焊接化学冶金(修改).ppt

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1、1,第二章 焊接化学冶金Chemical Reaction in Welding,2,焊接化学冶金：焊接区内各种物质在高温下相互作用的过程。,Base metal,Filler metal,Chemical reaction,Weld metal composition and mechanical properties,3,本章主要内容,焊接化学冶金的特殊性 焊接区内的气体和焊接熔渣 焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用 气体与金属的反应 渣与金属的反应 焊缝金属的合金化及其成分控制,4,2-1焊接化学冶金过程的特点,焊条熔化及熔池形成,焊条电弧示意图,5,焊条的加热,电阻热 电流通过焊芯时产

2、生的（主要用于加热药皮） 正常焊接时，电阻热对焊芯的预热作用不大 通常，在同样的焊接电流密度条件下，不锈钢焊条比碳钢焊条更易发热一些。 电弧热qe 电弧热主要加热焊条端部及邻近区域 （约10mm) qe=eIU ( e=0.20.27) (1) 化学反应热 很少，可忽略不计,6,焊条熔化速度,平均熔化速度gm（melting rate) 定义：在单位时间内熔化的焊芯质量或长度 一般用熔化系数p表示 单位时间内单位电流所熔化焊芯的质量， g/A.h gm=G/t=pI (g/h) p与电流极性，药皮成分及厚度有关 加入易电离物质， p减小 含有强烈放热的物质（如铁粉）， p增加 不能反映真正的焊

3、接生产效率,7,焊条熔化速度,平均熔敷速度gD(deposition rate) 熔敷金属（deposited metal)：完全由填充材料熔化后所形成的焊缝金属。 焊缝金属(weld metal)：熔化的母材熔敷金属 定义：单位时间内熔敷金属的质量 焊条的熔敷系数H (g/A.h) gDGD/t HI H（1）p， 为损失系数 是真正反映焊接生产率的指标,8,焊条熔化速度,几种焊条的p 、 H 、 ,9,熔滴及其过渡形式,熔滴（droplet）：在电弧热的作用下，焊条（丝）端部熔化形成的滴状液态金属。 熔滴过渡（metal transfer）:熔滴通过电弧空间向熔池的转移过程。,10,熔滴及

4、其过渡形式-焊条熔滴过渡,短路过渡（circuitshort transfer) 通常发生在电弧长度较短时，即短弧焊时。,11,熔滴及其过渡形式-焊条熔滴过渡,颗粒过渡(globular transfer) 熔滴呈粗大颗粒状向熔池自由过渡。长弧焊时发生 b) 喷射过渡（spray transfer) c) 附壁过渡（slag-wall transfer) d) 爆炸过渡（explosive transfer) 熔滴在形成、长大或过渡过程中，由激烈的冶金反应，在熔滴内部产生CO气体，使熔滴急剧膨胀发生爆裂而形成的一种过渡形式。,12,熔滴及其过渡形式-焊条熔滴过渡,颗粒过渡(globular t

5、ransfer)也称为粗熔滴过渡,13,熔滴及其过渡形式,影响因素 药皮成分与厚度 焊芯直径 焊接电流与极性 直流正极性：DCSP（direct current straight polarity) 或 DCEN（direct current electrode negative) 直流反极性：DCRP（direct current reverse polarity)或DCEP（direct current electrode positive),14,电流极性,DCSP 或DCEN,DCRP 或DCEP,15,熔滴的特性,熔滴的比表面积S大 SAg/Vg（2/kg) 其中，Ag熔滴的表面积

6、Vg 熔滴的质量若为球体熔滴，则S3/(R) R S 熔滴的比表面积越大，则金属与熔渣和气相的相互作用越强，即有利于加强冶金反应。 熔滴与周围介质相互作用时间短 熔滴的温度高 手工电弧焊焊接低碳钢:21002700K,16,焊接熔池及其特征,熔池（weld pool) 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。如果焊接时不填充金属，则熔池仅由局部熔化的母材组成。,17,焊接熔池及其特征,熔池的形状和尺寸 描述焊接熔池的特征尺寸有： 熔池的长度L； 最大深度Hmax ; 最大宽度Bmax I Bmax , Hmax U Bmax , Hmax L=P2q=P2UI

7、 , p2为比例常数 热输入EL ,焊接熔池形状示意图,18,焊接熔池及其特征,熔池的质量和存在时间 手弧焊0.6g16g，埋弧焊小于100g 熔池存在的最大时间：tmax=L/v ，v为焊速 熔池的温度分布不均匀 熔池中的液态金属处于不断运动状态 有利于焊缝成分均匀化。 有利于气体和非金属夹杂物的外逸。,19,2-1焊接化学冶金过程的特点焊接过程中对金属的保护,保护的必要性 保护的目的是： 减少焊缝中有害杂质的影响及 减少有益合金元素的损失。,低碳钢无保护焊时焊缝的性能,20,氮、氧、氢对焊缝性能的影响,21,焊接过程中对金属的保护,保护的方式 机械隔离保护方式：把熔化金属和空气隔开。 熔渣

8、：埋弧焊（SMA）、电渣焊（ESA） 气体：GTAW，GMAW，CO2、PAW 熔渣气体:手工焊（SMAW），自保护药芯焊（FCAW） 真空：电子束焊（EBW） 自保护方式（冶金化处理） 在焊材中加入脱氧、脱氮剂，通过某些冶金反应，使得焊缝中的有害杂质进入熔渣。,22,Q：,手工电弧焊是采用什么保护？ 气保护 渣保护 气-渣联合保护,23,2-1焊接化学冶金过程的特点化学冶金反应区,药皮反应区（） 熔滴反应区（） 熔池反应区（）,24,焊接化学冶金反应区药皮反应区,加热温度低于药皮熔化温度，主要进行固态药皮物质的分解和分解产物间的反应，反应产物为气体和熔渣。 脱水反应 吸附水的蒸发（T100）

9、 结晶水和化合水开始分解（T300400） 有机物的分解反应（T200 250） 矿物质的分解反应 铁合金的氧化先期脱氧 药皮加热分解产生的自由氧等，使药皮中的铁合金（锰铁，硅铁等）发生一定的氧化，从而降低了气相对金属的氧化。这一过程也称为“先期脱氧”。,25,焊接化学冶金反应区熔滴反应区,从熔滴的形成、长大到过渡至熔池中都属于熔滴反应区。 该区的特点是： 熔滴温度高:18002400 熔滴的比表面积大:100010000cm2/kg，比炼钢 时大1000倍 各相之间反应时间短:0.010.1s 熔滴与熔渣反生强烈的混合 熔滴反应区为冶金反应最激烈的部位。,26,焊接化学冶金反应区熔滴反应区,

10、主要物化反应有： 气体的高度分解 氢气和氮气的激烈溶解 激烈的增氧反应 气氛中二氧化碳、水蒸气和氧气的直接氧化 熔渣中的（FeO)向熔滴中的分配（扩散）氧化 熔渣中的（MnO)、(SiO2)的置换氧化 合金化过程 药皮、焊剂、焊芯中的合金剂均能使熔滴强烈地合金化。 低沸点元素的蒸发,27,焊接化学冶金反应区熔池反应区,熔滴和熔渣同熔化的母材混合形成熔池 温度：1600-1900 比表面积：1300 cm2/kg 反应时间：3-8（SMAW） 特点：熔池金属有规律的对流和搅拌运动，冶金反应比较激烈、熔池温度不均匀、同一反应在不同区域可能向相反方向进行,28,焊接化学冶金反应区,焊接化学冶金过程是

11、分区域连续进行的，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。 Q：影响化学冶金反应的因素有哪些？ 材料成分（母材、焊材） 工艺条件,29,焊接工艺条件对化学冶金反应的影响,熔合比(dilution) 的影响 焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比。,熔合比概念示意图,Ab-熔化母材的面积 Ad-熔敷金属的面积,30,焊接工艺条件对化学冶金反应的影响,熔合比取决于： 焊接方法 规范 接头形式 板厚 坡口形式 母材、焊材类型 焊条（丝）的倾角等,铝合金焊接坡口形式对熔合比的影响,31,焊接工艺条件对化学冶金反应的影响,假设焊接时合金元素没有任何损失，则焊缝中某合金元素的浓度C0

12、与熔合比的关系为： C0 Cb+(1- )Ce -(1) 若考虑焊条中的合金元素有损失，而母材中的合金元素无损失，则焊缝金属中合金元素的实际浓度Cw为： Cw= Cb+(1- )Cd -(2),如果已知Cd, Cb, 就可以求出焊缝的化学成分。 结论：改变熔合比，就可以改变焊缝金属的化学成分。,式中符号含义: Cb 该元素在母材中的质量百分浓度（%） Ce该元素在焊条中的质量百分浓度（%） Cd熔敷金属（焊接得到的没有母材成分的金属）中该元素的实际质量百分比（%）,32,焊接工艺条件对化学冶金反应的影响,熔合比概念的应用 堆焊时， 尽可能小，以减少BM成分对堆焊层的影响。 当母材杂质较多时，

13、应小些好，可减少焊缝金属中杂质。 异种钢焊接时，要根据熔合比来选择焊接材料。,33,例题,一含Ni9%的钢板，采用成分为80%Ni-20%Cr的焊丝进行焊接，若熔合比为40%，试问，焊缝中合金元素的大致含量是多少？,34,解答,焊缝成分中，母材贡献40%，焊丝贡献60%。,35,焊接工艺条件对化学冶金反应的影响,熔滴过渡特性的影响 I 熔滴存在时间 反应进行程度 Si% U 熔滴存在时间 反应进行程度 Si% ,熔敷金属中硅含量与电弧电压和电流的关系,36,Question:,焊接化学冶金反应的特点 焊接冶金过程是分区域连续进行的 ( ) 焊接冶金反应具有超高温的特征 ( ) 冶金反应界面大

14、( ) 反应过程时间短 ( ) 熔池金属处于不断运动状态 ( ),37,小结,重点掌握一些基本概念 焊条加热热源 焊条熔滴过渡的形式 焊接化学冶金反应的特点,本节结束,38,焊接材料,焊接时所消耗的材料统称为焊接材料(Welding Consumables),39,焊条,40,焊条,焊条的型号是以国家标准为依据，反映焊条主要性能的一种表示方法。,41,焊条,焊条的牌号 是对焊条产品的具体命名，是由焊条厂家制定的。为了便于选用，焊条行业采用统一的牌号，将属于同一焊条类型的药皮，符合国标中的同一型号，性能相近的产品统一命名为一个牌号。,42,焊接材料,药皮（electrode coating）的作

15、用 产生保护气氛 提高焊条工艺性能 产生熔渣 脱氧、脱硫等 向焊缝过渡合金元素，改变焊缝成分,43,焊条药皮类型,44,Question：,The electrode coating: Improves arc stability Produces a slag blanket Allows alloying elements to be added to the weld metal Increase the weld metal cooling rate,45,2-2 气相对金属的作用,焊接区气体的来源 空气 焊材表面和母材坡口附近的吸附水、油、锈及氧化铁皮等 焊接材料（焊剂、保护气体等）

16、蒸发、分解和燃烧 物质的蒸发 100 ：吸附水蒸发 400-600 ：焊条药皮中的组分如白泥和云母中的结晶水被排除。 电弧高温：金属元素和熔渣中的各种成分发生蒸发，如Fe, Mn及氟化物等 有机物的分解和燃烧 碳酸盐和高价氧化物的分解,46,有机物的分解和燃烧,有机物种类：淀粉、纤维素和藻酸盐 作用：酸性焊条造气剂和增塑剂 分解：220 320 时分解50%；800 完全分解。 分解产物：CO2，CO，H2,47,碳酸盐和高价氧化物的分解,碳酸盐：CaCO3、MgCO3、CaMg(CO3) 2 作用：焊条造气剂 分解：相关化学反应式 分解产物：CO2，CO，H2 高价氧化物：Fe2O3和MnO

17、2 O2和低价氧化物FeO和MnO,48,碳酸盐的分解反应,若 pco2=30.4Pa，则 CaCO3开始分解温度545 MgCO3开始分解温度325 假设电弧气氛的总压力P101KPa，并令PCO2P，则 CaCO3 的分解温度为910。 MgCO3的分解温度为650。 在焊接温度下，它们可以完全分解。,49,2.2.1气体的分解,简单气体的分解：N2、H2、O2和F2 复杂气体的分解：CO2和H2O,双原子气体的分解度与温度的关系,50,焊接区气相的成分,焊接区经常同时存在多种气体，之间存在复杂的反应。,表 焊接区实际气体成分冷至室温后气相的成分,51,2.2.2气相对金属的作用-氮的作用

18、,氮的主要来源：焊接区周围的空气 根据氮与金属作用的特点，大致可分为两种情况：,Fe、Ti、Mn、 Cr，必须采取保护措施防止氮化,Cu、Ni，氮可以作为保护气体,52,氮对金属的作用-氮的溶解,溶解反应 N2(g)2N 平衡时的溶解度符合平方根定律： KN2氮溶解反应的平衡常数 PN2气相中分子氮的分压 PN2 SN 降低焊缝中的含氮量 实际上还存在氮原子和氮离子的溶解,N表示在液态金属中,53,氮对金属的作用-氮的溶解,当金属发生相变时，由于金属组织结构的变化，气体的溶解度将发生突变。 氢和氮在-Fe（面心）中的溶解度比在-Fe和-Fe（体心）大。,固-液变化,氮和氢在铁中溶解度与温度的关

19、系 PN2+P金=101KPa(1atm),54,氮对焊接质量的影响,形成氮气孔 氮可以显著地影响力学性能 使强度提高 降低焊缝塑性(ductility)和韧性(toughness) 一部分氮以过饱和形式存在于固溶体中 一部分以针状氮化物（Fe4N）形式析出 时效脆化 过饱和的氮随着时间的延长，将以针状氮化物（Fe4N）形式析出，分布在晶界或晶内，使接头的塑性和韧性降低。 在焊缝金属中加入稳定氮化物的元素（铝、钛等），可抑制或消除时效现象。,55,氮对焊接质量的影响,56,氮对焊接质量的影响,铁素体基体上分布着针状的Fe4N,57,控制焊缝含氮量的措施,加强保护（主要）； 控制焊缝中含氮量的主

20、要措施； 不同的焊接方法保护效果不同。 控制焊接工艺参数； 焊接电压、电流与极性（直流正极性含氮量较高） 加入强氮化物形成元素（如Ti、Zr、Al、Si等），控制焊缝的含氮量；,58,控制焊缝含氮量的措施,用不同方法焊接低碳钢时焊缝的含氮量,59,控制焊缝含氮量的措施,电弧电压对焊缝含N量的影响（SMAW）,焊丝中合金元素浓度对焊缝含N量的影响,在101KPa空气中焊接、25V,250A, 20cm/min, DCRP,60,2.2.3气相对金属的作用-氢的作用,氢的主要来源：焊接材料中的水份、有机物、吸附水及结晶水，工件表面杂质及空气中的水分等。 根据氢与金属作用的特点，可分为两大类： 与氢

21、形成稳定的氢化物，如Zr、Ti、V、Nb等。 不与氢发生化合反应，但可以溶解氢，如Fe、Cu 、Ni等。,61,氢对金属的作用-氢的溶解,氢的溶解反应 H2(g)2H H=H 溶解过程并不决定焊缝中最终的含氢量，还与氢的扩散有关。,62,氢对金属的作用-氢的溶解,氢在钢中溶解度的影响因素 温度 合金元素 显微组织 （体心立方）铁素体珠光体索氏体马氏体奥氏体（面心立方） 在相同的条件下，氢在-Fe中的溶解度比-Fe中的要大。 宏观缺欠和微观缺陷 应力和延性变形,增大,63,氢对金属的作用-氢的溶解,氮和氢在铁中溶解度与温度的关系 PN2+P金=101KPa(1atm),氢在金属中的溶解度与温度的

22、关系 PN2+P金= 101KPa(1atm),64,氢对金属的作用-氢的溶解,Ti、Zr、Nb等可提高氢在液态铁中的溶解度 Ni、Cr、Mo等影响不大 C、Si、B等可降低氢在液态铁中的溶解度 O可有效地降低氢的溶解度。,合金元素浓度对焊缝含H量的影响,加热温度1600,65,焊缝中的氢及其测量,溶入焊缝金属中的氢，可分为两部分： 扩散氢(diffusible hydrogen) 氢以原子或质子形式存在的并可在金属晶格中自由扩散。以H 、H+ 、H-形式存在。 残余氢(residual hydrogen) 氢原子扩散聚集到金属的晶格缺陷，显微裂纹和非金属夹杂物的边缘空隙中，结合成分子不能自由

23、扩散。以氢分子的形式存在。 焊缝总含氢量=扩散氢残余氢 测量扩散氢的方法有甘油法、水银法、气相色谱法。,66,扩散氢的测量,1恒温收集箱 2试件 3集气管 4水银温度计 5水银接触温度计 6恒温甘油 7隔板 8恒温控制器 9加热元件,甘油法测氢装置示意图,67,氢对焊接质量的影响（之一）,氢脆/hydrogen embrittlement 定义：氢在室温附近使钢的塑性严重下降的现象。 氢脆形成机理（空穴氢压脆化学说）： 由于钢中可能存在各种缺陷（显微空腔），氢在这些缺陷中聚合成分子状态，而使空腔内产生很高的附加压力，导金属变脆。 接头经去（消）氢处理后，塑性可恢复。,含氢量对低碳钢塑性的影响,

24、68,氢对焊接质量的影响（之二）,氢白点(fish eye) 定义：当碳钢或低合金钢焊缝含氢量较高时，在其拉伸或弯曲试件的断面上，出现银白色的圆形局部脆断点称为白点。 机理：焊缝中气孔与夹杂物诱捕了一定数量的氢，在延性变形过程中，使气孔或夹杂物周围组织产生局部氢脆。 经去氢处理后，可消除白点。,69,氢对焊接质量的影响（之三）,形成氢气孔 产生冷裂纹/hydrogen induced cracking 氢是产生冷裂纹的主要原因之一。,70,控制氢的措施,限制氢的来源 限制焊接材料中的含氢量（焊前烘干） 清除焊丝和焊件表面上的杂质 冶金处理（去氢反应） 通过调整焊接材料的成分，使氢在焊接过程中，

25、生成比较稳定的、不溶于液态金属的氢化物，如 HF，OH等。 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。 对于奥氏体钢焊接接头进行脱氢处理效果不大。,71,控制氢的措施,冶金处理（去氢反应） 在药皮或焊剂中加入氟化物（如CaF2等） CaF2蒸气与氢及水蒸气直接作用 CaF2(g)+H2O(g) = CaO(g) +2HF CaF2(g) +2H =Ca(g) +2HF 酸性渣中有CaF2 与SiO2共存时，其去氢反应为： CaF2 +3 SiO2 =2CaSiO3 +SiF4 SiF4(g) + 2H =SiF(g) +3HF SiF4(g) +2H2O (g) = Si

26、O2(g) +4HF CaF2与水玻璃作用碱性焊条的去氢机理（P154）,由于CaF2沸点高(2500)，焊接时能形成蒸气的数量有限，这种去氢方式 作用不可能大。,72,控制氢的措施,冶金处理（去氢反应） 可适当增加电弧气氛的氧化性促使生成OH 如药皮中加碳酸盐，采用CO2作保护气体等 CO2HCOOH OHOH 在药皮或焊芯中加入微量的稀土元素 Q： 低氢型焊焊条中为什么含有大量的碳酸盐？ 为什么CO2 焊焊缝含氢量极低？ 为什么Ar弧焊焊接不锈钢、铝、铜时，在氩气中加入5%的O2？,73,控制氢的措施,(a) GMAW,(b) FCAW,74,2.2.4 氧对金属的作用,来源：空气、保护气

27、氛、氧化物分解、渣与金属的反应产物等 氧在液态铁中的溶解 氧以原子氧和FeO两种形式溶于液态Fe中。 金属的氧化 氧化性气体（自由氧、CO2、H2O） 活性熔渣,液态铁中氧的熔解度与温度的关系,75,氧对金属的作用,氧化性气体对金属的氧化 氧化还原反应判据 氧化物分解 氧化物分解达到平衡时氧的平衡分压，称为氧化物的分解压。 反应系统中氧的实际分压：,氧化物分解压越小，越易氧化,76,氧对金属的作用,在焊接温度下，气相的氧分压远大于FeO的分解压，氧化反应很激烈 温度越高，反应越激烈,77,氧对金属的作用,氧对焊接质量的影响 烧损有益的合金元素，使焊缝金属的强度、塑性、韧性下降。 形成CO气孔，

28、产生飞溅。 产生夹渣,氧(FeO)对低碳钢常温力学性能的影响,注意：氧并不是在所有情况下都是有害的。,78,氧对金属的作用,由夹杂引起的裂纹，低合金高强钢FCAW,焊缝的蠕虫状气孔,79,氧对金属的作用,控制氧的措施 纯化焊接材料 控制焊接工艺参数(有限) 冶金脱氧 (主要)，将在下节介绍。,本节结束,80,2-3 熔渣及其对金属的作用,焊接熔渣 焊接熔渣：焊接时焊条药皮或焊剂熔化后，经过一系列化学变化而形成的覆盖在焊缝表面上的非金属物质。 熔渣的作用 机械保护作用 改善焊接工艺性能 冶金处理作用,81,2-3 熔渣及其对金属的作用,熔渣的成分及分类,渣系：焊接熔渣是一个多成分的复杂体系，通常

29、将含量少，影响小的次要成分略去，简化为含量多，影响大的成分组成的渣系。,82,2-3 熔渣及其对金属的作用,焊接熔渣的理化性质 熔渣的碱度(basicity) 熔渣的粘度 ( viseosity) 熔渣的表面张力与界面张力 影响熔滴过渡，脱渣性，保护效果，焊缝成形等 熔渣的熔点和密度,83,2-3 熔渣及其对金属的作用焊接熔渣的理化性质,熔渣的碱度(basicity ) 熔渣碱性的强弱程度。碱度的倒数即为酸度。 分子理论对碱度的定义：,理论上，当B1时，为碱性渣 当B1时，为酸性渣 当B=1时，为中性渣,式中，R2O、RO-熔渣中碱性氧化物的摩尔分数 RO2-熔渣中酸性氧化物的摩尔分数,84,

30、2-3 熔渣及其对金属的作用焊接熔渣的理化性质,熔渣的碱度(basicity) 实际上，当B1.3时，熔渣才是碱性的。 比较精确的计算公式如下：,式中，CaO、MgO、CaF2、SiO2 等以质量百分数计； B11时为碱性； 根据熔渣的碱度，可将焊条和焊剂分为酸性和碱性两大类。 低氢型焊条和HJ251为碱性的。,85,练习：,测得熔渣的化学成分为：aO41.94%，CaF228.34%，SiO223.76%， FeO5.78%, TiO27.23%， Al2O33.57%，MnO3.74%， (Na2O+K2O)4.25%，计算熔渣的碱度B1，并判断该渣的酸碱性。,86,2-3 熔渣及其对金属

31、的作用焊接熔渣的理化性质,熔渣的粘度 ( viseosity) 熔渣内部相对运动时各层之间的内摩擦力 主要影响对金属的保护效果、焊缝成形、熔池中气体的外逸等； 根据熔渣粘度随温度变化的速率，可将熔渣分为： 长渣：随温度升高粘度下降缓慢的渣。 短渣：随温度增高粘度急剧下降的渣。 短渣因凝固时间短适合于全位置焊，长渣适合于平位置焊。,熔渣粘度与温度的关系,1-碱性渣，短渣 2-含SiO2多的酸性渣，长渣,87,2-3 熔渣及其对金属的作用焊接熔渣的理化性质,熔渣的熔点(凝固温度)与密度 一般比焊缝熔点低200-450 焊接熔渣的熔点过高，将使其与液态金属间的反应不充分，易形成夹渣。 熔点过低，使熔

32、渣的覆盖性能变差，焊缝表面粗糙不平。 密度与金属接近的熔渣易滞留于金属内部形成夹杂。,88,Q：,焊接熔渣有哪些作用？ 机械保护作用 合金化作用 改善焊接工艺性能,89,2-3 熔渣及其对金属的作用活性熔渣对焊缝金属的氧化,熔渣的氧化性 取决于熔渣中的氧化物，FeO是熔渣的重要氧化源。通常用FeO的活度来代表熔渣氧化能力的强弱。 CaO , K2O , Na2O, TiO2 , Al2O3 , MgO , SiO2 , MnO 熔渣对金属的氧化方式 扩散氧化 焊接钢时，FeO 既溶于渣又溶于液态钢，当熔渣中的FeO 含量高于熔池中的FeO 含量时，熔渣中的FeO 能向熔池金属扩散，从而引起焊缝

33、增氧 置换氧化 当熔渣中含有较多的易分解氧化物，则与液态铁发生置换反应，使铁氧化，氧化物中的合金元素被还原,稳定性降低,90,2-3 熔渣及其对金属的作用活性熔渣对焊缝金属的氧化,扩散氧化 在一定温度下平衡时，FeO 在熔渣和熔池中的浓度符合分配定律。 L有利于扩散氧化,L为分配系数（与温度和熔渣性质有关） 表示在焊缝金属中 ()表示在熔渣中,91,2-3 熔渣及其对金属的作用活性熔渣对焊缝金属的氧化,扩散氧化 在同样的温度下，LbasicLacid 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。 碱性焊条药皮中一般不加入含FeO的物质 碱性焊条对铁锈和氧化皮敏感性大，焊前严格

34、清理。,注意：碱性焊条的焊缝含氧量实际上比酸性焊条低。,92,练习,已知在碱性渣和酸性渣中各含有15%的FeO，熔池的平均温度为1700，问在该温度下平衡时分配到熔池中的eO量各为多少？为什么在两种情况下分配到熔池中的eO量不同？为什么焊缝中实际含eO量（图8-5)远小于平衡时的含量？,93,2-3 熔渣及其对金属的作用活性熔渣对焊缝金属的氧化,置换氧化 如低碳钢焊丝配HJ431埋弧焊 （SiO2)+2Fe=Si+2FeO (MnO)+FeO =Mn+FeO 其结果使焊缝增Mn，Si，同时使铁氧化,94,2-3 熔渣及其对金属的作用焊缝金属的脱氧,脱氧剂(deoxidizer)： 用于脱氧的元

35、素或铁合金叫脱氧剂(deoxidizer)。 选择脱氧剂的原则 在焊接温度下对氧的亲和力比被焊金属大 1800 时，各种元素对氧亲和力从小到大的次序排列为：Ni、Cu、W、Mo、Fe、Cr、Nb、Mn、V、Si、B、Ti、Mg、C、Al、Ce。 脱氧物不应溶于液态金属而应溶于熔渣，且熔点低、密度小，上浮至熔渣中，以减少夹杂物的数量。 Mn、Si、Ti和Al常用于脱氧剂。 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。,95,2-3 熔渣及其对金属的作用焊缝金属的脱氧,脱氧方式 先期脱氧 在药皮加热阶段，固态药皮中进行的脱氧反应称为先期脱氧。反应物为药皮中的脱氧剂与分解产物O2和CO2的

36、反应。 扩散脱氧 FeO (FeO)，主要在熔池的后部进行。 沉淀脱氧（主要） 是指溶解于液态金属中的脱氧剂直接和熔池中的FeO 起作用,使其转化为不溶于液态金属的氧化物,并析出转入熔渣中的一种脱氧方式 锰的脱氧反应 硅的脱氧 硅锰联合脱氧,96,2-3 熔渣及其对金属的作用焊缝金属的脱氧,锰的脱氧反应 渣中的SiO2 和TiO2与MnO反应生成复合物MnO. SiO2（或MnO. TiO2,），降低了MnO的活度，脱氧效果较好。 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为脱氧剂。,Mn + FeO = Fe + (MnO),1600时SiO2对锰脱氧的影响,97,2-3 熔渣及

37、其对金属的作用焊缝金属的脱氧,硅的脱氧 Si +2FeO = 2Fe + (SiO2) SiO2的熔点高（1713） SiO2与钢液的界面张力小，润湿性好，不易从钢液中分离，造成夹渣。 一般不单独采用硅脱氧。,98,2-3 熔渣及其对金属的作用焊缝金属的脱氧,硅锰联合脱氧 Mn/Si=37时，形成的脱氧产物为液态MnO. SiO2。 碱性焊条一般采用硅锰钛联合脱氧。 CO2焊常采用硅锰联合脱氧（采用H08M2SiA焊丝）,脱氧产物形态与Mn/Si的关系,99,2-3 熔渣及其对金属的作用焊缝金属的脱氧,CO2保护焊焊低碳钢时焊缝成分与夹杂物的关系,100,2-3 熔渣及其对金属的作用焊缝金属中

38、硫和磷的控制,焊缝中硫、磷的危害 硫在钢焊缝中的主要存在形式：FeS、MnS，其中以FeS危害最大。 FeS在结晶时易发生偏析，形成低熔共晶，增加结晶裂纹的倾向。 焊碳钢时，形成的低熔共晶为： FeSFeS（熔点为985） FeS FeO（熔点为940） 焊高镍合金钢时，形成低熔共晶：NiS+Ni(熔点为644) 磷在钢焊缝中的存在形式：Fe2P ，Fe3P。 磷与铁、铁镍可形成低熔共晶,101,2-3 熔渣及其对金属的作用焊缝金属中硫和磷的控制,焊缝中硫、磷的控制 限制焊材中的含S与P的含量 用冶金方法脱S脱P 用Mn脱SFeS +Mn = (MnS) + Fe 碱性氧化物（MnO，CaO，

39、MgO等）脱S FeS + (MnO) = (MnS) +(FeO) BS 碱性氧化物脱P（很难）,102,2-4合金过渡,合金过渡：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）去的过程（也称为合金化） 。 合金过渡的目的 补偿焊接过程中合金元素的损失 消除焊接缺陷，改善焊接性能 获得具有特殊性的堆焊金属,103,2-4合金过渡,合金过渡方式 应用含所需合金元素的焊丝、带（板）极、焊条芯或药芯焊丝将合金元素过渡到焊缝或堆焊层中。 将粉末状态的合金加入药皮、焊剂中通过焊接过程过渡到焊缝金属中去。 通过药皮、药芯和焊剂中的合金元素氧化物与Fe置换反应，还原合金元素。,104,2-4合

40、金过渡,合金元素过渡系数 合金过渡系数是指合金元素在熔敷金属中的实际含量与它在焊材中的原始含量之比，反映了合金元素利用率的高低。 Cd/Ce =Cd/(Ccw+kbCco) 式中：Cd -合金元素在熔敷金属中的含量 Ce-合金元素的原始含量（焊条中的） Cco-合金元素在药皮中的含量 Ccw-合金元素在焊芯中的含量 Kb-药皮重量系数(单位长度上药皮与焊芯的质量之比),105,2-4合金过渡,焊缝金属化学成分的计算 Cd/Ce =Cd/(Ccw+kbCco) Cw= Cb+(1- )Cd 已知， Ccw，kb，Cco可求出 Cw。 根据对熔敷金属成分的要求，可求出在焊条药皮中应具有的含量。,1

41、06,例题,堆焊高锰钢耐磨表面采用焊条，其焊丝含Mn9%，药皮Kb=0.4,设Mn的0.8，要保证焊缝中的Mn12%，试求药皮中的Mn的含量。 解：堆焊时，可认为0，即CdCw 故Cco=(Cd / Kb) (Ccw/Kb) (12% /0.80.4 ) 9%/0.4 15%,107,2-4合金过渡,影响合金过渡系数的因素 合金元素的物化性质 合金元素的含量 合金剂的粒度 药皮或焊剂的成份，药皮、药芯或焊剂的氧化势（放氧量） 药皮重量系数Kb 单位长度上药皮与焊芯的质量比,本章结束!,109,练习：,测得熔渣的化学成分为：aO41.94%，CaF228.34%，SiO223.76%， FeO5

42、.78%, TiO27.23%， Al2O33.57%，MnO3.74%， (Na2O+K2O)4.25%，计算熔渣的碱度B1，并判断该渣的酸碱性。 采用碱性焊条施焊时,为什么要求严格清理焊件坡口表面的铁锈和氧化皮,而用酸性焊条施焊时对焊前清理要求相对较低?,110,练习,已知低氢焊条Kb=40%, Cr的80%，药皮中含铬铁10%，其中含铬50%，焊芯含铬为8%，母材含铬为8%，熔合比为40%，求焊缝的含铬量。 已知母材含锰量为1.5%,熔合比为35%，焊芯含锰量为0.45%，药皮重量系数为40%，锰的药皮过渡系数为50%，问：要求焊缝含锰量为1.3%时，药皮中应加入多少低碳锰铁（其中含锰80%）？,111,练习,综合分析熔渣碱度对脱氧、脱硫、脱磷的影响。,