焊接液态金属与熔渣的相互作用

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1、第八章 液态金属与熔渣的相互作用1 1第八章 液态金属与熔渣的相互作用2 2第一节 渣相的作用与形成 第二节 渣体结构及碱度 第三节 渣相的物理性质第四节 活性熔渣对金属的氧化第八章 液态金属与熔渣的相互作用3 3第一节 渣相的作用与形成焊接过程中或合金熔炼过程中，和液态金属接触并发生化学冶金反应的除了气体介质之外，还有高温下熔融的液态熔渣。了解熔渣的特性，对于控制焊接、铸造过程中的化学冶金反应十分重要。一、熔渣的作用二、焊接熔渣的分类与来源三、铸造熔炼过程中的熔渣第八章 液态金属与熔渣的相互作用4 4一、熔渣的作用示例见药皮焊条电弧焊过程图。1. 机械保护作用2. 冶金处理作用 3. 改善成

2、形工艺性能作用第八章 液态金属与熔渣的相互作用5 5药皮焊条电弧焊过程第八章 液态金属与熔渣的相互作用6 6埋 弧 焊 过 程 示 意 图第八章 液态金属与熔渣的相互作用7 71. 机械保护作用l 熔渣的比重一般轻于液态金属，高温下浮在液态金属的表面，使之与空气隔离，可避免液态金属中合金元素的氧化烧损，防止气相中的氢、氮、氧、硫等直接溶入，并减少液态金属的热损失。熔渣凝固后形成的渣壳覆盖在焊缝上，可以继续保护处在高温下的焊缝金属免受空气的有害作用。第八章 液态金属与熔渣的相互作用8 82. 冶金处理作用 l 熔渣与液态金属之间能够发生一系列物化反应，从而对金属与合金成分给予较大影响。适当的熔渣

3、成分，可以去除金属中的有害杂质，如脱氧、脱硫、脱磷和去氢。熔渣还可以起到吸附或溶解液态金属中非金属夹杂物的作用。焊接过程中，可通过熔渣向焊缝中过渡合金。第八章 液态金属与熔渣的相互作用9 93. 改善成形工艺性能作用 l 适当的熔渣（或焊条药皮）构成，对于熔焊电弧的引燃、稳定燃烧、减少飞溅，改善脱渣性能及焊缝外观成形等焊接工艺性能的影响至关重要；电弧炉熔炼时，熔渣起到稳定电弧燃烧作用；采用熔渣保护浇铸可减少铸件和铸型间的粘合，提高铸件表面质量并降低内应力；l 熔渣也有不利的作用，如强氧化性熔渣可以使液态金属增氧，可以侵蚀炉衬；密度大或熔点过高的熔渣易残留在金属中形成夹渣。第八章 液态金属与熔渣

4、的相互作用1010二、焊接熔渣的分类与来源（一） 焊接熔渣的类型（二） 焊接熔渣的来源第八章 液态金属与熔渣的相互作用1111（一） 焊接熔渣的类型按焊接熔渣的组成物分类：盐型熔渣盐氧化物型熔渣 氧化物型熔渣 第八章 液态金属与熔渣的相互作用1212盐 型 熔 渣l 主要由金属氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物组成。如：CaF2 NaF 、 CaF2 BaCl2 NaF 、KCl-NaCl-Na3AlF6、BaF2- MgF2- CaF2-LiFl 盐型熔渣的氧化性很小，主要用于铝、钛等活性金属的焊接。第八章 液态金属与熔渣的相互作用1313盐氧化物型熔渣l 主要由氟化物和金属氧化物组成。如：Ca

5、F2 CaO Al2O3CaF2 CaO SiO2CaF2 MgO Al2O3 SiO2l 这类熔渣的氧化性较小，主要用于重要的低合金高强钢、合金钢及合金的焊接。 第八章 液态金属与熔渣的相互作用1414氧 化 物 型 熔 渣 l 这类熔渣含有较多的弱碱金属氧化物，是应用最为普遍的一类渣系，如：MnO SiO2 、FeO MnO SiO2 、CaO Ti02 SiO2 等。这类熔渣一般具有较强的氧化性，用于低碳钢、低合金高强钢的焊接。第八章 液态金属与熔渣的相互作用1515（二）熔渣的来源与构成1、 药皮焊条电弧焊时的熔渣与药皮2、 埋弧焊、电渣焊过程中的熔渣与焊剂第八章 液态金属与熔渣的相互

6、作用16161、药皮焊条电弧焊时的熔渣与药皮l 药皮焊条电弧焊时的熔渣来源于焊条药皮中的造渣剂，通常包括钛铁矿（TiO2FeO）、金红石（TiO2）、大理石（CaCO3）、白云石（ CaCO3 MgCO3 ）、石英砂（SiO2）、长石、白泥和云母（SiO2Al2O3）等。l 焊接过程中造渣剂熔化，形成独立熔渣相，覆盖在熔滴与熔池表面。第八章 液态金属与熔渣的相互作用1717焊焊条类类型熔渣化学成分（%）熔渣碱度SiO2TiO2Al2O3FeO MnO CaO MgO Na2O K2OCaF2钛钛型23.437.710.06.911.73.70.52.22.90.43-2.0钛钙钛钙 型25.1

7、30.23.59.513.78.85.21.72.30.76-0.9钛铁矿钛铁矿 型29.214.01.115.626.58.71.31.41.10.88-0.1氧化铁铁型40.41.34.522.719.31.34.61.81.50.60-0.7纤维纤维 素型34.717.55.511.914.42.15.83.84.30.60-1.3低氢氢型24.17.01.54.03.535.8-0.80.820.31.860.9表8-1 药皮焊条电弧焊熔渣的化学成分举例低氢型焊条又称碱性焊条，主要特点是不含具有造气功能的有机物而含大量碳 酸盐和一定数量的CaF2 。碳酸盐在加热分解过程中形成熔渣（Ca

8、O或MgO）并放出 CO2 气体。CaF 除了造渣作用之外，还能减少液态金属中的氢含量。 除低氢型焊条外的为酸性焊条，这类焊条药皮不论是以硅酸盐为主还是以钛酸盐为主，一般不含CaF2 ，含少量碳酸盐和有机物。 第八章 液态金属与熔渣的相互作用18182、埋弧焊、电渣焊过程中的熔渣与焊剂l 埋弧焊、电渣焊过程中，堆积在焊件坡口上方的焊剂受热熔化，形成熔渣，覆盖在焊接电弧和熔池上方，对 熔化金属起保护和冶金处理作用。焊剂是与焊丝(或焊带)配套使用的，焊丝的作用相当于焊条中的焊芯，焊剂的作用相当于焊条中的药皮。焊剂与焊丝的合理匹配是决定焊缝金属化学成分和力学性能的重要因素。l熔炼焊剂 由一些氧化物和

9、氟化物组成； l非熔炼焊剂（烧结焊剂、粘结焊剂） 易于实现焊缝金属的合金化。第八章 液态金属与熔渣的相互作用1919三、铸造熔炼过程中的熔渣l 钢铁熔炼熔渣的主要成分有 SiO2、CaO、Al2O3 、FeO、MgO、MnO 等氧化物和少量CaF2 ，其来源为：l生铁或废钢原材料中所含的各种合金元素,熔炼过程中由于氧化而形成的氧化物；l作为氧化剂或冷却剂使用的矿石和烧结矿等；l原材料带入的泥沙或铁锈；u加入的造渣材料，如石灰、石灰石、萤石、铁矾土、粘土砖块等；u浸蚀下来的炉衬耐火材料；u脱氧、脱硫产物。第八章 液态金属与熔渣的相互作用2020l有色金属熔炼中熔渣主要来源于熔剂，熔炼中用于除气、

10、脱氧或去夹杂的熔剂品种繁多。如：铝合金精炼时采用以NaCl、KCl为主的多种氯化盐混合成低熔点的熔剂；铜合金精炼时常用的熔剂有木炭、玻璃（Na2OCaO6SiO2）、苏打（Na2CO3）、石灰（CaO）和硼砂（Na2B4O7）等。钢铁熔炼时的熔渣成分还与具体熔炼方法有关。第八章 液态金属与熔渣的相互作用2121第二节 渣体结构及碱度 一、熔渣结构的分子理论二、熔渣的离子理论三、熔渣的碱度第八章 液态金属与熔渣的相互作用2222一、熔渣结构的分子理论（1）液态熔渣是由自由状态化合物（包括氧化物、氟化物、硫化物的分子等）和复合状态化合物（酸性氧化物和碱性氧化物生成的盐）的分子所组成； （2）氧化物

11、与复合物在一定温度下处于平衡状态； （3）只有渣中的自由氧化物才能与液体金属和其中的元素发生作用。如：（FeO）+ C = Fe + CO 而硅酸铁 (FeO)2SiO2 中的 FeO 不能参与上面的反应。第八章 液态金属与熔渣的相互作用2323二、熔渣的离子理论（1）认为液态熔渣是由正离子和负离子组成的电中性溶液。（2）离子在熔渣中的分布、聚集和相互作用取决于它的综合矩（离子电荷/离子半径）。离子的综合矩越大，说明它的静电场越强，与异号离子的引力越大。（3）液体熔渣与金属之间相互作用的过程，是原子与离子交换电荷的过程。如：Si4 + 2 Fe = 2 Fe2 + Si 第八章 液态金属与熔渣

12、的相互作用2424离子离子半径 /nm综综合矩102 （静库库/cm）离子离子半径 /nm综综合矩102 （静库库/cm）K0.1333.61Ti40.06828.2Na0.0955.05Al30.05028.8Ca20.1069.0Si40.04147.0Mn20.09110.6F-0.1333.6Fe20.08311.6PO43-0.2765.2Mg20.07812.9S2-0.1745.6Mn30.07020.6SiO44-0.2796.9Fe30.06721.5O2-0.1327.3阳离子中Si4 的综合矩最大，而阴离子中O2-的综合矩最 大，所以二者最易结合为复杂的硅氧阴离子SiO4

13、4- 。 表8-3 正、负离子的综合矩第八章 液态金属与熔渣的相互作用2525三、熔渣的碱度熔渣的氧化能力、粘度等都和熔渣的碱度密切相关，碱度对液态金属的脱硫、脱磷效果也有重要影响。（一）熔渣碱度的分子理论 （二）熔渣碱度的离子理论 第八章 液态金属与熔渣的相互作用2626（一）熔渣碱度的分子理论按照分子理论，熔渣的碱度就是熔渣中的碱性氧化物与酸 性氧化物浓度的比值。表示为：碱性氧化物：K2O、Na2O、CaO、MgO、MnO、FeO等 ，酸性氧化物：SiO2、TiO2、P2O5等。考虑到氧化性强、弱差别，碱度表达式修正为：0.018CaO+0.015MgO+0.006CaF2+0.014(K

14、2O+Na2O)+0.007(MnO+Fe O)B1 = 0.017SiO2 + 0.005(Al2O3 + TiO2 + ZrO2）当B11为碱性渣，B11为酸性渣，B1=1为中性渣。 第八章 液态金属与熔渣的相互作用2727（二）熔渣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：Mi 是渣中第 I 种氧化物的摩尔分数，ai 是该氧化物的碱度系数。当B20时为碱性渣，B20为酸性渣，B2= 0为中性渣。表8-4 渣中常见氧化物的ai值 氧化物K2ONa2OCaOMnOMgOFeOSiO2TiO2ZrO2Al2O3Fe2

15、O3ai值值9.08.56.054.84.03.4-6.31-4.97-0.2-0.20第八章 液态金属与熔渣的相互作用2828碱性渣的ai为正值，这是因为碱性氧化物在液态渣中产生O2，例如：CaO = Ca2 + O2而酸性氧化物消耗渣中的O2：SiO2 + 2 O2 = SiO44因此，碱性渣中O2多，碱度高；酸性渣中O2少，碱度低。 O2越多，是否意味 着氧化性越强？第八章 液态金属与熔渣的相互作用2929第三节 渣相的物理性质 一、熔渣的凝固温度与密度二、熔渣的粘度 三、熔渣的表面张力及界面张力 第八章 液态金属与熔渣的相互作用3030一、熔渣的凝固温度与密度l 熔渣是一个多元体系，它的液固转变是在一定温度区间进行的。一般构成熔渣的各组元独立相的熔点较高，而以一定比例构成复合渣时可使凝固温度大大降低。l 金属熔炼或熔焊中，要求熔渣的熔点略低于熔炼（或母材）金属。过高（或过低）的熔渣熔点，都会影响对液态金属的保护效果和焊缝外观成形。 第八章 液态金属与熔渣的相互作用3131第八章 液态金属与熔渣的相互作用3232l密度也是熔渣的基本性质之一，它影响熔渣与液态金属间的相对位置与相对运动