第14讲_焊接冶金学(7)
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第三章 焊接冶金学
第14讲
1
上讲回顾
活性熔渣对金属的氧化
焊件表面氧化物对金属的氧化
氧对焊接质量的影响
焊缝金属的脱氧
2
3.5 焊缝金属的合金化
3.5.1 合金化的目的及方式 合金过渡是把所需的合金元素通过焊接材料过渡 到焊缝金属(或堆焊金属)中去的过程，又称焊缝金 属合金化。
3
1. 过渡目的 ⑴ 补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成焊 缝中合金元素的损失；
过渡系数就越小。在1600℃时，各种合金元素对氧
亲和力由小到大排顺序如下：
Cu Ni Co Fe W Mo Cr Mn V Si Ti Zr Al
17
当用几个合金元素同时过渡时，其中对氧亲和力 大的元素被氧化，就能减少其他合金元素的氧化， 从而提高了它们的过渡系数。 例如：在碱性药皮中加入Al和Ti，可提高Si和 Mn的过渡系数。
26
熔池凝固时S容易偏析，以
低熔点共晶Fe＋FeS(熔点约
985℃)或FeS＋FeO (熔点约
940℃)的形式呈片状或链状
分布于晶界，增加焊缝金 属结晶裂纹的倾向，降低 冲击韧度和抗腐蚀性。
图 Fe＋FeS相图
27
钢中含Ni时，S的有害作用更大，因S与Ni形 成NiS，NiS又与Ni形成熔点更低(664℃)的共 晶NiS＋Ni，产生结晶裂纹的倾向更大。
20
⑷ 药皮或焊剂的成分
如果在药皮或焊剂中增加高价氧化物和碳酸盐等， 不仅使气相的氧化性增大，而且也使熔渣的氧化性 增大，结果导致过渡系数减小。
当合金元素及其氧化物在药皮或焊剂中共存时，由 质量作用定律可知，能够提高该元素的过渡系数。 若其他条件相同，合金元素的氧化物与熔渣的酸碱 性相同时，则有利于提高过渡系数。若性质相反， 则降低其过渡系数。例如SiO2是酸性的，会随着熔 渣碱度的增加，Si的过渡系数减小；MnO是碱性的， 会随着熔渣碱度的增加，Mn的过渡系数增大。 21
14
焊条电弧焊： 应考虑药皮质量系数Kb的影响，则Ce为：
Ce = Cew＋KbCeo
式中 Cew——某合金元素在焊芯中的含量
Ceo——某含金元素在药皮中的含量
因此：
Cd Cew K bCeo
由于药皮的氧化性较强，还有残留在熔渣的损失， 一般情况下通过药皮过渡的过渡系数较小 ，而通过焊
丝过渡时过渡系数较大。
4
1. 过渡目的 ⑴ 补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成焊 缝中合金元素的损失； ⑵ 消除焊接缺陷，改善焊缝组织与性能。
5
1. 过渡目的 ⑴ 补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成焊 缝中合金元素的损失； ⑵ 消除焊接缺陷，改善焊缝组织与性能。 ⑶ 获得具有特殊性能的堆焊金属。
6
1. 过渡目的 ⑴ 补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成焊 缝中合金元素的损失； ⑵ 消除焊接缺陷，改善焊缝组织与性能。 获得具有特殊性能的堆焊金属。 表面耐磨、热硬、耐热和耐蚀等 ⑶
可用堆焊方法过渡Cr、Mo、W、Mn等合金元素。
7
图 有过渡层的熔覆显微组织
8
2. 合金过渡的方法 ⑴ 通过填充金属过渡：冶炼时加入 特点：
焊缝：成分均匀、稳定，合金损失少； 填充金属：炼制工艺复杂，成本高；
脆硬材料：轧制和拉丝困难，不能采用此方法。
⑵ 通过药皮、药芯或焊剂过渡
添加形式：铁合金或纯金属粉末
焊剂：一般制成粘结焊剂，配合普通焊丝
10
2. 合金过渡的方法 ⑴ 通过填充金属过渡 ⑵ 通过药皮、药芯或焊剂过渡
特点：
⑴ 合金成分的配比可任意调控，可以获得任意成分的焊 缝或堆焊金属； ⑵ 除药芯焊丝外，药皮和粘结焊剂制造容易，成本低； ⑶ 合金元素氧化损失较大，并有一部分残留在渣中，故 合金利用率较低； ⑷ 焊缝合金成分不够稳定和均匀；
⑸ 药皮的质量系数Kb 在焊条药皮中合金剂含量相同情况下，Kb
增加，过渡系数减小。
一般认为随着药皮厚度增加，合金剂进入
金属所经路程增大，从而使氧化和残留损失
加大。
22
⑹ 焊接方法 不同焊接方法因对焊接区保护的方式以及
所用保护介质各不相同，即使用含有同样合
金元素的填充金属，其过渡系数也各不相同，
15
3.5.3 影响过渡系数的因素 焊接过程合金元素主要损失于： 蒸发、氧化和残留在熔渣中
只要减少这方面的损失，就能提高其过渡系数。
16
⑴ 合金元素的物理化学性质
沸点：越低，焊接时的蒸发损失就越大，其过渡系
数就越小，例如Mn的沸点仅2027℃，在焊接时极
易蒸发，故其过渡系数小。
合金元素对氧的亲和力越大，越易氧化而损失，
见下表。
23
表 合金元素的过渡系数η
24
3.6 焊缝金属中硫和磷的控制
S和P是钢中的杂质。通常母材和焊丝（芯）含S和P 的量都很低，对焊缝金属不会带来危害。
但在焊条药皮或焊剂的某些原材料中常含有相当数
量的S和P，在焊接过程中过渡到焊缝金属中就会造
成危害。
25
3.6.1 焊缝中S的危害及控制 ⑴ 硫的危害 S在钢中主要以FeS和MnS形式存在，其中FeS 的危害性最大。因为它与液态铁几乎无限互 溶，而在室温下它在固态铁中的溶解度很小， 仅为0.0015%~0.002%。
18
⑵ 合金元素的含量
试验表明，随着药皮或焊剂中合金元素含量的增
加，其过渡系数逐渐增加，最后趋于一个定值。
19
⑶ 合金元素的粒度
粒度越小，表面积越大，与氧作用的机会越多，
合金损失就越大。因此，适当提高合金元素的粒度， 可减少因氧化而造成的损失，使过渡系数增大。但 是，合金元素粒度过大，又会因其不易熔化而使残 留损失增大，过渡系数反而减小。
特点：
合金成分的比例调配方便、对电极(焊丝)无需特意制作，
合金损失小。
制粉工艺较复杂，堆焊金属的合金成分均匀性较差。
13
3.5.2 合金过渡系数 合金元素的过渡系数η等于它在熔敷金属中的实 际含量与它原始含量之比。 即
Cd Ce
Cd—某合金元素在熔敷金属中的含量 Ce—某合金元素的原始含量
11
2. 合金过渡的方法 ⑴ 通过填充金属过渡 ⑵ 通过药皮、药芯或焊剂过渡
⑶ 直接用合金粉末涂敷过渡
把需要的合金元素按比例配制成一定粘度的合
金粉末，焊接时把它输送到焊接区，或直接涂敷
在焊件表面或坡口内。
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2. 合金过渡的方法 ⑴ 通过填充金属过渡 ⑵ 通过药皮、药芯或焊剂过渡
⑶ 直接用合金粉末涂敷过渡
第14讲
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上讲回顾
活性熔渣对金属的氧化
焊件表面氧化物对金属的氧化
氧对焊接质量的影响
焊缝金属的脱氧
2
3.5 焊缝金属的合金化
3.5.1 合金化的目的及方式 合金过渡是把所需的合金元素通过焊接材料过渡 到焊缝金属(或堆焊金属)中去的过程，又称焊缝金 属合金化。
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1. 过渡目的 ⑴ 补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成焊 缝中合金元素的损失；
过渡系数就越小。在1600℃时，各种合金元素对氧
亲和力由小到大排顺序如下：
Cu Ni Co Fe W Mo Cr Mn V Si Ti Zr Al
17
当用几个合金元素同时过渡时，其中对氧亲和力 大的元素被氧化，就能减少其他合金元素的氧化， 从而提高了它们的过渡系数。 例如：在碱性药皮中加入Al和Ti，可提高Si和 Mn的过渡系数。
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熔池凝固时S容易偏析，以
低熔点共晶Fe＋FeS(熔点约
985℃)或FeS＋FeO (熔点约
940℃)的形式呈片状或链状
分布于晶界，增加焊缝金 属结晶裂纹的倾向，降低 冲击韧度和抗腐蚀性。
图 Fe＋FeS相图
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钢中含Ni时，S的有害作用更大，因S与Ni形 成NiS，NiS又与Ni形成熔点更低(664℃)的共 晶NiS＋Ni，产生结晶裂纹的倾向更大。
20
⑷ 药皮或焊剂的成分
如果在药皮或焊剂中增加高价氧化物和碳酸盐等， 不仅使气相的氧化性增大，而且也使熔渣的氧化性 增大，结果导致过渡系数减小。
当合金元素及其氧化物在药皮或焊剂中共存时，由 质量作用定律可知，能够提高该元素的过渡系数。 若其他条件相同，合金元素的氧化物与熔渣的酸碱 性相同时，则有利于提高过渡系数。若性质相反， 则降低其过渡系数。例如SiO2是酸性的，会随着熔 渣碱度的增加，Si的过渡系数减小；MnO是碱性的， 会随着熔渣碱度的增加，Mn的过渡系数增大。 21
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焊条电弧焊： 应考虑药皮质量系数Kb的影响，则Ce为：
Ce = Cew＋KbCeo
式中 Cew——某合金元素在焊芯中的含量
Ceo——某含金元素在药皮中的含量
因此：
Cd Cew K bCeo
由于药皮的氧化性较强，还有残留在熔渣的损失， 一般情况下通过药皮过渡的过渡系数较小 ，而通过焊
丝过渡时过渡系数较大。
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1. 过渡目的 ⑴ 补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成焊 缝中合金元素的损失； ⑵ 消除焊接缺陷，改善焊缝组织与性能。
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1. 过渡目的 ⑴ 补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成焊 缝中合金元素的损失； ⑵ 消除焊接缺陷，改善焊缝组织与性能。 ⑶ 获得具有特殊性能的堆焊金属。
6
1. 过渡目的 ⑴ 补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成焊 缝中合金元素的损失； ⑵ 消除焊接缺陷，改善焊缝组织与性能。 获得具有特殊性能的堆焊金属。 表面耐磨、热硬、耐热和耐蚀等 ⑶
可用堆焊方法过渡Cr、Mo、W、Mn等合金元素。
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图 有过渡层的熔覆显微组织
8
2. 合金过渡的方法 ⑴ 通过填充金属过渡：冶炼时加入 特点：
焊缝：成分均匀、稳定，合金损失少； 填充金属：炼制工艺复杂，成本高；
脆硬材料：轧制和拉丝困难，不能采用此方法。
⑵ 通过药皮、药芯或焊剂过渡
添加形式：铁合金或纯金属粉末
焊剂：一般制成粘结焊剂，配合普通焊丝
10
2. 合金过渡的方法 ⑴ 通过填充金属过渡 ⑵ 通过药皮、药芯或焊剂过渡
特点：
⑴ 合金成分的配比可任意调控，可以获得任意成分的焊 缝或堆焊金属； ⑵ 除药芯焊丝外，药皮和粘结焊剂制造容易，成本低； ⑶ 合金元素氧化损失较大，并有一部分残留在渣中，故 合金利用率较低； ⑷ 焊缝合金成分不够稳定和均匀；
⑸ 药皮的质量系数Kb 在焊条药皮中合金剂含量相同情况下，Kb
增加，过渡系数减小。
一般认为随着药皮厚度增加，合金剂进入
金属所经路程增大，从而使氧化和残留损失
加大。
22
⑹ 焊接方法 不同焊接方法因对焊接区保护的方式以及
所用保护介质各不相同，即使用含有同样合
金元素的填充金属，其过渡系数也各不相同，
15
3.5.3 影响过渡系数的因素 焊接过程合金元素主要损失于： 蒸发、氧化和残留在熔渣中
只要减少这方面的损失，就能提高其过渡系数。
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⑴ 合金元素的物理化学性质
沸点：越低，焊接时的蒸发损失就越大，其过渡系
数就越小，例如Mn的沸点仅2027℃，在焊接时极
易蒸发，故其过渡系数小。
合金元素对氧的亲和力越大，越易氧化而损失，
见下表。
23
表 合金元素的过渡系数η
24
3.6 焊缝金属中硫和磷的控制
S和P是钢中的杂质。通常母材和焊丝（芯）含S和P 的量都很低，对焊缝金属不会带来危害。
但在焊条药皮或焊剂的某些原材料中常含有相当数
量的S和P，在焊接过程中过渡到焊缝金属中就会造
成危害。
25
3.6.1 焊缝中S的危害及控制 ⑴ 硫的危害 S在钢中主要以FeS和MnS形式存在，其中FeS 的危害性最大。因为它与液态铁几乎无限互 溶，而在室温下它在固态铁中的溶解度很小， 仅为0.0015%~0.002%。
18
⑵ 合金元素的含量
试验表明，随着药皮或焊剂中合金元素含量的增
加，其过渡系数逐渐增加，最后趋于一个定值。
19
⑶ 合金元素的粒度
粒度越小，表面积越大，与氧作用的机会越多，
合金损失就越大。因此，适当提高合金元素的粒度， 可减少因氧化而造成的损失，使过渡系数增大。但 是，合金元素粒度过大，又会因其不易熔化而使残 留损失增大，过渡系数反而减小。
特点：
合金成分的比例调配方便、对电极(焊丝)无需特意制作，
合金损失小。
制粉工艺较复杂，堆焊金属的合金成分均匀性较差。
13
3.5.2 合金过渡系数 合金元素的过渡系数η等于它在熔敷金属中的实 际含量与它原始含量之比。 即
Cd Ce
Cd—某合金元素在熔敷金属中的含量 Ce—某合金元素的原始含量
11
2. 合金过渡的方法 ⑴ 通过填充金属过渡 ⑵ 通过药皮、药芯或焊剂过渡
⑶ 直接用合金粉末涂敷过渡
把需要的合金元素按比例配制成一定粘度的合
金粉末，焊接时把它输送到焊接区，或直接涂敷
在焊件表面或坡口内。
12
2. 合金过渡的方法 ⑴ 通过填充金属过渡 ⑵ 通过药皮、药芯或焊剂过渡
⑶ 直接用合金粉末涂敷过渡
