绪论 一、焊接过程的物理本质 1.焊接:被焊工件的材质(同种或异种),通过加热或加压或二者并用,并且用或不用填充材料,使工件的材质达到原子问的结合而形成永久性连接的工艺过程称为焊接。 物理本质:1)宏观:焊接接头破坏需要外加能量和焊接的的不可拆卸性(永久性) 2)微观:焊接是在焊件之间实现原子间结合。 2.怎样才能实现焊接,应有什么外界条件? 从理论来讲,就是当两个被焊好的固体金属表面接近到相距原子平衡距离时,就可以在接触表面上进行扩散、再结晶等物理化学过程,从而形成金属键,达到焊接的目的。然而,这只是理论上的条件,事实上即使是经过精细加工的表面,在微观上也会存在凹凸不平之处,更何况在一般金属的表面上还常常带有氮化膜、油污和水分等吸附层。这样,就会阻碍金属表面的紧密接触。 为了克服阻碍金属表面紧密接触的各种因素,在焊接工艺上采取以下两种措施: 1)对被焊接的材质施加压力 目的是破坏接触表面的氧化膜,使结合处增加有效的接触面积,从而达到紧密接触。 2)对被焊材料加热(局部或整体) 对金属来讲,使结合处达到塑性或熔化状态,此时接触面的氧化膜迅速破坏,降低金属变形的阻力,加热也会增加原于的振动能,促进扩散、再结晶、化学反应和结晶过程的进行。 二、焊接热源的种类及其特征 1) 电弧热:利用气体介质放电过程所产生的热能作为焊接热源。 2) 化学热:利用可燃和助燃气体或铝、镁热剂进行化学反应时所产生的热能作为热源。 3) 电阻热:利用电流通过导体时产生的电阻热作为热源。 4) 高频感应热:对于有磁性的金属 材料可利用高频感应所产生的二次电流作为热源,在局部集中加热,实现高速焊接。如高频焊管等。 5) 摩擦热:由机械摩擦而产生的热能作为热源。 6) 等离子焰:电弧放电或高频放电产生高度电离的离子流,它本身携带大量的热能和动能,利用这种能量进行焊接。 7) 电子束:利用高压高速运动的电子在真空中猛烈轰击金属局部表面,使这种动能转化为热能作为热源。 8) 激光束:通过受激辐射而使放射增强的光即激光,经过聚焦产生能量高度集中的激光束作为热源。 三、熔焊加热特点及焊接接头的形成 (一)焊件上加热区的能量分布 热源把热能传给焊件是通过焊件上一定的作用面积进行的。对于电弧焊来讲,这个作用面积称为加热区,加热区又可分为加热斑点区和活性斑点区; 1)活性斑点区 活性斑点区是带电质点(电子和离于)集中轰击的部位,并把电能转为热能; 2)加热斑点区 在加热斑点区焊件受热是通过电弧的辐射和周围介质的对流进行的。在该区内热量的分布是不均匀的,中心高,边缘低,如同立体高斯锥体. (二)焊接接头的形成: 熔焊时焊接接头的形成,一般都要经历加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变,直至形成焊接接头。 (l)焊接热过程 : 熔焊时被焊金属在热源作用下发生局部受热和熔化,使整个焊接过程自始至终都是在焊接热过程中发生和发展的。它与冶金反应、凝固结晶和固态相变、焊接温度场和应力变形等均有密切的关系。 (2)焊接化学冶金过程: 熔焊时,金属、熔渣与气相之间进行一系列的化学冶金反应,如金属氧化、还原、脱硫、脱磷、掺合金等。这些冶金反应可直接影响到焊缝的成分、组织和性能。(提高焊缝的强韧性:1 通过焊接材料向焊缝中加入微量合金元素(如Ti、Mo、Nb、V 、Zr 、B 和稀土等)进行变质处理,从而提高焊缝的韧性;2 适当降低焊缝中的碳,并最大限度排除焊缝中的硫、磷、氧、氮、氢等杂质进行净化焊缝,也可提高焊缝的韧性) (3)焊接时的金属凝固结晶和相变过程: 随着热源离开,经过化学冶金反应的熔池金属就开始凝固结晶,金属原子由近程有序排列转变为远程有序排列,即由液态转变为固态。对于具有同素异构转变的金属,随温度下降,将发生固态相变。因焊接条件下是快速连续冷却,并受局部拘束应力的作用,因此,可能产生偏析、夹杂、气孔、热裂纹、冷裂纹、脆化等缺陷。故而控制和调整焊缝金属的凝固和相变过程,就成为保证焊接质量的关键。 由此看来,焊接接头是由两部分所组成,即焊缝和热影响区,其间有过渡区,称为熔合区。焊接时除必须保证焊缝金属的性能之外,还必须保证焊接热影响区的性能。 四、焊接温度场: (一)焊接传热的基本形式:在熔焊的条件下,由热源传热给焊件的热量,主要是以辐射和对流为主,而母材和焊条(焊丝)获得热能之后,热的传播则是以热传导为主。焊接传热过程所研究的内容主要是焊件上的温度分布及其随时间的温度变化何题,因研究焊接温度场,是以热传导为主,适当考虑辐射和对流的作用。 (二)焊接温度场的一般特征:焊接时焊件上各点的温度每一瞬时都在变化,而且是有规律地变化。焊件上(包括内部)某瞬时的温度分布称为“温度场。焊接温度场的分布情况可以用等温线或等温面表示。所谓等温线或等温面,就是把焊件上瞬时温度相同的各点连接在一起,成为一条线或一个面。各个等温线或等温面彼此之间不能相交,而存在一定的温度差,这个温度差的大小可以用温度梯度来表示。 焊接温度场各点的温度不随时间而变动时,称为稳定温度场;随时间而变动时,称为非稳定温度场。在绝大多数情况下,焊件上各点的温度是随时间变动的,因此焊接温度场应属非稳定温度场。 恒定热功率的热源固定作用在焊件上时(相当于补焊缺陷的情况),开始一段时间内,温度是非稳定的.但经过一段时间之后便达到了饱和状态,形成了暂时稳定的温度场(即各点的温度不随时间而变),把这种情况称为准稳定温度场。 对于正常焊接条件下的移动热源,经过一定时间之后,焊件上同样会形成准稳定温度场,这时焊件上各点温度虽然随时间而变化,但各点以固定的温度跟随热源一起移动,也就是说,这个温度场与热源以同样的速度跟踪。如果采用移动坐标系,坐标原点与热源中心重合,则焊件上各点的温度只取决于这个系统的空间坐标,而与热源的移动距离和速度无关。 (三)影响温度场的因素: (l)热源的性质: 一般电弧焊的条件下, 25mm 以上的钢板就可以认为是点状热源,而100mm以上的厚钢板电渣焊时却是线状热源。电子束和激光焊接时,热能极其集中,所以温度场的范围很小;而气焊时,热源作用的面积较大,因此温度场的范围也大。 (2)焊接线能量 (3)被焊金属的热物理性质( l 热导率:表示金属导热的能力,它的物理意义是在单位时间内,沿法线方向单位距离相差 l ℃ 时经过单位面积所传递的热能。2 比热容: 1克物质每升高1℃所需的热谓之比热容。3 容积比热容:单位体积物质每升高 1 ℃ 所需的热量称为容积比热容,用cρ 表示。 4 )热扩散率:热扩散率是表示温度传播的速度。 5 热焓( H )单位物质所具有的全部热能,它与温度有关。 6 表面散热系数:表面散热系数的物理意义是散热体表面与周围介质每相差 1 ℃ 时,在单位时间内单位面积所散失的热量。根据实验,在焊接过程中所散失的热能,在静止的空气中主要是通过辐射,而对流的作用很小。因此,当焊接不锈钢和耐热钢时,所选用的焊接线能量( q/v的比值)应比焊接低碳钢时要小。相反,焊接铜和铝时,由于导热性能良好,因此应选用比焊接低碳钢更大的线能量。) 4)焊件的板厚及形状: (l厚板焊接结构 2薄板焊接结构) 第一章焊接化学冶金: 在熔焊过程中,焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程,称为焊接化学冶金过程。它主要研究在各种焊接工艺条件下,冶金反应与焊缝金属成分、性能之间的关系及其变化规律。研究的目的在于运用这些规律合理地选择焊接材料,控制焊缝金属的成分和性能使之符合使用要求,设计创造新的焊接材料。 第一节焊接化学冶金过程的特点 一、焊条熔化及熔池形成: (一)焊条的加热及熔化 : 1.焊条的加热: 电弧焊时用于加热和熔化焊条(或焊丝)的热能有:电阻热、电弧热和化学反应热。在使用大电流密度焊接时,由于电阻热过大,焊芯和药皮的温升过高,将引起许多不良的后果。如飞溅增加,药皮开裂或脱落,药皮丧失冶金作用,焊缝成形变坏,甚至产生气孔等缺陷.用不锈钢焊条焊接时,这种现象更为突出.因此,手工电弧焊时,应严格限制焊芯和药皮的加热温度。 2.焊条金属的平均熔化速度 : 在单位时间内熔化的焊芯质量或长度称为焊条金属的平均熔化速度。试验表明,在正常的焊接工艺参数范围内,焊条金属的平均熔化速度与焊接电流成正比。 在焊接过程中并非所有熔化的焊条金属都进入了熔池形成焊缝,而是有一部分损失。通常把单位时间内真正进入焊缝金属的那一部分金属的质量叫平均熔敷速度。 在焊接过程中由于飞溅、氧化和蒸发损失的那一部分金属质量与熔化的焊芯质量之比,称为损失系数。熔敷系数是真正反映焊接生产率的指标。 3.焊条金属熔滴及其过渡特性: 在电弧热的作用下,焊条端部熔化形成的滴状液态金属称为熔滴。 (l)熔滴过渡的形式 : 用药皮焊条焊接时,主要有三种过渡形式:短路过渡、颗粒状过渡和附壁过渡。 短路过渡的过程是:在短弧焊时焊条端部的熔滴长大到一定的尺寸就与熔池发生接触,形成短路,于是电弧熄灭.同时在各种力的作用下熔滴过渡到熔池中,电弧重新引燃.如此重复这一过程,形成稳定的短路过渡过程。 颗粒状过渡过程是;当电弧的长度足够长时,焊条端部的熔滴长大到较大的尺寸,然后在各种力的作用下,以颗粒状落入熔池,此时不发生短路,接着进行下一个过渡周期。 附壁过渡是指熔滴沿着焊条端部的药皮套简壁向熔池过渡的形式。 溶滴的过渡形式、尺寸和过渡频率取决于药皮的成分与厚度、焊芯直径、焊接电流和极性等因素。一般讲,碱性焊条在较大的焊接电流范围内主要是短路过渡和大颗粒状过渡。用酸性焊条焊接时为细颗粒状过渡和附壁过渡。 (2)熔滴的比表面积和相互作用时间: 焊接时金属与熔渣和气体的相互作用属于高温多相反应,因此熔滴的比表面积和它与周围介质相互作用的时间,对熔滴阶段的冶金反应有很大的影响。熔滴越细其比表面积越大。因此,凡是能使熔滴变细的因素,如增大焊接电流或在药皮中加入表面活性物质等,都能使熔滴的比表面积增大,从而有利于加强冶金反应。 (3)熔滴的温度: 熔滴的温度是研究熔滴阶段各种物理化学反应时不可缺少的重要参数。试验表明,熔滴的平均温度随焊接电流的增加而升高,随焊丝直径的增加而降低。最后应指出,药皮熔化后形成的熔渣也向熔池过渡,有两种过渡形式:一是以薄膜的形式包在熔滴外面或夹在熔滴内同熔滴一起落入熔池;二是直接从焊条端部流入熔池或以滴状落入熔池。当药皮厚度大时才会出现第二种过渡形式。 (二)熔池的形成: 熔焊时,在热源的作用下焊条熔化的同时被焊金属也发生局部熔化。母材上由熔化的焊条金属与局部熔化的母材所组成的具有一定几何形状的液体金属叫熔池。如焊接时不填充金属,则熔池仅由局部熔化的母材组成。 1.熔池的形状和尺寸: 熔池的形成需要一定的时间,这段时间叫作过渡时期。经过过渡时期以后就进入准稳定时期,这时熔池的形状、尺寸和质量不再变化,只取决子母材的种类和焊接工艺条件,并随热源作同步运动。熔池的宽度和深度是沿 X 轴连续变化的.在一般情况下,随着电流的增加熔池的最大宽度B减小,而最大深度H增大;随着电弧电压的增加,B增大,H减小。熔池的上表面积取决于焊接方法和焊接工艺参数,比熔滴的比表面积小。 2.熔池的质量和存在时间: 溶池在液态存在的最大时间取决于溶池的长度 L和焊速v。熔池中各种物化反应的时间是短暂的,然而比熔滴阶段长。 3.熔池的温度: 在熔池内的温度分布是不均匀的,在熔池的前部,输入的热量大于散失的热量,所以随热源的移动,母材不断熔化。处于电弧下面的熔池表而(熔池中部)温度最高。熔池后部的温度逐渐下降,因为此处输入的热量小于散失的热量,所以不断发生金属的凝固。熔池的平均温度主要取决于母材的性质和散热的条件。 4.熔池中流体的运动状态: 熔池中的液体金属在各种力的作用下,将发生强烈的运动,正是这种运动使得熔池中的热量和质量的传输过程得以进行。 熔化的母材由熔池前部沿结晶前沿的弯曲表面向熔池的后部运动。而在熔池的表面上,液态金属由熔池的后部向中心运动。研究表明,焊接工艺参数、焊接材料的成分、电极直径及其倾斜角度、馈电位置等都对熔池中的运动状态有很大的影响。 熔池的作用:熔池中液态金属的强烈适动,使熔化的母材和焊条金属能够很好的混合,形成成分均匀的焊缝金属。其次,熔池中的运动有利于气体和非金属夹杂物的外逸,加速冶金反应,消除焊接缺陷(如气孔),提高焊接质量。 二、焊接过程中对金属的保护: (一)保护的必要性: 为了提高焊缝金属的质量,把熔焊方法用于制造重要结构,就必须尽量减少焊缝金属中有害杂质的含量和有益合金元素的损失,使焊缝金属得到合适的化学成分。因此,焊接化学冶金的首要任务就是对焊接区内的金属加强保护,以免受空气的有害作用。 (二)保护的方式和效果: 各种保护方式的保护效果是不同的。例如,埋弧焊是利用焊剂及其熔化以后形成的熔渣隔离空气保护金属的,焊剂的保护效果取决于焊剂的粒度和结构。多孔性的浮石状焊剂比玻璃状的焊剂具有更大的表面积,吸附的空气更多,因此保护效果较差。试验表明,焊剂的粒度越大,其松装密度(单位体积内焊剂的质量)越小,透气性越大,焊缝金属中含氮量越多,说明保护效果越差。但是不应当认为焊剂的松装密度越大越好。因为当熔池中有大量气体析出时,如果松装密度过大,则透气性过小,将阻碍气体外逸,促使焊缝中形成气孔,使焊缝表面出现压坑等缺陷,所以焊剂应当有适当的透气性。埋弧焊比手工电弧焊的保护效果好。 气体保护焊的保护效果取决于保护气的性质与纯度、焊炬的结构、气流的特性等因素。一般来说,惰性气体(氢、氦等)的保护效果是比较好的,因此适用于焊接合金钢和化学活性金属及其合金。 焊条药皮和焊丝药芯一般是由造气剂、造渣剂和铁合金等组成的.这些物质在焊接过程中能形成渣一气联合保护。造渣剂熔化以后形成熔渣,覆盖在熔滴和熔池的表面上将空气隔开。熔渣凝固以后,在焊缝上面形成渣壳,可以防止处于高温的焊缝金属与空气接触。同时造气剂 〔 主要是有机物和碳酸盐等)受热以后分解,析出大量气体。这些气体在药皮套简中被电弧加热膨胀,从而形成定向气流吹向熔池,将焊接区与空气离开。用焊条和药芯焊丝焊接时的保护效果,取决于其中保护材料的含量、熔渣的性质和焊接工艺参数等,并用熔敷金属中的含氮量多少衡量保护的好坏。随着药芯焊丝中保护材料含量的增加,熔敷金属中的含氮量减少。过分增加其含量,则药芯的熔化将落后于金属外皮,从而使保护效果变坏。焊条熔化时析出的气体数量越多,熔敷金属中的含氮量越少。 自保护焊是利用特制的实心或药芯光焊丝在空气中焊接的一种方法。它不是利用机械隔离空气的办法来保护金属,而是在焊丝或药芯中加入脱氧和脱氮剂,使由空气进入熔化金属中的氧和氮进入熔渣中,故称自保护。 三、焊接化学冶金反应区及其反应条件: 不同焊接方法有不同的反应区。手工电弧焊时有三个反应区药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区;熔化极气体保护焊时,只有熔滴和熔池地带反应区;不填充金属的气焊、钨极氩弧焊和电子束焊接只有一个熔池反应区。现以手工电弧焊为例加以讨论。 (一)药皮反应区: 在该区内的主要物化反应有:水分的蒸发、某些物质的分解和铁合金的氧化。当药皮加热到一定温度时,其中的有机物,如木粉、纤维素和淀粉等则开始分解和燃烧,形成 CO 、CO2 、 H2 等气体.某些焊条中的碳酸盐和高价氧化物也发生分解,形成 CO2、O2等气体。 上述物化反应产生的大量气体,一方面对熔化金属有机械保护作用,另一方面对被焊金属和药皮中的铁合金(如锰铁、硅铁和钛铁等)有很大的氧化作用.试验表明,温度高于 600 ℃ 就会发生铁合金的明显氧化,结果使气相的氧化性大大下降。这个过程即所谓“先期脱氧”。药皮反应阶段可视为准备阶段。因为这一阶段反应的产物可作为熔滴和熔池阶段的反应物,所以它对整个焊接化学冶金过程和焊接质量有一定的影响。 (二)熔滴反应区: 从熔滴形成、长大到过渡至熔池中都属于熔滴反应区。从反应条件看,这个区有以下特点: 1.熔滴的温度高 2.熔滴与气体和熔渣的接触面积大 3.各相之间的反应时间(接触时间)短(熔滴阶段的反应主要是在焊条末端进行的) 4.熔滴与熔渣发生强烈的混合 。 由上述特点可知,在该区的反应时间虽短,但因温度高,相接触面积大,并有强烈的混合作用,所以冶金反应最激烈,许多反应可达到接近终了的程度,因而对焊缝成分影响最大。在熔滴反应区进行的主要物化反应有:气体的分解和溶解、金属的蒸发、金属及其合金成分的氧化和还原,以及焊缝金属的合金化等。 (三)熔池反应区: 熔滴和熔渣落入熔池后,各相之间进一步发生物化反应,直至金属凝固,形成焊缝金属。 l.熔池反应区的物理条件:与熔滴相比,熔池的平均温度较低,比表面积较小,反应时间稍长些。熔池的突出特点之一是温度分布极不均匀,因此在熔池的前部和后部反应可以同时向相反的方向进行。例如在熔池的前部发生金属的熔化、气体的吸收,并有利于发展吸热反应;而在溶池的后部却发生金属的凝固、气体的逸出,并有利于发展放热反应。此外,熔池中的强烈运动,有助于加快反应速度,并为气体和非金属夹杂物的外逸创造了有利条件. 2.熔池反应区的化学条件: 熔池反应区的化学条件与熔滴反应区也有所不同。首先,熔池阶段系统中反应物的浓度与平衡浓度之差比熔滴阶段小,所以在其余条件相同的情况下熔池中的反应速度比熔滴中要小。其次,当药皮重量系数Kb(单位长度上药皮与焊芯的质量比)较大时,参与和熔池金属作用的熔渣数量比参与和熔滴金属作用的数量多。因为 K 。大时有一部分熔渣直接流入熔池,而不与熔滴发生作用,这必然给冶金反应带来影响.例如,用 具有氧化型药皮的焊条焊接时,随着 Kb的增加硅在熔滴和熔敷金属中的含量开始时都迅速减少(即硅的氧化损失增加)。但当Kb>= 18 (相当药皮厚度为 1mm)时,熔滴中硅的氧化损失趋于稳定,面熔池中依靠没有与熔滴接触的那一部分溶渣使硅继续氧化。因此可以认为存在一个临界药皮厚度h。,在h。以外的药皮所形成的熔渣不与熔滴接触,只与熔池发生作用.由此可知增加药皮厚度能够加强熔池阶段的反应。k。取决于药皮的成分和焊接工艺参数。最后熔池反应区的反应物质是不断更新的。新熔化的母材、焊芯和药皮不断进入熔池的前部,凝固的金属和熔渣不断从熔池后部退出反应区。在焊接规范恒定的情况下,这种物质的更替过程可以达到相对稳定状态,从而得到成分均匀的焊缝金属。 由上述熔池反应区的物理、化学条件可以得出结论:熔池阶段的反应速度比熔滴阶段小,并且在整个反应过程中的贡献也较小。合金元素在熔池阶段被氧化的程度比熔滴阶段小就证明了这一点 .但是在某些情况下(如大厚度药皮),熔池中的反应也有相当大的贡献。总之,焊接化学冶金过程是分区域连续进行的。在熔滴阶段进行的反应多数在熔池阶段将继续进行,但也有的停止反应甚至改变反应方向。各阶段冶金反应的综合结果,决定了焊缝金属的最终化学成分。 四、焊接工艺条件与化学冶金反应的关系: 焊接化学冶金过程与焊接工艺条件有密切的联系。改变焊接工艺条件(如焊接方法、焊接工艺参数等)必然引起冶金反应条件(反应物的种类、数量、浓度、温度、反应时间等)的变化,因而也就影响到冶金反应的过程.这种影响可归结为以下两个方面。 (一)熔合比的影响:一般熔焊时,焊缝金属是由填充金属和局部熔化的母材组成的。在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比。熔合比取决于焊接方法、规范、接头形式和板厚、坡口角度和形式、母材性质、焊接材料种类以及焊条(焊丝)的倾角等因素。 当母材和填充金属的成分不同时,熔合比对焊缝金属的成分有很大的影响。假设焊接时合金元素没有任何损失,则这时焊缝金属中的合金元素浓度称为原始浓度。通过改变熔合比可以改变焊缝金属的化学成分。这个结论在焊接生产中具有重要的实用价值.例如,要保证焊缝金属成分和性能的稳定性,必须严格控制焊接工艺条件,使熔合比稳定、合理。在堆焊时,总是调整焊接规范使熔合比尽可能的小,以减少母材成分对堆焊层性能的影响。在焊接异种钢时,熔合比对焊缝金属成分和性能的影响甚大,因此要根据熔合比选择焊接材料。 (二)熔滴过渡特性的影响:焊接工艺参数对熔滴过渡恃性有很大影响,因此对冶金反应也必然发生影响。试验表明,熔滴阶段的反应时间(或熔滴存在的时间)随着焊接电流的增加而变短,随着电弧电压的增加而变长.所以,可以断定反应进行的程度将随电流的增加而减小,随电压的增加而增大。CO2保护焊时,焊丝中硅的氧化损失也有类似的情况。增大焊接电流,熔滴过渡频率增加,氧化反应的时间变短,硅的氧化损失率减小.增加电弧电压,氧化反应的时间增长,硅的损失率增大。此外,短路过渡比大颗粒过渡时硅的损失小,原因是短路过渡时熔滴与 CO2 ,的反应时间较短。 五、焊接化学冶金系统及其不平衡性: 焊接化学冶金系统是一个复杂的高温多相反应系统。根据焊接方法不同,组成系统的相也不同。例如,手工电弧焊和埋弧焊时,系统内有三个相互作用的相,即液态金属、熔渣和电弧气氛,气体保护焊时,主要是气相与金属相之间的相互作用;而电渣焊时,主要是熔渣与金属之间的作用。由物理化学可知,多相反应是在相界面上进行的,并与传质、传热和动量传输过程密切相关。 第二节气相对金属的作用 一、焊接区内的气体: (一)气体的来源和产生: 焊接区内气体的主要来源是什么?他们是怎样产生的? 焊接区内的气体主要来源于焊接材料。气电焊时,焊接区内的气体主要来自所采用的保护气体及其杂质(氧、氮、水气等)。热源周围的空气也是一种难以避免的气源. 气体主要通过以下物化反应产生的 :1)有机物的分解和燃烧:制造焊条时常用淀粉、纤维素等有机物作为造气剂和涂料增塑剂,焊丝和母材表面上也可能存在油污等有机物,这些物质受热以后将发生复杂的分解和燃烧反映,统称为热氧化分解反应。2)碳酸盐和高价氧化物的分解:焊接冶金中常用的碳酸盐有白云石、碳酸钙等。这些碳酸盐在加热超过一定温度时开始分解,生成气体CO2。3)材料的蒸发:在焊接过程中,除焊接材料中的水分发生蒸发外,金属元素熔渣的各种成分也在电弧的高温作用下发生蒸发,形成相当多的蒸气。除上述物化反应产生气体外,还有一些冶金反应也会产生气态产物。 (二)气体分解: 1.简单气体的分解: 焊接区气相中常见的简单气体有 N2、H2、O2等双原子气体。气体受热后将增加其原子的振动和旋转能.当原子获得的能量足够高时,将使原子健断开,分解为单个原子或离子和电子。 2 .复杂气体的分解: CO2和H20是焊接冶金中常见的复杂气体。 (三)气相的成分及其分布: 气相的成分和数量随焊接方法、规范、焊条或焊剂的种类不同而变化。可以看出,用低氢型焊条焊接时,气相中含 H2和H2O 很少,故称‘低氢型”。埋弧焊和中性焰气焊时,气相中含 COZ2和H2O 很少,因而气相的氧化性很小;相反,手弧焊时气相的氧化性相对较大。综上所述,焊接区内的气体是由 CO2、H2O 、 N2、 H2、 O2、金属和熔渣的蒸气以及它们分解和电离的产物组成的混合物。其中对焊接质量影响最大的是 N2、H2、02 、CO2、 H20 。 二、氮对金属的作用: 焊接区周围的空气是气相中氮的主要来源。根据氮与金属作用的特点,大致可分为两种情况。一种是不与氮发生作用的金属,如铜和镍等,它们既不溶解氮,又不形成氮化物,因此焊接这一类金属可用氮作为保护气体,另一种是与氮发生作用的金属,如铁、钛等既能溶解氮,又能与氮形成稳定的氮化物,焊接这一类金属及合金时,防止焊缝金属的氮化是一个重要问题。 (一)氮在金属中的溶解: 气体的溶解过程可分为如下阶段:气体分子向气体与金属界面上运动;气体被金属表面吸附。在金属表面上分解为原子;气体原子穿过金属表面层,并向金属深处扩散。这个过程不受电场影响,属于纯化学溶解。降低气相中氮的分压可以减少金属中的含氮量。 电弧焊时的气体溶解过程比普通的气体溶解过程要复杂得多。其特点是,熔化金属过热度大;在熔池表面上通过局部活性部分和熔滴吸收气体;电弧气氛中有受激的分子、原子和离子,这增加了气体的活性,使其在金属中的溶解度增加。所以电弧焊时熔化金属吸收的气体量常常要超过它的平衡含量(溶解度)。 电弧焊时熔化金属的含氮量高于溶解度的主要原因在于:电弧中受激的氮分子,特别是氮原子的溶解速度比没受激的氮分子要快得多;电弧中的氮离子 可在阴极溶解;在氧化性电弧气氛中形成 NO ,遇到温度较低的液态金属它分解为 N 和0,N迅速溶于金属。 (二)氮对焊接质量的影响: 1)在碳钢焊缝中氮是有害的杂质。氮是促使焊缝产生气孔的主要原因之一。 2)氮是提高低碳钢和低合金钢焊缝金属强度、降低塑性和韧性的元素。 3)氮是促使焊缝金属时效脆化的元素。 (三)影响焊缝含氮量的因素及控制措施: 1.焊接区保护的影响: 液态金属脱氮比较困难,所以控制氮的主要措施是加强保护,防止空气与金属作用。 2.焊接工艺参数的影响:增加电弧电压(即增加电弧长度),导致保护变坏,氮与熔滴的作用时间增长,故使焊缝金属含氮量增加。在熔渣保护不良的情况下,电弧长度对焊缝含氮量的影响尤其重要。为减少焊缝中的气体含量应尽量采用短弧焊。增加焊接电流,熔滴过渡频率增加,氮与熔滴的作用时间缩短,焊缝含氮量下降。 3.合金元素的影响: 增加焊丝或药皮中的含碳量可降低焊缝中的含氮量。这是因为碳能降低氮在铁中的溶解度;碳氧化生成CO、CO2 加强了保护,降低了气相中氮的分压;碳氧化引起的熔池沸腾有利干氮的逸出。 三、氢对金属的作用: 焊接时,氢主要来源于焊接材料中的水分、含氢物质及电弧周围空气中的水蒸气等。 (一)氢在金属中的溶解 根据氢与金属作用的特点可把金属分为两类:第一类是能形成稳定氢化物的金属,如Zr 、 Ti 、 V 、 Ta 、 Nb 等。这类金属吸收氢的反应是放热反应,因此在较低温度下吸氢量大,在高温时吸氢量少。焊接这类金属及合金时,必须防止在固态下吸收大量的氢,否则将严重影响接头质量。第二类是不形成稳定氢化物的金属,如Al 、 Fe、 Ni 、 Cu、 Cr 、 Mo等。 但氢能够溶于这类金属及其合金中,溶解反应是吸热反应。 焊接方法不同,氢向金属中溶解的途径也不同。气体保护焊时,氢是通过气相与液态金属的界面以原子或质子的形式溶入金属的;电渣焊和电渣熔炼时,氢是通过渣层溶入金属的,而手工电弧焊和埋弧焊时,似上述两种途径兼而有之。氢通过熔渣向金属中溶解时,氢或者水蒸气首先溶于熔渣。溶解在渣中的氢主要以 OH- 离子的形式存在。渣中自由氧离子浓度越大(即熔渣的碱度越大),水在渣中的溶解度越大。氧离子活度是决定水在渣中溶解度的主要因素。此外,在焊接熔渣中还有少量的质子,它可以通过扩散或搅拌作用到达熔渣与金属的界面上,直接溶入金属。总之,当氢通过熔渣向金属中过渡时,其溶解度取决于气相中氢和水蒸气的分压、熔渣的碱度、氟化物的含量和金属中的含氧量等因素。当氮通过气相向金属中过渡时,其溶解度取决于氢的状态 。 这就是说,熔滴阶段吸收的氢比熔池阶段多,继续升温,由于金属蒸气压急剧增加,使氮的溶解度迅速下降,在接近金属沸点时溶解度为零.此外,在变态点处溶解度发生突变,这往往是造成焊接缺陷(如气孔、冷裂等)的原因之一。此外,合金元家对氢在铁中的溶解度也有很大的影响. Ti 、Zr、 Nb 及某些稀土元素可棍高氮在液态铁中的溶解度, Mn、 Ni 、Cr 、 Mo 影响不大,而C、 Si 、Al可降低氢的溶解度。氧能有效地降低氢在液态铁、低碳钢和低合金钢中的溶解度,因为氧是表面活性元素,它可以减少金属对氢的吸附‘氢在固态钢中的溶解度与其组织结构有关。一般在面心立方晶格的奥氏体钢中的溶解度,比在体心立方晶格的铁素体一珠光体钢中的溶解度大。 (二)焊缝金属中的氢及其扩散: 在焊接过程中,液态金属所吸收的大量氢,有一部分在熔池凝固过程中可以逸出.但熔池冷却很快,还有相当多的氢来不及逸出,而被留在固态焊缝金属中。在钢焊缝中,氢大部分是以 H 、 H+或H-形式存在的,它们与焊缝金属形成间隙固溶体。由于氢原子和离子的半径很小,这一部分氢可以在焊缝金属的晶格中自由扩散,故称之为扩散氢。还有一部分氢扩散聚集到陷阱(金属的晶格缺陷、显微裂纹和非金属夹杂物边缘的空隙)中,结合为氢分子,因其半径大,不能自由扩散,故称之为残余氢。对第二类金属来说,扩散氢约占 80 % ~90 % ,因此它对接头性能的影响比残余氢大。 焊缝金属中的含氢量,因扩散的缘故而是随时间变化的。焊后随着放置时间的增加,扩散氢减少,残余氢增加,而总氢量下降。这说明一部分扩散氢从焊缝中逸出,一部分变为残余氢。所谓熔敷金属的扩散氢含量,是指焊后立即按标准方法测定并换算为标准状态下的含氢量。 氢在焊接接头横截面上,分布特征与母材的成分、组织和焊缝金属的类型等因素有关。值得注意的是,氢由焊缝扩散到近缝区,并达到相当大的深度。 近缝区产生的冷裂纹与其中的含氢量有密切的关系。研究表明,母材和焊缝金属组织类型的匹配不同,近缝区给定点氢扩散的动力学曲线具有不同的特征。在具有奥氏体和马氏体时效钢焊缝的情况下,无论母材是淬火钢还是非淬火钢,近缝区给定点的氢浓度都是单调下降的;而在具有铁素体焊缝的情况下,近缝区给定点的氢浓度有极大值,且在母材中氢的扩散系数越小,达到极大值所需要的时间越长。氢扩散动力学曲线的这些特征与氢在.奥氏体、马氏体和铁素体钢中的扩散系数依次增大有密切关系。 (三)氢对焊接质量的影响: 1.氢脆 氢在室温附近使钢的塑性严重下降的现象称为氢脆。氢脆现象是由溶解在金属晶格中的氢引起的。 2.白点 碳钢或低合金钢焊缝,如含氢量高,则常常在其拉伸或弯曲断面上出现银白色圆形局部脆断点,称之为白点。在许多情况下,白点的中心有小夹杂物或气孔。如焊缝产生白点,则其塑性大大下降。 焊缝金属对白点的敏感性是与含氢量、金属的组织和变形速度等因素有关的。铁素体和奥氏体钢焊缝不出现白点。前者是因为氢在其中扩散快,易于逸出;后者是因为氢在其中的溶解度大,且扩散很慢。碳钢和用 Cr 、 Ni 、 Mo 合金化的焊缝,尤其是这些元素含量较多时,对白点很敏感。试件含氢量越多,出现白点的可能性越大,若预先经过去氢处理,则可消除白点。 3.形成气孔 如果熔池吸收了大量的氢,那么在它凝固时由于溶解度的突然下降,使氢处于过饱和状态,会产生氢气且不溶于液态金属,于是在液态金属中形成气泡。当气泡外逸速度小于凝固速度时,就在焊缝中形成气孔。 4.产生冷裂纹 冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度产生的一种裂纹,其危害很大。氢是促使产生这种裂纹的主要原因之一。 (四)控制氢的措施: 1.限制焊接材料中的含氢量 制造低氢和超低氢型焊条和焊剂时,应尽量选用不含或含氢少的材料。 制造焊条、焊剂和药芯焊丝时,适当提高烘焙温度可以降低焊接材料中的含水量,因而也就相应地降低了焊缝中的含氢量。 焊条、焊剂在大气中长期放置会吸潮。这不仅使焊缝含氢量增加,而且使焊接工艺变坏,抗裂性下降。因此防潮是一个重要间题,药皮的吸水量取决于它本身的成分、粘结剂的种类和大气中水蒸气的分压等因素。采用高模数、低浓度的水玻璃,或用含锂的水玻璃可提高焊条的抗潮性。烧结焊剂的吸潮性主要取决于烧结温度,经700 ~ 800 ℃ 烧结,可大大降低吸潮性。 由上述可知,焊接材料在使用前应再烘干,这是生产上去氢的最有效方法,特别是使用低氢型焊条时,切不可忽视。升高烘焙温度可大大降低焊缝的含氮量。但烘焙温度不可过高,否则将丧失药皮的冶金作用。焊条、焊剂烘焙后应立即使用,或放在低温( 100 ℃ )烘箱内,以免重新吸潮.焊接保护气体中的水分如果超过标准,则应采取去水、干燥等措施。 2.清除焊丝和焊件表面上的杂质 焊丝和焊件坡口附近表面上的铁锈、油污、吸附水等是增加焊缝含氢量的原因之一,焊前应仔细清除。焊接铝、铝镁合金、钛及其合金时,因其表面层结构不致密常形成含水的氧化膜,如Al( OH )3、 Mg ( OH )2等,所以必须用机械或化学方法进行清除,否则由于氢的作用可能产生气孔、裂纹或使接头性能变坏。 3.冶金处理 由上述可知,降低气相中氢的分压可以减少氢在液态金属中的溶解度.面要降低氢的分压,就应该调整焊接材料的成分,使氢在焊接过程中生成比较稳定的不溶于液态金属的氢化物,如HF 、 OH及其他稳定氢化物。 冶金处理具体措施如下:l)在药皮和焊剂中加入氟化物 2)控制焊接材料的氧化还原势 3)在药皮或焊芯中加入微量的稀土或稀散元素 4.控制焊接工艺参数 焊接工艺参数对焊缝含氢量有一定的影响。例如,手工电弧焊时,增大焊接电流使熔滴吸收的氢量增加;增加电弧电压使焊缝含氢 量有某些减少。电弧焊时,电流种类和极性对焊缝含氢 量也有影响。应指出,通过控制焊接工艺参数来限制焊缝含氢是有很大局限性的。 5.焊后脱氢处理 焊后把焊件加热到一定的温度,促使氢扩散外逸的工艺叫脱氢处理。由图可以看出,把焊件加热到 350 ℃ ,保温 lh ,可将绝大部分扩散氢去除。在生产上,对于易产生冷裂纹的焊件常要求进行脱氢处理。应指出,对干奥氏体钢焊接接头进行脱氢处理效果不大,因而是不必要的. 四、氧对金属的作用 根据氧与金属作用的特点,可把金属分为两类:一类是不溶解氧,但焊接时发生激烈氧化的金属,如Mg 、 A1 等;另一类是能有限溶解氧,同时焊接过程中也发生氧化的金属,如Fe、 Ni 、 Cu 、 Ti 等.后一类金属氧化后生成的金属氧化物能溶解于相应的金属中。 (一)氧在金属中的溶解 研究表明,氧是以原子氧和 FeO 两种形式溶于液态铁中的。氧在液态铁中的溶解度随着温度的升高而增大。当液态铁中有第二种合金元素时,随着合金元素含量的增加氧的溶解度下降。 在铁冷却过程中,氧的溶解度急剧下降.在室温下 aFe 中几乎不溶解氧(1时为碱性渣, B1时,熔渣才是碱性的。产生这种现象的原因,是既没有考虑氧化物的酸碱性强弱程度是不同的,也没有考虑碱性氧化物和酸性氧化物形成中性复合物的情况。 离子理论把液态熔渣中自由氧离子的浓度(或氧离子的活度)定义为碱度。所谓自由氧离子就是游离状态的氧离子。渣中自由氧离子的浓度越大,其碱度越大。 2.熔渣的粘度 粘度是熔渣的重要物理性质之一,它对熔渣的保护效果、焊接工艺性能和化学冶金都有显著的影响 熔渣的粘度取决于熔渣的成分和温度,实质上取决于熔渣的结构。结构越复杂,阴离子的尺寸越大,熔渣质点移动越困难,渣的粘度也就越大。 1)温度对粘度的影响 在含 SiO2较多的酸性渣中,有较多的复杂si-O离子。升温时, Si 一O离子的热振动能增加,使其极性键局部断开,出现尺寸较小的 si 一O离子,因而粘度下降.但复杂Si-O离子的解体是随温度升高逐渐进行的,所以粘度下降比较缓慢. 对于碱性渣,升高温度可消除没有熔化的固体颗粒,所以粘度也下降。另外,碱性渣中的离子尺寸较小,容易移动,当温度高于液相线时,粘度迅速下降,当温度低于液相线时,渣中出现细小的晶体,粘度迅速增大。 2)熔渣成分对粘度的影响 在酸性渣中加入 SiO2使Si-O 阴离子的聚合程度增大,其尺寸也增大,因面使粘度迅速升高。减少SiO2,增加 Ti02,可减少复杂的 Si - 0 离子,降低高温时的粘度。含TiO2多的酸性渣已不是玻璃状渣,而是接近晶体状的渣,即变为短渣。在酸性渣中加入碱性氧化物能破坏 si 一0离子键,减小其尺寸,因而可降低粘度。 在碱性渣中加入高熔点的碱性氧化物则可能出现未榕化的固体颗粒,增大渣的流动阻力,使粘度升高。这时如加入少量SiO2,则因 CaO 与SiI2形成低熔点的硅酸盐,使粘度下降,当加入的 SiO2满足 Cao/SiO2=1.87 (或CaCO3/SiO2=3.3 )时,形成正硅酸盐( CaO ) 2 ·Si02 ,此时渣中的 si 一O离子主要以尺寸最小的SiO4(4ˉ)形式存在,所以其粘度较小。 在碱性渣中加入 caF2,能促使 CaO 熔化,故可降低非均相碱性渣的粘度。 3.熔渣的表面张力 熔渣的表面张力对熔滴过渡、焊缝成形、脱渣性以及许多冶金反应都有重要的影响。 熔渣的表面张力实际上是气相与熔渣之间的界面张力。物质的表面张力与其中质点之间的作用力大小有关,或者说与化学键的键能有关。键能越大表面张力越大.一般讲,金属键的键能最大,所以液体金属的表面张力最大。 升高温度熔渣的表面张力减小。这是因为温度升高使离子的半径增大,综合矩减小,离子之间的距离增大,相互作用力减弱。 4.熔渣的熔点 熔渣的熔点是影响焊接工艺性能和质量的重要因素之一,因此要求熔渣的熔点(或药皮的熔点)与焊丝和母材的熔点相匹配。 焊接熔渣是一个多元体系,它的固液转变是在一定温度区间进行的,常把固态熔渣开始熔化的温度称为熔渣的熔点。焊条药皮的熔点是指药皮开始熔化的温度,又称造渣温度。药皮的熔点越高,其熔渣的熔点也越高。熔渣(或药皮)的熔点取决于组成物的种类、数量和颗粒度。一般讲,药皮中难熔的物质越多,颗粒度越大,其熔点越高. 二、活性熔渣对焊缝金属的氧化 活性熔渣对焊缝金属的氧化可分为两种基本形式:扩散氧化和置换氧化。 (一)扩散氧化 在温度不变的情况下,当增加熔渣中 Feo 的浓度时,它将向熔池中扩散,使焊缝中的含氧量增加。焊缝中的含氧量随着熔渣中 FeO 含量的增加成直线增加 FeO 的分配常数与温度和熔渣的性质有关 温度升高,L 减小,即在高温时 FeO 向液态钢中分配。由此可以推断,扩散氧化主要是在熔滴阶段和熔池高温区进行的.但是,在焊接温度下, L > 1 ,即Feo 在渣中的分配量总是大一些。 在同样温度下, Feo 在碱性渣中比在酸性渣中更容易向金属中分配。也就是说,在熔渣含 FeO 量相同的情况下,碱性渣时焊缝含氧量比酸性渣时多。试验证明了这一点,碱性渣含SiO2、 TiO2等酸性氧化物较少, FeO 的活度大,易向金属中扩散,使焊缝增氧。正因为如此,在碱性焊条药皮中一般不加入含 FeO 的物质,并要求焊接时清除焊件表面上的载化皮和铁锈.否则不仅使焊缝增氧,而且可能产生气孔等缺陷,这就是所谓碱性焊条对铁锈和氧化皮敏感性大的原因。相反,酸性渣含 Si02 、 TiO2等酸性氧化物较多,它们与 FeO 形成复合物(如FeO ·Si02 )使FeO的活度减小,故在渣中 FeO 含量相同的情况下,焊缝含氧量减少。但是,不应当由此认为碱性焊条的焊缝含氧量比酸性焊条高,恰恰相反,碱性焊条的焊缝含氧量比酸性焊条低,这是因为碱性焊条药皮的氧化势小的缘故。 (二)置换氧化 如果熔渣中含有较多的易分解的氧化物,则可能与液态铁发生置换反应,使铁氧化。 因此,置换氧化反应主要发生在熔滴阶段和熔池前部的高温区。 在焊丝或药皮中含有对氧亲和力比铁大的元素时,它们将与SiO2、MnO 发生更激烈的置换反应 三、焊缝金属的脱氧: (一)脱氧的目的和选择脱氧剂的原则 脱氧的目的是尽量减少焊缝中的含氧量,这一方面就要防止被焊金属的氧化,减少在液态金属中溶解的氧,另一方面要排除脱氧后的产物,因为它们是焊缝中非金属夹杂物的主要来源,而这些夹杂物会使焊缝含氧量增加。脱氧的主要措施是在焊丝、焊剂或药皮中加入合适的元素或铁合金,使之在焊接过程中夺取氧。 用于脱氧的元素或铁合金叫脱氧剂 为了达到脱氧的目的,选择脱氧剂应遵循以下原则: 1 )脱氧剂在焊接温度下对氧的亲和力应比被焊金属对氧的亲和力大.焊接铁基合金时, Al 、 Ti 、Si、 Mn 等可作为脱氧剂。实际生产上,常用它们的铁合金或金属粉,如锰铁、硅铁、钦铁、铝粉等,在其他条件相同的情况下,元素对氧的亲和力越大,脱氧能力越强。 2 )脱氧的产物应不溶于液态金属,其密度也应小于液态金属的密度。同时应尽量使脱氧产物处于液态。这样有利于脱氧产物在液态金属中聚合成大的质点,加快上浮到渣中去的速度,减少夹杂物的数量,提高脱氧效果。 3 )必须考虑脱氧剂对焊缝成分、性能以及焊接工艺性能的影响。在满足技术要求的前提下,还应考虑成本.在本章第一节中已指出,焊接化学冶金反应是分区域进行的。脱氧反应也是分区域连续进行的,按其进行的方式和特点可分为先期脱氧、沉淀脱氧和扩散脱氧. (二)先期脱氧 在药皮加热阶段,固态药皮中进行的脱氧反应叫先期脱氧。其特点是脱氧过程和脱氧产物与熔滴不发生直接关系。 含有脱氧剂的药皮被加热时,其中的高价氧化物或碳酸盐分解出的氧和二氧化碳便和脱氧剂发生反应 先期脱氧的效果取决于脱氧剂对氧的亲和力、它的粒度、氧化剂与脱氧剂的比例、焊接电流密度等因素。 (三)沉淀脱氧 沉淀脱氧是在熔滴和烙池内进行的。其原理是溶解在液态金属中的脱氧剂和 FeO 直接反应,把铁还原,脱氧产物浮出液态金属。 1.锰的脱氧反应 在药皮中加入适量的锰铁或焊丝中含有较多的锰,可进行如下脱氧反应 增加金属中的含锰量,减少渣中的 MnO,可以提高脱氧效果。熔渣的性质对锰的脱氧效果也有很大的影响。在酸性渣中含有较多的SiO2和TiO2,它们与脱氧产物 MnO 生成复合物 MnO ·SiO2和MnO · TiO2。从而使γMnO减小,因此脱氧效果较好.相反,在碱性渣中γMnO较大,不利于锰脱氧,且碱度越大,锰的脱氧效果越差。正是由于这个原因,一般酸性焊条用锰铁作为脱氧剂,而碱性焊条不单独用锰铁作脱氧剂。 根据钢液中锰的浓度不同,其脱氧产物 MnO 和FeO既可形成液态产物,又可形成固态产物。出现液态或固态产物的临界含锰量取决于钢液的温度。显然,在一定的温度下,加入过多的锰会形成固态产物,易造成焊缝夹杂。此外,温度下降使锰的脱氧能力提高,但相对其他常用的脱氧剂来说,它是一种弱脱氧剂。 2.硅的脱氧反应 提高熔渣的碱度和金属中的含硅量,可以提高硅的脱氧效果。硅的脱氧能力比锰大,但生成的 SiO2熔点高,通常认为处于固态,不易聚合为大的质点;同时SiO2与钢液的界面张力小,润湿性好,SiO2不易从钢液中分离,所以易造成夹杂。因此,一般不单独用硅脱氧。 3.硅锰联合脱氧 把锰和硅按适当比例加入金属中进行联合脱氧时,可以得到较好的脱氧效果。脱氧产物可形成硅酸盐 MnO · Si02 ,它的密度小,熔点低 ,在钢液中处于液态。因此容易聚合为半径大的质点 ,浮到渣中去,减少焊缝中的夹杂物,从而降低焊缝中的含氧量。在CO2保护焊时,根据硅锰联合脱氧的原则,常在焊丝中加入适当比例的锰和硅。 采用含两种以上脱氧元素的复合脱氧剂是今后发展的方向.因为这种脱氧剂熔点低,熔化快且各种脱氧反应在同一区域进行,有利于低熔点脱氧产物的形成、聚合和排除,减少夹杂物的数量。 (四)扩散脱氧 扩散脱氧是在液态金属与熔渣界面上进行的,是以分配定律为理论基础的。在熔池的后部的低温区进行扩散脱氧。 在定温下,扩散脱氧的关键是降低渣中 FeO的活度。在酸性渣中,由于 Si02 和TiO2与FeO 生成复合物 FeO·Si02和FeO·Ti02,使Fe0 的活度减小,有利于扩散脱氧;而在碱性渣中 FeO 的活度大,其扩散脱氧的能力比酸性渣差。熔渣中的脱氧剂可降低 FeO的活度,加强扩散脱氧。 焊接时熔池和熔渣发生强烈的搅拌运动,并在气体的吹力作用下熔渣不断地向熔池后部运动,“冲刷”熔池,把脱氧产物带到熔渣中去。这不仅有利于沉淀脱氧,而且有利于扩散脱氧。扩散脱氧的优点是不会因脱氧而造成夹杂。但是在焊接条件下,冷速大,扩散时间短,氧的扩散又慢,扩散脱氧是不充分的..上面讨论了脱氧的方式,然而究竟在具体焊接条件下脱氧的效果如何,则取决于脱氧剂的种类和数量,氧化剂的种类和数量,熔渣的成分、碱度和物理性质,焊丝和母材的成分,焊接工艺参数等多种因素.可以看出,低氢型和钛型焊条熔敷金属的含氧量比较低。 四、焊缝金属中硫和麟的控制: (一)焊缝中硫的危害及控制 1.硫的危害 硫是焊缝金属中有害的杂质之一。当硫以 FeS 的形式存在时危害性最大。因为它与液态铁几乎可以无限互溶,而在室温下它在固态铁中的溶解度仅为0. 015 %~ 0 . 02 % 。这样,在熔池凝固时它容易发生偏析,以低熔点共晶的形式呈片状或链状分布于晶界。因此增加了焊缝金属产生结晶裂纹的倾向,同时还会降低冲击韧性和抗腐蚀性。在焊接合金钢,尤其是高镍合金钢时,硫的有害作用更为严重。因为硫与镍形成 NiS ,而NiS又与 Ni 形成熔点更低的共晶 NiS十Ni (熔点 644 ℃ ),所以产生结晶裂纹的倾向更大。当钢焊缝含碳量增加时,会促进硫的偏析,从而增加它的危害性.由于上述原因,应尽量减少焊缝中的含硫量。 2.控制硫的措施常用的措施主要有: 1)限制焊接材料中的含硫量: 焊缝中的硫主要来源于三个方面:一是母材,其中的硫几乎可以全部过渡到焊缝中去,但母材的含硫量比较低;二是焊丝,其中的硫约有 70 %一80%可以过渡到焊缝中去.三是药皮或焊剂,其中的硫约有 50 %可以过渡到焊缝中。可见,严格控制焊接材料的含硫量是限制焊缝含硫量的关键措施。 2)用冶金方法脱硫: 为减少焊缝含硫量,如同脱氧一样,可选择对硫亲和力比铁大的元素进行脱硫。由硫化物的生成自由能可知, Ce 、 Ca 、 Mg 等元素在高温对硫有很大的亲和力。但是,因它们对氧的亲和力比硫大,首先被氧化,故在焊接条件下直接用这些元素脱硫受到限制。在焊接化学冶金中常用锰作为脱硫剂。降低温度,平衡常数增大,有利于脱硫。然而,从动力学的角度看,熔池后部温度低、冷却快、反应时间短,实际上不利子脱硫,所以必须增加熔池中的含锰量( > l % ) , 才能得到较好的脱硫效果。 熔渣中的碱性氧化物,如MnO 、CaO 、MgO 四等,也能脱硫: 〔 FeS 〕 + ( MnO )=( MnS ) + ( FeO ) , 〔 FeS 〕 + ( CaO )=( CaS ) + ( FeO ) ,〔 FeS 〕 + ( MgO) = ( MgS ) + ( FeO ) 生成的 CaS 和MgS 不溶于钢液而进人熔渣。由质量作用定律可知,增加渣中 MnO 和CaO 的含量,减少 Feo 的含量,有利于脱硫。增加熔渣的碱度可以提高脱硫能力。渣中加入 CaF2能降低渣的粘度,有利于 S2-扩散,同时形成易挥发物 SF6 ,因而有利于脱硫。 (二)焊缝中磷的危害及控制 1.磷的危害 磷在多数钢焊缝中是一种有害的杂质。在液态铁中可溶解多的磷,并认为主要以Fe2P和Fe3P 的形式存在。磷与铁和镍还可以形成低熔点共晶。因此在熔池快速凝固时,磷易发生偏析。磷化铁常分布于晶界,减弱了晶粒之间的结合力,同时它本身既硬又脆。这就增加了焊缝金属的冷脆性,即冲击韧度降低,脆性转变温度升高。焊接奥氏体钢或低合金钢焊缝含碳量高时,磷也促使形成结晶裂纹,因此有必要限制焊缝的含磷量。 2.控制磷的措施: 为减少焊缝的含磷量,首先必须限制母材、填充金属、药皮和焊剂中的含硫量。药皮和焊剂中的锰矿是导致焊缝增磷的主要来源。 根据焊接区内反应物质的浓度条件、焊剂性质和焊接工艺参数等因素,磷可以由熔渣向焊缝中过渡或者相反。磷一旦进入液态金属,就应当采用脱磷的方法将其清除.脱磷反应分为两步:第一步 FeO 将磷氧化生成 P2O5;第二步使之与渣中的碱性氧化物生成稳定的磷酸盐。增加熔渣的碱度可减少焊缝的含磷量。在碱性熔渣中加入 CaF2有利于脱磷,这是因为 CaF2在渣中形成 Ca2+,使渣中 P2O5的活度下降.另外 CaF2降低渣的粘度,有利于物质扩散。 应指出,由于焊接熔渣的碱度受焊接工艺性能的制约,不可过分增大;碱性渣不允许含有较多的FeO ,否则会使焊缝增氧,不利于脱硫,甚至产生气孔,所以碱性渣的脱磷效果是很不理想的。酸性渣虽然含有较多的 FeO ,有利于磷的氧化,但因碱度低,所以比碱性渣的脱磷能力更差.实际上,焊接时脱磷比脱硫更困难。控制焊缝含磷量,主要是严格限制焊接材料中的含磷量。 第四节合金过渡 一、合金过渡的目的及方式 所谓合金过渡就是把所需要的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属(或堆焊金属)中去的过程。 (一)合金过渡的目的 合金过渡的目的,首先是补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成的合金元家的损失。其次是消除焊接缺陷,改善焊缝金属的组织和性能。第三是获得具有特殊性能的堆焊金属。 (二)合金过渡的方式 常用的合金过渡方式有以下几种: 1.应用合金焊丝或带极: 把所需要的合金元素加入焊丝、带极或板极内,配合碱性药皮或低氧、无氧焊剂进行焊接或堆焊,从而把合金元素过渡到焊缝或堆焊层中去。其优点是可靠,焊缝成分均匀、稳定,合金损失少;缺点是制造工艺复杂,成本高。对于脆性材料,如硬质合金不能轧制、拔丝,故不能采用这种方式。 2.应用药芯焊丝或药芯焊条: 药芯焊丝的结构是各式各样的。最简单的是具有圆形断面的,其外皮可用低碳钢或其它合金钢卷制而成,里面填满需要的铁合金及铁粉等物质。用这种药芯焊丝可进行埋弧焊、气体保护焊和自保护焊,也可以在药芯焊丝表而涂上碱性药皮,制成药芯焊条。这种合金过渡方式的优点是,药芯中合金成分的配比可以任意调整,因此可得到任意成分的堆焊金属,合金的损失较少。缺点是不易制造,成本较高。 3,应用合金药皮或粘结焊剂: 这种方式是把所需要的合金元素以铁合金或纯金属的形式加入药皮或粘结焊剂中,配合普通焊丝使用。它的优点是简单方便,制造容易、成本低.但由于氧化损失较大,并有一部分合金元素残留在渣中,故合金利用率较低,合金成分不够稳定、均匀。 4.应用合金粉末: 将需要的合金元素按比例配制成具有一定粒度的合金粉末,把它输送到焊接区,或直接涂敷在焊件表面或坡口内,它在热源作用下与母材熔合后就形成合金化的堆焊金属。其优点是合金成分的比例调配方便;不必经过轧制、拔丝等工序;合金的损失小。但合金成分的均匀性较差,制粉工艺较复杂。 此外,还可以通过从金属氧化物中还原金属的方式来合金化,如硅锰还原反应。但这种方式合金化的程度是有限的,还会造成焊缝增氧。 二、合金过渡过程的理论分析 通过焊丝合金过渡的过程比较简单。焊丝熔化后,合金元素就溶解在液态金属中。这里主要是讨论通过药皮、焊剂和药芯焊丝合金过渡的过程。 (一)合金剂过渡的方式: 焊接时熔滴和熔池既与气相接触,又与熔渣接触。试验表明,合金过渡过程主要是在液态金属与熔渣的界面上进行的.而通过合金元素蒸气和离子过渡是很少的。合金剂的熔点一般比较高,多数情况下是来不及完全熔化就以颖粒状悬浮在液态熔渣中.由于熔渣的运动,使一部分合金剂的颗粒被带到熔渣与液态金属的界面上,并被液态金属的表面层所溶解,然后由表面层向金属内部扩散,并通过搅拌作用使成分均匀化。另外,悬浮在渣中的合金剂颗粒还有一部分没有被带到熔渣与金属的界面上,或虽被带到界面上,但因接触时间很短而没来得及过渡到金属中去。这时,随着温度的下降它们被凝固在渣中,通常称之为残留在渣中的损失。 (二)在合金过渡过程中各阶段的作用: 在第一节中已指出,当药皮厚度 h
h。时,则只有一部分熔渣与熔滴作用,另一部分直接流入熔池合金过渡时也发生这种情况。当Kb0.4 时,熔滴的含锰量与 Kb无关,为一常数,而熔敷金属中的含锰量却直线增加,这意味着有一部分熔渣直接与熔池作用,使熔池阶段的合金过渡过程加强。随着药皮厚度的增加,熔池阶段在合金过渡过程中的作用逐渐增大,这使焊缝成分的不均匀性和力学性能的分散度增大。 (三)合金过渡时的物质平衡 试验表明,残留损失与合金剂的密度和粒度无关,熔渣成分对它的影响也很小.实际上,在渣中含量相同的条件下,各种元素的残留损失是大致相同的。增加熔池的存在时间,加强搅拌运动可以减少残留损失。合金元素的氧化损失,取决于元素对氧的亲和力、气相和熔渣的氧化性等。残留损失和氧化损失的比例主要取决于药皮或焊剂的氧化性。 三、合金过渡系数及其影响因素 (一)合金过渡系数: 为了说明在焊接过程中合金元素利用率的高低,常引用过渡系数的概念。合金元素的过渡系数η等于它在熔敷金属中的实际含量与它的原始含量之比。渡的情况。实际上,这两种过渡形式的合金过渡系数是不相等的,尤其是当药皮氧化性较强时更为明显。只有在药皮氧化性很小,且残留损失不大的情况下,它们的过渡系数才接近相等。在一般情况下,通过焊丝过渡时过渡系数大,面通过药皮过渡时过渡系数较小。为简化计算,通常都用总过渡系数。 (二)影响过渡系数的因素: 1.合金元素的物化性质: 合金元素的沸点越低,其蒸发损失越大,过渡系数越小。合金元素对氧的亲和力越大,其氧化损失越大,过渡系数越小。焊接钢时,位于铁左面的元素几乎无氧化损失,只有味留损失,故过渡系数大。位于铁右面靠近铁的元素,氧化损失较小,其过渡系数较大。当用几个合金元素同时合金过渡时,其中对氧亲和力大的元素依靠自身的氧化可减少其它元素的氧化,提高它们的过渡过渡系数。 2.合金元素的含量: 试验表明,随着药皮或焊剂中合金元素含量的增加,其过渡系数逐渐增加,最后趋于一个定值.药皮(焊剂)的氧化性和元素对氧的亲和力越大,合金元素含量对过渡系数的影响越大。 3.合金剂的粒度: 增加合金剂的粒度,其表面积和氧化损失减少,面残留损失不变,因此过渡系数增大。但如粒度过大,则不易熔化,过渡系数减小。 4.药皮(或焊剂)的成分: 药皮或焊剂的成分决定了气相和熔渣的氧化性、熔渣的碱度和粘度,因此对合金过渡系数影响很大。 药皮或焊剂的氧化势越大,则合金过渡系数越小。当合金元素及其氧化物在药皮中共存时,由质量作用定律可知,能够提高该元素的过渡系数。若其他条件相同,则合金元素的氧化物与熔渣的酸碱性相同时,有利于提高过渡系数;性质相反,则降低过渡系数。 SiO2是酸性的,所以随着熔渣碱度的增加,硅的过渡系数减小. MnO 是碱性的,所以随碱度的增加锰的过渡系数增大。 5.药皮重量系数: 试验表明,在药皮中合金剂含量相同的条件下,Kb增加,过渡系数η减小。因为药皮加厚合金剂进入金属所通过的平均路程增大,使氧化和残留损失均有所增加。为提高η值,可采用双层药皮,即里面一层主要加合金剂,外层加造气和造渣剂及脱氧剂。 第二章焊接材料 焊接材料是焊接时所消耗材料的通称,它包括焊条、焊丝、焊剂、气体等。手弧焊的焊接材料是焊条。埋弧焊及电渣焊的焊接材料是焊丝(或板状电极)与焊剂。而气体保护焊的焊接材料则是焊丝与保护气体。 焊条、焊丝是焊接回路中的一个组成部分。在焊接过程中,它不仅可以传导电流,而且作为与焊件产生电弧的一个电极。同时,焊条和焊丝还起着填充金属的作用。在焊接热源的作用下,焊条或焊丝受热熔化,以熔滴的形式进入熔池,并与熔化了的母材共同组成焊缝.焊条药皮、焊剂以及保护气体,是进行必要的冶金反应和保证焊接质量所必需的重要材料。因此,焊接材料不仅影响焊接过程的稳定性、焊接接头的性能及质量,同时也影响着焊接生产率。 第一节焊条 一、焊条的分类 (一)按焊条的用途分: 1.结构钢焊条 主要用于焊接碳钢和低合金高强钢。 2.铝和铬钼耐热钢焊条 主要用于焊接珠光体耐热钢和马氏体耐热钢。 3.不锈钢焊条主 要用于焊接不锈钢和热强钢,可分为铬不锈钢焊条和铬镍不锈钢焊条两类。 4.堆焊焊条 主要用于堆焊,以获得具有热硬性、耐磨性及耐蚀性的堆焊层. 5.低温钢焊条 主要用于焊接在低温下工作的结构,其熔敷金属具有不同的低温工作性能。 6.铸铁焊条 主要用于焊补铸铁构件。 7.镍及镍合金焊条 主要用于焊接镍及高镍合金,也可用于异种金属的焊接及堆焊。 8.铜及钢合金焊条 主要用于焊接铜及铜合金,其中包括纯铜焊条和青铜焊条两类。 9.铝及铝合金焊条 主要用于焊接铝及铝合金. 10.特殊用途焊条 例如用于水下焊接、水下切割等特殊工作的需要。 (二)按焊接熔渣的碱度分: 1.酸性焊条 它是药皮中含有多量酸性氧化物的焊条。这类焊条的工艺性能好,其焊缝外表成形美观、波纹细密。由于药皮中含有较多的FeO、 TiO2、 Si02等成分,所以熔渣的氧化性强。酸性焊条一般均可采用交、直流电源施焊。典型的酸性焊条为 E4303 ( J422 )。 2.碱性焊条 它是药皮中含有多量碱性氧化物的焊条。由于焊条药皮中含有较多的大理石、萤石等成分,它们在焊接冶金反应中生成 CO2和HF ,因此降低了焊缝中的含氮量。所以碱性焊条又称为低氢焊条。碱性焊条的焊缝具有较高的塑性和冲击韧度值,一般承受动载的焊件或刚性较大的重要结构均采用碱性焊条施工。典型的碱性焊条为 E5015 ( J507 )。 (三)按焊条药皮的类型 可分为:氧化钛型焊条、钛钙型焊条、钛铁矿型焊条、氧化铁型焊条、纤维素型焊条和低氢型焊条等。 二、焊条的型号和牌号 (一)焊条的型号 在GB5117 一85 《 碳钢焊条 》 中,规定的焊条型号编制方法是:字母“ E ”表示焊条,第一、二位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值,单位为kgf/mm2 ;第三位数字表示焊条的焊接位置,“0”及“ 1 ”表示焊条适用于全位置焊接(平、立、仰、横), “2”表示焊条适用于平焊及横角焊,“4 ”表示焊条适用于向下立焊;第三位和第四位数字组合时表示焊接电流种类及药皮类型。 (二)焊条的牌号 焊条牌号是对于焊条产品的具体命名。焊条牌号的编制方法是:牌号最前面的字母表示焊条各大类;第一、二位数字表示各大类焊条中的若干小类,例如对于结构钢焊条则表示焊缝金属的不同强度级别,第三位数字表示焊条药皮类型和捍接电源种类. 三、焊条的组成 焊条是涂有药皮的供手弧焊用的熔化电极,它由药皮和焊芯两部分组成。焊条药皮是压涂在焊芯表面上的涂料层。焊芯是焊条中被药皮包搜的金属芯。根据焊条药皮与焊芯的重量比即药皮重量系数 Kb,可以分为厚皮焊条和薄皮焊条两大类。 (一)焊芯 进行手弧焊时,焊芯受热熔化并作为焊缝的填充金属。因此,焊芯的化学成分和性能对于焊缝金属的质量有着直接的影响。焊丝作为焊芯。焊接碳钢和低合金钢时,通常选用低碳钢焊丝作为焊芯,其牌号为“ HO8A " 或“ H08E ”。“ H ”表示焊条用钢丝的“焊”字汉语拼音的第一个字母。“ 08 ”表示焊芯的平均含碳量为 O.08 % , “ A ”表示优质钢,“ E ”表示特级钢,即对于硫、磷等杂质的限量更加严格。 低碳钢焊芯中的含碳量,应在保证与母材基本等强度的条件下含碳量越少越好。因为焊芯中含碳量的增高会增大气孔和裂纹的倾向,同时也会增大飞溅,使焊接过程不稳定。所以,低碳钢焊芯的含碳量应当低于0.10 %。锰是焊芯中的有益元素。它既能脱氧又能控制硫的有害作用。对于低碳钢焊芯,一般以 0.30 ~ 0.55 %为宜。硅性焊接过程中极易氧化形成 Si02 ,而使焊缝中含有多量的夹杂物。严重时会引起热裂纹。因此希望焊芯中的含硅量越少越好。镍、铬对于低碳钢焊芯是作为杂质混入的,其含量控制在国家标准所规定的范围以内,对于焊接冶金过程不会有重大影响。硫、磷是有害元素,可引起裂纹和气孔。因此应当对它们盯含量严格控制.此外,焊芯的电阻率和焊芯中的夹杂物(如Si02 、 Al203 等)对于焊条性能都有一定的影响。电阻率大的焊芯在焊接时因电阻热过大易使焊条药皮发红,失去应起的冶金及保护作用,并且容易产生气孔。当焊芯中含有较多的夹杂物时能引起飞溅,并影响焊接电弧的稳定性。 (二)焊条药皮 1.焊条药皮的作用 1)保护作用 由于电弧的热作用使药皮熔化形成熔渣,在焊接冶金过程中又会产生某些气体。熔渣和电弧气氛起着保护熔滴、熔池和焊接区、隔离空气的作用,防止氮气等有害气体侵入焊缝. 2)冶金作用 在焊接过程中,由于药皮的组成物质进行冶金反应,其作用是去除有害杂质(例如 0 、 N 、 H 、S 、 P 等),并保护或添加有益合金元素,使焊缝的抗气孔性及抗裂性能良好,使焊缝金属满足各种性能要求。 3)使焊条具有良好的工艺性能 焊条药皮的作用可以使电弧容易引燃,并能稳定地连续燃烧,焊接飞溅小,焊缝成形美观;易于脱渣以及可适用于各种空间位置的施焊。 2.焊条药皮的类型 根据焊条药皮组成的不同,可以分为以下八种类型:1) 氧化钛型 简称钛型 2)氧化钛钙型 3)钛铁矿型 4)氧化铁型 5)纤维素型 6)低氢型 7)石墨型 8)盐基型 3.药皮原材料的种类 焊条药皮是由多种原材料组成的。药皮原材料按其来源可分为四大类:1)矿物类 2)金属及铁合金类 3)化工产品类 4)有机物类 4 .药皮原材料的作用 当前制造电焊条所使用的原材料近百种,而常用的约 30 余种。药皮原材料的作用,归纳起来有以下七项: 1)稳弧 一般含低电离位元素的物质都有稳弧作用。主要作用是改善焊条的引弧性能和提高电弧燃烧的稳定性。这种药皮原材料,通常称为稳弧剂。常用的稳弧剂有碳酸钾、大理石、水玻璃、长石、金红石等。 2)造渣 药皮中某些原材料受焊接热源的作用而熔化,形成具有一定物理、化学性能的熔渣,从而保护熔滴金属和焊接熔池,并能改善焊缝成形。这种原材料被称为造渣剂。它们是焊条药皮中最基本的组成物,常用的是钦铁矿、金红石、大理石、石英砂、长石、云母、萤石等。 3)造气 药皮中的有机物和碳酸盐在焊接时产生气体,从而起到隔离空气、保护焊接区的作用。这类物质被称为造气剂,如木粉、淀粉、大理石、菱苦土等。 4)脱氧 降低药皮或熔渣的氧化性和脱除金属中的氧,该原材料称为脱氧剂。在焊接钢时,对氧亲合力比铁大的金属及其合金都可作为脱氧剂。常用的有锰铁、硅铁、钦铁、铝粉等。 5)合金化 其作用就是补偿焊缝金属中有益元素的烧损和获得必要的合金成分。合金剂通常采用铁合金或金属粉,如锰铁、硅铁、铝铁等。 6)粘结 为了把药皮材料涂敷到焊芯上.并使焊条药皮具有一定的强度,必须在药皮中加入粘结力强的物质。常用的粘结剂是钠水玻璃、钾钠水玻璃等。 7)成形 加入某些物质使药皮具有一定的塑性、弹性及流动性。以便于焊条的压制,使焊条表面光滑面不开裂。常用的成形剂有白泥、云母、钦白粉、糊精等。 四、焊条的工艺性能 焊条的工艺性能是指焊条在焊接操作中的性能。它是衡量焊条质量的重要指标之一。焊条的工艺性能主要包括:焊接电弧的稳定性、焊缝成形、在各种位置焊接的适应性、飞溅、脱渣性、焊条的熔化速度、药皮发红的程度及焊条发尘量等。 (一)焊接电弧的稳定性 电弧稳定性就是指电弧保持稳定燃烧(不产生断弧、孩移和磁偏吹等)的程度,电弧稳定性直接影响着焊接过程的连续性及焊接质量。焊接电源的特性、焊接工艺参数、焊条药皮类型及组成物等许多因素都影响着电弧的稳定性。