第一章(1,2節(jié))焊接化學(xué)冶金

1焊接化學(xué)冶金材料成形原理（焊接部分）1.1

焊接化學(xué)冶金過程的特點(diǎn)

焊絲母材熔池焊道導(dǎo)電嘴

保護(hù)氣體溶滴電弧一、焊條熔化及熔池形成（一）焊條的加熱及熔化

1、焊條加熱1）電阻熱：焊接電流通過焊芯時(shí)產(chǎn)生的電阻熱

正常規(guī)范下，手工電弧焊時(shí)電阻熱影響不大。大電流焊和不銹鋼焊條，應(yīng)注意焊芯溫度不超過600~650℃,否則引起藥皮開裂，脫落，喪失冶金作用，增加飛濺。2）電弧熱：焊接電弧傳給焊條端部的熱量

熔化焊條并使液體金屬過熱和蒸發(fā)的主要熱能3）化學(xué)反應(yīng)熱：藥皮部分化學(xué)物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的熱量

僅占1~3%，可忽略不計(jì)。一、焊條熔化及熔池形成

2、焊條金屬的平均熔化速度

1)平均熔化速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)熔化的焊芯質(zhì)量（或長(zhǎng)度）。

gM=G/t=αpIαp為焊條熔化系數(shù)

2)平均熔敷速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)真正進(jìn)入焊縫的那一部分金屬的質(zhì)量

gD=GD/t=αHI αH為焊條熔敷系數(shù)

3)損失系數(shù)：飛濺、氧化和蒸發(fā)損失的金屬質(zhì)量與熔化的焊芯質(zhì)量之比

Ψ=(G-GD)/G=(gM-gD)/gD=1-αH/αp蒸發(fā)過渡飛濺氧化一、焊條熔化及熔池形成

3、熔滴及其過渡特性

熔滴：焊條端部熔化形成的滴狀液態(tài)金屬

⑴熔滴的過渡形式藥皮焊條焊接時(shí)：

短路過渡：在短弧焊時(shí)焊條端部的熔滴長(zhǎng)大到一定的尺寸就與熔池發(fā)生接觸，形成短路，隨后在各種力的作用下過渡到熔池中。

顆粒狀過渡：當(dāng)電弧的長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)時(shí)，焊條端部的熔滴長(zhǎng)大到較大的尺寸，在各種力的作用下，以顆粒狀落入熔池，過渡時(shí)不發(fā)生短路。

附壁過渡：熔滴沿著焊條端部的藥皮套筒壁向熔池過渡的形式。

堿性焊條：短路過渡和大顆粒狀過渡酸性焊條：細(xì)顆粒狀過渡和附壁過渡一、焊條熔化及熔池形成

⑵熔滴的比表面積和相互作用時(shí)間熔滴的比表面積S：熔滴的表面積Ag與其質(zhì)量之比

一、焊條熔化及熔池形成⑶熔滴的溫度

與極性，藥皮類型、焊接規(guī)范有關(guān)。 手工電弧焊低碳鋼時(shí)，平均溫度為2100～2700℃。溫度隨電流而增加，隨焊絲直徑增大而減小。

藥皮熔化后形成熔渣過渡形式：

1)以薄膜的形式包在熔滴外或夾在熔滴內(nèi)過渡

2)以焊條端部流入或以滴狀落入熔池藥皮厚大時(shí)含有第二種形式一、焊條熔化及熔池形成（二）熔池的形成

熔池：母材上由熔化的焊條和母材組成的有一定幾何形狀的液體金屬。

熔池的形狀、尺寸、溫度、存在時(shí)間、流動(dòng)狀態(tài)對(duì)冶金反應(yīng)、結(jié)晶方向、晶體結(jié)構(gòu)、夾雜物的數(shù)量與分布、焊接缺陷均有影響。

1、熔池的形狀和尺寸

進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)定期后，熔池的形狀、尺寸、質(zhì)量不再變化，并隨熱源作同步運(yùn)動(dòng)。外輪廓為溫度等于母材熔點(diǎn)的等溫面電流增加，最大寬度Bmax減小，最大深度Hmax增大電壓增大，最大寬度Bmax增大，最大深度Hmax減小一、焊條熔化及熔池形成

2、熔池的質(zhì)量和存在時(shí)間 熔池的質(zhì)量：手弧焊：通常在0.6~16g內(nèi)，多數(shù)情況下小于5g

大電流埋弧焊焊接低碳鋼時(shí)：<100g

存在時(shí)間：最大 tmax=L/υ

平均 tcp=Gp/ρυAw

υ—焊接速度；AW—焊縫的橫截面積；Gp—熔池質(zhì)量；ρ—密度一、焊條熔化及熔池形成3、熔池的溫度

熔池中部溫度最高，頭部次之，其次是尾部平均溫度與母材的性質(zhì)和散熱條件有關(guān)一、焊條熔化及熔池形成4、熔池中流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

1）有利于焊條與母材金屬的混合，使焊縫成分均勻

2）加速冶金反應(yīng)，有利于夾雜、氣體外逸、消除焊接缺陷二、焊接過程中對(duì)金屬的保護(hù)1、保護(hù)的目的無保護(hù)的危害1）焊縫成分顯著變化

含氮量比焊絲高20～45倍含氧量比焊絲高7～35倍合金元素（Mn、C）燒損、蒸發(fā)嚴(yán)重2）焊縫力學(xué)性能下降3）焊接工藝性能差

電弧不穩(wěn)定、飛濺大、焊縫成形差、易產(chǎn)生氣孔

二、焊接過程中對(duì)金屬的保護(hù)2、保護(hù)的方式

保護(hù)方式焊接方法氣保護(hù)渣保護(hù)氣渣聯(lián)合保護(hù)真空自保護(hù)氣焊、惰性氣體保護(hù)焊、CO2焊、混合氣體保護(hù)焊埋弧焊、電渣焊、不含造氣成分的焊條和藥芯焊絲焊接具有造氣成分焊條和藥芯焊絲焊接真空電子束焊接含有脫氧劑、脫氮?jiǎng)┑淖员Ｗo(hù)焊絲焊接三、焊接化學(xué)冶金反應(yīng)區(qū)三個(gè)反應(yīng)區(qū)：

1）藥皮反應(yīng)區(qū)

2）熔滴反應(yīng)區(qū)

3）熔池反應(yīng)區(qū)

焊條手工電弧焊時(shí)有三個(gè)區(qū) 熔化極氣體保護(hù)焊只有后兩個(gè)反應(yīng)區(qū) 不填充金屬的氣焊、鎢極氬弧焊等只有最后一個(gè)反應(yīng)區(qū)三、焊接化學(xué)冶金反應(yīng)區(qū)

（一）藥皮反應(yīng)區(qū)

1、范圍：從100℃到藥皮熔點(diǎn)

2、主要物化反應(yīng)：

1）除水：100℃吸附水完全蒸發(fā)

200℃～400℃結(jié)晶水排除

600℃～700℃或更高溫度，化合水析出

2）分解:

CaCO3→CaO+CO2↑

有機(jī)物→H2+CO+H2O

有機(jī)物、碳酸鹽、高價(jià)氧化物分解形成CO、CO2、H2、O2等氣體

3）氧化：鐵合金的氧化（如錳鐵、硅鐵、鈦鐵）

Mn+CO2→MnO+CO Si+2FeO→2Fe+SiO23、作用

1）生成的氣體對(duì)熔化金屬有機(jī)械保護(hù)作用

2）鐵合金的氧化，降低氣相的氧化性——“先期脫氧”

三、焊接化學(xué)冶金反應(yīng)區(qū)（二）熔滴反應(yīng)區(qū)

1、范圍：從焊芯熔化到過渡到熔池中

2、特點(diǎn)：

1）溫度高： 平均溫度1800～2400℃

活性斑點(diǎn)處接近焊芯沸點(diǎn)均為2800℃

過熱度300～900℃。

2）接觸面積大： 熔滴比表面積達(dá)103～104㎝2/㎏

比煉鋼大1000倍。

3）反應(yīng)時(shí)間短： 熔滴在焊條端的停留時(shí)間為0.01～0.1s

經(jīng)過弧柱區(qū)的時(shí)間只有0.0001～0.001s 4）熔滴與熔渣發(fā)生強(qiáng)烈混合：有利用增大接觸面積，加快反應(yīng)速度

3、主要物化反應(yīng)

1）氣體的分解、溶解

2）金屬的蒸發(fā)、氧化、還原

3）焊縫金屬的合金化三、焊接化學(xué)冶金反應(yīng)區(qū)（三）熔池反應(yīng)區(qū)

1、范圍：從熔滴、熔渣進(jìn)入熔池到金屬凝固

2、特點(diǎn)：與熔滴反應(yīng)區(qū)相比有以下特點(diǎn)

1）溫度低：平均溫度1600～1900℃ 2）比表面積?。?～130㎝2/㎏ 3）反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)：手工電弧焊3～8s，埋弧焊6～25s 4）溫度不均：熔池前部進(jìn)行熔化、氣體吸收、有利于吸熱反應(yīng)熔池后部進(jìn)行凝固、氣體逸出、有利于放熱反應(yīng)

5）反應(yīng)速度慢：反應(yīng)物濃度差比熔滴階段小

6）參與反應(yīng)的熔渣數(shù)量比熔滴階段多1.2

液態(tài)金屬與氣相的相互作用N2、H2、O2CO2

和H2O焊接區(qū)的氣體直接進(jìn)入間接分解一、焊接區(qū)內(nèi)的氣體（一）氣體的來源

1、空氣如手工電弧焊時(shí)侵入的氣體約占3％

2、保護(hù)氣如氣體保護(hù)焊

3、焊條藥皮、焊劑、藥芯的造氣劑

1）有機(jī)物分解、燃燒 淀粉、纖維素、油污等

2）碳酸鹽和高價(jià)氧化物的分解

3）材料中低佛點(diǎn)物質(zhì)的蒸發(fā)一、焊接區(qū)內(nèi)的氣體

焊條藥皮中的淀粉、纖維素、糊精等有機(jī)物（造氣、粘接、增塑劑）

熱氧化分解反應(yīng)220~250℃以上發(fā)生，

800℃左右完全分解CO2、CO、H2、烴和水氣

如纖維素的熱氧化分解反應(yīng)：（C6H10O5）m＋7/2mO2（氣）＝6mCO2（氣）＋5mH2（氣）1）有機(jī)物的分解和燃燒

酸性焊條藥皮中有機(jī)物的含量較高一、焊接區(qū)內(nèi)的氣體

碳酸鹽（CaCO3、MgCO3及BaCO3等）的分解

CaCO3=CaO+CO2↑ （545℃～910℃）

MgCO3=MgO+CO2↑ （325℃～650℃）

2）碳酸鹽和高價(jià)氧化物的分解

堿性焊條藥皮中碳酸鹽的含量較高高價(jià)氧化物（Fe2O3

和MnO2）的分解（在某些酸性焊條藥皮中含量較高）

6Fe2O3=4Fe3O4+O22Fe3O4=6FeO+O24MnO2=2Mn2O3+O26Mn2O3=4Mn3O4+O23）材料的蒸發(fā)焊接過程中，除了焊接材料和母材表面的水分發(fā)生蒸發(fā)外，金屬元素和熔渣的各種成分在電弧高溫作用下也會(huì)發(fā)生蒸發(fā)，形成相當(dāng)多的蒸氣。

金屬材料中Zn、Mg、Pb、Mn

氟化物中AlF3、KF、LiF、NaF極易蒸發(fā)一、焊接區(qū)內(nèi)的氣體物質(zhì)ZnMgPbMnCrAlNiSi沸點(diǎn)9071126174020972222232724592467物質(zhì)CuFeTiVCNbMoW沸點(diǎn)25472753312733804502474248045927物質(zhì)CsFAlF3KFLiFNaFBaF2MgF2CaF2沸點(diǎn)12571260150016701700213722392500后果：合金元素的損失；產(chǎn)生焊接缺陷；增加焊接煙塵，污染環(huán)境，影響焊工身體健康。純金屬和氟化物的沸點(diǎn)（℃）

編號(hào)反應(yīng)式/kJ.mol編號(hào)反應(yīng)式/kJ.mol1F2＝F＋F－2706CO2＝CO＋1/2O2－282.82H2＝H＋H－433.97H2O＝H2＋1/2O2－483.23H2＝H＋H+＋e－17458H2O＝OH＋1/2H2－532.84O2＝O＋O－489.99H2O＝H2＋O－977.35N2＝N＋N－711.410H2O＝2H＋O－1808.3（二）氣體的分解

簡(jiǎn)單氣體（指N2、H2、O2、F2等雙原子氣體）的分解

復(fù)雜氣體（指CO2和H2O等）的分解 分解產(chǎn)物在高溫下還可進(jìn)一步分解和電離 分解后，增大了其在金屬熔池中的溶解能力，增大了氣相的氧化性一、焊接區(qū)內(nèi)的氣體一、焊接區(qū)內(nèi)的氣體分解度α溫度T/KCO2分解時(shí)氣相的平衡成分與溫度的關(guān)系氣相體積分?jǐn)?shù)Φ/%

溫度T/K

雙原子氣體分解度α與溫度的關(guān)系（P0＝0.1MPa）一、焊接區(qū)內(nèi)的氣體圖7-3H2O分解形成的氣相成分與溫度的關(guān)系（P0＝0.1MPa）溫度T/×103K氣相體積分?jǐn)?shù)Φ/%碳鋼焊條電弧焊焊接區(qū)室溫時(shí)的氣相成分低氫型焊條焊接時(shí)，氣相中H2和H2O的含量很少，故稱“低氫型”酸性焊條焊接時(shí)氫含量均較高，其中纖維素型焊條的最大藥皮類型氣相成分（體積分?jǐn)?shù)）/%備注COCO2H2H2O高鈦型（J421）46.75.334.513.5焊條在110℃烘干2h鈦鈣型（J422）50.75.937.55.7鈦鐵礦型（J423）48.14.836.610.5氧化鐵型（J424）55.67.324.013.1纖維素型（J425）42.32.941.212.6低氫型（J427）79.816.91.81.5（三）氣相的成分一、焊接區(qū)內(nèi)的氣體二、氫對(duì)液態(tài)金屬的作用（一）氫在金屬中的溶解

氫是有害物質(zhì)，會(huì)引起氣孔，裂紋，脆化等缺陷 氫的來源：焊材中的水分，空氣中的水蒸氣，工件上的油污等1、氫與金屬的作用特點(diǎn)

氣體金屬與合金溶解反應(yīng)類型形成化合物傾向氫Fe、Ni、Al、Cu、Mg、Cr、Co等金屬及合金吸熱反應(yīng)不能形成穩(wěn)定氫化物Ti、Zr、V、Nb、Ta、Th等金屬及合金放熱反應(yīng)能形成穩(wěn)定氫化物2、氫的溶解途徑1）通過氣相溶入金屬中服從亨利定律:2）通過渣層溶入金屬，其過程為：

第一步以O(shè)H-形式溶于熔渣

H2O氣+(O2-)=2(OH-)第二步以H形式從熔渣中向金屬中過渡

(Fe2+)+2(OH-)=[Fe]+2[O]+2[H]()—表示在熔渣中[]—表示在金屬中沒有括號(hào)—表示在氣相中二、氫對(duì)液態(tài)金屬的作用雙原子氣體溶入金屬液的兩種方式吸附—分解—溶入分解—吸附—溶入溫度低或氣體難以分解時(shí)焊接溫度下氫、氧等氣體的溶解（PN2＝PH2=0.1MPa）氮、氫在金屬凝固時(shí)溶解度陡降。氮、氫在奧氏體中的溶解度大于鐵素體。氮、氫在液態(tài)鐵中的溶解度隨溫度升高而增大。在鐵的氣化溫度附近，氣體溶解度陡降。氮、氫在鐵中的溶解度二、氫對(duì)液態(tài)金屬的作用SH/mL.(100g)-1T/℃氫在不同金屬中的溶解度隨溫度的變化（pH2＝0.1MPa）a）I類金屬b）II類金屬SH/mL.(100g)-1T/℃第II類金屬吸氫過程是放熱反應(yīng)，因此隨著溫度的升高，氫的溶解度減小，二、氫對(duì)液態(tài)金屬的作用

（二）焊縫中的氫及其擴(kuò)散

金屬凝固時(shí)，來不及逸出的氫主要以H、H+、H-的形式存在于焊縫中

二、氫對(duì)液態(tài)金屬的作用1、擴(kuò)散氫

由于氫原子和離子的半徑小，可以在金屬晶格中自由擴(kuò)散，故稱為擴(kuò)散氫。在室溫下仍有較大的擴(kuò)散能力，如在20℃時(shí)，[H]的擴(kuò)散速度比[N]、[C]高1012倍！占?xì)淇偭康?0%以上。

2、殘余氫

擴(kuò)散聚集到陷阱（如晶格缺陷、顯微裂紋、非金屬夾雜物周圍的空隙）中的氫，結(jié)合為氫分子，其半徑大，不能自由擴(kuò)散，故稱為殘余氫?？偤瑲淞?擴(kuò)散氫＋殘余氫（三）氫對(duì)焊接質(zhì)量的影響

1、氫脆

氫在室溫附近使鋼的塑性嚴(yán)重下降的現(xiàn)象原因：拉伸→位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和堆積→形成顯微空腔→擴(kuò)散氫在空腔內(nèi)結(jié)合成氫分子→阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生很高的壓力→變脆

2、白點(diǎn)

碳鋼及低合金鋼焊縫，如含氫量高，常常在拉伸和彎曲斷面上出現(xiàn)銀白色圓形局部脆斷點(diǎn)稱為白點(diǎn)。直徑約為0.5－3mm，周圍為塑性斷口，白點(diǎn)中心有小夾雜物或氣孔，好像魚眼一樣，故又稱“魚眼”。超聲波和X射線探測(cè)表明，白點(diǎn)在塑性變形階段產(chǎn)生

3、氫氣孔 2[H]＝H2

4、冷裂紋二、氫對(duì)液態(tài)金屬的作用（四）控制氫的措施

1、限制氫的來源

1）嚴(yán)格限制焊接材料的含氫量

制造低氫焊條、焊劑時(shí)盡量選用含氫量少和不含氫的材料，制造時(shí)適當(dāng)提高烘焙溫度 焊接保護(hù)氣（如Ar和CO2等）也常含有水分，露點(diǎn)越低，保護(hù)氣體的含水量越少

2）焊接材料使用前應(yīng)烘干、不用時(shí)應(yīng)妥善放置

低氫型焊條：350℃~450℃

含有機(jī)物的型焊條：150℃~200℃

保溫筒溫度：100℃

必要時(shí)，對(duì)保護(hù)氣體進(jìn)行去水、干燥

3）清除焊件和焊絲表面的雜質(zhì)

焊件坡口和焊絲表面上的鐵銹、油污二、氫對(duì)液態(tài)金屬的作用焊條保溫桶遠(yuǎn)紅外焊條烘箱

2、冶金處理

降低H的分壓，減少H在液態(tài)金屬中的溶解度二、氫對(duì)液態(tài)金屬的作用1）在藥皮和焊劑中加入氟化物 如：CaF2、MgF2、BaF2等。主要是CaF2，焊條藥皮中加入7％～8％，即可急劇減少焊縫的氫含量。氟化物的去氫機(jī)理主要有以下兩種：在酸性渣中，CaF2和SiO2共存時(shí)能發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

2CaF2+3SiO2=2CaSiO3+

SiF4

生成的氣體SiF4沸點(diǎn)很低（90℃），它以氣態(tài)形式存在，并與氣相中的原子氫和水蒸氣發(fā)生反應(yīng)：

SiF4+3H=SiF+3

HF

SiF4+2H2O=SiO2+4

HF

反應(yīng)生成的HF在高溫下比較穩(wěn)定，故能降低焊縫的氫含量。在堿性焊條藥皮中，CaF2首先與藥皮中的水玻璃發(fā)生反應(yīng)：

Na2O.nSiO2+mH2O=2NaOH+nSiO2(m-1)H2O2NaOH+CaF2=2

NaF+Ca(OH)2K2O.nSiO2+mH2O=2KOH+nSiO2(m-1)H2O2KOH+CaF2=2KF

+Ca(OH)2

與此同時(shí)，CaF2與氫和水蒸氣發(fā)生如下反應(yīng)：

CaF2+H2O=CaO+2HFCaF2+2H=Ca+2HF

上述反應(yīng)生成的NaF和KF與HF發(fā)生反應(yīng)：

NaF+HF=

NaHF2

KF+HF=

KHF2

生成的氟化氫鈉和氟化氫鉀進(jìn)入焊接煙塵，從而達(dá)到了去氫的目的。二、氫對(duì)液態(tài)金屬的作用2）控制焊接材料的氧化勢(shì)氣相中的氧可以奪取氫，生成較穩(wěn)定的OH

，從而減小氣相中的氫分壓，降低熔池中氫的濃度。因此：適當(dāng)提高氣相的氧化性，有利于降低焊縫的氫含量。焊條藥皮中加入碳酸鹽或Fe2O3，或采用CO2作保護(hù)氣體，均可獲得氫含量較低的焊縫。因?yàn)樘妓猁}受熱后分解出CO2，F(xiàn)e2O3則分解出O2，能促使下列反應(yīng)向右進(jìn)行：

O+H=OHO2+H2=2OH2CO2+H2=2CO+2OH

在藥皮中加入脫氧劑如鈦鐵，會(huì)增加擴(kuò)散氫的含量。因此，要得到氧和氫含量都低的焊縫金屬，在增加脫氧劑的同時(shí)，必須采取其他有效的去氫措施。二、氫對(duì)液態(tài)金屬的作用3）在藥皮或焊芯中加入微量稀土元素或稀散元素

稀土金屬rareearths：釔Y、鈰Ce、鑭La、鐿Yb

稀散元素rareelements：碲Te、硒Se

焊條藥皮中加入微量的釔，可顯著降低焊縫中擴(kuò)散氫的含量，同時(shí)能提高焊縫的韌性。微量稀土元素碲和硒也有很強(qiáng)的去氫作用。二、氫對(duì)液態(tài)金屬的作用3、控制焊接工藝參數(shù)

手弧焊時(shí)：

1）電流↑→含氫量↑ 原因：電流↑→溫度↑→氫和水汽的分解度↑→氫在熔滴中的溶解度增大

2）電壓↑→含氫量↓ 原因：空氣侵入，使氫分壓↓，氧化性↑

氣體保護(hù)焊時(shí)：射流過渡時(shí)→H↓

原因：①T↑→金屬蒸汽壓↑→氫的分壓↓ ②氫與熔滴接觸時(shí)間↓二、氫對(duì)液態(tài)金屬的作用電流種類和極性交流電焊接時(shí)，焊縫含氫量比用直流電焊接時(shí)多反極性焊接時(shí)，焊縫的含氫量比正極性時(shí)少+-H+↑-+H+↑直流正極性直流反極性4、焊后脫氫處理

焊后把工件加熱到一定溫度，保溫一定時(shí)間，使氫擴(kuò)散外逸的工藝。 如：焊后立即將焊件加熱到350℃，保溫1h，可使絕大部分的擴(kuò)散氫去除。 在生產(chǎn)上，對(duì)于易產(chǎn)生冷裂的焊件常要求進(jìn)行焊后脫氫處理。 但對(duì)于奧氏體鋼焊接接頭，脫氫處理效果不大。二、氫對(duì)液態(tài)金屬的作用三、氧對(duì)液態(tài)金屬的作用根據(jù)氧與金屬相互作用的特點(diǎn)，可以分為兩類：

一類是在固態(tài)和液態(tài)都不溶解氧的金屬，如Al、Mg等

但這類金屬在焊接時(shí)發(fā)生激烈地氧化，所形成的氧化物以薄膜或顆粒的形式浮在熔池表面上，因此，易造成夾雜、未熔透等缺陷，并使焊接工藝性能變壞。

另一類是能有限溶解氧的金屬，如Fe、Ni、Cu、Ti等

這類金屬在焊接時(shí)也發(fā)生氧化，但其特點(diǎn)是反應(yīng)生成的氧化物能溶解于相應(yīng)的金屬中。例如鐵氧化生成的FeO能溶于鐵及其合金中。 不論上述那一種情況，氧對(duì)金屬的作用都是有害的。因此研究氧在金屬中的溶解及其對(duì)金屬的氧化是焊接冶金的重要內(nèi)容。（一）氧在金屬中的溶解氧以氧原子和FeO兩種形式溶于液態(tài)鐵中

溫度升高，氧在液態(tài)鐵中的溶解度增大當(dāng)液態(tài)鐵中有第二種合金元素時(shí)，隨合金元素含量的增加氧的溶解度下降室溫下，αFe中幾乎不溶解氧（<0.001%）。焊縫中氧絕大多數(shù)以氧化物（FeO、SiO2、MnO、Al2O3等）和硅酸鹽夾雜物的形式存在。三、氧對(duì)液態(tài)金屬的作用溫度T/℃溶解度%/oS（二）金屬氧化還原方向的判據(jù)在一個(gè)由金屬、金屬氧化物和氧化性氣體組成的系統(tǒng)中，采用金屬氧化物的分解壓

Po2作為金屬是否被氧化的判據(jù)。

分解達(dá)到平衡時(shí)氧的分壓Po2

，稱為反應(yīng)氧化物的分解壓。若氧在金屬－氧－氧化物系統(tǒng)中的實(shí)際分壓為{Po2}，則:

{Po2}>Po2時(shí)，金屬被氧化；

{Po2}=Po2時(shí)，處于平衡狀態(tài)；

{Po2}<Po2時(shí)，金屬被還原。三、氧對(duì)液態(tài)金屬的作用自由氧化物分解壓與溫度的關(guān)系T/℃LgpO2/×101.3kPaMoO

金屬氧化物的分解壓是溫度的函數(shù)，它隨溫度的升高而增加。 除了Ni和Cu外，在同樣溫度下，F(xiàn)eO的分解壓最大，即最不穩(wěn)定。FeO為純凝聚相時(shí)，其分解壓為：三、氧對(duì)液態(tài)金屬的作用式中

P’o2是液態(tài)鐵中FeO的分解壓；[FeO]是溶解在液態(tài)鐵中的FeO濃度；[FeO]max是液態(tài)鐵中FeO的飽和濃度。由式（7-15）可以看出，由于FeO溶于液態(tài)鐵中，使其分解壓減小，致使Fe更容易氧化。

計(jì)算得知，在高于鐵熔點(diǎn)的溫度下

P’o2

很小，例如溫度為1800℃，液態(tài)鐵中[FeO]的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％時(shí)，P’o2=1.5×10-5KPa(空氣中氧的分壓｛PO2｝=21.3kPa),說明氣相中只要存在微量的氧，即可使鐵氧化。

通常情況下FeO溶于液態(tài)鐵中，這時(shí)其分解壓為：

三、氧對(duì)液態(tài)金屬的作用（三）氧化性氣體對(duì)金屬的氧化1、自由氧對(duì)金屬的氧化

空氣中氧的分壓｛PO2｝=21.3kPa

手弧焊時(shí)，空氣或多或少侵入電弧，高價(jià)氧化物分解出O2

氣相中O2的分壓超過P'o2時(shí)，將使Fe氧化：

[Fe]+?O2=FeO+26.97kJ/mol[Fe]+O=FeO+515.76kJ/mol由反應(yīng)的熱效應(yīng)看，原子氧對(duì)鐵的氧化比分子氧更激烈。除了鐵以外，鋼液中其它對(duì)氧親和力比鐵大的元素也會(huì)發(fā)生氧化，如：

[C]+?O2=CO↑[Si]+O2=（SiO2）

[Mn]+?O2=（MnO）三、氧對(duì)液態(tài)金屬的作用純CO2高溫分解得到的平衡氣相成分和氣相中氧的分壓{Po2}隨溫度升高，氣相的氧化性增加。2、CO2對(duì)金屬的氧化溫度/K1800200022002500300035004000氣相成分(體積分?jǐn)?shù))/％CO299.3497.7493.9481.1044.2616.695.92CO0.441.514.0412.6037.1655.5462.72O20.220.762.026.3018.5827.7731.36氣相中氧的分壓{pO2}/×101.325kPa2.2×10-37.6×10-32.02×10-26.3×10-218.58×10-227.77×10-231.36×10-2FeO飽和時(shí)P’O2/×101.325kPa3.81×10-91.08×10-71.35×10-65.3×10-5－－－ 3000K時(shí)，{PO2｝＝20.3kPa，氣空氣中氧的分壓｛PO2｝=21.3kPa； 當(dāng)溫度高于3000K時(shí)，CO2的氧化性超過了空氣。溫度高于鐵的熔點(diǎn)以后，{Po2}遠(yuǎn)大于P'o2高溫下CO2對(duì)液態(tài)鐵和其他許多金屬來說均為活潑的氧化劑。三、氧對(duì)液態(tài)金屬的作用CO2與液態(tài)鐵的反應(yīng)式和平衡常數(shù)為：

CO2＋[Fe]＝CO＋[FeO]溫度升高時(shí)，平衡常數(shù)K增大，反應(yīng)向右進(jìn)行，促使鐵氧化。計(jì)算表明，即使氣相中只有少量的CO2，對(duì)鐵也有很大的氧化性。因此，用CO2作保護(hù)氣體只能防止空氣中氮的侵入，不能避免金屬的氧化。

用CO2作為保護(hù)氣體焊接時(shí)，應(yīng)該在焊絲中增加脫氧元素。三、氧對(duì)液態(tài)金屬的作用3、H2O對(duì)金屬的氧化H2O氣與Fe的反應(yīng)式和平衡常數(shù)為：

H2O氣＋[Fe]＝[FeO]＋H2

可見，溫度越高，H2O的氧化性越強(qiáng)。

在液態(tài)鐵存在的溫度，H2O氣的氧化性比CO2小。但應(yīng)注意，H2O氣除了使金屬氧化外，還會(huì)提高氣相中H2的分壓，導(dǎo)致金屬增氫。三、氧對(duì)液態(tài)金屬的作用4、混合氣體對(duì)金屬的氧化溫度/K鈦鐵礦型低氫型{Po2}Po2{Po2}Po218002000250030008.52×10-109.47×10-104.98×10-62.96×10-41.40×10-98.42×10-92.16×10-71.88×10-62.12×10-98.02×10-86.30×10-55.35×10-35.49×10-113.30×10-108.47×10-97.38×10-8三、氧對(duì)液態(tài)金屬的作用焊條電弧焊氣氛：是多種氣體CO2、CO、O2

和H2O的混合物

混合氣體保護(hù)焊：Ar+CO2

、Ar+CO2+O2

、CO2+O2

電弧氣氛中氧分壓{Po2}和的分解壓Po2

（×101KPa）

鈦鐵礦型焊條析出的氣體：2000K時(shí)，是還原性的；

2500K以上時(shí)，是氧化性的。低氫型焊條析出的氣體：在高于熔池結(jié)晶溫度的情況下，都是氧化性的， 所以藥皮中必須加入脫氧劑。（四）氧對(duì)焊件質(zhì)量的影響

氧以溶解狀態(tài)和氧化物夾雜兩種形式存在于焊縫中，室溫下，溶解氧<0.001%,主要以氧化物夾雜方式存在。其危害有：

1、含氧量增加，強(qiáng)度、塑性、韌性都下降

2、引起熱脆、冷脆、時(shí)效硬化

3、燒損有益的合金元素

4、氧與碳生成CO，形成氣孔

5、造成飛濺（熔滴中C+O=CO受熱膨脹）其益處有：

1、減少氫的含量（H+O=OH）

2、鑄鐵冷焊時(shí)，燒損多余的碳

3、加入氧化劑提高藥皮或焊劑的耐潮性三、氧對(duì)液態(tài)金屬的作用（五）控制氧的措施

氧主要來源于焊接材料中的氧化物及分解氧化性氣體

1、純化焊接材料 焊接合金鋼、合金、活性金屬（如Al）盡量用不含氧或含氧少的焊材，如惰性氣體保護(hù)焊，低氧無氧焊條、焊劑或是在真空中焊接。三、氧對(duì)液態(tài)金屬的作用2、控制焊接工藝參數(shù)

如短弧焊或改變?nèi)鄣芜^渡特性。

3、冶金脫氧