PartII焊接化学冶金—3熔渣与液态金属的相互作用课件.ppt
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- PartII 焊接 化学 冶金 液态 金属 相互作用 课件
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1、1材料成型基础材料成型基础Part II焊接化学冶金焊接化学冶金2液态金属与熔渣的相互作用1 1、焊接熔渣、焊接熔渣2 2、熔渣的物理性质、熔渣的物理性质3 3、活性熔渣对金属的氧化、活性熔渣对金属的氧化31 1、焊接熔渣、焊接熔渣 焊接过程中,焊焊接过程中,焊(或钎或钎)剂、药皮熔化后剂、药皮熔化后,经,经过一系列化学变化而形成的过一系列化学变化而形成的覆盖于焊覆盖于焊(或钎或钎)缝表缝表面的非金属物质。面的非金属物质。3.1 焊接熔渣2 2、熔渣的作用、熔渣的作用 (1)机械保护作用机械保护作用 (2)冶金处理作用冶金处理作用 (3)改善成形工艺性能作用改善成形工艺性能作用 (4)不利作用
2、不利作用 43.1 焊接熔渣(1)(1)机械保护作用机械保护作用焊中:焊中:防合金元素烧损,防防合金元素烧损,防HH、NN、OO、S S的侵的侵入,减少液态金属的热损失。入,减少液态金属的热损失。焊后:焊后:防高温焊缝金属氧化。防高温焊缝金属氧化。(2)(2)冶金处理作用冶金处理作用 a.a.金属中的有害杂质,如脱氧、脱硫、脱磷和去金属中的有害杂质,如脱氧、脱硫、脱磷和去氢氢;b.b.吸附或溶解液态金属中非金属夹杂物吸附或溶解液态金属中非金属夹杂物;c.c.向焊缝中过渡合金。向焊缝中过渡合金。(3)(3)改善成形工艺性能改善成形工艺性能a.a.电弧易于引燃、稳定燃烧、减少飞溅,改善脱电弧易于引
3、燃、稳定燃烧、减少飞溅,改善脱渣性及焊缝成形好;渣性及焊缝成形好;b.b.电弧熔炼电弧熔炼:稳定电弧燃烧,电阻发热体,重熔稳定电弧燃烧,电阻发热体,重熔并精炼金属。并精炼金属。(4)(4)不利作用不利作用a.a.强氧化性熔渣使焊缝增氧强氧化性熔渣使焊缝增氧b.b.易残留在金属中形成夹渣。易残留在金属中形成夹渣。53 3、熔渣的成分与分类、熔渣的成分与分类 熔渣由多种化合物构成,其性能主要取决于熔渣由多种化合物构成,其性能主要取决于熔渣的成分与结构:熔渣的成分与结构:(1)(1)盐型熔渣盐型熔渣 (2)(2)盐盐-氧化物型熔渣氧化物型熔渣 (3)(3)氧化物型熔渣氧化物型熔渣 3.1 焊接熔渣6
4、类型类型成分成分氧化性氧化性应用应用盐型熔盐型熔渣渣金属氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化金属氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物合物,如如CaF2-NaF、CaF2-RaCl2-NaF、KCl-NaCl-Na3AlF6、BaF2-MgF2-CaF2-LiF 很小很小 铝、钛等化学铝、钛等化学活性金属活性金属 盐盐-氧化氧化物型熔物型熔渣渣氟化物和金属氧化物氟化物和金属氧化物,如如CaF2-CaO-Al2O3、CaF2-CaO-SiO2、CaF2 MgO-Al2O3-SiO2较小较小 重要的低合金重要的低合金高强钢、合金高强钢、合金钢及合金钢及合金 氧化物氧化物型熔渣型熔渣弱碱金属氧化物弱碱金属氧化物,如如
5、MnO-SiO2、FeO-MnO-SiO2、CaO-TiO2-SiO2较强较强低碳钢、低合低碳钢、低合金高强钢金高强钢 熔渣的成分及分类熔渣的成分及分类3.1 焊接熔渣渣系:焊接熔渣是一个多成分的复渣系:焊接熔渣是一个多成分的复杂体系,通常将含量少,影响小的杂体系,通常将含量少,影响小的次要成分略去,简化为含量多、影次要成分略去,简化为含量多、影响大的成分组成的渣系。响大的成分组成的渣系。74 4、熔渣的来源与构成、熔渣的来源与构成 (1)SMAW(1)SMAW的熔渣与药皮的熔渣与药皮 SMAWSMAW熔渣来源于焊条熔渣来源于焊条药皮中的造渣剂。药皮中的造渣剂。造渣剂是药皮中最基本的组成物,通
6、常包括造渣剂是药皮中最基本的组成物,通常包括钛铁矿钛铁矿(TiO(TiO2 2FeO)FeO)、金红石、金红石(TiO(TiO2 2)、大理石、大理石(CaCO(CaCO3 3)、硅砂、硅砂(SiO(SiO2 2)、长石、白泥和云母、长石、白泥和云母(SiO(SiO2 2A1A12 2OO3 3)等。等。焊接过程中造渣剂熔化,形成独立熔渣相,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。覆盖在熔滴与熔池表面。3.1 焊接熔渣8由氧化物和氟化由氧化物和氟化物组成的,与物组成的,与SMAW的熔渣成的熔渣成分类似。分类似。易于实易于实现焊缝现焊缝金属的金属的合金化合金化(2)SAW(2
7、)SAW、ESWESW熔渣与焊剂熔渣与焊剂3.1 焊接熔渣焊剂焊剂熔炼焊剂非熔炼焊剂烧结焊剂粘结焊剂因在制造过因在制造过程中耗能太程中耗能太大而逐渐被大而逐渐被淘汰淘汰推广应用推广应用前景良好前景良好用于堆焊用于堆焊和焊接高和焊接高强钢、不强钢、不锈钢。锈钢。碱度可调范围广碱度可调范围广,易于易于添加各种合金元素添加各种合金元素,有有利于改善焊接工艺性能利于改善焊接工艺性能和提高焊缝力学性能。和提高焊缝力学性能。9 熔渣的物化性质及其与金属的相互作用与熔熔渣的物化性质及其与金属的相互作用与熔渣的内部结构有密切关系。渣的内部结构有密切关系。液态熔渣的结构理论液态熔渣的结构理论:(1)(1)分子理
8、论分子理论 主要依据室温下对凝固熔渣的相分析和成分主要依据室温下对凝固熔渣的相分析和成分分析的结果分析的结果 (2)(2)离子理论离子理论 基于对熔渣电化学性能的研究基于对熔渣电化学性能的研究 3.1 焊接熔渣5 5、熔渣结构理论、熔渣结构理论10(1)(1)分子理论分子理论3.1 焊接熔渣 1)1)液态熔渣是由自由状态化合物和复合状态化液态熔渣是由自由状态化合物和复合状态化合物的分子所组成。合物的分子所组成。自由化合物自由化合物:氧化物、氟化物、硫化物氧化物、氟化物、硫化物 复合化合物复合化合物:酸性和碱性氧化物生成的盐酸性和碱性氧化物生成的盐 2)2)氧化物与复合物在一定温度下处于平衡状氧
9、化物与复合物在一定温度下处于平衡状态态 CaO+SiOCaO+SiO2 2CaOCaOSiOSiO2 2升温升温:反应向左反应向左;降温降温:反应向右反应向右 3)3)只有渣中自由氧化物才能与液态金属及其只有渣中自由氧化物才能与液态金属及其中的元素发生作用中的元素发生作用(FeO)+C=Fe+CO(FeO)+C=Fe+CO 硅酸铁硅酸铁(FeO)(FeO)2 2SiOSiO2 2中的中的FeOFeO不能反应不能反应 分子理论建立早、应用广,可简明地定性分分子理论建立早、应用广,可简明地定性分析熔渣和金属之间的一些冶金反应。但无法解释析熔渣和金属之间的一些冶金反应。但无法解释熔渣导电性等。熔渣导
10、电性等。11(2)(2)离子理论离子理论3.1 焊接熔渣 1)1)液态熔渣是由正离子和负离子组成的电中性液态熔渣是由正离子和负离子组成的电中性溶液溶液 包括简单正离子、简单负离子以及复杂负离子包括简单正离子、简单负离子以及复杂负离子 2)2)离子在熔渣中的分布、聚集和相互作用取离子在熔渣中的分布、聚集和相互作用取决于其综合矩决于其综合矩:离子电荷离子电荷/离子半径离子半径 离子的综合矩越大,说明它的静电场越离子的综合矩越大,说明它的静电场越强,与异号离子的引力越大。强,与异号离子的引力越大。离子间的作用力还影响离子在熔渣中的离子间的作用力还影响离子在熔渣中的分布分布 熔渣不是完全均匀的离子溶液
11、,而是微观熔渣不是完全均匀的离子溶液,而是微观不均匀的溶液。不均匀的溶液。3)3)液体熔渣与金属之间相互作用的过程,是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原子与离子交换电荷的过程 如硅还原和铁氧化的过程是金属中铁原子和如硅还原和铁氧化的过程是金属中铁原子和渣中硅离子在两相界面上交换电荷的过程渣中硅离子在两相界面上交换电荷的过程:离子理论离子理论:Si:Si4+4+2Fe=2Fe+2Fe=2Fe2+2+Si+Si分子理论分子理论:(SiO:(SiO2 2)+2Fe=2(FeO)+Si)+2Fe=2(FeO)+Si 熔渣的离子理论对许多现象的解释比分子理熔渣的离子理论对许多
12、现象的解释比分子理论更合理论更合理,但由于目前它还没有一个完整的模型但由于目前它还没有一个完整的模型,又缺乏系统的热力学资料又缺乏系统的热力学资料,故在化学冶金中还广泛故在化学冶金中还广泛应用分子理论。应用分子理论。123.2 焊接熔渣的理化性质u熔点熔点u密度密度u碱度碱度(Basicity)(Basicity)u粘度粘度 (Viseosity)(Viseosity)u表面张力与界面张力表面张力与界面张力 影响熔滴过渡,脱渣性,保护效果,焊影响熔滴过渡,脱渣性,保护效果,焊缝成形等缝成形等133.2 焊接熔渣的理化性质1 1、熔点、熔点(1)(1)熔渣是一个多元体系,其液固转变是在一个熔渣是
13、一个多元体系,其液固转变是在一个温度区间进行的,熔点高低取决于熔渣的组分。温度区间进行的,熔点高低取决于熔渣的组分。(2)(2)熔渣的各组元独立相熔点较高,而以一定比熔渣的各组元独立相熔点较高,而以一定比例构成复合渣时可使凝固温度大大降低。例构成复合渣时可使凝固温度大大降低。(3)(3)熔渣的熔点熔渣的熔点(或焊条熔点或焊条熔点)与焊丝和母材的熔点与焊丝和母材的熔点相匹配相匹配:若熔渣的熔点过高若熔渣的熔点过高熔渣过早凝固熔渣过早凝固,其与其与液态金属反应不充分液态金属反应不充分影响焊缝外观成形、甚至影响焊缝外观成形、甚至产生气孔和夹杂产生气孔和夹杂;凝固温度过低凝固温度过低焊缝开始凝固时焊缝
14、开始凝固时,熔渣仍处于稀流状态熔渣仍处于稀流状态,使其覆盖性变差使其覆盖性变差影响对焊影响对焊缝保护及外观成形缝保护及外观成形(焊缝表面粗糙不平焊缝表面粗糙不平)。(4)SMAW:(4)SMAW:一般药皮熔点要略低于焊芯金属熔一般药皮熔点要略低于焊芯金属熔点点(约低约低100200100200),),适于焊接钢的熔渣熔点一适于焊接钢的熔渣熔点一般在般在1150135011501350。由于药皮是机械混合物,。由于药皮是机械混合物,熔化后才能形成熔渣,所以熔渣的凝固温度必然熔化后才能形成熔渣,所以熔渣的凝固温度必然要比药皮的熔点更低一些。要比药皮的熔点更低一些。143.2 焊接熔渣的理化性质2
15、2、密度、密度(1)(1)影响熔渣与液态金属间的相对位置与相对运影响熔渣与液态金属间的相对位置与相对运动速度。动速度。(2)(2)密度与金属接近的熔渣易滞留于金属内部形密度与金属接近的熔渣易滞留于金属内部形成夹杂。成夹杂。(3)(3)选用焊材时,首先要保证所形成的熔渣具有选用焊材时,首先要保证所形成的熔渣具有合适的凝固温度范围和较低的密度。合适的凝固温度范围和较低的密度。153.2 焊接熔渣的理化性质3 3、碱度、碱度 碱度是熔渣的重要化学性质之一,影响熔渣碱度是熔渣的重要化学性质之一,影响熔渣的其他物化性质,如活性、粘度、表面张力,也的其他物化性质,如活性、粘度、表面张力,也影响熔渣对液态金
16、属脱硫、脱磷效果。影响熔渣对液态金属脱硫、脱磷效果。不同的熔渣结构理论,碱度的定义和计算方不同的熔渣结构理论,碱度的定义和计算方法都不同法都不同:(1)(1)分子理论下的熔渣碱度分子理论下的熔渣碱度 (2)(2)离子理论下的熔渣碱度离子理论下的熔渣碱度163.2 焊接熔渣的理化性质(1)(1)分子理论下的熔渣碱度分子理论下的熔渣碱度熔渣碱度熔渣碱度:熔渣中的碱性氧化物与酸性氧化物浓熔渣中的碱性氧化物与酸性氧化物浓度的比值。度的比值。计算公式计算公式:酸性氧化物的摩尔分数碱性氧化物的摩尔分数B碱度计算碱度计算:碱性渣碱性渣:B1:B1酸性渣酸性渣:B1:B1,1,酸性渣酸性渣:B:B1 11,0
17、;0;酸性渣酸性渣:B:B2 20;00原因原因:碱性氧化物在液态渣中产生碱性氧化物在液态渣中产生OO2-2-等等,如:如:CaO=CaCaO=Ca2+2+O+O2-2-酸性氧化物酸性氧化物:ai00 原因原因:酸性氧化物消耗渣中的酸性氧化物消耗渣中的OO2-2-,如:如:SiOSiO2 2+2O+2O2-2-=SiO=SiO4 44-4-20焊条或焊焊条或焊剂类型剂类型熔渣化学成分(质量分数)(熔渣化学成分(质量分数)(%)碱度碱度类型类型酸碱性酸碱性SiOSiO2 2TiOTiO2 2Al Al2 2O O3 3 FeOFeOMnOMnOCaOCaOMgOMgONaNa2 2O OK K2
18、 2O OCaFCaF2 2B B1 1B B2 2氧化物型氧化物型酸性酸性钛型钛型23.423.437.737.710.010.06.96.911.711.73.73.70.50.52.22.22.92.90.430.43-2.0-2.0氧化物型氧化物型酸性酸性钛钙型钛钙型25.125.130.230.23.53.59.59.513.713.78.88.85.25.21.71.72.32.30.760.76-0.9-0.9氧化物型氧化物型酸性酸性钛铁矿型钛铁矿型 29.229.214.014.01.11.115.615.626.526.58.78.71.31.31.41.41.11.10.8
19、80.88-0.1-0.1氧化物型氧化物型酸性酸性氧化铁型氧化铁型 40.440.41.31.34.54.522.722.719.319.31.31.34.64.61.81.81.51.50.600.60-0.7-0.7氧化物型氧化物型酸性酸性纤维素型纤维素型 34.734.717.517.55.55.511.911.914.414.42.12.15.85.83.83.84.34.30.600.60-1.3-1.3氧化物型氧化物型酸性酸性低氢型低氢型24.124.17.07.01.51.54.04.03.53.535.835.80.80.80.80.820.320.31.861.860.90.
20、9盐盐-氧化物型氧化物型碱性碱性HJ430HJ43038.538.51.31.34.74.743431.71.70.450.456.06.00.620.62-0.33-0.33氧化物型氧化物型酸性酸性HJ251HJ25118.218.222.022.018.018.023.023.01.01.07.07.010.010.03.03.06.06.014.014.017.017.023.023.030.030.01.151.151.441.440.0480.0480.490.49盐盐-氧化物型氧化物型碱性碱性焊接熔渣的化学成分举例 3.2 焊接熔渣的理化性质(3)(3)两种两种理论的熔渣碱度比较理
21、论的熔渣碱度比较213.2 焊接熔渣的理化性质(4)(4)有关有关熔渣碱度的一般规律熔渣碱度的一般规律u根据熔渣碱度,焊条和焊剂分为酸性和碱性两根据熔渣碱度,焊条和焊剂分为酸性和碱性两大类。大类。u低氢型焊条又称碱性焊条,其药皮主要特点是低氢型焊条又称碱性焊条,其药皮主要特点是不含有机物,含大量碳酸盐和一定的不含有机物,含大量碳酸盐和一定的CaFCaF2 2。u其它非低氢型焊条又称为酸性焊条,主要以硅其它非低氢型焊条又称为酸性焊条,主要以硅酸盐或钛酸盐为主,一般不含酸盐或钛酸盐为主,一般不含CaFCaF2 2。u碱度越大,焊缝氧、硫含量越低。碱度越大,焊缝氧、硫含量越低。u碱性渣易吸潮,电弧稳
22、定性和脱渣性较差,碱性渣易吸潮,电弧稳定性和脱渣性较差,223.2 焊接熔渣的理化性质4 4、粘度、粘度 主要影响保护效果、焊缝成形、熔池中气体主要影响保护效果、焊缝成形、熔池中气体的外逸等的外逸等:u金属与渣之间的冶金反应金属与渣之间的冶金反应,在动力学上取决于它在动力学上取决于它们之间的相对传输速度们之间的相对传输速度熔渣的粘度越小熔渣的粘度越小,流动性流动性越好越好,则扩散越容易则扩散越容易,对冶金反应的进行就越有利对冶金反应的进行就越有利,越易于气体的逸出。越易于气体的逸出。u在焊接工艺上在焊接工艺上,焊接熔渣的粘度过小焊接熔渣的粘度过小熔渣熔渣易流易流失失影响对熔池影响对熔池(或焊缝
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