材料加工理論-焊接部分-第二章

1、第二章 焊接冶金學基礎2.1 焊接化學冶金,前言,版權(quán)：TWI,第二章 焊接冶金學基礎2.1 焊接化學冶金,焊接化學冶金：焊接區(qū)內(nèi)各種物質(zhì)之間在高溫下相互作用的過程。焊接化學冶金的特殊性焊接區(qū)內(nèi)的氣體和焊接熔渣焊接區(qū)內(nèi)金屬、氣體與熔渣的相互作用焊縫金屬的合金化及其成分控制,前言,2.1.1焊接化學冶金的特殊性1、焊接區(qū)金屬的保護,保護目的減少和防止空氣（氧、氮）進入焊接區(qū)，避免合金元素燒損，降低焊縫的性能。,保護方法真

2、空：電子束焊氣體：TIG焊, CO2, MIG熔渣：埋弧焊氣-渣：手工焊、自保護藥芯焊,焊接材料熔敷金屬成分性能變化,低碳鋼焊材熔敷金屬成分及性能變化,,,,2.1.1焊接化學冶金的特殊性2、焊接冶金反應區(qū)及其反應條件,（1）藥皮反應區(qū)溫度：100-1200 ℃（鋼材）反應：水分的蒸發(fā)、某些物質(zhì)的分解和鐵合金的氧化,手工電弧焊,（2）熔滴反應區(qū),2.1.1焊接化學冶金的特殊性2、焊接冶金反應區(qū)及其反應條件,（2）熔滴反應區(qū)

3、熔滴平均溫度：1800-2400 ℃熔滴金屬與氣體和熔渣的接觸面積：比面積：1000-10000cm2/kg,比煉鋼時大1000倍各相之間的反應時間（接觸時間）：0.01-0.1s反應：氣體的分解和溶解、金屬的蒸發(fā)、金屬及其合金成分的氧化與還原以及焊縫金屬的合金化。特點：反應激烈、反應物含量離平衡濃度較遠。,2.1.1焊接化學冶金的特殊性2、焊接冶金反應區(qū)及其反應條件,（3）熔池反應區(qū)熔滴和熔渣同熔化的母材混合形成熔池溫

4、度：1600-1900 ℃比表面積：1300 cm2/kg反應時間：3-8S（SMAW）特點：熔池金屬有規(guī)律的對流和攪拌運動，冶金反應比較激烈、熔池溫度不均勻、同一反應在不同區(qū)域可能向相反方向進行。,焊接熔池與熔滴的平均溫度,焊接熔池的物理參數(shù),2.1.1焊接化學冶金的特殊性3、焊接冶金反應分析,溫度變化范圍大；,停留時間短；,基本排除了整個系統(tǒng)達到熱力學平衡的可能性；,不同條件下焊接冶金反應離平衡的遠近程度不同；,利用熱力學原

5、理定性分析冶金反應的進行方向和影響因素；,2.1.2 焊接區(qū)內(nèi)氣體和焊接熔渣1、焊接區(qū)內(nèi)氣體的來源和氣相成分,氣體的來源焊接材料、保護氣體焊材表面和母材坡口附近的吸附水、油、銹及氧化鐵皮等物質(zhì)的蒸發(fā)100 ℃：吸附水蒸發(fā)400-600 ℃：焊條藥皮中的組分如白泥和云母中的結(jié)晶水被排除。電弧高溫：金屬元素和熔渣中的各種成分發(fā)生蒸發(fā)，如Fe, Mn及氟化物等有機物的分解和燃燒碳酸鹽和高價氧化物的分解,有機物的分解和燃燒,有

6、機物種類：淀粉、纖維素和藻酸鹽作用：酸性焊條造氣劑和增塑劑分解：220 ℃-320 ℃分解50%；800 ℃完全分解。分解產(chǎn)物：CO2,CO,H2,,碳酸鹽和高價氧化物的分解,碳酸鹽：CaCO3、MgCO3、CaMg(CO3) 2作用：焊條造氣劑分解： CaCO3 分解溫度為545 ℃，劇烈分解溫度為910℃ ；MgCO3 分解溫度為325 ℃，劇烈分解溫度為650 ℃。分解產(chǎn)物：CO2,CO,H2高價氧化物：Fe2O3和

7、MnO2O2和低價氧化物FeO和MnO,,2.1.2 焊接區(qū)內(nèi)氣體和焊接熔渣1、焊接區(qū)內(nèi)氣體的來源和氣相成分,氣體的高溫分解簡單氣體的分解：N2、H2、O2和F2復雜氣體的分解：CO2和H2O,雙原子氣體的分解度與溫度的關(guān)系,CO2分解時氣相的平衡成分與溫度的關(guān)系,2.1.2 焊接區(qū)內(nèi)氣體和焊接熔渣1、焊接區(qū)內(nèi)氣體的來源和氣相成分,CO2分解時氣相的平衡成分與溫度的關(guān)系,2.1.2 焊接區(qū)內(nèi)氣體和焊接熔渣1、焊接區(qū)內(nèi)氣體的來

8、源和氣相成分,氣相的成分焊接區(qū)經(jīng)常同時存在多種氣體，之間存在復雜的反應。典型的反應：,焊接區(qū)實際氣體成分冷至室溫后氣相的成分,2.1.2 焊接區(qū)內(nèi)氣體和焊接熔渣2、焊接熔渣的類型及理化性質(zhì),（1）焊接熔渣的類型鹽型熔渣：金屬氟酸鹽、氯酸鹽和不含氧的化合物。例如：CaF2-NaF、CaF2-BaCl2-NaF鹽-氧化物型熔渣：氟化物和強金屬氧化物組成。例如：CaF2 –CaO-SiO2（低氫型） 、CaF2 –CaO-Al2O3

9、氧化物型熔渣：主要由各種金屬氧化物組成。例如：CaO- TiO2-SiO2（鈦鈣型）、MnO-SiO2,2.1.2 焊接區(qū)內(nèi)氣體和焊接熔渣2、焊接熔渣的類型及理化性質(zhì),（2）焊接熔渣的理化性質(zhì) 1）熔渣的堿度,堿度判據(jù)：B>1.3,2.1.2 焊接區(qū)內(nèi)氣體和焊接熔渣2、焊接熔渣的類型及理化性質(zhì),（2）焊接熔渣的理化性質(zhì) 2）熔渣的氧化性熔渣的氧化性取決于熔渣中的氧化物，F(xiàn)eO是熔渣的重要氧化源。通常用FeO的活度來

10、代表熔渣氧化能力的強弱。 3）熔渣的熔點一般比焊縫熔點低200-450 ℃焊接熔渣的熔點過高，將使其與液態(tài)金屬間的反應不充分，易形成夾渣。熔點過低，使熔渣的覆蓋性能變差，焊縫表面粗糙不平。,2.1.2 焊接區(qū)內(nèi)氣體和焊接熔渣2、焊接熔渣的類型及理化性質(zhì),4）熔渣的粘度 (熔渣內(nèi)部相對運動時各層之間的內(nèi)摩擦力)主要影響對金屬的保護效果、焊縫成形、熔池中氣體的外逸等；溫度下降、粘度下降；酸性氧化物（SiO2）使粘

11、度增加；,2.1.3 焊接區(qū)內(nèi)金屬、氣體與熔渣的相互作用1、焊接冶金過程中的氧化還原反應,1） 氧對焊接質(zhì)量的影響焊縫金屬強度、塑性、韌性下降；引起金屬紅脆、冷脆和時效硬化；2）氧化還原反應判據(jù),氧化物分解壓氧化物分解達到平衡時氧的平衡分壓，稱為氧化物的分解壓。反應系統(tǒng)中氧的分壓,2.1.3 焊接區(qū)內(nèi)金屬、氣體與熔渣的相互作用1、焊接冶金過程中的氧化還原反應,3）氧化氣體對金屬的氧化自由氧CO2H2O,2.1.3

12、 焊接區(qū)內(nèi)金屬、氣體與熔渣的相互作用焊接冶金過程中的氧化還原反應,4）熔渣對金屬的氧化擴散氧化焊接鋼時，F(xiàn)eO既溶于熔渣又溶于液態(tài)鋼。在兩相中的含量符合分配定律:L=w(FeO)/w[FeO]；溫度不變時，增加熔渣中FeO的含量，F(xiàn)eO將向熔池金屬中擴散。,置換氧化當熔渣中含有較多的易分解氧化物，則與液態(tài)鐵發(fā)生置換反應，使鐵氧化，氧化物中的合金元素被還原。（SiO2)+2[Fe]=[Si]+2FeO 2FeO=[F

13、eO]+(FeO),2.1.3 焊接區(qū)內(nèi)金屬、氣體與熔渣的相互作用焊接冶金過程中的氧化還原反應,脫氧物不應溶于液態(tài)金屬而應溶于熔渣，且熔點低、密度小，上浮至熔渣中，以減少夾雜物的數(shù)量。Mn、Si、Ti和Al常用于脫氧劑。,5）金屬的還原反應（脫氧反應）各種脫氧元素在焊接中被氧化，以降低焊接區(qū)的氧化性，使被焊金屬及有益合金元素免受氧化；或使被氧化的金屬從它們的氧化物中還原出來的反應。,脫氧劑應在焊接溫度下比被焊金屬對氧具有更強的親和力

14、。1800 ℃時，各種元素對氧親和力從小到大的次序排列為：Ni、Cu、W、Mo、Fe、Cr、Nb、Mn、V、Si、B、Ti、Mg、C、Al、Ce。,氫在焊接冶金中的行為及其控制,氫對金屬的影響氫脆氣孔裂紋控制氫的措施限制焊接材料及母材中的含氫量冶金處理：通過調(diào)整焊接材料的成分，使氫在焊接過程中，生成比較穩(wěn)定的、不溶于液態(tài)金屬的氫化物，如HF。焊后脫氫處理：消氫處理。（焊縫中氮、硫及磷同樣需要控制）,2.1.4焊縫金屬的合

15、金化一、合金化方式,合金化（滲合金）：將所需的合金元素由焊接材料通過焊接冶金過渡到焊縫金屬的反應。,3、通過藥皮、藥芯和焊劑中的合金元素氧化物與Fe置換反應，還原合金元素。,2、將粉末狀態(tài)的合金加入藥皮、焊劑中通過焊接過程過渡到焊縫金屬中去。,1、應用含所需合金元素的焊絲、帶（板）極、焊條芯或藥芯焊絲將合金元素過渡到焊縫或堆焊層中。,2.1.4焊縫金屬的合金化一、合金化方式,Flux cored wires藥芯焊絲,2.1.4焊縫

16、金屬的合金化二、合金元素的過渡系數(shù),2.1.4焊縫金屬的合金化二、合金元素的過渡系數(shù),2.1.4焊縫金屬的合金化二、合金元素的過渡系數(shù),過渡系數(shù)：某元素在熔敷金屬中的實際含量與它在焊接材料中的原始含量之比。影響因素合金元素的物理化學性質(zhì)合金元素的含量合金劑的粒度藥皮、藥芯或焊劑的氧化勢（放氧量）,2.1.4焊縫金屬的合金化三、焊縫金屬化學成分的計算,熔合比：焊縫金屬中熔化的母材所占的比例。,熔合比概念示意圖,合金元素的

17、實際含量：,2.1.4焊縫金屬的合金化四、焊縫金屬化學成分的控制,焊縫金屬化學成分的控制改變?nèi)酆媳热墼行ё饔孟禂?shù)焊縫金屬成分的預測數(shù)學模型計算機,2.2 焊接熔池的凝固及焊縫相變組織2.2.1焊接熔池凝固過程的特點,焊接熔池凝固過程與鑄造凝固過程的差別焊接熔池體積小，冷卻速度高；平均100 ℃ /s，約為鑄造的104。焊接熔池的液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài)熔池邊界的溫度梯度比鑄造時高103 –104倍。熔池在運動狀態(tài)下

18、結(jié)晶結(jié)晶前沿隨熱源同步運動液態(tài)金屬受到力的攪拌運動熔池金屬存在對流運動,2.2 焊接熔池的凝固及焊縫相變組織2.2.1焊接熔池凝固過程的特點,焊接熔池凝固過程的特點外延結(jié)晶從熔池邊界半熔化的母材開始生長非均質(zhì)形核柱狀晶形式,外延結(jié)晶示意圖,2.2 焊接熔池的凝固及焊縫相變組織2.2.1焊接熔池凝固過程的特點,焊接熔池凝固過程的特點擇優(yōu)生長每一種晶體點陣都存在一個最優(yōu)結(jié)晶取向, 對于立方點陣的金屬（Fe, Ni, C

19、u, Al），最優(yōu)結(jié)晶取向為。溫度梯度大的方向，也是晶粒易于生長的方向。與焊接熔池邊界垂直的方向溫度梯度G最大。當母材晶粒取向與導熱最快的方向一致時，即垂直熔池邊界時，晶粒生長最快而優(yōu)先長大。,焊縫金屬柱狀晶的擇優(yōu)生長,2.2 焊接熔池的凝固及焊縫相變組織2.2.2焊縫金屬的結(jié)晶形態(tài),熔池中不同部位溫度梯度和結(jié)晶速度不同，成分過冷的分布不同，焊縫各部位出現(xiàn)不同的結(jié)晶形態(tài)：平面晶、胞狀晶、樹枝狀晶、等軸晶。,焊縫中結(jié)晶形態(tài)的變化,低

20、合金鋼焊縫的組織形態(tài)分類,2.2.3焊縫金屬的顯微組織與性能（低合金鋼）,2.2.3焊縫金屬的顯微組織與性能（低合金鋼為例）,鐵素體先共析鐵素體溫度：770-680 ℃；位置：沿奧氏體晶界形態(tài)：長條形或多邊形塊狀性能特點：使韌性下降側(cè)板條鐵素體溫度：700-550 ℃位置：從晶界鐵素體側(cè)面生長形狀：板條狀性能特點：使韌性下降,2.2.3焊縫金屬的顯微組織與性能,鐵素體針狀鐵素體溫度：500 ℃；位置：在奧氏體

21、晶粒內(nèi)部形態(tài)：針狀條件：中等冷卻速度性能特點：韌性好細晶鐵素體溫度：500 ℃以下位置：在奧氏體晶粒內(nèi)部形狀：細晶狀條件：存在細化晶粒的元素（Ti，B等）性能特點：韌性好,2.2.3焊縫金屬的顯微組織與性能,珠光體接近平衡下的組織，焊接條件下很少產(chǎn)生。貝氏體上貝氏體溫度：550-450 ℃；位置：沿奧氏體晶界析出形態(tài)：平行的條狀鐵素體之間分布有滲碳體性能特點：韌性較差下貝氏體溫度：450 ℃-Ms形

22、態(tài)：針狀鐵素體和針狀滲碳體的機械混合物性能特點：強度和韌性都較好,2.2.3焊縫金屬的顯微組織與性能,馬氏體板條馬氏體低碳低合金鋼奧氏體內(nèi)部細條狀綜合性能指標在馬氏體中最好片狀馬氏體焊縫中含碳量大于0.4%粗大，經(jīng)常貫穿奧氏體晶粒內(nèi)部硬度高而脆M-A組元富碳馬氏體和殘余奧氏體硬度高,2.2.3焊縫金屬的顯微組織與性能焊縫金屬連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖,2.2.3焊縫金屬的顯微組織與性能焊縫金屬連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖,合

23、金元素和含氧量對焊接CCT圖的影響,不同含氧量的Si-Mn系焊縫金屬CCT圖,2.2.3焊縫金屬的顯微組織與性能改善焊縫金屬顯微組織和性能的途徑,1、優(yōu)化合金成分1）嚴格限制有害的雜質(zhì)元素：S、P、N、O和H；2）通過合金元素來提高焊縫韌性促使高熔點第二相質(zhì)點的析出，通過定扎作用阻止奧氏體晶粒長大；降低奧氏體分解溫度，減少邊界鐵素體的形成；在奧氏體內(nèi)形成鐵素體形核核心，促使奧氏體在500-550溫度區(qū)間分解得到針狀鐵素體，防

24、止在奧氏體晶界形成側(cè)板條鐵素體；防止M-A組元的形成；防止或減少低溫產(chǎn)物馬氏體、上貝氏體的形成；,2.2.3焊縫金屬的顯微組織與性能改善焊縫金屬顯維組織和性能的途徑,3）配置多種微量合金元素，則可能在大幅度地提高焊縫金屬的強度的同時提高韌性和抗裂性Mn和Si最為常用的強化焊縫的元素例如，對于低合金鋼（C:0.10-0.13%）埋弧焊時，Mn、Si分別處于0.8-1.0%和0.1-0.25%時，可以得到細晶鐵素體和針狀鐵素體，

25、具有較好的韌性,Mn和Si對低合金鋼焊縫韌性的影響,2.2.3焊縫金屬的顯微組織與性能改善焊縫金屬顯維組織和性能的途徑,在Mn-Si系基礎上復合添加Ti和BB在高溫下易向奧氏體晶界擴散，在晶界沉淀聚集而降低晶界擴散，使晶界奧氏體的穩(wěn)定性增大，抑制了PF和FSP的形核與生長，從而使???轉(zhuǎn)變開始溫度向低溫方向移動。Ti與氧的親和力很大，焊縫中的Ti以微小顆?？梢宰鳛椤搬斪印蔽挥诰Я＿吔?，阻礙奧氏體晶粒的長大。,2.2.3焊縫金屬的顯

26、微組織與性能改善焊縫金屬顯維組織和性能的途徑,Mo降低奧氏體分解溫度，抑制邊界鐵素體形成，加入少量的Mo不僅可以提高強度，同時也能改善韌性。Nb和V焊縫金屬中可固溶，推遲奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變，能夠抑制焊縫中現(xiàn)共析鐵素體的產(chǎn)生，而激發(fā)形成細小的AF組織。稀土元素:Y，Ce，Te，Se促進組織細化，提高韌性,2.2.3焊縫金屬的顯微組織與性能改善焊縫金屬顯微組織和性能的途徑,2、焊接工藝參數(shù)1）焊接熱輸入過大的熱輸入使結(jié)晶