焊接的化学冶金学教学教材.ppt

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1、焊接的化学冶金学1.1导论一、液态成形的化学冶金特点主要发生在熔炼过程，包括炼钢、炼铁一般的化学反应：氧化、脱氧、脱硫、脱磷和合金化等温度较低(1600℃左右),液态金属体积较大,熔炼时间较长,反应可以达到或接近平衡状态。10/4/20212材料成形原理-焊接-XIONGJG二、焊接过程的化学冶金特点以典型的手工焊条焊接为例:1.焊芯corewire2.药皮covering/coating3.熔滴droplet4.熔池moltenpool/weldpool5.焊缝金属WM7.液态熔渣moltenslag8.熔渣(已凝固)slag

2、10/4/20213材料成形原理-焊接-XIONGJG药皮反应区熔滴反应区熔池反应区（1）药皮反应区造渣反应区。焊条端部加热到200-1200℃（熔点）的区域。主要发生水的蒸发、固态药皮成分中的相互作用及分解反应：1)分解：CaCO3→CaO+CO2↑有机物→H2+CO+H2O2)除水：a.水分蒸发（物理过程）b.结晶水，水化合物分解（化学过程）3)氧化：Mn+CO2→MnO+COSi+2FeO→2Fe+SiO2*GTAW、GMAW无此区域10/4/20214材料成形原理-焊接-XIONGJG(2)熔滴反应区特点：1）温度高18

3、00-2400℃2）比表面积大极大的液态金属-气体/熔渣相界面大大加速了冶金反应3）反应时间短(熔滴存在时间小于1s）4）熔滴金属与熔渣发生强烈的混合：化学反应激烈、充分进行*GTAW无此区域10/4/20215(3)熔池反应区焊接化学冶金反应的最后阶段。特点：1）平均温度较低：1600-1900℃前后部温差大，反应方向不同。2）比表面积小，但存在（反应）时间较长。3）熔池中金属、熔渣不断更新(renewing)。10/4/20216材料成形原理-焊接-XIONGJG2.2液态金属与气体界面的反应一、气体来源1、液态成形过程中气

4、体来源（1）熔炼：炉和环境气氛H2O、N2、H2、O2、CO2、CO（2）铸造：水气、有机物、空气、型砂、粘结剂10/4/20217材料成形原理-焊接-XIONGJG2、焊接成形过程中气体来源（1）空气、保护气（2）来自药皮成分的气体1）有机物分解、燃烧淀粉、纤维素、油污等2）碳酸盐和高价氧化物的分解CaCO3→CaO+CO2↑Fe2O3→O2↑+Fe3O4→O2↑+FeO3)材料中低佛点物质的蒸发H2O、Zn、Mg、KF、NaF4）化学反应FeO→Fe+CO↑10/4/20218材料成形原理-焊接-XIONGJG二、液态金属与

5、气体的反应N2、H2、O2是对金属作用最大（有害）的三种气体。1、氮Nitrogen(1)氮在金属中的溶解N2↔2[N]即:1/2N2↔[N]平衡时深解度与氮溶解反应平衡常数及气相中分子氮的分压之间的关系:平方根定律/西华特定律Sivert’slaw10/4/20219材料成形原理-焊接-XIONGJGN2离解度低（T<5000K）Sivert’sN2N2↓→2N↓2[N]N22N↓→2N↓2[N]N2离解度高（T>5000K）Henry’s10/4/202110材料成形原理-焊接-XIONGJG在气氛含氧时（在空气中），尽管P

6、N2<1，但是[N]却比纯N2中高得多，这可能是因为：O2+N2→2[NO]另外，由于N2→2N++2e-(电离)在电弧区电场作用下，N+向阴极运动，在阴极上，N++e-→[N]由于正极性（DCSP）时熔滴为阴极，而熔滴比表面积大，温度高，有利于N的溶解，因此[N]较DCRP高。10/4/202111材料成形原理-焊接-XIONGJG交流（AC）时，由于电流交变→温度交变→体积交变→N2进入（相当于搅拌）→[N]最高+-N+↑DirectCurrentStraightPolarity(DCSP)直流正接10/4/202112材料

7、成形原理-焊接-XIONGJG（2）氮的影响1)形成氮气孔(Nporosity)2)时效脆化（ageingembrittlement)3)形成针状态参数Fe4N有时也是一种合金元素。10/4/202113（3）氮的控制1）加强保护2）焊接工艺条件a.电弧电压↓,电流↑→N↓b.采用DCRP（DirectCurrentReversePolarity)3)加定氮合金元素(N-Stabilizingelements）比Fe与N的亲和力（affinity）更强的元素FeCrBVTaNbAlCeTiZr→stronger10/4/2021

8、14材料成形原理-焊接-XIONGJG2、氢与金属的作用（1）氢在金属中的溶解分两大类：1）形成稳定氢化物的金属Ti、Zr、V、Nb2）不形成稳定氢化物的金属Fe、Ni、Cu、Cr、Al服从亨利定律:H22H↓→2H↓2[H]10/4/202115材料成形原理-