材料成型理论基础(焊接)-6

赵兴科焊接理论基础焊剂保护的电弧焊中，在电弧热源的作用下，金属熔化的同时，焊剂也发生熔炼过程，形成具有一定物理和化学特性的多组元高温熔盐，覆盖在熔滴和熔池的表面，这种熔盐称为焊接熔渣。§2.2焊接区内的气体和焊接熔渣二、焊接熔渣1熔渣的作用、成分和分类（1）熔渣在焊接过程中的作用机械保护冶金处理改善焊接工艺性能覆盖在熔滴和熔池表面，隔绝空气稳定电弧、减少飞溅、良好焊缝成形脱去有害杂质、焊缝合金化（2）熔渣的成分和分类氧化物型熔渣盐-氧化物型熔渣盐型熔渣根据焊接熔渣的成分可以分成三大类：氧化物型熔渣主要由各种金属氧化物组成。熔渣的氧化性较强，主要用于焊接低碳钢和低合金钢。常用渣系：MnO-SiO2、FeO-MnO-SiO2、CaO-TiO2-SiO2等。盐-氧化物型熔渣主要由金属氟化物和强金属氧化物组成。熔渣的氧化性较小，主要用于焊接合金钢。常用渣系：CaF2-CaO-Al2O3、CaF2-CaO-SiO2、CaF-CaO-Al2O3-SiO2等。盐型熔渣主要由金属的卤化物和不含氧的化合物组成。熔渣的氧化性很小，主要用于焊接铝、钛和其他活性金属及其合金。常用渣系：CaF2-NaF、CaF2-BaCl2-NaF、KCl-NaCl-Na3AlF6、BaF2-MgF2-CaF2-LiF等。焊接熔渣是多种化合物的复杂体系。为了便于研究，通常忽略含量少、影响小的组分，简化成由含量多、影响大的组分组成的二元或三元渣系。常见焊条药皮和焊剂的熔渣组成2熔渣的结构理论熔渣的物理、化学性质及其与金属的作用与液态熔渣的内部结构有密切关系。为了探讨熔渣的冶金行为，提出了两种不同的理论模型：分子理论离子理论（1）熔渣的分子理论熔渣的分子理论以对凝固熔渣的相分析和化学分析的结果为依据，其要点为：液态熔渣是由不带电的分子组成的，其中有自由氧化物、复合氧化物和卤化物等；自由氧化物分为酸性和碱性两类，两类氧化物可以相互结合成复合物；只有自由氧化物才能参与液体金属的反应；液态熔渣是一种理想熔体，冶金反应服从理想溶液定律。自由氧化物：CaO、FeO、SiO2、MnO等复合氧化物：CaO

•SiO2、FeO•SiO2、MnO•SiO2等自由氧化物及其复合物处于平衡状态，如CaO+SiO2CaO•SiO2升温时反应向左进行，渣中自由氧化物的浓度增加；降温时反应向右进行，渣中复合物增加。酸性氧化物按酸性由强变弱：SiO2,TiO2,P2O5等碱性氧化物按碱性由强变弱：K2O,Na2O,CaO,MgO,BaO,MnO,FeO等中性氧化物：Al2O3,Fe2O3,Cr2O3等自由氧化物才能参与与液体金属的反应（FeO）+[C][Fe]+CO()表示渣中成分；[]表示液体金属中的成分熔渣的分子理论简单明了，可以定性解释熔渣与金属间的冶金反应。但是有些现象不能解释，如熔渣的导电性。（2）熔渣的离子理论离子理论是在研究熔渣电化学性质的基础上提出来的。离子理论的主要观点：液态熔渣是由阳离子和阴离子组成的电中性溶液，熔渣中离子的种类和存在形式取决于熔渣的成分和温度；离子的分布、聚集和相互作用取决于它的综合矩，即离子电荷与离子半径的比值；阴、阳离子通过离子键相互结合，液体溶渣与金属之间的相互作用过程是原子与离子交换电荷的过程。熔渣中的阴离子：F-、O2-、S2-等熔渣中的阳离子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+等熔渣中的复杂阴离子：SiO44-、AlO33-等溶渣与液体金属的作用：（Si4+）+2[Fe]2（Fe2+）+[Si]反应的结果，硅进入金属，铁变成离子进入熔渣3熔渣的性质与其结构的关系熔渣的碱度熔渣的粘度熔渣的表面张力熔渣的熔点熔渣的导电性熔渣的性质包括：碱度是熔渣的重要化学性质，熔渣的其他物化性质，如熔渣的活性、粘度和表面张力等都与碱度有关。根据分子理论，熔渣碱度B的定义为：式中R2O、RO——熔渣中的碱性氧化物的摩尔分数；

RO2——熔渣中的酸性氧化物的摩尔分数。碱度B的倒数称为酸度。（1）熔渣的碱度考虑到氧化物的酸碱程度以及相互形成中性复合氧化物的情况，给出比较精确的碱度计算公式：当B1﹥1时为碱性渣；B1﹤1时为酸性渣；（2）熔渣的粘度熔渣的粘度对渣的保护效果、飞溅、焊接操作性、焊缝成形、熔池中气体的外逸、合金元素在渣中的残留损失、化学反应的活性等有显著影响。熔渣的粘度取决于熔渣的成分和温度，实质上为渣的结构。结构越复杂（Si-O）、熔渣的质点移动也困难，粘度也就越大。粘度随温度升高而降低1—碱性渣2—酸性渣A—取决于熔渣本性的常数；E—质点移动所需的活化能；R—气体常数；T—温度短渣长渣粘度与熔渣成分的关系在酸性渣中加入SiO2，使Si-O阴离子聚合程度增大，熔渣的粘度迅速升高；酸性渣减少SiO2，增加TiO2，可降低熔渣高温时的粘度。在碱性渣中加入高熔点的碱性氧化物（CaO），则有可能出现未熔化的固体颗粒，熔渣的流动阻力增大，粘度升高。CaF2即可以降低酸性渣的粘度，也可以降低碱性渣的粘度。（3）熔渣的表面张力熔渣的表面张力与内部质点间的作用力（或化学键）有关，键能越大表面张力越大。具有离子键的物质，如CaO,MnO,MgO,FeO等键能比较大，表面张力较大；共价键物质，如TiO2,SiO2,B2O3,P2O5等，键能小，表面张力较小。CaF2能够降低熔渣的表面张力。温度升高，熔渣的表面张力下降。（4）熔渣的熔点熔渣的熔点要求与焊丝和母材的熔点相匹配，适于钢焊接的熔渣熔点一般在1150~1350℃。熔渣的熔点取决于组成物的种类、数量和颗粒度。可以参考渣系的相图，确定熔渣的熔点温度范围。（5）熔渣的导电性熔渣的导电性取决于熔渣的结构，结构越复杂，其中的离子尺寸越大，导电率越小。§2-1焊接冶金过程的特点§2-2焊接区的气体与熔渣第二章焊接冶金过程一、焊接区内气体二、焊接熔渣§2-3气体与金属的作用§2-4熔渣与金属的作用§2.3气体与金属的作用一、氮对金属的作用焊接区周围的空气是氮的主要来源。尽管焊接时采取各种保护措施，但是总有或多或少的氮侵入焊接区，与高温金属发生作用，对焊接质量产生影响。不与氮发生作用的金属，如铜、镍等，既不溶解氮，又不形成氮化物，可以用氮作为保护气体；与氮发生作用的金属，如铁、锰、钛等，既溶解氮又与氮形成稳定的氮化物，焊接这类金属及其合金，防止焊缝金属的氮化是一个重要问题。根据与氮的作用特点，金属分为两类：1氮在金属中的溶解氮的纯化学溶解过程：气体分子向气体-金属界面上运动；气体被金属表面吸附；气体分子在金属表面上分解为原子；气体原子穿过金属表面层，并向金属深处扩散。N2=2[N]氮在金属中的溶解度：KN2——氮溶解反应的平衡常数，取决于金属的种类和温度；PN2——气相中分子氮的分压。对于液态铁，KN2与温度的关系为：则，液态铁中氮的溶解度表示为：氮在液体铁中的溶解度随温度先升后降；在铁的相变温度，氮的溶解度发生突变。第二元素的加入会改变氮在液体铁中的溶解度：减少溶解度的元素：C，Si，Ni等增加溶解度的元素：V，Nb，Cr等电弧焊时气体的溶解过程比纯化学溶解过程复杂，增大溶解度。电弧中受激的氮分子、氮原子比没有受激的氮分子活性大；电弧中的氮离子会加速移动和溶解在相反电荷的电极金属中，N+、NO-。1—等离子熔炼；2~4—电弧焊；5—无电弧的1600℃平衡状态2氮对焊接质量的影响（1）焊缝氮气孔氮在金属中的溶解度存在突变。保护不良时，高温液体金属可以吸收大量的氮，在金属凝固过程中，过饱和的氮将以气泡的形式从熔池中外逸，逸出不及时就会在焊缝中形成氮气孔。（2）焊缝氮脆化固体焊缝金属中残留的过饱和氮，一部分则以针状氮化物（Fe4N）的形式析出，分布在晶内或晶界，使焊缝金属的强度升高，塑性和韧性，特别是低温韧性急剧下降。（3）焊缝时效脆化固体焊缝金属中残留的过饱和氮，另一部分随着时间延长逐渐析出，形成针状氮化物（Fe4N），分布在晶内或晶界，使焊缝金属的脆性增大。当焊缝金属中存在能形成稳定氮化物的元素，如钛、铝、钒、锆等，可以抑制或消除时效现象。3影响焊缝含氮量的因素及控制措施（1）加强焊接保护焊接区内的氮气主要来源于周围空气的侵入，不同的焊接方法，由于保护效果不同，焊缝的含氮量不同。对于手工电弧焊，适当增大焊条药皮的重量系数（增大造气剂和造渣剂）可以减少焊缝含氮量。（2）短弧焊电弧长度（电弧电压）过大，焊接区的保护效果难以保证，同时熔滴与气相的的接触时间延长，焊缝的含氮量增大。增加焊接电流，熔滴过渡频率增大，氮