第09講-焊接冶金學(xué)課件2

第三章焊接冶金學(xué)

第09講130上講回顧焊接冶金過(guò)程的特點(diǎn)焊接過(guò)程中對(duì)金屬的保護(hù)焊接化學(xué)冶金反應(yīng)區(qū)及其反應(yīng)條件焊接工藝條件與化學(xué)冶金反應(yīng)的關(guān)系焊接化學(xué)冶金系統(tǒng)及其不平衡性2303.2焊接熔渣焊接過(guò)程中焊條藥皮或焊劑熔化后，在熔池中參與化學(xué)反應(yīng)的熔融狀態(tài)的非金屬物質(zhì)稱(chēng)為焊接熔渣。熔渣與液體金屬接觸發(fā)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，決定著焊縫金屬的成分和性能。330⑴機(jī)械保護(hù)作用焊接時(shí)液態(tài)熔渣覆蓋在熔滴和熔池表面，把液態(tài)金屬與空氣隔開(kāi)，保護(hù)液態(tài)金屬不被氧化和氮化。熔渣凝固后形成渣殼覆蓋在焊縫金屬上也使高溫焊縫金屬不受空氣侵害氧化。焊接熔渣的作用：430⑵改善焊接工藝性能作用在熔渣中加入低電離電位物質(zhì)，可使電弧容易引燃、穩(wěn)定燃燒，減少飛濺；適當(dāng)調(diào)整熔渣成分，以獲得合適的熔渣粘度和脫渣性，使焊接操作更方便，改善焊縫成形等。⑶冶金處理作用在高溫下熔渣與液態(tài)金屬接觸便產(chǎn)生一系列冶金反應(yīng)，從而影響焊縫金屬的成分，改善焊縫的性能。通過(guò)熔渣可以去除焊縫中的有害雜質(zhì)，如脫氧、脫氫、去硫、去磷等，還可通過(guò)熔渣向焊縫金屬過(guò)渡有益的合金元素。530焊接熔渣按其成分及性質(zhì)可分成三大類(lèi)，見(jiàn)下表：

實(shí)際的熔渣是多種化合物組成的復(fù)雜系統(tǒng)，為了研究方便，往往把復(fù)雜系統(tǒng)中含量少，影響小的次要成分舍去，簡(jiǎn)化成由含量多、影響大的成分組成的渣系。630

3.2.1熔渣的堿度

熔渣的堿度是表征熔渣堿性強(qiáng)弱程度，是熔渣的重要化學(xué)性質(zhì)之一。

它既對(duì)熔渣的冶金性質(zhì)發(fā)生影響，也對(duì)熔渣其他性質(zhì)如活性、粘度和表面張力等有影響。不同的熔渣結(jié)構(gòu)理論，對(duì)堿度的定義和計(jì)算方法是不同的。730一、氧化物的分類(lèi)熔渣分子理論將焊接熔渣中的氧化物性質(zhì)分為三類(lèi)：酸性氧化物按酸性由強(qiáng)至弱有：SiO2、TiO2、P2O5等堿性氧化物按堿性由強(qiáng)至弱的順序有：K2O、Na2O、CaO、MgO、BaO、MnO、FeO等；中性氧化物主要有：Al2O3、Fe2O3、Cr2O3等，這些氧化物在強(qiáng)酸性渣中常呈弱堿性，在強(qiáng)堿性渣中常呈弱酸性。830二、熔渣堿度的計(jì)算①分子理論對(duì)熔渣堿度B1的定義為：

堿度B1的倒數(shù)為酸度。理論上，當(dāng)B1＞1時(shí)為堿性渣；B1＜1時(shí)為酸性渣；B1＝l時(shí)為中性渣。實(shí)際上按上式計(jì)算并不準(zhǔn)確，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)B1＞1.3時(shí)，熔渣才是堿性的。這是因?yàn)槭街袥](méi)有考慮各氧化物酸、堿性的強(qiáng)弱程度，也沒(méi)有考慮酸、堿氧化物的復(fù)合情況，故只能作粗略計(jì)算并加以修正。930經(jīng)修正后比較精確的計(jì)算公式如下：式中各成分均以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，則B1＞l堿性渣B1＝1中性渣B1＜1酸性渣用修正后的計(jì)算公式計(jì)算低氫型焊條和HJ251焊劑的熔渣是堿性的，符合實(shí)際情況。1030

②離子理論的表達(dá)式離子理論把熔渣中自由氧離子（即游離狀態(tài)的氧離子）的含量（或氧離子的活度）定義為堿度，用B2表示。渣中自由氧離子的含量越大，其堿度越大。最常用的堿度表達(dá)式：

式中Mi——渣中第i種氧化物的摩爾分?jǐn)?shù)；

ai——渣中第i種氧化物的堿度系數(shù)。一般B2＞0堿性渣B2＝0中性渣B2＜0酸性渣1130熔渣的堿度因焊條藥皮或焊劑類(lèi)型不同而異：一般實(shí)際焊接時(shí)只有低氫型焊條和焊劑HJ251的熔渣是堿性，其他熔渣均為酸性，故可把熔渣歸納為兩大類(lèi)，即酸性渣和堿性渣，與之相應(yīng)的焊條和焊劑也分為酸性和堿性?xún)纱箢?lèi)，由于熔渣的酸、堿性不同，其冶金性能，工藝性能和焊縫金屬的化學(xué)成分與性能也有顯著差別。

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3.2.2熔渣的物理性能一、熔渣的粘度

粘度是液體內(nèi)部發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)上的摩擦力，反映了質(zhì)點(diǎn)在液體內(nèi)部移動(dòng)的難易程度。熔渣的粘度對(duì)焊接工藝性能、化學(xué)冶金反應(yīng)有很大影響。

熔渣的粘度取決于熔渣的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，離子尺寸越大，熔渣質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)越困難，其粘度就越大。影響熔渣結(jié)構(gòu)的因素是熔渣的成分和溫度。1330

①熔渣成分對(duì)粘度的影響

在熔渣中加入能促使形成粗大陰離子的物質(zhì)，可使粘度增大；加入阻礙形成粗大陰離子的物質(zhì)可以降低熔渣的粘度。SiO2易與O2－合形成粗大陰離子，故在酸性渣中加入SiO2會(huì)迅速提高熔渣粘度。若加入能產(chǎn)生O2－的堿性氧化物，如CaO、MgO、MnO、FeO等，就能破壞Si-O離子鍵，使陰離子尺寸變小，因而可降低粘度。1430在堿性渣中若加入高熔點(diǎn)的堿性氧化物，如CaO，則可能出現(xiàn)未熔化的固體質(zhì)點(diǎn)而使渣的流動(dòng)阻力增大。使熔渣粘度升高。這時(shí)若加入SiO2，它與CaO形成低熔點(diǎn)的硅酸鹽，又可使渣的粘度下降。CaF2能促進(jìn)CaO的熔化，所產(chǎn)生的F－又能起到O2－的作用，使陰離子尺寸變小，所以把它加到酸性渣或堿性渣中都可降低粘度。1530

②溫度對(duì)熔渣粘度的影響

溫度升高熔渣的粘度下降，如圖。但堿性渣和酸性渣下降的趨勢(shì)不同。在含SiO2較多的酸性渣中，復(fù)雜Si-O離子較多，隨著溫度升高，Si-O極性鍵逐漸斷開(kāi)，出現(xiàn)尺寸較小的Si-O離子，因而粘度逐漸下降。堿性渣中離子尺寸小，易于移動(dòng)。當(dāng)高于液相線時(shí)，粘度迅速下降，當(dāng)溫度低于液相線時(shí)，渣中出現(xiàn)細(xì)小的晶體，其粘度迅速增大。

圖熔渣粘度與溫度的關(guān)系1—堿性渣2—含SiO2多的酸性渣1630從圖看出，當(dāng)兩種渣的粘度都變化Δη時(shí)，含SiO2多的酸性渣對(duì)應(yīng)的溫度變化ΔT2大，即凝固時(shí)間長(zhǎng)，故稱(chēng)長(zhǎng)渣。這種渣不適于仰焊。

堿性渣對(duì)應(yīng)的ΔT1小，即凝固時(shí)間短，故稱(chēng)短渣。這種渣適于全位置焊接。焊接鋼材用的熔渣粘度，在1500℃左右時(shí)，為0.1~0.2Pa·s比較合適。1730二、熔渣的表面張力

焊接熔渣的表面張力指的是氣相與熔渣之間的界面張力，對(duì)熔滴過(guò)渡、焊縫成形、脫渣性以及冶金反應(yīng)都有重要影響。

熔渣的表面張力主要取決于熔渣組元質(zhì)點(diǎn)間化學(xué)鍵的性質(zhì)和溫度。鍵能越大，其表面張力也越大。金屬鍵的鍵能最大，故液體金屬的表面張力最大；具有離子鍵的物質(zhì)，如CaO、MgO、FeO、MnO等鍵能比較大，它們的表面張力也較大；具有共價(jià)鍵的物質(zhì)，如TiO2、SiO2、P2O5等，鍵能小，其表面張力也小。1830在熔渣中加入酸性氧化物，如TiO2、SiO2等，能使表面張力減小；加入堿性氧化物如CaO、MgO、MnO等，可增加表面張力。CaF2也能降低熔渣的表面張力。溫度升高可使熔渣表面張力下降，因?yàn)楦邷仉x子半徑增大，綜合矩減小，同時(shí)也增大離子之間的距離，減弱了離子之間的相互作用力。1930三、熔渣的熔點(diǎn)熔渣熔點(diǎn)對(duì)焊接工藝性能和焊接質(zhì)量的影響：當(dāng)熔渣的熔點(diǎn)過(guò)高時(shí)，會(huì)比熔池金屬過(guò)早開(kāi)始凝固而不能均勻覆蓋于熔池金屬表面，導(dǎo)致保護(hù)效果下降，焊縫成形差，其至形成夾雜。

若熔渣熔點(diǎn)過(guò)低，熔池金屬開(kāi)始凝固時(shí)，熔渣仍處于流動(dòng)狀態(tài)，也無(wú)法保證焊縫表面成形。焊接熔渣的熔點(diǎn)要與焊絲和母材的熔點(diǎn)相匹配，控制在合適的范圍。焊鋼時(shí)，熔渣的熔點(diǎn)應(yīng)在1150~1350℃之間。

2030熔渣的熔點(diǎn)取決于組成物的種類(lèi)、數(shù)量和顆粒度：當(dāng)熔渣中低熔點(diǎn)組成物含量高，其熔點(diǎn)就低。高熔點(diǎn)組成物含量多，顆粒度越大時(shí)，其熔點(diǎn)也越高。根據(jù)渣系相圖、調(diào)整組成分的種類(lèi)和配比，使之形成低熔點(diǎn)共晶或化合物，可降低其熔點(diǎn)。213