金屬熔焊原理（第3版）課件：焊接冶金過程

金屬熔焊原理

焊接冶金2氣相對焊縫金屬的作用3熔渣及其對焊縫金屬的作用4焊縫金屬中硫、磷的控制5焊縫金屬的合金化學(xué)習(xí)目標(biāo)焊接冶金的特點(diǎn)1學(xué)習(xí)任務(wù)1、理解焊接時焊縫金屬的保護(hù)2、掌握焊接冶金反應(yīng)區(qū)的特點(diǎn)3、掌握焊接參數(shù)對焊接冶金的影響模塊一焊接冶金的特點(diǎn)電弧燃燒穩(wěn)定性變差飛濺嚴(yán)重成形差、產(chǎn)生較多氣孔焊縫中氧與氮含量增加力學(xué)性能惡化01020304焊接過程中對焊縫金屬的保護(hù)效果將影響到焊接化學(xué)冶金過程中的冶金反應(yīng)，從而影響到焊縫金屬的組織和性能。如果在焊接過程中采用光焊絲進(jìn)行焊接，對焊縫金屬的影響為：保護(hù)焊縫金屬的必要性1、焊接冶金的特點(diǎn)各種焊接方法其焊縫金屬的保護(hù)方式不同，每種保護(hù)方式也各有其特點(diǎn)和效果。氣-渣聯(lián)合保護(hù)：焊條電弧焊埋弧焊氣體保護(hù)焊真空電子束焊自保護(hù)焊電弧在焊劑層下利用熔化的焊劑所圍成的封閉的空腔內(nèi)燃燒，利用焊劑熔化后形成的熔渣隔離空氣氣體保護(hù)利用包圍在焊接區(qū)域的氣體將焊縫金屬與空氣隔離開真空室內(nèi)在真空室內(nèi)進(jìn)行焊接自保護(hù)利用含有脫氧劑和脫氮劑的特制光焊絲在空氣中進(jìn)行焊接的一種方法。熔渣保護(hù)焊接冶金的特點(diǎn)LOREM焊接冶金反應(yīng)的重要特點(diǎn)之一就是反應(yīng)是分區(qū)域（階段）連續(xù)進(jìn)行的，且各區(qū)的反應(yīng)條件有較大的差異。電弧焊時，一般在反應(yīng)區(qū)內(nèi)有三個相互作用的相——熔化金屬、熔渣和電弧氣氛。焊條電弧焊：藥皮反應(yīng)區(qū)熔滴反應(yīng)區(qū)熔池反應(yīng)區(qū)2.焊接冶金反應(yīng)區(qū)的特點(diǎn)Ⅰ——藥皮反應(yīng)區(qū)Ⅱ——熔滴反應(yīng)區(qū)Ⅲ——熔池反應(yīng)區(qū)t1——藥皮開始反應(yīng)溫度t2——焊條端熔滴溫度t3——弧柱間熔滴溫度t4——熔池最高溫度t5——熔池凝固溫度焊條電弧焊焊接冶金反應(yīng)區(qū)的特點(diǎn)藥皮反應(yīng)區(qū)的特點(diǎn)藥皮反應(yīng)區(qū)的溫度范圍從100℃至藥皮的熔點(diǎn)，在這期間所發(fā)生的化學(xué)反就有：溫度高于100℃時，水分開始蒸發(fā)；溫度高于200～250℃時，有機(jī)物發(fā)生分解，析出CO2和H2；溫度高于300℃時，藥皮中的組成物中的結(jié)晶水開始蒸發(fā)；溫度再升高，碳酸鹽將發(fā)生分解，產(chǎn)生CO2和O2CaCO3CaO+CO22MnO22MnO+O2先期脫氧：Mn+CO2=MnO+CO2Mn+O2=2MnOMn+H2O=MnO+H2焊接冶金反應(yīng)區(qū)的特點(diǎn)

熔滴反應(yīng)區(qū)的特點(diǎn)特點(diǎn)：（1）熔滴的溫度高（2）熔滴的比表面積大（3）作用時間短（4）液體金屬與熔渣發(fā)生強(qiáng)烈的混合

熔滴反應(yīng)區(qū)是焊接冶金反應(yīng)最為激烈的部位。

主要理化反應(yīng)：金屬的蒸發(fā)，氣體的分解與溶解，熔渣中某些氧化物的分解，金屬的氧化、還原以及金屬的合金化。焊接冶金反應(yīng)區(qū)的特點(diǎn)組成：液體金屬，藥皮反應(yīng)區(qū)分解產(chǎn)生的氣體與少量空氣，熔化的藥皮熔池反應(yīng)區(qū)的特點(diǎn)（1）平均溫度較低，反應(yīng)不劇烈（2）比表面積較小（3）反應(yīng)時間稍長（4）溫度分布極不均勻，反應(yīng)可同時向相反的方向進(jìn)行熔池反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)速度比熔滴區(qū)低，對焊縫金屬的化學(xué)成分及成分的均勻程度具有決定性的影響。焊接冶金反應(yīng)區(qū)的特點(diǎn)公式21定義及決定因素在焊縫金屬中局部熔化的母材所占的比例稱為熔合比。熔合比的數(shù)值取決于焊接方法、規(guī)范、接頭形式、坡口角度、藥皮和焊劑的性質(zhì)以及焊條（焊絲）的傾角等因素ωWB=θωbB+(1-θ)ωdBωWB——某元素B在焊縫中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ωbB——某元素B在母材中的原始質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ωdB——熔敷金屬中某元素B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)θ——焊縫金屬的熔合比焊接參數(shù)對熔合比的影響通過改變?nèi)酆媳瓤梢愿淖兒缚p金屬的化學(xué)成分。熔合比隨焊接參數(shù)變化。一般來說，θ值隨焊接電流的增加而增加，隨電弧電壓、焊接速度的增加而減小3.焊接參數(shù)對焊接冶金的影響CA焊接參數(shù)影響冶金反應(yīng)的條件和作用時間焊接參數(shù)影響參加冶金反應(yīng)的熔渣量焊接參數(shù)對熔滴過渡特性有影響，熔滴過渡形式不同，主要得特性參數(shù)將不同，從而使其比表面積、過渡周期發(fā)生改變，引起冶金反應(yīng)程度的變化冶金反應(yīng)進(jìn)行的完全程度將隨電流的增加而減小，隨電弧電壓的增加而增大。埋弧焊時，焊接參數(shù)可以在很寬的范圍內(nèi)變化，這不僅使熔滴過渡的特性和熔合比有很大的變化，而且使焊劑的熔化率發(fā)生很大的變化埋弧焊時，焊接電流增加，熔深加大，焊劑熔化量減小；電弧電壓增加，焊劑熔化量增加。焊接參數(shù)對焊接冶金的影響模塊二氣相對焊縫金屬的作用1.焊接區(qū)內(nèi)的氣體2.氫對金屬的作用及其控制3.氮對金屬的作用及其控制4.氧對金屬的作用及其控制學(xué)習(xí)任務(wù)焊接材料熱源周圍氣體介質(zhì)焊絲和母材表面上的雜質(zhì)高溫蒸發(fā)所產(chǎn)生的氣體焊條藥皮、焊劑和焊絲藥芯：造氣劑、高價氧化物、水分氣體保護(hù)焊：保護(hù)氣體及雜質(zhì)（氧、氮、水氣）焊絲表面和母材坡口附近的鐵皮、油污、鐵銹、油漆、吸附的水分等，焊接高溫加熱會析出氣體進(jìn)入電弧區(qū)造氣劑所產(chǎn)生的氣體并不能完全隔絕熱源周圍空氣的入侵電弧區(qū)溫度達(dá)到金屬和熔渣沸點(diǎn)，使部分金屬和熔渣蒸發(fā)，以氣體的形態(tài)存在于電弧的氣相中氣體進(jìn)入熔滴熔池冶金反應(yīng)影響焊縫成分和性能1.焊接區(qū)內(nèi)的氣體焊接時，氣相的成分、數(shù)量隨焊接方法、規(guī)范、藥皮或焊劑的種類不同而變化：

1.酸性焊條：氣相主要成分是CO、H2、H2O，此外還含有少量的CO2、O2、N2和金屬蒸汽；2.低氫型焊條：氣相的主要成分由CO、CO2組成的，含CO2、H2很少3.埋弧焊：CO和H2，O2、N2和H2O少如前所述，將焊接區(qū)內(nèi)氣體是CO、H2、H2O、O2、CO2和少量氮，這些氣體在高溫時將分解出一定的氧，以及它們分解或電離的產(chǎn)物所組成的混合物焊接區(qū)內(nèi)的氣體氫的主要來源焊條藥皮、焊劑、焊絲藥芯中的水分1藥皮中的有機(jī)物2焊件和焊絲表面上的雜質(zhì)（鐵銹、油污）3空氣中的水分4氣焊中保護(hù)氣中的水分52.氫對金屬的作用及其控制氫的溶解影響因素氫的溶解在氣體保護(hù)焊時，氫可以直接在金屬的表面上以原子或質(zhì)子的形式溶入金屬氫的溶解度與溫度、分壓、金屬的結(jié)構(gòu)有關(guān)在熔渣保護(hù)時，氫向金屬中溶解時通過熔渣層進(jìn)行的，溶解在熔渣中的氫大部分以O(shè)H-形式存在（1）氫在金屬中的溶解氫對金屬的作用及其控制圖2-15H2、N2在鐵中的溶解度與溫度的關(guān)系返回（1）氫溶解與其在氣相中的濃度（即氫的分壓）有關(guān)：

分壓越大，溶入焊縫金屬中的量越多，反之越少。（2）氫在鐵中的溶解度與溫度有關(guān)（3）氫在鐵中的溶解度還與金屬狀態(tài)有關(guān)：

在面心立方晶格的γ相中的溶解度比在體心立方晶格的α相中的溶解度大得多。在鋼焊縫金屬中，氫大部分是以H、H+、H-形式存在的。H的原子和離子半徑很小，它們與焊縫金屬形成間隙固溶體。其中一部分氫可以在焊縫金屬晶格中自由擴(kuò)散，稱為擴(kuò)散氫。還有一部分氫擴(kuò)散聚集到金屬的晶格缺陷、顯微裂紋和非金屬夾雜物邊緣的空隙中，結(jié)合為氫分子，因其半徑增大，不能自由擴(kuò)散，稱為殘余氫。因氫在擴(kuò)散中總有一部分要轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄽?，還有一部分?jǐn)U散到焊件以外的空間，所以焊縫金屬中的總的氫含量和擴(kuò)散氫的含量都是隨時間的延長而減少，殘余氫則增加。（2）氫在金屬中的擴(kuò)散氫對金屬的作用及其控制缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)氫的有害作用分為兩種類型：一種是暫態(tài)現(xiàn)象，包括氫脆和白點(diǎn)；另一種是永久現(xiàn)象，一出現(xiàn)無法消除，如氣孔和裂紋氫是還原性氣體，焊接時有助于減小金屬氧化的傾向。在氬弧焊高合金鋼時，加入少量的氫可以改善焊接工藝性能（3）氫對焊接質(zhì)量的影響氫對金屬的作用及其控制金屬在室溫時因吸收氫而導(dǎo)致塑性降低的現(xiàn)象叫氫脆。氫對鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度沒有明顯影響，對塑性，特別是斷面收縮率，則隨氫含量的增加而急劇下降定義機(jī)理氫脆現(xiàn)象是溶解在金屬晶格中的氫引起的。在試件拉伸過程中，金屬中的位錯發(fā)生運(yùn)動和堆積，結(jié)果形成顯微空腔。與此同時，溶解在晶格中的原子氫不斷地沿著位錯運(yùn)動的方向擴(kuò)散，最后聚集到顯微空腔內(nèi)，結(jié)合為分子氫。這個過程的發(fā)展使空腔內(nèi)產(chǎn)生很高的壓力，導(dǎo)致金屬變脆影響氫脆與試驗(yàn)溫度和試驗(yàn)應(yīng)變速度有關(guān)，在室溫，氫脆表現(xiàn)明顯，隨應(yīng)變速度的提高而減?。粴浯喑潭冗€與鋼的強(qiáng)度和晶格結(jié)構(gòu)有關(guān)，隨強(qiáng)度的提高而加大，馬氏體氫脆敏感，奧氏體氫脆不顯著氫脆氫對金屬的作用及其控制在碳鋼或低合金鋼焊縫中，如果氫含量高，則常常在其拉伸或彎曲試件的斷面上，出現(xiàn)銀白色圓形局部脆斷點(diǎn)，稱為白點(diǎn)定義機(jī)理在金屬塑變過程中，小夾雜物邊緣的空隙和氣孔像“陷阱”一樣，可以捕捉原子氫，并在其中結(jié)合為分子氫。由于“陷阱”內(nèi)的壓力不斷增大，最后導(dǎo)致局部脆斷危害焊縫中有白點(diǎn)則其塑性將大大下降。產(chǎn)生的白點(diǎn)的敏感性與氫的含量、金屬的組織和變形速度等因素有關(guān)。當(dāng)Cr、Ni、Mo等元素含量較高時，對白點(diǎn)很敏感。純鐵素體和鉻鎳奧氏體焊縫不出現(xiàn)白點(diǎn)白點(diǎn)氫對金屬的作用及其控制定義簡介在焊接接頭中，冷裂紋是危害性極大的一種焊接缺陷，而氫時促使冷裂紋產(chǎn)生的重要因素之一氣孔冷裂紋如果熔池中溶解了大量的氫，在冷卻凝固過程中，由于氫在固態(tài)金屬中的溶解度比在液態(tài)金屬中的溶解度小很多，過飽和的氫將由固相向液相中聚集，這時，部分原子氫將結(jié)合為氫分子，進(jìn)而形成氣泡，而氣泡在金屬凝固鉛來不及逸出，就會在焊縫中形成氣孔氫對金屬的作用及其控制限制焊接材料中的氫含量1、焊條、焊劑在使用前須烘干2、存放焊接材料時，防潮3、嚴(yán)格控制保護(hù)氣中的含水量清除焊件和焊絲表面的雜質(zhì)焊前仔細(xì)進(jìn)行清理，表面采用鍍銅處理進(jìn)行冶金處理1、藥皮和焊劑中加入氟化物2、藥皮加入活性氧化劑控制焊接參數(shù)焊條電弧焊：增大焊接電流時熔滴吸收的氫的含量增加；增加電弧電壓使焊縫氫含量減少氣體保護(hù)焊：射流過渡比滴狀過渡時熔滴中氫含量低。電弧焊：電流種類和極性對焊縫氫含量有影響焊后脫氫處理脫氫處理時指利用氫的擴(kuò)散能力，焊后加熱焊件，促使氫擴(kuò)散逸出，從而減少接頭中氫含量的工藝。生產(chǎn)中對于易產(chǎn)生冷裂紋的焊件，一般加熱到300~400℃，保溫若干小時（4）控制氫的措施氫對金屬的作用及其控制3.氮對金屬的作用及其控制氣相中的氮主要來源于焊接區(qū)周圍的空氣，即使在較好的保護(hù)條件下焊接，仍有少量的氮侵入焊接區(qū)，與熔化金屬發(fā)生作用。Fe、Ti、Mn、Si、Cr等金屬，既能溶解氮，又能與氮形成氮化物。在焊接這類材料時，必須設(shè)法防止氮的有害作用。溶解過程電弧焊溶解氮的存在形式在電弧高溫作用下，氮分子將分解為氮原子。氮分解時需要更高的能量，在5000K時，氮分解度只有20%左右。因此，在焊接條件下，氮大部分以分子的形式存在分子氮向氣體-金屬相界面上運(yùn)動；被熔滴和熔池前部的金屬表面吸附；在金屬表面上分解為原子氮；原子氮過渡到金屬的表面層內(nèi)；并向金屬內(nèi)部擴(kuò)散電弧焊時氣體溶解的過程比普通的氣體的溶解過程復(fù)雜得多。其特點(diǎn)，熔化金屬過熱度大；在熔池表面上通過局部活性部分吸收氣體；電弧氣氛中受激的氣體分子、原子和氣態(tài)離子增加了氣體的活性，使其在金屬中的溶解量增加。所以電弧焊熔化金屬吸收的氣體量常常超過它的平衡含量（溶解度）（1）氮在金屬中的溶解氮對金屬的作用及其控制形成氣孔氮在高溫的液態(tài)金屬中有一定的溶解度，而在其凝固時氮的溶解度突然下降。過飽和的氮將以氣泡的形式從熔池中向外逸出，當(dāng)焊縫金屬的結(jié)晶速度大于它的逸出速度時，氮?dú)庠诤缚p結(jié)晶之前來不及逸出，就留在焊縫金屬中形成氣孔降低焊縫金屬力學(xué)性能當(dāng)焊縫中氮的含量超過溶解度時，其中一部分過飽和的氮固溶于ɑ-Fe中；另一部分則以針狀氮化物（Fe4N）的形式析出于晶界或固溶體內(nèi)，使焊縫金屬的強(qiáng)度、硬度上升，而韌性、塑性降低時效脆化焊縫中過飽和的氮處于不穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)過一段時間，過飽和的氮將以針狀的Fe4N析出，導(dǎo)致焊縫金屬脆化，在熔池中加入形成穩(wěn)定氮化物的元素，如鈦、鋯、鋁等，則可顯著降低時效脆化的傾向（2）氮對焊接質(zhì)量的影響氮對金屬的作用及其控制（3）控制氮的措施增加焊絲或藥皮中的碳含量可以降低焊縫中氮的含量；鈦、鋁、鋯和稀土元素的加入，可增強(qiáng)脫氮的能力控制焊絲金屬的成分03焊接區(qū)氮主要來自空氣且進(jìn)入焊縫后難以用冶金辦法脫氮，因此常采用加強(qiáng)機(jī)械保護(hù)。如氣體保護(hù)、熔渣保護(hù)、氣渣聯(lián)合保護(hù)等措施加強(qiáng)機(jī)械保護(hù)01增加電弧電壓使焊縫金屬中的氮含量增加；增加焊接電流使得焊縫中氮含量增加，但電流過大，焊縫中的氮含量又逐漸下降選用合理的焊接參數(shù)02氮對金屬的作用及其控制（1）氧對金屬的作用（2）控制氧的措施03氧對焊接質(zhì)量的影響01氧在金屬中的溶解02氧對金屬的氧化控制焊接材料的氧含量控制焊接參數(shù)脫氧4、氧對金屬的作用及其控制氧是以原子氧和氧化亞鐵FeO兩種形式溶于液態(tài)鐵中；溫度升高，氧在液態(tài)鐵中的溶解度增大；在液態(tài)鐵中由第二類金屬元素時，隨著合金元素含量的增加，氧的溶解度下降在一定的系統(tǒng)中，某一元素時被氧化還是被還原，取決于該元素對氧的親和力、氣相的氧化性及溫度。而一種元素對氧的親和力，可以用該元素的分解壓作為判斷01氧在金屬中的溶解氧化物的分解壓氧對金屬的作用及其控制自由氧對金屬的氧化焊接低碳鋼和低合金鋼時，鐵的氧化物主要是FeO，溫度越高，F(xiàn)eO越容易分解；焊條電弧焊時，原子氧對鐵的氧化比分子氧對鐵的氧化更激烈水蒸氣對金屬的氧化CO2對金屬的氧化混合氣體對金屬的氧化焊條電弧焊時，焊條藥皮中的碳酸鹽分解產(chǎn)生CO2，在高溫下CO2對于液態(tài)鐵和其他金屬來說是活潑的氧化劑；溫度升高，促使鐵氧化焊接區(qū)的水蒸氣在高溫下分解后所生成的氧使鐵和其他合金元素氧化焊條電弧焊時，電弧氣氛是由多種氣體組成的混合物，混合氣體的氧化性取決于系統(tǒng)中氧的實(shí)際分壓02氧對金屬的氧化氧對金屬的作用及其控制合金元素的燒損導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生影響焊縫金屬的性能在焊接高溫作用下，氧使焊縫金屬中有益的合金元素?zé)龘p，使焊縫的性能達(dá)不到母材水平，焊接時形成的CO受熱膨脹引起飛濺，影響焊接過程的穩(wěn)定性，使焊接工藝變壞。溶解在熔池中的氧與碳反應(yīng)生成與熔池金屬不相溶的CO氣體并以氣泡形式存在O+Fe=FeOFeO+C=Fe+CO發(fā)生在熔滴中，產(chǎn)生飛濺發(fā)生在熔池尾部，產(chǎn)生氣孔隨著焊縫中氧含量的增加，其強(qiáng)度、塑性及韌性指標(biāo)都要下降，沖擊韌性下降尤為明顯，氧還引起熱脆性、冷脆性及時效硬化，此外氧還會使焊縫的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、耐蝕性下降03氧對焊接質(zhì)量的影響氧對金屬的作用及其控制01step02step03step控制焊接材料的含氧量在焊接某些性能要求比較高的合金鋼、合金、活性金屬時，應(yīng)盡量少用或不用含氧的焊接材料控制焊接參數(shù)脫氧用控制焊接參數(shù)的方法來減少焊縫金屬中的氧含量是很受限制的，所以必須用冶金的方法進(jìn)行脫氧增加電弧電壓，使空氣易于侵入焊接區(qū)，并增加氧與熔滴接觸的時間，所以焊縫氧含量增加。為了減少焊縫氧含量，應(yīng)采用短弧焊2.控制氧的措施氧對金屬的作用及其控制模塊三熔渣及其對焊縫金屬的作用01熔渣的作用及分類02熔渣的結(jié)構(gòu)理論03熔渣的性質(zhì)04熔渣對焊縫金屬的氧化05焊縫金屬的脫氧學(xué)習(xí)任務(wù)在焊接過程中，和液態(tài)金屬接觸并發(fā)生化學(xué)冶金反應(yīng)的除了氣體介質(zhì)之外，還有高溫下熔融的液態(tài)熔渣（1）熔渣在焊接過程中的作用（2）熔渣的成分和分類

熔渣是在焊接過程中焊條藥皮或焊劑熔化后，在熔池中參與化學(xué)反應(yīng)而形成覆蓋在熔池表面的熔融狀非金屬物質(zhì)。1、熔渣的作用及分類冶金處理作用：熔渣中的合金元素可以去除焊縫中的有害雜質(zhì)，如脫氧、脫硫、脫磷、去氫，還可以使焊縫金屬合金化機(jī)械保護(hù)作用：熔渣覆蓋在熔滴和熔池表面上，使熔池與空氣隔開，消弱對液態(tài)金屬的氧化和氮化改善熱規(guī)范：減緩液態(tài)金屬的凝固，降低冷卻速度改善焊接工藝性能：熔渣的加入使電弧容易引燃、穩(wěn)定燃燒、減少飛濺，保證具有良好的操作性、脫渣性和焊縫成形等熔渣在焊接過程中的作用熔渣的作用及分類熔渣的成分和分類鹽型熔渣：主要由金屬的氟酸鹽、氯酸鹽和不含氧的化合物組成，該類熔渣氧化性很弱，主要用于焊接易氧化的金屬及合金，如鋁合金或含有易氧化元素的高合金鋼。如CaF2-NaF、CaF2-BaCl2-NaF、KCl-NaCl-Na3Al6、BaF2-MgF2-CaF2-LiF等鹽-氧化物型熔渣：主要由氟化物和堿土金屬的氧化物組成。此類熔渣比較穩(wěn)定，因此氧化性比較弱，組要用于焊接各種合金鋼。如CaF2-CaO-SiO2、CaF2-CaO-Al2O3-SiO2、CaF2-CaO-SiO2-MgO等氧化物型熔渣：主要由各種氧化物組成。熔渣中含有較多的弱氧化物，因此熔渣的氧化性較強(qiáng)，主要用于焊接低碳鋼和低合金鋼。如FeO-MnO-SiO2、CaO-TiO2-SiO2、MnO-SiO2等熔渣的作用及分類標(biāo)題標(biāo)題標(biāo)題局限性質(zhì)量作用定律組成只有自由氧化物才能參與和熔化金屬的反應(yīng)。分子理論在焊接化學(xué)冶金得到廣泛應(yīng)用，但如熔渣導(dǎo)電性無法解釋液態(tài)熔渣是由自由的簡單氧化物（如SiO2、TiO2、MnO、CaO、FeO）分子和復(fù)雜的化合物（硅酸鹽、鋁酸鹽、鈦酸鹽、鐵酸鹽、磷酸鹽）分子以及硫化物、氟化物分子所組成分子理論自由氧化物及其復(fù)合物處于平衡狀態(tài)。獨(dú)立存在的氧化物叫做自由氧化物，復(fù)合物中的氧化物叫結(jié)合氧化物。該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升溫時，反應(yīng)式向左，渣中的自由氧化物的濃度增加，復(fù)合氧化物的濃度減少；降溫時反之2、熔渣的結(jié)構(gòu)理論生成的復(fù)合物的熱效應(yīng)值越高，兩種氧化物的化學(xué)親和力越強(qiáng)，生成的復(fù)合物越穩(wěn)定。標(biāo)題標(biāo)題標(biāo)題交換電荷綜合矩組成熔渣是由陽離子和陰離子組成的電中性溶液。一般負(fù)電性大的元素以負(fù)離子形式存在；負(fù)電性小的堿金屬、堿土金屬、鐵和錳形成正離子離子理論Z——離子電荷；r——離子的半徑離子的分布、聚集和相互作用取決于它的綜合矩。當(dāng)溫度升高時，離子的半徑增大，綜合矩減小。熔渣與金屬之間相互作用的過程，是離子與原子交換電荷的過程。如上式，硅進(jìn)入焊縫金屬，而鐵轉(zhuǎn)換成離子進(jìn)入熔渣熔渣的結(jié)構(gòu)理論堿度粘度熔點(diǎn)表面張力密度膨脹系數(shù)和導(dǎo)電性3、熔渣的性質(zhì)

分子理論離子理論把液態(tài)熔渣中自由氧離子的濃度定義為堿度。渣中自由氧離子的濃度越大，其堿度越大。用公式：離子理論分子——熔渣中堿性氧化物的物質(zhì)的量；分母——熔渣中酸性氧化物的物質(zhì)的量堿度是判斷熔渣堿性強(qiáng)弱的指標(biāo)。熔渣的堿度是熔渣的重要化學(xué)性質(zhì)，對焊接冶金過程中各種反應(yīng)都有重要的影響堿度B1的倒數(shù)稱為酸度。當(dāng)B1>1時，為堿性熔渣；B1<1時，為酸性熔渣；B1=1時，為中性熔渣。上式為考慮各種氧化物酸堿性的強(qiáng)弱，也沒有考慮存在某些復(fù)合鹽中情況，因此實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)B1>1.3時，熔渣才為堿性熔渣Mi——熔渣中第i種氧化物的摩爾分?jǐn)?shù)；ai——熔渣中第i種氧化物的堿度系數(shù)當(dāng)B2>0時，為堿性熔渣；B2<0時，為酸性熔渣；B2=0時，為中性熔渣。熔渣的性質(zhì)

氧化物的分類（按性質(zhì)）

第一類是酸性氧化物。按照它們的酸性由強(qiáng)至弱的順序有SiO2、TiO2、P2O5等。

第二類是堿性氧化物。按照堿性強(qiáng)弱的順序有K2O、Na2O、CaO、MnO、FeO等。（CaF2)

第三類是兩性氧化物。主要有Al2O3、Fe2O3、Cr2O3、V2O5等。當(dāng)液體發(fā)生相對運(yùn)動時，在其內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)摩擦力。在單位速度梯度下，作用在單位接觸面積上的內(nèi)摩擦力稱為動力粘度，簡稱粘度，以η表示。粘度的單位是帕秒（Pa·s）。粘度的倒數(shù)?=1/η稱為流動性。粘度越小，流動性越大。熔渣的粘度與溫度和渣的成分有關(guān)，實(shí)際上取決于渣的結(jié)構(gòu)。熔渣的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，陰離子的尺寸越大，熔渣質(zhì)點(diǎn)移動就越困難，渣的粘度也就越大。粘度熔渣的性質(zhì)

在酸性熔渣中加入SiO2，使Si-O離子的聚合程度增大，其尺寸也增加，因而使粘度迅速升高。減少酸性熔渣中的SiO2，增加TiO2，使復(fù)雜的Si-O離子減少，可降低高溫時的粘度。含TiO2多的酸性熔渣已不是玻璃狀的渣，而是接近于晶體狀的渣，這種渣的粘度隨溫度變化急劇，變?yōu)槎淘嵝匀墼校?dāng)溫度升高時，粘度下降，但粘度下降比較緩慢；堿性熔渣中，當(dāng)溫度升高時，粘度會下降，但是堿性熔渣離子尺寸較小，容易移動，當(dāng)溫度高于液相線時，粘度迅速下降，且數(shù)值上比酸性熔渣的粘度低。當(dāng)溫度低于液相線時，渣中出現(xiàn)了細(xì)小的晶體，粘度迅速增大。BA溫度對粘度的影響成分對粘度的影響熔渣的性質(zhì)焊接熔渣的熔點(diǎn)對冶金反應(yīng)有重要的意義。熔點(diǎn)過高將使熔渣與液態(tài)金屬之間的反應(yīng)不充分，易形成夾渣和氣孔，并產(chǎn)生壓鐵液現(xiàn)象，使焊縫成形變壞。熔點(diǎn)過低易使熔渣的覆蓋性能變壞，焊縫表面粗糙不平，并使焊條難于進(jìn)行全位置焊接。一般要求焊接熔渣的熔點(diǎn)比焊縫金屬的熔點(diǎn)低200-450℃。熔渣熔化溫度與藥皮熔化溫度的關(guān)系：藥皮熔點(diǎn)高時，形成的熔渣熔點(diǎn)也高，若藥皮熔點(diǎn)過高，使焊條形成套筒，電弧不穩(wěn)，焊縫成分不均勻；藥皮熔點(diǎn)低時，藥皮過早熔化，保護(hù)作用差，并對電弧的集中性和熔滴過渡產(chǎn)生不利的影響。熔點(diǎn)熔渣的性質(zhì)

表面張力時液體表面所受到的指向液體內(nèi)部的力，它是由于表面層分子與內(nèi)部分子所處的狀態(tài)不同而引起的。熔渣表面張力取決于結(jié)構(gòu)和溫度。原子之間的鍵能愈大，表面張力也愈大；溫度越高，離子的綜合矩減小，離子之間的距離增大，因此離子之間的相互作用力減弱，熔渣的表面張力減小。實(shí)驗(yàn)表明，熔渣與液體金屬的界面張力減小，熔滴的尺寸減小；反之，熔滴粗化。表面張力熔渣的性質(zhì)

熔渣的密度是其基本物理性質(zhì)之一，它對熔渣從液體金屬中浮出的速度、夾雜形成的難易和熔渣的流動性都有直接的影響。因此，熔渣的密度必須低于焊縫金屬的密度。榮炸彈額密度主要取決于哥哥組成物的密度及質(zhì)量分?jǐn)?shù)密度熔渣的線膨脹系數(shù)主要影響脫渣性，熔渣與焊縫金屬的線膨脹系數(shù)差值越大，脫渣性越好。熔渣的電導(dǎo)率取決于溫度和熔渣的成分，歸根結(jié)底取決于熔渣的結(jié)構(gòu)。溫度升高，離子的尺寸表笑，活動能力增強(qiáng)，電導(dǎo)率增大。熔渣的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，離子的尺寸越大，其電導(dǎo)率越小。熔渣的線膨脹系數(shù)和導(dǎo)電性熔渣的性質(zhì)

熔渣中含有較多的易分解的氧化物，則可能與液態(tài)鐵發(fā)生置換反應(yīng)，使鐵氧化，這種使鐵氧化、同時另一種元素被還原的過程稱為置換氧化。如用低碳鋼焊絲配合高硅高錳焊劑（如HJ431）進(jìn)行埋弧焊時，發(fā)生的反應(yīng)（SiO2）+2[Fe]=[Si]+2FeO[Fe]+(MnO)=[Mn]+FeO反應(yīng)的結(jié)果使焊縫增加硅和錳，同時使鐵氧化，生成的FeO大部分進(jìn)入熔渣中，小部分溶于液態(tài)鐵中，使焊縫增氧置換氧化擴(kuò)散氧化式中，（FeO）為FeO在熔渣中的濃度，[FeO]為FeO在液態(tài)金屬中的濃度，L為分配常數(shù)。在溫度不變條件，增加熔渣中的FeO的濃度時，F(xiàn)eO將向焊縫金屬中擴(kuò)散，使焊縫中的氧含量增加。一般堿性熔渣與酸性熔渣相比，F(xiàn)eO很容易向金屬中擴(kuò)散使焊縫增氧。因此，堿性焊條藥皮中，一般不加入FeO物質(zhì)，焊前清理焊件焊絲表面氧化皮和鐵銹，并在藥皮中加入脫氧劑4.熔渣對焊縫金屬的氧化A

在焊接溫度下，脫氧劑對氧的親和力應(yīng)該比被焊金屬對氧的親和力大。元素對氧的親和力越大，脫氧能力越強(qiáng)。焊接鐵基合金時，Al、Ti、Si、Mn等均可作脫氧劑B

脫氧產(chǎn)物應(yīng)不溶于液態(tài)金屬，其密度也應(yīng)小于液態(tài)金屬的密度，這樣可加快脫氧產(chǎn)物浮到渣中去，減少焊縫中的夾雜物C

應(yīng)綜合考慮脫氧劑對焊縫成分、性能及焊接工藝性能的影響D在滿足技術(shù)要求的前提下，贏注意減低成本脫氧是一種冶金處理措施，它是通過在焊絲、焊劑或焊條藥皮中加入某些對氧親和力較大的元素，使其在焊接過程中奪取氣相或氧化物的重的氧，從而減少焊接金屬的氧化劑氧含量。用于脫氧的元素或合金劑叫脫氧劑。5.焊縫金屬脫氧先期脫氧擴(kuò)散脫氧沉淀脫氧焊接冶金反應(yīng)是分階段或區(qū)域進(jìn)行的，脫氧反應(yīng)也是分階段和區(qū)域連續(xù)地進(jìn)行，其方式有先期脫氧、沉淀脫氧和擴(kuò)散脫氧。焊縫金屬脫氧焊條電弧焊時，在焊條藥皮加熱階段，固體藥皮中進(jìn)行的脫氧反應(yīng)叫先期脫氧。特點(diǎn)是脫氧過程和脫氧產(chǎn)物與熔滴不發(fā)生直接關(guān)系，脫氧主要發(fā)生在焊條端部反應(yīng)區(qū)以Mn為例，其先期脫氧反應(yīng)如下：Fe2O3+Mn=MnO+2FeFeO+Mn=MnO+FeCaCO3+Mn=CaO+CO+MnO先期脫氧焊縫金屬脫氧錳的脫氧焊條藥皮中的錳鐵或焊絲中的錳都可以起到脫氧的作用，反應(yīng)式如下：[Mn]+[FeO]=[Fe]+(MnO)低碳鋼焊縫中[Fe]≈1，反應(yīng)達(dá)到平衡時硅的脫氧硅對氧的親和力比錳大，脫氧能力比錳強(qiáng)。硅的脫氧反應(yīng)為：[Si]+2[FeO]=2[Fe]+(SiO2)

顯然，提高熔渣堿度和金屬中的硅含量，可以提高硅的脫氧效果。從脫氧能力來看，硅的脫氧能力比錳大，但生成的SiO2熔點(diǎn)高，通常認(rèn)為處于固態(tài)，不易聚合為大的質(zhì)點(diǎn)；同時SiO2與鋼液的界面張力小，潤濕性好，SiO2不易從鋼液中分離，所以易造成夾雜。故一般不單獨(dú)用硅脫氧沉淀脫氧為達(dá)到降低[FeO]的目的，應(yīng)使渣中自由的MnO分子減少。焊縫金屬脫氧硅錳聯(lián)合脫氧硅和錳均能脫氧，而且脫氧產(chǎn)物結(jié)合成熔點(diǎn)低、密度不大的復(fù)合物進(jìn)入熔渣，因此把硅和錳按適當(dāng)?shù)谋壤尤虢饘僦羞M(jìn)行聯(lián)合脫氧可以得到較好的脫氧效果。實(shí)踐證明，當(dāng)[Mn]/[Si]=3~7，脫氧產(chǎn)物易聚合為半徑大的質(zhì)點(diǎn)，浮到熔渣中去，從而減少焊縫中的氧含量。在CO2焊時，各國實(shí)用的焊絲中[Mn]/[Si]=1.5~3。通過實(shí)驗(yàn)證明，錳和硅的比例不同時，生成的脫氧產(chǎn)物不同，因而形成夾雜物的情況不同。母材、焊絲、藥皮中的碳在焊接過程中會起到脫氧的作用。碳與其他元素不同，它對氧的親和力隨溫度的升高而加大，因此碳與FeO的置換反應(yīng)主要在熔滴區(qū)和熔池前部進(jìn)行，脫氧產(chǎn)物CO不溶于液態(tài)金屬，直接進(jìn)入氣相。反應(yīng)如下：[FeO]+[C]=[Fe]+CO?沉淀脫氧焊縫金屬脫氧擴(kuò)散脫氧是在液態(tài)金屬與熔渣界面上進(jìn)行的。利用FeO能溶解于熔渣的特性，拖過擴(kuò)散使它從液態(tài)金屬中進(jìn)入熔渣，從而降低焊縫氧含量。根據(jù)分配定律及分配常數(shù)L與溫度T的關(guān)系可知，L增加，便發(fā)生液態(tài)金屬中的FeO向熔渣中擴(kuò)散，即[FeO]→（FeO），從而使熔池中的含量減少，說明擴(kuò)散脫氧是在熔池的尾部低溫區(qū)進(jìn)行的。除溫度外，擴(kuò)散脫氧還取決于FeO在熔渣中的活度。如溫度不變，F(xiàn)eO在熔渣中的活度越低，脫氧效果越好。酸性渣有利于擴(kuò)散脫氧的進(jìn)行，而堿性熔渣擴(kuò)散脫氧能力較差。擴(kuò)散脫氧焊縫金屬脫氧模塊四焊縫金屬中硫、磷的控制焊縫金屬中硫、磷的危害性0102硫的控制03磷的控制學(xué)習(xí)任務(wù)硫在鋼中主要以FeS和MnS的形式存在，其中由于FeS與液態(tài)鐵無限互溶所以危害性最大。隨著熔池溫度的降低，F(xiàn)eS容易偏析，以低熔點(diǎn)共晶的形式呈片狀或鏈狀分布于晶界，因此增加了焊縫金屬結(jié)晶裂紋的傾向，同時還會降低沖擊韌性和耐蝕性。鋼中若有鎳時，與硫更容易形成熔點(diǎn)更低的共晶，裂紋傾向更大。當(dāng)鋼中焊縫碳含量增加時，會促進(jìn)硫的偏析，增加硫的危害性硫和磷是鋼中有害雜質(zhì)。通常焊條藥皮或焊劑的某些原材料中常含有相當(dāng)數(shù)量的硫和磷，焊接時過渡到焊縫金屬中造成危害硫的危害磷的危害磷在液態(tài)鐵中溶解度很大，以Fe2P和Fe3P形式存在。硫與鐵和鎳形成低熔點(diǎn)共晶，如Fe3P+Fe、Ni3P+Fe。當(dāng)熔池快速凝固時，磷易發(fā)生偏析。磷化鐵常分布于晶界，減弱了晶粒間的結(jié)合力，而且它本身既硬又脆，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1.焊縫金屬中硫、磷的危害性

焊縫中硫的來源的三個反面：一是母材，其內(nèi)的硫幾乎全部過渡到焊縫中去，但母材中硫含量比較少；二是焊絲，其中的硫約有70%～80%可以過渡到焊縫中去；三是藥皮或焊劑，其中的硫越有50%可以過渡到焊縫中；可見，嚴(yán)格控制焊接材料中的硫含量是限制焊縫硫含量的關(guān)鍵措施。母材中硫含量一般較低，所以需主要限制焊絲、藥皮或焊劑中的硫含量。工藝

限制焊接材料中的硫含量限制2.硫的控制（1）錳脫硫因?yàn)殄i元素對硫的親和力比鐵大，所以錳是常用的脫硫劑。[FeS]+[Mn]=(MnS)+[Fe]反應(yīng)產(chǎn)物幾乎(MnS)不溶于液態(tài)鐵，在冶金過程中可以浮到渣中。此反應(yīng)為放熱反應(yīng)，降低溫度有利于脫硫反應(yīng)進(jìn)行，但熔池冷卻過快，反應(yīng)不能充分進(jìn)行，所以熔池中要增加錳含量。冶金

脫硫（2）熔渣脫硫所謂熔渣脫硫是指利用熔渣中的堿性氧化物，如MnO、CaO等進(jìn)行脫硫的方式。[FeS]+(MnO)=(MnS)+(FeO)[FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO)生成的CaS類似于MnS，不溶于金屬而進(jìn)入熔渣中。增加熔渣中MnO和CaO的含量，有利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行，減少渣中自由FeO的濃度，即加強(qiáng)脫氧、減少渣中的氧化性，有利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。由此可知，酸性熔渣中的脫硫能力比堿性熔渣差，增加熔渣的堿度可以提高脫硫能力。硫的控制控制來源冶金脫磷1）關(guān)鍵在于限制焊條藥皮、藥芯或焊劑中所用原材料的磷含量。錳礦是焊縫增磷的主要來源。2）焊接時，磷通過下面的反應(yīng)進(jìn)入熔池中：（MnO）3?P2O5+11[Fe]=3(MnO)+2[Fe3P]+5(FeO)磷一旦進(jìn)入液態(tài)金屬中，應(yīng)采用冶金脫磷。當(dāng)熔渣中存在適量的CaO、FeO時，則既可使磷氧化，又可使反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的復(fù)合物進(jìn)入熔渣，達(dá)到脫磷的目的。

2Fe3P+5FeO+3CaO=（CaO）3?P2O5+11Fe2Fe3P+5FeO+4CaO=（CaO）4?P2O5+11Fe根據(jù)反應(yīng)，要使脫磷反應(yīng)順利進(jìn)行，應(yīng)具備以下條件：使CaO和FeO活度較大；其次應(yīng)盡量使P2O5與CaO形成穩(wěn)定的復(fù)合物，以降低熔渣中P2O5的活度3.磷的控制模塊五焊縫金屬的合金化焊縫金屬合金化的目的0102焊縫金屬合金化的方式03影響合金過渡系數(shù)的因素學(xué)習(xí)任務(wù)在焊接高溫條件下，由于氧化與蒸發(fā)，導(dǎo)致某些有益的合金元素含量下降，通過焊縫金屬元素的合金化，可以補(bǔ)償合金元素的損失，以保證焊縫金屬的成分和性能達(dá)到技術(shù)條件要求。在焊接過程中通過加入合金元素消除某些焊接工藝缺陷，改善焊縫金屬的組織和性能。焊縫金屬合金化可以獲得具有特殊性能的堆焊層，獲得更好的綜合性能，尤其對于制造雙金屬零件，不僅可以節(jié)約稀缺的高合金鋼，而且還發(fā)揮材料潛力，延長產(chǎn)品的壽命，提高生產(chǎn)率。1.焊縫金屬合金化的目的0102應(yīng)用合金焊絲或帶狀電極這種方式把所需要的合金元素加入焊絲或帶狀電極中，配合堿性焊條藥皮或低氧、無氧焊劑進(jìn)行焊接或堆焊，從而使合金元素過渡到焊縫中去。優(yōu)點(diǎn)：可靠，焊縫成分穩(wěn)定、均勻，合金損失少。應(yīng)用藥芯焊絲或藥芯焊條藥芯結(jié)構(gòu)比較簡成的圓管，單的是具有圓形斷面，其外皮是用普通低碳鋼帶卷制成的圓管，里面充滿鐵合金和純鐵粉的混合物。埋弧焊時，與普通焊劑配合使用；焊條電弧焊時，藥芯焊絲外涂一層堿性藥皮。優(yōu)點(diǎn)：藥芯中合金成分比例可以任意調(diào)整；合金損失少。缺點(diǎn)：不易制造，合金成分難以混合均勻。2.焊縫金屬合金化的方式0304應(yīng)用合金藥皮或粘結(jié)焊劑該方式將所需要的合金元素以純金屬或鐵