本篇是《材料成形基本原理》焊接部分的第二篇。

10.1渣相的作用与形成

熔渣的作用

  • 机械保护作用
    基础：熔渣密度一般小于液态金属，若密度熔点接近液态金属易形成夹渣
    1)避免烧损
    2)防止气体直接溶入
    3)减少热损失
    4)凝固后渣壳隔绝空气
  • 冶金处理作用
    1)去除有害杂质
    2)吸附溶解非金属夹杂物
    3)通过熔渣向焊缝过渡合金
  • 改善成形工艺性能作作用
    1)有利于熔焊电弧的引燃、稳定燃烧、减少飞溅、改善脱渣性能等
    2)电弧炉熔炼时，熔渣起到稳定电弧燃烧作用
    3)电渣熔炼中熔渣作为电阻发热体，重熔并精炼金属

熔渣的成分与分类

  • 盐型熔渣
    主要由金属氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物组成。氧化性很小，主要用于铝、钛等活泼金属焊接。
  • 盐－氧化物型熔渣
    主要由氟化物和金属氧化物组成。$CaF_2-CaO-SiO_2$ 氧化性较小，用于焊接重要的低合金高强钢、合金钢及合金的焊接。
  • 氧化物型熔渣
    含有较多的弱碱金属氧化物。一般具有较强的氧化性，用于低碳钢、低合金高强钢的焊接。

焊接熔渣的来源与构成

  • 焊条电弧焊时的熔渣来源于焊条药皮中的造渣剂。
  • 埋弧焊、电渣焊时在焊件坡口上方的焊剂。

构成

组成化学式
钛铁矿$TiO_2\cdot FeO$
金红石$TiO_2$
大理石$CaCO_3$
硅砂$SiO_2$
云母$SiO_2\cdot Al_2O_3$

低氢型焊条又称碱性焊条，药皮的主要特点是不含具有造气功能的有机物而含大量碳酸盐和一定数量的$CaF_2$。碳酸盐在加热分解过程中形成熔渣($CaO$)并放出$CO_2$。$CaF_2$除了造渣以外，还能减少液态金属中的氢含量。

酸性焊条(钛型、钛钙型、钛铁矿型、氧化铁型、纤维素型等），一般不含$CaF_2$，含少量碳酸盐和有机物。

10.2渣体结构及碱度

对于结构的解释主要有分子理论和离子理论。
根据分子理论，熔渣的碱度公式形式

$$ B_1=\frac{\sum{碱性氧化物的摩尔分数}}{\sum{酸性氧化物的摩尔分数}} $$

真实$B_1$还需修正。当$B_1>1$时为碱性渣。

根据离子理论液态熔渣中自由氧离子的浓度定义为碱度。

$$ B_2=\sum^n_{i=1}a_iM_i $$

当$B_2>0$时为碱性渣。

10.3渣相的物理性质

凝固温度和密度

熔点焊芯>药皮>熔渣
一般构成熔渣的各组元独立相的熔点比较高，而复合渣凝固温度大大降低。若熔点过高，将不能均匀覆盖在液态金属表面，覆盖效果变差。

熔渣的凝固温度过高，会影响焊缝外观成形，甚至产生气孔和夹杂。凝固温度过低，熔渣不能再焊缝凝固后及时凝固，也会影响对焊缝的保护和外观成形。
因此选用焊材时首要保证形成的熔渣具有合适的凝固温度范围和较低的密度。

黏度

黏度低，流动性好，扩散容易，有利于冶金反应；黏度过小容易流失，影响对熔池、焊缝在全位置焊接时的成形和保护效果。

根据黏度随温度变化的速率，可以分为长渣与短渣。
随温度增高黏度急剧下降的渣称为短渣，黏度下降缓慢的称为长渣。短渣在焊缝凝固后迅速凝固，可保证全位置焊的焊缝外观成形，长渣只能用于平焊。

含$SiO_2$多的渣结构复杂，$Si-O$阴离子聚合程度大，离子尺寸大，黏度大。温度升高时破坏成小离子，黏度缓慢下降。含$SiO_2$多的酸性渣为长渣。碱性渣中离子尺寸小，黏度低，温度升高离子浓度增大，黏度迅速下降。碱性渣为短渣。

在酸性渣中减少$SiO_2$，增加$TiO_2$，可使复杂的$Si-O$阴离子减少，可降低黏度，使渣称为短渣。如$SiO_2$含量较多的纤维素型、氧化铁型焊条的熔渣属于长渣，而$TiO_2$含量较多的钛型、钛钙型焊条的熔渣属于短渣。

另外，在酸性渣中加入能产生$O^{2-}$的碱性氧化物（$CaO、MgO、MnO、FeO$等）能破坏$Si-O$离子键，降低聚合程度与黏性，使渣向短渣转化。

碱性渣中高熔点$CaO$多时，可出现未熔化的固体颗粒而使黏度升高。

渣中加入$CaF_2$可以起到稀释作用。在碱性渣中，$CaF_2$可以促使$CaO$熔化，降低黏度；在酸性渣中，$F^-$能更有效的破坏$Si-O$键，减小聚合离子尺寸，降低黏度。

表面张力与界面张力

影响因素：

  • 温度
  • 化学键能
  • 熔渣成分

碱度高的渣表面张力大。除了加入酸性氧化物外，可以加入$CaF_2$降低表面张力。

酸性渣与液态金属间的界面张力较小，对液态金属的浸润性较好，易在液面铺开，对液态金属的保护作用较好。
在焊接过程中，覆盖在熔滴表面的熔渣与熔滴之间的界面张力过大时，易造成熔滴粗化，飞溅增多。

酸性焊条的工艺性更好。

10.4活性熔渣对金属的氧化

熔渣的氧化性通常用渣中含有最不稳定的氧化物$FeO$的高低以及该氧化物在熔渣中的活度来衡量。

当渣中$FeO$含量一定时，欲获得最高的氧化性，需要保持熔渣中碱性氧化物与酸性氧化物的含量比一定（碱度B约为2）

$FeO$在碱性渣中的活度系数比在酸性渣中大。随着温度升高，熔渣的氧化性增大。

熔渣对液体金属的氧化形式可以分为扩散氧化与置换氧化两种。

扩散氧化

有分配定律

$$ L=\frac{(FeO)}{[FeO]} $$

因此温度不变时，增加液态熔渣中的$FeO$会使液态金属增氧。温度升高时，$L$值减小，$FeO$更容易向金属中分配。

焊接时渣中的$FeO$主要是在熔滴阶段和熔池前部高温区向液态金属过渡。在熔池尾部，随着温度下降，液态金属中的过饱和氧化铁会向熔渣中扩散，称之为扩散脱氧。

在同样温度下，$FeO$在碱性渣中更容易向金属中分配。碱性渣中$SiO_2、TiO_2$等酸性氧化物较少，$FeO$大部分以自由状态存在，活度系数大。多数情况下碱性焊条的焊缝含氧量比酸性焊条低。这是因为尽管碱性渣中$FeO$活度系数大，但碱性渣中的$FeO$含量并不高。

扩散氧化反应的进行程度取决于界面附近$FeO$的扩散速度、接触界面面积大小与扩散反应时间。

置换氧化

如果熔渣中含有较多容易分解的氧化物，便可以与液态铁发生置换反应，使金属氧化，同时发生原金属氧化物中的金属还原。

一般酸性渣对金属的置换氧化性高于碱性渣。置换氧化反应也主要发生在熔滴阶段与熔池前部的高温区。

$2200^\circ C以下时，MnO的氧化性高于SiO_2$。

焊接过程中，当焊丝或焊条药品中含有对氧亲和力比铁大的元素（如$Al、Ti、Cr$）时，它们将与$SiO_2、MnO$发生更为激烈的置换氧化反应。例如

$$ \begin{aligned} 4[Al]+3SiO_2=2(Al_2O_3)+3[Si]\\ 2[Al]+3MnO=(Al_2O_3)+3[Mn] \end{aligned} $$

还存在直接溶入的氧气对液态金属进行直接氧化。氧化亚铁氧化合金元素称为间接氧化。