第14講焊接冶金學(xué)課件

第三章焊接冶金學(xué)

第14講1第三章焊接冶金學(xué)第14講1上講回顧

活性熔渣對(duì)金屬的氧化焊件表面氧化物對(duì)金屬的氧化氧對(duì)焊接質(zhì)量的影響焊縫金屬的脫氧

2上講回顧活性熔渣對(duì)金屬的氧化23.5.1合金化的目的及方式合金過(guò)渡是把所需的合金元素通過(guò)焊接材料過(guò)渡到焊縫金屬(或堆焊金屬)中去的過(guò)程，又稱(chēng)焊縫金屬合金化。

3.5焊縫金屬的合金化

33.5.1合金化的目的及方式3.5焊縫金屬的合金化1.過(guò)渡目的

⑴補(bǔ)償焊接過(guò)程中由于蒸發(fā)、氧化等原因造成焊縫中合金元素的損失；41.過(guò)渡目的41.過(guò)渡目的

⑴補(bǔ)償焊接過(guò)程中由于蒸發(fā)、氧化等原因造成焊縫中合金元素的損失；⑵消除焊接缺陷，改善焊縫組織與性能。51.過(guò)渡目的51.過(guò)渡目的

⑴補(bǔ)償焊接過(guò)程中由于蒸發(fā)、氧化等原因造成焊縫中合金元素的損失；⑵消除焊接缺陷，改善焊縫組織與性能。⑶

獲得具有特殊性能的堆焊金屬。61.過(guò)渡目的61.過(guò)渡目的

⑴補(bǔ)償焊接過(guò)程中由于蒸發(fā)、氧化等原因造成焊縫中合金元素的損失；⑵消除焊接缺陷，改善焊縫組織與性能。⑶

獲得具有特殊性能的堆焊金屬。表面耐磨、熱硬、耐熱和耐蝕等可用堆焊方法過(guò)渡Cr、Mo、W、Mn等合金元素。71.過(guò)渡目的7圖有過(guò)渡層的熔覆顯微組織8圖有過(guò)渡層的熔覆顯微組織82.合金過(guò)渡的方法⑴通過(guò)填充金屬過(guò)渡：冶煉時(shí)加入特點(diǎn)：焊縫：成分均勻、穩(wěn)定，合金損失少；填充金屬：煉制工藝復(fù)雜，成本高；脆硬材料：軋制和拉絲困難，不能采用此方法。92.合金過(guò)渡的方法92.合金過(guò)渡的方法⑴通過(guò)填充金屬過(guò)渡⑵通過(guò)藥皮、藥芯或焊劑過(guò)渡添加形式：鐵合金或純金屬粉末焊劑：一般制成粘結(jié)焊劑，配合普通焊絲102.合金過(guò)渡的方法102.合金過(guò)渡的方法⑴通過(guò)填充金屬過(guò)渡⑵通過(guò)藥皮、藥芯或焊劑過(guò)渡

特點(diǎn)：⑴合金成分的配比可任意調(diào)控，可以獲得任意成分的焊縫或堆焊金屬；⑵除藥芯焊絲外，藥皮和粘結(jié)焊劑制造容易，成本低；⑶合金元素氧化損失較大，并有一部分殘留在渣中，故合金利用率較低；⑷焊縫合金成分不夠穩(wěn)定和均勻；112.合金過(guò)渡的方法112.合金過(guò)渡的方法⑴通過(guò)填充金屬過(guò)渡⑵通過(guò)藥皮、藥芯或焊劑過(guò)渡

⑶直接用合金粉末涂敷過(guò)渡把需要的合金元素按比例配制成一定粘度的合金粉末，焊接時(shí)把它輸送到焊接區(qū)，或直接涂敷在焊件表面或坡口內(nèi)。122.合金過(guò)渡的方法122.合金過(guò)渡的方法⑴通過(guò)填充金屬過(guò)渡⑵通過(guò)藥皮、藥芯或焊劑過(guò)渡

⑶直接用合金粉末涂敷過(guò)渡特點(diǎn)：合金成分的比例調(diào)配方便、對(duì)電極(焊絲)無(wú)需特意制作，合金損失小。制粉工藝較復(fù)雜，堆焊金屬的合金成分均勻性較差。132.合金過(guò)渡的方法13

3.5.2合金過(guò)渡系數(shù)

合金元素的過(guò)渡系數(shù)η等于它在熔敷金屬中的實(shí)際含量與它原始含量之比。即Cd—某合金元素在熔敷金屬中的含量Ce—某合金元素的原始含量143.5.2合金過(guò)渡系數(shù)Cd—某合金元素在熔敷金屬中的

焊條電弧焊：應(yīng)考慮藥皮質(zhì)量系數(shù)Kb的影響，則Ce為：Ce=Cew＋KbCeo式中Cew——某合金元素在焊芯中的含量

Ceo——某含金元素在藥皮中的含量因此：由于藥皮的氧化性較強(qiáng)，還有殘留在熔渣的損失，一般情況下通過(guò)藥皮過(guò)渡的過(guò)渡系數(shù)較小，而通過(guò)焊絲過(guò)渡時(shí)過(guò)渡系數(shù)較大。15焊條電弧焊：由于藥皮的氧化性較強(qiáng)，還有殘留在3.5.3影響過(guò)渡系數(shù)的因素焊接過(guò)程合金元素主要損失于：

蒸發(fā)、氧化和殘留在熔渣中

只要減少這方面的損失，就能提高其過(guò)渡系數(shù)。163.5.3影響過(guò)渡系數(shù)的因素16⑴合金元素的物理化學(xué)性質(zhì)沸點(diǎn)：越低，焊接時(shí)的蒸發(fā)損失就越大，其過(guò)渡系數(shù)就越小，例如Mn的沸點(diǎn)僅2027℃，在焊接時(shí)極易蒸發(fā)，故其過(guò)渡系數(shù)小。合金元素對(duì)氧的親和力越大，越易氧化而損失，過(guò)渡系數(shù)就越小。在1600℃時(shí)，各種合金元素對(duì)氧親和力由小到大排順序如下：

CuNiCo

Fe

WMoCrMnVSiTiZrAl17⑴合金元素的物理化學(xué)性質(zhì)17當(dāng)用幾個(gè)合金元素同時(shí)過(guò)渡時(shí)，其中對(duì)氧親和力大的元素被氧化，就能減少其他合金元素的氧化，從而提高了它們的過(guò)渡系數(shù)。

例如：在堿性藥皮中加入Al和Ti，可提高Si和Mn的過(guò)渡系數(shù)。

18當(dāng)用幾個(gè)合金元素同時(shí)過(guò)渡時(shí)，其中對(duì)氧親和力大的⑵合金元素的含量試驗(yàn)表明，隨著藥皮或焊劑中合金元素含量的增加，其過(guò)渡系數(shù)逐漸增加，最后趨于一個(gè)定值。

19⑵合金元素的含量19⑶合金元素的粒度

粒度越小，表面積越大，與氧作用的機(jī)會(huì)越多，合金損失就越大。因此，適當(dāng)提高合金元素的粒度，可減少因氧化而造成的損失，使過(guò)渡系數(shù)增大。但是，合金元素粒度過(guò)大，又會(huì)因其不易熔化而使殘留損失增大，過(guò)渡系數(shù)反而減小。20⑶合金元素的粒度20⑷藥皮或焊劑的成分如果在藥皮或焊劑中增加高價(jià)氧化物和碳酸鹽等，不僅使氣相的氧化性增大，而且也使熔渣的氧化性增大，結(jié)果導(dǎo)致過(guò)渡系數(shù)減小。當(dāng)合金元素及其氧化物在藥皮或焊劑中共存時(shí)，由質(zhì)量作用定律可知，能夠提高該元素的過(guò)渡系數(shù)。

若其他條件相同，合金元素的氧化物與熔渣的酸堿性相同時(shí)，則有利于提高過(guò)渡系數(shù)。若性質(zhì)相反，則降低其過(guò)渡系數(shù)。例如SiO2是酸性的，會(huì)隨著熔渣堿度的增加，Si的過(guò)渡系數(shù)減?。籑nO是堿性的，會(huì)隨著熔渣堿度的增加，Mn的過(guò)渡系數(shù)增大。21⑷藥皮或焊劑的成分21⑸藥皮的質(zhì)量系數(shù)Kb

在焊條藥皮中合金劑含量相同情況下，Kb增加，過(guò)渡系數(shù)減小。

一般認(rèn)為隨著藥皮厚度增加，合金劑進(jìn)入金屬所經(jīng)路程增大，從而使氧化和殘留損失加大。22⑸藥皮的質(zhì)量系數(shù)Kb22⑹焊接方法

不同焊接方法因?qū)附訁^(qū)保護(hù)的方式以及所用保護(hù)介質(zhì)各不相同，即使用含有同樣合金元素的填充金屬，其過(guò)渡系數(shù)也各不相同，見(jiàn)下表。23⑹焊接方法23表合金元素的過(guò)渡系數(shù)η24表合金元素的過(guò)渡系數(shù)η243.6焊縫金屬中硫和磷的控制

S和P是鋼中的雜質(zhì)。通常母材和焊絲（芯）含S和P的量都很低，對(duì)焊縫金屬不會(huì)帶來(lái)危害。但在焊條藥皮或焊劑的某些原材料中常含有相當(dāng)數(shù)量的S和P，在焊接過(guò)程中過(guò)渡到焊縫金屬中就會(huì)造成危害。253.6焊縫金屬中硫和磷的控制S和P是鋼中的雜質(zhì)。通常母材3.6.1焊縫中S的危害及控制

⑴硫的危害S在鋼中主要以FeS和MnS形式存在，其中FeS的危害性最大。因?yàn)樗c液態(tài)鐵幾乎無(wú)限互溶，而在室溫下它在固態(tài)鐵中的溶解度很小，僅為0.0015%~0.002%。263.6.1焊縫中S的危害及控制26熔池凝固時(shí)S容易偏析，以低熔點(diǎn)共晶Fe＋FeS(熔點(diǎn)約985℃)或FeS＋FeO(熔點(diǎn)約940℃)的形式呈片狀或鏈狀分布于晶界，增加焊縫金屬結(jié)晶裂紋的傾向，降低沖擊韌度和抗腐蝕性。圖Fe＋FeS相圖27熔池凝固時(shí)S容易偏析，以低熔點(diǎn)共晶Fe＋FeS(熔點(diǎn)約985鋼中含Ni時(shí)，S的有害作用更大，因S與Ni形成NiS，NiS又與Ni形成熔點(diǎn)更低(664℃)的共晶NiS＋Ni，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向更大。當(dāng)鋼焊縫中含C量增加時(shí)，會(huì)促進(jìn)S的偏析，增加S的危害性。28鋼中含Ni時(shí)，S的有害作用更大，因S與Ni形成NiS，NiS

⑵硫的控制主要從兩方面著手：先是采取工藝措施限制S的來(lái)源，然后采取冶金措施把焊縫金屬中的S通過(guò)熔渣排出去。29⑵硫的控制29①限制焊接材料中的含硫量⑴母材：S幾乎全部進(jìn)入焊縫，但母材含S量一般較低

⑵焊絲：S約有70%~80%過(guò)渡到焊縫⑶藥皮或焊劑：S約有50%過(guò)渡到焊縫制造焊接材料時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選擇原材料。30①限制焊接材料中的含硫量30低碳鋼及低合金鋼焊絲的含S量（質(zhì)量百分比）應(yīng)小于0.03~0.04%；合金鋼焊絲小于0.025~0.03%；不銹鋼焊絲應(yīng)小于0.02%。31低碳鋼及低合金鋼焊絲的含S量（質(zhì)量百分比）應(yīng)小于0.03~0藥皮、藥芯或焊劑用的原材料，如錳礦、赤鐵礦、鈦鐵礦、錳鐵等均含有一定量的S。盡量選用含S量低的原材料，必須使用含硫量過(guò)高的材料時(shí)，應(yīng)預(yù)先進(jìn)行處理，如采用焙燒的辦法，以降低到要求范圍內(nèi)。32藥皮、藥芯或焊劑用的原材料，如錳礦、赤鐵礦、鈦鐵礦、錳鐵等均②用冶金方法脫硫選擇對(duì)S親和力比鐵大的元素進(jìn)行脫硫。最常用的脫硫劑是Mn，其脫硫反應(yīng)為：[FeS]＋[Mn]＝（MnS）＋[Fe]反應(yīng)產(chǎn)物MnS不溶于鋼液，故大部分進(jìn)入熔渣，少量殘留在焊縫中，呈點(diǎn)狀彌散分布、危害較小。33②用冶金方法脫硫33

熔渣中的堿性氧化物，如MnO、CaO等也能脫硫：[FeS]＋[MnO]＝（MnS）＋[FeO][FeS]＋[CaO]＝（CaS）＋[FeO]生成的CaS和MnS不溶于鋼液而進(jìn)入熔渣。增加渣中的MnO和CaO的含量，減少FeO的含量，有利于脫硫。34熔渣中的堿性氧化物，如MnO、CaO等也能脫硫3535渣中加入CaF2能降低渣的粘度，有利于S2－擴(kuò)散，同時(shí)形成易揮發(fā)物SF6，也有利于脫硫。增加熔渣的堿度可提高脫硫能力，目前常用焊條藥皮和焊劑的堿度都不高（一般B＜2），其脫硫能力有限，焊接普通鋼能滿(mǎn)足要求，用于焊接w(S)＜0.014％的精煉鋼，則需提高藥皮或焊劑的堿性。36渣中加入CaF2能降低渣的粘度，有利于S2－擴(kuò)散，同時(shí)形成易3737近年來(lái)精煉鋼的產(chǎn)量不斷增加，迫切需要研制焊接這類(lèi)鋼的焊接材料。CaCO3-MgO-CaF2是高堿度粘結(jié)焊劑(用Ti作脫氧劑)，有較好的脫硫效果，焊縫含硫量小于0.010％。用強(qiáng)堿性無(wú)氧藥皮或焊劑，可得到含硫量更低的焊縫金屬(S＜0.006％)。研究表明：稀土元素不僅可以脫硫和改變硫化物夾雜的尺寸、形態(tài)和分布，而且可以提高焊縫的韌性。38近年來(lái)精煉鋼的產(chǎn)量不斷增加，迫切需要研制焊接這類(lèi)鋼的焊接材料3.6.2焊縫中P的危害及控制

⑴P的危害P在液態(tài)鐵中溶解度很大，并以Fe2P和Fe3P的形式存在，但P在固態(tài)鐵中的溶解度只有千分之幾。

P與Fe和Ni可形成低熔點(diǎn)共晶，如Fe3P＋Fe（熔點(diǎn)1050℃），Ni3P＋Fe（熔點(diǎn)880℃）。393.6.2焊縫中P的危害及控制394040當(dāng)熔池快速凝固時(shí)，P易發(fā)生偏析。磷化鐵常分布于晶界，減弱了晶粒間的結(jié)合力，而且本身既硬又脆。增加了焊縫金屬的冷脆性，即沖擊韌度降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。焊接奧氏體鋼或低合金鋼焊縫含碳量高時(shí)，P也促使形成結(jié)晶裂紋。41當(dāng)熔池快速凝固時(shí)，P易發(fā)生偏析。磷化鐵常分布于4242②磷的控制也和控制硫一樣，首先限制磷的來(lái)源，然后再用冶金方法去磷。母材和焊絲(芯)經(jīng)過(guò)冶煉一般磷含量都較低，都符合標(biāo)準(zhǔn)，所以關(guān)鍵在于限制制造焊條藥皮、藥芯或焊劑中所用原材料的含磷量。錳礦是焊縫增磷的主要來(lái)源，通常ω(P)＝0.22％，其存在形式為(MnO)3·P2O5。43②磷的控制434444磷一旦進(jìn)入液態(tài)金屬，應(yīng)采用冶金脫磷，分兩步：

第一步FeO將磷氧化生成P2O5；

第二步P2O5