1、焊接冶金学教案(课次)第 1 次课 2 学时授课题目：气相对金属的作用教学目的、要求：通过学习让学生掌握氮、氢、氧三种气体对焊接金属的有害作用及控制有害气体的措施。教学重点、难点：重点：本课程的内容和特点；氢对金属的作用。难点：气体在金属中的溶解。教学组织(含课堂教学内容、教学方法、辅助手段、师生互动、时间分配、板书设计等) ：教学内容： 1.对金属的作用2.对金属的作用3.对金属的作用教学方法：以教师讲授为主，并结合教师提问学生回答和学生讨论的方式。配合课件进行讲授。时间分配： 1.对金属的作用 30 分钟2.对金属的作用 50 分钟3.对金属的作用 10 分钟板书设计：按章节将黑板分区依次
2、书写教学主要内容。作业布置：查阅中外文献，了解气相对金属的作用，每人撰写 1000 字的读书报告。主要参考资料：1 周振丰主编. 焊接冶金学（金属焊接性）. 北京: 机械工业出版社，20002 许祖泽著. 新型微合金钢的焊接. 北京: 机械工业出版社，20043 中国机械工程学会焊接学会. 焊接手册( 第 2 卷). 材料的焊接(第 2 版). 北京: 机械工业出版社，2004课后自我总结分析：这一节内容比较容易理解，在讲解影响因素时可以多用实例来说明。上次课复习：一、气体的来源1. 空气2. 保护气3. 焊条药皮、焊剂、药剂的造气剂二、气体的产生1、有机物的分解和燃烧2.碳酸盐和高价氧化物的
3、分解3、材料的蒸发导入新课：氢对液态金属的作用一、 氢在金属中的溶解氢是有害物质，会引起气孔，裂纹，脆化等缺陷氢的来源：焊材中的水分，空气中的水蒸气，工件上的油污等1、氢与金属的作用特点气体 溶解反应类型 形成化合物倾向 Fe、 Ni、Al、Cu、Mg、Cr、Co等金属及合金 吸热反应 不能形成稳定氢化物第二类 氢 Ti、Zr、V、Nb、Ta、Th等金属及合金放热反应 能形成稳定氢化物第一类 2、氢的溶解途径1）通过气相溶入金属中 服从亨利定律:2） 通过渣层溶入金属，其过程为：第一步 以 OH-形式溶于熔渣 H2O 气+(O 2-)=2(OH-)第二步 以 H 形式从熔渣中向金属中过渡(Fe
4、2+)+ 2(OH-)=Fe+2O+2H( )表示在熔渣中 表示在金属中没有括号表示在气相中二、 焊缝中的氢及其扩散金属凝固时，来不及逸出的氢主要以 H、H +、H -的形式存在于焊缝中1、扩散氢由于氢原子和离子的半径小，可以在金属晶格中自由扩散，故称为扩散氢。在室温下仍有较大的扩散能力，如在 20时，H的扩散速度比N 、C 高 1012倍！占氢总量的 80%以上。2=KPS2、残余氢 扩散聚集到陷阱（如晶格缺陷、显微裂纹、非金属夹杂物周围的空隙）中的氢，结合为氢分子，其半径大，不能自由扩散，故称为残余氢。总含氢量=扩散氢残余氢三、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
5、现象原因：拉伸位错运动和堆积形成显微空腔扩散氢在空腔内结合成氢分子阻碍位错的运动并产生很高的压力 变脆2、 白点 碳钢及低合金钢焊缝，如含氢量高，常常在拉伸和弯曲断面上出现银白色圆形局部脆断点称为白点。直径约为 0.53mm，周围为塑性断口，白点中心有小夹杂物或气孔，好像鱼眼一样，故又称“鱼眼” 。超声波和 X 射线探测表明，白点在塑性变形阶段产生3、 氢气孔 2H H24、 冷裂纹四、控制氢的措施1、限制氢的来源 1）严格限制焊接材料的含氢量 制造低氢焊条、焊剂时尽量选用含氢量少和不含氢的材料，制造时适当提高烘焙温度焊接保护气（如 Ar 和 CO2 等）也常含有水分，露点越低，保护气体的含水
6、量越少2）焊接材料使用前应烘干、不用时应妥善放置低氢型焊条：350450 含有机物的型焊条：150200保温筒温度：100 必要时，对保护气体进行去水、干燥3）清除焊件和焊丝表面的杂质 焊件坡口和焊丝表面上的铁锈、油污2、冶金处理 降低 H 的分压，减少 H 在液态金属中的溶解度 在碱性焊条药皮 中， CaF2 首先与药皮中的水玻璃发生反应：Na2O.n SiO2 + m H2O = 2 NaOH + n SiO2 (m-1)H2O2 NaOH + CaF2 = 2 NaF + Ca(OH)2K2O.n SiO2 + m H2O = 2 KOH + n SiO2(m-1) H2O2 KOH +
7、 CaF2 = 2KF + Ca(OH)2与此同时，CaF 2 与氢和水蒸气发生如下反应：CaF2 + H2O = CaO + 2 HFCaF2 + 2 H = Ca + 2 HF上述反应生成的 NaF 和 KF 与 HF 发生反应：NaF + HF = NaHF2KF + HF = KHF2生成的氟化氢钠和氟化氢钾进入焊接烟尘，从而达到了去氢的目的。3）在药皮或焊芯中加入微量稀土元素或稀散元素稀土金属：钇 Y、铈 Ce 、镧 La、 镱 Yb稀散元素：碲 Te、 硒 Se焊条药皮中加入微量的钇，可显著降低焊缝中扩散氢的含量，同时能提高焊缝的韧性。微量稀土元素碲和硒也有很强的去氢作用。焊条药皮
8、中加入微量的钇，可显著降低焊缝中扩散氢的含量，同时能提高焊缝的韧性。微量稀土元素碲和硒也有很强的去氢作用。4、焊后脱氢处理焊后把工件加热到一定温度，保温一定时间，使氢扩散外逸的工艺在生产上，对于易产生冷裂的焊件常要求进行焊后脱氢处理。但对于奥氏体钢焊接接头，脱氢处理效果不大。氧对液态金属的作用根据氧与金属相互作用的特点，可以分为两类：一类是在固态和液态都不溶解氧的金属，如 Al、Mg 等但这类金属在焊接时发生激烈地氧化，所形成的氧化物以薄膜或颗粒的形式浮在熔池表面上，因此，易造成夹杂、未熔透等缺陷，并使焊接工艺性能变坏。另一类是能有限溶解氧的金属，如 Fe、Ni、Cu、Ti 等这类金属在焊接时
9、也发生氧化，但其特点是反应生成的氧化物能溶解于相应的金属中。例如铁氧化生成的 FeO 能溶于铁及其合金中。不论上述那一种情况，氧对金属的作用都是有害的。因此研究氧在金属中的溶解及其对金属的氧化是焊接冶金的重要内容一、 氧在金属中的溶解氧以氧原子和 FeO 两种形式溶于液态铁温度升高，氧在液态铁中的溶解度增大 当液态铁中有第二种合金元素时，随合金元素含量的增加氧的溶解度下降室温下，Fe 中几乎不溶解氧（ Po2 时，金属被氧化；Po2 = Po2 时，处于平衡状态；Po2 Po2 时，金属被还原。三、氧对焊件质量的影响氧以溶解状态和氧化物夹杂两种形式存在于焊缝中，室温下，溶解氧0.001%,主要以氧化物夹杂方式存在。其危害有：1、含氧量增加，强度、塑性、韧性都下降2、引起热脆、冷脆、时效硬化3、烧损有益的合金元素4、氧与碳生成 CO，形成气孔5、造成飞溅（熔滴中 C + O = CO 受热膨胀）其益处有： 1、减少氢的含量2、铸铁冷焊时，烧损多余的碳3、加入氧化剂提高药皮或焊剂的耐潮性四、控制氧的措施氧主要来源于焊接材料中的氧化物及分解氧化性气体1、纯化焊接材料焊接合金钢、合金、活性金属（如 Al）尽量用不含氧或含氧少的焊材， 如惰性气体保护焊，低氧无氧焊条、焊剂或是在真空中焊接。 2、控制焊接工艺参数 如短弧焊或改变熔滴过渡特性。3、冶金脱氧 利用冶金处理进行脱氧
