PartII焊接化學(xué)冶金-3熔渣與液態(tài)金屬的相互作用(整理打印版)課件

1材料成型基礎(chǔ)

PartII

焊接化學(xué)冶金2液態(tài)金屬與熔渣的相互作用1、焊接熔渣2、熔渣的物理性質(zhì)3、活性熔渣對金屬的氧化31、焊接熔渣焊接過程中，焊(或釬)劑、藥皮熔化后，經(jīng)過一系列化學(xué)變化而形成的覆蓋于焊(或釬)縫表面的非金屬物質(zhì)?！?.1焊接熔渣2、熔渣的作用

(1)機械保護作用

(2)冶金處理作用

(3)改善成形工藝性能作用

(4)不利作用

4§3.1焊接熔渣(1)機械保護作用焊中：防止合金元素?zé)龘p，防H、N、O、S的侵入，減少液態(tài)金屬的熱損失。焊后：防高溫焊縫金屬氧化。(2)冶金處理作用a.去除金屬中的有害雜質(zhì)，如脫氧、脫硫、脫磷和去氫;b.吸附或溶解液態(tài)金屬中非金屬夾雜物;c.向焊縫中過渡合金。(3)改善成形工藝性能a.使電弧易于引燃、穩(wěn)定燃燒、減少飛濺，改善脫渣性及焊縫成形好；b.電弧熔煉:穩(wěn)定電弧燃燒，電阻發(fā)熱體，重熔并精煉金屬。(4)不利作用a.強氧化性熔渣使焊縫增氧b.易殘留在金屬中形成夾渣。53、熔渣的成分與分類熔渣由多種化合物構(gòu)成，其性能主要取決于熔渣的成分與結(jié)構(gòu)：

(1)鹽型熔渣

(2)鹽-氧化物型熔渣

(3)氧化物型熔渣§3.1焊接熔渣渣系：焊接熔渣是一個多成分的復(fù)雜體系，通常將含量少，影響小的次要成分略去，簡化為含量多、影響大的成分組成的渣系6類型成分氧化性應(yīng)用鹽型熔渣金屬氟酸鹽、氯酸鹽和不含氧的化合物,

如CaF2-NaF、CaF2-RaCl2-NaF、KCl-NaCl-Na3AlF6、BaF2-MgF2-CaF2-LiF很小鋁、鈦等化學(xué)活性金屬鹽-氧化物型熔渣氟化物和金屬氧化物,

如CaF2-CaO-Al2O3、CaF2-CaO-SiO2、CaF2–MgO-Al2O3-SiO2較小重要的低合金高強鋼、合金鋼及合金氧化物型熔渣弱堿金屬氧化物,如MnO-SiO2、FeO-MnO-SiO2、CaO-TiO2-SiO2較強低碳鋼、低合金高強鋼熔渣的成分及分類§3.1焊接熔渣74、熔渣的來源與構(gòu)成

(1)SMAW的熔渣與藥皮

SMAW熔渣來源于焊條藥皮中的造渣劑。

造渣劑是藥皮中最基本的組成物，通常包括鈦鐵礦(TiO2·FeO)、金紅石(TiO2)、大理石(CaCO3)、硅砂(SiO2)、長石、白泥和云母(SiO2·A12O3)等。

焊接過程中造渣劑熔化，形成獨立熔渣相，覆蓋在熔滴與熔池表面?！?.1焊接熔渣8由氧化物和氟化物組成的，與SMAW的熔渣成分類似。易于實現(xiàn)焊縫金屬的合金化(2)SAW、ESW熔渣與焊劑§3.1焊接熔渣焊劑熔煉焊劑非熔煉焊劑燒結(jié)焊劑粘結(jié)焊劑因在制造過程中耗能太大而逐漸被淘汰推廣應(yīng)用前景良好用于堆焊和焊接高強鋼、不銹鋼。堿度可調(diào)范圍廣,易于添加各種合金元素,有利于改善焊接工藝性能和提高焊縫力學(xué)性能。9

熔渣的物化性質(zhì)及其與金屬的相互作用與熔渣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。液態(tài)熔渣的結(jié)構(gòu)理論:(1)分子理論主要依據(jù)室溫下對凝固熔渣的相分析和成分分析的結(jié)果

(2)離子理論基于對熔渣電化學(xué)性能的研究§3.1焊接熔渣5、熔渣結(jié)構(gòu)理論10(1)分子理論§3.1焊接熔渣1)液態(tài)熔渣是由自由狀態(tài)化合物和復(fù)合狀態(tài)化合物的分子所組成。自由化合物:氧化物、氟化物、硫化物復(fù)合化合物:酸性和堿性氧化物生成的鹽2)氧化物與復(fù)合物在一定溫度下處于平衡狀態(tài)

CaO+SiO2CaO·SiO2升溫:反應(yīng)向左;降溫:反應(yīng)向右3)只有渣中自由氧化物才能與液態(tài)金屬及其中的元素發(fā)生作用(FeO)+[C]=[Fe]+CO硅酸鐵(FeO)2·SiO2中的FeO不能反應(yīng)

分子理論建立早、應(yīng)用廣，可簡明地定性分析熔渣和金屬之間的一些冶金反應(yīng)。但無法解釋熔渣導(dǎo)電性等。11(2)離子理論§3.1焊接熔渣1)液態(tài)熔渣是由正離子和負離子組成的電中性溶液包括簡單正離子、簡單負離子以及復(fù)雜負離子

2)離子在熔渣中的分布、聚集和相互作用取決于其綜合矩:離子電荷/離子半徑①離子的綜合矩越大，說明它的靜電場越強，與異號離子的引力越大。②離子間的作用力還影響離子在熔渣中的分布熔渣不是完全均勻的離子溶液，而是微觀不均勻的溶液。3)液體熔渣與金屬之間相互作用的過程，是原子與離子交換電荷的過程如硅還原和鐵氧化的過程是金屬中鐵原子和渣中硅離子在兩相界面上交換電荷的過程:離子理論:Si4++2[Fe]=2Fe2++[Si]分子理論:(SiO2)+2[Fe]=2(FeO)+[Si]

熔渣的離子理論對許多現(xiàn)象的解釋比分子理論更合理,但由于目前它還沒有一個完整的模型,又缺乏系統(tǒng)的熱力學(xué)資料,故在化學(xué)冶金中還廣泛應(yīng)用分子理論。12§3.2焊接熔渣的理化性質(zhì)熔點密度堿度(Basicity)粘度

(Viseosity)表面張力與界面張力影響熔滴過渡，脫渣性，保護效果，焊縫成形等13§3.2焊接熔渣的理化性質(zhì)1、熔點(1)熔渣是一個多元體系，其液固轉(zhuǎn)變是在一個溫度區(qū)間進行的，熔點高低取決于熔渣的組分。(2)熔渣的各組元獨立相熔點較高，而以一定比例構(gòu)成復(fù)合渣時可使凝固溫度大大降低。(3)熔渣的熔點(或焊條熔點)與焊絲和母材的熔點相匹配:若熔渣的熔點過高熔渣過早凝固,其與液態(tài)金屬反應(yīng)不充分影響焊縫外觀成形、甚至產(chǎn)生氣孔和夾雜;

凝固溫度過低焊縫開始凝固時,熔渣仍處于稀流狀態(tài),使其覆蓋性變差影響對焊縫保護及外觀成形(焊縫表面粗糙不平)。(4)SMAW:一般藥皮熔點要略低于焊芯金屬熔點(約低100~200℃),適于焊接鋼的熔渣熔點一般在1150~1350℃。由于藥皮是機械混合物，熔化后才能形成熔渣，所以熔渣的凝固溫度必然要比藥皮的熔點更低一些。14§3.2焊接熔渣的理化性質(zhì)2、密度(1)影響熔渣與液態(tài)金屬間的相對位置與相對運動速度。(2)密度與金屬接近的熔渣易滯留于金屬內(nèi)部形成夾雜。(3)選用焊材時，首先要保證所形成的熔渣具有合適的凝固溫度范圍和較低的密度。15§3.2焊接熔渣的理化性質(zhì)3、堿度

堿度是熔渣的重要化學(xué)性質(zhì)之一，影響熔渣的其他物化性質(zhì)，如活性、粘度、表面張力，也影響熔渣對液態(tài)金屬脫硫、脫磷效果。不同的熔渣結(jié)構(gòu)理論，堿度的定義和計算方法都不同:(1)分子理論下的熔渣堿度

(2)離子理論下的熔渣堿度16§3.2焊接熔渣的理化性質(zhì)(1)分子理論下的熔渣堿度熔渣堿度:熔渣中的堿性氧化物與酸性氧化物濃度的比值。計算公式:堿度計算:堿性渣:B>1酸性渣:B<1中性渣:B=1計算結(jié)果不準(zhǔn)確:既沒有考慮到各氧化物酸、堿性強弱的差別,也沒有考慮酸性和堿性氧化物形成中性復(fù)合物的情況。17§3.2焊接熔渣的理化性質(zhì)(1)分子理論下的熔渣堿度氧化物的酸性(或堿性)由強至弱:

酸性氧化物:SiO2、TiO2、P2O5等堿性氧化物:K2O、Na2O、CaO、MgO、BaO、MnO、FeO等修正的堿度計算公式:

式中:各化合物的濃度以質(zhì)量百分數(shù)計。堿性渣:B1>1,酸性渣:B1<1,中性渣:B1=118§3.2焊接熔渣的理化性質(zhì)(2)離子理論下的熔渣堿度熔渣堿度:液態(tài)熔渣中自由氧離子(或氧離子的活度)的濃度越大,其堿度越大。(自由氧離子——游離態(tài)的氧離子)計算公式:堿度計算:堿性渣:B2>0;酸性渣:B2<0;中性渣:B2=0式中:

Mi為渣中第i種氧化物的摩爾分數(shù);

ai為渣中第i種氧化物的堿度系數(shù)。19§3.2焊接熔渣的理化性質(zhì)(2)離子理論下的熔渣堿度氧化物K2ONa2OCaOMnOMgOFeOSiO2TiO2ZrO2Al2O3Fe2O3ai值9.08.56.054.84.03.4-6.31-4.97-0.2-0.20渣中氧化物的ai值堿性氧化物:ai>0原因:堿性氧化物在液態(tài)渣中產(chǎn)生O2-等,如：CaO=Ca2++O2-酸性氧化物:ai<0

原因:酸性氧化物消耗渣中的O2-,如：SiO2-+2O2-=SiO44-20焊條或焊劑類型熔渣化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）（%）堿度類型酸堿性SiO2TiO2Al2O3

FeOMnOCaOMgONa2OK2OCaF2B1B2氧化物型酸性鈦型23.437.710.06.911.73.70.52.22.9—0.43-2.0氧化物型酸性鈦鈣型25.130.23.59.513.78.85.21.72.3—0.76-0.9氧化物型酸性鈦鐵礦型29.214.01.115.626.58.71.31.41.1—0.88-0.1氧化物型酸性氧化鐵型40.41.34.522.719.31.34.61.81.5—0.60-0.7氧化物型酸性纖維素型34.717.55.511.914.42.15.83.84.3—0.60-1.3氧化物型酸性低氫型24.17.01.54.03.535.8—0.80.820.31.860.9鹽-氧化物型堿性HJ43038.5—1.34.7431.70.45——6.00.62-0.33氧化物型酸性HJ25118.2~22.0—18.0~23.0≤1.07.0~10.03.0~6.014.0~17.0——23.0~30.01.15~1.440.048~0.49鹽-氧化物型堿性焊接熔渣的化學(xué)成分舉例

§3.2焊接熔渣的理化性質(zhì)(3)兩種理論的熔渣堿度比較21§3.2焊接熔渣的理化性質(zhì)(4)有關(guān)熔渣堿度的一般規(guī)律根據(jù)熔渣堿度，焊條和焊劑分為酸性和堿性兩大類。低氫型焊條又稱堿性焊條，其藥皮主要特點是不含有機物，含大量碳酸鹽和一定的CaF2。其它非低氫型焊條又稱為酸性焊條，主要以硅酸鹽或鈦酸鹽為主，一般不含CaF2。堿度越大，焊縫氧、硫含量越低。堿性渣易吸潮，電弧穩(wěn)定性和脫渣性較差，22§3.2焊接熔渣的理化性質(zhì)4、粘度

主要影響保護效果、焊縫成形、熔池中氣體的外逸等:金屬與渣之間的冶金反應(yīng),在動力學(xué)上取決于它們之間的相對傳輸速度熔渣的粘度越小,流動性越好,則擴散越容易,對冶金反應(yīng)的進行就越有利,越易于氣體的逸出。在焊接工藝上,焊接熔渣的粘度過小熔渣易流失影響對熔池(或焊縫)在全位置焊接時的成形和保護效果。23§3.2焊接熔渣的理化性質(zhì)4、粘度SMAW,根據(jù)粘度隨溫度變化的速率,熔渣分為:熔渣粘度隨溫度變化

長渣:隨溫度升高粘度下降緩慢的渣。短渣:隨溫度增高粘度急劇下降的渣。短渣因凝固時間短適合于全位置焊，長渣適合于平位置焊。24§3.2焊接熔渣的理化性質(zhì)4、粘度渣的粘度與它的成分和結(jié)構(gòu)有關(guān):(1)酸性渣:Si-O陰離子聚合程度大、離子尺寸大、粘度大。在溫度升高時復(fù)雜的Si-O離子逐漸破壞，形成較小的Si-O陰離子，粘度緩慢下降，因此含SiO2多的酸性渣為長渣。(2)堿性渣中離子尺寸小、粘度低，且隨溫度升高離子濃度增大，粘度迅速下降，因此堿性渣以及鈦型和鈦鈣型為短渣。(3)在酸性渣中減少SiO2,增加TiO2,使復(fù)雜的Si-O陰離子減少,可降低粘度,使渣成為短渣。(4)在酸性渣中加入能產(chǎn)生O2-的堿性氧化物(CaO、MgO、MnO、FeO等)能破壞Si-O離子鍵,使Si-O離子的聚合程度降低、粘度降低，使渣向短渣轉(zhuǎn)化。(5)堿性渣中高熔點CaO多時，可出現(xiàn)未熔化的固體顆粒而使粘度升高。(6)在焊接熔渣和煉鋼熔渣中常用CaF2作為稀釋劑:渣中加入CaF2可起到很好的稀釋作用。堿性渣中，CaF2能促使CaO熔化，降低粘度；酸性渣中，CaF2的F-能更有效地破壞Si-O鍵，減小聚合離子尺寸，降低粘度。25§3.2焊接熔渣的理化性質(zhì)5、表面張力和界面張力

熔渣的表面張力及熔渣與液態(tài)金屬間的界面張力對于冶金過程動力學(xué)及液態(tài)金屬中熔渣等雜質(zhì)相的排出有重要影響。它還影響到熔渣對液態(tài)金屬的覆蓋性能，并由此影響隔離保護效果及焊縫外觀成形。26§3.2焊接熔渣的理化性質(zhì)5、表面張力和界面張力(1)熔渣的表面張力σs-g與溫度和熔渣組元質(zhì)點間化學(xué)鍵的鍵能有關(guān):1)溫度越高，表面張力越低。

2)具有離子鍵的物質(zhì)其鍵能較大,表面張力也較大,如MgO、CaO、Al2O3、MnO、FeO等；

3)具有極性鍵的物質(zhì)其鍵能較小，表面張力也較小,如SiO2、TiO2等；

4)具有共價鍵的物質(zhì)其鍵能最小，表面張力也最小,如B2O3、P2O5等。因此，堿度高的渣表面張力大。在堿性渣中加入酸性氧化物TiO2、SiO2、B2O3等能降低堿性渣的表面張力。另外，CaF2對降低熔渣表面張力也有顯著作用。27§3.2焊接熔渣的理化性質(zhì)5、表面張力和界面張力(2)熔渣與液態(tài)金屬間的界面張力影響焊接質(zhì)量:界面張力小時,熔渣對金屬的覆蓋保護效果較好;反之,則有利于熔渣從液態(tài)金屬中分離。

1)酸性渣與液態(tài)金屬間的界面張力較小,對液態(tài)金屬的潤濕性較好，在鋼液表面易鋪展，對鋼液的保護效果較好。

2)SMAW:覆蓋在熔滴表面的熔渣與熔滴間的界面張力過大時,易造成熔滴粗化,飛濺增多。28§3.2焊接熔渣的理化性質(zhì)6、脫渣性熔渣的脫渣性:焊后覆蓋在焊縫表面的固態(tài)熔渣渣殼從焊縫表面脫落的難易程度。影響脫渣性的主要因素:(1)熔渣與焊縫金屬之間的化學(xué)結(jié)合力。焊鋼時熔渣中的FeO,既能溶解在金屬中,又能溶解在熔渣中,因此它能使金屬和熔渣結(jié)合在一起,從而使渣殼不易脫落。

(2)焊渣和金屬的線脹系數(shù)相差越大，熔渣本身的彈性越小,脫渣性就越好。7、導(dǎo)電性

固態(tài)藥皮和焊劑不導(dǎo)電，液態(tài)下導(dǎo)電，導(dǎo)電性好壞取決于熔渣中離子的活性29§3.2焊接熔渣的理化性質(zhì)

熔渣的凝固溫度、粘度和表面張力對焊接、熔煉過程中的化學(xué)冶金反應(yīng)質(zhì)量及熔焊工藝性能影響很大，尤其是在全位置焊接時，具有適當(dāng)表面張力與凝固溫度的短渣，對于阻止液態(tài)熔池與熔渣在重力作用下的下流、保證焊縫的外觀成形是至關(guān)重要的。30§3.3活性熔渣對金屬的氧化熔渣的氧化或還原能力是指熔渣向液態(tài)金屬中傳入氧或從液態(tài)金屬中導(dǎo)出氧的能力。氧化性較強的熔渣又稱為活性熔渣。1、熔渣的氧化性熔渣的氧化性:取決于熔渣中的氧化物，常用渣中含有最不穩(wěn)定的氧化物FeO的高低及該氧化物在熔渣中的活度來衡量。由于熔渣并非理想溶液，渣中氧化鐵的含量并不是參加氧化反應(yīng)時的有效濃度，氧化反應(yīng)能否順利進行與FeO在熔渣中的活度αFeO有關(guān):

CaO,K2O,Na2O,TiO2,Al2O3,MgO,SiO2,MnO穩(wěn)定性降低31§3.3活性熔渣對金屬的氧化FeO相當(dāng)不穩(wěn)定，通常用FeO的活度αFeO來代表熔渣氧化能力的強弱。計算FeO的活度時，將熔渣中其他鐵的高價氧化物Fe2O3，折算成FeO的含量:Fe2O3+Fe=3FeO——全氧折合法或Fe2O3=2FeO+1/2O2——全鐵折合法1、熔渣的氧化性32§3.3活性熔渣對金屬的氧化根據(jù)熔渣成分查表得出熔渣中FeO的活度αFeO,估算出該溫度下熔渣與液態(tài)金屬構(gòu)成的系統(tǒng)達到平衡時液態(tài)金屬中的含氧量:1、熔渣的氧化性[％O]max為在純氧化鐵構(gòu)成的熔渣下與之平衡時液態(tài)金屬中[%O]的極限含量。[％O]max是與溫度有關(guān)的常數(shù):隨著溫度的升高，熔渣的氧化性增大。

332、熔渣對金屬的氧化方式：

(1)擴散氧化

(2)置換氧化§3.3活性熔渣對金屬的氧化符合分配定律

若熔渣中含有比較多的易分解的氧化物,可與液態(tài)鐵發(fā)生置換反應(yīng),使金屬氧化,同時發(fā)生原氧化物中金屬元素的還原34§3.3活性熔渣對金屬的氧化

熔渣中的FeO既溶于渣又溶于液態(tài)鋼，在一定溫度下，它在兩相中的平衡濃度符合分配定律:(1)、擴散氧化1)在SiO2飽和的酸性渣:2)在CaO飽和的堿性渣:

T↑,L↓,[FeO]↑:在高溫時，F(xiàn)eO更容易向金屬中分配

焊接時渣中的FeO主要是在熔滴階段和熔池前部高溫區(qū)向液態(tài)金屬中過渡的。在熔池尾部,隨著溫度的下降,液態(tài)金屬中過飽和的氧化鐵會向熔渣中擴散,這一過程稱之為擴散脫氧。35§3.3活性熔渣對金屬的氧化在同樣溫度下,FeO在堿性渣中比在酸性渣中更容易向金屬中分配。即:在熔渣中含F(xiàn)eO相同的討論:酸性渣和堿性渣含氧量的比較渣的性質(zhì)與焊縫含氧量的關(guān)系情況下,堿性渣時金屬中的含氧量比酸性渣時大。熔渣的分子理論來解釋:36堿性渣:SiO2、TiO2等酸性氧化物較少,FeO大部分以自由狀態(tài)存在,即FeO在渣中的活度系數(shù)大,因而容易向金屬中擴散,使液態(tài)金屬中增氧。因此,在堿性焊條藥皮中一般不加入含F(xiàn)eO的物質(zhì),并要求焊接時嚴格清除焊件表面上的氧化皮和鐵銹,否則,將使焊縫增氧并可能產(chǎn)生氣孔等缺陷,這是堿性焊條對鐵銹和氧化皮敏感性大的原因?！?.3活性熔渣對金屬的氧化討論:酸性渣和堿性渣含氧量的比較酸性渣:SiO2、TiO2等酸性氧化物較多,它們能與FeO形成復(fù)合物(如FeO·SiO2),使自由FeO減少，所以在熔渣中FeO含量相同的情況下，擴散到金屬中的氧較少。堿性焊條的焊縫含氧量比酸性焊條的高?×多數(shù)情況下堿性焊條的焊縫含氧量比酸性焊條低:

因為盡管堿性渣中FeO的活度系數(shù)大,但堿性渣中FeO的含量并不高,因此堿性渣對液態(tài)金屬的氧化性比酸性渣要小。37

擴散氧化反應(yīng)進行的程度取決于界面附近FeO的擴散速度、接觸界面面積大小與擴散反應(yīng)時間。熔焊時由于熔渣在高溫液態(tài)下的存在時間短暫，因此擴散氧化程度一般遠不能達到平衡狀態(tài)。§3.3活性熔渣對金屬的氧化(1)、擴散氧化38已知在堿性渣和酸性渣中各含有15%的FeO，熔池的平均溫度為1700℃，問在該溫度下平衡時分配到熔池中的FeO量各為多