材料成形原理（焊接部分）,3 液态金属净化与合金过渡,,3.1 焊缝金属的脱氧,,一、脱氧的目的和要求,脱氧——在药皮或焊丝中加入某些元素，使它在焊接中被氧化，以降低焊接区的氧化性，保护被焊金属及有益合金元素免受氧化；或使被氧化的金属从它们的氧化物中还原出来的反应 脱氧剂——用于脱氧的元素或铁合金 脱氧的目的和要求 目的：尽量减少焊缝中的含氧量 要求： ① 防止被焊金属的氧化，减少液态金属中的溶解氧； ② 排除脱氧后的产物，防止在焊接中形成非金属夹杂物选择脱氧剂的原则： 1、 在焊接温度下，脱氧剂对氧的亲和力比被焊金属 对氧的亲和力大； 1600 ℃时，各种元素对氧亲和力从小到大的次序排列为： Cu、 Ni、Co、 Fe、 W、 Mo、Cr、Mn、V、Si、Ti、Zr、Al 焊接铁合金时，Al、Ti 、Si、Mn可作为脱氧剂，生产上常用它们的铁合金如锰铁、硅铁、钛铁、铝粉等二、选择脱氧剂的原则,2、脱氧物不应溶于液态金属而应溶于熔渣，且熔点低、密度小，上浮至熔渣中，以减少夹杂物的数量 3、 必须考虑脱氧剂对焊缝成分、性能以及焊接工艺性的影响，同时考虑成本脱氧的方式： 脱氧按其进行方式可分为：先期脱氧、沉淀脱氧、扩散脱氧 1、先期脱氧 先期脱氧：在药皮的加热阶段，固态药皮中进行的脱氧反应。
特 点：脱氧过程的产物与熔滴不发生直接关系三、脱氧的方式,药皮加热时，高价氧化物或碳酸盐分解出的氧和二氧化碳与脱氧剂（如： Al、Ti 、Si、Mn ）的反应为： Fe2O3 = FeO + O2 CaCO3 = CaO + CO2 Ti+ 2CO2 = TiO2 + 2CO Si+ 2CO2 = SiO2 + 2CO 反应结果：使气相氧化性减弱 脱氧效果：不完全（药皮加热阶段温度低、传质条件差）,2、沉淀脱氧 沉淀脱氧：指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的一 种脱氧方式 特 点：在熔滴和熔池内进行，脱氧反应速度快 脱氧效果：脱氧彻底，是减少焊缝含氧量的重要环节 但脱氧产物不能清除时将增加金属液中杂质的含量其脱氧反应为： x [ Me ] ＋ y [ O ] →（ MexOy ） 或： x [ Me ] ＋ y [ FeO ] →（ MexOy ）＋ y [ Fe ] 常用的沉淀脱氧反应： 1）锰的脱氧反应 2）硅的脱氧反应 3）硅锰联合脱氧,三、脱氧的方式,1）锰的脱氧反应 式中：γMnO —渣中MnO的活度系数；αMnO —渣中MnO的活度； αMn —金属中Mn的活度； αFeO —金属中Fe的活度。
当金属中Mn和FeO的含量少时，其活度系数≈1，即αMn≈[Mn%]， αFeO ≈[FeO %]，于是：,影响因素： ① 增加[Mn]、减少（ MnO ）→脱氧效果提高； ② 减小γMnO →脱氧效果提高 酸性渣，生成复合物MnO·SiO2 、 MnO· TiO2 、 使γMnO减小，脱氧效果比碱性好三、脱氧的方式,2）硅的脱氧反应 与分析锰类似，硅的脱氧反应为： 影响因素： ① 增加[Si]、减少（ SiO2 ）→脱氧效果提高； ② 硅与氧的亲和力比锰大，脱氧能力比锰大 SiO2 熔点高（1713℃）、易造成夹杂不单独使用硅脱氧三、脱氧的方式,3）硅锰联合脱氧 当[Mn] /[Si]=3~7时，脱氧产物形成硅酸盐MnO·SiO2 ，密度小、熔点低、容易聚合、便于上浮 应用：CO2保护焊时，焊丝中[Mn] /[Si]=1.5~3 碱性焊条，加锰铁和硅铁联合脱氧,金属中[Mn/[Si]对脱氧产物质点半径的影响,几种化合物的熔点和密度,三、脱氧的方式,3、扩散脱氧 扩散脱氧：以分配定律为理论基础，在液态金属与熔渣界面上进行的脱氧 分配定律： 影响因素： 1）温度↓ →L↑，发生如下扩散过程：[FeO]→（FeO）。
即在熔池后部低温区进行扩散脱氧 2）降低渣中（FeO）的活度，有利于扩散脱氧 酸性渣中（FeO）活度小、碱性渣中活度大 脱氧效果：不充分 焊接时冷却速度大、扩散时间短、氧的扩散又慢,三、脱氧的方式,3.2 焊缝金属中硫和磷的控制,,一、硫的危害及控制,硫的危害及控制 1、硫的危害 ◆FeS在液态铁中无限互溶，室温时溶解度仅为0.015%~0.02%，在熔池凝固时发生偏析 ◆以低熔点共晶Fe+FeS（熔点985℃）或FeS+FeO（熔点940℃）的形式呈片状或链状分布于晶界 因此： ①增加产生结晶裂纹的倾向 ②降低冲击韧性、抗腐蚀性2、控制硫的措施 ①限制焊材的含硫量 低碳钢、低合金钢焊丝：S＜0.03%~ 0.04%； 合金钢焊丝：S＜0.025%~ 0.03% ； 不锈钢焊丝：S＜0.02%； 限制药皮、焊剂、药芯中的含硫量②用冶金方法脱硫 选择对硫亲和力比铁大的元素进行脱硫，如锰、镁、钙等 锰的脱硫产物为MnS不溶于钢液，其脱硫反应为： 熔渣中的碱性氧化物，如MnO 、 CaO 、 MgO 等，也能脱硫：,原材料的焙烧处理,一、硫的危害及控制,与铁、镍形成低熔点共晶 如：Fe3P＋Fe（1050℃） Ni3P＋Fe （880℃）,Fe2P 或 Fe3P 硬而脆增加材料的冷脆性,冲击韧性降低， 脆性转变温度升高,促使含碳量较高的低合金钢和奥氏体钢产生结晶裂纹,磷在大多数铁基合金中，都认为是有害元素：,磷的危害及控制 1、磷的危害,二、磷的危害及控制,2、控制磷的措施 ①限制母材、焊材的含磷量 药皮和焊剂中的锰矿是焊缝增磷的主要来源。
当焊剂中P＞ 0.03% 时，磷由熔渣向焊缝过渡 锰矿：P≈0.22% 高锰熔炼焊剂： P≤0.15% 无锰熔炼和烧结焊剂： P≤0.05%,二、磷的危害及控制,②用冶金方法脱磷 脱磷反应分为两步： 第一步，FeO将磷氧化生成P2O5 ； 第二步，P2O5与渣中的碱性氧化物生成稳定的磷酸盐 反应式为： 增加熔渣的碱度有利于脱磷 碱性渣中不允许有较多FeO，否则，增氧、不利脱硫、产生气孔二、磷的危害及控制,3.3 合金过渡,,一、合金过渡的目的及方式,合金过渡——把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）中的过程 （一） 合金过渡的目的 1、补偿焊接过程中损失（如氧化、蒸发）的合金元素； 2、消除焊接缺陷，改善焊缝的组织和性能； 如：脱氧、脱硫，加入锰； 细化晶粒、提高韧性，加入微量Ti、B等 3、获得具有特殊性能的堆焊金属 如表面耐磨、耐蚀、耐热等二） 合金过渡的方式 常用的合金过度的方式有以下几种： 1、应用合金焊丝或带极 方法：合金焊丝、带极或板极+碱性药皮或低氧、无氧焊剂 优点：可靠、焊缝成分均匀、合金元素损失少 缺点：焊丝制造工艺复杂，成本高 应用：气保护焊、埋弧焊 2、应用药芯焊丝或药芯焊条 方法：将所需的合金粉料填入药芯中。
优点：药芯中合金成分的配比可任意调整 缺点：药芯焊丝制造工艺复杂，成本高 应用：埋弧焊、气保护焊、自保护焊,一、合金过渡的目的及方式,带极堆焊,3、应用合金药皮或粘结焊剂 方法：合金加入药皮或粘结焊剂+普通焊丝 优点：简单方便、制造容易、成本低 缺点：合金利用率低、合金成分不够稳定、均匀 应用：碱性焊条，非烧结焊剂 4、应用合金粉末或预涂层 方法：所需合金制成粉末，输送到焊接区，随母材熔化 优点：成分比例调配方便，无需轧制、拉拔，合金损失少 缺点：合金成分均匀性差，制粉工艺复杂 应用：气保护焊、堆焊 5、应用置换反应 方法：药皮和焊剂中加入金属氧化物，通过熔渣与金属的还原反应，使合金元素进入焊缝中 如： 如：高硅高锰焊剂+低合金钢焊丝埋弧焊合金化程度有限，伴有焊缝含氧量增加一、合金过渡的目的及方式,激光表面合金化 1—激光束—惰性气体 2-预涂层 3—基体 4—热影响区 5—熔区 6—工件移动方向,熔合比,二、合金元素的过渡系数,式中， —合金元素的原始含量； —合金元素在焊缝金属中的含量； —熔合比，即焊缝中局部熔化的母材所占的比例； —合金元素在母材中的含量； —合金元素在熔敷金属中的含量； —合金元素在焊丝中的含量； —合金元素在焊条药皮中的含量； —焊条药皮质量系数，即单位长度焊条中药皮质量与焊芯质量之比。
用途： 预先计算合金元素在焊缝中的含量； 对设计和选择焊接材料有实用价值合金过渡系数：某元素在熔敷金属中的实际含量与它在焊接材料中的原始含量之比当θ=0时，,各种合金化元素的过渡系数,二、合金元素的过渡系数,,,三、影响合金过渡系数的因素,1、合金元素的性质 ◆ 合金元素沸点↓→蒸发损失↑→过渡系数↓ 例如： 锰的沸点远低于其他金属，焊接高温下很容易蒸发，在同样条件下，锰的过渡系数比其它合金元素低很多,◆ 合金元素对氧亲和力↑→氧化损失↑→过渡系数↓ 1600 ℃时，各种元素对氧亲和力从小到大的次序排列为： Cu＜Ni＜Co＜Fe＜W＜Mo＜Cr＜Mn＜V＜Si＜Ti＜Zr＜Al 焊钢时： 铁左面元素几乎无氧化损失，过渡系数大； 铁右面靠近铁的元素氧化损失较小，过渡系数较大； 铁右面远离铁的元素氧化损失较大，过渡系数较小 若过渡Ti、Zr、Al ，需创造低氧或无氧焊接条件三、影响合金过渡系数的因素,2、合金元素的含量 随着药皮或焊剂中合金元素含量增加，过渡系数逐渐增加，最后趋于稳定 一方面：某元素浓度↑→ 其他成分(包括氧化剂) ↓→氧化性↓→过渡系数↑; 另一方面：合金元素的残留损失↑、药皮和焊剂的保护效果↓→过渡系数↓。
3、合金剂的粒度 粒度↑→比表面积↓→氧化损失↓→过渡系数↑； 粒度过大→不易熔化→残留损失↑ →过渡系数↓三、影响合金过渡系数的因素,4、药皮、焊剂及气体的成分 药皮或焊剂的氧化势↑→过渡系数↓； 合金元素及其氧化物在药皮中共存→过渡系数↑； 合金元素的氧化物与熔渣的酸碱性相同→过渡系数↑； 混合气体Ar+CO2中CO2含量增加，合金元素的过渡系数逐渐降低,三、影响合金过渡系数的因素,5、药皮的重量系数和焊剂的熔化率 Kb ↑ →残留损失↑ →过渡系数↓； Kb ↑ →药皮加厚过渡路程↑ →氧化损失↑ →过渡系数↓ （采用双层药皮，内层主要加合金剂，外层加造气及造渣剂和脱氧剂 焊剂的熔化率↑ →残留损失↑ →合金过渡系数↓,三、影响合金过渡系数的因素,习题与思考,1、何谓脱氧? 选择脱氧剂的原则是什么？ 2、脱氧有哪几种方式?各有什么特点？ 3、为什么酸性焊条一般用锰铁脱氧，不用硅铁脱氧?而碱性焊条是用锰铁和硅铁同时作为脱氧剂? 4、 硫、磷对焊接质量有何影响?如何控制它们? 5、焊缝金属合金化的目的何在?有哪些合金化方式? 6、什么是合金元素的过渡系数?如何在合金过渡中提高过渡系数? 7 、综合分析熔渣的碱度对金属的氧化、脱氧、脱硫、脱磷、合金过渡的影响。
本章结束,碱性渣沉淀脱氧,,,酸性渣沉淀脱氧,2,,END,。