第09讲_焊接冶金学课件.ppt

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1、30,1,第三章 焊接冶金学,第09讲,30,2,上讲回顾,焊接冶金过程的特点焊接过程中对金属的保护焊接化学冶金反应区及其反应条件焊接工艺条件与化学冶金反应的关系焊接化学冶金系统及其不平衡性,30,3,3.2 焊接熔渣,焊接过程中焊条药皮或焊剂熔化后，在熔池中参与化学反应的熔融状态的非金属物质称为焊接熔渣。熔渣与液体金属接触发生的一系列物理化学反应，决定着焊缝金属的成分和性能。,30,4,机械保护作用 焊接时液态熔渣覆盖在熔滴和熔池表面，把液态金属与空气隔开，保护液态金属不被氧化和氮化。熔渣凝固后形成渣壳覆盖在焊缝金属上也使高温焊缝金属不受空气侵害氧化。,焊接熔渣的作用：,30,5,改善焊接工

2、艺性能作用 在熔渣中加入低电离电位物质，可使电弧容易引燃、稳定燃烧，减少飞溅；适当调整熔渣成分，以获得合适的熔渣粘度和脱渣性，使焊接操作更方便，改善焊缝成形等。冶金处理作用 在高温下熔渣与液态金属接触便产生一系列冶金反应，从而影响焊缝金属的成分，改善焊缝的性能。通过熔渣可以去除焊缝中的有害杂质，如脱氧、脱氢、去硫、去磷等，还可通过熔渣向焊缝金属过渡有益的合金元素。,30,6,焊接熔渣按其成分及性质可分成三大类，见下表：,实际的熔渣是多种化合物组成的复杂系统，为了研究方便，往往把复杂系统中含量少，影响小的次要成分舍去，简化成由含量多、影响大的成分组成的渣系。,30,7,3.2.1 熔渣的碱度 熔

3、渣的碱度是表征熔渣碱性强弱程度，是熔渣的重要化学性质之一。它既对熔渣的冶金性质发生影响，也对熔渣其他性质如活性、粘度和表面张力等有影响。不同的熔渣结构理论，对碱度的定义和计算方法是不同的。,30,8,一、氧化物的分类 熔渣分子理论将焊接熔渣中的氧化物性质分为三类：酸性氧化物 按酸性由强至弱有：SiO2、TiO2、P2O5等碱性氧化物 按碱性由强至弱的顺序有：K2O、Na2O、CaO、MgO、BaO、MnO、FeO等；中性氧化物 主要有：Al2O3、Fe2O3、Cr2O3等，这些氧化物在强酸性渣中常呈弱碱性，在强碱性渣中常呈弱酸性。,30,9,二、熔渣碱度的计算分子理论对熔渣碱度B1的定义为：,

4、碱度B1的倒数为酸度。理论上，当B11时为碱性渣；B11时为酸性渣；B1l时为中性渣。实际上按上式计算并不准确，根据经验B11.3时，熔渣才是碱性的。这是因为式中没有考虑各氧化物酸、碱性的强弱程度，也没有考虑酸、碱氧化物的复合情况，故只能作粗略计算并加以修正。,30,10,经修正后比较精确的计算公式如下：,式中各成分均以质量分数计，则B1l 碱性渣B11 中性渣B11 酸性渣 用修正后的计算公式计算低氢型焊条和HJ251焊剂的熔渣是碱性的，符合实际情况。,30,11,离子理论的表达式 离子理论把熔渣中自由氧离子（即游离状态的氧离子）的含量（或氧离子的活度）定义为碱度，用B2表示。渣中自由氧离子

5、的含量越大，其碱度越大。最常用的碱度表达式：,式中 Mi 渣中第i种氧化物的摩尔分数；ai 渣中第i种氧化物的碱度系数。,一般 B20 碱性渣 B20 中性渣 B20 酸性渣,30,12,熔渣的碱度因焊条药皮或焊剂类型不同而异：一般实际焊接时只有低氢型焊条和焊剂HJ251的熔渣是碱性，其他熔渣均为酸性，故可把熔渣归纳为两大类，即酸性渣和碱性渣，与之相应的焊条和焊剂也分为酸性和碱性两大类，由于熔渣的酸、碱性不同，其冶金性能，工艺性能和焊缝金属的化学成分与性能也有显著差别。,30,13,3.2.2 熔渣的物理性能 一、熔渣的粘度 粘度是液体内部发生相对运动时所产上的摩擦力，反映了质点在液体内部移动

6、的难易程度。熔渣的粘度对焊接工艺性能、化学冶金反应有很大影响。熔渣的粘度取决于熔渣的结构，结构越复杂，离子尺寸越大，熔渣质点移动越困难，其粘度就越大。影响熔渣结构的因素是熔渣的成分和温度。,30,14,熔渣成分对粘度的影响 在熔渣中加入能促使形成粗大阴离子的物质，可使粘度增大；加入阻碍形成粗大阴离子的物质可以降低熔渣的粘度。SiO2易与O2合形成粗大阴离子，故在酸性渣中加入SiO2会迅速提高熔渣粘度。若加入能产生O2的碱性氧化物，如CaO、MgO、MnO、FeO等，就能破坏Si-O离子键，使阴离子尺寸变小，因而可降低粘度。,30,15,在碱性渣中若加入高熔点的碱性氧化物，如CaO，则可能出现未

7、熔化的固体质点而使渣的流动阻力增大。使熔渣粘度升高。这时若加入SiO2，它与CaO形成低熔点的硅酸盐，又可使渣的粘度下降。CaF2能促进CaO的熔化，所产生的F又能起到O2的作用，使阴离子尺寸变小，所以把它加到酸性渣或碱性渣中都可降低粘度。,30,16,温度对熔渣粘度的影响 温度升高熔渣的粘度下降，如图。但碱性渣和酸性渣下降的趋势不同。在含SiO2较多的酸性渣中，复杂Si-O离子较多，随着温度升高，Si-O极性键逐渐断开，出现尺寸较小的Si-O离子，因而粘度逐渐下降。碱性渣中离子尺寸小，易于移动。当高于液相线时，粘度迅速下降，当温度低于液相线时，渣中出现细小的晶体，其粘度迅速增大。,图 熔渣粘

8、度与温度的关系1碱性渣2含SiO2多的酸性渣,30,17,从图看出，当两种渣的粘度都变化时，含SiO2多的酸性渣对应的温度变化T2大，即凝固时间长，故称长渣。这种渣不适于仰焊。碱性渣对应的T1小，即凝固时间短，故称短渣。这种渣适于全位置焊接。焊接钢材用的熔渣粘度，在1500左右时，为0.10.2Pas比较合适。,30,18,二、熔渣的表面张力 焊接熔渣的表面张力指的是气相与熔渣之间的界面张力，对熔滴过渡、焊缝成形、脱渣性以及冶金反应都有重要影响。熔渣的表面张力主要取决于熔渣组元质点间化学键的性质和温度。键能越大，其表面张力也越大。金属键的键能最大，故液体金属的表面张力最大；具有离子键的物质，如

9、CaO、MgO、FeO、MnO等键能比较大，它们的表面张力也较大；具有共价键的物质，如TiO2、SiO2、P2O5等，键能小，其表面张力也小。,30,19,在熔渣中加入酸性氧化物，如TiO2、SiO2等，能使表面张力减小；加入碱性氧化物如CaO、MgO、MnO等，可增加表面张力。CaF2也能降低熔渣的表面张力。温度升高可使熔渣表面张力下降，因为高温离子半径增大，综合矩减小，同时也增大离子之间的距离，减弱了离子之间的相互作用力。,30,20,三、熔渣的熔点熔渣熔点对焊接工艺性能和焊接质量的影响：当熔渣的熔点过高时，会比熔池金属过早开始凝固而不能均匀覆盖于熔池金属表面，导致保护效果下降，焊缝成形差

10、，其至形成夹杂。若熔渣熔点过低，熔池金属开始凝固时，熔渣仍处于流动状态，也无法保证焊缝表面成形。焊接熔渣的熔点要与焊丝和母材的熔点相匹配，控制在合适的范围。焊钢时，熔渣的熔点应在11501350之间。,30,21,熔渣的熔点取决于组成物的种类、数量和颗粒度：当熔渣中低熔点组成物含量高，其熔点就低。高熔点组成物含量多，颗粒度越大时，其熔点也越高。根据渣系相图、调整组成分的种类和配比，使之形成低熔点共晶或化合物，可降低其熔点。,30,22,四、熔渣的导电性 固态熔渣不导电，液态熔渣有导电性，且取决于熔渣的成分和温度。一般，碱性氧化物如SiO2、MgO等，可增加熔渣的电导率，而酸性氧化物，如SiO2、Al2O3等，可降低电导率。由于温度升高会使渣中离子的尺寸变小，活动能力增强，故使熔渣的电导率增大。,