焊接熔渣及其对金属的作用

焊丝或药皮中焊有对氧亲和力比铁大的元素，将 与硅、锰发生更激烈的置换反应。
4[Al] 3(SiO2) 2(Al2O3) 3[Si] 2[Al] 3(MnO) (Al2O3) 3[Mn]
使焊缝中Al2O3夹杂增加，焊缝含氧升高，同时硅、 锰增加。
焊接低碳钢和低合金钢置换氧化使焊缝增氧，同 时增加硅锰，焊缝性能仍能满足要求。
为评价盐—氧化物型和氧
化物型焊剂中硅、锰还原对金
属的氧化能力，定义焊剂的活
度：
AF

(SiO2) 0.42B12(MnO) 100B1
试验表明，熔敷金属含氧量
随焊剂活度AF增加成直线增加。
AF>0.6 高活性焊剂
AF=0.6～0.3 活性焊剂
AF=0.3～0.1低活性焊剂
AF<0.1 惰性焊剂
(FeO) [FeO]
L (FeO) [FeO]
温度不变，渣中FeO增加，将向焊缝中扩散。
SiO2饱和的酸性渣中： lg L 4906 1.877 T
CaO饱和的碱性渣中：
lgL 50141.980 T
T↑，L↓，即高温时FeO向焊缝中分配。扩散氧化 主要发生在熔滴阶段和熔池高温区；焊接温度下，L>1， FeO在渣中的分配量总要大些。
分子理论碱度的定义：
B (R2O RO) RO2
R2O、RO ——熔渣中碱性氧化物的摩尔数 RO2 ——熔渣中酸性氧化物的摩尔数
理论上B>1为碱性， B<1为酸性， B=1为中性； 实际上B>1.3熔渣才为碱性。
比较精确的计算碱度公式
B1

0.018CaO

0.015MgO 0.006CaF2 0.014(Na2O K2O) 0.007(MnO 0.017SiO2 0.005(Al2O3 TiO2 ZrO2)
对焊接中、高合金钢时，焊缝增氧和硅，使抗裂 性能和机械性能，尤其低温韧性显著下降。
焊接时创造氧化条件抑制硅的还原；在药皮中含 强脱氧剂时，阻止硅还原是不可能的，只有降低 SiO2的含量。
焊件表面氧化物对金属的氧化 铁锈分解 2Fe(OH )3 Fe2O3 3H2O Fe2O3 [Fe] 3FeO
② 离子的分布和相互作用取决于它的综合矩 综合矩 z
Z —离子的电r荷（静电单位） r —离子的半径（10-1nm） 离子综合矩越大，说明它的静电场越强，与异号离子 的引力越大。
综合矩的大小还影响离子在渣中的分布
盐型熔渣主要含简单阴阳离子，综合矩差异不大， 可认为是结构简单的均匀离子溶液；
盐—氧化物型熔渣属结构比较复杂的化学成分微 观不均匀的离子溶液；
2.1.3 熔渣及其对金属的作用
焊接熔渣
熔渣的作用、成分及分类
- 焊接熔渣在焊接过程中的作用 ① 机械保护作用 保护熔滴和熔池。 ② 改善工艺性能 引弧、稳弧；减少飞溅；保证操 作性能、脱渣性和焊缝成形。 ③ 冶金处理 脱氧、脱硫、脱磷和去氢；合金化。
- 熔渣的成分和分类
① 盐型熔渣 金属氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物组成。渣系： CaF2-NaF、CaF2-BaCl2-NaF、KCl-NaCl-Na2AlF6、 BaF2-MgF2-CaF2-LiF。氧化性很小，用于焊接铝、钛和其 它化学活性金属及其合金。
熔渣的结构理论
熔渣的物理性质及其与金属的作用与熔渣结构 有密切的关系。 - 分子理论 （以对凝固熔渣相分析和化学成分分析结 果为依据）
① 液态熔渣是由化合物的分子组成的
氧化物分子（CaO、SiO2等）、复合物分子 （CaO·SiO2、MnO·SiO2）、氟化物、硫化 物等
② 氧化物及其复合物处于平衡状态
同样温度条件下， FeO在碱性渣中比酸性渣更易向 金属中分配。
置换氧化 渣中含有较多易分解氧化物，则可能与液态铁发 生置换反应，使铁氧化，另一元素还原。
lg KSi

(FeO)2[Si] ( Si O2 )

13460 6.04 T
(FeO)[Mn] 6600
lg K Mn
(MnO)
碱性渣高熔点的氧化物会使粘度增加。加入少 量SiO2可降低年度；加入CaF2能促使CaO熔化， 降低粘度。
- 熔渣的表面张力 ——对熔滴过渡、焊缝成形、脱渣性及 冶金反应有重要影响。
① 表面张力与其中质点之间的作用力大小有关，即与化 学键能有关。
键能↑，张力↑因此，金属键、离子键、共价键张力逐渐 降低。
氧化物型熔渣具有复杂网络结构的化学成分更不 均匀的离子溶液。
③ 熔渣与金属的作用过程是原子与离子交换 电荷的过程
(Si4) 2[Fe] 2(Fe2) [Si]
熔渣的性质与其结构的关系
- 溶质的碱度 ——重要化学性质 分子理论将氧化物分为三类： 酸性氧化物 SiO2、TiO2、P2O5 碱性氧化物 K2O、Na2O、CaO、MgO、BaO、 MnO、FeO 中性氧化物 Al2O3、Fe2O3、Cr2O3 在不同性质的渣中呈酸性，也可能呈碱性。
- 熔渣的熔点 ——影响工艺和质量的重要因素，要求与焊 丝、母材相匹配。 熔渣熔点：固态熔渣开始熔化的温度。 焊条药皮熔点指药皮开始熔化的温度（造渣温度）。 熔渣（药皮）熔点取决于组成物的种类、数量和粒度。
活性熔渣对焊缝金属的氧化
活性熔渣对金属的氧化可分为两种基本形式：扩 散氧化和置换氧化
扩散氧化 FeO既溶于熔渣也溶于液态钢，在一定温度下平衡， 在两相中的浓度符合分配定律。
氧化铁皮对金属的氧化
Fe3O4[Fe] 4FeO
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置换反应的方向和限度，取决于温度、渣中MnO、 SiO2、FeO的活度和金属中Si、Mn的浓度，以及焊 接工艺参数等因素。
T↑K↑反应向右进行，置换氧化主要发生在熔滴 阶段和熔池前部的高温区；熔池后部反应向左进行， 造成焊缝中的非金属夹杂物。
B2>0为碱性渣；B2<0为酸性渣；B2=0为中性渣
- 熔渣的粘度 ——渣重要的物理性质，对保护效果、焊 接工艺性能和化学冶金都有显著影响
粘度：单位速度梯度下，作用在单位面积上的内摩擦 力。——流体发生相对运动时，其内摩擦力的量度，用 η表示，其倒数1/η称为流动性。
粘度取决于熔渣的成分和温度，实际上取决于熔渣 的结构。
熔渣中加入酸性氧化物TiO2、SiO2、B2O5， 形成半径较大的阴离子，与阳离子结合弱，被排挤到 熔渣表面，表面张力降低。
加入碱性氧 化物CaO、MgO、 MnO等增加表面 张力，因为Ca2+、 Mg2+、Mn2+阳离 子的综合矩较大。
② 温度升高熔渣的表面张力减小 T↑，离子半径↑，综合矩↓，相互作用减弱。
CaO SiO2 CaO SiO2
各种复合物的稳定性可用它们的生成热效应来衡 量，生成热效应越大，越稳定。 ③ 只有自由氧化物才能参与和金属的反应
(FeO) [C] [Fe]CO
分子理论简明、定性地解释熔渣与金属的冶金反 应；但其假设与实际结构不符，许多现象无法解释。
- 离子理论 （以熔渣电化学性质为基础） ① 液态熔渣是由阴阳离子组成的电中性溶液 离子种类和存在形式取决于熔渣成分和温度， 负电性大元素以阴离子的形式存在 F-、O2-、S2-； 负电性小的元素形成阳离子 K+、Na+、Ca2+、 Mg2+、Fe2+、Mn2+； 负电性比较大的元素，阴离子往SiO往44不、能Si3独O9立6、存A在l3O，75 而与氧离子形成复杂的阴离子
① 温度对粘度的影响
温度升高，熔渣粘 度下降，但碱性渣和酸 性渣下降的趋势不同。
② 熔渣成分对粘度的影响 酸性渣加入SiO2，使Si-O阴离子的聚合程度增
大，其尺寸增大，粘度↑；减少SiO2，加入TiO2 , 可减少复杂Si-O离子，降低粘度；含TiO2较多的酸 性渣已不是玻璃状，而接近晶体状，变为短渣；加 入碱性氧化物，减低渣的粘度。
② 盐-氧化物型 氟化物和强金属氧化物组成。
渣系：CaF2-CaO-Al2O3、CaF2-CaO-SiO2、CaF2CaO-Al2O3-SiO2。氧化性较小，用于焊接合金钢。
③ 氧化物型 金属氧化物组成。渣系：MnO-SiO2、FeO-MnOSiO2、CaO-TiO2-SiO2。氧化性较弱，主要用于焊接低碳 钢和低合金钢。
FeO)
式中 CaO、MgO、CaF2、SiO2 以质量百分数极。
当B1>1为碱性渣； B1<1为酸性渣； B1=1为中性渣
离子理论碱度定义：
液态熔渣中自由氧离子的浓度（或氧离子的活 度）。
自由氧离子即游离状态的氧离子。渣中自由氧离 子的浓度越大，碱度越高。
碱度的计算：
n
B2 aiMi
i1