第13讲 焊接冶金学(6)

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1、第三章焊接冶金学第13讲126二、活性熔渣对金属的氧化活性熔渣对焊缝金属发生氧化有两种基本形式，即扩散氧化和置换氧化。1.扩散氧化焊接期时，FeO既溶于渣中，又溶于钢中，在一定温度下达到平衡时FeO在两相中的含量符合分配定律：式中L—分配常数；(FeO)—FeO在熔渣中的含量；[FeO]—FeO在液态钢中的含量。226分配定律是指各个物质在两个溶媒中的分配一定要使得它在溶媒中的含量的比值保持不变。若温度不变，当熔渣中的FeO增多时，它将向液态钢中扩散，从而使焊缝金属含氧量增加。焊接低碳钢试验证明，焊缝中的含氧量随

2、着熔渣中FeO含量的增加成直线增加。FeO的分配常数L与熔渣的性质和温度有关。无论是酸性渣还是碱性渣，温度升高时，L减小，即在高温时FeO向液态钢中分配，所以扩散氧化主要在熔滴阶段和熔池的头部（高温区）进行。326在同样温度下，FeO在碱性渣中比在酸性渣中更容易向焊缝金属中分配，也即在熔渣中含FeO量相同时，用碱性渣的焊缝金属含氧量比用酸性渣时多。因此，在碱性焊条药皮中一般不加入含FeO的物质，并要求焊前消除焊件表面上的氧化皮和铁锈，否则会使焊缝金属增氧，并且可能产生气孔等缺陷，这是碱性焊条对铁锈和氧化皮敏感性大

3、的原因。酸性渣含SiO2、TiO2等酸性氧化物较多，与FeO形成复合物，使FeO的活度减小，所以渣中FeO含量相同时，焊缝含氧量减少。426注意：不要由此认为碱性焊条的焊缝比酸性焊条的焊缝含氧量高，恰恰相反，碱性焊条的焊缝含氧量比酸性焊条低，这是因为碱性焊条药皮的氧化势小的缘故。5262.置换氧化当熔渣中含有较多的易分解的氧化物时，可能与液态钢发生置换反应，使铁氧化，而该氧化物中的元素被还原。例如，用低碳钢焊丝配用高硅高锰焊剂(HJ431)埋弧焊钢时，熔渣中含有高温下易分解的SiO2和MnO，发生如下反应：（Fe

4、O）↑（SiO2)＋2[Fe]＜===＞[Si]＋2FeO↓[FeO]626（FeO）↑（MnO)＋[Fe]＜===＞[Mn]＋FeO↓[FeO]反应结果焊缝增加硅和锰，同时铁被氧化，生成的FeO大部分进入熔渣，小部分溶于液态钢中，使焊缝增氧。上述反应的方向和程度取决于温度及反应物的活度和含量，以及焊接工艺参数等。通常升高温度，反应向右进行，说明置换氧化主要发生在熔滴阶段和熔池前部高温区。在熔池后部，因温度下降，上述反应向左进行，已还原的硅和锰有一部分又被氧化，生成的SiO2和MnO往往在焊缝金属中形成非金属夹杂

5、物。726在焊丝或药皮中对O亲和力比Fe大的元素，如Al、Ti、Cr等时，将与SiO2、MnO发生更为激烈的置换反应。以Al的置换反应为例：4[Al]＋3(SiO2)＜===＞2(Al2O3)＋3[Si]2[Al]＋3(MnO)＜===＞(Al2O3)＋3[Mn]反应生成的Al2O3使焊缝中非金属夹杂物增多，含氧量升高，同时Si、Mn含量也显著增加。某些强氧化物，如B2O3、Al2O3、TiO2也会在一定条件下发生置换氧化，使焊缝增B、Al、Ti和O，而同时其他元素，如Si等被烧损。826用SiO2和MnO含量高

6、的焊接材料焊接时，置换氧化会使焊缝的[O]增加。在焊接低碳钢或低合金钢时，因焊缝中[Si]和[Mn]也同时增加，对接头性能不仅不受影响，反而得到局部改善，所以高硅高锰焊剂配合低碳钢焊丝焊接低碳钢及低合金钢得到了广泛应用。这种配合关系不能用于中、高合金钢和合金的焊接，因为氧和硅会显著降低焊缝金属抗裂性能和力学性能，尤其是低温冲击韧度。因此，在研制焊接高合金钢和合金焊条或焊剂时必须注意要去除药皮或焊剂中的SiO2，并使用不含硅酸盐的粘结剂（如铝酸钠）。926三、焊件表面氧化物对金属的氧化焊件表面的氧化皮和铁锈在焊接中

7、对金属也有氧化作用。这是因为，铁锈在高温下要发生分解：2Fe(OH)3Fe2O3+3H2O分解出来的H2O进入气相，增加了气相的氧化性。而Fe2O3又可使铁氧化：Fe2O3+[Fe]3FeO氧化铁皮的主要成分是Fe3O4，在焊接高温下它可使铁发生氧化：Fe3O4+[Fe]4FeO反应生成的FeO虽然大部分进入熔渣，但还有一部分也进入了焊缝，使之增氧。因此，焊前清理焊接边缘是必不可少的措施。10263.4.3氧对焊接质量的影响⑴对力学性能的影响随着焊缝含氧量的增加，其强度、塑性和韧性显著下降，如图。特别是焊缝金属的

8、低温冲击韧性急剧下降，此外，还引起热脆、冷脆和时效硬化。图氧（以FeO形式存在）对低碳钢常温力学性能的影响1126⑵形成气孔溶解在熔池中的氧和碳发生反应，生成不溶于金属的CO，熔池凝固时，CO气泡来不及逸出就会引起气孔。⑶对焊接过程的影响熔滴中含氧和碳多时相互作用生成的CO受热膨胀，使熔滴爆炸，造成飞溅，影响焊接过程的稳定性。⑷合金元素烧损在焊接过程中氧能烧损钢中的有益合