焊接熔渣及其對金屬的作用

2.1.3熔渣及其對金屬的作用焊接熔渣熔渣的作用、成分及分類焊接熔渣在焊接過程中的作用①機(jī)械保護(hù)作用保護(hù)熔滴和熔池。②改善工藝性能引弧、穩(wěn)?。粶p少飛濺；保證操作性能、脫渣性和焊縫成形。③冶金處理脫氧、脫硫、脫磷和去氫；合金化。熔渣的成分和分類①鹽型熔渣金屬氟酸鹽、氯酸鹽和不含氧的化合物組成。渣系：CaF2-NaF、CaF2-BaCl2-NaF、KCl-NaCl-Na2AlF6、BaF2-MgF2-CaF2-LiF。氧化性很小，用于焊接鋁、鈦和其它化學(xué)活性金屬及其合金。②鹽-氧化物型氟化物和強(qiáng)金屬氧化物組成。渣系：CaF2-CaO-Al2O3、CaF2-CaO-SiO2、CaF2-CaO-Al2O3-SiO2。氧化性較小，用于焊接合金鋼。③氧化物型金屬氧化物組成。渣系：MnO-SiO2、FeO-MnO-SiO2、CaO-TiO2-SiO2。氧化性較弱，主要用于焊接低碳鋼和低合金鋼。

熔渣的結(jié)構(gòu)理論

熔渣的物理性質(zhì)及其與金屬的作用與熔渣結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。分子理論（以對凝固熔渣相分析和化學(xué)成分分析結(jié)果為依據(jù)）①液態(tài)熔渣是由化合物的分子組成的氧化物分子（CaO、SiO2等）、復(fù)合物分子（CaO·SiO2、MnO·SiO2）、氟化物、硫化物等②氧化物及其復(fù)合物處于平衡狀態(tài)各種復(fù)合物的穩(wěn)定性可用它們的生成熱效應(yīng)來衡量，生成熱效應(yīng)越大，越穩(wěn)定。③只有自由氧化物才能參與和金屬的反應(yīng)

分子理論簡明、定性地解釋熔渣與金屬的冶金反應(yīng)；但其假設(shè)與實(shí)際結(jié)構(gòu)不符，許多現(xiàn)象無法解釋。離子理論（以熔渣電化學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)）①液態(tài)熔渣是由陰陽離子組成的電中性溶液離子種類和存在形式取決于熔渣成分和溫度，負(fù)電性大元素以陰離子的形式存在F-、O2-、S2-；負(fù)電性小的元素形成陽離子K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+；負(fù)電性比較大的元素，陰離子往往不能獨(dú)立存在，而與氧離子形成復(fù)雜的陰離子②離子的分布和相互作用取決于它的綜合矩

Z—離子的電荷（靜電單位）

r—離子的半徑（10-1nm）離子綜合矩越大，說明它的靜電場越強(qiáng)，與異號離子的引力越大。綜合矩的大小還影響離子在渣中的分布

鹽型熔渣主要含簡單陰陽離子，綜合矩差異不大，可認(rèn)為是結(jié)構(gòu)簡單的均勻離子溶液；鹽—氧化物型熔渣屬結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的化學(xué)成分微觀不均勻的離子溶液；氧化物型熔渣具有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的化學(xué)成分更不均勻的離子溶液。③熔渣與金屬的作用過程是原子與離子交換電荷的過程

熔渣的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)的關(guān)系溶質(zhì)的堿度——重要化學(xué)性質(zhì)分子理論將氧化物分為三類：酸性氧化物SiO2、TiO2、P2O5堿性氧化物K2O、Na2O、CaO、MgO、BaO、MnO、FeO中性氧化物Al2O3、Fe2O3、Cr2O3

在不同性質(zhì)的渣中呈酸性，也可能呈堿性。

分子理論堿度的定義：R2O、RO——熔渣中堿性氧化物的摩爾數(shù)

RO2——熔渣中酸性氧化物的摩爾數(shù)

理論上B>1為堿性，B<1為酸性，B=1為中性；實(shí)際上B>1.3熔渣才為堿性。比較精確的計算堿度公式式中CaO、MgO、CaF2、SiO2以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)極。當(dāng)B1>1為堿性渣；B1<1為酸性渣；B1=1為中性渣

離子理論堿度定義：液態(tài)熔渣中自由氧離子的濃度（或氧離子的活度）。自由氧離子即游離狀態(tài)的氧離子。渣中自由氧離子的濃度越大，堿度越高。堿度的計算：B2>0為堿性渣；B2<0為酸性渣；B2=0為中性渣熔渣的粘度——渣重要的物理性質(zhì)，對保護(hù)效果、焊接工藝性能和化學(xué)冶金都有顯著影響

粘度：單位速度梯度下，作用在單位面積上的內(nèi)摩擦力?！黧w發(fā)生相對運(yùn)動時，其內(nèi)摩擦力的量度，用η表示，其倒數(shù)1/η稱為流動性。粘度取決于熔渣的成分和溫度，實(shí)際上取決于熔渣的結(jié)構(gòu)。①溫度對粘度的影響

溫度升高，熔渣粘度下降，但堿性渣和酸性渣下降的趨勢不同。②熔渣成分對粘度的影響酸性渣加入SiO2，使Si-O陰離子的聚合程度增大，其尺寸增大，粘度↑；減少SiO2，加入TiO2,可減少復(fù)雜Si-O離子，降低粘度；含TiO2較多的酸性渣已不是玻璃狀，而接近晶體狀，變?yōu)槎淘患尤雺A性氧化物，減低渣的粘度。堿性渣高熔點(diǎn)的氧化物會使粘度增加。加入少量SiO2可降低年度；加入CaF2能促使CaO熔化，降低粘度。熔渣的表面張力——對熔滴過渡、焊縫成形、脫渣性及冶金反應(yīng)有重要影響。①表面張力與其中質(zhì)點(diǎn)之間的作用力大小有關(guān)，即與化學(xué)鍵能有關(guān)。鍵能↑，張力↑因此，金屬鍵、離子鍵、共價鍵張力逐漸降低。

熔渣中加入酸性氧化物TiO2、SiO2、B2O5，形成半徑較大的陰離子，與陽離子結(jié)合弱，被排擠到熔渣表面，表面張力降低。

加入堿性氧化物CaO、MgO、MnO等增加表面張力，因為Ca2+、Mg2+、Mn2+陽離子的綜合矩較大。②溫度升高熔渣的表面張力減小

T↑，離子半徑↑，綜合矩↓，相互作用減弱。熔渣的熔點(diǎn)——影響工藝和質(zhì)量的重要因素，要求與焊絲、母材相匹配。

熔渣熔點(diǎn)：固態(tài)熔渣開始熔化的溫度。焊條藥皮熔點(diǎn)指藥皮開始熔化的溫度（造渣溫度）。熔渣（藥皮）熔點(diǎn)取決于組成物的種類、數(shù)量和粒度。

活性熔渣對焊縫金屬的氧化

活性熔渣對金屬的氧化可分為兩種基本形式：擴(kuò)散氧化和置換氧化擴(kuò)散氧化

FeO既溶于熔渣也溶于液態(tài)鋼，在一定溫度下平衡，在兩相中的濃度符合分配定律。溫度不變，渣中FeO增加，將向焊縫中擴(kuò)散。SiO2飽和的酸性渣中：

CaO飽和的堿性渣中：

T↑，L↓，即高溫時FeO向焊縫中分配。擴(kuò)散氧化主要發(fā)生在熔滴階段和熔池高溫區(qū)；焊接溫度下，L>1，F(xiàn)eO在渣中的分配量總要大些。同樣溫度條件下，F(xiàn)eO在堿性渣中比酸性渣更易向金屬中分配。置換氧化渣中含有較多易分解氧化物，則可能與液態(tài)鐵發(fā)生置換反應(yīng)，使鐵氧化，另一元素還原。

反應(yīng)結(jié)果使焊縫增加硅和錳，同時使鐵氧化，生成FeO，大部分進(jìn)入熔渣，少部分進(jìn)入焊縫，使焊縫增氧。

置換反應(yīng)的方向和限度，取決于溫度、渣中MnO、SiO2、FeO的活度和金屬中Si、Mn的濃度，以及焊接工藝參數(shù)等因素。

T↑K↑反應(yīng)向右進(jìn)行，置換氧化主要發(fā)生在熔滴階段和熔池前部的高溫區(qū)；熔池后部反應(yīng)向左進(jìn)行，造成焊縫中的非金屬夾雜物。

為評價鹽—氧化物型和氧化物型焊劑中硅、錳還原對金屬的氧化能力，定義焊劑的活度：

試驗表明，熔敷金屬含氧量隨焊劑活度AF增加成直線增加。

AF>0.6高活性焊劑

AF=0.6～0.3活性焊劑

AF=0.3～0.1低活性焊劑

AF<0.1惰性焊劑

焊絲或藥皮中焊有對氧親和力比鐵大的元素，將與硅、錳發(fā)生更激烈的置換反應(yīng)。

使焊縫中Al2O3夾雜增加，焊縫含氧升高，同時硅、錳增加。

焊接低碳鋼和低合金鋼置換氧化使焊縫增氧，同時增加硅錳，焊縫