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1、1材料成形原理（焊接部分）3 3液态金属净化与合金过渡23.13.1焊缝金属的脱氧焊缝金属的脱氧3一、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： 防止被焊金属的氧化，减少液态金属中的溶解氧； 排除脱氧后的产物，防止在焊接中形成非金属夹杂物。4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：
2、 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 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、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。至熔渣中，以减少夹杂物的数量。 3 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。虑成本。5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
3、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：的氧和二氧化碳与脱氧剂（如： AlAl、Ti Ti 、SiSi、MnMn ）的反应为：）的反应为： FeFe2 2OO3 3= = FeOFeO + + OO2 2CaCO CaCO3 3= = CaOCaO + + COCO2 2Ti+ 2COTi+ 2CO2 2= TiO = TiO2 2+ + 2CO2CO SiSi+ 2CO+ 2CO2 2= SiO = S
4、iO2 2+ + 2CO2CO反应结果反应结果：使气相氧化性减弱。：使气相氧化性减弱。脱氧效果脱氧效果：不完全（药皮加热阶段温度低、传质：不完全（药皮加热阶段温度低、传质 条件差）条件差）62、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
5、应3）硅锰联合脱氧三、脱氧的方式71）锰的脱氧反应式中：MnO 渣中MnO的活度系数；MnO 渣中MnO的活度；Mn 金属中Mn的活度； FeO 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MnMn%， FeO FeO %，于是：影响因素：影响因素： 增加增加 MnMn 、减少（、减少（ MnOMnO ）脱氧效果提高；脱氧效果提高； 减小减小 MnOMnO 脱氧效果提高。脱氧效果提高。酸性渣，生成复合物酸性渣，生成复合物MnOSiO2 MnOSiO2 、 MnOMnO TiO2 TiO2 、 使使 MnOMnO减小，脱氧效果比碱性好。减小，脱氧效果比碱性好。三、脱氧的方式
6、82）硅的脱氧反应与分析锰类似，硅的脱氧反应为：影响因素： 增加Si、减少（ SiO2 ）脱氧效果提高； 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93）硅锰联合脱氧当Mn /Si=37时，脱氧产物形成硅酸盐MnOSiO2 ，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=1.53碱性焊条，加锰铁和硅铁联合脱氧化 合 物FeOMnOSiO2TiO2Al2O3(FeO)2SiO2MnOSiO2(MnO)2SiO2 熔 点 / 13691580172318252050120512701326密度 /
7、(103kg/m3)5.805.112.264.073.954.303.604.10Mn/Si1.251.982.783.604.188.7015.90最大质点半径（cm）0.000750.001450.01260.012850.018350.001950.0006金属中 Mn/SiMn/Si 对脱氧产物质点半径的影响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103、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
8、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113.23.2焊缝金属中硫和磷的控制12一、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：增加产生结晶裂纹的倾向。降低冲击韧性、抗腐蚀性。 132、控制硫的措施限制焊材的含硫量低碳钢、低合金钢焊丝：S0.03% 0.04%；合金钢焊丝：S0.025% 0.03% ；不锈钢焊丝：S
9、0.02%；限制药皮、焊剂、药芯中的含硫量。用冶金方法脱硫用冶金方法脱硫 选择对硫亲和力比铁大的元素进行脱硫，如锰、镁、钙等。选择对硫亲和力比铁大的元素进行脱硫，如锰、镁、钙等。 锰的脱硫产物为锰的脱硫产物为MnSMnS不溶于钢液，其脱硫反应为：不溶于钢液，其脱硫反应为：熔渣中的碱性氧化物，如熔渣中的碱性氧化物，如MnOMnO 、 CaOCaO 、 MgOMgO 等，也能脱硫：等，也能脱硫：材 料原含硫量 /%处理方法处理后含 硫量、%TiO2 CaF20.14 0.32100焙烧2530min 焙 烧0.07 0.13原材料的焙烧处理一、硫的危害及控制14与铁、镍形成低熔点共晶如：Fe3PF
10、e（1050）Ni3PFe （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： 磷的危害及控制磷的危害及控制1 1、磷的危害、磷的危害二、磷的危害及控制152、控制磷的措施限制母材、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：P0.22%高锰熔炼焊剂： P0.15% 无锰熔炼和烧结焊剂： P0.05% 二、磷的危害及控制16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，P
11、2O5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。碱度 R = CaO/SiO2熔渣碱度和FeO含量对磷在渣及钢液中分配比的影响w(FeO) (%)二、磷的危害及控制173.33.3合金过渡合金过渡18一、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
12、耐磨、耐蚀、耐热等。19（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203、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
13、：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21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，
14、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：用途： 预先计算合金元素在焊缝中的含量；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。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=0时，22各种合金化元素的过渡系数 二、合金元素的过渡系数焊接方法焊丝 或焊 芯焊剂 、药 皮或药芯过渡系数CSiMnCrWVNbMoNiTi 氩弧焊H70W10 Cr
15、3Mn2V0.800.790.880.990.940.85 埋弧焊HJ2510.532.030.590.830.830.78 HJ4310.332.251.130.700.890.77 CO2焊0.290.720.600.940.960.68 H08AMnCrCNi0.780.830.900.99 焊条 电弧焊H18Cr MnSi赤铁矿0.220.020.050.25 大理石0.280.100.140.43 石英0.200.750.180.80 氟石0.670.880.380.89 H08A钛钙 型0.710.380.770.520.800.600.960.13 氧化铁型0.14- 0.270.08- 0.120.640.71低氢型0.44- 0.550.14- 0.270.45- 0.550.72- 0.820.59- 0.640.83- 0.86 低氢型（ 堆焊）0.32- 0.650.76- 0.860.40- 0.500.86- 0.900.84- 0.910.78- 0.8823三、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 合金元素锰铜铬钒钼沸 点/20272595267
