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1、材料成形原理（焊接部分）,3液态金属净化与合金过渡,3.1焊缝金属的脱氧,一、脱氧的目的和要求,脱氧在药皮或焊丝中加入某些元素，使它在焊接中被氧化，以降低焊接区的氧化性，保护被焊金属及有益合金元素免受氧化；或使被氧化的金属从它们的氧化物中还原出来的反应。脱氧剂用于脱氧的元素或铁合金。脱氧的目的和要求目的：尽量减少焊缝中的含氧量。要求：防止被焊金属的氧化，减少液态金属中的溶解氧；排除脱氧后的产物，防止在焊接中形成非金属夹杂物。,选择脱氧剂的原则：1、在焊接温度下，脱氧剂对氧的亲和力比被焊金属 对氧的亲和力大；1600 时，各种元素对氧亲和力从小到大的次序排列为：Cu、Ni、Co、Fe、W、Mo、
2、Cr、Mn、V、Si、Ti、Zr、Al。焊接铁合金时，Al、Ti、Si、Mn可作为脱氧剂，生产上常用它们的铁合金如锰铁、硅铁、钛铁、铝粉等。,二、选择脱氧剂的原则,2、脱氧物不应溶于液态金属而应溶于熔渣，且熔点低、密度小，上浮至熔渣中，以减少夹杂物的数量。3、必须考虑脱氧剂对焊缝成分、性能以及焊接工艺性的影响，同时考虑成本。,脱氧的方式：脱氧按其进行方式可分为：先期脱氧、沉淀脱氧、扩散脱氧1、先期脱氧 先期脱氧：在药皮的加热阶段，固态药皮中进行的脱氧反应。特 点：脱氧过程的产物与熔滴不发生直接关系。,三、脱氧的方式,药皮加热时，高价氧化物或碳酸盐分解出的氧和二氧化碳与脱氧剂（如：Al、Ti、S
3、i、Mn）的反应为：Fe2O3=FeO+O2 CaCO3=CaO+CO2 Ti+2CO2=TiO2+2CO Si+2CO2=SiO2+2CO 反应结果：使气相氧化性减弱。脱氧效果：不完全（药皮加热阶段温度低、传质条件差）,2、沉淀脱氧 沉淀脱氧：指溶解在液态金属中的脱氧剂和FeO直接反应，把铁还原，脱氧产物浮出液态金属的一 种脱氧方式。特 点：在熔滴和熔池内进行，脱氧反应速度快。脱氧效果：脱氧彻底，是减少焊缝含氧量的重要环节。但脱氧产物不能清除时将增加金属液中杂质的含量。其脱氧反应为：x Me y O（MexOy）或：x Me y FeO（MexOy）y Fe 常用的沉淀脱氧反应：1）锰的脱氧
4、反应 2）硅的脱氧反应 3）硅锰联合脱氧,三、脱氧的方式,1）锰的脱氧反应式中：MnO 渣中MnO的活度系数；MnO 渣中MnO的活度；Mn 金属中Mn的活度；FeO 金属中Fe的活度。当金属中Mn和FeO的含量少时，其活度系数1，即MnMn%，FeO FeO%，于是：,影响因素：增加Mn、减少（MnO）脱氧效果提高；减小MnO 脱氧效果提高。酸性渣，生成复合物MnOSiO2、MnO TiO2、使MnO减小，脱氧效果比碱性好。,三、脱氧的方式,2）硅的脱氧反应与分析锰类似，硅的脱氧反应为：影响因素：增加Si、减少（SiO2）脱氧效果提高；硅与氧的亲和力比锰大，脱氧能力比锰大。SiO2 熔点高（
5、1713）、易造成夹杂。不单独使用硅脱氧。,三、脱氧的方式,3）硅锰联合脱氧当Mn/Si=37时，脱氧产物形成硅酸盐MnOSiO2，密度小、熔点低、容易聚合、便于上浮。应用：CO2保护焊时，焊丝中Mn/Si=1.53碱性焊条，加锰铁和硅铁联合脱氧,金属中Mn/Si对脱氧产物质点半径的影响,几种化合物的熔点和密度,三、脱氧的方式,3、扩散脱氧扩散脱氧：以分配定律为理论基础，在液态金属与熔渣界面上进行的脱氧分配定律：影响因素：1）温度 L，发生如下扩散过程：FeO（FeO）。即在熔池后部低温区进行扩散脱氧。2）降低渣中（FeO）的活度，有利于扩散脱氧。酸性渣中（FeO）活度小、碱性渣中活度大。脱氧
6、效果：不充分焊接时冷却速度大、扩散时间短、氧的扩散又慢,三、脱氧的方式,3.2焊缝金属中硫和磷的控制,一、硫的危害及控制,硫的危害及控制 1、硫的危害 FeS在液态铁中无限互溶，室温时溶解度仅为0.015%0.02%，在熔池凝固时发生偏析。以低熔点共晶Fe+FeS（熔点985）或FeS+FeO（熔点940）的形式呈片状或链状分布于晶界。因此：增加产生结晶裂纹的倾向。降低冲击韧性、抗腐蚀性。,2、控制硫的措施 限制焊材的含硫量低碳钢、低合金钢焊丝：S0.03%0.04%；合金钢焊丝：S0.025%0.03%；不锈钢焊丝：S0.02%；限制药皮、焊剂、药芯中的含硫量。,用冶金方法脱硫选择对硫亲和力
7、比铁大的元素进行脱硫，如锰、镁、钙等。锰的脱硫产物为MnS不溶于钢液，其脱硫反应为：熔渣中的碱性氧化物，如MnO、CaO、MgO 等，也能脱硫：,原材料的焙烧处理,一、硫的危害及控制,与铁、镍形成低熔点共晶如：Fe3PFe（1050）Ni3PFe（880）,Fe2P 或 Fe3P 硬而脆增加材料的冷脆性,冲击韧性降低，脆性转变温度升高,促使含碳量较高的低合金钢和奥氏体钢产生结晶裂纹,磷在大多数铁基合金中，都认为是有害元素：,磷的危害及控制 1、磷的危害,二、磷的危害及控制,2、控制磷的措施 限制母材、焊材的含磷量 药皮和焊剂中的锰矿是焊缝增磷的主要来源。当焊剂中P 0.03%时，磷由熔渣向焊缝
8、过渡。锰矿：P0.22%高锰熔炼焊剂：P0.15%无锰熔炼和烧结焊剂：P0.05%,二、磷的危害及控制,用冶金方法脱磷脱磷反应分为两步：第一步，FeO将磷氧化生成P2O5；第二步，P2O5与渣中的碱性氧化物生成稳定的磷酸盐。反应式为：增加熔渣的碱度有利于脱磷碱性渣中不允许有较多FeO，否则，增氧、不利脱硫、产生气孔。,二、磷的危害及控制,3.3合金过渡,一、合金过渡的目的及方式,合金过渡把需要的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属（或堆焊金属）中的过程。（一）合金过渡的目的 1、补偿焊接过程中损失（如氧化、蒸发）的合金元素；2、消除焊接缺陷，改善焊缝的组织和性能；如：脱氧、脱硫，加入锰；细化晶粒
9、、提高韧性，加入微量Ti、B等。3、获得具有特殊性能的堆焊金属 如表面耐磨、耐蚀、耐热等。,（二）合金过渡的方式 常用的合金过度的方式有以下几种：1、应用合金焊丝或带极方法：合金焊丝、带极或板极+碱性药皮或低氧、无氧焊剂。优点：可靠、焊缝成分均匀、合金元素损失少。缺点：焊丝制造工艺复杂，成本高。应用：气保护焊、埋弧焊 2、应用药芯焊丝或药芯焊条方法：将所需的合金粉料填入药芯中。优点：药芯中合金成分的配比可任意调整缺点：药芯焊丝制造工艺复杂，成本高应用：埋弧焊、气保护焊、自保护焊,一、合金过渡的目的及方式,带极堆焊,3、应用合金药皮或粘结焊剂方法：合金加入药皮或粘结焊剂+普通焊丝。优点：简单方便
10、、制造容易、成本低。缺点：合金利用率低、合金成分不够稳定、均匀。应用：碱性焊条，非烧结焊剂。4、应用合金粉末或预涂层方法：所需合金制成粉末，输送到焊接区，随母材熔化。优点：成分比例调配方便，无需轧制、拉拔，合金损失少。缺点：合金成分均匀性差，制粉工艺复杂。应用：气保护焊、堆焊。5、应用置换反应方法：药皮和焊剂中加入金属氧化物，通过熔渣与金属的还原反应，使合金元素进入焊缝中。如：如：高硅高锰焊剂+低合金钢焊丝埋弧焊。合金化程度有限，伴有焊缝含氧量增加。,一、合金过渡的目的及方式,激光表面合金化1激光束惰性气体 2-预涂层 3基体4热影响区 5熔区 6工件移动方向,熔合比,二、合金元素的过渡系数,
11、式中，合金元素的原始含量；合金元素在焊缝金属中的含量；熔合比，即焊缝中局部熔化的母材所占的比例；合金元素在母材中的含量；合金元素在熔敷金属中的含量；合金元素在焊丝中的含量；合金元素在焊条药皮中的含量；焊条药皮质量系数，即单位长度焊条中药皮质量与焊芯质量之比。,用途：预先计算合金元素在焊缝中的含量；对设计和选择焊接材料有实用价值。,合金过渡系数：某元素在熔敷金属中的实际含量与它在焊接材料中的原始含量之比。,当=0时，,各种合金化元素的过渡系数,二、合金元素的过渡系数,三、影响合金过渡系数的因素,1、合金元素的性质 合金元素沸点蒸发损失过渡系数例如：锰的沸点远低于其他金属，焊接高温下很容易蒸发，在
12、同样条件下，锰的过渡系数比其它合金元素低很多,合金元素对氧亲和力氧化损失过渡系数 1600 时，各种元素对氧亲和力从小到大的次序排列为：CuNiCoFeWMoCrMnVSiTiZrAl焊钢时：铁左面元素几乎无氧化损失，过渡系数大；铁右面靠近铁的元素氧化损失较小，过渡系数较大；铁右面远离铁的元素氧化损失较大，过渡系数较小。若过渡Ti、Zr、Al，需创造低氧或无氧焊接条件。,三、影响合金过渡系数的因素,2、合金元素的含量随着药皮或焊剂中合金元素含量增加，过渡系数逐渐增加，最后趋于稳定。一方面：某元素浓度 其他成分(包括氧化剂)氧化性过渡系数;另一方面：合金元素的残留损失、药皮和焊剂的保护效果过渡系
13、数。,3、合金剂的粒度粒度比表面积氧化损失过渡系数；粒度过大不易熔化残留损失 过渡系数。,三、影响合金过渡系数的因素,4、药皮、焊剂及气体的成分药皮或焊剂的氧化势过渡系数；合金元素及其氧化物在药皮中共存过渡系数；合金元素的氧化物与熔渣的酸碱性相同过渡系数；混合气体Ar+CO2中CO2含量增加，合金元素的过渡系数逐渐降低,三、影响合金过渡系数的因素,5、药皮的重量系数和焊剂的熔化率 Kb 残留损失 过渡系数；Kb 药皮加厚过渡路程 氧化损失 过渡系数。（采用双层药皮，内层主要加合金剂，外层加造气及造渣剂和脱氧剂。）焊剂的熔化率 残留损失 合金过渡系数,三、影响合金过渡系数的因素,习题与思考,1、何谓脱氧?选择脱氧剂的原则是什么？2、脱氧有哪几种方式?各有什么特点？3、为什么酸性焊条一般用锰铁脱氧，不用硅铁脱氧?而碱性焊条是用锰铁和硅铁同时作为脱氧剂?4、硫、磷对焊接质量有何影响?如何控制它们?5、焊缝金属合金化的目的何在?有哪些合金化方式?6、什么是合金元素的过渡系数?如何在合金过渡中提高过渡系数?7、综合分析熔渣的碱度对金属的氧化、脱氧、脱硫、脱磷、合金过渡的影响。,本章结束,碱性渣沉淀脱氧,酸性渣沉淀脱氧,2,END,
