中級(jí)第三章焊接電弧及焊接冶金知識(shí)焊工第三節(jié)：焊縫金屬的脫氧、脫硫、脫磷及合金化焊工·中級(jí)3.1焊縫金屬的脫氧3.2焊縫金屬的脫硫3.3焊縫金屬的脫磷3.4焊縫金屬的合金化3.1焊縫金屬的脫氧為什么脫氧?氧能以氧化亞鐵和原子氧形式溶解在液態(tài)鐵中，使焊縫金屬的強(qiáng)度、硬度、塑形、韌性及抗蝕能力降低，而且使飛濺、氣孔和冷、熱脆性增大。脫氧的目的：盡量減少焊縫中的氧含量。如何選擇脫氧劑？（1）脫氧劑在焊接溫度下對(duì)氧的親和力應(yīng)比被焊金屬對(duì)氧的親和力大。（2）脫氧產(chǎn)物不溶于液態(tài)金屬，密度小于液態(tài)金屬。（3）還應(yīng)考慮脫氧劑對(duì)焊縫成分、性能以及焊接工藝性能的影響。常用的脫氧劑各元素脫氧能力由強(qiáng)到弱的順序是：鈰、鋯、鋁、鈦、硼、硅、碳、釩、錳、鉻。脫氧方式脫氧反應(yīng)同焊接化學(xué)冶金反應(yīng)一樣都是分區(qū)域連續(xù)進(jìn)行的，按其進(jìn)行的方式和特點(diǎn)主要可分為:先期脫氧、沉淀脫氧、擴(kuò)散脫氧、真空脫氧——煉鋼3.1焊縫金屬的脫氧3.1.1先期脫氧定義：在藥皮加熱階段，固態(tài)藥皮中進(jìn)行的脫氧反應(yīng)叫先期脫氧。特點(diǎn)是焊條藥皮反應(yīng)階段重要的脫氧方式之一。脫氧過(guò)程和脫氧產(chǎn)物與熔滴不發(fā)生直接關(guān)系。先期脫氧的效果取決于脫氧劑對(duì)氧的親和力、它的粒度、氧化劑與脫氧劑的比例、焊接電流密度等因素。存在問(wèn)題由于藥皮加熱階段溫度低，傳質(zhì)條件差，先期脫氧是不完全的，需要進(jìn)一步脫氧。3.1焊縫金屬的脫氧3.1.2沉淀脫氧反應(yīng)位置：熔滴和熔池原理：溶解在液態(tài)金屬中的脫氧劑和FeO直接反應(yīng)，把鐵還原，脫氧產(chǎn)物浮出液態(tài)金屬。減少焊縫含氧量的具有決定意義的一環(huán)。（1）錳的脫氧

MnO呈堿性，不溶于鐵，但能與酸性氧化物形成復(fù)合物進(jìn)入熔渣。所以酸性焊條多用錳脫氧。（2）硅的脫氧SiO2呈酸性，熔點(diǎn)高、黏度大，不利于脫渣。所以常用硅、錳聯(lián)合脫氧，使酸性的SiO2與堿性的氧化物結(jié)合，包括FeO在內(nèi)，形成硅酸鹽，進(jìn)入熔渣中。3.1焊縫金屬的脫氧3.1.2沉淀脫氧（3）鈦的脫氧

TiO2不溶于鐵，與FeO或其他堿性氧化物生產(chǎn)復(fù)合物進(jìn)入熔渣中。鈦還能去除氮，細(xì)化晶粒，改善焊縫金屬的力學(xué)性能。（4）鋁的脫氧鋁除了極強(qiáng)的脫氧性，同時(shí)還能去除氮，細(xì)化焊縫晶粒。但脫氧產(chǎn)物熔點(diǎn)極高，易形成夾渣，引起飛濺，使得焊縫成形不良，所以鋁脫氧數(shù)量上應(yīng)加以限制。3.1焊縫金屬的脫氧3.1.3擴(kuò)散脫氧定義利用FeO既能溶解在熔池的金屬中，又能溶解在熔渣中的特性，使FeO從熔池?cái)U(kuò)散到熔渣中，這種方式的脫氧稱(chēng)為擴(kuò)散脫氧。原理擴(kuò)散脫氧是在液態(tài)金屬與熔渣界面上進(jìn)行的，是以FeO的在兩相中的分配定律為理論基礎(chǔ)的，F(xiàn)eO同時(shí)存在于熔渣和鋼液中，熔渣中的FeO與鋼液中的FeO能夠互相轉(zhuǎn)移，而且是趨于平衡

符合物理化學(xué)中的異相平衡的分配定律。脫氧過(guò)程將脫氧劑加在熔渣中，使脫氧元素與熔渣中的FeO起作用而進(jìn)行脫氧。當(dāng)熔渣中的FeO含量減低時(shí)，鋼液中的FeO就向熔渣中擴(kuò)散，間接地達(dá)到了脫去鋼液中FeO的目的。3.1焊縫金屬的脫氧3.1.3擴(kuò)散脫氧脫氧特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：脫氧產(chǎn)物留在熔渣中，液態(tài)金屬不會(huì)因脫氧而造成夾雜。缺點(diǎn)：擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行得緩慢，脫氧時(shí)間長(zhǎng)。適用情況酸性熔渣中擴(kuò)散脫氧可作為主要脫氧方式，熔渣中加入一定量的錳，可進(jìn)一步增強(qiáng)脫氧效果。堿性基本上不能進(jìn)行擴(kuò)散脫氧，而是用硅、鈦等脫氧劑進(jìn)行脫氧。3.2焊縫金屬的脫硫硫的危害硫是焊縫金屬中極有害的雜質(zhì)，是焊縫產(chǎn)生熱裂紋的主要原因，硫能引起偏析，降低焊縫金屬的沖擊韌性和耐腐蝕性能。硫在鋼中以FeS和MnS的形式存在。MnS不溶解于液態(tài)鐵中，能在熔渣中排出。FeS能溶解于液態(tài)鐵中，冷卻時(shí)，從熔池中析出，并與Fe或FeO形成低熔點(diǎn)共晶，聚集在晶界上，破壞晶粒間的聯(lián)系而引起熱裂紋。焊縫中S的來(lái)源主要來(lái)源于三個(gè)方面：（1）母材：母材中的S幾乎可以全部過(guò)渡到焊縫中去，但母材的含硫量比較低。（2）焊絲：焊絲中的S約70~80%可以過(guò)渡到焊縫中去。（3）藥皮或焊劑：其中S約有50%可以過(guò)渡到焊縫中。3.2焊縫金屬的脫硫脫硫方法（1）元素脫硫?qū)⒚摿蚝辖鹪刂苯蛹尤胍簯B(tài)金屬中，溶于液態(tài)金屬中的元素和硫結(jié)合成不溶于此種液態(tài)金屬的硫化物，沉淀出來(lái)，上浮進(jìn)入渣相而進(jìn)行脫硫的方法。如錳元素脫硫（2）熔渣脫硫熔渣脫硫是利用熔渣中的CaO、CaC2、MnO、MgO等進(jìn)行脫硫。反應(yīng)式脫氧產(chǎn)物不溶于金屬，而進(jìn)入熔渣被排除。渣中加入CaF2能降低渣的粘度，有利于S2-的擴(kuò)散；形成易揮發(fā)物SF6，有利于脫硫；同時(shí)，CaF2與SiO作用產(chǎn)生CaO，CaO又能進(jìn)一步脫硫。酸性焊條藥皮形成的熔渣中，堿性氧化物MnO、CaO及CaF2等較少，因此脫硫效果不好；堿性焊條藥皮形成的熔渣中，有大量的堿性氧化物、螢石和鐵合金等，因此脫硫效果較好。3.3焊縫金屬的脫磷磷的危害（1）液態(tài)鐵中可溶解較多的P，主要以Fe2P和FeP3形式存在,而磷在固態(tài)鐵中的溶解度只有千分之幾。（2）P與Fe、Ni形成低熔點(diǎn)共晶，如Fe3P+Fe(熔點(diǎn)1050℃)、Ni3P+Fe(熔點(diǎn)880℃)，快速凝固時(shí)易發(fā)生偏析。（3）磷化鐵本身硬而脆，常分布于晶界，減弱了晶粒之間的結(jié)合力。鋼中含磷量過(guò)多時(shí)，將增加材料的冷脆性，即沖擊韌性降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。（4）在含碳量較高的低合金鋼和奧氏體鋼中，磷也會(huì)促使產(chǎn)生熱裂紋。脫磷分析脫磷時(shí)，要求在熔渣中同時(shí)具有足夠的游離的CaO和FeO。焊接熔渣的堿度因受焊接工藝性能的制約，不可能很大，同時(shí)堿性渣不允許含有較多的FeO，否則會(huì)使焊縫增氧，不利于脫P(yáng)，甚至產(chǎn)生氣孔，所以堿性渣的脫磷效果不理想。酸性渣雖然含有較多的FeO，有利于脫磷，但其堿度較低，所以比堿性渣的脫磷能力更差。焊接時(shí)脫磷比脫硫更困難，要控制焊縫含磷量，主要是嚴(yán)格限制焊接材料中的含磷量。3.4焊縫金屬的合金化基本概念焊縫金屬合金化：把所需要的合金元素，通過(guò)焊接材料過(guò)渡到焊縫金屬(或堆焊金屬)中，也叫合金過(guò)渡。合金化目的（1）補(bǔ)償焊接過(guò)程中由于氧化、蒸發(fā)等原因造成的合金元素的損失；（2）消除缺陷，改善焊縫金屬的組織和性能；（3）獲得具有特殊性能的堆焊金屬。合金化的方式（1）應(yīng)用合金焊絲或帶極優(yōu)點(diǎn)：可靠、焊縫成分均勻、穩(wěn)定，合金損失少；缺點(diǎn)：制造工藝復(fù)雜、成本高，對(duì)脆硬材料如硬質(zhì)合金不能軋制、拔絲，故不能采用此方式。（2）應(yīng)用藥芯焊絲或藥芯焊條優(yōu)點(diǎn)：藥芯中合金成分配比可以任意調(diào)整，可以得到任意成分的堆焊金屬，合金損失少。缺點(diǎn)：制造成本高，成分難以均勻。3.4焊縫金屬的合金化合金化的方式（3）應(yīng)用合金藥皮或粘結(jié)焊劑優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單方便，易制造、成本低。缺點(diǎn)：合金損失大(氧化燒損、造渣)，成分不夠穩(wěn)定、均勻(2)應(yīng)用藥芯焊絲或藥芯焊條（4）應(yīng)用合金粉末優(yōu)點(diǎn)：合金成分配比方便，不必經(jīng)過(guò)軋制、拔絲等工序，合金損失少。缺點(diǎn)：合金成分的均勻性較差，制粉工藝復(fù)雜。（5）應(yīng)用熔渣與金屬之間的置換反應(yīng)，從金屬氧化物中還原金屬，如硅錳還原反應(yīng)優(yōu)點(diǎn)：合金無(wú)燒損、成本低。缺點(diǎn)：易造成焊縫增氧，過(guò)程難于控制。3.4焊縫金屬的合金化合金元素過(guò)渡系數(shù)合金過(guò)渡系數(shù)η：合金元素在過(guò)渡到焊縫金屬中的實(shí)際含量與它在焊材中的原始含量之比，反映了合金元素利用率的高低。合金元素過(guò)渡系數(shù)的影響因素（1）合金元素的性質(zhì)合金元素的沸點(diǎn)越低，其蒸發(fā)損失越