【正文】 ?2O3).液態(tài)熔渣與金屬之間相互作用的過程是原子與離子交換電荷的過程 離子理論 分子理論 由于離子交換電荷 、 運動 、 形成電流 . ][)(2][2)( 24 SiFeFeSi ??? ??][)(2][2)( 2 SiF e OFeS i O ???（三）熔渣的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)的關(guān)系 分子理論認為熔渣中的氧化物按其性質(zhì)可分為三類 ?1).酸性氧化物 SiO2 TiO2 P2O5 2).堿性氧化物 K2O Na2O CaO MgO BaO MnO FeO 3).中性氧化物 Al2O3 Fe2O3 Cr2O3 根據(jù)分子理論堿度的定義為： ai、 ω i—熔渣中堿性氧化物的質(zhì)量分數(shù)、堿度系數(shù) aj、 ωj—熔渣中酸性氧化物的質(zhì)量分數(shù)、堿度系數(shù) B1＞ 1 堿 B1 ＜ 1 酸 B1 ＝ 1 中 ?????njjjmiiiaaB111??離子理論對堿度定義 液態(tài)熔渣中自由氧離子的濃度定義為堿度 . B2=∑aiMi Mi渣中第 i種氧化物的摩爾分數(shù) 。 (1) 采用純度高的焊接材料 盡量采用不含或少含氧量的焊接材料。 在液態(tài)鐵存在的溫度下， CO2氧化性大于 H2O的氧化性。 ? 把焊件加熱到 350℃ ， 保溫 1h， 可將絕大部分擴散氫去除 。 圖 129 氫在焊接接頭橫斷面上的分布 1低碳鋼，堿性焊條 2低碳鋼，鈦型焊條 3 30CrMnSi鋼，鐵素體焊縫 4 30CrMnSi鋼，奧氏體焊條 5工業(yè)純鐵，纖維素型焊條 圖 130 臨近熔合線近縫區(qū)內(nèi)氫的濃度隨時間的變化 1Q235+奧氏體焊縫 245鋼 +奧氏體焊縫 3Q235+鐵素體焊縫 445鋼 +鐵素體焊縫 （三）氫對焊接質(zhì)量的影響 1 形成氣孔 熔池凝固結(jié)晶時 ， 氫的溶解度突然下降 ， 使氫處于過飽和狀態(tài) ， 就促使發(fā)生如下反應(yīng)： 2H→H2， 反應(yīng)生成的分子氫在液態(tài)金屬中形成氣泡 。 2 氫溶解的途徑與焊接方法有關(guān)： （ 1） 氣體保護焊時 ， 氫是通過氣相與液態(tài)金屬的界面 ， 以原子或質(zhì)子的形式溶入金屬的； （ 2） 電渣焊時 ， 氫是通過熔渣層溶入金屬的； （ 3） 手工電弧焊和埋弧焊時 ， 氫的溶入是上述兩種途徑綜合結(jié)果。 （ 2） I↑， 熔滴過渡頻率 f↑,熔滴階段作用時間 τ↓, SN ↓ 。 ?繼續(xù)升高溫度，氮的溶解度急劇下降 ?T=2750℃ 時，氮的溶解度為零。 熱源周圍的氣體介質(zhì)：熱源周圍的空氣是難以避免的氣體來源 ， 而焊接材料中的造氣劑所產(chǎn)生的氣體 ， 不能完全排除焊接區(qū)內(nèi)的空氣 。 ?分解產(chǎn)物： CO2,CO,H2 ?高價氧化物： Fe2O3和 MnO2 ?O2和低價氧化物 FeO和 MnO 碳酸鹽和高價氧化物的分解 20 ?圖 24 不同物質(zhì)對碳酸鈣分解度的影響 (加熱速度為 30℃ /s) 1— CaC 2— CaC +Ca 3— CaC +Ti 4— CaC +Si 5— CaC +N C (比例 1∶ 1) 6— CaC +Ca +Ti +N C (比例 1∶ 2∶ 2∶ 1) 7— CaC +Ca +Ti (比例 1∶ 2∶ 2) ?209212a 物質(zhì)的蒸發(fā)及冶金反應(yīng) ?表 24 一些常用金屬和氟化物的沸點 物質(zhì) Zn Mg Pb Mn Cr Al Ni Si Cu Fe 沸點 /℃ 907 1126 1740 2097 2222 2327 2459 2467 2547 2753 物質(zhì) Ti C Mo Al KF LiF NaF Ba Mg Ca 沸點 /℃ 3127 4502 4804 1260 1500 1670 1700 2137 2239 2500 22222 NOOHHCOCO 、成分： 金屬及熔渣蒸氣 直接輸入或侵入 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 氣體的高溫分解 ?簡單氣體的分解： N H O2和 F2 ?復(fù)雜氣體的分解： CO2和 H2O ? 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(fù)雜的反應(yīng)。 （ 3） 防止電弧不穩(wěn)定 ， 避免焊縫中產(chǎn)生氣孔 。 焊金材料：焊條、焊絲、焊劑等。 22 氣相與金屬的作用 一、焊接區(qū)內(nèi)的氣體 （一）氣體的來源和產(chǎn)生 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) ?400600 ℃ ：焊條藥皮中的組分如白泥和云母中的結(jié)晶水被排除。 “ 誘捕理論 ” 解釋： 焊縫中的氣孔及非金屬夾雜物邊緣的空隙 ,好象 “ 陷阱 ” 一樣 .捕捉氫原子，并在其中結(jié)合成氫分子 ,在拉伸試驗中 “ 陷阱 ” 中的氫分子被吸附 .由于塑性變形新產(chǎn)生的微裂紋表面上 ,分解成原子氫 ,原子氫擴散到微裂紋金屬晶格內(nèi) ,引起金屬脆化。 （一）氮在金屬中的溶解 1. 溶解過程：氣體的溶解反應(yīng)分為以下四個階段： （ 1） 氣體分子向氣體與金屬兩相界面處運動； （ 2） 氣體分子被金屬表面吸附； （ 3） 在金屬表面上 ， 氣體分子分解為原子； （ 4） 氣體原子穿過金屬表面層 ， 并向金屬內(nèi)部擴散 。 形狀系數(shù)增大 ， 保護效果好 。 當吸氫量較多時 ， 可形成氫化物 （ ZrH、 TiH、 VH、 TaH、 NbH） ；當溫度超過氫化物保持穩(wěn)定的臨界溫度時 ， 氫化物發(fā)生分解、 氫則擴散逸出； 當 吸氫量較少時 ， 這類金屬與氫可形成固溶體 。 熔敷金屬擴散氫含量是試樣經(jīng)焊接后 、 立即冷卻 ， 按照測氫標難規(guī)定的方法測定并換算成標準狀態(tài)下的含氫量 。 為了獲得氫 、 氧含量都比較低的焊縫 ， 在增加脫氧劑的同時 ， 還必須采取其他的去氫措施 。 ?高溫時 ， CO2也是很強的氧化劑 。 3 燒損的有益合金元素 ， 從而使焊縫金屬的性能變壞 。 氧化性較強 例如： CaO TiO2SiO2（鈦鈣型）、 MnOSiO2 焊接鋁、鈦和其它化學(xué)活性金屬及其合金 焊接合金鋼及合金 焊接低碳鋼 和低合金鋼 （二）熔渣微觀結(jié)構(gòu) 液態(tài)熔渣的結(jié)構(gòu)有兩種理論： 分子理論 和 離子理論 分子理論可簡明的定性為解釋熔渣與金屬之間的冶金反應(yīng) ,但不能解釋一些重要現(xiàn)象，如導(dǎo)電性、電解等。 24 焊縫金屬的合金化 一、合金化的目的及方式 （一）目的 : 補嘗合金元素 。 為了減少焊縫合氧量應(yīng)盡量采用短弧焊 。 鈦鐵礦型焊條析出的氣體在接近熔池結(jié)晶溫度 (2022 K)時 ， 是還原性的；在 2500K以上時 ， 是氧化性的 。 四、氧對金屬的作用 (一 ) 氧在金屬中的溶解 ? 氧是以原子氧和氧化亞鐵 FeO兩種形式溶于液態(tài)鐵中的。 3 造成氫脆 氫在室溫附近使鋼塑性嚴重下降現(xiàn)象稱為氫脆 。 P244 6 影響溶解度的因素 (1) 溫度： 熔滴階段吸收的氫比熔池階段多。 （ 4） 增加 焊絲直徑 ， 熔滴變粗 ， 焊縫含氮量下降 。 （二）氮對焊接質(zhì)量的影響 1 促使焊縫產(chǎn)生氣孔 ：液態(tài)金屬在高溫時可以溶解大量的氮 ， 凝固結(jié)晶時氮的 溶解度突然下降 ， 過飽和氮以氣泡形式從熔池中逸出 ， 若焊縫金屬的結(jié)晶速度大于氮的逸出速度 時 ， 就形成氣孔 。 1 有機物的分解和燃燒 2225106 562/7)( mHm C OmOOHC m ????2 碳酸鹽和高價氧化物的分解： 碳酸鹽的分解 CaCO3→ CaO＋ CO2 MgCO3→ MgO＋ CO2 高價氧化物的分解 ： 6Fe2O3＝ 4Fe3O4＋ O2； 2Fe2O3＝ 6FeO＋ O2 4Mn2O3＝ 2Mn3O4＋ O2； 6Mn2O3＝ 4Mn3O4＋ O2 3 材料的蒸發(fā)： 電弧的高溫作用下 , 焊接材料中水分、金屬元素和熔渣的各種成分發(fā)生蒸發(fā)，形成的蒸氣。 不與氮發(fā)生作用的金屬 ， 即不能熔解氮又不形成氮化物 ， 可用 N作為保護氣體 。 (2)某些物質(zhì)的分解 當藥皮受熱達到一定溫度時，其中的纖維素、木粉和淀粉等有機物開始分解和燃燒，形成 CO CO及 H2等氣體。 焊接化學(xué)冶金過程是金屬在焊接條件下，再熔煉的過程，焊接時焊縫相當高爐。 ?209212a 焊接化學(xué)冶金的反應(yīng)區(qū) (2)反應(yīng)不同步 熔池的溫度分布極不均勻，其前部溫度比后部高。隨氧含量提高： – 焊縫強度、塑性、韌性都明顯下降 – 尤其是低溫沖擊韌度急劇下降 – 熱脆：在某一溫度出現(xiàn)脆硬相， 350～ 400oC – 冷脆：析出相硬，形態(tài)不好 – 時效硬化：析出相使基體強化 – CO在熔池凝固時來不及逸出，形成氣孔 – 燒損有益合金元素 – 影響焊接過程穩(wěn)定性 氧對焊接質(zhì)量的影響 ? 必須指出，焊接材料具有氧化性并不是在所有情況下都是有害的 ? 為了減少焊縫含氫量，改進電弧的特性，獲得必要的熔渣物理化學(xué)性能，在焊接材料中有時要故意加入一定量的氧化劑 控制氧的措施 鑒于氧的有害作用，必須控制焊縫的氧含量 ?純化焊接材料 – 選用不含氧或含氧少的焊接材料 – 例如，采用高純度的惰性氣體作為保護氣體，采用低氧、無氧焊條、焊劑，乃至真空室中焊接 ?控制焊接工藝參數(shù) —— 很有限 – 電弧電壓 U↑ ，空氣侵入電弧，焊縫含氧增加 – 采用短弧焊 ?脫氧 – 冶金方法脫氧 —— 最有效 氧化還原反應(yīng) ?金屬氧化還原方向的判據(jù) (物理化學(xué) ) ?金屬氧化 – 氧化性氣體對金屬的氧化 – 活性熔渣 ?擴散氧化 ?臵換氧化 ?鐵銹、氧化皮 ?脫氧 – 分階段脫氧 – Mn、 Si脫氧 氧化方式 [Ｈ ]的影響因素 氫與金屬作用的特點，把金屬分為兩類 ①與氫形成穩(wěn)定氫化物的金屬 ②不與氫形成穩(wěn)定氫化物的金屬 ③合金元素的影響 ：氫在鐵中溶解度受合金元素影響 bair NTVTZ ....0.... MCCNF raie（二）、焊縫金屬中的氫及其擴散 存在形式 ① 擴散氫：氫以原子或質(zhì)子形式存在的并可在金屬晶格中自由擴散 。 焊接此