金属成型设计 第三节 焊接熔渣对金属的作用

(SiO2) +(MnO)＝（ MnO·SiO2）
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思考题
1. 酸性焊条可采用锰铁作为脱氧元素？ 2. 碱性焊条不单独采用硅铁作为脱氧元素，
需采用锰铁和硅铁（或钛铁）联合脱氧？
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思考题 1.酸性焊条可采用锰铁作为脱氧元素？
1）酸性渣中含有较多的 SiO2 和 TiO2
2）与锰的脱氧产物 MnO 生成复合物 MnO·SiO2 和 MnO·TiO2
1） 硅的脱氧能力比锰大，但生成的 SiO2熔点高， 通常认为处于固态，不易聚合为大的质点；
2） SiO2与钢液的界面张力小，润湿性好，不易从 钢液中分离，易造成夹杂。
3）MnO·SiO2－－ 不饱和液态硅酸盐， 密度小，熔点低，
在钢液中呈液态，易于聚合成大的质点 浮到熔渣，减少钢中的 夹杂物和含氧量，脱氧效果显著。
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1.3 焊接熔渣对金属的作用
• 本节重点： • 熔渣的作用和性质； • 熔渣对焊缝金属的氧化及焊缝脱氧方式
• 本节难点： • 焊接熔渣的结构理论
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1.3 焊接熔渣对金属的作用
焊接熔渣及其性质 焊接熔渣对金属的氧化 焊缝金属的脱氧
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一、焊接熔渣及其性质
熔渣的作用 熔渣的种类和成分 熔渣的微观结构 熔渣的性质
温度↑，粘度↓；
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长渣
长渣：T↓，粘度缓慢增大的熔渣。
不适于仰焊；
∆T
T
短渣： T↓，粘度急剧增大的熔渣。图2-18 熔渣粘度与温度的关系 适于全位置焊接；
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焊缝的空间位置有：平焊、横焊、立焊和仰焊
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3、熔渣的表面张力
指熔渣与气相之间的界面张力。
影响因素：
a）化学键能－－质点间的作用力.
纤维素型 34.7 17.5 5.5 11.9 14.4 2.1 5.8 3.8 4.3 — 0.60 -1.3
低氢型 24.1 7.0 1.5 4.0 3.5 35.8 —- 0.8 0.8 20.3 1.86 0.9
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酸性渣沉淀脱氧
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2. 碱性焊条不单独采用硅铁作为脱氧元素， 需采用锰铁和硅铁（或钛铁）联合脱氧？
3）降低了MnO 的活度－－脱氧效果较好
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药皮焊条电弧焊熔渣的化学成分举例
焊条 类型
熔渣化学成分（%）
熔渣碱度
SiO2 TiO2 Al2O3 FeO MnO CaO MgO Na2O K2O CaF2 Ｂ１ Ｂ２
钛型 23.4 37.7 10.0 6.9 11.7 3.7 0.5 2.2 2.9 — 0.43 -2.0
钛钙型 25.1 30.2 3.5 9.5 13.7 8.8 5.2 1.7 2.3 — 0.76 -0.9
钛铁矿型 29.2 14.0 1.1 15.6 26.5 8.7 1.3 1.4 1.1 — 0.88 -0.1
氧化铁型 40.4 1.3 4.5 22.7 19.3 1.3 4.6 1.8 1.5 — 0.60 -0.7
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（2）熔渣碱度的离子理论
碱度指液态熔渣中自由氧离子的活度
n
B2
ak M k
k 1
Mk是渣中第 k 种氧化物的摩尔分数， ak 是其碱度系数
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B2＞0－－－碱性渣， B2＜0－－－酸性渣， B2= 0－－－中性渣
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2、熔渣的粘度
指熔渣内部各层之间相对运动时的内摩擦力；
影响因素 熔渣成分 温度
• 离子的分布、聚集和相互作用取决于它的综合矩 （离子电荷/离子半径）。 • 液体熔渣与金属之间相互作用，是原子与离子交换
电荷的过程。如： Si4＋ + 2 [ Fe ] = 2 Fe2＋ + [ Si ]
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（四）熔渣的性质
酸碱度 粘度
结合P24焊条工 艺性能知识
表面张力
熔点
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1、熔渣的酸碱度
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(一）熔渣的作用
机械保护作用 冶金处理作用 改善工艺性能作用
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机械保护作用
• 液态时：比重轻－－浮在液态金属的表面－ －隔离空气－－避免合金元素烧损－－ 防止气相溶入－－减少液态金属热损失
• 凝固后：渣壳－－覆盖在焊缝上－－保护高 温下的焊缝金属。
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冶金处理作用
• 去除金属中的有害杂质，如脱氧、脱硫、脱 磷和去氢。 • 吸附或溶解液态金属中非金属夹杂物。 • 通过熔渣向焊缝中过渡合金。
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改善成形工艺性能作用
• 电弧的引燃、稳定燃烧、减少飞溅，改善脱 渣性能及焊缝外观成形等焊接工艺性能.
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（二）熔渣的种类和成分
1、盐型熔渣
• 主要由金属卤化物和不含氧的化合物组成。 如： CaF2 – NaF 、 CaF2 – BaCl2 – NaF 、 KCl-NaCl-Na3AlF6、 BaF2- MgF2- CaF2-LiF
酸性氧化物――化学键能小――表面张力小； 碱性氧化物――化学键能大――表面张力大； CaF2――表面张力减小；
b） 温度
升高，表面张力下降；
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4、熔渣的熔点
－固态熔渣开始熔化的温度，在一定的温度区间进行； 一般比焊缝金属的熔点低200～450℃. 影响因素：
熔渣成分：难熔物质↑，熔点↑； 颗粒度：↑，熔点↑； 对比：造渣温度－一般比熔点高100～200℃.
碳酸盐分解出O2和CO2发生反应，电弧气氛氧化性↓
Ti ＋ 2CO2 ＝ TiO2 ＋ 2CO 2Al ＋ 3CO2 ＝ Al2O3 ＋ 3CO Si ＋ 2CO2 ＝ SiO2 ＋ 2CO Mn ＋ CO2 ＝ MnO ＋ CO
结果－－气相的氧化性减弱。
特点：在药皮中进行，温度低，不充分。 脱氧过程、产物与熔滴不发生直接关系。 38
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（1） 熔渣成分
酸性渣：
－－SiO2 ↑ ―阴离子尺寸↑―粘度↑；
－－碱性氧化物或TiO2--阴离子尺寸↓―粘度↓； ―－加入CaF2―粘度↓。
碱性渣：
－－碱性氧化物↑ ―未熔固体颗粒↑ ―粘度↑； －－SiO2 ↑ ―未熔固体颗粒↓ ―粘度↓；
――－加入CaF2――粘度↓。
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（2）温度
短渣
――主要发生在熔滴阶段和熔池前部的高温区。
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2、扩散氧化
指熔渣中的氧化物通过扩散进入被焊金属 使焊缝增氧－－扩散氧化。
1）分配系数 2）分配系数的影响因素
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1）分配系数
• 对钢来讲，在一定温度下平衡时，FeO 分配符合以下公式：
L
w
w
FeO
FeO
当温度不变时，分配系数L一定，增加液 态熔渣中的FeO的含量将会使液态金属增氧。
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几种常见氧化物的熔点和密度
化 合 物 FeO MnO SiO2 TiO2 Al2O3 (FeO)2SiO2 MnO∙SiO2
熔 点 / ℃ 1370 1580 1713 1825 2050 1205 密度
/(×103kg/m3) 5.80 5.11 2.26 4.07 3.95 4.30
1270 3.60
物不即质容F。e易O并向在要金渣求属中焊中的接扩活时散度严，系格因数清此大除分，焊配所件率以表L更面值容上较易的大向氧。金化属皮中和扩铁散锈。。
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判断： 碱性焊条的焊缝含氧量比酸性焊条的高？
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三、焊缝金属的脱氧 *重点
脱氧剂的选择原则 先期脱氧 沉淀脱氧 扩散脱氧
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1、脱氧剂的选择原则
脱氧能力与 温度有关
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思考题
• 焊条药皮成分中，常采用锰铁、硅铁和钛铁 作为脱氧元素，请说明它们分别适用于哪种 药皮类型？
3、沉淀脱氧－－置换氧化的逆过程
脱氧剂→被焊金属氧化物→被焊金属还原； 本身转变为氧化物 → 进熔渣。
1）特点
－－脱氧速度快，脱氧彻底； 在熔滴和熔池内进行； 是减少焊缝金属含氧量最主要的方法；
但脱氧产物不能清除时，金属液中杂质的含量↑
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2） 常见的脱氧类型 （对低碳钢和低合金钢来讲）
锰的脱氧 硅的脱氧 锰硅联合脱氧
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碱性渣沉淀脱氧
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4、扩散脱氧 －－扩散氧化的逆过程
被焊金属的氧化物－－从液态金属进入熔渣 → 焊缝金属含氧量↓。
w (FeO) w [FeO]
L FeO
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1、影响因素
1）温度：↓，L↑，易于向渣中分配；
w (FeO) w [FeO]
L FeO
SiO2饱和的酸性渣中，lgL=4906／T-1.877 CaO饱和的碱性渣中，lgL=5014／T-1.980
特点 ①发生在熔池尾部的低温区内；
②钢液中Si的含量↑，渣中SiO2的含量↓,提高熔 渣的碱度－－脱氧效果↑。 ③SiO2易形成夹杂－－一般不单独用硅脱氧。
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c ) 锰硅联合脱氧－－Mn／Si＝3~7
[Si]+2[FeO]＝ 2[Fe] +(SiO2) [Mn]+[FeO]= [Fe] + (MnO)
1）脱氧剂对氧的亲和力>被焊金属对氧的亲和力；
1800℃时，元素的脱氧能力：
Fe、Cr、Mn、V、Si、 B、 Ti、 Mg、 C、 Al、Ce
小
大
2）脱氧产物不溶于液态金属，其密度<液态金属， 且在焊接条件下为液态；
3）综合考虑对焊缝成分、性能及焊接工艺性的影响；
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2、先期脱氧
焊条电弧焊药皮反应区内，脱氧剂与高价氧化物或
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二、焊接熔渣对金属的氧化 *重点
置换氧化 扩散氧化
熔渣的氧化能力： 指熔渣向液态金属 中传入氧的能力。
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1、置换氧化
指被焊金属与其他金属或非金属的氧化物发生 置换反应而导致的氧化。
例如，用低碳钢焊丝配合高硅高锰焊剂(如
HJ431)埋弧焊时，易发生如下置换氧化反应:
（FeO）
↑ （SiO2）+ 2 [ Fe ] = [ Si ] + 2 FeO
↓
或 : （MnO）
[ Mn ] [FeO]
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置换氧化
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影响因素 1、熔渣的活性系数AF： AF＝[w(SiO2)+0.5w(TiO2)+0.4w(ZrO2)+0.4w(Al2O3)
+0.42B12w(MnO)]／B1 AF↑，氧化性↑，熔敷金属中氧含量↑，图2-20
2、温度：
温度↑，置换反应越激烈。
• 熔渣的氧化性很小，用于铝、钛等活性金属的焊接
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2、盐—氧化物型熔渣
• 主要由氟化物和金属氧化物组成。如： CaF2 – CaO – Al2O3， CaF2 – CaO – SiO2， CaF2 – MgO – Al2O3 – SiO2
• 熔渣的氧化性较小，用于合金钢及低碳钢的重要 件的焊接。
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2）熔渣的性质： 扩散脱氧能力，酸性渣>碱性渣。
a) 酸性渣中： SiO2+(FeO) ＝ FeO·SiO2； TiO2 +(FeO) ＝ FeO·TiO2；
（FeO）的活度↓， 扩散脱氧↑。
b）碱性渣中（FeO）活度大，其扩散脱氧的能 力比酸性渣差；
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2、特点
在液态金属与熔渣界面上进行，不会造成夹杂。 在熔池后部的低温区进行，脱氧不充分；
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• a)锰脱氧
[Mn]+[FeO]=[Fe]+(MnO) 特点
①温度降低，有利于反应向右进行； 发生在熔池尾部的低温区内； ②钢液中锰的含量↑，渣中MnO的含量↓－ －脱氧效果↑； ③熔渣性质－－酸性渣效果好，碱性渣差；
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Fra Baidu bibliotek • b) 硅脱氧
[Si]+2[FeO]＝ (SiO2) +2[Fe]
碱度－－评价熔渣碱性强弱的指标。 酸度－－碱度的倒数。
碱度的分子理论 碱度的离子理论
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（1）碱度的分子理论
碱度－－熔渣中的碱性氧化物与酸性 氧化物含量的比值。
碱性氧化物：K2O、Na2O、CaO、
MgO、MnO、FeO
酸性氧化物：SiO2、TiO2、P2O5等。
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B1＞1－－－碱性渣， B1＜1－－－酸性渣， B1 = 1－－－中性渣
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2）分配系数的影响因素
• a) 温度: T ↑, L值↓ 即高温时，FeO更容易向金属中分配。 主要发生在熔滴阶段和熔池前部高温区
• b) 熔渣的性质：
FeO 在碱性渣中比在酸性渣中更容易向钢液 中分配。
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酸性渣 碱性渣 正酸碱是性性由渣渣于中中这酸S个iO性原2氧、因化T，i物O在2较碱等少性酸，焊性F条氧eO药化大皮物部中较分一多以般，自不Fe由加O状入的态含活存F度在e低O，，的
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1、熔渣结构的分子理论
液态熔渣是由化合物分子组成的理想溶液； 氧化物与复合物在一定温度下处于平衡状态； 只有自由氧化物才能参与冶金反应。如：
（FeO）+ [ C ] = [ Fe ] + CO 而 (FeO)2·SiO2 中的 FeO 不能参与上面的反应。
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2、熔渣的离子理论
• 液态熔渣是由阳离子和阴离子组成的电中性溶液。
3、氧化物型熔渣
• 含有较多的弱碱金属氧化物，应用最为普遍的一类 渣系，如： MnO – SiO2 、 FeO – MnO – SiO2 、 CaO – Ti02 – SiO2 等。
• 具有较强的氧化性，用于低碳钢、低合金高强钢的 一般件的焊接。
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（三）熔渣的微观结构
分子理论 离子理论 分子－离子共存理论