合金元素对焊接性的影响

如何评价合金元素对低合金钢焊接性的影响1、碳0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金构造钢，含碳0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀力量，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。2〔S0.15－0.300.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著1.0－1.215－20%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅1－4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。3、锰M：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－0.500.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不16MN钢比A34011－14%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀力量，降低焊接性能。4、磷：在一般状况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接0.045%，优质钢要求更低些。、硫S：硫在通常状况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延0.0550.040%。在钢中参加0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。6、铬C：在构造钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，耐热钢的重要合金元素。7、镍(NI)：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀力量，在高温下有防锈和耐热力量。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量承受其他合金元素代用镍铬钢。8、钼(MO)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保钢中参加钼，能提高机械性能。还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。9、钛(TI)：钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬189适当的钛，可避开晶间腐蚀。10、钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀力量。11、钨(W)：钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有具及锻模具用。12(NB抗氢、氮、氨腐蚀力量。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。13、钴(CO)：钴是稀有的贵重金属，多用于特别钢和合金中，如热强钢和磁性材料。14、铜(CU)：武钢用大冶矿石所炼的钢，往往含有铜。铜能提高强度和韧0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响。15、铝(AL)：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中参加少量的铝，可细化晶粒，08AL钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。16(B17、氮(N):氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。18(XT57-7115元素。这些元素都是金属，但他们的氧化物很象“土”，所以习惯上称稀土。钢中参加稀土，可以转变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质，从而改善了钢的各种性能，如韧性、焊接性，冷加工性能。在犁铧钢中参加稀土，可提高耐第三单元焊接冶金学习目标：焊接冶金主要争论在各种焊接工艺条件下，冶金反响和焊缝金属成分、性能之间的关系及其变化规律。通过本单元的学习，了解焊接冶金的特点及作用、焊接冶金对焊接接头组织和性能的影响，生疏焊接冶金过程的一般规律，把握各种有害元素对焊缝金属的作用及掌握方法。1焊接时焊缝金属的保护金属的组织和性能。下面将介绍焊接过程中保护焊缝金属的必要性、保护方式和效果及其对焊缝金属性能的影响。保护焊缝金属的必要性假设电弧焊时承受光焊丝进展焊接，电弧电弧燃烧的稳定性将变差、焊条易粘钢板，操作困难，焊条的工艺性能不好。即使用直流电源焊接，电弧仍旧很不稳定，且飞溅严峻，因而焊缝成型很差，并有很多的气孔。同时焊缝金属的成分和性能与母材和焊丝比较，发生了很大的变化。由于溶化金属和它四周的空气剧烈地相互作用，使焊缝中的氧与氮的含量大大增加，有益的元素Mn、Si大大减小，力学性能亦随之恶化，塑性和韧性急剧下降，见表3-13-2。分析对象3-1WC用不同焊条焊接时低碳钢焊缝的化学成分化学成分〔质量分数，%〕Wsi W W WMn N OWH焊芯0.130.07 0.66 0.005 0.0210.0001低碳钢母材0.200.18 0.44 0.004 0.0030.0005焊缝金属用光焊丝0.030.020.200.140.210.0001用酸性焊0.060.070.360.0130.0990.0009条用碱性焊0.070.230.430.0260.0510.0005条表3-2用光焊丝焊接时低碳钢焊缝金属的性能性能性能金属母材390~400焊缝324~390伸长率伸长率δ〔%〕冷弯角α〔〕冲击韧度α/〔J·cm-2〕K25~30180>1475~1020~404.9~24.5上述一一系列现象的产生主要是由于用光焊丝焊接时，熔化金属与空气直接接触，在高温下熔化的金属与侵入到焊缝金属中的氧、氮等发生了剧烈的反响所造成的。因此，用光焊丝焊接的焊接构造的性能不能满足使用的要求，而没有任何的有用价值。保护方式及效果各种焊接方法其焊缝金属的保护方式不同。每种保护方式也各有其特点和效果。焊条电弧焊和要这些物质熔化以后形成的熔渣掩盖在熔滴和熔池的外表上，从而将焊缝金属与空气隔开。熔渣凝固后，在焊缝上面形成渣壳，可以防止处于高温的焊缝金属与空气接触。同时造气剂〔主要是有机物、碳酸盐等〕受热分解，析出大量气体，这些气体在药皮套筒中被电弧加热膨胀，从而形成定向气流吹向熔池，对焊接区域实现保护的过程，焊缝金属的保护效果一般用焊缝金属中的氮含量来衡量。0.0100.014〔低碳钢板为0.004，3-3。表3-3各种焊接方法的保护方式保护方式熔渣保护气体保护气渣联合保护真空自保护

焊接方法2埋弧焊、电渣焊、不含造气物质的焊条或药芯焊丝焊接在惰性气体或其他气体〔如CO、混合气体〕保护中焊接、2气焊具有造气物质的焊条或药芯焊丝焊接真空电子束焊接用含有氧、脱氮剂的“自保护”焊丝进展焊接埋弧焊是指利用焊机熔化以后形成的熔渣隔离空气保护焊缝金属的。在焊接过程中，电弧在焊剂层下利用熔化的焊剂所围成的封闭的空腔内燃烧，焊剂的保护取决于焊剂的粒度和构造。焊缝金属0.002%～0.007%，保护效果优于焊条。气体保护的焊接方式是利用包围在焊接区域的气体将焊缝金属与空气隔离开，其保护效果取决于气体的纯度、焊炬的构造、气体的特性等因素。一般来说。这种保护效果是比较好的，适用于各个位置和各种金属材料的焊接。0.01Pa〔≈10-4Torr〕的真空室内进展焊接的，保护效果最好，可以把氮、氧的有害作用降到最低限度。自保护焊是利用含有脱氧剂和脱氮剂的特质光焊丝在空气中进展焊接的一种方法，焊接时，焊丝中的脱氧剂和脱氮剂进入进入熔池进展脱氧、脱氮。自保护焊丝的保护效果较差，焊缝金属的塑性和韧性偏低，所以目前在生产中很少使用。目前关于隔离空气的问题已根本解决。但是仅仅机械地报复溶化金属，在有些状况下仍旧无法得到合格的焊缝成分。如在很多状况下焊条药皮或焊剂对金属有着不同的氧化作用，而使焊缝中的氧含量增加；有些状况下还要求对焊缝的化学成分进展必要的调整。因此，在机械保护的同时，还需要对熔化的金属进展必要的冶金处理，即通过调整焊接材料的成分和性能来掌握冶金反响的进展，从而获得预期的焊缝成分。2焊接冶金反响区的特点焊接化学冶金反响的重要特点之一是：反响是分区域〔或阶段〕连续进展的，且各区的反响条件〔反响物的性质和浓度、温度、反响时间、相接触的面积、对流和搅拌运动等〕有较大的差异，这就会影响到反响进展的可行性、方向、速度和限度。---熔化金属、熔渣和电弧气氛。不同的焊接方法，参与反响的相是不同的。焊条电弧时三个反响相都存在。因此焊条电弧焊时。只有熔滴反响区；熔化极气体保护焊时，只有熔滴反响和熔池反响区。不加填充金属的气焊、钨极氩弧焊和电子束则只有熔池反响区。现以焊条电弧焊为例，说明各个反响区的特点及相互联系。三个反响区的划分如图3-1所示。3-1焊接冶金反响区的特性药皮反响区的特点药皮反响区的温度范围从10°C至药皮的熔点〔钢焊条约为120C。当药皮加热温度到达°C时，焊条端部的固态药皮中就开头发生物理化学反响，主要是水分的蒸发、某些物质的分解和铁合金的氧化。药皮加热温度超多100°C时，药皮中的吸附水文开头蒸发；温度超过200°C时假设药皮中含有机物〔木粉、纤维素、淀粉〕CO和H等气体；温度超过2 2300°C时药皮内的组成物中的结晶水开头蒸发。温度连续上升，药皮中的碳酸盐将分解为低价氧化物，伴随产生大量的COO。其反响式为2 2MgCO→MgO+CO3 2CaCO→CaO+CO3 22MnO→2MnO+O2 22FeO→4FeO+O23 2上述反响析出的大量气体〔HO、CO、O〕,一方面对熔化金属起到机械保护的作用，另一方面对2 2 2金属和药皮中的铁合金〔如猛铁、硅铁、钛铁等〕有很大的氧化作用，将合金元素氧化。例如：Mn+1/2O=MnO2Mn+CO=MnO+CO2Mn+HO=MnO+H2 2上述反响的结果使气相的氧化性大大下降。这个过程即是所谓的“先期脱氧变焊接去气氛的性质。几种类型焊条的焊接区气氛的组成数据见表3-4，这是在高温时抽样而在常温下分析的结果虽然与高温的实际状况有所出入，但大体可以反响焊接区高温时气氛的性质。药皮反响区进展的反响属于整个冶金过程的预备阶段，其产物就是熔滴与熔池反响区的反响物，故对冶金全过程有肯定的影响。焊条电弧焊时参与冶金反响的气体，大局部是这个阶段产生的。表3-4几种类型的焊接区气氛组成〔体积分数〕分析例如(%)药皮类型钛钙型药皮类型钛钙型钛铁矿型低氢型CO50.748.179.8CO25.94.816.9H237.736.61.8HO25.710.51.5110°C×2h。熔滴反响区的特点从熔滴形成、长大，到过渡到熔池之前都属于熔滴反响区。熔滴反响区除了液体金属外，布满了药皮反响区分解的气体与可能参入的少量空气。同时，一局部熔化的药皮包围在熔滴外表并与熔滴金属混合，随熔滴一起过渡。熔滴反响区的特点如下：1熔滴的温度过高，熔滴反响区是焊接区温度最高的局部，如钢质焊条熔滴金属的温度可接近钢的沸点〔约为280C2触面积大；3作用时间短，熔滴在焊条末端停留的时间只有0.01～0.1s，而通过弧柱区的时间更短，只有0.0001～0.001s，熔滴反响区的反响主要在焊条端部进展；4液体金属与熔渣发生猛烈的混合。熔滴在形成、长大和过渡时，尺寸与外形不断转变，其局部外表被拉长或收缩。依据以上的特点可以看出，熔滴反响区是焊接冶金反响最为剧烈的部位，主要是的物理化学反响有：金属的蒸发，气体的分解与溶解，熔渣中某些氧化物的分解，金属的氧化、复原以及金属的合金化等。其中很多反响几乎可以到达很完全的程度，对焊缝的成分影响最大。熔池反响区的特点熔池反响区对焊缝金属的化学成分具有打算性的作用。与熔滴反响区相比，二者反响条件有较大的差异。熔池的平均温度较低，比外表积也比熔池小得多，而反响的时间较长，如焊条电弧焊为3～8s，埋弧焊为6～25s。熔滴进入熔池后，即熔化的母材混合并一起向熔池的尾部和四周运动。不仅熔池内部有相对运动，而且在熔渣与金属之间也有相对运动，这些对提高反响速度、促使一些不溶于液体金属的气体和夹渣的浮出都是有利的。如前所述，熔池的头部和尾局部别处于升温顺降温的过程。因此，同一时间，在熔池头、尾部则可能分别发生相反的冶金反响过程。如熔池头部有利于气体的溶解、吸热复原反响的进展、而尾部则有利于气体的析出、放热的氧化反响的进展。见表3-5药皮元素元素损失占原始含量的百分比〔%〕药皮元素元素损失占原始含量的百分比〔%〕总损失量熔滴中损失量熔滴中损失量赤铁矿C87.5807.5Mn97970K=0.5bSi98.398.3080%C40301020%Mn47.229.218K=0.27bSi7547.527.53焊接参数对焊接冶金的影响焊接冶金过程的另一个特点是它与焊接参数有亲热的联系。实际生产中，由于母材成分、产品的构造尺寸、接头形式、焊缝分布等条件不同，焊接参数将在很大范围内变化，而这些变化将从以下几方面对焊接冶金过程发生影响。焊接参数对熔合比的影响一般熔焊时，焊接金属是有填充金属〔焊条金属、焊丝等〕和局部熔化的母材组成的。在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比，熔合比是数值可以用试验的方法来测得。熔合比的数值取决于焊接方法、标准、接头形式、坡口角度、药皮皮和焊剂的性质以及焊条〔焊丝〕的倾角等因素。熔合比与焊缝金属中某合金元素B的质量分数之间的关系可表示为ω =θω +〔1-θ〕ω (3-1)wB bB dB式中 ω 某元素B在焊缝中的质量分数；wBω 某元素BbBω 熔敷金属中某元素BdBθ 焊缝金属中的熔合比。由上式可以看出，通过转变熔合比可以转变焊缝金属的化学成分。而熔合比随焊接参数变化。一般来说，θ值随焊接电流的增加而增加，随电弧电压、焊接速度的增加而减小。例如堆焊时，总是调整焊接参数使熔合比尽可能地小，一削减母材成分对堆焊层性能的影响。在焊接异种钢时，熔合比对焊缝成分和性能影响更大，因此要依据熔合比选择焊接材料。焊接参数影响冶金反响的条件和作用时间首先，焊接参数对过渡特性有影响，熔滴过渡形式不同，其主要的特性参数将不同，从而使其比外表积、过渡周期〔或频率〕发生转变，引起冶金反响程度的变化。试验说明，熔滴阶段的反响时间〔熔滴存在的时间〕随着电流的增加而变短，随着电弧电压的增加而变长。因此可以断定反响进展的完全程度将随着电流的增加而减小，随着电弧电压的增加而增大。焊接参数影响参与冶金反响的熔渣量焊条电弧焊时，药皮质量系数与焊接参数无关，焊接参数的变化只是转变了熔滴过渡的特性和熔合比，因此，对焊缝成分的影响相比照较小。埋弧焊时，焊接参数可以在很宽的范围内变化，这不仅时熔滴过渡的特性和熔合比有很大的变化，而且使焊剂的熔化率发生和熔合比有很大的变化。例如，增加焊接电流使焊剂熔化率减小，而增加电弧电压使其显著增大。熔化率的变化意味着与金属相互作用的熔渣质量是波动的。因此，埋弧焊时焊接参数对焊缝成分的影响就更大。综合学问模块二气相对焊缝金属的作用1焊接区内的气体在焊接过程中，焊接内布满大量的气体，这些气体不断的与人的熔滴金属、熔池金属发生冶金反响，从而影响焊缝金属的成分和性能。因此必需首先了解焊接区内气体的来源、成分和数量，才能进一步争论它们与熔化金属的与哦用问题。焊接区内的气体来源于以下几个方面。焊接材料焊条药皮、焊剂和焊丝药芯中含有的造气剂、高价氧化物和水分都是气体的重要来源。这些造气要来源自所承受的保护气体及其杂质〔如氧、氮、水气等。在一般的状况下，母材和焊丝中因冶炼而残留的气体是很少的，对气相的成分影响不大。热源四周的气体介质药皮或焊剂中的造气剂所产生的气体并不能完全隔热源四周空气的入侵。焊接过程中因某些因素的变化而使得焊接时的保护效果变差，空气也有可能空气也有可能进入都焊缝金属中。焊条电弧焊时，堆焊金属中常含有质量分数大约为0.025%的氮〔空气是氮的主要来源〕就证明白这一点。焊丝和母材外表上的杂质如焊丝外表上和母材坡口附件的铁皮、油污、铁锈、油漆、吸附的水分等，在焊接高温加热时也会析出气体进入电弧区。高温蒸发所产生的气体电弧区的温度很高，到达了金属和熔渣的沸点，使局部金属和熔渣蒸发，以气体的形式存在于电弧的气相中。焊接时，气相的成分、数量随焊接方法、标准、药皮或焊剂的种类不同而变化〔见表3-4。用酸性焊条焊接时，气相的主要成分是CO、HHO，此外还含有少量的COON和金属蒸气。低碳型2 2 2 2 2CO、CO组成的，含HO、H很少。埋弧自动焊时，气相的主要成2 2 2CO和H，而ONH2 2 2 2进入焊接区内的气体，在电弧的高温作用下还将发生分解，其中某些气体还能发生电离。如前所示，焊接区内的气体是由CO、HHO、CO和少量的氮，这些气体在高温时将分解出肯定的2 2 2氧，以及他们分解或电离的产物所组成的混合物。下面主要争论氢、氮、氧三种气体对金属的作用，它们与金属的作用对焊缝质量的影响极大。力量学问点2 氢对金属的作用及其掌握焊接时，氢主要来源于焊条药皮、焊接、焊丝药芯中的水分，药皮中的有机物，焊件和焊丝外表上的杂质〔如铁锈、油污，空气中的水分等。在气体保护焊时，还来自保护气体中的水分。氢在金属中的溶解水蒸汽不溶解于液体铁中，但在焊接高温条件下将分解为H和O，H分子进一步分解为氢原子和2 2 2氢离子。H2=2H-432.9kJ/molH2=H+H+e+-1745kJ/mol从分解的热效应来看，分子氢分解为原子氢的可能性比分解为质子氢的可能性大，也就是说，气相中质子的数量不大。在弧柱中〔>5000>902023k氢向金属中溶解的机理在不同的状况下是不同的。在气体保护时，氢可以直接在金属的外表上以原子或质子的形式溶入金属。在具有熔渣保护时，氢向金属中溶解是通过熔渣层进展的。在熔渣保护的条件下，熔渣本身具有肯定的溶解氢的力量，溶解在熔渣中的氢大局部以OH-与Fe2+通过交换电子生成氢原子进入金属液体。Fe2++OH-=[Fe]+2p[O]+2[H]除此之外，溶解在渣中的一局部原子氢可以通过对流或搅拌作用而到达金属的外表上，然后溶入金属中。依据氢与金属的作用特点，可以把金属分为两类：第一类是能形成稳定的氢化物的金属，如Zr、Ti、V、Ta、Nb等。这些金属在吸取氢不多时，与氢形成固溶体；在吸取氢较多时与氢形成氢化物。在温度300～700°C的范围内，这些金属在固态下可吸取大量的氢；再上升温度，则氢化物分解，由金属中析出氢气，其氢含量下降，因此，这类金属及合金焊接时，必需防止在固态下吸取大量的氢，否则将严峻影响金属的性能。其次类是不形成稳定的氢化物的金属，如Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等。但氢可以溶解于这类金属及其合金中。氢溶解于固态或液态金属时，首先分解为原子，然后溶解，其过程可表示1/2H2=[H]到达平衡时，铁溶液中氢原子的浓度与气相中氢的分压之间的关系听从平方根定律。即CPH2[H] PH2H式中 C 铁液中氢原子的溶解度〔即平衡浓度；[H]P 平衡时气相中氢的分压；H2K 平衡常数。HP1P12*HC K[H] H

(3-2)式中P 原子和分子氢的分压；2*Hα 给定温度下氢的分压;K 平衡常数。H由此可见，氢在金属中的溶解度与氢的存在状态有关系。此外，合金元素对氢在铁中的溶解度也有很大的影响〔见图3-。同时，氢的溶解度还与温度有关，如图3-3所示。当固态铁在临界温度发生晶格构造的变化时，氢的溶解度也要发生突变，氢在面心立方体晶格中的溶解度大于在体心立方晶格中的溶解度。3-21600°C图3-3氢、氮在铁中的溶解度与温度的关系P PN@ Fe

1013kPa氢在金属中的集中在钢焊缝金属中，氢大局部是以H、H+或H-形式存在的。H的原子和离子半径很小，它们与焊缝金属形成间隙固溶体。其中一局部氢可以在焊缝金属晶格中的自由集中，称为集中氢。还有一局部氢集中聚拢到金属的晶格缺陷、显微裂纹和非金属夹杂物边缘的空隙中，结合为氢分子，因其半径增大，不能自由集中，称为剩余氢。在锆、钛等金属及其合金的焊缝中，氢主要是以氢化物的形式存在。因氢在集中过程中总有一局部要转变为剩余氢，还有一局部集中带焊接以外的空间，所以焊缝金属中的总的氢的含量是指焊后马上进展测定所得的氢化物。为了使测定的结果准确，忠厚必需马上马上试件进展急冷，并按统一标准进展操作。氢对焊接质量的影响氢还是原性气体，焊接时有助于减小金属氧化的倾向。在氩弧焊高合金钢时，参加少量的氢可以改善焊接工艺性能。但在多数状况下，氢的有害作用可分为两种类型：一种是暂态现象，包括氢脆和白点，这种现象通过相应的热处理或时效处理，使氢自焊件中逸出，即可消退；另一种是永久现象，它们一经消灭就无法消退，如气孔、裂纹等。〔1〕氢脆金属在室温时因吸取而导致塑性降低的现象叫做氢脆。氢对钢的力学性能的影响很特别，试验说明，氢对钢的屈服强度与抗拉强度设计没有明显影响；而塑性，特别是断面收缩率，则随氢含量的增加而急剧下降，见表3-6。抗参氢及900抗参氢及900°C10%的溶液中酸洗渗氢10h后时效脱氢100°C200°C拉实验σ/MPsaσ/MPbaδ(%)ψ(%)退火0.5h1h3h5h10h0.5h3h10h0.5h3h10h1h256.264.266.269.269.269.266.252.257.247.253.252.765555586988366.370.372.370.372.372.372.368.366.364.364.360.54444444454634.028.225.422.419.318.920.926.929.731.333.935.072.865.153.540.329.628.037.056.767.663.570.072.0结果形成显微空腔。与此同时，溶解在晶格中的原子氢不断地沿着位错运动的方向集中，最终聚集到显微空腔内，结合为氢分子。这个过程的进展使空腔内产生很高的压力，导致金属脆变。氢脆的一个重要特点是，它与试验温度和试验时的应变速度有关。在室温范围，氢脆表现明显没试验温度较高或很低时，都不会消灭氢脆。氢脆的程度还随试验时的应变速度提高而减小。此外，氢脆的程度还与钢的强度和晶格构造有关一般来说，钢的氢脆敏感性随强度的提高而加大，在各种晶格构造中，马氏体的强度最高，因此其氢脆敏感性最高。而氢在奥氏体中的溶解度虽比在铁素体中高，但氢脆并不显著。(2)白点在碳钢或低合金钢焊缝中。假设氢含量高，则常常在其拉伸或弯曲试件的断面上，消灭银白色圆形局部脆断点，称为白点。白点的直径一般由零点几毫米到几毫米，其四周为韧性断口，用肉眼即可区分。在横向腐蚀片上，表现为瘦长、弯曲的裂纹，呈放射状或无规章分布。假设焊缝金属中有产生白点的倾向，则其塑性将大大下降。焊缝金属中产生白点的敏感性与氢含量、金属的组织和变形速度等因素有关。碳钢和用Cr、Ni、Mo等元素合金化的焊缝，尤其是这些元素含量较高时，对白点很敏感。而纯铁素体和铬镍奥氏体焊缝不消灭白点。关于产生白点的缘由说法很多。依据公认的“诱捕理论”可解释如下：在金属塑变过程中，小夹杂物边缘的空隙和气孔像“陷阱”一样，可以捕获原子氢，并在其中结合为分子氢。由于“陷阱”内的压力不断增大，最终导致局部脆断。气孔假设熔池中溶解了大量的氢，在冷却凝固过程中，由于其在固态金属中的溶解度比在液态金属中的溶解度小很多，过饱和的氢将由固相向液相中聚拢。这时，局部原子氢结合为氢分子，进而形成气泡，而气泡在金属凝固前来不及逸出，就会在焊缝中形成气孔。冷裂纹在焊接接头中，冷焊缝是危急性极大的一种焊缝缺陷，而氢是促使冷裂纹产生的主要缘由之一。这将在焊接裂纹模块中特地争论。掌握氢的措施〔1〕限制焊接材料中的氢含量在焊条药皮、焊剂和焊丝药芯的制造材料中，如有机物、自然云母、白泥、长石、水玻璃、铁合金等，都不同程度的含有吸附水、结晶水、化合水或溶解的氢。在焊接高温加热时，这些物质将会分解为氢而溶入到焊缝金属中，危害其性能。因此，制造低氢和超低氢〔[H]<1cm3/100g〕型焊条和焊剂时，应尽量选用不含或含氢少的材料。为了削减焊接材料中的水分，在生产中常常承受两方面的措施：一是焊条、焊剂在使用之前必需进展烘干，这是生产上最有效的方法。试验说明。上升烘干温度可大大降低焊缝金属的氢含量〔图3-影响它本身的保护作用。不同牌号的焊条，其烘干温度和时间都有明确的规定，如低氢型焊条为350～450°C,钛钙型焊条为150～200°C。焊条、焊剂在烘干后应马上使用，否则在放置过程中将连续吸潮、烘干后未用的焊条、焊剂最好在100～150°C的条件下存放。二是在存放焊接材料时，加强防潮措施。避开焊接材料在放置过程中吸附水分。3-5烘干温度与焊缝氢含量的关系除此之外，气体保护时，所用的保护气体中常含有水分，该水分进入焊缝金属中也将影响其性能，因此，在气体保护焊时必需严格掌握保护气体中的含水量，必需时承受脱术或枯燥措施。例如，在在二氧化碳气体保护焊时，CO2气体在输送到焊接区之前应进展枯燥处理。去除焊件和焊丝外表的杂质焊件坡口及焊丝外表的氧化膜、铁锈中的吸附水和化合水，以及油污、水渍等是焊缝金属中氢的又一主要来源。因此，焊前应认真进展清理。为了防止焊丝生锈，很多国家都实行了外表镀铜处理。进展冶金处理即通过焊条药皮和焊剂的冶金作用，转变电弧气氛的性质，抑制原子氢的产生，从而使气相中氢的分压下降，最终到达降低氢在液体金属中的溶解度的目的。降低氢的分压最有效的方法是设法使氢转化为不容于金属的、稳定的氢化物。在高温下，OH及HF都很稳定，要到4000K才开头分解〔见图3-，而且均不溶于液态铁中。3-6HHO、OH、HF2 21〕在药皮和焊剂中参加氟化物。试验说明，在高硅高锰焊剂中参加适当比例的CaF2

SiO2存时，可进展如下反响：2CaF+3SiO=2CaSiO+SiF2 2 3生成的SiF4

沸点很低9C，它将以气态存在，并与气相中的原子氢和水蒸气发生反响：SiF+3H=SiF(气体)+3HF4SiF+2HO=SiO+4HF4 2 2生成的HF集中到大气中，因而能够降低焊缝中的氢含量。FeMn分解出O，通过O+H=OH起到去氢的作用，另一方面增加了焊接熔池的氧化性，使液体金属中氢的溶解度降低。熔敷金属中氢和氧的含量与药皮中氧化铁数量的关系如图3-7所示。图中Ⅱ区是药皮中氧化铁的最正确含量区，在此区内氢和氧的含量都处于较低水平。低氢型焊条中的碳酸盐，分解后说形成的Co可与氢原子直接作用而生成OH，起到脱氢的作用。2COCoCO2 2 2弧焊时，为了消退氢气孔，改善工艺性能，常在氩气中参加5%左右的氧或CO，就是以此为理论依2据的。熔滴吸取的氢的含量增加；增加电弧电压使焊缝氢含量减小。气体保护焊时，射流比例过渡比滴装过渡时熔滴中的氢含量降低。由于射流过渡时金属的蒸汽压急剧增大，使氢的分压大大下降；同时由于过度频率高，使熔滴与氢的接触时间缩短。电弧焊时，电流种类和极性对焊缝氢含量也有影响，如图3-8所示。焊速对焊缝中的总的氢含量没有明显影响，但对集中氢[H]D与氢总量[H]的比值有很大影响。例如，当焊速由10cm/min60cm/min[H]D/[H0.720.46。3-8电流种类和极性对焊缝氢含量的影响〔T4303〕焊后脱氢处理脱氢处理是指利用氢的集中力量,焊后加热焊件，促使氢集中逸出，从而削减3-9350°C1h，几乎可将集中氢直接去除。在生产上，对于易产生冷裂纹的焊件，常常要求脱氧处理，一般是加热到300～400°C，保温假设干小时。3-9焊后脱氢处理对焊缝含氢含量的影响理的效果不是很好，也是不必要的。综上所述，对氢的限制应以防为主。首先应限制氢及水分的来源；其次应尽量防止氢溶入金属；最终氢一旦进入金属可进展脱氧处理。3氢对金属的作用及其掌握气相中的氮的主要来源于焊接区四周的空气，即使在较好的保护条件下焊接，仍有少量的氮侵入焊接区，与熔化金属发生作用。Fe、Ti、Mn、Si、Cr等金属，既能溶解氮，又能与氮形成氮化物。在焊接这类材料时，必需设法防止氮的有害作用。氮在金属中的溶解在电弧高温作用下，氮分子将分解为氮原子。N2=2N-711.4kJ/mol氮的分解度与温度有关，如图3-10所示。氮分解时需要更高的能量，在5000k时，氮的分解度只20%左右。因此，在焊接条件下，氮大局部以分子的形式存在。界面上运动；被熔滴和熔池前局部的金属外表吸附；在金属外表上分解为原子氮；原子氮过渡到金属的外表层内；并向金属内部集中。该反响也听从化学平衡法则。其全过程可表示为1N 2[N]2 2其平衡常数CPN2K PN2N

(3-3)或式中 铁液中氮原子的溶解度〔即平衡浓度；----------氢溶解反响的平衡常数；-----------平衡时气相中分子氢的分压。式〔3-3〕成为平方根定律，可以看出，降低气相中氮的分压可以削减金属中的氮含量。对于液态铁，与温度的关系为氮在Fe-1%中的溶解度与温度的关系如图3-3所示。可以看出，氮在液态合金中的溶解度随着温2200°C47cm3/100g(0.059%);连续上升温度，〔2750°C〕时溶解度变为零，这是由于金属的蒸气压急剧增加的结果。电弧焊时气体溶解的过程比一般的气体的溶解过程要简单得多。其特点是，熔化金属过热度大；在熔池外表上通过局部活性局部吸取气体；电弧气氛中受激的气体分子原子和气态离子增加了气体活性，使其在金属中的溶解量增加。所以电弧焊时溶化金属吸取的气体量常常超过它的平均含量〔溶解度。电弧焊时熔化金属的氮含量高于溶解度的主要缘由在于：电弧中受激的氮分子，特别是氮原子的溶解度比没受激分子要快很多；电弧中的氮离子N+可在阴极溶解，在氧化性的电弧气氛中形成NO，遇温度较低的液体金属NONO，N氮对焊接质量的影响在碳钢焊缝中，氮是有害的元素，它对焊接质量有以下几方面的影响：形成气孔氮在高温的液态金属中有肯定的溶解度，而在其凝固时氮的溶解度突然下降。速度时，氮气在焊缝结晶之前来不及逸出，就留在焊缝金属中形成气孔。3-11金属中氮含量与混合气体〔氩和氮〕中d的关系〔〕降低焊缝金属的力学性能氮是提凹凸碳钢和低合金钢焊缝金属强度、降低塑性和韧性的α-Fe的溶解度很低，仅为0.001〔质量分数性能有显著的影响。当焊缝中氮的含量超过溶解度时，其中一局部过饱和的氮就会对力学性能有显著的影响。当焊缝中氮的含量超过溶解度时，其中一局部过饱和的氮固溶于α-Fe中；另一部分则以针状氮化物〔FeN〕的形式析出于晶界或固溶体内，使焊缝金属的强度、硬度上升，而韧43-123-133-12氮对焊缝金属常温力学性能的影响3-13氮对低碳钢焊缝低温韧性的影响时效脆化氮是促使焊缝金属时效脆化的元素。焊接时，冷却速度大，氮来不及随温度的下降析出，焊缝金属中过饱和的氮处于不稳定状态。经过一段时间，过饱和的氮将以针状的Fe4N析出,导致焊缝金属脆化。在熔池中参加能形成稳定物的元素，如钛、锆、铝等，则可显著降低时效脆化的倾向。氮除了对焊缝的性能有危害作用之外，也有有利的影响。它可以作为合金元素参加钢中，而转变焊缝金属的力学性能。如低合金高强度钢中参加氮可以起到沉淀强化和细化晶粒的作用；在铬镍钢或铬镍锰钢中，氮是能提高奥氏体稳定性的合金元素；氮可以作为与其既不相溶又不形成化合物的金属焊接时的保护气体。掌握氮的措施为了消退氮的有害作用，一般实行以下的掌握措施。〔1〕加强机械保护如前所述，焊接区氮的主要来源是空气,而且空气中的氮一旦进入焊缝，产中常用的保护方法有气体保护、熔渣保护、气渣联合保护等措施。不同的保护方法有不同的保护效果，表3-7给出了不同的焊接材料和焊接方法时焊缝中氮含量的状况。3-7焊接材料和焊接方法对焊缝的氮含量的影响①焊接方法及材料光焊丝电弧焊纤维素焊条钛型焊条低氢型焊条埋弧焊

ω〔%〕N0.08～0.2280.0130.0150.0100.002～0.007

焊接方法及材料气焊熔化及氩弧焊药芯焊丝明弧焊自保护合金焊丝钛铁矿型焊条

ω〔%〕N0.015～0.0200.00680.015～0.04<0.120.014Co2

0.008～0.015①母材为低碳钢，ω；焊丝H08,ω=0.03%N N选用合理的焊接参数焊接参数对电弧和液体金属的温度，气体分解的程度及其在气相中的分压，金属与气体之间的相互作用时间和接触面积等都有很大的影响，因而也就必定影响金属的氮含量。增加电弧电压〔及增加电弧长度〕将导致保护效果变差，氮与熔滴的相互作用时间增长，故使焊缝金属的氮含量增加。在熔渣保护不良的状况下，电弧长度对焊缝质量的影响尤其显著。为削减焊缝金属中的氮含量。尽量承受短弧焊。焊接电流对焊缝中氮含量的影响与被焊材料有关。由于焊接电流增加将使熔滴的温度上升，此时对于低碳钢而言，由于氮的溶解是吸热过程，所以增加焊接电流使得焊缝中氮含量增加，假设电流过大，造成金属猛烈地蒸发，使氮的分解下降，焊缝中的氮含量又渐渐下降。掌握焊丝金属的成分增加焊丝或药皮中的碳含量可以降低焊缝中氮的含量。这是由于碳能够降低氮在铁中的溶解度；另外，碳氧化生成CO、CO,加强了对熔池的保护，降低了氮的分压。在2熔池生成的CO、CO还可引起熔池的沸腾，有利于氮的逸出，避开氮气孔的产生。2此外，钛、铝、锆和稀土元素对氮有较大的亲和力，能和氮形成稳定的氧化物，不溶于液态钢而进入熔渣，故在焊丝中参加这些元素，可增加脱氧的力量。应当指出，上述措施中最有效、最使用的是加强机械保护作用，其他措施都有肯定的局限性。力量学问点4 氮对金属的作用及其掌握氧对金属的作用〔1〕氧对焊接质量的影响由于气体和熔渣对焊缝金属的氧化，使焊缝金属的氧含量都高于母材和焊丝。无论是以固溶态或以氧化夹渣的氧，都对焊缝性能有不利的影响。1)影响焊缝金属的性能。养在焊缝中无论是以何种形式存在，对焊缝的性能均有明显的影响。随3-14所示。3-14氧对低碳钢焊缝常温力学性能的影响〔氧主要以FeO〕氧还引起热脆性、冷脆性准时效硬化。此外，氧还会使焊缝的导电性、导磁性、耐蚀性下降。导致气孔的产生。溶解在熔池中的氧与熔池金属中的碳反响，生成CO气体，而CO气体与熔池金属是不相容的，在熔池中以气泡的形式存在，如在熔池结晶时CO气泡来不及逸出，则在焊缝中形CO合金元素的烧损。在焊接高温作用下，氧使焊缝金属中有益的合金元素烧损，使焊缝的性能达不到母材的水平，此外，在焊接碳含量较高的焊材时，碳的氧化形成大量的CO。CO起金属的飞溅，影响焊接过程的稳定性，使焊接工艺性能变坏。但在某些场合下，样也有有利的一面。如在铸铁冷焊时，有意识的在药皮中参加氧化剂，以烧损多余的碳，可改善焊接工艺性能和焊接金属的成分。在焊接中，为了削减焊接的氢含量，有时在焊接材料中还需缴入少量的氧化剂。〔2〕FeO氧在铁中的溶解度也符合平方根定律：(3-4)式中 平衡常数，取决于温度和液态金属的性质;-------气相中分子氧的分压。当=1atm时，=，把与温度的试验关系代入上式，即可得到=1atm时氧在液态铁中的溶解度〔或最大溶解量〕(3-5)由上式可以看出，温度上升，氧在液态铁中的溶解度增大。在液态铁中有其次类金属元素时，随着合金元素含量的增加，氧的溶解度下降，如图3-153-15合金元素的含量对液态铁中的溶解度的影响〔1600°C〕〔3〕气相的氧化性及温度等。一种元素对氧的亲和力，可以用该元素氧化物的分解作为判据。现以金属和氧作用生成金属氧化物的反响为例，说明氧化物分解压的意义。反响一般的可表示为xMe+O=MeO2 x2式中，MeMeO分别表示金属及其氧化物。当反响到达平衡时，其平衡常数K为x2 p(3-6)式中 压力平衡常数；---------系统到达平衡时氧的分压。参加参与反响的Me和都是纯金属聚相，则、分别表示物质的饱和蒸气压，但温度肯定时都是常数。将此关系带入式〔3-6〕中得〔3-7〕式〔3-7〕说明，当平衡系统中只涉及一种气体，其余的都是分散相，则平衡时该气体分压就是只与温度有关的定值。式〔3-7〕中的Po成为氧化物MeO的分解压。也就是说，某种氧化物分解时，2 x2假设产物中只有一种气体，其余就是纯分散相，在肯定温度下，分解反响到达平衡时，气体的分压就叫做该氧化物的分解压。由于分解压实质上是一种特别条件下的平衡常数，依据质量作用定律，可以将分解压作为推断金属氧化复原反响的方向的标准。假定在金属-氧化物性气体金属氧化物系统中，气相中氧的实际分压为{},金属氧化物的分压为，则{}>时，金属被氧化；{}<时，金属被复原：{}=时，处于平衡状态。金属氧化物的分解压是温度的函数，它随温度的升价而增加〔图3-1。可以看出，除Ni和Cu外，在同样的温度下FeO的分解压最大，即最不稳定。3-16自由氧化物的分解与温度的关系〔3〕CoHO2 2等，或活性熔渣与金属相互作用实现的。熔渣对金属的氧化将在后面的章节中介绍。1〕自由氧对金属的氧化。在焊接低碳钢和低合金钢时，主要考虑铁的氧化。高温时铁的氧化物主要是FeO。铁被自由氧化的可能性取决于电弧气氛中氧的实际分压︱Po︱与FeO2分解压Po的差值。FeOPo增大，即温度越高，FeO2 2简洁分解。焊条电弧焊时，虽然取了气-渣联合保护的措施，但空气中的氧总是或多或少地侵入焊接区，药皮中的高价氧化物等物质受热分解也产生氧气，这样就使气相中自由氧的分压超FeO从反响的热效应看，原子氧对铁的氧化比分子氧对铁的氧化更剧烈。在焊接时，除铁被氧化外，钢液中的其他对氧亲和力比铁打的要元素，如C、Si、Mn等也发生氧化：Co2〔MgCO2、CaCO2等〕CO2。CO2气体保护焊时，CO3-8给出了纯CO高温分解得到2 2的平衡气相成分和气相中氧的实际分压{Po}。可以看出，在温度高于铁的熔点时，气相中的氧的实2际分压{Po}FeOPoCO对于液态铁和其他很多金属来说是活泼2 2 2的氧化剂。3-8CO分解得到的平衡气相成分2温度/K180020232200250030003500气相成分CO299.3497.7493.9481.1044.2616.69〔体积分CO0.441.514.0412.6037.1655.54数〔〕O20.220.762.026.3018.5827.77气相中氧的分压{Po}〔×101.3kPa〕22.2×10-37.6×10-32.02×10-26.3×10-218.58×10-227.77×10-2饱和时FeO的分压Po(×101.3kPa)23.81×10-91.08×10-71.35×10-65.3×10-5O与液态铁的反响步棸和寻常数如下：2当温度上升时，上述反响的平衡常数增大，反响向右行，促使铁氧化。因此CO在熔滴阶段对金2属的氧化程度比在熔池阶段大。焊接不锈钢，如药皮中还有较多的碳酸盐或承受气体保护焊，则发生如下反响：反响结果是Cr、Al等合金元素被氧化，同时使焊缝金属增碳。焊丝中的碳含量越少，合金元素的烧损和焊缝增碳越严峻；焊丝和药品中含Cr、Al等合金元素越多，焊缝增碳越多。这将影响不锈钢焊缝的力学性能和降低其耐腐蚀性能。为了解决这个问题，在不锈钢焊条药皮中应参加适量的CrO，2 3并适当削减碳酸盐。水蒸气对金属的氧化。焊接区的水蒸气在高温下分解后所产生的氧使铁和其他合金元素氧化。其氧化反响式为从反响式可以看出，水蒸气不仅使液态铁氧化，还可使焊缝金属中增氢，因此，当气相中含有较多的水蒸气时，仅依靠脱氧复原不能完全抑制其有害的作用，还必需同时去氢或削减HO的来源。在使用使用受潮的低氢型焊条时，药皮中虽然有较多的脱氧剂，焊后仍会产生气2孔，就是因HO2混合气体对金属的氧化。在焊条电弧焊时，电弧气氛是由多种气体组成的混合物。与上述单一气体的状况不同，除单一气体的根本反响外，还要考虑各气体之间的相互作用。其中的主要反响为在肯定的温度下，上式的反响与CO、HOCO、HCO、HO、O五种气体2 2 2 2 2{Po{Po}大于该温度下FeO的2 2PoFeFe3-9{Po2 2FeOPo2表3-9电弧气氛中的分压和FeO的分解压Po 〔单位：Pa〕2温度/K

2

钛铁矿型

Po 2 2

低氢型Po218002.53×10-51.4×10-42.12×10-45.5×10-620239.59×10-58.6×10-48.12×1033.34×10-525005.04×10-12.18×10-26.388.58×10-430003.07×101.90×10-15.42×1027.47×10-3掌握氧的措施在正常的焊接条件下，氧的主要来源不是空气，而是来自焊条药皮、焊剂、保护气体、水分、工件和焊丝外表上的铁锈、氧化膜等。掌握氧的主要措施一是纯化焊接材料和掌握焊接参数，二是承受冶金方法进展脱氧。掌握焊接材料的氧含量在焊接某些性能的合金钢、合金、活性金属时，应尽量少用或不用含氧的焊接材料，杜绝氧的来源。例如，承受高纯度的惰性气体作为保护气，承受低氧或无氧的焊条、焊剂，甚至在真空室中进展焊接。具体承受什么方法适宜，要依据被焊材料的性质、技术要求和工厂条件而定。表3-103-11条和氩弧焊时焊缝的含量。3-10低氧焊条熔敷金属中的含量焊条焊条药皮组成焊丝氧的质量分数〔%〕低氧焊条焊丝0.013焊缝0.010一般碱性焊条CaCO10%-15%3CaF85%-90%2CaCO约40%3Cr20Ni80Cr20Ni800.0130.035焊接方法及材料N2焊缝中的气体的质量分数〔%〕O H0.0069焊接方法及材料N2焊缝中的气体的质量分数〔%〕O H0.006920.00832埋弧焊〔无氧焊剂CaF80%，NaF20%〕0„.54焊缝中的夹杂的质量分数〔%〕0.0192 3氩弧焊0.00180.00170.000450.012CO保护焊20.01500.02140.000270.026掌握焊接参数焊缝中的氧含量与焊接工艺条件有亲热的关系。增加电弧电压，使空气易于侵入焊接区，并增加氧与熔滴的时间，所以焊缝氧含量增加。为了削减焊缝氧含量，应承受短弧焊，此外，焊接电流的种类和极性以及熔滴过渡的特性等也有肯定的影响。脱氧用掌握焊接参数的方法来削减焊缝金属中的氧含量是受限制的，所以必需用冶金的方法进展脱氧，这是实际生产中的最有效的方法。综合学问模块三熔渣及其对焊缝金属的作用焊条药皮、焊剂或药芯焊丝中的药芯，受热熔化后形成焊接熔渣。焊接熔渣是焊接冶金反响过程中的主要反响物之一，起着格外重要的作用。焊接熔渣在焊接区形成的独立的相1熔渣的作用及分类熔渣在焊接过程中的作用熔渣在焊接过程中有以下几方面的作用。机械保护作用焊接时形成的熔渣掩盖在熔渣和熔池的外表上，把熔池金属与空气隔开，人对液体金属的氧化和氮化，对焊缝金属起到机械保护作用。例如，埋弧焊就是靠焊剂熔化形成的熔渣来保护焊缝金属的。改善焊接工艺性能良好的焊接工艺性能是保证焊接化学冶金过程顺当进展的前提。在熔渣中参加适当的物质可使电弧简洁引燃，稳定燃烧、削减飞溅，保证具有良好的操作性、脱渣性和焊缝成型等。冶金处理作用熔渣中的化学成分在焊接过程中和液体金属能够发生一系列的物理化学反响，从而对焊缝金属的成分产生很大的影响。在肯定条件下，熔渣中的合金元素可以去除焊缝中的有害杂质，如脱氧、脱硫、脱磷、去氢，还可以使焊缝金属合金化。改善热标准减缓液体金属的凝固，降低冷却速度。熔渣的成分和分类依据焊接熔渣的成分和性能可将其分为三大类：盐型熔渣主要由金属的氟盐酸、氯盐酸和不含氧的化合物组成。这类熔渣的特点是氧化性很弱，主要用于焊接易氧化及其合金，如铝及其合金或含有易氧化元素的高合金。CaF-NaFCaF-BaCl-NaFKCL-NaCl-NaAlF、2 2 2 3 6BaF-MgF-CaF-LiF2 2 2较稳定，因此，这类熔渣的氧化性也比较弱，主要用于焊接各种合金钢。属于这一类熔渣的渣系主要有CaF-CaO-SiOCaF-CaO-AlO-SiOCaF-CaO-SiO-MgO2 2 2 23 2 2 2氧化物型熔渣主要由各种氧化物组成。一般低碳钢焊条药皮大都属于这一类。由于这类熔渣中含有较多的弱氧化物MnSiO等，因此熔渣的氧化性较强，主要用于2〔J422〕〔J423〕焊条等。属于这一类熔渣的渣系主要有FeO-MnO-SiOCaO-TiO-SiOMnO-SiO等。2 2 2 2这里主要争论第23〕类熔渣。表3-12列举出一些焊条和焊剂的熔渣的成分。焊条、3-12焊接熔渣化学成分举例熔渣组成的质量分数w(%)熔渣碱度熔焊剂SiO TiOAlOFeO MnO CaO MgO CaF NaOKOB B渣2 2232 221 2类型类或牌型号钛铁29.214.01.115.626.58.71.3-1.41.10.88-0.1氧矿型化物型钛型23.437.710.06.911.73.70.5-1.72.30.74-0.9氧化物型钛钙25.130.23.59.513.78.85.2-3.84.30.81-1.3氧型化物型纤维34.717.55.511.914.42.15.8-3.84.30.81-1.3氧素型化物型氧化铁型40.41.34.522.719.31.34.6-1.81.51.22-0.7氧化物型低氢型24.17.01.54.03.535.8-20.30.80.81.440.9盐-氧化物型HJ43038.5-1.34.743.01.70.456.0--1.29-0.33盐-氧化物型2熔渣的构造理论目前有分子理论和离子理论两种。分子理论熔渣的分子理论是基于对凝固后的熔渣进展分析而得出的，分子理论的要点是：〔SiOTiOMnO、CaO、FeO〔硅2 2酸盐、铝酸盐、钛酸盐、铁酸盐、磷酸盐〕分子以及硫化物、氟化物分子所组成。简洁氧化物及其简单化合物分子之间的化合与分解听从于质量作用定律，处于动平衡状态。如到达平衡时，平衡常数K为;(CaO为CaOSi〕为Si2的物质的量。其中独立存在的氧化物叫自由氧化物，复合物的氧化物叫结合氧化物。该反响为放热反响。只有自由氧化物的反响。例如只有渣中的自由FeO才能参与冶金反响，而硅盐酸〔如〔FeO〕2*SiO〕中的FeO不能参与冶金反响。〔表3-1应的值越大，标志着两种氧化物的化学亲和力越大。由表3-13中的数据可知，强碱性氧化物和强酸性氧化物最简洁结合成盐，反响的程度也最完全，生成物也最稳定。分子理论在焊接化学冶金中得到比较广泛的作用，由于它能简明地、定性的解释熔渣与焊缝金属之间的冶金反。但是，分子理论假定的熔渣构造不相符，很多重要现象，如熔渣的导电性，他无法解释，因此又消灭了离子理论。3-13复合的生成热效应复合物热效应〔kJ/mol〕复合物热效应〔kJ/mol〕NaO*SiO2 2264〔FeO〕*SiO2 244.5(Ca)*SiO2 2119MnO*SiO232.5BaO*SiO261.5ZnO*SiO210.5FeO*SiO234AlO*SiO23 2-193离子理论离子理论是在争论熔渣电化学性质的根底上提出的。离子理论的要点如下：熔渣是由阳离子组成的电中性溶液，熔渣的成分不同，其中的离子种类和形式也是不同的。在一般状况下，负电性大的元素以及离子的形式存在，如F-、O2-、S2-、P3-、;负电性小的碱金属键结合。此外，还有一些不能独立存在的正离子，它们和氧离子以金属键结合。此外，还有一些不能独立存在的正离子，它们和氧离子结合成简单的负离子，如等。这些简单离子是通过极性键结合的。当熔渣中的SiO2离子的分布、聚拢和相互作用取决于它的综合矩等于它的电荷与半径之比，即式中Z离子电荷〔静电位置：r离子的半径1A=0.1n。表3-14给出各种离子在标准温度〔0°C〕下的综合矩。当温度上升时，离子的半径增大，综合矩减小，但表中的综合矩的大小挨次不变。Si4+的综合矩最大，负离子中O2-的综合矩最大，因此二者最简洁结合为简单离子，如此可知，当熔渣中的综合中综合矩大的负离子多，形成的简单离子就多，自由的简洁离子相应削减。离子离子半径/nm3-14综合矩*102/(静电位置/cm)离子的综合矩离子离子半径/nm综合矩*102/(静电位置/cm)K+0.1333.61Ti4+0.06828.2Na+0.0955.05Al3+0.05028.8Ca2+0.1069.0Si4+0.04147.0Mn2+0.09110.6F-0.1333.6Fe2+0.08311.6PO3-0.2765.6Mg2+0.07812.9S2-0.1745.6Mn3+0.07020.6SiO4-0.2796.9Fe3+0.06721.5O2-0.1327.33)熔渣与金属之间相互的过程，是离子与原子交换电荷的过程。如反响的结果，硅进入焊缝金属，而铁转换成离子进入熔渣。由于离子的静电作用，熔渣中离子的排列与离子结晶相像，阳离子与阴离子相间排列，即一样符号的离子均匀分布在离子四周，形成离子集团。从整体来看，熔渣是微观不均匀的溶液。应当指出，实际的焊接熔渣的构造是格外简单的，有些熔渣中不仅有离子，而且还有少量的中性分子，虽然熔渣的离子理论比分子理论更适宜，但目前尚缺乏系统的热力学资料，故在焊接冶金争论中还广泛应用分子理论。3熔渣的性质熔渣的碱度碱度的推断熔渣碱性强弱的指标。熔渣的碱度是熔渣的重要化学性质，对焊接冶金过程中各种反响都有重要的影响。它还打算着熔渣中很多组元的存在形式，比方是自由氧化物，还是复化物等。不同的熔渣构造理论，对碱度的定义和计算方法是不同的。下面将分别介绍分子理论和离子理论对碱度的定义和计算方法。分子理论对熔渣碱度的定义和计算为式中〔〕-熔渣中碱性氧化物的物质的量；-熔渣中酸性氧化物的物质的量。实际计算中，为了便利，氧化物物质的量改用摩尔分数带入计算。碱度B1的倒数称为酸度。从理论上讲，当B1>1时，熔渣为碱性熔渣；当B1<1时，为酸性熔渣；当B1=1时，为中性熔渣。由于上述公式没有考虑各种氧化物碱性或酸性的强弱不同，也没有考虑在某些复合盐中，少量的酸性氧化物占有着碱性氧化物，如〔CaO〕*SiO,所以，在实际生产中，当2B1>1.3时，熔渣才为碱性熔渣。离子理论把液态熔渣中自由氧离子的浓度〔或氧离子的活度〕定义为碱度。所谓自由氧离子就是B2可以用下式表示：式中 熔渣中第i种氧化物的摩尔数；--------i种氧化物的碱度系数，对每一种氧化物都有一个固定的值。当B2>0时，则熔渣为碱性熔渣；当B<0，则熔渣为酸性熔渣；当B2=0时，为中性熔渣。几种焊条和焊剂的B1、B23-153-15熔渣中常见氧化物的碱性强弱挨次及值氧CaOMnOFeOMgO化物阳离子静0.270.360.700.830.870.931.501.661.651.851.93电力×10-5N碱+9.0+8.5+6.0+4.8+3.4+4.00-0.2-0.2-4.97-6.31度6系ai酸碱性增加中性践行碱性熔渣的粘度当液体发生相对运动时，在其内部产生内摩擦力。在单位速度下，作用在单位接触面积上的内η表示。粘度的单位是帕秒Pa*。粘度的倒数Φ=1/η度越小，流淌性越大。熔渣的粘度与温度和渣的成分有关，实际上取决于渣的构造。熔渣的构造越简单，阴离子的尺寸越大，熔渣质点移动就越困难，渣的粘度也越大。下面分别介绍温度和成分对熔渣粘度的影响。〔1〕温度对粘度的影响熔渣的粘度随温度的上升而下降，但不同成分的熔渣其具体的变化规3-17由于在含SiO较多的酸性熔渣中，有相当多简单的Si-OSi—O2振动能增加，使其极性键局部被破坏，消灭尺寸较小的Si-O离子，因而活化能削减，粘度下降。但是，简单的Si-O离子的解体时随温度的上升渐渐进展的，所以粘度下降的比较缓慢。对于碱性熔渣，上升温度有利于消退没有熔化的固体颗粒，所以粘度会下降。但是，碱性熔渣中的离子尺寸较小，简洁移动，当温度高于液象限时，粘度快速下降，且数值上比酸性熔渣的粘度低。当温度低于液相线时，渣中消灭了细小的晶体，粘度快速增大。3-173-17ηSiO2，较多的酸性熔渣对应的温度变化△T2大，即凝固时间长，故称为长渣，这种渣不适合于立焊和仰焊；而碱性熔渣对应的温度变化△T1小，即凝固时间短，故称为短渣。低氢型和氧化钛型焊条的熔渣属于短渣，适合于全位置焊接。〔2〕SiO2，Si-O增加，因而使粘度快速上升。削减酸性熔渣中的SiO2，增加TiO2，使简单的Si-OTiO2多的酸性熔渣已不是玻璃状的渣，而是接近于晶体装的渣。这种的粘度随温度变化急剧，变为短渣。熔渣的熔点焊接熔渣的熔点对冶金反响有重要的意义。熔点过高将使熔渣与液体金属之间的反响不充分，易形成夹渣和气孔，并产生铁液现象，使焊缝成型变坏。熔点过低易使熔渣的掩盖性能变坏，焊缝外表粗糙不平，并使焊条难于进展全位置焊接。一般要求焊接熔渣的熔点比焊缝金属的熔点低200-450°C。熔渣的熔点是指熔渣开头熔化的温度，不是药皮开头熔化的温度，后者一般称为造渣温度。但两者之间有肯定的关系，一般的规律是：药皮的熔点高时，所形成的熔渣的熔点也高。由于熔渣与药皮的组成和各组分所处的状态不同，通常药皮的熔点比熔渣的熔点高出100-200°C。造渣温度如过高，会使焊条药皮套筒过长，电弧不稳，并易成块脱落，导致冶金反响波动，焊缝成分不均匀；造渣温度过低，药皮将过早熔化，使保护作用变差，并对电弧的集中性和熔滴过渡产生不利的影响。一般要求药皮的造渣温度比焊芯熔点低100-250°C.焊条药皮、焊剂和焊接熔渣都是由多种成分组成，其熔化温度不是一个固定值，而是一个熔化温100-300°C3-16.3-16几种焊条熔渣的凝固温度范围焊条焊条类型牌号熔渣的凝固温度范围/°CE4313J4211218E4303J4221240-1185E4301J4231190-1125E4320J4241250-1140E4311J4251230-1185外表张力外表张力是液体外表所受到的指向液体内部的力，它是由于外表层分子与内局部子所处的状态不同而引起的。熔渣的外表张力主要取决于它的构造和温度。原子之间的键能愈大，其外表张力也愈大。一般具有离子键的物质，如FeO、MnO、CaO、MgO、键能比较大，所以它们的外表张力也比较小；共价键的物质，如BOPO键能最小，其外表张力也最小。23 2 5当温度上升时，离子的综合矩减小，离子之间的距离增大，因此，熔渣的部门性质将对冶金反响过程有很大影响。熔滴的外表张力与界面张力影响熔滴的尺寸减小；反之，熔滴粗化。密度熔渣的密度是其根本物理性质之一，它对熔渣从液体金属中浮出的速度、夹渣形成的难易和熔渣的流淌性都有直接的影响。因此，熔渣的密度必需低于焊缝金属的密度。熔渣的主要取决于各个组成物的密度及质量分数。液体熔渣的密度一般是由试验测定的，常用焊条熔渣的密度见表3-17.药皮类型温度3-17铁锰型常用焊条熔渣的密度纤维素型 高钛型〔单位：g/cm3〕低氢型钛铁矿型常温3.93.6 3.33.13.61300°C3.12.2 2.22.03.0熔渣的线膨胀系数和导电性熔渣的线膨胀系数主要由影响脱渣性，熔渣与焊缝金属的线膨胀系数差值越大，脱渣性越好。固态焊剂和药皮一般是不导电的。但熔化后则变为导体。在焊条电弧焊、埋弧焊〔特别是多丝埋弧焊和窄间隙埋弧焊〕和电渣焊时，熔渣的导电性直接影响引弧性、再引弧性和焊接过程的稳定性。2023°C1.5-10/cm范围内。熔渣的导电率取决于温度和熔渣的成分，归根结底取决于熔渣的构造。温度上升，离子的尺寸变小，活动力量增加，导电率增大。熔渣的构造越简单，离子的尺寸越大，其导电率越小。例如高硅2023°C1.5-3.5S/cm。4熔渣对焊缝金属的氧化熔渣对焊缝金属的氧化有两种根本方式，即集中氧化和置换氧化。集中氧化焊接钢时，FeO既溶于液态就是又溶于渣中，在肯定的温度下平衡时，它在两相中的浓度符合安排定律：Fe〕[FeOL为安排常数。可以表达为：在肯定的温度下，FeO在熔渣和液体金属的浓度虽然可随FeO总量的不同而变动，但平衡时两相中FeO的浓度之比是定值。在温度不变的状况下，当增加熔渣中FeO的浓度时，FeO将向焊缝金属中集中，使焊缝中的氧含量增加。在温度一样的条件下，碱性熔渣中FeO的安排常数比酸性熔渣中小。试验说明，在熔渣中含FeO一样的状况下，碱性熔渣时焊缝中的氧含量比酸性熔渣时大〔图3-18〕.这种现象的产生除与安排常数不同有关外，主要与渣中FeO的活度有关。所谓活度，可以理解为参与反响的有效浓度。依据熔渣的分子模型就是指自由分子形式存在，很简洁向金属中集中使焊缝增氧。而在酸性熔渣中，FeO大局部与SiOTiO等酸性氧化物比较少，FeO2 2焊缝增氧。而在酸性熔渣中，FeO打局部与SiOTiO等结合成复合物，自由状态的FeO2 2因此，碱性焊条药皮和铁锈。由于严格地掌握了碱性熔渣中FeO的含量，又在药皮中参加较多的脱氧剂，才使碱性焊缝中的氧含量比酸性焊条的焊缝低得多。3-18渣的性质与焊缝氧含量的关系1-碱性熔渣2-酸性熔渣置换氧化假设熔渣中含有较多的易分解的氧化物，则可能与液态氧发生置换反响，使铁氧化。这种使铁氧化、同时另一种元素被氧化。这种使铁氧化、同时另一种元素被复原的过程称为置换氧化。如用低碳钢焊丝协作高硅高锰焊剂〔如HJ431〕进展埋弧焊时，发生如下的反响：FeO使焊缝增氧。上述反响的方向和限度取决于温度和渣中MnO、SiOFeO的浓度。依据反响平衡原2SiO〔Mn〕Fe的氧化越剧烈。而当母材或焊丝中的SMn含量高时，将抑制2反响的进展，削减铁的氧化。上式的平衡常数随温度的上升而增加，反响将进展，Fe的氧化加剧。因此，置换氧化反响主要发生在熔滴阶段和熔池头部的高温区。Al、Ti、Cr等，它们将和MnO、SiO2反响的结果使焊缝中非金属夹杂物增多，氧含量增加，同时焊缝金属中Si、Mn含量也显著地增大。在低碳钢和低合金钢的埋弧焊时，常用高硅高锰的焊剂协作低碳钢焊丝，尽管这样会使焊缝中的氧含量增加，但因Si、Mn含量也同时增加，所以，焊缝金属的性能仍能得到改善，可以满足使用性能的要求。5焊缝金属的脱氧氧无论以任何形式存在于焊缝金属内部都是有害的，因此，在焊接时要承受一些措施来削减氧对焊缝金属的危害，保证焊接质量。.防止金属氧化的有效措施是限制氧的来源，对已进入焊缝金属的氧必需通过脱氧来去除。所以脱氧的目的就是要削减焊缝中的氧含量。使其在焊接过程中夺取气相或氧化物中的氧，从而削减焊缝金属的氧化及氧含量。用于脱氧的元素或合金剂叫脱氧剂。选择脱氧剂应遵循以下原则：Al、Ti、Si、Mn等均可作脱氧剂，在生产中常用它们的铁合金或金属粉末，如猛铁、硅铁、钛铁、铝粉等。元素对氧的亲和力越大，脱氧力量越强。脱氧产物应不溶于液体金属，其密度也应小于液体金属的密度，这样可加快脱氧产物上浮到渣中去，削减焊缝中的夹杂物。应综合考虑脱氧剂对焊缝成分、性能及焊接工艺性能的影响。在满足技术要求的前提下，留意降低本钱。沉淀脱氧和集中脱氧。先期脱氧焊条电弧焊时在焊条药皮加热阶段，固体药皮中进展的脱氧反响叫先期脱氧。其特点是脱氧过程和脱氧产物与熔滴不发生直接关系，脱氧主要发生在焊条端部反响区。含有脱氧剂的药皮加热时，药皮中的高价氧化物或碳酸盐分解出氧和二氧化碳，便和脱氧剂发生反响。以Mn为例，其先期脱氧反响如下：反响的结果使气相中的氧化性减弱。先期脱氧的效果取决于脱氧剂对氧的亲和力。沉淀脱氧[FeO]直接反响，把铁复原，使脱氧产物转入熔渣而被去除出去。这是削减焊缝中氧含量具有打算作用意义的一个环节。最常用的是锰、硅或硅锰联合脱氧。锰的脱氧焊条药皮中的锰铁都可以起到脱氧的作用，反响如下：[MnO]+[FeO]=2[Fe]+(SiO)2低碳钢焊缝中[Fe]≈1,反响到达平衡时，为到达降低[FeO]MnOSiOTiO等酸性2 2MnOMnO•SiOMnO•TiO等，自由的〔MnO〕分子削减，使反响式2 2向右进展。因此，渣中的SiOTiO越高，Mn的脱氧效果越好。假设渣中含有比MnO2 2CaOCaO将优先与SiOTiOMnO[FeO]2 2含量增大，即减弱了Mn的脱氧效果。可见，Mn在酸性熔渣中的脱氧效果较好，而在碱性熔渣中则不抱负。硅的脱氧硅对氧的亲和力比锰大，脱氧力量比锰强，硅的脱氧反响为[Si]+2[FeO]=2[Fe]+(SiO)2明显，提高熔渣的碱度和金属中硅含量，可以提高硅的脱氧效果。从脱氧力量来看，硅的脱氧能力比锰大，但生成SiO2

熔点高〔见表3-1，通常认为处于固态，不易聚合为大的质点；同时SiO2与钢液的界面张力小，润湿性好，SiO不易从钢液中分别，所以易造成夹杂。故一般不单独用硅脱2氧。3-18几种化合物的熔点和密度化合物FeOMnOSiO2TiO2AlO23(FeO)•2MnO•(MnO)•2SiO2SiO2SiO2熔点/°C13701580171318252050120512701326密度/5.805.112.264.073.954.303.604.10〔g/cn3〔g/cn3〕硅锰联合脱氧硅和锰均能脱氧，而且脱氧产物能结合成熔点低、密度不大的复合物进入熔渣，因此把硅和锰按适当的比例参加金属中进展联合脱氧可以得到较好的脱氧效果。实践证明当[Mn]/[Si]=1.5-3。通过试验证明，硅和锰的比例不同时，生成的脱氧产物不同，因而形成夹杂物的3-19在母材、焊丝药皮中的碳在焊接过程中会起到脱氧的作用。碳与其他元素不同，它对氧的亲和力随温度上升而加大，因此碳与FeO产生的CO影响，一般不选作脱氧剂。集中脱氧集中脱氧是在液体金属与熔渣界面上进展的。利用FeO能溶解于熔渣的特性，通过集中使它从液体金属中进入熔渣，从而降低焊缝氧含量。依据安排定律，以及安排常数L与温度T的关系可知，L减小，便发生液体金属中的FeO向熔渣中集中，即，从而使熔池中的FeO明集中脱氧是在熔池的尾部低温区进展的。除温度外，集中脱氧还取决于FeO在熔渣中的活度。在温度不变的状况下，FeO在熔渣中的活度越低，脱氧度不变的状况下，FeO在熔渣中的活度越低，脱氧效果越好。当易与FeO形成的复合物，FeO活度减小，为保持安排常数，液体金属中的FeO利于集中脱氧进展。相比之下，碱性熔渣集中脱氧力量较差。3-19脱氧产物形态与[Mn]/[Si]的关系〔1600〕°C综合学问模块四焊缝金属中硫、磷的掌握1焊缝金属中硫、磷的危害性硫和磷是钢中有害杂质，通常母材和焊丝〔芯〕的硫、磷含量都很低，对焊缝金属不会带来危害。但是焊条药皮或焊剂的某些原材料中常有相当数量的硫和磷，在焊接过程中过渡到焊缝金属中就会造成危害。硫的危害硫在钢中主要以FeSMnSFeS0.015%-0.02%如图3-20所示。当熔池快速凝固时，FeS〔Fe+FeS，熔点为985°C〕或〔Fe+FeO，熔点为940°C〕的形式呈钢中含有鎳时，硫的危害更为严峻，因硫与镍形成NiS，而NiS又与Ni〔664°C〕的共晶NiS+N，产生结晶裂纹的倾向更大。当钢焊缝中碳含量增加时，会促进硫的偏析，增加硫的危害性。3-20Fe-FeS磷的危害磷在液态铁中溶解度很大并以FePFeP的形式存在，但磷在固态铁中的溶解度只有千分之几。2 3磷与铁和镍形成的溶解度只有千分之几FeP和F熔点105C、3NiP+F〔熔点88C3-213减弱了晶粒间的结合力，而且它本身既硬又脆，增加了焊缝金属的冷脆性，即冲击韧度降低，脆性转变为温度上升。3-21Fe-P相图2硫的掌握主要从两方面掌握硫的含量：先是实行工艺措施限制硫的来源，然后再实行冶金措施把焊缝中的硫通过熔渣排解。限制焊接材料中的硫含量焊缝金属中硫主要来自于三个方面：一是母材，其中的硫几乎可以全部过渡到焊缝中去，但母材中的硫含量比较少；二是焊丝，其中的硫约有70%-80%可以过渡到焊缝中去；三是药皮或焊剂，其中的硫约有50%可以过渡到焊缝中去；可见，严格掌握焊接材料中的硫含量是限制焊缝硫含量的关键措施。母材中的硫含量一般较低，所以需留意限制焊丝、药皮或焊剂中的硫和磷。药皮、药芯或焊剂中的原材料，如锰矿、赤铁矿、钛铁矿、锰铁等均含有肯定的硫，应尽量选用硫含量低的原材料。必需使用硫含量高的材料时，应预先进展处理，如承受陪烧的方法，以降低到要求范围内。冶金脱硫〔1〕锰脱硫选择对硫亲和力比铁的元素进展脱硫。最常用的脱硫剂是锰，其脱硫反响为[FeS]+[Mn]=(MnS)+[Fe]反响的产物〔MnS〕几乎不容于液态铁中，在冶金过程中可以浮到渣中。这个反响是放热反响，故降低温度有利于脱硫反响的进展。然而，熔池冷却很快，反响不能充分进展，所以必需增加熔池中的锰含量。一般状况下，要求锰含量大于1%〔质量分数，才能得到较好的脱硫效果。此外，用锰脱硫的产物MnS有时来不及浮出而形成夹渣，对焊缝的性能造成肯定的影响。近年来已承受稀土元素脱硫。稀土元素所形成的产物来不及析出，也可完全以细小球状夹渣脱硫形式存在，有利于改善焊缝金属的韧性和塑性。〔2〕MnOCaO其反响式如下：[Fe]+(MnO)=(MnS)+(FeO)[FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO)生成的CaS类似于MnOMnO和CaO的含量，有利于脱硫反响的进