焊接冶金学-焊接化学冶金

1、1 第二章 焊接化学冶金 2 第一节 焊接化学冶金的特殊性 第二节 焊接区内气体与金属的作用 第三节 焊接熔渣对金属的作用 第四节 焊缝金属的净化与合金化 第二章第二章- -焊接化学冶金焊接化学冶金 3 重点内容重点内容 1、焊接化学冶金过程特点 2、气相对金属的作用（H） 3、熔渣的作用性质 4、焊接化学冶金的一般规律 5、合金过渡问题 4 焊接化学冶金过程：熔化焊时， 焊接区内各种物质之间在高温下相 互作用的过程。 要点：各种物质包括气体、液态金 属、熔渣。 2-1 2-1 焊接化学冶金的特殊性焊接化学冶金的特殊性 5 普通化学冶金过程和焊接化学普通化学冶金过程和焊接化学 冶金过程对比冶金

2、过程对比 普通化学冶金过程是对金属熔炼加 工过程，放在特定的炉中进行。 焊接化学冶金过程是金属在焊接条 件下，再熔炼的过程，焊接时焊缝 相当高炉。 二者共同点二者共同点：金属冶炼加工。 6 不同点：不同点： 1）原材料不同 普冶材料：矿石、焦炭、废钢铁等。 焊金材料：焊条、焊丝、焊剂等。 2）目的不同 普冶：提炼金属； 焊冶：对金属再熔炼，以满足构件性能 7 熔池的形成熔池的形成 熔池为半椭球，几何尺寸为L=P2IU 其中，P2是比例系数，取决于焊接 方法和规范。I是焊接电流，U是焊 接电压，上式适用于点状热源 。 8 9 10 以低碳钢为例光焊丝在空气中无保护下焊接，其 结果是： 电弧不稳，

3、飞溅严重，气孔多，工艺性能不好 焊缝含0、N量过高。Mn、C量下降， 焊接时合金元素烧损严重 机械性能下降。 一、焊接区金属的保护一、焊接区金属的保护 1.无保护的危害 11 1、气保护 2、渣保护 3、气渣联合保护 4、真空保护 5、自保护 2.保护的方式和效果 12 气保护气保护 用于保护熔池和溶用于保护熔池和溶 滴的气体应是滴的气体应是惰性气惰性气 体体，并在高温下不分，并在高温下不分 解，或是解，或是活性的不溶活性的不溶 于金属液体的双原子于金属液体的双原子 气体气体( (CO2) )。 13 CO2气体气体 COCO2 2为无色无味气体，密度是空气的为无色无味气体，密度是空气的1.5

4、1.5倍，在常温下很稳定，但在倍，在常温下很稳定，但在 高温下易分解。高温下易分解。 COCO2 2气体密度大，受热后体积膨胀大，所以在隔离空气保护焊接熔池气体密度大，受热后体积膨胀大，所以在隔离空气保护焊接熔池 和电弧方面，效果良好。和电弧方面，效果良好。 但但COCO2 2气体为氧化性气体，在高温下将分解为气体为氧化性气体，在高温下将分解为COCO和和O O2 2： COCO2 2 CO + OCO + O2 2 所以二氧化碳在高温时有强烈的氧化性。所以二氧化碳在高温时有强烈的氧化性。 氩气氩气 氩气为惰性气体，高温下不溶入液态金属，也不与金属发生化学反氩气为惰性气体，高温下不溶入液态金属

5、，也不与金属发生化学反 应，因此，氩气是一种理想的保护气体。应，因此，氩气是一种理想的保护气体。 由于氩弧温度高，因此一旦引燃，电弧就很稳定。由于氩弧温度高，因此一旦引燃，电弧就很稳定。 氩弧焊一般要求氩气纯度达氩弧焊一般要求氩气纯度达99.9%99.9%，我国生产的工业纯氩，其纯度，我国生产的工业纯氩，其纯度 可达可达99.9%99.9%，完全合乎氩弧焊的要求。，完全合乎氩弧焊的要求。 氩弧焊对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求严格，否则就会氩弧焊对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求严格，否则就会 影响焊缝质量。影响焊缝质量。 14 熔渣保护熔渣保护 利用焊剂、药芯或药利用焊剂、药芯或药

6、 皮熔化形成的熔渣起到皮熔化形成的熔渣起到 保护作用。对于埋弧焊保护作用。对于埋弧焊 来讲，焊剂及其熔渣的来讲，焊剂及其熔渣的 保护效果很好。保护效果很好。 防止金属氧化和吸气防止金属氧化和吸气 另一方面向熔池过渡合另一方面向熔池过渡合 金元素，提高焊缝性能金元素，提高焊缝性能 还可以减少散热，提高还可以减少散热，提高 生产率，防止强光辐射生产率，防止强光辐射 15 焊剂是由焊剂是由SiO2，MnO、MgO及及CaF等组等组 成的硅酸盐。成的硅酸盐。 焊剂保护的效果焊剂保护的效果 形成熔融的液态焊剂薄膜，使熔池与空气形成熔融的液态焊剂薄膜，使熔池与空气 隔绝，大大减少焊缝中的含气量，提高焊隔绝

7、，大大减少焊缝中的含气量，提高焊 缝韧性。缝韧性。 延长熔池存在时间，加强了冶金反应，有延长熔池存在时间，加强了冶金反应，有 利于气孔、夹渣的析出。利于气孔、夹渣的析出。 16 渣渣- -气联合保护气联合保护 通过药皮或药芯中的造通过药皮或药芯中的造 渣剂和造气剂在焊接过程渣剂和造气剂在焊接过程 中形成熔渣和气体而共同中形成熔渣和气体而共同 起到保护作用。起到保护作用。 利用渣的良好的冶金反利用渣的良好的冶金反 应和焊缝成型特点以及气应和焊缝成型特点以及气 体的优良电弧热效率和稳体的优良电弧热效率和稳 弧作用，可获得良好的熔弧作用，可获得良好的熔 池保护效果。如焊条的药池保护效果。如焊条的药

8、皮及二氧化碳加药芯。皮及二氧化碳加药芯。 17 18 真空保护真空保护 真空度高于真空度高于0.0133Pa0.0133Pa的真空室内进行电子的真空室内进行电子 束焊接，保护效果最理想的。束焊接，保护效果最理想的。 19 自保护自保护 通过化学反应防止氧和氮进入焊缝的冶通过化学反应防止氧和氮进入焊缝的冶 金保护办法。具体而言，自保护就是通过金保护办法。具体而言，自保护就是通过 在焊丝中加入脱氧剂和脱氮剂，使由空气在焊丝中加入脱氧剂和脱氮剂，使由空气 进入熔化金属的氧和氮反应生成氧化物和进入熔化金属的氧和氮反应生成氧化物和 氮化物，并使其成渣。氮化物，并使其成渣。 20 二、焊接化学冶金的反应区

9、二、焊接化学冶金的反应区 1 1、药皮反应区、药皮反应区：指焊条受热后，直到焊条药 皮熔点前发生的一些反应。(100-1200) 焊接方法不同，冶金反应阶段也不同。以手手 工电弧焊工电弧焊为例，加以讨论 1) 水分蒸发：100 吸附水的蒸发，200400 结晶 水的去除，化合水在更高温度下析出 2) 某些物质分解:形成Co，CO2，H2O，O2等气体 3) 铁合金氧化 ：先期氧化，降低气相的氧化性 21 22 2 2）熔滴反应区）熔滴反应区 指熔滴形成、长大、脱离焊条、过渡到整个 熔池 特点特点: : ).温度高：18002400 ).与气体、熔渣的接触面积大 ：1000 10000 cm2/

10、kg ).时间短速度快 :0.01-0.1s;0.0001-0.001s ).熔渣和熔滴金属进行强烈的搅拌,混合. 23 3 3熔池反应区熔池反应区 1）反应速度低 熔池T 16001900低于熔滴T ；比表面积，接 触面积小3001300cm2/kg；时间长，手工焊38 秒埋弧焊6 25s 2）熔池温度不均匀的突出特点 熔池前斗部分发生金属熔化和气体的吸收,利于吸 热反应熔池后斗部分发生金属凝固和气体的析出, 利于放热反应 3）具有一定的搅拌作用 促进焊缝成分的均匀化，有助于加快反应速度， 有益于气体和夹渣物的排除。然而，没有熔滴阶 段激烈。 24 熔池中部温度最高，头部次之，其次是尾部。

11、25 1）液态金属密度差引 起自由对流运动 2）表面张力差强迫对 流运动 3） 熔池中各种机械 力搅拌 熔池运动状态熔池运动状态 26 三、焊接化学冶金系统的不平衡三、焊接化学冶金系统的不平衡 1.多相的反应系统 焊接化学冶金过程是分区域进行的，而 且在同一区域的不同部位的反应方向和速 度也是不同的。 2.不平衡的反应系统 27 2-2 2-2 焊接区内气体与金属的作用焊接区内气体与金属的作用 一、焊接区内的气体一、焊接区内的气体 （一）气体的种类（一）气体的种类、来源及供给途径来源及供给途径 22222 NOOHHCOCO、1. 1.种类：种类： 金属及熔渣蒸气 2.2.来源：来源：1)焊接

12、材料 2)气体介质 3)焊丝和母材表面上的油锈等杂质。 4)金属和熔渣的蒸发产生的气体 28 3.3.供给途径：供给途径： 一部分是直接输入或侵入的原始气体；一部分是直接输入或侵入的原始气体； 另一部分是通过物化反应所生成的气体。另一部分是通过物化反应所生成的气体。 1)有机物的分解和燃烧:纤维素的氧化分解 2)碳酸盐和高价氧化物的分解 32 CaCOCaOCO 6105222 2()71210 m C H OmOmCOmH 32 MgCOMgOCO 23 lg(/)8920/7.54p COCaCOT 23 lg(/)5785/6.27p COMgCOT 29 30 23342 64Fe O

13、Fe OO 高价氧化物主要有Fe2O3和MnO2，它们在焊接 过程中发生逐级分解生成大量的O2，增强了 气氛的氧化性。 342 26Fe OFeOO 2232 42MnOMn OO 23342 64Mn OMn OO 342 26Mn OMnOO 31 3)物质的蒸发及冶金反应 物质的蒸发主要取决于其本身的沸点或饱合蒸 气压。在一定的温度下，沸点越低或饱合蒸气 压越高的物质越容易蒸发。 Zn、Mg 、 Pb 、 Mn KF 、 LiF 、 NaF 4)直接输入或侵入 N2、O2、H2O 32 二、气体的分解和气相的组分二、气体的分解和气相的组分 （一）气体的分解（一）气体的分解 气体在焊接电弧

14、的高温作用下将进一步分解 ，从而对气体与金属的相互作用产生显著的影 响。CO2、H2O和N2、H2、O2、F2将分解为简单气 体、个原子或离子与电子。这些反应单均为吸 热反应。 分解度是指已分解的分子数与原有分子的总 数之比，其大小与气体的种类和温度有关。 33 双原子气体的分解度与温度的关系 分解度（） 34 （二）气相的组分（二）气相的组分 气相的组分与焊接方法气相的组分与焊接方法、焊接材料和焊接规、焊接材料和焊接规 范有关。范有关。 用低氢型焊条焊接时，气相中含用低氢型焊条焊接时，气相中含H H2 2、 、H H2 2O O很少很少 。埋弧焊时气相中。埋弧焊时气相中COCO2 2 、 H

15、O HO2 2少，气相的氧化少，气相的氧化 性很小；焊条电弧焊时气相中性很小；焊条电弧焊时气相中COCO2 2 、 HO HO2 2较多较多 ，气相的氧化性增大。，气相的氧化性增大。 35 二、气体二、气体 与金属的作用与金属的作用 1. 1.气体在金属中的溶解；气体在金属中的溶解； N2、H2和O2 2.2.气体与金属的化学反应。气体与金属的化学反应。 CO2、H2O和O2 （一）气体在金属中的溶解 (1) (1) 溶解反应热力学溶解反应热力学 双原子气体在金属中的溶解机理：双原子气体在金属中的溶解机理： 气体分子分解为原子，然后从金属表面层向金属气体分子分解为原子，然后从金属表面层向金属

16、深处溶解。深处溶解。 36 双原子溶解反应双原子溶解反应: : 双原子溶解度双原子溶解度: : 2 2XX 22 ()()()S XK Xp X 单原子溶解反应单原子溶解反应: : 单原子溶解度单原子溶解度: : XX ()() ()S XK X p X 单原子溶解单原子溶解过程更为简单和直接，过程更为简单和直接，只需只需 原子穿过金属表面层向金属深处溶解。原子穿过金属表面层向金属深处溶解。 37 （2）氮在金属中的溶解 来源：来源：主要是焊接区周围的空气。 氮的溶解度随着温度升高而增大，在 2200时达到最大值 38 氮在金属中的溶解机制 1）双原子形式溶于液态金属 2）单原子原子形式溶于液

17、态金属 3）以NO形式溶入 4）以氮离子形式溶入 39 1) 1)、氢在金属中的溶解及其影响因素、氢在金属中的溶解及其影响因素 来源：来源：焊条药皮、焊剂、焊丝药芯中水分 ，药皮中有机物为、焊件表面杂质（锈 、油）空气中水分 第一类能形成稳定氢化物金属 第二类不形成稳定氢化物的金属 （3）氢在金属中的溶解 40 氢的溶解机制 焊接区为氢可以处于分子、原子和离子状态 2 2 ()2()H OOOH 氢以原子或质子形式溶入（气保焊） 以 溶入 （电渣焊） 氢通过熔渣向金属中溶解时，氢先溶于熔 渣，然后再以 向金属中过渡 OH 2 ()2()2 2FeOHFeOH OH 41 此时的溶解反应为吸热反

18、应，故溶解度随着温 度的升高而增大，并在一定温度下达到最大值 氢在金属中的溶解度与温度的关系 42 弧焊时氢的溶解度要 大于平方根定律计算值 。因为氢原子和氢离子 的存在。 43 Ti、Zr 、 Nb提高H的 溶解度； Si 、 C 、 Al 降低H的 溶解度 44 2).焊缝金属中的氢及其扩散 扩散氢：氢以原子或质子形式存在 的并可在金属晶格中自由扩散。 残余氢（剩余氢）：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 成分子不能自由扩散。 总含氢量=扩散氢剩余氢 45 经焊后放置，一部分扩 散氢会转变为参预氢或 从焊缝表面逸出，故扩 散氢减少，残余氢增加 ，总

19、氢量降低。 46 （4）氧在金属中的溶解 1).以原子氧形式溶解 2).以FeO形式溶解 max lg( )6320/2.734SOT 47 （二）氧化气体对金属的氧化（二）氧化气体对金属的氧化 气相中氧化气体与金属相互作用 1).氧化还原反应方向的判据 分解压就是氧化物分解反应达到平衡状态 时氧的分压，其数值越高，氧化物越易分解 ，金属越不易被氧化。 金属被氧化 金属被还原 2 (/) nm p OMe O 22 ()(/) nm p Op OMe O 22 ()(/) nm p Op OMe O 48 Cao、MgO、Al2O3 分解压最小，最稳 定；FeO的分解压 较高，稳定性差。 然而

20、，FeO能溶于 液态铁中，其分解 压大为减少，使铁 易于被氧化。 49 2).自由氧对金属的氧化 3).CO2对金属的氧化 4).H2O气对金属的氧化 5).混合气体对金属的氧化 FeO(FeO) 1 Fe 2 OFeO Fe 2 FeOCO 22 FeHOFeOH 气 50 在Ar+O2的氧化能力比 Ar+CO2大。在所有混合气 体中随着O和CO2含量的 增加，合金元素的挠损量 、焊缠中非金属夹杂物和 氧的含量都增加，因此焊 缝金属的力学性能。采用 氧化性混合气体焊接时， 应根据其氧化能力的大小 选择含有合适脱氧剂的焊 丝。 51 1-3 1-3 熔渣与金属的作用熔渣与金属的作用 熔渣：熔渣

21、：电焊条药皮，药芯和焊剂溶化及化 学反应生成的由多种物质组成的复杂体系 ，是调整和控制焊缝金属成分和性能的前 提和基础。 一、焊接熔渣一、焊接熔渣 （一）熔渣的作用、成分及分类（一）熔渣的作用、成分及分类 1.熔渣的作用熔渣的作用 1).机械保护作用 2).冶金处理作用 净化、合金化 3). 工艺性能改善作用 稳弧、成形 52 2.熔渣的种类和成分熔渣的种类和成分 1).熔渣成分：熔渣成分：大体由氧化物、氯化物、硼酸盐 类组成是多种化学组成的复杂体系。 2).熔渣分为三类熔渣分为三类 第一类 盐型熔渣, CaF2-NaF氧化性小主要 用于焊接铝、钛等活性金属 第二类 盐-氧化物型熔渣，CaO-

22、SiO2-CaF2 氧化性较小，有较好的除氢效果。主要用于 焊接合金钢及低碳钢。E4303(J507), 第三类 氧化物型熔渣，MnO-SiO2，具有 较强的氧化性。E5015(J422),TiO2-SiO2-CaO 53 （二）熔渣结构理论（二）熔渣结构理论 液态熔渣的结构有三种理论： 分子理论分子理论和离子理论离子理论及及分子分子- -离子共存理论离子共存理论 1.分子理论:可简明的定性为解释熔渣与金属 之间的冶金反应,但不能解释一些重要现象， 如导电性、电解等。 1).液态熔渣由自由氧化物及其复合物的分子组成液态熔渣由自由氧化物及其复合物的分子组成 自由氧化物自由氧化物: SiO: Si

23、O2 2 , , CaOCaO , Al, Al2 2O O3 3 氧化物复合物：氧化物复合物：SiOSiO2 2CaOCaO 54 2).2).自由氧化物与其复合氧化物处于化合与自由氧化物与其复合氧化物处于化合与 分解的平衡状态。分解的平衡状态。 )()( )( 2 2 OSOC OSOC k ia ia 当Tk自由氧化物浓度复合物浓度熔渣活性 Tk自由氧化物浓度复合物浓度熔渣活性 22aiai C OS OC O S OQ 3).只有自由氧化物才能与金属作用只有自由氧化物才能与金属作用 () ee FOCFCO 55 2.离子理论：熔渣的离子理论是在研究熔渣电 化学性质的基础上提出的。与分

24、子理论相比 ，更接近熔渣的实际情况。 1).熔滴是由简单和复杂的离子组成的电中性溶液 2 OSi 负电性大的元素以阴离子形式存在 负电性小的元素以阳离子形式存在 碱性渣中 少，氧以自由氧离子形式存在 酸性渣中 多，形式复杂的离子. 之间形成离子团，极性键结合. 2 .F Cl O 2 .Ca K Fe 2 OSi 2 O 4 4 OSi 6 93O Si OSi 56 2).离子的分布，聚集和相互作用取决于它的离子的分布，聚集和相互作用取决于它的 综合矩综合矩 综合矩综合矩=Z/r r=Z/r r= 其子其子Z Z离子电荷（静电单位）离子电荷（静电单位） r r离子半径离子半径 离子综合矩越大

25、，静电场愈强，与其它离子作用离子综合矩越大，静电场愈强，与其它离子作用 力愈大力愈大 如如 综合矩最大综合矩最大 1 10 nm ,/TrZr 4 Si 负离子 综合矩最大. 二者可结合成或更复杂的离子 当综合矩 r综合矩 2 O 4 4 SiO 57 58 盐型简单结构均匀溶液盐型简单结构均匀溶液，氧化型熔渣，氧化型熔渣(J422) 具有复杂网状，结构的化学成分更不均匀的具有复杂网状，结构的化学成分更不均匀的 离子溶液，盐离子溶液，盐-氧化物型氧化物型(J507)比较复杂的化比较复杂的化 学成分微观不均的离子溶液。学成分微观不均的离子溶液。 3).3).液态熔渣与金属之间相互作用的过程是原液

26、态熔渣与金属之间相互作用的过程是原 子与离子交换电荷的过程子与离子交换电荷的过程 离子理论离子理论 由于离子交换电荷、运动、形成电流由于离子交换电荷、运动、形成电流. )(2 2)( 24 SiFeFeSi 42 42 2SiOSiOO 3.3.分子离子共存理论：分子离子共存理论： 59 （三）熔渣的性质与其结构的关系 1.1.熔渣的碱度熔渣的碱度 分子理论认为熔渣中的氧化物按其性质可分为 三类 1).酸性氧化物 SiO2 TiO2 P2O5 2).碱性氧化物 K2O Na2O CaO MgO BaO MnO FeO 3).中性氧化物 Al2O3 Fe2O3 Cr2O3 60 根据分子理论碱度

27、的定义为： 1 1 1 m ii i n jj j a w B a w 222 1 22322 0.0180.0150.0060.014()0.007() 0.0170.005() CaOMgOCaFNa OK OMnOFeO B SiOAl OTiOZrO 式中CaO、MgO、CaF2、SiO2 等以质量百分数计 B11 碱 (B11.3,才是真正的碱性渣） B1 1 酸 B1 1 中 61 离子理论对碱度定义 液态熔渣中自由氧离子的浓度定义为碱度液态熔渣中自由氧离子的浓度定义为碱度。 - 渣中第k 种氧化物的摩尔分数 - 渣中第k 种氧化物的碱度系数; B20 碱 B20 酸 B2 = 0

28、 中 2 1 n kk k Ba x k a k x 62 2.2.熔渣的粘度：是指熔渣内部的各层之熔渣的粘度：是指熔渣内部的各层之 间包相对运动时的内摩擦力。间包相对运动时的内摩擦力。 (1)熔渣成分对粘度的影响 酸性渣 SiO2多, Si-O阴离子结构复杂，粘度大 O2-多, Si-O阴离子结构简单，粘度小 碱性渣 CaO多, 熔渣中易出现未熔化的固相颗粒，粘度大 无论是酸性还是碱性渣，加入CaF2，粘度都下降 63 (2)温度对粘度的影响 长渣:T, SiO2, Si-O 短渣:T, 低氢型焊条的熔渣 64 3.3.熔渣的表面张力熔渣的表面张力 实际上是气相与熔渣间的界面张力或相互接 触

29、的比表面能。 化学键能越大表面张力越大. 离子键: K2O Na2O CaO MgO BaO MnO FeO （表面张力大） 共价键: SiO2 TiO2 P2O5（表面张力小） 65 4.4.熔渣的熔点熔渣的熔点 药皮熔点:药皮熔化温度 药皮开始熔化的温度称为造渣温度 熔渣熔点:固态熔渣熔化温度 熔渣的熔点要与被焊的母材以及所用的焊丝 或焊芯的熔点相匹配，焊接熔渣的熔点一般 应比焊缝金属的熔点低200450，药皮 的造渣温度一般应比焊缝金属的熔点低100 250 焊接钢的熔点在1150-1350 66 （一）置换氧化：指被焊金属与其他金属或 非金属的氧化物发生置换反应而导致的氧化 (SiO2

30、) +2FeSi+2FeO lgKSi=lg(FeO)2Si/(SiO2)=-13460/T+6.04 T反应向右进行 (MnO)+Fe=Mn+ FeO lgKMn= lg( FeO)Mn/(MnO)=-6600/T+3.16 二、活性熔渣对焊缝金属的氧化二、活性熔渣对焊缝金属的氧化 置换氧化和扩散氧化 67 活性熔渣对金属的氧化能力与其活性系数AF有 关。对于熔炼焊剂而言，活性系数AF与焊剂组成 物的质量分数w和焊剂的碱度B1有关，即 AF0.6 高活性 AF=0.30.1低活性 AF=0.6-0.3 活性能 AF 0.1惰性 2 2222311 ()0.5 ()0.4 ()0.4 ()0.

31、42()/ F Aw SiOw TiOw ZrOw Al OB w MnOB 68 69 二、活性熔渣对焊缝金属的氧化二、活性熔渣对焊缝金属的氧化 （二）扩散氧化:是指熔渣中的氧化物通过 扩散进入被焊金属而使金属增氧。 L=w(FeO)/wFeO 酸性饱和SiO2 lgL= 4906/T -1.877 碱性的饱和CaO lgL=5014/T -1.980 温度越高，L越小，说明FeO在高温时易 向钢液中分配。因此，扩散氧化主要在熔 滴阶段和熔池的高温区。在相同温度下， 碱性渣比酸性渣易使FeO向钢液中分配。 70 在一定的温度 下，增加熔渣 中FeO的含量 ，FeO将向钢 液中扩散，从 而使焊

32、缝中含 氧量增加。 71 三、焊缝金属的脱氧三、焊缝金属的脱氧 先期脱氧，沉淀脱氧，扩散脱氧 （一）脱氧的目的和选择脱氧的原则 (1) 脱氧剂对氧的亲和力 Mn，Si，Ti，Al (2)脱氧产物的物理性质 脱氧产物不溶于液态金属；脱氧产物不溶于液态金属； 熔点低，在焊接时最好为液态。熔点低，在焊接时最好为液态。 这样的物理性质有利于脱氧产物在液态金属 中聚合成大的质点，快速上浮到熔渣中。 72 三、焊缝金属的脱氧三、焊缝金属的脱氧 （二）先期脱氧 药皮反应区， 碳酸盐分解为O2和CO2 温度低，先期脱氧的效果不充分 2 22 nm nMemOMe O 2nm nMemCOMe OmCO 73

33、（三）沉淀脱氧：是指溶解在液态金属中的脱氧 剂将被焊金属及其合金从其氧化物中还原出来， 并使脱氧产物浮到熔渣中的脱氧方式。主要在熔 滴和熔池中进行。常用的脱氧剂为Mn、Si 1. Mn的脱氧 Mn+FeO=Fe+(MnO) 放热反应，主要在熔池 尾部的低温区。SiO2,TiO2 与MnO生成复合物有利 于脱氧 74 酸性渣中含有 较多的SiO2和 TiO2，它们能 与脱氧产物 MnO生成复合 物MnO SiO2 和MnO TiO2 75 2. Si的脱氧 Si+2FeO (SiO2) +2Fe 提高熔渣的碱度有利于脱氧。然而，脱氧产物 SiO2熔点高，易成为夹渣，不能单独用来脱氧 3. Si/

34、Mn联合脱氧 Mn和 Si质量之比介于37，脱氧产物MnO与 SiO2生成硅酸盐MnOSiO,有利于脱氧反应。 MnOSiO的密度小，熔点低，易上浮 76 （四）扩散脱氧：是指被焊金属的氧化物通过 扩散从液态金属进入熔渣，从而降低焊缝含氧 量的一种方式。脱氧的程度由分配定律决定。 (1) 扩散脱氧的效果主要与温度和熔渣的性质有关 L=(FeO)/FeO T L ，FeO易向熔渣过渡 在相同温度下，酸性渣比碱性渣易使Fe向熔渣中 分配 (2) 扩散脱氧是不充分在熔池的尾部进行的，导致 扩散脱氧 77 （一）氮对焊接质量的影响（一）氮对焊接质量的影响 1)促进焊缝中气孔的形成，金属凝固时氮 气来不

35、及逸出； 2)改变焊缝的力学性能，氮能提高焊缝的 强度和硬度，但会使焊缝的塑性和韧性 降低； 3)时效脆化，针状氮化物Fe4N，造成塑性 和韧性下降。加入Ti，Al可形成稳定的化 合物，可抑制这种脆化现象。 1-4 1-4 焊缝金属的净化与合金焊缝金属的净化与合金 一一 氮对焊接质量的影响及控制氮对焊接质量的影响及控制 78 79 （二）焊缝含氮量的控制措施（二）焊缝含氮量的控制措施 1 1）、机械保护）、机械保护：气一渣保护、渣保护、气体 保护、抽真空。对于适渣型焊条：保护效 果取决于药皮的数量及成分 2 2）、焊接工艺规范影响）、焊接工艺规范影响 ： U , I, 直流反接 3 3）、焊丝

36、成分的影响）、焊丝成分的影响 ： 增加焊丝或药皮中的Ti的含量可生成稳定 的氮化物； 增加含碳量可降低氮在金属中的溶解度。 80 二、氢对焊接质量的影响及控制二、氢对焊接质量的影响及控制 暂态现象：脆化、白点、经时效、热处理可 消除 永久现象：气孔、改变组织、显微斑点、冷 裂纹、不可消除 1) 1)、氢脆、氢脆 溶解在金属晶格中氢扩散聚集到 显微空腔里形成分子氮，产生很高的压力 （一）氢对焊接质量的影响（一）氢对焊接质量的影响 81 2)2)、白点、白点 肉眼可见，直径0.53mm中心处有气孔或 小的夹渣，外围有塑性裂断的痕迹，象鱼眼 似的也称“鱼眼”. 产生原因：产生原因：白点是在塑性变形阶

37、段产生的。 “诱捕理论诱捕理论”解释：解释：焊缝中的气孔及非金属 夹杂物边缘的空隙,好象“陷阱”一样.捕捉 氢原子，并在其中结合成氢分子,在拉伸试验 中“陷阱”中的氢分子被吸附.由于塑性变形 新产生的微裂纹表面上,分解成原子氢,原子 氢扩散到微裂纹金属晶格内,引起金属脆化。 82 3)3)、气孔、气孔 结晶时,析出的分子氢来不及从液态金属 中逸出 4)4)、产生冷裂纹、产生冷裂纹 83 （二）控制氢的措施（二）控制氢的措施 1)、限制焊接材料的含氢量，药皮成分 2)、严格清理工件及焊丝：去锈、油污 、吸附水分 84 85 3)、冶金脱氢处理 在焊材加入氟化物 酸性焊条里加入萤石 碱性焊条里加入

38、萤石 2 22CaFHCaHF 22 2CaFH OCaOHF 2423 232CaFSiOCaSiOSiF 4 33HSFHSiiFF 422 24H OSiSHiOFF 2222 2Na O nSiOH ONaOHnSiO 22 2()2NaOHCaFCa OHNaF 223 22NaFH OCONaCOHF 86 87 3)、冶金脱氢处理 增加焊接材料的氧化性 在焊接材料中加入稀土元素 碲 (Te)、 钇(Y) 2 COHCOOH OHOH 22 2OHOH 88 89 4)、调整焊接规范 降低电流，可减少熔滴的比表面积； 直流反接。 5)、焊后脱氢处理 加热温度越高，保温时间越长，脱氢

39、 越明显 90 91 （一）氧对焊接质量的影响（一）氧对焊接质量的影响 1).机械性能下降 2).化学性能变差 3).产生气孔CO合金元素烧损 4).工艺性能变差 （二）防止措施（二）防止措施 一防，二脱 三、氧对焊接质量的影响及控制三、氧对焊接质量的影响及控制 92 93 四、焊缝金属中硫和磷的控制四、焊缝金属中硫和磷的控制 （一）焊缝中硫的危害及控制（一）焊缝中硫的危害及控制 1.硫的危害 (FeFeS) 988，(FeOFeS) 940 (NiS+Ni) 637 2.控制硫的措施 （1）限制焊接材料中含硫量 94 (CaO)FeS(CaS)(FeO) (MnO)FeS(MnS)(FeO) 锰脱硫 Mn+FeS=(MnS)+Fe LgK=8220/T-1.86 T K 有利于脱硫 (MgO)FeS(MgS)(