焊接熔渣及其對(duì)金屬的作用

2.1.3熔渣及其對(duì)金屬的作用焊接熔渣熔渣的作用、成分及分類焊接熔渣在焊接過(guò)程中的作用①機(jī)械保護(hù)作用保護(hù)熔滴和熔池。②改善工藝性能引弧、穩(wěn)??；減少飛濺；保證操作性能、脫渣性和焊縫成形。③冶金處理脫氧、脫硫、脫磷和去氫；合金化。熔渣的成分和分類①鹽型熔渣金屬氟酸鹽、氯酸鹽和不含氧的化合物組成。渣系：CaF2-NaF、CaF2-BaCl2-NaF、KCl-NaCl-Na2AlF6、BaF2-MgF2-CaF2-LiF。氧化性很小，用于焊接鋁、鈦和其它化學(xué)活性金屬及其合金。②鹽-氧化物型氟化物和強(qiáng)金屬氧化物組成。渣系：CaF2-CaO-Al2O3、CaF2-CaO-SiO2、CaF2-CaO-Al2O3-SiO2。氧化性較小，用于焊接合金鋼。③氧化物型金屬氧化物組成。渣系：MnO-SiO2、FeO-MnO-SiO2、CaO-TiO2-SiO2。氧化性較弱，主要用于焊接低碳鋼和低合金鋼。

熔渣的結(jié)構(gòu)理論

熔渣的物理性質(zhì)及其與金屬的作用與熔渣結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。分子理論（以對(duì)凝固熔渣相分析和化學(xué)成分分析結(jié)果為依據(jù)）①液態(tài)熔渣是由化合物的分子組成的氧化物分子（CaO、SiO2等）、復(fù)合物分子（CaO·SiO2、MnO·SiO2）、氟化物、硫化物等②氧化物及其復(fù)合物處于平衡狀態(tài)各種復(fù)合物的穩(wěn)定性可用它們的生成熱效應(yīng)來(lái)衡量，生成熱效應(yīng)越大，越穩(wěn)定。③只有自由氧化物才能參與和金屬的反應(yīng)

分子理論簡(jiǎn)明、定性地解釋熔渣與金屬的冶金反應(yīng)；但其假設(shè)與實(shí)際結(jié)構(gòu)不符，許多現(xiàn)象無(wú)法解釋。離子理論（以熔渣電化學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)）①液態(tài)熔渣是由陰陽(yáng)離子組成的電中性溶液離子種類和存在形式取決于熔渣成分和溫度，負(fù)電性大元素以陰離子的形式存在F-、O2-、S2-；負(fù)電性小的元素形成陽(yáng)離子K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+；負(fù)電性比較大的元素，陰離子往往不能獨(dú)立存在，而與氧離子形成復(fù)雜的陰離子②離子的分布和相互作用取決于它的綜合矩

Z—離子的電荷（靜電單位）

r—離子的半徑（10-1nm）離子綜合矩越大，說(shuō)明它的靜電場(chǎng)越強(qiáng)，與異號(hào)離子的引力越大。綜合矩的大小還影響離子在渣中的分布

鹽型熔渣主要含簡(jiǎn)單陰陽(yáng)離子，綜合矩差異不大，可認(rèn)為是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的均勻離子溶液；鹽—氧化物型熔渣屬結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的化學(xué)成分微觀不均勻的離子溶液；氧化物型熔渣具有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的化學(xué)成分更不均勻的離子溶液。③熔渣與金屬的作用過(guò)程是原子與離子交換電荷的過(guò)程

熔渣的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)的關(guān)系溶質(zhì)的堿度——重要化學(xué)性質(zhì)分子理論將氧化物分為三類：酸性氧化物SiO2、TiO2、P2O5堿性氧化物K2O、Na2O、CaO、MgO、BaO、MnO、FeO中性氧化物Al2O3、Fe2O3、Cr2O3

在不同性質(zhì)的渣中呈酸性，也可能呈堿性。

分子理論堿度的定義：R2O、RO——熔渣中堿性氧化物的摩爾數(shù)

RO2——熔渣中酸性氧化物的摩爾數(shù)

理論上B>1為堿性，B<1為酸性，B=1為中性；實(shí)際上B>1.3熔渣才為堿性。比較精確的計(jì)算堿度公式式中CaO、MgO、CaF2、SiO2以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)極。當(dāng)B1>1為堿性渣；B1<1為酸性渣；B1=1為中性渣

離子理論堿度定義：液態(tài)熔渣中自由氧離子的濃度（或氧離子的活度）。自由氧離子即游離狀態(tài)的氧離子。渣中自由氧離子的濃度越大，堿度越高。堿度的計(jì)算：B2>0為堿性渣；B2<0為酸性渣；B2=0為中性渣熔渣的粘度——渣重要的物理性質(zhì)，對(duì)保護(hù)效果、焊接工藝性能和化學(xué)冶金都有顯著影響

粘度：?jiǎn)挝凰俣忍荻认拢饔迷趩挝幻娣e上的內(nèi)摩擦力?！黧w發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其內(nèi)摩擦力的量度，用η表示，其倒數(shù)1/η稱為流動(dòng)性。粘度取決于熔渣的成分和溫度，實(shí)際上取決于熔渣的結(jié)構(gòu)。①溫度對(duì)粘度的影響

溫度升高，熔渣粘度下降，但堿性渣和酸性渣下降的趨勢(shì)不同。②熔渣成分對(duì)粘度的影響酸性渣加入SiO2，使Si-O陰離子的聚合程度增大，其尺寸增大，粘度↑；減少SiO2，加入TiO2,可減少?gòu)?fù)雜Si-O離子，降低粘度；含TiO2較多的酸性渣已不是玻璃狀，而接近晶體狀，變?yōu)槎淘?；加入堿性氧化物，減低渣的粘度。堿性渣高熔點(diǎn)的氧化物會(huì)使粘度增加。加入少量SiO2可降低年度；加入CaF2能促使CaO熔化，降低粘度。熔渣的表面張力——對(duì)熔滴過(guò)渡、焊縫成形、脫渣性及冶金反應(yīng)有重要影響。①表面張力與其中質(zhì)點(diǎn)之間的作用力大小有關(guān)，即與化學(xué)鍵能有關(guān)。鍵能↑，張力↑因此，金屬鍵、離子鍵、共價(jià)鍵張力逐漸降低。

熔渣中加入酸性氧化物TiO2、SiO2、B2O5，形成半徑較大的陰離子，與陽(yáng)離子結(jié)合弱，被排擠到熔渣表面，表面張力降低。

加入堿性氧化物CaO、MgO、MnO等增加表面張力，因?yàn)镃a2+、Mg2+、Mn2+陽(yáng)離子的綜合矩較大。②溫度升高熔渣的表面張力減小

T↑，離子半徑↑，綜合矩↓，相互作用減弱。熔渣的熔點(diǎn)——影響工藝和質(zhì)量的重要因素，要求與焊絲、母材相匹配。

熔渣熔點(diǎn)：固態(tài)熔渣開(kāi)始熔化的溫度。焊條藥皮熔點(diǎn)指藥皮開(kāi)始熔化的溫度（造渣溫度）。熔渣（藥皮）熔點(diǎn)取決于組成物的種類、數(shù)量和粒度。

活性熔渣對(duì)焊縫金屬的氧化

活性熔渣對(duì)金屬的氧化可分為兩種基本形式：擴(kuò)散氧化和置換氧化擴(kuò)散氧化

FeO既溶于熔渣也溶于液態(tài)鋼，在一定溫度下平衡，在兩相中的濃度符合分配定律。溫度不變，渣中FeO增加，將向焊縫中擴(kuò)散。SiO2飽和的酸性渣中：

CaO飽和的堿性渣中：

T↑，L↓，即高溫時(shí)FeO向焊縫中分配。擴(kuò)散氧化主要發(fā)生在熔滴階段和熔池高溫區(qū)；焊接溫度下，L>1，F(xiàn)eO在渣中的分配量總要大些。同樣溫度條件下，F(xiàn)eO在堿性渣中比酸性渣更易向金屬中分配。置換氧化渣中含有較多易分解氧化物，則可能與液態(tài)鐵發(fā)生置換反應(yīng)，使鐵氧化，另一元素還原。

反應(yīng)結(jié)果使焊縫增加硅和錳，同時(shí)使鐵氧化，生成FeO，大部分進(jìn)入熔渣，少部分進(jìn)入焊縫，使焊縫增氧。

置換反應(yīng)的方向和限度，取決于溫度、渣中MnO、SiO2、FeO的活度和金屬中Si、Mn的濃度，以及焊接工藝參數(shù)等因素。

T↑K↑反應(yīng)向右進(jìn)行，置換氧化主要發(fā)生在熔滴階段和熔池前部的高溫區(qū)；熔池后部反應(yīng)向左進(jìn)行，造成焊縫中的非金屬夾雜物。

為評(píng)價(jià)鹽—氧化物型和氧化物型焊劑中硅、錳還原對(duì)金屬的氧化能力，定義焊劑的活度：

試驗(yàn)表明，熔敷金屬含氧量隨焊劑活度AF增加成直線增加。

AF>0.6高活性焊劑

AF=0.6～0.3活性焊劑

AF=0.3～0.1低活性焊劑

AF<0.1惰性焊劑

焊絲或藥皮中焊有對(duì)氧親和力比鐵大的元素，將與硅、錳發(fā)生更激烈的置換反應(yīng)。

使焊縫中Al2O3夾雜增加，焊縫含氧升高，同時(shí)硅、錳增加。

焊接低碳鋼和低合金鋼置換氧化使焊縫增氧，同時(shí)增加硅錳，焊縫