1、1第三章第三章 焊接冶金学焊接冶金学 第14讲2上讲回顾上讲回顾 v活性熔渣对金属的氧化活性熔渣对金属的氧化v焊件表面氧化物对金属的氧化焊件表面氧化物对金属的氧化v氧对焊接质量的影响氧对焊接质量的影响v焊缝金属的脱氧焊缝金属的脱氧 3 3.5.1 3.5.1 合金化的目的及方式合金化的目的及方式 合金过渡合金过渡是把所需的合金元素通过焊接材料过渡是把所需的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属到焊缝金属(或堆焊金属或堆焊金属)中去的过程，又称中去的过程，又称焊缝金焊缝金属合金化属合金化。3.5 3.5 焊缝金属的合金化焊缝金属的合金化 4 1.1.过渡目的过渡目的 补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原
2、因造成焊补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成焊缝中合金元素的损失；缝中合金元素的损失；5 1.1.过渡目的过渡目的 补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成焊补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成焊缝中合金元素的损失；缝中合金元素的损失；消除焊接缺陷，改善焊缝组织与性能。消除焊接缺陷，改善焊缝组织与性能。6 1.1.过渡目的过渡目的 补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成焊补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成焊缝中合金元素的损失；缝中合金元素的损失；消除焊接缺陷，改善焊缝组织与性能。消除焊接缺陷，改善焊缝组织与性能。获得具有特殊性能的堆焊金属。获得具有特殊性能的堆焊金属。7 1.1.过渡目的
3、过渡目的 补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成焊补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成焊缝中合金元素的损失；缝中合金元素的损失；消除焊接缺陷，改善焊缝组织与性能。消除焊接缺陷，改善焊缝组织与性能。获得具有特殊性能的堆焊金属。获得具有特殊性能的堆焊金属。表面耐磨、热硬、耐热和耐蚀等表面耐磨、热硬、耐热和耐蚀等 可用堆焊方法过渡可用堆焊方法过渡CrCr、MoMo、WW、MnMn等合金元素。等合金元素。8图图 有过渡层的熔覆显微组织有过渡层的熔覆显微组织 9 2.2.合金过渡的方法合金过渡的方法 通过填充金属过渡：通过填充金属过渡：冶炼时加入冶炼时加入 特点：特点：l焊缝：成分均匀、稳定，合金损失
4、少；焊缝：成分均匀、稳定，合金损失少；l填充金属：炼制工艺复杂，成本高；填充金属：炼制工艺复杂，成本高；l脆硬材料：轧制和拉丝困难，不能采用此方法。脆硬材料：轧制和拉丝困难，不能采用此方法。10 2.2.合金过渡的方法合金过渡的方法 通过填充金属过渡通过填充金属过渡 通过药皮、药芯或焊剂过渡通过药皮、药芯或焊剂过渡 添加形式：铁合金或纯金属粉末添加形式：铁合金或纯金属粉末 焊剂：一般制成粘结焊剂，配合普通焊丝焊剂：一般制成粘结焊剂，配合普通焊丝11 2.2.合金过渡的方法合金过渡的方法 通过填充金属过渡通过填充金属过渡 通过药皮、药芯或焊剂过渡通过药皮、药芯或焊剂过渡 特点：特点：合金成分的配
5、比可任意调控，可以获得任意成分的焊合金成分的配比可任意调控，可以获得任意成分的焊缝或堆焊金属；缝或堆焊金属；除药芯焊丝外，药皮和粘结焊剂制造容易，成本低；除药芯焊丝外，药皮和粘结焊剂制造容易，成本低；合金元素氧化损失较大，并有一部分残留在渣中，故合金元素氧化损失较大，并有一部分残留在渣中，故合金利用率较低；合金利用率较低；焊缝合金成分不够稳定和均匀；焊缝合金成分不够稳定和均匀；12 2.2.合金过渡的方法合金过渡的方法 通过填充金属过渡通过填充金属过渡 通过药皮、药芯或焊剂过渡通过药皮、药芯或焊剂过渡 直接用合金粉末涂敷过渡直接用合金粉末涂敷过渡 把需要的合金元素按比例配制成一定粘度的合把需要
6、的合金元素按比例配制成一定粘度的合金粉末，焊接时把它输送到焊接区，或直接涂敷金粉末，焊接时把它输送到焊接区，或直接涂敷在焊件表面或坡口内。在焊件表面或坡口内。13 2.2.合金过渡的方法合金过渡的方法 通过填充金属过渡通过填充金属过渡 通过药皮、药芯或焊剂过渡通过药皮、药芯或焊剂过渡 直接用合金粉末涂敷过渡直接用合金粉末涂敷过渡 特点：特点：l合金成分的比例调配方便、对电极合金成分的比例调配方便、对电极(焊丝焊丝)无需特意制作，无需特意制作，合金损失小。合金损失小。l制粉工艺较复杂，堆焊金属的合金成分均匀性较差。制粉工艺较复杂，堆焊金属的合金成分均匀性较差。14 3.5.2 3.5.2 合金过
7、渡系数合金过渡系数 合金元素的过渡系数合金元素的过渡系数 等于它在熔敷金属中的实等于它在熔敷金属中的实际含量与它原始含量之比。际含量与它原始含量之比。即即edCCCd某合金元素在熔敷金属中的含量某合金元素在熔敷金属中的含量Ce某合金元素的原始含量某合金元素的原始含量15 焊条电弧焊：焊条电弧焊：应考虑药皮质量系数应考虑药皮质量系数K Kb b的影响，则的影响，则C Ce e为：为：C Ce e=C CewewK Kb bC Ceoeo 式中式中 C Cewew某合金元素在焊芯中的含量某合金元素在焊芯中的含量 C Ceoeo某含金元素在药皮中的含量某含金元素在药皮中的含量 因此：因此：eobew
8、dCKCC 由于药皮的氧化性较强，还有残留在熔渣的损失，由于药皮的氧化性较强，还有残留在熔渣的损失，一般情况下通过药皮过渡的过渡系数较小一般情况下通过药皮过渡的过渡系数较小，而通过焊，而通过焊丝过渡时过渡系数较大。丝过渡时过渡系数较大。16 3.5.3 3.5.3 影响过渡系数的因素影响过渡系数的因素 焊接过程合金元素主要损失于：焊接过程合金元素主要损失于：蒸发、氧化和残留在熔渣中蒸发、氧化和残留在熔渣中 只要减少这方面的损失，就能提高其过渡系数。只要减少这方面的损失，就能提高其过渡系数。17 合金元素的物理化学性质合金元素的物理化学性质 沸点：沸点：越低，焊接时的蒸发损失就越大，其过渡系越低
9、，焊接时的蒸发损失就越大，其过渡系数就越小，例如数就越小，例如MnMn的沸点仅的沸点仅20272027，在焊接时极，在焊接时极易蒸发，故其过渡系数小。易蒸发，故其过渡系数小。合金元素对氧的亲和力越大，越易氧化而损失，合金元素对氧的亲和力越大，越易氧化而损失，过渡系数就越小。过渡系数就越小。在在16001600时，各种合金元素对氧时，各种合金元素对氧亲和力由小到大排顺序如下：亲和力由小到大排顺序如下：Cu Ni CoCu Ni Co FeFe W Mo Cr Mn V Si Ti ZrW Mo Cr Mn V Si Ti Zr Al Al18 当用几个合金元素同时过渡时，其中对氧亲和当用几个合金
10、元素同时过渡时，其中对氧亲和力大的元素被氧化，就能减少其他合金元素的氧力大的元素被氧化，就能减少其他合金元素的氧化，从而提高了它们的过渡系数。化，从而提高了它们的过渡系数。例如：例如：在碱性药皮中加入在碱性药皮中加入AlAl和和TiTi，可提高，可提高Si Si和和MnMn的过渡系数。的过渡系数。19 合金元素的含量合金元素的含量 试验表明，随着药皮或焊剂中合金元素含量的增试验表明，随着药皮或焊剂中合金元素含量的增加，其过渡系数逐渐增加，最后趋于一个定值。加，其过渡系数逐渐增加，最后趋于一个定值。20 合金元素的粒度合金元素的粒度 粒度越小，表面积越大，与氧作用的机会越多，粒度越小，表面积越大
11、，与氧作用的机会越多，合金损失就越大。合金损失就越大。因此，适当提高合金元素的粒度，因此，适当提高合金元素的粒度，可减少因氧化而造成的损失，使过渡系数增大。但可减少因氧化而造成的损失，使过渡系数增大。但是，合金元素粒度过大，又会因其不易熔化而使残是，合金元素粒度过大，又会因其不易熔化而使残留损失增大，过渡系数反而减小。留损失增大，过渡系数反而减小。21 药皮或焊剂的成分药皮或焊剂的成分l如果在药皮或焊剂中增加高价氧化物和碳酸盐等，如果在药皮或焊剂中增加高价氧化物和碳酸盐等，不仅使气相的氧化性增大，而且也使熔渣的氧化性不仅使气相的氧化性增大，而且也使熔渣的氧化性增大，结果导致过渡系数减小。增大，
12、结果导致过渡系数减小。l当合金元素及其氧化物在药皮或焊剂中共存时，当合金元素及其氧化物在药皮或焊剂中共存时，由由质量作用定律可知，质量作用定律可知，能够提高该元素的过渡系数。能够提高该元素的过渡系数。l 若其他条件相同，合金元素的氧化物与熔渣的酸碱若其他条件相同，合金元素的氧化物与熔渣的酸碱性相同时，则有利于提高过渡系数。若性质相反，性相同时，则有利于提高过渡系数。若性质相反，则降低其过渡系数。则降低其过渡系数。例如例如SiOSiO2 2是酸性的，会随着熔是酸性的，会随着熔渣碱度的增加，渣碱度的增加，Si Si的过渡系数减小；的过渡系数减小；MnOMnO是碱性的，是碱性的，会随着熔渣碱度的增加
13、，会随着熔渣碱度的增加，MnMn的过渡系数增大。的过渡系数增大。22 药皮的质量系数药皮的质量系数K Kb b 在焊条药皮中合金剂含量相同情况下，在焊条药皮中合金剂含量相同情况下，K Kb b增加，过渡系数减小。增加，过渡系数减小。一般认为随着药皮厚度增加，合金剂进入一般认为随着药皮厚度增加，合金剂进入金属所经路程增大，从而使氧化和残留损失金属所经路程增大，从而使氧化和残留损失加大。加大。23 焊接方法焊接方法 不同焊接方法因对焊接区保护的方式以及不同焊接方法因对焊接区保护的方式以及所用保护介质各不相同，即使用含有同样合所用保护介质各不相同，即使用含有同样合金元素的填充金属，其过渡系数也各不相
14、同，金元素的填充金属，其过渡系数也各不相同，见下表。见下表。24表表 合金元素的过渡系数合金元素的过渡系数 253.6 3.6 焊缝金属中硫和磷的控制焊缝金属中硫和磷的控制 vS和和P是钢中的杂质。是钢中的杂质。通常母材和焊丝（芯）含通常母材和焊丝（芯）含S和和P的量都很低，对焊缝金属不会带来危害。的量都很低，对焊缝金属不会带来危害。v但在焊条药皮或焊剂的某些原材料中常含有相当数但在焊条药皮或焊剂的某些原材料中常含有相当数量的量的S和和P，在焊接过程中过渡到焊缝金属中就会造，在焊接过程中过渡到焊缝金属中就会造成危害。成危害。26 3.6.1 3.6.1 焊缝中焊缝中S S的危害及控制的危害及控
15、制 硫的危害硫的危害 S S在钢中主要以在钢中主要以FeSFeS和和MnSMnS形式存在，其中形式存在，其中FeSFeS的危害性最大。因为它与液态铁几乎无限互的危害性最大。因为它与液态铁几乎无限互溶，而在室温下它在固态铁中的溶解度很小，溶，而在室温下它在固态铁中的溶解度很小，仅为仅为0.0015%0.002%0.0015%0.002%。27l熔池凝固时熔池凝固时S S容易容易偏析偏析，以，以低熔点共晶低熔点共晶FeFeFeSFeS(熔点约熔点约985)985)或或FeSFeSFeOFeO(熔点约熔点约940)940)的形式呈的形式呈片状或链状片状或链状分布于晶界，增加焊缝金分布于晶界，增加焊缝
16、金属属结晶裂纹结晶裂纹的倾向，降低的倾向，降低冲击韧度和抗腐蚀性冲击韧度和抗腐蚀性。图图 FeFeS相图相图28v钢中含钢中含NiNi时，时，S S的有害作的有害作用用更大，更大，因因S S与与NiNi形形成成NiSNiS，NiSNiS又与又与NiNi形成熔点更低形成熔点更低(664)(664)的共的共晶晶NiSNiSNiNi，产生结晶裂纹的倾向更大。产生结晶裂纹的倾向更大。v当钢焊缝中含当钢焊缝中含C C量增加时，会促进量增加时，会促进S S的偏析，的偏析，增加增加S S的危害性。的危害性。29 硫的控制硫的控制 主要从两方面着手：主要从两方面着手：先是采取工艺措施限制先是采取工艺措施限制S
17、的来源，然后采取的来源，然后采取冶金措施把焊缝金属中的冶金措施把焊缝金属中的S S通过熔渣排出去。通过熔渣排出去。30 限制焊接材料中的含硫量限制焊接材料中的含硫量 母材：母材：S S几乎全部进入焊缝，但母材含几乎全部进入焊缝，但母材含S S量一量一般较低般较低 焊丝：焊丝：S S约有约有70%80%70%80%过渡到焊缝过渡到焊缝 药皮或焊剂：药皮或焊剂：S S约有约有50%50%过渡到焊缝过渡到焊缝 制造焊接材料时，应严格按照有关标准选择原材制造焊接材料时，应严格按照有关标准选择原材料。料。31l低碳钢及低合金钢焊丝的含低碳钢及低合金钢焊丝的含S S量（质量百分量（质量百分比）应比）应小于
18、小于0.030.04%0.030.04%；l合金钢焊丝合金钢焊丝小于小于0.0250.03%0.0250.03%；l不锈钢焊丝应不锈钢焊丝应小于小于0.02%0.02%。32l药皮、药芯或焊剂用的原材料，如锰矿、赤药皮、药芯或焊剂用的原材料，如锰矿、赤铁矿、钛铁矿、锰铁等均含有一定量的铁矿、钛铁矿、锰铁等均含有一定量的S S。l尽量选用含尽量选用含S S量低的原材料，必须使用含硫量低的原材料，必须使用含硫量过高的材料时，应预先进行处理，量过高的材料时，应预先进行处理，如采用如采用焙烧的办法，以降低到要求范围内。焙烧的办法，以降低到要求范围内。33 用冶金方法脱硫用冶金方法脱硫 选择对选择对S
19、S亲和力比铁大的元素进行脱硫。最亲和力比铁大的元素进行脱硫。最常用的常用的脱硫剂是脱硫剂是MnMn，其脱硫反应为：，其脱硫反应为：FeSFeS MnMn（MnSMnS）FeFe 反应产物反应产物MnSMnS不溶于钢液，故大部分进入不溶于钢液，故大部分进入熔渣，少量残留在焊缝中，呈点状弥散分布、熔渣，少量残留在焊缝中，呈点状弥散分布、危害较小。危害较小。34 熔渣中的碱性氧化物，如熔渣中的碱性氧化物，如MnOMnO、CaOCaO等也等也能脱硫能脱硫：FeSFeS MnOMnO（MnSMnS）FeOFeO FeSFeS CaOCaO（CaSCaS）FeOFeO l生成的生成的CaSCaS和和MnS
20、MnS不溶于钢液而进入熔渣。不溶于钢液而进入熔渣。增增加渣中的加渣中的MnOMnO和和CaOCaO的含量，减少的含量，减少FeOFeO的含的含量，有利于脱硫。量，有利于脱硫。3536l渣中加入渣中加入CaFCaF2 2能降低渣的粘度，能降低渣的粘度，有利于有利于S S2 2扩扩散，同时散，同时形成易挥发物形成易挥发物SFSF6 6，也有利于脱硫。，也有利于脱硫。l增加熔渣的碱度可提高脱硫能力增加熔渣的碱度可提高脱硫能力，目前常用，目前常用焊条药皮和焊剂的碱度都不高（一般焊条药皮和焊剂的碱度都不高（一般B B2 2），），其脱硫能力有限，焊接普通钢能满足要求，其脱硫能力有限，焊接普通钢能满足要求
21、，用于焊接用于焊接w w(S(S)0.0140.014的精炼钢，则需提高的精炼钢，则需提高药皮或焊剂的碱性。药皮或焊剂的碱性。3738v近年来精炼钢的产量不断增加，迫切需要研制焊接近年来精炼钢的产量不断增加，迫切需要研制焊接这类钢的焊接材料。这类钢的焊接材料。vCaCOCaCO3 3-MgO-CaF-MgO-CaF2 2是高碱度粘结焊剂是高碱度粘结焊剂(用用TiTi作脱氧剂作脱氧剂)，有较好的脱硫效果，焊缝含硫量小于有较好的脱硫效果，焊缝含硫量小于0.0100.010。v用强碱性无氧药皮或焊剂，可得到含硫量更低的焊用强碱性无氧药皮或焊剂，可得到含硫量更低的焊缝金属缝金属(S(S0.0060.0
22、06)。v研究表明：研究表明：稀土元素不仅可以脱硫和改变硫化物夹稀土元素不仅可以脱硫和改变硫化物夹杂的尺寸、形态和分布，而且可以提高焊缝的韧性。杂的尺寸、形态和分布，而且可以提高焊缝的韧性。39 3.6.2 3.6.2 焊缝中焊缝中P P的危害及控制的危害及控制 P P的危害的危害 P P在液态铁中溶解度很大，并以在液态铁中溶解度很大，并以FeFe2 2P P和和FeFe3 3P P的形式存在，但的形式存在，但P P在固态铁中的溶解度只有在固态铁中的溶解度只有千分之几。千分之几。P P与与FeFe和和NiNi可形成低熔点共晶，可形成低熔点共晶，如如FeFe3 3P PFeFe（熔点（熔点105
23、01050），），NiNi3 3P PFeFe（熔点（熔点880880）。）。4041 当熔池快速凝固时，当熔池快速凝固时，P P易发生偏析。磷化铁易发生偏析。磷化铁常常分布于晶界分布于晶界，减弱了晶粒间的结合力，而，减弱了晶粒间的结合力，而且本身既硬又脆。且本身既硬又脆。增加了焊缝金属的冷脆性，增加了焊缝金属的冷脆性，即冲击韧度降低，脆性转变温度升高。即冲击韧度降低，脆性转变温度升高。焊接奥氏体钢或低合金钢焊缝含碳量高时，焊接奥氏体钢或低合金钢焊缝含碳量高时，P P也促使形成也促使形成结晶裂纹结晶裂纹。4243 磷的控制磷的控制 也和控制硫一样，也和控制硫一样，首先限制磷的来源，然后再首先限
24、制磷的来源，然后再用冶金方法去磷。用冶金方法去磷。l母材和焊丝母材和焊丝(芯芯)经过冶炼一般磷含量都较低，都符经过冶炼一般磷含量都较低，都符合标准，所以合标准，所以关键在于限制制造焊条药皮、药芯关键在于限制制造焊条药皮、药芯或焊剂中所用原材料的含磷量。或焊剂中所用原材料的含磷量。l锰矿是焊缝增磷的主要来源，锰矿是焊缝增磷的主要来源，通常通常(P(P)0.220.22，其存在形式为其存在形式为(MnO)(MnO)3 3PP2 2O O5 5。4445l磷一旦进入液态金属，应采用冶金脱磷，分两步：磷一旦进入液态金属，应采用冶金脱磷，分两步：第一步第一步 FeOFeO将磷氧化生成将磷氧化生成P P2
25、 2O O5 5 ；第二步第二步 P P2 2O O5 5与渣中的碱性氧化物生成稳定的磷酸与渣中的碱性氧化物生成稳定的磷酸 盐，其反应如下：盐，其反应如下：2Fe2Fe3 3P P 5(FeO)5(FeO)P P2 2O O5 511Fe11Fe P P2 2O O5 5 3(CaO)3(CaO)(CaO)(CaO)3 3 P P2 2O O5 5 P P2 2O O5 5 4(CaO)4(CaO)(CaO)(CaO)4 4 P P2 2O O5 5 46l增加熔渣的碱度可减少焊缝的含磷量增加熔渣的碱度可减少焊缝的含磷量，但当，但当碱度碱度B B2.52.5时，则影响很小。时，则影响很小。l在
26、碱性渣中加入在碱性渣中加入CaFCaF2 2有利于脱磷有利于脱磷，因，因CaFCaF2 2在在渣中形成渣中形成CaCa2+2+，使渣中，使渣中P P2 2O O5 5的活度下降。此的活度下降。此外，外，CaFCaF2 2降低渣的粘度，有利于物质扩散。降低渣的粘度，有利于物质扩散。4748l熔渣碱度受焊接工艺性能制约，不能过分增大，同熔渣碱度受焊接工艺性能制约，不能过分增大，同时碱性渣不允许含有较多的时碱性渣不允许含有较多的FeOFeO，否则使焊缝增氧，否则使焊缝增氧，不利于脱磷，所以碱性渣脱磷效果并不理想。不利于脱磷，所以碱性渣脱磷效果并不理想。l酸性渣虽含有较多的酸性渣虽含有较多的FeOFeO，有利于磷的氧化，但因，有利于磷的氧化，但因碱度低，其脱磷能力更不如碱性渣。碱度低，其脱磷能力更不如碱性渣。总之，焊接时脱磷比脱硫更难，要控制焊缝含磷，总之，焊接时脱磷比脱硫更难，要控制焊缝含磷，主要是严格限制焊接材料中的含磷量。主要是严格限制焊接材料中的含磷量。49本讲小结本讲小结v过渡目的和合金过渡的方法过渡目的和合金过渡的方法v合金过渡系数合金过渡系数v影响过渡系数的因素影响过渡系数的因素v焊缝中焊缝中S S的危害及控制的危害及控制v焊缝中焊缝中P P的危害及控制的危害及控制
