第3讲焊接熔渣对金属的作用

河北科技大学教案用纸第页12第3次课2学时上次课复习：氢对金属的作用，控制措施。本次课题（或教材章节题目）：第一章焊接化学冶金第三节焊接熔渣对金属的作用教学要求：了解熔渣碱度、粘度的相关知识；掌握熔渣对焊缝金属的氧化及焊缝脱氧方式；重点：熔渣对焊缝金属的氧化及焊缝脱氧方式；难点：熔渣的结构理论教学手段及教具：讲授、PowerPoint课件、动画、板书讲授内容及时间分配：第三节熔渣对金属的作用（90mins）1、复习上次课内容（5mins）2、焊接熔渣的作用（5mins）3、熔渣的种类和成分（15mins）4、熔渣的微观结构（3mins）5、熔渣的性质（15mins）6、熔渣对金属的氧化（20mins）7、焊缝金属的脱氧（20mins）小结，布置作业（7mins）课后作业1、什么是长渣和短渣？2、论述焊接熔渣对金属的氧化途径及影响因素3、焊缝金属脱氧的途径有哪些？脱氧效果如何？参考资料见附录1河北科技大学教案用纸第页13第三节焊接熔渣对金属的作用一、焊接熔渣及其性质1、作用1）机械保护作用；2）冶金处理作用；3）改善焊接工艺性能的作用；2、熔渣的种类和成分1）盐型熔渣：组成＝金属卤化物＋不含氧的化合物；特点：氧化性小；用途：焊接铝、钛和其他化学活性金属及其合金；2）盐――氧化物型熔渣：组成＝氟化物+强金属氧化物；特点：氧化性较小；用途：焊接合金钢及低碳钢重要件；3）氧化物型熔渣：组成＝金属氧化物；特点：氧化性较强；用途：焊接低碳钢和低合金钢；3、熔渣的微观结构1）熔渣结构的分子理论液态熔渣是由化合物分子组成的理想溶液，氧化物与复合物在一定温度下处于平衡状态；只有自由氧化物才能参与冶金反应。如：（FeO）+[C]=[Fe]+CO而(FeO)2·SiO2中的FeO不能参与上面的反应。2）熔渣的离子理论液态熔渣是由阳离子和阴离子组成的电中性溶液。离子的分布、聚集和相互作用取决于它的综合矩（离子电荷/离子半径）。液体熔渣与金属之间相互作用，是原子与离子交换电荷的过程。如：Si4＋+2[Fe]=2Fe2＋+[Si]3）分子－离子共存理论4、熔渣的性质1）酸碱度――评价熔渣碱性强弱的指标；酸度是碱度的倒数；酸性氧化物：强－SiO2－TiO2－P2O5－弱；碱性氧化物：强－K2O－Na2O－CaO－MgO－BaO－MnO－FeO－弱；中性氧化物：Al2O3、Fe2O3、Cr2O3等；河北科技大学教案用纸第页14补充：科学上把含有6.02×1023个微粒的集体作为一个单位，称为摩尔，1摩任何物质的质量都是以克为单位，数值上等于该种原子的相对原子质量。通常把1mol物质的质量，叫做该物质的摩尔质量（符号是M），摩尔质量的单位是克／摩（符号是“g／mol”），例如，水的摩尔质量为18g／mol，写成M（H2O）=18g／mol。混和物或溶液中的一种物质的摩尔数与各组分的总摩尔数之比,即为该组分的摩尔分数。a）碱度的分子理论熔渣的碱度就是熔渣中的碱性氧化物与酸性氧化物含量的比值。碱性氧化物：K2O、Na2O、CaO、MgO、MnO、FeO，酸性氧化物：SiO2、TiO2、P2O5等。B1＞1为碱性渣，B1＜1为酸性渣，B1=1为中性渣。b）碱度的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。渣中自由氧离子的浓度越大，其碱度越大。计算式为：Mk是渣中第k种氧化物的摩尔分数，ak是其碱度系数当B2＞0时为碱性渣，B2＜0为酸性渣，B2=0为中性渣。2）粘度――指熔渣内部各层之间相对运动时的内摩擦力；其碱度系数酸性氧化物的质量分数其碱度系数碱性氧化物的质量分数1BnkkkMa12B河北科技大学教案用纸第页15一般，粘度越大，保护效果差，冶金作用小；粘度过小，保护作用也差，对成形不利。影响因素：a）熔渣成分焊钢用熔渣的粘度：1500℃左右，0.1～0.2Pa·S；酸性渣――加入SiO2――阴离子的尺寸↑――粘度↑；――加入碱性氧化物或TiO2――阴离子的尺寸↓――粘度↓；碱性渣――加入碱性氧化物――未熔固体颗粒增多――粘度↑；――加入SiO2――未熔固体颗粒减少――粘度↓；碱性或酸性渣――加入CaF2――粘度↓。b）温度↑，粘度↓；酸性渣：长渣，凝固时间长，不适于仰焊；碱性渣：短渣，凝固时间短，适于全位置焊接；图2-18，粘度与温度的关系。3）熔渣的表面张力：指气相与熔渣之间的界面张力或相互接触的比表面能。补：多相体系中相之间存在着界面。习惯上人们仅将气-液，气-固界面称为表面。表面张力即界面张力，通常，由于环境不同，处于界面的分子与处于相本体内的分子所受力是不同的。如：在水内部的一个水分子受到周围水分子的作用力的合力为0，但在表面的一个水分子却不如此。因上层空间气相分子对它的吸引力小于内部液相分子对它的吸引力，所以该分子所受合力不等于零，其合力方向垂直河北科技大学教案用纸第页16指向液体内部，结果导致液体表面具有自动缩小的趋势，这种收缩力称为表面张力。影响因素：a）化学键能――质点间的作用力。酸性氧化物――化学键能小――表面张力小；碱性氧化物――化学键能大――表面张力大；CaF2――表面张力减小；b）温度：升高，张力下降；4）熔渣的熔点：固态熔渣开始熔化的温度――一定的温度区间进行；一般比焊缝金属的熔点低200～450℃.影响因素：成分――药皮中的难熔物质↑，熔点↑；颗粒度――↑，熔点↑；焊钢的熔渣熔点1150～1350℃。对比：造渣温度――药皮开始熔化的温度；造渣温度－一般比熔点高100～200℃.比焊芯的熔点低100～250℃.二、熔渣对焊缝金属的氧化熔渣的氧化（或还原）能力是指熔渣向液态金属中传入氧（或从液态金属中导出氧）的能力。氧化性较强的熔渣又称为活性熔渣。1、置换氧化――主要发生在熔滴阶段和熔池前部的高温区。指被焊金属与其他金属或非金属的氧化物发生置换反应而导致的氧化。渣中易分解的氧化物＋铁＝FeO（大部分→熔渣，小部分→焊缝）＋元素。例如，用低碳钢焊丝配合高硅高锰焊剂(如HJ431)埋弧焊时，易发生如下置换氧化反应:（FeO）↑（SiO2）+2[Fe]=[Si]+2FeO↓或:（MnO）[Mn][FeO]影响因素：1）熔渣的活性系数――AF＝[w(SiO2)+0.5w(TiO2)+0.4w(ZrO2)+0.4w(Al2O3)+0.42B12w(MnO)]／B1河北科技大学教案用纸第页17AF↑，氧化性↑，熔敷金属中氧含量↑，图2-20。2）温度：温度↑，置换反应越强烈。2、扩散氧化――主要发生在熔滴阶段和熔池高温区。指熔渣中的氧化物通过扩散进入被焊金属使焊缝增氧的过程。在一定温度下，FeO在渣和液态钢中的浓度达到平衡：L＝w（FeO）／w［FeO］1）焊缝中的含氧量随熔渣含氧量的增加而增加；2）温度升高，L减少，即高温时FeO向液态钢中分配，在焊接温度下，L1（在渣中的分配量大一些）；3）同样温度下，FeO在碱性渣中比在酸性渣中更容易向金属中分配，即在熔渣含FeO量相同的情况下，碱性渣时焊缝含氧量比酸性渣时多。思考：碱性焊条药皮中不加含FeO的物质，要求焊接时清除焊件表面的氧化皮和铁锈？或碱性焊条对铁锈和氧化皮敏感性大的原因。酸性焊条的焊缝含氧量碱性焊条的焊缝含氧量（原因：碱焊条药皮的氧化势低）。三、焊接金属的脱氧焊缝金属脱氧――通过脱氧剂，减弱被焊金属及其合金的氧化程度或从其氧化物中还原出来――降低焊缝金属中的含氧量。1、脱氧剂的选择原则1）目的尽量减少焊缝中的含氧量（防止母材氧化，减少液态金属中的氧；排除脱氧产物。）2）措施在焊丝、焊剂或药皮中加入合适的元素或铁合金，夺取氧。3）脱氧剂的选择原则：焊接温度下脱氧剂对氧的亲和力被焊金属对氧的亲和力；脱氧产物不溶于液态金属，其密度母材，在焊接温度内尽量为液态；综合考虑对焊缝成分、性能及焊接工艺性的影响；2、先期脱氧含有脱氧元素的造渣剂和造气剂加热时，高价氧化物或碳酸盐分解出O2和CO2和脱氧元素发生反应。Ti＋2CO2＝TiO2＋2CO；2Al＋3CO2＝Al2O3＋3CO；Si＋2CO2＝SiO2＋2CO；Mn＋CO2＝MnO＋CO；河北科技大学教案用纸第页18结果：使气相的氧化性减弱；特点在固态药皮中进行，温度低，不完全；脱氧产物、过程与熔滴不发生直接关系；3、沉淀脱氧－－置换氧化的逆过程脱氧剂→被焊金属氧化物→被焊金属还原；本身转变为氧化物→进熔渣；1）特点：脱氧速度快，脱氧彻底，在熔滴和熔池内进行；是减少焊缝金属含氧量最主要的方法；但脱氧产物不能清除时，金属液中杂质的含量↑。2）低碳钢和低合金钢的常用脱氧剂：a)锰的脱氧[Mn]+[FeO]=[Fe]+(MnO)弱脱氧剂。脱氧效果：温度降低，有利于反应向右进行；发生在熔池尾部的低温区内；钢液中锰的含量↑，渣中MnO的含量↓－－－脱氧效果↑；熔渣性质－－酸性渣的效果好，碱性渣差；b)硅的脱氧[Si]+2[FeO]＝(SiO2)+2[Fe]脱氧能力比锰大，一般不单独脱氧。SiO2的性质――熔点高，一般以小的固态质点存在，不易浮出；――与液态金属的表面张力小，不易分离――夹杂；c)硅锰联合脱氧按Mn／Si比例3～7加入，脱氧效果好。思考题1：为什么酸性焊条常采用锰铁作为脱氧元素？酸性渣中含有较多的SiO2和TiO2，它们容易与锰的脱氧产物MnO生成复合物MnO·SiO2和MnO·TiO2，使MnO的活度系数减小，因此脱氧效果较好。相反，在碱性渣中MnO的活度较大，不利于锰脱氧。碱度越大，锰的脱氧效果越差。思考题2：为什么碱性焊条不单独采用硅铁作为脱氧元素？硅的脱氧能力比锰大，但生成的SiO2熔点高，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，不易从钢液中分离，易造成夹杂。因此，碱性焊条一般不单独用硅脱氧。河北科技大学教案用纸第页19思考题3：碱性焊条采用锰铁和硅铁（或钛铁）联合脱氧？把硅和锰按适当的比例加入液态金属中进行复合脱氧时,其脱氧产物为不饱和液态硅酸盐，它的密度小，熔点低，易于浮出，并易被熔渣吸收，从而减少钢中的夹杂物和含氧量，脱氧效果十分显著。4、扩散脱氧――扩散氧化的逆过程。被焊金属的氧化物－－从液态金属进入熔渣→焊缝金属含氧量↓。1）影响因素：温度――温度越低，L越大，即低温时易向熔渣中分配。熔渣性质――温度相同时，酸性渣有利于扩散脱氧。酸性渣中－－SiO2+(FeO)＝FeO·SiO2；TiO2+(FeO)＝FeO·TiO2；（FeO）的活度↓，扩散脱氧↑;碱性渣中（FeO）活度大，其扩散脱氧的能力比酸性渣差；2）特点：在液态金属与熔渣界面上进行，不会造成夹杂。在熔池的后部的低温区进行，不充分。本节小结FeOLw[FeO](FeO)w