材料成型理論基礎(chǔ)(焊接)-6

趙興科焊接理論基礎(chǔ)焊劑保護的電弧焊中，在電弧熱源的作用下，金屬熔化的同時，焊劑也發(fā)生熔煉過程，形成具有一定物理和化學(xué)特性的多組元高溫熔鹽，覆蓋在熔滴和熔池的表面，這種熔鹽稱為焊接熔渣?！?.2焊接區(qū)內(nèi)的氣體和焊接熔渣二、焊接熔渣1熔渣的作用、成分和分類（1）熔渣在焊接過程中的作用機械保護冶金處理改善焊接工藝性能覆蓋在熔滴和熔池表面，隔絕空氣穩(wěn)定電弧、減少飛濺、良好焊縫成形脫去有害雜質(zhì)、焊縫合金化（2）熔渣的成分和分類氧化物型熔渣鹽-氧化物型熔渣鹽型熔渣根據(jù)焊接熔渣的成分可以分成三大類：氧化物型熔渣主要由各種金屬氧化物組成。熔渣的氧化性較強，主要用于焊接低碳鋼和低合金鋼。常用渣系：MnO-SiO2、FeO-MnO-SiO2、CaO-TiO2-SiO2等。鹽-氧化物型熔渣主要由金屬氟化物和強金屬氧化物組成。熔渣的氧化性較小，主要用于焊接合金鋼。常用渣系：CaF2-CaO-Al2O3、CaF2-CaO-SiO2、CaF-CaO-Al2O3-SiO2等。鹽型熔渣主要由金屬的鹵化物和不含氧的化合物組成。熔渣的氧化性很小，主要用于焊接鋁、鈦和其他活性金屬及其合金。常用渣系：CaF2-NaF、CaF2-BaCl2-NaF、KCl-NaCl-Na3AlF6、BaF2-MgF2-CaF2-LiF等。焊接熔渣是多種化合物的復(fù)雜體系。為了便于研究，通常忽略含量少、影響小的組分，簡化成由含量多、影響大的組分組成的二元或三元渣系。常見焊條藥皮和焊劑的熔渣組成2熔渣的結(jié)構(gòu)理論熔渣的物理、化學(xué)性質(zhì)及其與金屬的作用與液態(tài)熔渣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。為了探討熔渣的冶金行為，提出了兩種不同的理論模型：分子理論離子理論（1）熔渣的分子理論熔渣的分子理論以對凝固熔渣的相分析和化學(xué)分析的結(jié)果為依據(jù)，其要點為：液態(tài)熔渣是由不帶電的分子組成的，其中有自由氧化物、復(fù)合氧化物和鹵化物等；自由氧化物分為酸性和堿性兩類，兩類氧化物可以相互結(jié)合成復(fù)合物；只有自由氧化物才能參與液體金屬的反應(yīng)；液態(tài)熔渣是一種理想熔體，冶金反應(yīng)服從理想溶液定律。自由氧化物：CaO、FeO、SiO2、MnO等復(fù)合氧化物：CaO

?SiO2、FeO?SiO2、MnO?SiO2等自由氧化物及其復(fù)合物處于平衡狀態(tài)，如CaO+SiO2CaO?SiO2升溫時反應(yīng)向左進行，渣中自由氧化物的濃度增加；降溫時反應(yīng)向右進行，渣中復(fù)合物增加。酸性氧化物按酸性由強變?nèi)酰篠iO2,TiO2,P2O5等堿性氧化物按堿性由強變?nèi)酰篕2O,Na2O,CaO,MgO,BaO,MnO,FeO等中性氧化物：Al2O3,Fe2O3,Cr2O3等自由氧化物才能參與與液體金屬的反應(yīng)（FeO）+[C][Fe]+CO()表示渣中成分；[]表示液體金屬中的成分熔渣的分子理論簡單明了，可以定性解釋熔渣與金屬間的冶金反應(yīng)。但是有些現(xiàn)象不能解釋，如熔渣的導(dǎo)電性。（2）熔渣的離子理論離子理論是在研究熔渣電化學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上提出來的。離子理論的主要觀點：液態(tài)熔渣是由陽離子和陰離子組成的電中性溶液，熔渣中離子的種類和存在形式取決于熔渣的成分和溫度；離子的分布、聚集和相互作用取決于它的綜合矩，即離子電荷與離子半徑的比值；陰、陽離子通過離子鍵相互結(jié)合，液體溶渣與金屬之間的相互作用過程是原子與離子交換電荷的過程。熔渣中的陰離子：F-、O2-、S2-等熔渣中的陽離子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+等熔渣中的復(fù)雜陰離子：SiO44-、AlO33-等溶渣與液體金屬的作用：（Si4+）+2[Fe]2（Fe2+）+[Si]反應(yīng)的結(jié)果，硅進入金屬，鐵變成離子進入熔渣3熔渣的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)的關(guān)系熔渣的堿度熔渣的粘度熔渣的表面張力熔渣的熔點熔渣的導(dǎo)電性熔渣的性質(zhì)包括：堿度是熔渣的重要化學(xué)性質(zhì)，熔渣的其他物化性質(zhì)，如熔渣的活性、粘度和表面張力等都與堿度有關(guān)。根據(jù)分子理論，熔渣堿度B的定義為：式中R2O、RO——熔渣中的堿性氧化物的摩爾分數(shù)；

RO2——熔渣中的酸性氧化物的摩爾分數(shù)。堿度B的倒數(shù)稱為酸度。（1）熔渣的堿度考慮到氧化物的酸堿程度以及相互形成中性復(fù)合氧化物的情況，給出比較精確的堿度計算公式：當(dāng)B1﹥1時為堿性渣；B1﹤1時為酸性渣；（2）熔渣的粘度熔渣的粘度對渣的保護效果、飛濺、焊接操作性、焊縫成形、熔池中氣體的外逸、合金元素在渣中的殘留損失、化學(xué)反應(yīng)的活性等有顯著影響。熔渣的粘度取決于熔渣的成分和溫度，實質(zhì)上為渣的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)越復(fù)雜（Si-O）、熔渣的質(zhì)點移動也困難，粘度也就越大。粘度隨溫度升高而降低1—堿性渣2—酸性渣A—取決于熔渣本性的常數(shù)；E—質(zhì)點移動所需的活化能；R—氣體常數(shù)；T—溫度短渣長渣粘度與熔渣成分的關(guān)系在酸性渣中加入SiO2，使Si-O陰離子聚合程度增大，熔渣的粘度迅速升高；酸性渣減少SiO2，增加TiO2，可降低熔渣高溫時的粘度。在堿性渣中加入高熔點的堿性氧化物（CaO），則有可能出現(xiàn)未熔化的固體顆粒，熔渣的流動阻力增大，粘度升高。CaF2即可以降低酸性渣的粘度，也可以降低堿性渣的粘度。（3）熔渣的表面張力熔渣的表面張力與內(nèi)部質(zhì)點間的作用力（或化學(xué)鍵）有關(guān)，鍵能越大表面張力越大。具有離子鍵的物質(zhì)，如CaO,MnO,MgO,FeO等鍵能比較大，表面張力較大；共價鍵物質(zhì)，如TiO2,SiO2,B2O3,P2O5等，鍵能小，表面張力較小。CaF2能夠降低熔渣的表面張力。溫度升高，熔渣的表面張力下降。（4）熔渣的熔點熔渣的熔點要求與焊絲和母材的熔點相匹配，適于鋼焊接的熔渣熔點一般在1150~1350℃。熔渣的熔點取決于組成物的種類、數(shù)量和顆粒度?？梢詤⒖荚档南鄨D，確定熔渣的熔點溫度范圍。（5）熔渣的導(dǎo)電性熔渣的導(dǎo)電性取決于熔渣的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其中的離子尺寸越大，導(dǎo)電率越小。§2-1焊接冶金過程的特點§2-2焊接區(qū)的氣體與熔渣第二章焊接冶金過程一、焊接區(qū)內(nèi)氣體二、焊接熔渣§2-3氣體與金屬的作用§2-4熔渣與金屬的作用§2.3氣體與金屬的作用一、氮對金屬的作用焊接區(qū)周圍的空氣是氮的主要來源。盡管焊接時采取各種保護措施，但是總有或多或少的氮侵入焊接區(qū)，與高溫金屬發(fā)生作用，對焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響。不與氮發(fā)生作用的金屬，如銅、鎳等，既不溶解氮，又不形成氮化物，可以用氮作為保護氣體；與氮發(fā)生作用的金屬，如鐵、錳、鈦等，既溶解氮又與氮形成穩(wěn)定的氮化物，焊接這類金屬及其合金，防止焊縫金屬的氮化是一個重要問題。根據(jù)與氮的作用特點，金屬分為兩類：1氮在金屬中的溶解氮的純化學(xué)溶解過程：氣體分子向氣體-金屬界面上運動；氣體被金屬表面吸附；氣體分子在金屬表面上分解為原子；氣體原子穿過金屬表面層，并向金屬深處擴散。N2=2[N]氮在金屬中的溶解度：KN2——氮溶解反應(yīng)的平衡常數(shù)，取決于金屬的種類和溫度；PN2——氣相中分子氮的分壓。對于液態(tài)鐵，KN2與溫度的關(guān)系為：則，液態(tài)鐵中氮的溶解度表示為：氮在液體鐵中的溶解度隨溫度先升后降；在鐵的相變溫度，氮的溶解度發(fā)生突變。第二元素的加入會改變氮在液體鐵中的溶解度：減少溶解度的元素：C，Si，Ni等增加溶解度的元素：V，Nb，Cr等電弧焊時氣體的溶解過程比純化學(xué)溶解過程復(fù)雜，增大溶解度。電弧中受激的氮分子、氮原子比沒有受激的氮分子活性大；電弧中的氮離子會加速移動和溶解在相反電荷的電極金屬中，N+、NO-。1—等離子熔煉；2~4—電弧焊；5—無電弧的1600℃平衡狀態(tài)2氮對焊接質(zhì)量的影響（1）焊縫氮氣孔氮在金屬中的溶解度存在突變。保護不良時，高溫液體金屬可以吸收大量的氮，在金屬凝固過程中，過飽和的氮將以氣泡的形式從熔池中外逸，逸出不及時就會在焊縫中形成氮氣孔。（2）焊縫氮脆化固體焊縫金屬中殘留的過飽和氮，一部分則以針狀氮化物（Fe4N）的形式析出，分布在晶內(nèi)或晶界，使焊縫金屬的強度升高，塑性和韌性，特別是低溫韌性急劇下降。（3）焊縫時效脆化固體焊縫金屬中殘留的過飽和氮，另一部分隨著時間延長逐漸析出，形成針狀氮化物（Fe4N），分布在晶內(nèi)或晶界，使焊縫金屬的脆性增大。當(dāng)焊縫金屬中存在能形成穩(wěn)定氮化物的元素，如鈦、鋁、釩、鋯等，可以抑制或消除時效現(xiàn)象。3影響焊縫含氮量的因素及控制措施（1）加強焊接保護焊接區(qū)內(nèi)的氮氣主要來源于周圍空氣的侵入，不同的焊接方法，由于保護效果不同，焊縫的含氮量不同。對于手工電弧焊，適當(dāng)增大焊條藥皮的重量系數(shù)（增大造氣劑和造渣劑）可以減少焊縫含氮量。（2）短弧焊電弧長度（電弧電壓）過大，焊接區(qū)的保護效果難以保證，同時熔滴與氣相的的接觸時間延長，焊縫的含氮量增大。增加焊接電流，熔滴過渡頻率增大，氮