴合金化：药皮、药芯中的合金剂使熔滴强烈的合金化
3.1.2 焊接化学反应区-熔滴反应区 特点：温度高，比表面积大，混合作用强烈，此区域是冶金反应 最激烈的区域 ① 气体的高度分解:H2、H2O、CO2、N2 ② 氢气和氮气溶解:分解的N2、H2溶解到熔融金属中； ③ 熔融金属的氧化反应： 电弧气氛中的氧化性气体和熔滴金属产生氧化反应; 熔渣中的MnO、SiO2与熔滴产生置换氧化，熔渣中FeO向熔滴扩散氧化； ④ 金属的蒸发：熔滴的温度接近沸点，一些低沸点的元素Mn、Zn 发生蒸发，产生金属蒸气； ⑤ 熔滴合金化：药皮、药芯中的合金剂使熔滴强烈的合金化
3.1.2焊接化学反应区-熔池反应区 ① 温度较低，比表面积较小 ②反应时间长，熔池处于不断运动中：加快冶金反应速 度，利于气体和非金属夹杂物的排除 ③金属熔化、气体溶解、硅锰化学反应：熔池前部升温 阶段发生； ④气体析出、脱氧、脱硫、脱磷反应：熔池后部发生
3.1.2 焊接化学反应区-熔池反应区 ①温度较低，比表面积较小 ②反应时间长，熔池处于不断运动中：加快冶金反应速 度，利于气体和非金属夹杂物的排除 ③金属熔化、气体溶解、硅锰化学反应：熔池前部升温 阶段发生； ④气体析出、脱氧、脱硫、脱磷反应：熔池后部发生
3.2焊接区内的气体 气体的来源和产生 ①有机物的分解和燃烧：焊条中、焊丝和母材表面油污 碳酸盐和高价氧化物的分解：CaCO3、FezO3 ③材料的蒸发：水分、金属元素和熔渣 气体的分解 ①简单气体的分解：H2、O2、N2 反应式 △H易/mol-1 ②复杂气体的分解：C02、H,O H2一H+H -433.9 H2-H+H*+e -174.5 02=0+0 -489.9 N2=N+N -711.4 c0,-00+号0， -282.8 60=h+20, -483.2 60一0H+2品 -532.8 比0=H2+0 -977.3 H20—2H+0 -1808.3
3.2 焊接区内的气体 气体的来源和产生 ① 有机物的分解和燃烧：焊条中、焊丝和母材表面油污 ② 碳酸盐和高价氧化物的分解：CaCO3、Fe2O3 ③ 材料的蒸发：水分、金属元素和熔渣 气体的分解 ① 简单气体的分解：H2、O2、N2 ② 复杂气体的分解：CO2、H2O