液态金属与熔渣的相互作用

液态金属与熔渣的相互作用

§3.1 焊接熔渣

1、焊接熔渣

焊接过程中，焊(或钎)剂、药皮熔化后，经过一系列化学变化而形成的覆盖于焊(或钎)缝表面的非金属物质。

2、熔渣的作用

(1) 机械保护作用

焊中：防止合金元素烧损，防H、N、O、S的侵入，减少液态金属的热损失。

焊后：防高温焊缝金属氧化。

(2) 冶金处理作用

a.去除金属中的有害杂质，如脱氧、脱硫、脱磷和去氢;

b. 吸附或溶解液态金属中非金属夹杂物;

c. 向焊缝中过渡合金。

(3) 改善成形工艺性能

a.使电弧易于引燃、稳定燃烧、减少飞溅，改善脱渣性及焊缝成形好；

b.电弧熔炼: 稳定电弧燃烧，电阻发热体，重熔并精炼金属。

(4) 不利作用

a. 强氧化性熔渣使焊缝增氧

b. 易残留在金属中形成夹渣。

3、熔渣的成分与分类

熔渣由多种化合物构成，其性能主要取决于熔渣的成分与结构：

(1) 盐型熔渣

(2) 盐-氧化物型熔渣

(3) 氧化物型熔渣

渣系：焊接熔渣是一个多成分的复杂体系，通常将含量少，影响小的次要成分略去，简化为含量多、影响大的成分组成的渣系。

4、熔渣的来源与构成

(1) SMAW的熔渣与药皮

SMAW熔渣来源于焊条药皮中的造渣剂。

造渣剂是药皮中最基本的组成物，通常包括钛铁矿(TiO2·FeO)、金红石(TiO2)、大理石(CaCO3)、硅砂(SiO2)、长石、白泥和云母(SiO2·A12O3)等。

焊接过程中造渣剂熔化，形成独立熔渣相，覆盖在熔滴与熔池表面。

(2) SAW、ESW熔渣与焊剂

5、熔渣结构理论

熔渣的物化性质及其与金属的相互作用与熔渣的内部结构有密切关系。

(1) 分子理论

主要依据室温下对凝固熔渣的相分析和成分分析的结果

1) 液态熔渣是由自由状态化合物和复合状态化合物的分子所组成。

自由化合物: 氧化物、氟化物、硫化物

复合化合物: 酸性和碱性氧化物生成的盐

2) 氧化物与复合物在一定温度下处于平衡状态

CaO+SiO2←→CaO·SiO2

升温: 反应向左; 降温: 反应向右

3) 只有渣中自由氧化物才能与液态金属及其中的元素发生作用

(FeO)+[C]=[Fe]+CO

硅酸铁(FeO)2·SiO2中的FeO不能反应

分子理论建立早、应用广，可简明地定性分析熔渣和金属之间的一些冶金反应。但无法解释熔渣导电性等。

(2) 离子理论

基于对熔渣电化学性能的研究

1) 液态熔渣是由正离子和负离子组成的电中性溶液

包括简单正离子、简单负离子以及复杂负离子

2) 离子在熔渣中的分布、聚集和相互作用取决于其综合矩: 离子电荷/离子半径

① 离子的综合矩越大，说明它的静电场越强，与异号离子的引力越大。

② 离子间的作用力还影响离子在熔渣中的分布→熔渣不是完全均匀的离子溶液，而是微观不均匀的溶液。

3) 液体熔渣与金属之间相互作用的过程，是原子与离子交换电荷的过程

*如硅还原和铁氧化的过程是金属中铁原子和渣中硅离子在两相界面上交换电荷的过程:

离子理论: Si 4++2[Fe]=2Fe 2++[Si]

分子理论: (SiO 2)+2[Fe]=2(FeO)+[Si]

熔渣的离子理论对许多现象的解释比分子理论更合理, 但由于目前它还没有一个完整的模

型, 又缺乏系统的热力学资料, 故在化学冶金中还广泛应用分子理论。

§3.2 焊接熔渣的理化性质

1、熔点

(1) 熔渣是一个多元体系，其液固转变是在一个温度区间进行的，熔点高低取决于熔渣的组

分。

(2) 熔渣的各组元独立相熔点较高，而以一定比例构成复合渣时可使凝固温度大大降低。

(3) 熔渣的熔点(或焊条熔点)与焊丝和母材的熔点相匹配: 若熔渣的熔点过高→熔渣过早凝

固, 其与液态金属反应不充分→影响焊缝外观成形、甚至产生气孔和夹杂; 凝固温度过低→

焊缝开始凝固时, 熔渣仍处于稀流状态, 使其覆盖性变差→影响对焊缝保护及外观成形(焊

缝表面粗糙不平)。

(4) SMAW: 一般药皮熔点要略低于焊芯金属熔点(约低100~200℃), 适于焊接钢的熔渣熔点

一般在1150~1350℃。由于药皮是机械混合物，熔化后才能形成熔渣，所以熔渣的凝固温度

必然要比药皮的熔点更低一些。

2、密度

(1) 影响熔渣与液态金属间的相对位置与相对运动速度。

(2) 密度与金属接近的熔渣易滞留于金属内部形成夹杂。

(3) 选用焊材时，首先要保证所形成的熔渣具有合适的凝固温度范围和较低的密度。

3、碱度

碱度是熔渣的重要化学性质之一，影响熔渣的其他物化性质，如活性、粘度、表面张力，也

影响熔渣对液态金属脱硫、脱磷效果。

不同的熔渣结构理论，碱度的定义和计算方法都不同:

(1)分子理论下的熔渣碱度

1).熔渣碱度: 熔渣中的碱性氧化物与酸性氧化物浓度的比值。

计算公式: 计算结果不准确: 既没有考虑到各氧化物酸、碱性强弱的差别, 也没有考虑酸性和碱性氧化

物形成中性复合物的情况。

2).氧化物的酸性(或碱性)由强至弱:

酸性氧化物: SiO 2、TiO 2、P 2O 5等

碱性氧化物: K 2O 、Na 2O 、CaO 、MgO 、BaO 、MnO 、FeO 等

修正的碱度计算公式:

式中: 各化合物的浓度以质量百分数计。

碱性渣: B 1>1, 酸性渣: B 1<1, 中性渣: B 1=1

(2) 离子理论下的熔渣碱度

1).熔渣碱度: 液态熔渣中自由氧离子(或氧离子的活度 )的浓度越大, 其碱度越大。(自由氧离

∑∑=酸性氧化物的摩尔分数

碱性氧化物的摩尔分数

B )

ZrO TiO O Al (005.0SiO 017.0)FeO MnO (007.0)O Na O K (014.0CaF 006.0MgO 015.0CaO 018.022*******+++++++++=B