1、第三章第三章 焊接冶金學(xué)焊接冶金學(xué) 第14講1上講回顧上講回顧 v活性熔渣對(duì)金屬的氧化活性熔渣對(duì)金屬的氧化v焊件表面氧化物對(duì)金屬的氧化焊件表面氧化物對(duì)金屬的氧化v氧對(duì)焊接質(zhì)量的影響氧對(duì)焊接質(zhì)量的影響v焊縫金屬的脫氧焊縫金屬的脫氧 2 3.5.1 3.5.1 合金化的目的及方式合金化的目的及方式 合金過渡合金過渡是把所需的合金元素通過焊接材料過渡是把所需的合金元素通過焊接材料過渡到焊縫金屬到焊縫金屬( (或堆焊金屬或堆焊金屬) )中去的過程，又稱中去的過程，又稱焊縫金焊縫金屬合金化屬合金化。 3.5 3.5 焊縫金屬的合金化焊縫金屬的合金化 3 1. 1. 過渡目的過渡目的 補(bǔ)償焊接過程中由于蒸

2、發(fā)、氧化等原因造成焊補(bǔ)償焊接過程中由于蒸發(fā)、氧化等原因造成焊縫中合金元素的損失；縫中合金元素的損失；4 1. 1. 過渡目的過渡目的 補(bǔ)償焊接過程中由于蒸發(fā)、氧化等原因造成焊補(bǔ)償焊接過程中由于蒸發(fā)、氧化等原因造成焊縫中合金元素的損失；縫中合金元素的損失； 消除焊接缺陷，改善焊縫組織與性能。消除焊接缺陷，改善焊縫組織與性能。5 1. 1. 過渡目的過渡目的 補(bǔ)償焊接過程中由于蒸發(fā)、氧化等原因造成焊補(bǔ)償焊接過程中由于蒸發(fā)、氧化等原因造成焊縫中合金元素的損失；縫中合金元素的損失； 消除焊接缺陷，改善焊縫組織與性能。消除焊接缺陷，改善焊縫組織與性能。 獲得具有特殊性能的堆焊金屬。獲得具有特殊性能的堆焊

3、金屬。6 1. 1. 過渡目的過渡目的 補(bǔ)償焊接過程中由于蒸發(fā)、氧化等原因造成焊補(bǔ)償焊接過程中由于蒸發(fā)、氧化等原因造成焊縫中合金元素的損失；縫中合金元素的損失； 消除焊接缺陷，改善焊縫組織與性能。消除焊接缺陷，改善焊縫組織與性能。 獲得具有特殊性能的堆焊金屬。獲得具有特殊性能的堆焊金屬。 表面耐磨、熱硬、耐熱和耐蝕等表面耐磨、熱硬、耐熱和耐蝕等 可用堆焊方法過渡可用堆焊方法過渡CrCr、MoMo、WW、MnMn等合金元素。等合金元素。7圖圖 有過渡層的熔覆顯微組織有過渡層的熔覆顯微組織 8 2. 2. 合金過渡的方法合金過渡的方法 通過填充金屬過渡：通過填充金屬過渡：冶煉時(shí)加入冶煉時(shí)加入 特點(diǎn)

4、：特點(diǎn)：l焊縫：成分均勻、穩(wěn)定，合金損失少；焊縫：成分均勻、穩(wěn)定，合金損失少；l填充金屬：煉制工藝復(fù)雜，成本高；填充金屬：煉制工藝復(fù)雜，成本高；l脆硬材料：軋制和拉絲困難，不能采用此方法。脆硬材料：軋制和拉絲困難，不能采用此方法。9 2. 2. 合金過渡的方法合金過渡的方法 通過填充金屬過渡通過填充金屬過渡 通過藥皮、藥芯或焊劑過渡通過藥皮、藥芯或焊劑過渡 添加形式：鐵合金或純金屬粉末添加形式：鐵合金或純金屬粉末 焊劑：一般制成粘結(jié)焊劑，配合普通焊絲焊劑：一般制成粘結(jié)焊劑，配合普通焊絲10 2. 2. 合金過渡的方法合金過渡的方法 通過填充金屬過渡通過填充金屬過渡 通過藥皮、藥芯或焊劑過渡通過

5、藥皮、藥芯或焊劑過渡 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 合金成分的配比可任意調(diào)控，可以獲得任意成分的焊合金成分的配比可任意調(diào)控，可以獲得任意成分的焊縫或堆焊金屬；縫或堆焊金屬； 除藥芯焊絲外，藥皮和粘結(jié)焊劑制造容易，成本低；除藥芯焊絲外，藥皮和粘結(jié)焊劑制造容易，成本低； 合金元素氧化損失較大，并有一部分殘留在渣中，故合金元素氧化損失較大，并有一部分殘留在渣中，故合金利用率較低；合金利用率較低； 焊縫合金成分不夠穩(wěn)定和均勻；焊縫合金成分不夠穩(wěn)定和均勻；11 2. 2. 合金過渡的方法合金過渡的方法 通過填充金屬過渡通過填充金屬過渡 通過藥皮、藥芯或焊劑過渡通過藥皮、藥芯或焊劑過渡 直接用合金粉末涂敷過渡直接用合金粉

6、末涂敷過渡 把需要的合金元素按比例配制成一定粘度的合把需要的合金元素按比例配制成一定粘度的合金粉末，焊接時(shí)把它輸送到焊接區(qū)，或直接涂敷金粉末，焊接時(shí)把它輸送到焊接區(qū)，或直接涂敷在焊件表面或坡口內(nèi)。在焊件表面或坡口內(nèi)。12 2. 2. 合金過渡的方法合金過渡的方法 通過填充金屬過渡通過填充金屬過渡 通過藥皮、藥芯或焊劑過渡通過藥皮、藥芯或焊劑過渡 直接用合金粉末涂敷過渡直接用合金粉末涂敷過渡 特點(diǎn)：特點(diǎn)：l合金成分的比例調(diào)配方便、對(duì)電極合金成分的比例調(diào)配方便、對(duì)電極( (焊絲焊絲) )無需特意制作，無需特意制作，合金損失小。合金損失小。l制粉工藝較復(fù)雜，堆焊金屬的合金成分均勻性較差。制粉工藝較復(fù)

7、雜，堆焊金屬的合金成分均勻性較差。13 3.5.2 3.5.2 合金過渡系數(shù)合金過渡系數(shù) 合金元素的過渡系數(shù)合金元素的過渡系數(shù) 等于它在熔敷金屬中的實(shí)等于它在熔敷金屬中的實(shí)際含量與它原始含量之比。際含量與它原始含量之比。 即即edCCCd某合金元素在熔敷金屬中的含量某合金元素在熔敷金屬中的含量Ce某合金元素的原始含量某合金元素的原始含量14 焊條電弧焊：焊條電弧焊： 應(yīng)考慮藥皮質(zhì)量系數(shù)應(yīng)考慮藥皮質(zhì)量系數(shù)K Kb b的影響，則的影響，則C Ce e為：為：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

8、Ceoeo某含金元素在藥皮中的含量某含金元素在藥皮中的含量 因此：因此：eobewdCKCC 由于藥皮的氧化性較強(qiáng)，還有殘留在熔渣的損失，由于藥皮的氧化性較強(qiáng)，還有殘留在熔渣的損失，一般情況下通過藥皮過渡的過渡系數(shù)較小一般情況下通過藥皮過渡的過渡系數(shù)較小 ，而通過焊，而通過焊絲過渡時(shí)過渡系數(shù)較大。絲過渡時(shí)過渡系數(shù)較大。15 3.5.3 3.5.3 影響過渡系數(shù)的因素影響過渡系數(shù)的因素 焊接過程合金元素主要損失于：焊接過程合金元素主要損失于： 蒸發(fā)、氧化和殘留在熔渣中蒸發(fā)、氧化和殘留在熔渣中 只要減少這方面的損失，就能提高其過渡系數(shù)。只要減少這方面的損失，就能提高其過渡系數(shù)。16 合金元素的物理

9、化學(xué)性質(zhì)合金元素的物理化學(xué)性質(zhì) 沸點(diǎn)：沸點(diǎn)：越低，焊接時(shí)的蒸發(fā)損失就越大，其過渡系越低，焊接時(shí)的蒸發(fā)損失就越大，其過渡系數(shù)就越小，例如數(shù)就越小，例如MnMn的沸點(diǎn)僅的沸點(diǎn)僅20272027，在焊接時(shí)極，在焊接時(shí)極易蒸發(fā)，故其過渡系數(shù)小。易蒸發(fā)，故其過渡系數(shù)小。 合金元素對(duì)氧的親和力越大，越易氧化而損失，合金元素對(duì)氧的親和力越大，越易氧化而損失，過渡系數(shù)就越小。過渡系數(shù)就越小。在在16001600時(shí)，各種合金元素對(duì)氧時(shí)，各種合金元素對(duì)氧親和力由小到大排順序如下：親和力由小到大排順序如下： Cu Ni CoCu Ni Co FeFe W Mo Cr W Mo Cr MnMn V V Si Si T

10、i Ti ZrZr Al Al17 當(dāng)用幾個(gè)合金元素同時(shí)過渡時(shí)，其中對(duì)氧親和當(dāng)用幾個(gè)合金元素同時(shí)過渡時(shí)，其中對(duì)氧親和力大的元素被氧化，就能減少其他合金元素的氧力大的元素被氧化，就能減少其他合金元素的氧化，從而提高了它們的過渡系數(shù)。化，從而提高了它們的過渡系數(shù)。 例如：例如：在堿性藥皮中加入在堿性藥皮中加入AlAl和和TiTi，可提高，可提高Si Si和和MnMn的過渡系數(shù)。的過渡系數(shù)。 18 合金元素的含量合金元素的含量 試驗(yàn)表明，隨著藥皮或焊劑中合金元素含量的增試驗(yàn)表明，隨著藥皮或焊劑中合金元素含量的增加，其過渡系數(shù)逐漸增加，最后趨于一個(gè)定值。加，其過渡系數(shù)逐漸增加，最后趨于一個(gè)定值。 19

11、 合金元素的粒度合金元素的粒度 粒度越小，表面積越大，與氧作用的機(jī)會(huì)越多，粒度越小，表面積越大，與氧作用的機(jī)會(huì)越多，合金損失就越大。合金損失就越大。因此，適當(dāng)提高合金元素的粒度，因此，適當(dāng)提高合金元素的粒度，可減少因氧化而造成的損失，使過渡系數(shù)增大。但可減少因氧化而造成的損失，使過渡系數(shù)增大。但是，合金元素粒度過大，又會(huì)因其不易熔化而使殘是，合金元素粒度過大，又會(huì)因其不易熔化而使殘留損失增大，過渡系數(shù)反而減小。留損失增大，過渡系數(shù)反而減小。20 藥皮或焊劑的成分藥皮或焊劑的成分v如果在藥皮或焊劑中增加高價(jià)氧化物和碳酸鹽等，如果在藥皮或焊劑中增加高價(jià)氧化物和碳酸鹽等，不僅使氣相的氧化性增大，而且

12、也使熔渣的氧化性不僅使氣相的氧化性增大，而且也使熔渣的氧化性增大，結(jié)果導(dǎo)致過渡系數(shù)減小。增大，結(jié)果導(dǎo)致過渡系數(shù)減小。v當(dāng)合金元素及其氧化物在藥皮或焊劑中共存時(shí)，當(dāng)合金元素及其氧化物在藥皮或焊劑中共存時(shí)，由由質(zhì)量作用定律可知，質(zhì)量作用定律可知，能夠提高該元素的過渡系數(shù)。能夠提高該元素的過渡系數(shù)。v 若其他條件相同，合金元素的氧化物與熔渣的酸堿若其他條件相同，合金元素的氧化物與熔渣的酸堿性相同時(shí)，則有利于提高過渡系數(shù)。若性質(zhì)相反，性相同時(shí)，則有利于提高過渡系數(shù)。若性質(zhì)相反，則降低其過渡系數(shù)。則降低其過渡系數(shù)。例如例如SiOSiO2 2是酸性的，會(huì)隨著熔是酸性的，會(huì)隨著熔渣堿度的增加，渣堿度的增加，

13、Si Si的過渡系數(shù)減小；的過渡系數(shù)減小；MnOMnO是堿性的，是堿性的，會(huì)隨著熔渣堿度的增加，會(huì)隨著熔渣堿度的增加，MnMn的過渡系數(shù)增大。的過渡系數(shù)增大。21 藥皮的質(zhì)量系數(shù)藥皮的質(zhì)量系數(shù)K Kb b 在焊條藥皮中合金劑含量相同情況下，在焊條藥皮中合金劑含量相同情況下，K Kb b增加，過渡系數(shù)減小。增加，過渡系數(shù)減小。 一般認(rèn)為隨著藥皮厚度增加，合金劑進(jìn)入一般認(rèn)為隨著藥皮厚度增加，合金劑進(jìn)入金屬所經(jīng)路程增大，從而使氧化和殘留損失金屬所經(jīng)路程增大，從而使氧化和殘留損失加大。加大。22 焊接方法焊接方法 不同焊接方法因?qū)附訁^(qū)保護(hù)的方式以及不同焊接方法因?qū)附訁^(qū)保護(hù)的方式以及所用保護(hù)介質(zhì)各不

14、相同，即使用含有同樣合所用保護(hù)介質(zhì)各不相同，即使用含有同樣合金元素的填充金屬，其過渡系數(shù)也各不相同，金元素的填充金屬，其過渡系數(shù)也各不相同，見下表。見下表。23表表 合金元素的過渡系數(shù)合金元素的過渡系數(shù) 243.6 3.6 焊縫金屬中硫和磷的控制焊縫金屬中硫和磷的控制 vS和和P是鋼中的雜質(zhì)。是鋼中的雜質(zhì)。通常母材和焊絲（芯）含通常母材和焊絲（芯）含S和和P的量都很低，對(duì)焊縫金屬不會(huì)帶來危害。的量都很低，對(duì)焊縫金屬不會(huì)帶來危害。v但在焊條藥皮或焊劑的某些原材料中常含有相當(dāng)數(shù)但在焊條藥皮或焊劑的某些原材料中常含有相當(dāng)數(shù)量的量的S和和P，在焊接過程中過渡到焊縫金屬中就會(huì)造，在焊接過程中過渡到焊縫金

15、屬中就會(huì)造成危害。成危害。25 3.6.1 3.6.1 焊縫中焊縫中S S的危害及控制的危害及控制 硫的危害硫的危害 S S在鋼中主要以在鋼中主要以FeSFeS和和MnSMnS形式存在，其中形式存在，其中FeSFeS的危害性最大。因?yàn)樗c液態(tài)鐵幾乎無限互的危害性最大。因?yàn)樗c液態(tài)鐵幾乎無限互溶，而在室溫下它在固態(tài)鐵中的溶解度很小，溶，而在室溫下它在固態(tài)鐵中的溶解度很小，僅為僅為0.0015%0.002%0.0015%0.002%。26l熔池凝固時(shí)熔池凝固時(shí)S S容易容易偏析偏析，以，以低熔點(diǎn)共晶低熔點(diǎn)共晶FeFeFeSFeS( (熔點(diǎn)約熔點(diǎn)約985)985)或或FeSFeSFeOFeO ( (

16、熔點(diǎn)約熔點(diǎn)約940)940)的形式呈的形式呈片狀或鏈狀片狀或鏈狀分布于晶界，增加焊縫金分布于晶界，增加焊縫金屬屬結(jié)晶裂紋結(jié)晶裂紋的傾向，降低的傾向，降低沖擊韌度和抗腐蝕性沖擊韌度和抗腐蝕性。圖圖 FeFeS相圖相圖27v鋼中含鋼中含NiNi時(shí)，時(shí)，S S的有害作的有害作用用更大，更大，因因S S與與NiNi形形成成NiSNiS，NiSNiS又與又與NiNi形成熔點(diǎn)更低形成熔點(diǎn)更低(664)(664)的共的共晶晶NiSNiSNiNi，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向更大。產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向更大。v當(dāng)鋼焊縫中含當(dāng)鋼焊縫中含C C量增加時(shí)，會(huì)促進(jìn)量增加時(shí)，會(huì)促進(jìn)S S的偏析，的偏析，增加增加S S的危害性。的危害

17、性。28 硫的控制硫的控制 主要從兩方面著手：主要從兩方面著手： 先是采取工藝措施限制先是采取工藝措施限制S的來源，然后采取的來源，然后采取冶金措施把焊縫金屬中的冶金措施把焊縫金屬中的S S通過熔渣排出去。通過熔渣排出去。29 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幾乎全部進(jìn)入焊縫，但母材含幾乎全部進(jìn)入焊縫，但母材含S S量一量一般較低般較低 焊絲：焊絲：S S約有約有70%80%70%80%過渡到焊縫過渡到焊縫 藥皮或焊劑：藥皮或焊劑：S S約有約有50%50%過渡到焊縫過渡到焊縫 制造焊接材料時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選擇原材制造焊接材料時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選擇原材

18、料。料。30l低碳鋼及低合金鋼焊絲的含低碳鋼及低合金鋼焊絲的含S S量（質(zhì)量百分量（質(zhì)量百分比）應(yīng)比）應(yīng)小于小于0.030.04%0.030.04%；l合金鋼焊絲合金鋼焊絲小于小于0.0250.03%0.0250.03%；l不銹鋼焊絲應(yīng)不銹鋼焊絲應(yīng)小于小于0.02%0.02%。31l藥皮、藥芯或焊劑用的原材料，如錳礦、赤藥皮、藥芯或焊劑用的原材料，如錳礦、赤鐵礦、鈦鐵礦、錳鐵等均含有一定量的鐵礦、鈦鐵礦、錳鐵等均含有一定量的S S。l盡量選用含盡量選用含S S量低的原材料，必須使用含硫量低的原材料，必須使用含硫量過高的材料時(shí)，應(yīng)預(yù)先進(jìn)行處理，量過高的材料時(shí)，應(yīng)預(yù)先進(jìn)行處理，如采用如采用焙燒的辦

19、法，以降低到要求范圍內(nèi)。焙燒的辦法，以降低到要求范圍內(nèi)。32 用冶金方法脫硫用冶金方法脫硫 選擇對(duì)選擇對(duì)S S親和力比鐵大的元素進(jìn)行脫硫。最親和力比鐵大的元素進(jìn)行脫硫。最常用的常用的脫硫劑是脫硫劑是MnMn，其脫硫反應(yīng)為：，其脫硫反應(yīng)為： FeSFeS MnMn （MnSMnS）FeFe 反應(yīng)產(chǎn)物反應(yīng)產(chǎn)物MnSMnS不溶于鋼液，故大部分進(jìn)入不溶于鋼液，故大部分進(jìn)入熔渣，少量殘留在焊縫中，呈點(diǎn)狀彌散分布、熔渣，少量殘留在焊縫中，呈點(diǎn)狀彌散分布、危害較小。危害較小。33 熔渣中的堿性氧化物，如熔渣中的堿性氧化物，如MnOMnO、CaOCaO等也等也能脫硫能脫硫： FeSFeS MnOMnO （Mn

20、SMnS） FeOFeO FeSFeS CaOCaO （CaSCaS） FeOFeO v生成的生成的CaSCaS和和MnSMnS不溶于鋼液而進(jìn)入熔渣。不溶于鋼液而進(jìn)入熔渣。增增加渣中的加渣中的MnOMnO和和CaOCaO的含量，減少的含量，減少FeOFeO的含的含量，有利于脫硫。量，有利于脫硫。3435l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擴(kuò)擴(kuò)散，同時(shí)散，同時(shí)形成易揮發(fā)物形成易揮發(fā)物SFSF6 6，也有利于脫硫。，也有利于脫硫。l增加熔渣的堿度可提高脫硫能力增加熔渣的堿度可提高脫硫能力，目前常用，目前常用焊條藥皮和焊劑的堿度都不高（一般焊條

21、藥皮和焊劑的堿度都不高（一般B B2 2），），其脫硫能力有限，焊接普通鋼能滿足要求，其脫硫能力有限，焊接普通鋼能滿足要求，用于焊接用于焊接w w(S (S) )0.0140.014的精煉鋼，則需提高的精煉鋼，則需提高藥皮或焊劑的堿性。藥皮或焊劑的堿性。3637v近年來精煉鋼的產(chǎn)量不斷增加，迫切需要研制焊接近年來精煉鋼的產(chǎn)量不斷增加，迫切需要研制焊接這類鋼的焊接材料。這類鋼的焊接材料。vCaCOCaCO3 3-MgO-CaF-MgO-CaF2 2是高堿度粘結(jié)焊劑是高堿度粘結(jié)焊劑( (用用TiTi作脫氧劑作脫氧劑) )，有較好的脫硫效果，焊縫含硫量小于有較好的脫硫效果，焊縫含硫量小于0.0100

22、.010。v用強(qiáng)堿性無氧藥皮或焊劑，可得到含硫量更低的焊用強(qiáng)堿性無氧藥皮或焊劑，可得到含硫量更低的焊縫金屬縫金屬(S (S0.0060.006) )。v研究表明：研究表明：稀土元素不僅可以脫硫和改變硫化物夾稀土元素不僅可以脫硫和改變硫化物夾雜的尺寸、形態(tài)和分布，而且可以提高焊縫的韌性。雜的尺寸、形態(tài)和分布，而且可以提高焊縫的韌性。38 3.6.2 3.6.2 焊縫中焊縫中P P的危害及控制的危害及控制 P P的危害的危害 P P在液態(tài)鐵中溶解度很大，并以在液態(tài)鐵中溶解度很大，并以FeFe2 2P P和和FeFe3 3P P的形式存在，但的形式存在，但P P在固態(tài)鐵中的溶解度只有在固態(tài)鐵中的溶解

23、度只有千分之幾。千分之幾。 P P與與FeFe和和NiNi可形成低熔點(diǎn)共晶，可形成低熔點(diǎn)共晶，如如FeFe3 3P PFeFe（熔點(diǎn)（熔點(diǎn)10501050），），NiNi3 3P PFeFe（熔點(diǎn)（熔點(diǎn)880880）。）。3940 當(dāng)熔池快速凝固時(shí)，當(dāng)熔池快速凝固時(shí)，P P易發(fā)生偏析。磷化鐵易發(fā)生偏析。磷化鐵常常分布于晶界分布于晶界，減弱了晶粒間的結(jié)合力，而，減弱了晶粒間的結(jié)合力，而且本身既硬又脆。且本身既硬又脆。增加了焊縫金屬的冷脆性，增加了焊縫金屬的冷脆性，即沖擊韌度降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。即沖擊韌度降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。 焊接奧氏體鋼或低合金鋼焊縫含碳量高時(shí)，焊接奧氏體鋼或低合金鋼焊縫

24、含碳量高時(shí)，P P也促使形成也促使形成結(jié)晶裂紋結(jié)晶裂紋。4142 磷的控制磷的控制 也和控制硫一樣，也和控制硫一樣，首先限制磷的來源，然后再首先限制磷的來源，然后再用冶金方法去磷。用冶金方法去磷。v母材和焊絲母材和焊絲( (芯芯) )經(jīng)過冶煉一般磷含量都較低，都符經(jīng)過冶煉一般磷含量都較低，都符合標(biāo)準(zhǔn)，所以合標(biāo)準(zhǔn)，所以關(guān)鍵在于限制制造焊條藥皮、藥芯關(guān)鍵在于限制制造焊條藥皮、藥芯或焊劑中所用原材料的含磷量。或焊劑中所用原材料的含磷量。v錳礦是焊縫增磷的主要來源，錳礦是焊縫增磷的主要來源，通常通常(P(P) )0.220.22，其存在形式為其存在形式為(MnO)(MnO)3 3PP2 2O O5 5。4344l磷一旦進(jìn)入液態(tài)金屬，應(yīng)采用冶金脫磷，分兩步：磷一旦進(jìn)入液態(tài)金屬，應(yīng)采用冶金脫磷，分兩步： 第一步第一步 FeOFeO將磷氧化生成將磷氧化生成P P2 2O O5 5 ； 第二步第二步 P P2 2O O5 5與渣中的堿性氧