材料成形原理(焊接部分)

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焊接化学冶金

1.3 液态金属与熔渣的相互作用

一、焊接熔渣

药皮焊条电弧焊过程

一、焊接熔渣

埋 弧 焊 过 程 示 意 图4

一、焊接熔渣(一)熔渣的作用1、机械保护作用 液态熔渣覆盖在熔滴和熔池表面，把液态金属与空气隔开，防止 氧化和氮化；

凝固后形成的渣壳覆盖在焊缝上，防止高温的焊缝受空气的侵害。2、冶金处理作用 去除焊缝中的有害物质，如脱氧、脱硫、脱磷、去氢；

吸附或溶解液态金属中非金属夹杂物；添加合金元素，使焊缝金属合金化 3、 改善焊接工艺性能

加入适当的物质，使电弧易引燃，稳定燃烧，减少飞溅，使脱渣 性和焊缝成形良好

一、焊接熔渣(二)熔渣的来源1、焊条药皮和焊丝药芯 造渣剂：如钛铁矿(TiO2· FeO)、金红石(TiO2)、大理石(CaCO3)、白云石 ( CaCO3· MgCO3 )、石英砂(SiO2)、 长石、白泥和云母(SiO2· Al2O3)等。 焊接过程中造渣剂熔化，形成独立 熔渣相，覆盖在熔滴与熔池表面

药芯焊丝结构图6

一、焊接熔渣2、埋弧焊、电渣焊过程中的熔渣与焊剂埋弧焊、电渣焊过程中，堆积在焊件坡口上方的 焊剂受热熔化，形成熔渣，覆盖在焊接电弧和熔

池上方，对熔化金属起保护和冶金处理作用。焊剂是与焊丝(或焊带)配套使用的，焊丝的作用 相当于焊条中的焊芯，焊剂的作用相当于焊条中

的药皮。焊剂与焊丝的合理匹配是决定焊缝金属化学成分 和力学性能的重要因素。

熔炼焊剂 —— 由一些氧化物和氟化 物组成； 非熔炼焊剂(烧结焊剂、粘结焊剂) —— 易于实现焊缝金属的合金化。7

一、焊接熔渣3、熔渣的成分和分类第一类 ： 盐型熔渣 主要有金属氟化物、氯酸盐和不含氧的化合物组成。 渣系： CaF2-NaF、CaF2-BaCl2-NaF等。 氧化性很小，用于焊接铝、钛和活性金属及合金及其高合金钢。

第二类 ：盐-氧化物型熔渣 主要由氟化物和强金属氧化物组成。渣系： CaF2-CaO-Al2O3、CaF2-CaO-SiO2等。 氧化性较小，焊接合金钢及合金。 第三类 ： 氧化物型熔渣 主要由金属氧化物组成。 渣系：MnO-SiO2、FeO-MnO-SiO2 、CaO-TiO2-SiO2等。

氧化性较强，焊接低碳钢和低合金钢。8

一、焊接熔渣典型焊接熔渣的成分焊条 和焊剂 钛型 钛钙型 钛铁矿型 氧化铁型 纤维素型 低氢型 焊剂251 焊剂430 盐-氧 化物型 氧化物型 氧化物型 熔渣类型 熔渣化学成分(%) SiO2 23.4 25.1 29.2 40.4 34.7 24.1 18.222.0 38.5 TiO2 37.7 30.2 14.0 1.3 17.5 7.0 0 Al2O3 10.0 3.5 1.1 4.5 5.5 1.5 18.0 -23.0 1.3 FeO 6.9 9.5 15.6 22.7 11.9 4.0 <1.0 4.7 MnO 11.7 13.7 26.5 19.3 14.4 3.5 7.010.0 43.0 CaO 3.7 8.8 8.7 1.3 2.1 35.8 3.06.0 1.7

MgO 0.5 5.2 1.3 4.6 5.8 — 14.017.0 0.45 Na2O 2.2 1.7 1.4 1.8 3.8 0.8 K2O 2.9 2.3 1.1 1.5 4.3 0.8 CaF2 — — — — — 20.3 23.030.0 6.0 熔渣碱度 B1 0.43 0.76 0.88 0.60 0.60 1.86 1.151.44 0.62 B2 -2.0 -0.9 -0.1 -0.7 -1.3 0.9 0.048 -0.49 -0.33

低氢型焊条(又称碱性焊条):不含具有造气功能的有机物而含大量碳酸盐和一定数

量的CaF2 。碳酸盐在加热分解过程中形成熔渣(CaO或MgO)并放出 CO2 气体。CaF2 除了造渣作用之外，还能减少液态金属中的氢含量。 酸性焊条：以硅酸盐或以钛酸盐为主，一般不含CaF2 ,含少量碳酸盐和有机物。9

一、焊接熔渣(三) 熔渣的结构理论1、分子理论 依据：对凝固熔渣的相分析和化学成分分析结果作为依据 要点：① 液态熔渣由自由氧化物及其复合物的分子组成。 自由氧化物：SiO2、TiO2、 CaO 、MnO 、FeO等 复合物：硅酸盐(如FeO· SiO2、MnO· SiO2等)、钛酸盐、铝酸盐等 ② 氧化物及其复合物处于平衡状态 例如：CaO + SiO2 = CaO· SiO2 (放热反应 ) 升温时，反应向左进行，降温时则相反，生成热效应越大，复合物越 稳定 ③ 只有自由氧化物才能参与和金属的反应 例如：自由(FeO) + [C] = [Fe] + CO 而硅酸盐(FeO)2SiO2中的FeO不能参与上述反应 要点 ①渣的结构 、②渣的活性、③渣的作用机理10

一、焊接熔渣2、离子理论依据：研究熔渣的电化学性质的基础上提出 要点：① 液态熔渣是由简单和复杂的离子组成的电中性溶液。 负电性大的元素以阴离子形式存在，如F-、O2- 、S2负电性小的元素以阳离子形式存在，如K+、 Na+、 Fe2+、 负电性较大的元素如Si 、 Al 、 B其阴离子往往不能独立存在， 与氧离子结合成复杂离子如SiO44-、Al3O75-等。

② 离子的分布和相互作用取决于它的综合距综合距=E/r E—离子的电荷(静电单位) r -离子半径(10-1nm) 综合距越大，静电场越强，与异号离子的引力越大。影响离子分布 ③ 熔渣与金属的作用过程，是原子与离子交换电荷的过程。 如：Si4+ +2[Fe] = 2(Fe2+) + [Si]11

一、焊接熔渣正、负离子的综合矩离子 K+ Na+ 离子半径/nm 0.133 0.095

综合矩×102 (静库/cm)3.61 5.05

离子 Ti4+ Al3+

离子半径/nm 0.068 0.050

综合矩×102 (静库/cm)28.2 28.8

Ca2+Mn2+ Fe2+ Mg2+

0.1060.091 0.083 0.078

9.010.6 11.6 12.9

Si4+FPO43S2-

0.0410.133 0.276 0.174

47.03.6 5.2 5.6

Mn3+Fe3+

0.0700.067

20.621.5

SiO44O2-

0.2790.132

6.97.3

阳离子中Si4+ 的综合矩最大，而阴离子中O2-的综合矩最 大，所以二者最易结合为复杂的硅氧阴离子SiO44- 。12

一、焊接熔渣3、分子—离子共存理论依据：综合了分子理论和离子理论的优点，提出了分子-离子共存理论 要点：① 熔渣由简单

阳离子和阴离子(Na+、Ca2 + 、Mg2 + 、 Ca2 + 、Fe Ca2 + ,O2 、S 2 、F 等)及SiO2、硅酸盐、磷酸盐、铝酸盐等分子组成。 ② 熔渣中分子、离子是理想溶液 ③ 离子和分子之间存在着动态平衡关系，其反应遵守质量作用定律。

分子-离子共存理论得到了越来越多的认可和支持。比如，SiO2或 A12O3的熔体几乎不导电，SiO2-A12O3熔体的电导非常低，所以不能将全 部熔渣当作电解质。

一、焊接熔渣(四) 熔渣的物理化学性质 1、 熔渣的碱度分子理论认为：氧化物按其性质可分为三类：1)酸性氧化物 按酸性由强到弱为：SiO2、、TiO2、P2O5等。 2)碱性氧化物 按碱性由强到弱为：K2O、Na2O、CaO、 MgO、BaO、MnO、 FeO等。

3)中性氧化物 主要有Al2O3、Fe2O3、Cr2O3等。在强酸性渣中呈弱碱性，在强 碱性渣中呈弱酸性。按分子理论碱度定义为：

B

碱性氧化物的摩尔分数 酸性氧化物的摩尔分数

考虑到氧化性强、弱差别，碱度表达式修正为： 0.018CaO+0.015MgO+0.006CaF2+0.014(K2O+Na2O)+0.007(MnO+FeO) B1 = —————————————————————————

0.017SiO2 + 0.005(Al2O3 + TiO2 + ZrO2)当B1>1为碱性渣，B1<1为酸性渣，B1=1为中性渣14

一、焊接熔渣离子理论定义的碱度：把液态熔渣中自由氧离子的浓度(或氧离子的活度)定义为碱度。渣中 自由氧离子的浓度越大，其碱度越大。 计算式为：

B 2 ai M ii 1

n

式中，Mi 是渣中第 I 种氧化物的摩尔分数，ai 是该氧化物的碱度系数。 当B2>0时为碱性渣，B2<0为酸性渣，B2= 0为中性渣。

渣中常见氧化物的ai值氧化物a i值 碱性氧化物 K2O 9.0 Na2O 8.5 CaO 6.05 MnO 4.8 MgO 4.0 FeO 3.4 SiO2 -6.31 酸性氧化物 TiO2 -4.97 ZrO2 -0.2 中性氧化物 Al2O3 -0.2 Fe2O3 015

一、焊接熔渣2、熔渣的黏度熔渣的黏度——是指熔渣内部相对运动时内摩擦力的大 小。 黏度对保护效果、工艺性能、化学冶金有显著影响。 影响黏度的因素 ： ①温度 温度↑→黏度η↓ 。 焊条电弧焊时，按熔渣黏度随温度变化的情况分： 短渣——黏度随温度下降增加迅速，凝固温度区间较窄。 ΔT/Δη 较小，凝固时间短，适用于全位置焊 长渣——黏度随温度下降增加缓慢，凝固温度区间较宽。 ΔT/Δη 较大，凝固时间长，不适应于仰焊。 ② 熔渣的成分 一般酸性渣的黏度比碱性渣大

短 渣

长 渣 T1 T

T2

熔渣黏度与温度的关系