中级焊工理论课件3-3 焊接电弧及焊接冶金知识-焊缝金属的脱氧、脱硫、脱磷及合金化

中级第三章焊接电弧及焊接冶金知识焊工第三节：焊缝金属的脱氧、脱硫、脱磷及合金化焊工·中级3.1焊缝金属的脱氧3.2焊缝金属的脱硫3.3焊缝金属的脱磷3.4焊缝金属的合金化3.1焊缝金属的脱氧为什么脱氧?氧能以氧化亚铁和原子氧形式溶解在液态铁中，使焊缝金属的强度、硬度、塑形、韧性及抗蚀能力降低，而且使飞溅、气孔和冷、热脆性增大。脱氧的目的：尽量减少焊缝中的氧含量。如何选择脱氧剂？（1）脱氧剂在焊接温度下对氧的亲和力应比被焊金属对氧的亲和力大。（2）脱氧产物不溶于液态金属，密度小于液态金属。（3）还应考虑脱氧剂对焊缝成分、性能以及焊接工艺性能的影响。常用的脱氧剂各元素脱氧能力由强到弱的顺序是：铈、锆、铝、钛、硼、硅、碳、钒、锰、铬。脱氧方式脱氧反应同焊接化学冶金反应一样都是分区域连续进行的，按其进行的方式和特点主要可分为:先期脱氧、沉淀脱氧、扩散脱氧、真空脱氧——炼钢3.1焊缝金属的脱氧3.1.1先期脱氧定义：在药皮加热阶段，固态药皮中进行的脱氧反应叫先期脱氧。特点是焊条药皮反应阶段重要的脱氧方式之一。脱氧过程和脱氧产物与熔滴不发生直接关系。先期脱氧的效果取决于脱氧剂对氧的亲和力、它的粒度、氧化剂与脱氧剂的比例、焊接电流密度等因素。存在问题由于药皮加热阶段温度低，传质条件差，先期脱氧是不完全的，需要进一步脱氧。3.1焊缝金属的脱氧3.1.2沉淀脱氧反应位置：熔滴和熔池原理：溶解在液态金属中的脱氧剂和FeO直接反应，把铁还原，脱氧产物浮出液态金属。减少焊缝含氧量的具有决定意义的一环。（1）锰的脱氧

MnO呈碱性，不溶于铁，但能与酸性氧化物形成复合物进入熔渣。所以酸性焊条多用锰脱氧。（2）硅的脱氧SiO2呈酸性，熔点高、黏度大，不利于脱渣。所以常用硅、锰联合脱氧，使酸性的SiO2与碱性的氧化物结合，包括FeO在内，形成硅酸盐，进入熔渣中。3.1焊缝金属的脱氧3.1.2沉淀脱氧（3）钛的脱氧

TiO2不溶于铁，与FeO或其他碱性氧化物生产复合物进入熔渣中。钛还能去除氮，细化晶粒，改善焊缝金属的力学性能。（4）铝的脱氧铝除了极强的脱氧性，同时还能去除氮，细化焊缝晶粒。但脱氧产物熔点极高，易形成夹渣，引起飞溅，使得焊缝成形不良，所以铝脱氧数量上应加以限制。3.1焊缝金属的脱氧3.1.3扩散脱氧定义利用FeO既能溶解在熔池的金属中，又能溶解在熔渣中的特性，使FeO从熔池扩散到熔渣中，这种方式的脱氧称为扩散脱氧。原理扩散脱氧是在液态金属与熔渣界面上进行的，是以FeO的在两相中的分配定律为理论基础的，FeO同时存在于熔渣和钢液中，熔渣中的FeO与钢液中的FeO能够互相转移，而且是趋于平衡

符合物理化学中的异相平衡的分配定律。脱氧过程将脱氧剂加在熔渣中，使脱氧元素与熔渣中的FeO起作用而进行脱氧。当熔渣中的FeO含量减低时，钢液中的FeO就向熔渣中扩散，间接地达到了脱去钢液中FeO的目的。3.1焊缝金属的脱氧3.1.3扩散脱氧脱氧特点优点：脱氧产物留在熔渣中，液态金属不会因脱氧而造成夹杂。缺点：扩散过程进行得缓慢，脱氧时间长。适用情况酸性熔渣中扩散脱氧可作为主要脱氧方式，熔渣中加入一定量的锰，可进一步增强脱氧效果。碱性基本上不能进行扩散脱氧，而是用硅、钛等脱氧剂进行脱氧。3.2焊缝金属的脱硫硫的危害硫是焊缝金属中极有害的杂质，是焊缝产生热裂纹的主要原因，硫能引起偏析，降低焊缝金属的冲击韧性和耐腐蚀性能。硫在钢中以FeS和MnS的形式存在。MnS不溶解于液态铁中，能在熔渣中排出。FeS能溶解于液态铁中，冷却时，从熔池中析出，并与Fe或FeO形成低熔点共晶，聚集在晶界上，破坏晶粒间的联系而引起热裂纹。焊缝中S的来源主要来源于三个方面：（1）母材：母材中的S几乎可以全部过渡到焊缝中去，但母材的含硫量比较低。（2）焊丝：焊丝中的S约70~80%可以过渡到焊缝中去。（3）药皮或焊剂：其中S约有50%可以过渡到焊缝中。3.2焊缝金属的脱硫脱硫方法（1）元素脱硫将脱硫合金元素直接加入液态金属中，溶于液态金属中的元素和硫结合成不溶于此种液态金属的硫化物，沉淀出来，上浮进入渣相而进行脱硫的方法。如锰元素脱硫（2）熔渣脱硫熔渣脱硫是利用熔渣中的CaO、CaC2、MnO、MgO等进行脱硫。反应式脱氧产物不溶于金属，而进入熔渣被排除。渣中加入CaF2能降低渣的粘度，有利于S2-的扩散；形成易挥发物SF6，有利于脱硫；同时，CaF2与SiO作用产生CaO，CaO又能进一步脱硫。酸性焊条药皮形成的熔渣中，碱性氧化物MnO、CaO及CaF2等较少，因此脱硫效果不好；碱性焊条药皮形成的熔渣中，有大量的碱性氧化物、萤石和铁合金等，因此脱硫效果较好。3.3焊缝金属的脱磷磷的危害（1）液态铁中可溶解较多的P，主要以Fe2P和FeP3形式存在,而磷在固态铁中的溶解度只有千分之几。（2）P与Fe、Ni形成低熔点共晶，如Fe3P+Fe(熔点1050℃)、Ni3P+Fe(熔点880℃)，快速凝固时易发生偏析。（3）磷化铁本身硬而脆，常分布于晶界，减弱了晶粒之间的结合力。钢中含磷量过多时，将增加材料的冷脆性，即冲击韧性降低，脆性转变温度升高。（4）在含碳量较高的低合金钢和奥氏体钢中，磷也会促使产生热裂纹。脱磷分析脱磷时，要求在熔渣中同时具有足够的游离的CaO和FeO。焊接熔渣的碱度因受焊接工艺性能的制约，不可能很大，同时碱性渣不允许含有较多的FeO，否则会使焊缝增氧，不利于脱P，甚至产生气孔，所以碱性渣的脱磷效果不理想。酸性渣虽然含有较多的FeO，有利于脱磷，但其碱度较低，所以比碱性渣的脱磷能力更差。焊接时脱磷比脱硫更困难，要控制焊缝含磷量，主要是严格限制焊接材料中的含磷量。3.4焊缝金属的合金化基本概念焊缝金属合金化：把所需要的合金元素，通过焊接材料过渡到焊缝金属(或堆焊金属)中，也叫合金过渡。合金化目的（1）补偿焊接过程中由于氧化、蒸发等原因造成的合金元素的损失；（2）消除缺陷，改善焊缝金属的组织和性能；（3）获得具有特殊性能的堆焊金属。合金化的方式（1）应用合金焊丝或带极优点：可靠、焊缝成分均匀、稳定，合金损失少；缺点：制造工艺复杂、成本高，对脆硬材料如硬质合金不能轧制、拔丝，故不能采用此方式。（2）应用药芯焊丝或药芯焊条优点：药芯中合金成分配比可以任意调整，可以得到任意成分的堆焊金属，合金损失少。缺点：制造成本高，成分难以均匀。3.4焊缝金属的合金化合金化的方式（3）应用合金药皮或粘结焊剂优点：简单方便，易制造、成本低。缺点：合金损失大(氧化烧损、造渣)，成分不够稳定、均匀(2)应用药芯焊丝或药芯焊条（4）应用合金粉末优点：合金成分配比方便，不必经过轧制、拔丝等工序，合金损失少。缺点：合金成分的均匀性较差，制粉工艺复杂。（5）应用熔渣与金属之间的置换反应，从金属氧化物中还原金属，如硅锰还原反应优点：合金无烧损、成本低。缺点：易造成焊缝增氧，过程难于控制。3.4焊缝金属的合金化合金元素过渡系数合金过渡系数η：合金元素在过渡到焊缝金属中的实际含量与它在焊材中的原始含量之比，反映了合金元素利用率的高低。合金元素过渡系数的影响因素（1）合金元素的性质合金元素的沸点越低，其蒸发损失越