焊接冶金學（基本原理）

1焊接冶金學（基本原理）太原理工大學2緒論

第一章焊接化學冶金

第二章焊接材料

第三章熔池凝固和焊縫固態(tài)相變

第四章焊接熱影響區(qū)的組織

第五章焊接裂紋太原理工大學3緒論

焊接：被焊工件的材質(zhì)(同種或異種），通過加熱或加壓或二者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材質(zhì)達到原子間的結(jié)合而形成永久性連接的工藝過程。一、焊接過程的物理本質(zhì)原子間的距離為rA時，結(jié)合力最大。對于大多數(shù)金屬rA≈0.3～0.5nm，原子間的距離大于或小于rA時，結(jié)合力顯著降低。4

為了克服阻礙金屬表面緊密接觸的各種因素，采取以下兩種措施：⑴加壓—破壞接觸面氧化膜，增加有效接觸面，達到緊密接觸。⑵加熱—對金屬，結(jié)合處達到塑性或熔化狀態(tài)時，氧化膜迅速破壞，金屬變形阻力降低；并增加原子振動能，促使擴散、再結(jié)晶、化學反應和結(jié)晶過程的進行。

加熱溫度越低，所需壓力越大，實現(xiàn)焊接的條件：Ⅰ區(qū)—T＜T1，壓力須在AB線右上方；Ⅱ區(qū)—T1～T2之間時，壓力應在BC線以上；Ⅲ區(qū)—T＞T1＝TM（TM是金屬熔化溫度），壓力為零，此即熔焊情況。5

焊接與釬焊在微觀上是有原則的區(qū)別，如圖：釬焊時釬料熔化，母材不熔化，不易形成共同的晶粒，只是在釬料與母材之間形成有相互原子滲透的機械結(jié)合。但有些材料釬焊也能形成共同晶粒，如用鋁基釬料焊鋁和銅基釬料焊銅時。6二、焊接熱源的種類及其特性

焊接熱源主要是熱能和機械能。能夠滿足焊接條件的熱源有以下幾種：電弧熱—利用氣體介質(zhì)中放電過程所產(chǎn)生的熱能作為焊接熱源，是焊接熱源中應用最廣泛的一種，如手工電弧焊、埋弧焊、惰性氣體保護焊（TIG、MIG）、活性氣體保護焊（MAG）等化學熱—利用助燃和可燃氣體（氧、乙炔等）或鋁、鎂熱劑進行化學反應時所產(chǎn)生的熱能（如氣焊和熱劑焊）電阻熱—利用電流通過導體產(chǎn)生的電阻熱（如電阻焊和電渣焊）。該類焊接方法，機械化和自動化程度較高，但需強大的電力。7高頻感應熱—對于磁性金屬，利用高頻感應所產(chǎn)生二次電流作為熱源，局部加熱，實質(zhì)上是另一種電阻加熱。熱度集中，焊接速度高，如高頻焊管等。對于不銹鋼和鋁等無磁性材料，經(jīng)研究裝設導磁附件，仍可高頻焊接。摩擦熱—由機械摩擦產(chǎn)生熱能作為焊接熱源。等離子焰—電弧或高頻放電產(chǎn)生高度電離的離子流，攜帶大量的熱能和動能，作為焊接熱源（等離子焊接、切割和噴涂）。電子束—利用高壓高速運動的電子在真空中猛烈轟擊金屬表面，使動能轉(zhuǎn)化為熱能作為焊接熱源。故焊接質(zhì)量很高。因熱能高度集中，焊縫深寬比可達40以上，所以焊接HAZ很窄。激光束—是通過受輻射而使放射增強的光簡稱激光經(jīng)過聚焦產(chǎn)生能量高度集中的激光束作為焊接熱源。89三、熔焊加熱特點及焊接接頭的形成

焊接電源主要是電弧，其次是電阻、等離子、電子束和激光，電渣應用較少。下面以電弧焊為例，討論熔焊加熱特點。㈠焊件上加熱區(qū)的能量分布熱源通過焊件上一定的作用面積把熱能傳給焊件。對電弧焊，這個作用面積稱為加熱區(qū)，細分為加熱斑點區(qū)和活性斑點區(qū)。

⑴活性斑點區(qū)

帶電質(zhì)點集中轟擊的區(qū)，電能轉(zhuǎn)為熱能，斑點直徑為dA，電流密度J的變化如圖0-4。10

單位時間通過單位面積傳入焊件的熱能，即比熱流的分布可近似用高斯模型來描述。距斑點中心任意點A的比熱流可用下式計算：

q（r）=qme－Kr2

式中q（r）—A點比熱流（J/（m2·s））

qm—加熱斑點中心的最大比熱流，（J/（㎝2·s））

K—熱流集中系數(shù)（㎝－3）

r—A點距加熱中心的距離（㎝）

⑵加熱斑點區(qū)在加熱斑點區(qū)焊件受熱是通過電弧的輻射和周圍介質(zhì)的對流進行的。加熱斑點的直徑為dH，在該區(qū)內(nèi)熱量的分布是不均勻的，中心高，邊緣低，如同立體高斯錐體，如圖0-5。11

上式的K值說明了熱能集中程度，主要決定于焊接方法、工藝參數(shù)和被焊材料的導熱性能等。電弧焊條件下，厚皮焊條手弧焊K＝1.2～1.3㎝-2，埋弧焊K＝6.0㎝-2

，氣焊K＝0.17～0.39㎝-2

根據(jù)qm和K值可求出任意點的比熱流q（r）。立體高斯錐體下面的全部熱能為：工件熱輸入，或用于加熱工件的熱功率

在一定條件下η是常數(shù)，受多種因素影響，如焊接方法、焊接材料、焊接工藝參數(shù)，以及運條擺動等表0-2為常見的η值。12⑶影響熱能分布的因素13㈡焊接接頭的形成熔焊時焊接接頭的形成，一般都要經(jīng)歷加熱、熔化、冶金反應、凝固結(jié)晶、固態(tài)相變，直至形成焊接接頭。如圖。14⑴焊接熱過程被焊金屬在熱源作用下局部受熱和熔化，焊接熱過程貫穿整個焊接過程。它與冶金反應、凝固結(jié)晶和固態(tài)相變、焊接溫度場和應力變形等均有密切的關系，是影響焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率的重要因素之一。⑵焊接化學冶金過程

金屬、熔渣與氣相之間進行的系列化學冶金反應，如金屬氧化、還原、脫硫、脫磷、摻合金等。直接影響焊縫成分、組織和性能?；瘜W冶金研究重點是通過焊接材料來提高焊縫強韌性，主要有兩個途徑：

①向焊縫中加入微量合金元素（如Ti、Mo、Nb、V、Zr、B和稀土等）進行變質(zhì)處理，提高焊縫的韌性。

②降低焊縫中的碳，并最大限度排除硫、磷、氧、氮、氫等雜質(zhì)，提高焊縫韌性。15⑶焊接時的金屬凝固結(jié)晶和相變過程

a焊接熔池（焊縫）的凝固和相變

隨著熱源離開，經(jīng)過化學冶金反應的熔池金屬就開始凝固結(jié)晶，金屬原子由近程有序轉(zhuǎn)變?yōu)檫h程有序排列，即有液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。對于有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的金屬，隨溫度下降，將發(fā)生固態(tài)相變。如鋼鐵：δ—γ—α轉(zhuǎn)變。因焊接條件下是快速連續(xù)冷卻，并受局部拘束應力的作用，因此，可能產(chǎn)生偏析、夾雜、氣孔、熱裂紋、冷裂紋、脆化等缺陷。故而控制和調(diào)整焊縫金屬的凝固和相變過程成為保證焊接質(zhì)量的關鍵。16由圖可見，焊接接頭是由兩部分組成，即焊縫和熱影響區(qū)，其間是過渡區(qū)，稱為熔合區(qū)。焊接時除了必須保證焊縫金屬的性能外，還必須保證焊接熱影響區(qū)的性能。b熔合區(qū)和近縫區(qū)兩側(cè)的母材相變過程焊接時經(jīng)受加熱和冷卻過程，必然發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。

c焊接接頭區(qū)域劃分

焊縫---熔合區(qū)---熱影響區(qū)（HAZ）

17四、焊接溫度場

㈠焊接傳熱的基本形式

傳熱理論：熱傳導為傳導、對流和輻射

在熔焊的條件下，由熱源傳熱給焊件的熱量，主要是以輻射和為主對流，而母材和焊條（焊絲）獲得熱能之后，熱的傳播則是以熱傳導為主。

㈡焊接溫度場的一般特征

溫度場——焊接時焊件上各點的溫度每一瞬時都在變化，而且是有規(guī)律地變化。焊件上（包括內(nèi)部）某瞬時的溫度分布稱為“溫度場”18可以用數(shù)學關系表示如下：

T＝f（x、y、z、t）式中T—焊件上某瞬時的溫度；

x、y、z—焊件某點的空間坐標；

t—時間。

等溫線或等溫面——焊接溫度場分布情況可以用等溫線或等溫面表示。就是把焊件上瞬時溫度相同的各點連接在一起，成為一條線或一個面。各等溫線或等溫面彼此之間不能相交，存在一定的溫度差，其用溫度梯度來表示。19溫度梯度—與X軸相交的各個溫度線彼此不同，如法線方向兩相鄰溫度T1和T2的溫度差為（T1－T2），溫度梯度為（T1－T2/△S），當距離很小時：方向不同就有不同的溫度梯度，如圖，假如nn線與ss線方向成α時，20

穩(wěn)定溫度場——焊接溫度場各點的溫度不隨時間而變動時，稱為穩(wěn)定溫度場；隨時間而變動的是非穩(wěn)定溫度場；

準穩(wěn)定溫度場——恒定熱功率的熱源固定作用在焊件上時（相當于補焊缺陷的情況），開始一段時間內(nèi)，溫度是非穩(wěn)定的，經(jīng)過一段時間后達到飽和狀態(tài)，形成暫時穩(wěn)定的溫度場，這種情況稱為準穩(wěn)定溫度場。

移動熱源溫度場——焊接移動熱源，經(jīng)過一段時間后，焊件上會形成準穩(wěn)定溫度場，和熱源一起移動的準穩(wěn)定溫度場。采用移動坐標，坐標原點和熱源中心重合，可建立焊接溫度場數(shù)學模型。21

對于厚大焊件在表面上堆焊，可以把溫度場看成是三維的，把熱源看作是一個點（點熱源），熱的傳播是沿三個方向，如圖。三維溫度場

焊接傳熱分類——根據(jù)焊件的尺寸和熱源的性質(zhì)，焊接傳熱可以是三維（空間傳熱）、二維（平面?zhèn)鳠幔┖鸵痪S（線性傳熱）。22

一次焊透的薄板，溫度場可以看成是二維的，可以認為在板厚方向沒有溫差，把熱源看成是沿板厚的一條線（線熱源），熱的傳播為兩個方向（X、Y），屬于平面?zhèn)鳠?，如圖。二維溫度場23

細棒的電阻焊（摩擦焊）對接、焊條或焊絲的加熱，溫度場均屬一維。如果溫度在細棒截面上的分布是均勻的，如同一個均溫的小平面進行熱的傳播（面熱源），此時的傳熱方向只有一個（X），見圖。一維溫度場24㈢影響溫度場的因素

⑴熱源的性質(zhì)

熱源的性質(zhì)不同，焊接溫度場的分布也不同。電弧焊條件下，25㎜以上的鋼板就可以認為是點狀熱源。

100㎜以上的厚鋼板電渣焊時卻是線狀熱源。電子束和激光焊接時，熱能及其集中，溫度場范圍很小。氣焊時，熱源作用面積大，溫度場范圍也大。

⑵焊接線能量以電弧焊為例，采用的焊接線能量不同（即熱源能量q和焊接速度v之比E=q/v），溫度場的分布也不同，如下圖2526

當q=常數(shù)時，隨焊接速度v的增加，等溫線的范圍變小。即溫度場的寬度和長度都變小，但寬度的較小更大些，所以溫度場的形狀變得更細長，如圖a。

當v=常數(shù)時，隨熱源功率q的增加，溫度場的范圍也隨之增大，如圖b。

如q/v保持定值，保持等比例改變時，會使等溫線有所拉長，使溫度場的范圍也隨之拉長，如圖c。

27⑶被焊金屬的熱物理性質(zhì)（材質(zhì)影響）①熱導率(λ)

金屬導熱的能力，物理意義是在單位時間內(nèi)，沿法線方向單位距離相差1℃時經(jīng)過單位面積所傳遞的熱能，即28②比熱容（c）

1g物質(zhì)每升高1℃所需的熱謂之比熱容，當溫度上升dT時，則

c=dQ/dT

式中dQ—1g物質(zhì)溫升dT時吸收的熱能（J/g）各種材料的比熱容是不同的，一般常采用平均值，鋼鐵材料在20-1500℃時，平均比熱容為0.67-0.76J/(g·℃）③容積比熱容(cρ)

單位體積物質(zhì)每升高1℃所需的熱量稱為容積比熱容，cρ值大的金屬，溫度上升緩慢。一般鋼鐵值在4.83-6.9J/（㎝3·℃）④熱擴散率(a)

表示溫度傳播的速度。低碳鋼在焊接條件下熱擴散率的平均值為0.07～0.10㎝2/s⑤熱焓(H)

單位物質(zhì)所具有的全部熱能，與溫度有關。低碳鋼從0℃加熱到1500℃時的熱焓為1331.4J/g。29⑥表面散熱系數(shù)(a)

物理意義是散熱體表面與周圍介質(zhì)每相差1℃時，在單位時間內(nèi)單位面積所散失的熱量。由于表面散熱，在單位時間、單位面積上散熱而損失的熱能q，可由下式計算：

qs=α（T-T0）式中T—物體表面的溫度（℃）；

T0—物體周圍介質(zhì)溫度（℃）；

α—表面散熱系數(shù)（J/(㎝2·s·℃))，α=αc+αE

αc—對流表面散熱系數(shù)（J/（㎝2·s·℃))；

αE—輻射表面散熱系數(shù)（J/(㎝2·s·℃))顯然，熱物理常數(shù)不同，溫度場就不同。熱物理常數(shù)都是隨溫度變化的，一般采用平均值3031金屬熱物理性質(zhì)對溫度場分布的影響

板厚10mm,E=21kJ/cm32⑷焊件的板厚及形狀焊件的板厚、幾何形狀和所處的狀態(tài)（包括環(huán)境溫度、預熱和后熱）對傳熱過程有很大影響，因此影響溫度場。①厚板焊件結(jié)構(gòu)

如圖，熱源作用在Z=0，傳熱方向為X、Y、Z，相當于點狀熱源，熱傳播為半球體形，一般視為半無限體。據(jù)經(jīng)驗，認為25㎜厚度以上的低碳鋼焊件（或20㎜厚以上的不銹鋼焊件），手工電弧焊的條件下可視為厚大焊件。33②薄板焊件結(jié)構(gòu)

傳熱方向為X、Y，熱源為線狀。手弧焊8㎜厚以下的低碳鋼或5㎜厚以下的不銹鋼可視為薄板。Theend3435第一節(jié)焊接化學冶金過程的特點第二節(jié)氣相對金屬的作用第三節(jié)熔渣及其對金屬的作用

第四節(jié)合金過渡第一章焊接化學冶金§1-1

焊接化學冶金過程特點

焊接化學冶金過程：熔化焊時，焊接區(qū)內(nèi)各物質(zhì)之間在高溫下相互作用的過程。一、焊條熔化及熔池的形成（一）焊條的加熱及熔化

1、焊條的加熱電弧焊用于加熱和熔化焊條（或焊絲）的熱能有：電阻熱、電弧熱和化學反應熱。一般，化學反應熱僅占1%～3%。

焊條加熱有效系數(shù)值約為0.2～0.27。焊條端部的電弧熱是熔化焊條并使液體金屬過熱和蒸發(fā)的主要能源，其中只有一小部分傳導到焊芯的深處使它和藥皮溫度升高。焊條端部藥皮表面的溫度可達600℃左右，因此在該處就開始發(fā)生冶金反應。37

2、焊條金屬的平均熔化速度

焊條金屬的平均熔化速度—在單位時間內(nèi)熔化的焊芯質(zhì)量或長度?？杀硎緸椋篻M=G/t=αpI

gM---焊條金屬的平均熔化速度（g∕h）

G---熔化的焊芯質(zhì)量（g）

t---電弧燃燒時間（h）

αp---為焊條熔化系數(shù)[g/(A·h)]

I---焊接電流（A）

焊條平均熔敷速度—單位時間內(nèi)真正進入焊縫金屬的那一部分金屬的質(zhì)量。表示為：gD=GD/t=αHI

gD---為焊條的平均熔敷速度;

αH---焊條的熔敷系數(shù)在焊接過程中由于飛濺、氧化和蒸發(fā)損失的那一部分金屬質(zhì)量與熔化的焊芯質(zhì)量之比，稱為損失系數(shù)，可表示為：

Ψ=(G-GD)/G=(gM-gD)/gM=1-αH/αP

或αH=(1-Ψ)αP38

3、焊條金屬熔滴及其過渡特性

在焊條端部熔化形成，長大后在各種力作用下，過渡到熔池，周而復始。如圖1-1，m-t的變化規(guī)律。391）熔滴過渡形式

用藥皮焊條焊接時，主要有三種過渡形式：短路過度、顆粒狀過渡和附壁過渡。短路過渡：在短弧焊時焊條端部的熔滴長大到一定的尺寸就與熔池發(fā)生接觸，形成短路，于是電弧熄滅。同時各種力使熔滴過渡到熔池中，電弧重新引燃。如此形成穩(wěn)定的短路過渡過程。

顆粒過渡：當電弧的長度足夠長時，焊條端部的熔滴長大到較大的尺寸，然后各種力的作用下，以顆粒狀落入熔池，此時不發(fā)生短路，接著進行下一個過渡周期。40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。堿性焊條在較大的焊接電流范圍內(nèi)主要是短路過渡和大顆粒狀過渡；酸性焊條焊接時為細顆粒過渡和附壁過渡。

纖維素焊條-林肯焊絲95%Ar+5%CO2焊絲100%CO241MAG焊的熔滴過渡形式RotaryarcShortarcPulsedarcSprayarcTandemarc42

bcdaBridgingtransferwithoutarcinterruptionmode,showinganexplosionofmetaldroplet,HobartFashield81N1;bBridgingtransferwithoutarcinterruptionmode,showingastagnantflux,HobartFashield81N1;cBridgingtransferwithoutarcinterruptionmode,showinganexplosionoffinedroplet,experimentalwire;dBridgingtransferwithoutarcinterruptionmode,showingansurfacetensiontransfertransfer,HobartFashield81N143Test06(frame211+)442)熔滴的比表面積和相互作用時間焊接時金屬與熔渣和氣體的相互作用屬于高溫多相反應，因此熔滴的比表面積和它與周圍介質(zhì)相互作用的時間，對熔滴階段的冶金反應有很大的影響。

熔熵的表面積Ag與其質(zhì)量之比稱為熔滴的比表面積S，表示為：

S=Ag/ρVg式中Vg—熔滴的體積；

ρ—熔滴金屬的密度。45

假設熔滴是半徑為R的球體，則其比表面積為

S=3/ρR

由此可知，熔滴越細其表面積越大。凡是能使熔滴變細的因素，如增大焊接電流或在藥皮中加入表面活性物質(zhì)等，都能使熔滴的比表面積增大，從而有利于加強冶金反應。圖1-1可看出熔滴比表面積相當大，103～104cm2/kg46

從理論上講，熔滴的存在時間不等于熔滴與周圍介質(zhì)相互作用的時間。熔滴與周圍介質(zhì)的平均相互作用的時間可用下式表示：

一般情況下可用熔滴的存在時間近似地表示平均相互作用時間。根據(jù)焊接方法、規(guī)范、電流極性和焊接材料的不同，平均相互作用時間在0.01～1.0s內(nèi)變化（表1-1），很短暫。473)熔滴的溫度

對于手工電弧焊低碳鋼熔滴的平均溫度為2100～2700K

熔渣平均溫度：不超過1600℃

藥皮熔化后形成的熔渣也向熔池過渡，有兩種形式：以薄膜形式包在熔滴外面或夾在熔滴內(nèi)同熔滴一起落入熔池；直接從焊條端部流入熔池或以滴狀落入熔池。

熔滴平均溫度隨電流的增加而升高，隨直徑的增加而降低48（二）熔池的形成

熔池—母材上由熔化的焊條金屬與局部熔化的母材所組成的具有一定的幾何形狀的液體金屬。如不填絲，僅為局部熔化母材。熔池特征和性質(zhì)對焊接質(zhì)量有極其重要的影響

1、熔池的形狀和尺寸

熔池的形成需要一定的時間，這段時間叫做過渡時期，經(jīng)過過渡時期以后進入準穩(wěn)定時期，熔池的形狀、尺寸和質(zhì)量不再變化，只取決于母材的種類和焊接工藝條件，并隨熱源做同步運動。在電弧焊的條件下，準穩(wěn)定時期熔池類似于不標準的半橢球，輪廓為溫度等于母材熔點的等溫面。焊接熔池形狀示意圖49

見圖，熔池寬度和深度沿X軸連續(xù)變化，隨電流增加熔池的最大寬度Bmax減小，而最大深度Hmax增大；隨著電弧電壓增加，Bmax增大，Hmax減小。

熔池的長度L可用下式近似計算：L=P2UI

P2--比例系數(shù)，取決于焊接方法和焊接電流。如下表

從理論上計算熔池的上表面積是困難的，因為在各種力的作用下，熔池的上表面積形狀十分復雜，取決于焊接方法和焊接工藝參數(shù)，一般為1～4㎝2，熔池的比表面積S根據(jù)規(guī)范不同，變化在（0.3～13）×10-3㎡/㎏，可見比熔滴的比表面積小。熔池的有關參數(shù)見下表50表1-3熔池的幾何形狀及物理參量51

2、熔池質(zhì)量和存在時間

手弧焊時熔池的質(zhì)量通常在0.6～16g范圍之內(nèi)，多數(shù)情況下小于5g。埋弧焊焊接低碳鋼時，即使焊接電流很大，熔池的質(zhì)量也不超過100g。熔池在液態(tài)存在的最大時間tmax取決于熔池的長度和焊速。

tmax=L/v

熔池平均存在時間

tcp=mp/（ρvAw)mp—

熔池的質(zhì)量（g）；

ρ—

熔池液態(tài)金屬的密度（g/cm2）

AW—焊縫的橫截面積（cm2）見表1-3、1-4熔池反應時間幾秒～幾十秒，比較短暫，但比熔滴反應時間長。52533、熔池溫度

溫度分布是不均勻，熔池前部輸入熱量大于散失熱量，母材不斷融化，中部處于電弧下面溫度最高，后部輸入熱量小于散失的熱量，溫度逐漸下降，金屬不斷凝固。熔池的平均溫度主要取決于母材的性質(zhì)和散熱條件，對低碳鋼來講，熔池平均溫度約為1770±100℃544、熔池中流體的運動狀態(tài)

熔池中液態(tài)金屬的強烈運動，使熔化的母材和焊條金屬能夠很好混合，形成成分均勻的焊縫金屬，其次，熔池中的運動有利于氣體和非金屬夾雜物的外逸，加速冶金反應，消除焊接缺陷，提高焊接質(zhì)量。在液態(tài)金屬和母材交界處，液態(tài)金屬的運動受到限制，因此常出現(xiàn)化學成分不均勻性。

熔池中液體金屬在各種力作用下，發(fā)生強烈運動，使熔池中傳熱和傳質(zhì)。熔化母材由熔池前部沿結(jié)晶前沿的彎曲表面向熔池后部運動。而在熔池表面，液態(tài)金屬由熔池后部向中心運動。55

二、焊接過程中對熔融金屬的保護㈠保護的必要性為提高焊縫金屬質(zhì)量，必須盡量減少有害雜質(zhì)含量和有益金屬損失，使焊縫金屬得到合適化學成分。因此，焊接化學冶金的首要任務就是對焊接區(qū)內(nèi)金屬加強保護，以免受空氣等有害作用。㈡保護的方式和效果1、保護方式有許多保護材料（焊條藥皮、焊劑、藥芯焊絲中的藥芯、保護氣體等）和手段見表1-6562、保護效果埋弧焊焊劑保護—利用焊劑及其熔化后形成的熔渣隔離空氣保護金屬。取決于焊劑粒度和結(jié)構(gòu)。比手弧焊好氣體保護焊—氣體隔離空氣，效果取決于保護氣的性質(zhì)與純度、焊炬的結(jié)構(gòu)、氣流的特性等因素。惰性氣體（氬、氮等）的保護效果好，適用于焊接合金鋼和化學活性金屬及其合金。焊條藥皮和焊絲藥芯—由造氣劑、造渣劑和鐵合金等組成。在焊接過程中能形成渣-氣聯(lián)合保護。造渣劑熔化以后形成熔渣，覆蓋在熔滴和熔池的表面上將空氣隔開。熔渣凝固后，在焊縫上面形成渣殼，隔離高溫焊縫金屬與空氣接觸。同時造氣劑（主要是有機物和碳酸鹽等）受熱以后分解，析出大量氣體，在藥皮套筒中被電弧加熱膨脹，從而形成定向氣流吹向熔池，將焊接區(qū)與空氣隔離開。57

真空保護—度高于0.0133Pa的真空室內(nèi)進行電子束焊接，保護效果是最理想的。雖然不能把空氣完全排除掉，但隨著真空度的提高，可以把氧和氮的有害作用減至最小。

自保護焊—利用特制的實心或藥芯光焊絲在空氣中焊接。是在焊絲或藥芯中加入脫氧和脫氮劑，使由空氣進入熔化金屬中的氧和氮進入熔渣中，故稱自保護。

冶金保護—有些焊接情況下，機械保護是不夠的，必須對熔化金屬進行冶金處理，通過冶金反應獲得預期焊縫成分，是本章討論主要內(nèi)容。自保護焊絲主要靠冶金保護。5859三、焊接化學冶金反應區(qū)及反應條件

焊接化學冶金過程是分區(qū)域連續(xù)進行的各區(qū)差異較大。

不同焊接方法，有不同的反應區(qū)。

手工電弧焊有三個反應區(qū)：藥皮反應區(qū)、熔滴反應區(qū)和熔池反應區(qū)，如圖1-8。

熔化極氣保護焊有兩個區(qū)：熔滴和熔池。

不填充金屬的氣焊、鎢極氬弧焊和電子束焊：一個熔池。藥皮反應階段熔滴反應階段熔池反應階段6061（一）藥皮反應區(qū)：從100℃至藥皮的熔點（對鋼焊條約為1200℃）。主要物化反應有：水分的蒸發(fā)、某些物質(zhì)的分解和鐵合金的氧化。加熱溫度超過100℃，吸附水全部蒸發(fā)；加熱溫度超過200～400℃，藥皮中某些組成物的結(jié)晶水（白泥、云母）被排除；加熱到一定溫度時，有機物開始分解和燃燒，形成CO2、CO、H2等氣體，對熔化金屬有機械保護作用，對被焊金屬和藥皮中的鐵合金有很大的氧化作用。即“先期脫氧”。是下面反應的準備階段。62A.藥皮反應階段溫度oC600400200100熔焊進程—藥皮反應階段水蒸發(fā)結(jié)晶水分解碳酸鹽分解冶金反應63（二）熔滴反應區(qū)：指從熔滴形成，長大，到過渡至熔池中，有如下特點:

1）熔滴的溫度高對電弧焊焊接鋼而言，熔滴的平均溫度根據(jù)焊接工藝參數(shù)不同，變化在1800～2400℃的范圍內(nèi)，使熔滴金屬的過熱度很大，約為300～900℃

2）熔滴與氣體和熔渣的接觸面積大在正常情況下，熔滴的比表面積約為103～104㎝2/㎏，約比煉鋼時大1000倍。

3）各相之間的反應時間短熔滴在焊條末端停留時間僅為0.01～0.1s，經(jīng)過弧柱區(qū)的時間只有0.0001～0.001s，該區(qū)各相接觸的平均時間約為0.01～1.0s?？梢姡磻饕诤笚l末端進行的。

64

4）熔滴與熔渣發(fā)生強烈的混合在熔滴長大、過渡過程中，渣與熔融金屬處于不斷混合運動中，這種混合作用不僅增加了相的接觸面積，而且有利于反應物和產(chǎn)物進入和退出反應表面，從而加快反應速度。

總之，該區(qū)雖反應時間短，但溫度高，相接觸面積大，并有強烈的混合作用，所以冶金反應最激烈。主要物化反應有：氣體的分解和溶解、金屬的蒸發(fā)、金屬及其合金成分的氧化和還原以及焊縫金屬的合金化等。65（三）熔池反應區(qū)1）熔池反應區(qū)的物理條件與熔滴相比，熔池平均溫度較低，約為

1600～1900℃；比表面積較小，約為3～130㎝2∕㎏；反應時間時間稍長些，如手工焊3～8秒，埋弧焊6～25s；熔池溫度分布極不均勻，前部和后部可同時向相反的方向進行（熔化—凝固）。此外，熔池中的強烈運動可加快反應速度，并為氣體和非金屬夾雜物外逸創(chuàng)造條件。662）熔池反應區(qū)的化學條件

首先，熔池階段系統(tǒng)中反應物的濃度與平衡濃度之差比熔滴階段小，在其余條件相同時，反應速度比熔滴小。

其次，存在一個臨界藥皮厚度，在它以外的藥皮所形成的熔渣不與熔滴接觸，只與熔池發(fā)生反應。圖1-9可以說明。

最后，熔池反應區(qū)的反應物不斷更新，這種物質(zhì)的更替過程可以達到相對穩(wěn)定狀態(tài)，從而得到成分均勻的焊縫。由熔池區(qū)物理、化學條件可得：熔池階段反應速度比熔滴小，整個反應階段貢獻小。表1-8可以證明Kb—單位長度上藥皮與焊芯的質(zhì)量比6768四、焊接工藝條件與化學冶金反應的關系

改變工藝意味著改變冶金，可歸結(jié)為熔合比和熔滴過渡的影響。

㈠、熔合比的影響

焊縫金屬中局部熔化的母材所占的比例稱為熔合比，其取決于焊接方法、規(guī)范、接頭形式和板厚、坡口角度和形式、母材性質(zhì)、焊接材料種類以及焊條（焊絲）的傾角等因素，見表1-9.

69

母材和填充金屬成分不同時，熔合比對焊縫金屬的成分有很大影響，假設焊接時合金元素沒有任何損失，則焊縫中的合金元素濃度為原始濃度，與熔合比的關系是：

實際上焊條中的合金元素在焊接過程中有損失，焊縫金屬中合金元素的實際濃度為：

式中Cd--熔敷金屬中元素的實際質(zhì)量百分濃度?？梢姡淖?nèi)酆媳瓤梢愿淖兒缚p金屬中的化學成分。70

㈡、熔滴過渡特性的影響焊接工藝參數(shù)對熔滴過渡特性有很大影響，因此對冶金反應必然有很大影響。

熔滴階段的反應時間（存在時間）隨著焊接電流的增加而變短，隨著電弧電壓的增加而變長，斷定反應進行的程度隨電流的增加而減小，隨電壓的增加而增大。例如，堿性焊條和焊絲（配方見書）焊接工藝參數(shù)對硅含量的影響，圖1-10；CO2保護焊熔滴過渡頻率和硅損失率的關系，圖1-11。

細化熔滴，比表面積增大，和氣體接觸反應程度加大。如，CO2保護焊，短路過渡比大顆粒過渡時硅的損失小，圖1-11；不銹鋼焊條的氣孔問題等。7172五、焊接化學冶金系統(tǒng)及其不平衡性

焊接化學冶金系統(tǒng)是一個復雜的高溫多相反應系統(tǒng)。根據(jù)焊接方法不同，組成系統(tǒng)的相也不同。如手工電弧焊和埋弧焊時，有三個相互作用的相，即液態(tài)金屬、熔渣和電弧氣氛；氣體保護焊時，主要是氣相和金屬相之間的相互作用；而電渣焊時，主要是熔渣和金屬之間的作用。與金屬之間的作用。由物理化學可知，多相反應在相界面上進行，與傳質(zhì)、傳熱和動量傳輸過程密切相關。影響因素很多，這給焊接化學冶金的研究增加了困難。

系統(tǒng)不平衡性：焊接區(qū)的不等溫條件排除了整個系統(tǒng)平衡的可能性，但在個別部分的個別反應會出現(xiàn)短暫平衡狀態(tài)。系統(tǒng)的不平衡性是焊接冶金的一個特點。因此，不能直接用熱力學平衡的計算公式定量分析焊接化學冶金問題，可作有益的定性分析。這方面冶金尚不成熟。73§1-2氣相對金屬的作用一、焊接區(qū)內(nèi)的氣體

㈠氣體的來源和產(chǎn)生

焊接區(qū)內(nèi)的氣體主要來源于焊接材料。焊條藥皮、焊劑、藥芯中的造氣劑、高價氧化物、水分。氣保護焊的保護氣體。

空氣。焊材和母材表面的鐵皮、鐵銹、油污、油漆、吸附水。

除直接輸送和侵入焊接區(qū)內(nèi)的氣體以外，其中的氣體主要是通過以下物化反應產(chǎn)生的：1.有機物的分解和燃燒

制造焊條時常用淀粉、纖維素、糊精、藻酸鹽等有機物作為造氣劑和涂料增塑劑。這些物質(zhì)受熱以后將發(fā)生復雜的分解和燃燒反應，統(tǒng)稱為熱氧化分解反應。反應的氣態(tài)產(chǎn)物主要是CO2。分解溫度在220～250℃。含有機物的焊條（纖維素焊條）烘干溫度應控制在150℃

，不應超過200℃。

742.碳酸鹽和高價氧化物的分解焊接冶金中常用的碳酸鹽有、BaCO3和白云石。加熱一定溫度，碳酸鹽分解產(chǎn)生CO2氣體。經(jīng)計算CaCO3、MgCO3在空氣中開始分解溫度分別為：545℃

、325℃。劇烈分解溫度

910℃

、650℃。可見焊接中可完全分解。

加熱速度增加，分解溫度升高。但藥皮中CaF2、SiO2、TiO2和Na2CO3等成分使CaCO3分解區(qū)間移向低溫。圖1-12

碳酸鹽粒度越小，同樣溫度下分解壓越大。電弧中水蒸氣，可加速碳酸鹽的分解，這是催化的效果。75

由上述可知，對含CaCO3的焊條烘干溫度不應超過450℃，對含MgCO3的焊條不應超過300℃。

焊接材料中常用高價氧化物Fe2O3、MnO2及其分解反763.材料的蒸發(fā)在焊接過程中，除了焊接材料中的水分蒸發(fā)外，金屬元素和熔渣的各種成分也在電弧高溫的作用下發(fā)生蒸發(fā)，形成蒸汽。蒸發(fā)取決于沸點（越低越容易蒸發(fā)）、在溶液中的濃度、系統(tǒng)總壓力、焊接規(guī)范。焊接時的蒸發(fā)現(xiàn)象不僅使氣相的成分復雜化，而且造成合金元素的損失，甚至產(chǎn)生焊接缺陷，增加焊接煙塵，污染環(huán)境，影響焊工健康。77㈡氣體分解氣體狀態(tài)（分子、原子和離子）對其與金屬的溶解和作用有很大影響。表1-11為氣體分解反應方程式。1.簡單氣體的分解焊接區(qū)氣相中常見的簡單氣體有N2、H2、O2等雙原子氣體，氣體受熱后將增加其原子的振動和旋轉(zhuǎn)能，當原子獲得的能量足夠高時，使原子鍵斷開，分解為單個原子或離子和電子。78

由圖可看出在焊接溫度下（5000K，弧柱區(qū)約4000—8000K），H2和O2的分解度很大，絕大部分以原子狀態(tài)存在，而氮的分解度很小，基本上以分子狀態(tài)存在。分解度α：分解的分子數(shù)于原有的分子數(shù)之比792.復雜氣體的分解

CO2和H2O是焊接冶金中常見的復雜氣體。其分解反應和分解度分別見表1-11和圖1-15。

CO2在4000K時分解度很大，按表中式6進行，分解產(chǎn)物CO、O2；

H2O以4500K為界，按表中式7～10進行，分解產(chǎn)物H2、O2、H、O。80㈢氣相的成分及其分布焊接過程測定氣相成分很困難，常用光譜和色譜法對焊接過程中的氣相成分進行測試。最常用的是把焊接區(qū)氣體抽出來，冷卻到室溫再分析。顯然不精確。氣相的成分隨焊接方法、規(guī)范、焊條或焊劑的種類不同而變化，如圖1-12。沿電弧的軸向和徑向的溫度分布不均，所以各種氣體的分子、原子和離子的分布也不均，但這種規(guī)律尚待研究。

綜上所述，焊接區(qū)內(nèi)的氣體由CO2，H2O，N2，H2，O2，金屬和熔渣的蒸氣以及它們分解和電離的產(chǎn)物組成的混合物。其中對焊接質(zhì)量影響最大的是N2，H2，O2，CO2，H2O。8182二、氮對金屬作用來源：主要是焊接區(qū)周圍的空氣。氮與金屬作用有兩種情況：

1、不與氮發(fā)生作用的金屬，即不熔解氮又不形成氮化物，可用N作為保護氣體。

2、與氮發(fā)生作用的金屬，即能溶解氮又能形成穩(wěn)定的氮化物，焊接這類金屬及合金就要防止焊縫金屬的氮化。㈠氮在金屬中的溶解

溶解過程可分為如下階段：氣體分子向氣體與金屬界面上運動；氣體被金屬表面吸附；在金屬表面上分解為原子；氣體原子穿過金屬表面層，并向金屬深處擴散，屬純化學溶解。氮在金屬中的溶解反應可表示為：N2=2[N]

根據(jù)質(zhì)量作用定律可求出氮在金屬中的溶解度（平衡時含量）：稱為平方根定律。83經(jīng)計算得到氮在鐵中的溶解度與溫度的關系：

可見，氮在液態(tài)鐵中的溶解度隨著溫度的升高而增大；當溫度為2200℃時，氮的溶解度達到最大值47cm3/100g(0.059%)；繼續(xù)升高溫度溶解度急劇下降，至鐵的沸點2750℃溶解度變?yōu)榱?，這是金屬蒸氣壓急劇增加的結(jié)果。此外，還可以看出，當液態(tài)鐵凝固時，氮的溶解度突然下降至1/4左右。

試驗表明，電弧焊時，固定熔池中溶氮量比平方根定律計算的溶解度高幾倍。圖1-17。

特點：熔化金屬過熱度大；在熔池表面上通過局部活性部分和熔滴吸收氣體；電弧氣氛中有受激的分子、原子和離子，增加氣體的活性，使其在金屬中的溶解度增加。

所以電弧焊時熔化金屬吸收的氣體量常常要超過它的平衡含量（溶解度）。85㈡氮對焊接質(zhì)量的影響⑴使焊縫產(chǎn)生氣孔液態(tài)金屬高溫時可溶解大量的氮，凝固時溶解度突然下降，過飽和的氮以氣泡的形式從熔池中逸出，當焊縫的結(jié)晶速度大于逸出速度時形成氣孔。⑵提高低碳鋼和低合金鋼焊縫金屬強度、降低塑性和韌性如果熔池中含有較多的氮，由于焊接時冷速很大，一部分以過飽和形式存在于固溶體中，一部分以針狀氮化物形式析出分布于晶界或晶內(nèi)，使焊縫金屬的強度、硬度升高，而塑性和韌性，特別是低溫韌性急劇下降。⑶促使焊縫金屬的時效脆化焊縫金屬中過飽和氮處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨時間的延長將逐漸析出使焊縫金屬的強度上升，韌性塑性下降，加入能形成穩(wěn)定氮化物的元素，如鈦、鋁、鋯等，可抑制或消除時效現(xiàn)象。8687㈢影響焊縫含氮量的因素及控制措施1、焊接區(qū)保護的影響由于脫氮較困難，重在加強保護，防止空氣與金屬作用?！鞣N方法的保護效果見圖1-6，表1-13.

88

——藥芯焊絲的保護效果，主要取決于其中保護成分的含量和形狀系數(shù)。隨著形狀系數(shù)的增加，保護效果得到改善。

——焊條藥皮的保護作用，主要取決于藥皮成分和數(shù)量。圖1-20為造渣型焊條藥皮重量系數(shù)與焊縫含氮量的關系。圖1-21為渣氣聯(lián)合保護型。892、焊接工藝參數(shù)的影響

增加電弧電壓（即增加電弧長度），氮與熔滴的作用時間增長，使焊縫中含氮量增加，如圖。為減少焊縫中的氣體含量應盡量采用短弧焊。增加焊接電流，熔滴過渡頻率增加，氮與熔滴作用時間縮短，焊縫含氮量下降。焊接速度對焊縫含氮量影響不大，在同樣條件下，增加焊絲直徑使含氮量下降。90

3.合金元素的影響

增加焊絲或藥皮中的含碳量可降低焊縫中的含氮量（圖1-23）。這是因為碳能降低氮在鐵中的溶解度；碳氧化生成CO,CO2加強了保護，降低了氣相中氮的分壓；碳氧化引起的熔池沸騰有利于氮的逸出。鈦、鋁、鋯和稀土元素對氮有較大的親和力，能形成穩(wěn)定的氮化物，且它們不溶于液態(tài)鋼而進入熔渣；這些元素對氧的親和力也很大，可減少氣相中NO的含量，所以可在一定程度上減少焊縫含氮量。自保護焊，就是這個道理。91三、氫對金屬的作用氫對焊接質(zhì)量有害，焊接時氫的行為是國際上的重點研究課題。焊接時，氫主要來源于焊接材料中的水分、含氫物質(zhì)及電弧周圍空氣中的水蒸氣等。見表1-12。（一）、氫在金屬中的溶解

第一類能形成穩(wěn)定氫化物的金屬，如Zr、Ti、V、Ta、Nb，這類金屬吸收氫是放熱反應，焊接時，必須防止在固態(tài)下吸收大量的氫。第二類不形成穩(wěn)定氫化物的金屬，如Al、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo，但是能溶解氫，以下重點討論。焊接方法不同，氫向金屬中的溶解途徑也不同。氣體保護焊時，氫是通過氣相與液態(tài)金屬的界面以原子或質(zhì)子形式溶入金屬中；電渣焊和電渣熔煉時，氫是通過渣層溶入金屬，手工電弧焊和埋弧焊時，似上述兩種途徑兼而有之。921、氫通過熔渣向金屬中溶解

以氫或水蒸汽首先熔入熔渣，在渣中以OH-離子形式存在。對含自由氧離子的酸、堿性渣對不含自由氧離子的渣若渣中含有氟化物渣中自由氧離子濃度越大（即熔渣的堿度越大）水在渣中的溶解度越大。如圖1-24。93

氫在熔渣中向金屬中過渡

是通過如下反應進行的：

焊接熔渣中少數(shù)質(zhì)子，可以通過擴散或攪拌作用到達溶渣與金屬界面上，直接溶入金屬中。在陽極還可能發(fā)生溶解氫的電化學反應：

總之，當氫通過熔渣向金屬中過渡時，溶解度取決于氣相中氫和水蒸汽的分壓，熔渣的堿度、氟化物的含量和金屬中的含氧量等因素。

942、氫通過氣相過渡到金屬

當氫通過氣相向金屬中過渡時，其溶解度取決于氫的狀態(tài)。如果氫在氣相中以分子狀態(tài)存在，則在金屬中的溶解度符合平方根定律：

氫在液態(tài)鐵中的溶解度與溫度的關系見圖1-16，鋁、銅圖見1-25。對第二類金屬，溫度升高，溶解度增大，即熔滴階段吸收的氫比熔池階段多；繼續(xù)升溫，由于金屬蒸氣壓急劇增加，使氫的溶解度迅速下降，在接近金屬沸點時溶解度為零；此外，在變態(tài)點處溶解度發(fā)生突變，這往往是造成焊接缺陷的原因之一。95

由于電弧焊時氫還會以原子和質(zhì)子存在，實際的溶解度分布比按平方根定律計算的高約1倍見圖1-26。

合金元素有很大影響；見圖1-27。氧能有效地降低氫在液態(tài)鐵、低碳鋼和低合金鋼中的溶解度；

氫在固態(tài)中的溶解度還與其組織結(jié)構(gòu)有關，在面心立方晶格的奧氏體鋼中的溶解度比體心立方的鐵素體、珠光體大。96（二）焊縫金屬中的氫及其擴散

在焊接過程中，液態(tài)金屬所吸收的大量氫，一部分在熔池凝固過程中逸出，相當多的來不及逸出留在固態(tài)焊縫金屬中。

在鋼焊縫中，氫大部分以H、H+或H-形式存在的，與焊縫金屬形成間隙固溶體，這一部分氫可以在焊縫金屬晶格中自由擴散，故稱為擴散氫；還有一部分氫聚集到陷阱中，結(jié)合為氫分子，因其半徑比較大，不能自由擴散，稱為殘余氫。

焊縫金屬中的含氫量因擴散隨時間變化，見圖1-28。焊后隨時間的增加，擴散氫減少，殘余氫增加，而總氫量下降。97

熔敷金屬擴散氫的標準測量方法，焊后立即測量并換算為標準狀態(tài)下的含氫量，水銀法和甘油法，各種方法焊接熔敷金屬的含氫量，見圖1-14。98

氫在焊接接頭中的擴散和分布是一個復雜的問題，至今尚未充分認識。氫在接頭斷面的分布與母材的成分、組織和焊縫金屬的類型等有關。見圖1-29，

近縫區(qū)冷裂紋與其中的含氫量有密切關系。見圖1-30。991、氫脆氫在室溫附近使鋼的塑性嚴重下降的現(xiàn)象，見圖1-31，由溶解在金屬晶格中的氫引起。2、白點碳鋼或低合金鋼焊縫如含氫量高則常常在其拉伸或彎曲斷面上出現(xiàn)銀白色圓形局部脆斷點。直徑0.5～3mm，周圍為塑性斷口，肉眼可辨認，中心有小夾雜物或氣孔。焊縫金屬對白點的敏感性與含氫量、金屬組織和變形速度等有關。鐵素體和奧氏體鋼焊縫不出現(xiàn)白點。3、形成氣孔若熔池吸收大量的氫，在凝固時溶解度突然下降，氫處于過飽和，反應2[H]=H2形成的分子氫不溶于金屬，在液態(tài)金屬中形成氣泡，（三）、氫對焊接質(zhì)量的影響

當其外逸速度小于凝固速度時，焊縫中形成氣孔。見第三章。

4、產(chǎn)生冷裂紋焊接接頭冷卻到較低溫度產(chǎn)生的一種裂紋，危害很大，氫是產(chǎn)生這種裂紋的主要原因之一。第五章專門討論。100（四）控制氫的措施

1)、限制焊接材料的含氫量制造焊條、焊劑和藥芯焊絲用的各種材料，如有機物、天然云母、白泥、長石、水玻璃、鐵合金等，都不同程度含有吸附水、結(jié)晶水化合水或溶解的氫。因此，制造低氫和超低氫型焊條和焊劑時，應盡量選用不含或含氫少的材料。

制造焊條、焊劑和藥芯焊絲時，適當提高烘焙溫度可降低焊接材料中的含水量，相應地降低了焊縫中的含氫量。見圖1-32。101

焊條、焊劑在大氣中長期放置會吸潮，而且使焊縫含氫量增加，焊接工藝變壞，抗裂性下降。

因此，焊接材料在使用前應再烘干，這是生產(chǎn)上去氫的最有效方法，特別是使用低氫型焊條時。烘焙溫度不可過高，否則會喪失藥皮的冶金作用。焊條、焊劑烘焙后應該立即使用，或放在低溫（100）烘箱內(nèi)，以免重新吸潮。2)、清除焊絲和焊件表面上的雜質(zhì)

焊絲和焊件坡口附近表面上的鐵銹、油污、吸附水等。焊接鋁、鋁鎂合金、鈦及其合金時，其表面的氧化膜必須用機械或化學方法進行清洗。1023)、冶金處理

降氫就是降氫分解壓，因此，要生成穩(wěn)定的不溶于液態(tài)金屬的氫化物HF、HO。具體措施如下：

①藥皮和焊劑中加入氟化物

如CaF2、MgF2、BaF2、Na3AlF6、常用的是在藥皮中加入7%～8%即可急劇減少焊縫含氫量，再增加其含量，則去氫的作用相對減少。如圖1-36。

氟化物去氫機理有多種假說，見課本及相關資料。103②控制焊接材料的氧化還原勢

熔池中氫的平衡濃度用下式表示：

增加氧可減少氫。

原因是生成穩(wěn)定的OH：

低氫型焊條藥皮中的碳酸鹽，受熱分解，并通過反應式CO2+H=CO+OH去氫。氣保焊中的CO2氬弧焊中的5%O2。

加入Fe2O3如圖1-38，加入脫氧劑如圖1-39。104③在藥皮或焊芯中加入微量的稀土或稀散元素

在藥皮中加入微量碲或硒可以大幅度降低擴散氫含量；加入微量稀土元素也能顯著降低擴散氫含量，同時提高焊縫韌性。1054)、控制焊接工藝參數(shù)

5)、焊后脫氫處理焊后把焊件加熱到一定溫度并保溫，促使氫擴散外逸的工藝106四、氧對金屬的作用

根據(jù)氧與金屬作用的特點，可把金屬分為兩類:一類是不溶解氧，但焊接時發(fā)生激烈氧化的金屬，如Mg,Al等，另一類是能有限溶解氧，同時焊接過程中也發(fā)生氧化的金屬，如Fe，Ni,Gu。Ti等。后一類金屬氧化后生成的金屬氧化物能溶解于相應的金屬中。例如鐵氧化生成的FeO能溶于鐵及其合金中。

主要學習氧對鐵的作用。

㈠氧在金屬中的溶解

以氧原子和FeO兩種形式溶于液態(tài)鐵中。氧在液態(tài)鐵中的溶解度隨著溫度的升高而增大。107

在室溫下a—Fe中幾乎不溶解氧，焊縫金屬和鋼中所含的氧絕大部分是以氧化物（FeO、SiO2、MnO、Al2O3等）和硅酸鹽夾雜物的形式存在。含氧量包括溶解氧和氧化物夾雜中的氧。㈡氧化性氣體對金屬的氧化

焊接時金屬氧化主要包括氧化性氣體和活性熔渣與金屬的作用。1、金屬氧化還原方向的判據(jù)由物理化學可知，金屬氧化物的分解壓Po2可作為判據(jù)。假設在金屬-氧-金屬氧化物系統(tǒng)中氧的實際分壓為｛Po2｝，則

金屬氧化物的分解壓是溫度系數(shù)，隨溫度的升高而增加。

由圖知，除氧化銅、氧化鎳，F(xiàn)eO分解壓最大，最不穩(wěn)定。109Fe0為純凝聚相時，其分解壓為110

溶于液體鐵中的FeO

，分解壓減小，使鐵更容易氧化。據(jù)上述公式可計算出不同溫度下液體鐵中[FeO]的濃度與其分解壓的關系。表1-15?？梢?，焊接溫度下FeO的分解壓很小，很容易被氧化。1112、自由氧對金屬的氧化

光焊絲在空氣中無保護焊接時，氣相中氧分壓等于空氣中氧的分壓，即{pO2}=21.3kPa(0.21atm)，遠大于焊接溫度下FeO的分解壓(表1-15),所以鐵被氧化，焊縫含氧量很高。

手工電弧焊時，雖然采取了保護措施，但空氣中的氧總是或多或少地侵入電弧，高價氧化物等物質(zhì)受熱分解也產(chǎn)生氧氣，就使氣相中自由氧的分壓大于FeO的分解壓，因此也使鐵氧化:

在焊接鋼時，除鐵發(fā)生氧化外，鋼液中其它對氧親和力比鐵大的元素也發(fā)生氧化，如1123、CO2對金屬的氧化

由表1-16知，在高溫下CO2對液態(tài)鐵和其它許多金屬來說是活潑的氧化劑。113

當溫度升高時，反應的平衡常數(shù)增大，反應向右進行，促使鐵氧化。因此，CO2在熔滴階段對金屬的氧化程度比在熔池階段大。這表明，用CO2作保護氣體只能防止空氣中氮的侵入，而不能防止金屬的氧化。實踐證明，用普通焊絲(H08A)進行CO2保護焊時，由于碳的氧化在焊縫中產(chǎn)生氣孔，同時合金元素燒損，焊縫含氧量增大。所以必須采用含硅、錳高的焊絲(H08Mn2Si)或藥芯焊絲，以利于脫氧，獲得優(yōu)質(zhì)焊縫。同理，在含碳酸鹽的藥皮中也必須加入脫氧劑。CO2與液體鐵的反應和平衡常數(shù)如下：1144、H2O氣對金屬的氧化

氣相中的水蒸氣不僅是焊縫增氫，而且使鐵和其他合金元素氧化，水蒸氣與鐵的反應式及平衡常數(shù)如下：

溫度越高，水蒸氣的氧化性越強。當氣相中含有較多的水分時，為了保證焊接質(zhì)量，在脫氧時必須去氫。低氫型藥皮中含有較多的脫氧劑，但如果受潮，焊接時易產(chǎn)生氣孔。1155、混合氣體對金屬的氧化

手工焊、混合氣體保護焊等，混合氣體對鐵是氧化性的，藥皮中必須加入脫氧劑。

采用氧化性混合氣體焊接時，應根據(jù)氧化能力的大小選擇含有合適脫氧劑的焊絲。

氧化性評價指標∑O（100g焊縫金屬反應的總氧量）。

116（三）氧對焊接質(zhì)量的影響

焊縫含氧量總是增加的，見表1-17.117

氧在焊縫中無論以何種形式存在，對焊縫的性能都用很大影響。隨著焊縫含氧量的增加，其強度、塑性、韌性都明顯下降，尤其是低溫沖擊韌性急劇下降。此外還引起熱脆、冷脆和時效硬化。118

溶解在熔池中的氧與碳發(fā)生反應，生成不溶于金屬的CO，熔池凝固時氣泡來不及逸出就形成氣孔。

氧燒損鋼中的有益合金元素使焊縫性能變壞。熔滴中含氧和碳多時，它們相互作用生成的CO受熱膨脹，使熔滴爆炸，造成飛濺，影響焊接過程的穩(wěn)定性。

焊接材料具有的氧化性不是都是有害的，相反，為了減少焊縫含氫量、改進電弧的特性，獲得必要的熔渣物理化學性能，在焊接材料中有時要故意加入一定量的氧化劑。119（四）控制氧的措施1、純化焊接材料在焊接某些要求比較高的合金鋼、合金和活性金屬時，應盡量用不含氧或含氧少的焊接材料。2、控制焊接工藝參數(shù)

增加電弧電壓，使空氣侵入電弧，并增加氧與熔滴的作用時間增長，使焊縫中含氧量增加。為減少焊縫中的氣體含量應盡量采用短弧焊。焊接方法、熔滴過渡特性、電流的種類等也有一定影響。3、脫氧上述方法是有限的，必須用冶金方法進行脫氧。120§1-3熔渣及其對金屬的作用

一、焊接熔渣（一）熔渣的作用、成分及分類1.熔渣在焊接過程中的作用1).機械保護作用焊接形成的熔渣覆蓋在熔滴和熔池的表面上把液態(tài)金屬與空氣隔開，防止液態(tài)金屬的氧化和氮化，熔渣凝固后的渣殼覆蓋在焊縫上，可以防止處于高溫的焊縫金屬受空氣的有害作用。2).改善焊接工藝性能在熔渣中加入適當?shù)奈镔|(zhì)可使電弧容易引燃、穩(wěn)定燃燒，減少飛濺，保證具有良好的操作性、脫渣性和良好的焊縫成形等。3).冶金處理作用在一定的條件下熔渣可以去除焊縫中的有害雜質(zhì)，如脫氧、脫硫、脫磷、去氫，還可以使焊縫金屬合金化。

1212.熔渣的成分和分類第一類是鹽型熔渣

由金屬氟酸鹽、氯酸鹽和不含氧的化合物組成，其氧化性很小，如渣系Ca2-NaF、CaF2-BaCl2-NaF。主要焊接鋁、鈦和其它化學活性金屬及其合金，也用于焊接活性元素的高合金鋼。第二類是鹽-氧化物型熔渣

由氟化物和強金屬氧化物組成，常用渣系，CaF2-CaO-Al2O3、CaF2-CaO-SiO2、CaF2-CaO-Al2O3-SiO2、其氧化性較小，主要用于焊接合金鋼及合金。第三類是氧化物型熔渣主要由金屬氧化物組成，常用渣系，MnO-SiO2、FeO-MnO-SiO2、CaO-TiO2-SiO2

、氧化性較強，主要用于低碳鋼和低合金鋼。主要研究二、三類，常簡化為渣系，如CaO-SiO2-CaF2。有熔渣相圖可供參考。122123

（二）熔渣結(jié)構(gòu)理論1、分子理論：以凝固熔渣的相分析和化學成分分析結(jié)果為依據(jù),要點如下：

1）液態(tài)熔渣是由化合物的分子組成的包括氧化物：CaO、Al2O3

、SiO2復合物：CaO·SiO2、CaO·SiO2、及氟化物、硫化物等。

2）氧化物及其復合物處于平衡狀態(tài)各種復合物的穩(wěn)定性可用它們的生成熱效應來衡量，生成熱效應越大，它越穩(wěn)定。

3）只有自由氧化物才能參與和金屬的反應

例如下面反應只有FeO可以參加，硅酸鐵（FeO）2·SiO2不可以.

分子理論最早提出，可解釋冶金反應，不能解釋熔渣導電性，因此出現(xiàn)了離子理論。2、離子理論:在研究熔渣電化學性質(zhì)的基礎上提出來，完全離子理論要點如下：

1）液態(tài)熔渣是由陰陽離子組成的電中性溶液

離子的種類和存在形式取決于熔渣的成分和溫度。如陰離子：F-、O2-、SiO44-、Si3O96-等陽離子：K+、Na+、Ca2+等

2）離子的分布和相互作用取決于它的綜合矩

綜合矩=z/r

式中z—離子的電荷（靜電單位）

r—離子的半徑（10-1nm）表1-20，0℃時綜合矩，溫度升高，r增大，綜合矩減小。綜合矩越大，靜電場越強，與異號離子引力越大。

3）熔渣與金屬作用過程是原子與離子交換電荷過程如硅還原鐵的氧化過程。

125126（三）熔渣的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)的關系

1.熔渣的堿度

不同熔渣結(jié)構(gòu)理論對堿度的定義和計算方法不同。

分子理論認為熔渣中氧化物按性質(zhì)分為三類：

堿性由強變?nèi)酰?/p>

1).酸性氧化物

SiO2、TiO2、P2O5

2).堿性氧化物

K2O、Na2O、CaO、MgO、BaO、MnO、FeO

3).中性氧化物

Al2O3、Fe2O3、Cr2O3等

在不同性質(zhì)的渣中可呈酸性可呈堿性。127根據(jù)分子理論堿度的定義為：

B=Σ(R2O+RO)/ΣRO2

式中R2O、RO—熔渣中堿性氧化物的摩爾分數(shù)；

RO2—熔渣中酸性氧化物的摩爾分數(shù)。

堿度B的倒數(shù)稱為酸度。

理論上，當B＞1時為堿性渣；B＜1時為酸性渣；B＝1時為中性渣。

實際經(jīng)驗是B＞1.3時為堿性渣。對上式進行修正

得

式中CaO、MgO、CaF2、SiO2…以質(zhì)量百分數(shù)計。當B1＞1時為堿性渣；B1＜1時為酸性渣；B1=1時為中性渣。128離子理論對堿度定義：

液態(tài)熔渣中自由氧離子的濃度（或氧離子的活度）為熔渣的堿度。

計算堿度最常用的是日本的森式法：

B2=∑aiMi

Mi-渣中第i種氧化物的摩爾分數(shù);

ai-渣中第i種氧化物的堿度系數(shù);見表1-21

若B2＞0則為堿性渣；B2＜0為酸性渣；B2=0為中性渣。

根據(jù)熔渣的酸堿度可把焊條和焊劑分為酸性和堿性兩大類。129

130

(1)溫度對粘度的影響升高溫度熔渣的粘度下降（圖1-51）但堿性渣和酸性渣趨勢不同。當粘度變化相同時（Δη）：

長渣—含SiO2多的酸性渣凝固時間長，不適于仰焊。

短渣—堿性渣凝固時間短，即，低氫型、氧化鈦型和纖維素型焊條的熔渣適于全位置焊接。？？2.熔渣的粘度渣的粘度取決于熔渣的成分和溫度，實質(zhì)上取決于熔渣的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)越復雜，陰離子尺寸越大，熔渣質(zhì)點移動越困難，渣的粘度越大。131(2)熔渣成分對粘度的影響

在酸性渣中加入SiO2，使Si-O陰離子的聚合程度增大，尺寸增大，使粘度迅速升高。加入堿性氧化物，能破壞Si-O離子鍵，減小其尺寸，可降低粘度。

在堿性渣中加入高熔點的堿性氧化物（CaO）可能出現(xiàn)未熔化的固體顆粒，使粘度升高；加入CaF2可使CaO熔化降低非均相堿性渣的粘度。

焊鋼用熔渣的粘度在1500℃左右時為0.1～0.2Pa·S比較合適。

132

3.熔渣的表面張力

氣相與熔渣間的界面張力。與質(zhì)點間作用力有關，化學鍵鍵能越大表面張力越大。金屬鍵最大，離子鍵次之，CaO、MgO、FeO、MnO，共價鍵最小，SiO2、TiO2、B2O3。

熔渣中加入酸性氧化物等使表面張力減小；加入堿性氧化物等，增加表面張力。

升高溫度熔渣的表面張力減小。

原因：綜合矩

熔渣與金屬的界面張力對冶金反應的影響1334.熔渣的熔點

熔渣的熔點—固態(tài)熔渣開始熔化的溫度。熔渣為多元體系，固液轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟葏^(qū)間。

焊條藥皮的熔點—藥皮開始熔化的溫度，又稱造渣溫度。藥皮的熔點越高，其熔渣的熔點也越高。熔渣熔點應與焊絲和母材的熔點相匹配。適合焊接鋼的熔渣熔點一般在1150～1350℃范圍內(nèi)。金屬熔點1495℃。

134二、活性熔渣對焊縫金屬的氧化（一）擴散氧化（主要在熔滴區(qū)和融池高溫區(qū)進行）焊接鋼時FeO既溶于渣又溶于液態(tài)鋼，在一定溫度下平衡時，它在兩相中的濃度符合分配定律：

在溫度不變的情況下，增加熔渣中FeO的濃度時，焊縫中的含氧量增加。

L和溫度及熔渣的性質(zhì)有關。SiO2飽和酸性渣和CaO飽和堿性渣的關系式：

溫度升高，L減小，即高溫時FeO向液態(tài)鋼中分配。由上兩式知，同樣溫度、熔渣中FeO含量相同，堿性渣焊縫含氧量比酸性渣多。可用分子理論解釋。為什么堿性焊條對鐵銹和氧化鐵皮敏感性大？堿性焊條含氧量比酸性焊條高嗎？L=(FeO)/[FeO]135

堿性渣焊縫含氧量比酸性渣多136㈡置換氧化（主要發(fā)生在熔滴階段和熔池前部的高溫區(qū)）如熔渣中含較多易分解的氧化物，則可能與液態(tài)鐵發(fā)生置換反應，使鐵氧化，而另一個元素還原。

如，用低碳鋼焊絲配合髙硅高錳焊劑HJ431埋弧焊。結(jié)果焊縫增加Si和Mn，使鐵氧化。反應方向取決于溫度、渣中的MnO、SiO2、FeO的活度和金屬中Si、Mn的濃度及焊接工藝參數(shù)等。升高溫度反應向右進行，如熔滴和熔池前部；反之，亦反，如熔池后部向左進行。137

用焊劑的活度來評價鹽氧化物型和氧化物型焊劑中由于硅錳還原對金屬的氧化能力：

AF=[(SiO2)+0.42B12(MnO)]/100B1

式中，AF–焊劑的活度；(SiO2)、(MnO）–焊劑中SiO2和MnO的質(zhì)量百分含量（%）；

B1—焊劑的堿度。

AF值在0～1之間變化。熔敷金屬中的含氧量隨焊劑活性的增加成直線增加。根據(jù)AF值可將焊劑分為:AF≥0.6為高活性焊劑；AF=0.6-0.3為活性焊劑；AF=0.3-0.1為低活性焊劑；AF≤0.1為惰性焊劑。138三、焊縫金屬的脫氧

㈠脫氧的目的和選擇脫氧的原則

目的—減少焊縫中含氧量。①防止被焊金屬氧化，減少在液態(tài)金屬中溶解的氧；②排除脫氧后的產(chǎn)物。

主要措施—加脫氧劑，在焊絲、焊劑或藥皮中加入合適的元素或鐵合金，使之在焊接過程中奪取氧。

脫氧劑選擇原則：

1）脫氧劑在焊接溫度下對氧的親和力應比被焊金屬對氧的親和力大由圖1-46知，焊接鐵基合金時，Al、Ti、Si、Mn可作脫氧劑。在其他條件相同的條件下，元素對氧的親和力越大，脫氧能力越強。

2）脫氧產(chǎn)物不溶于液態(tài)金屬，密度小于液態(tài)金屬的密度。應盡量使脫氧產(chǎn)物處于液態(tài)。這樣有利于脫氧產(chǎn)物在液態(tài)金屬中聚合成大的質(zhì)點，加快上浮到渣中的速度，減少夾雜物的數(shù)量，提高脫氧效果。1393）考慮脫氧劑對焊縫成分性能以及焊接工藝性能的影響。成本。

脫氧反應是分區(qū)域連續(xù)進行的，按其進行的方式和特點分為：先期脫氧沉淀脫氧擴散脫氧。140㈡先期脫氧

在藥皮加熱階段，固態(tài)藥皮中進行的脫氧反應，特點是脫氧過程和脫氧產(chǎn)物與熔滴不發(fā)生直接關系。效果取決于脫氧劑的親和力、它的粒度、氧化劑與脫氧劑的比例、焊接電流密度等因素。141

㈢沉淀脫氧—置換氧化

在熔滴和熔池內(nèi)進行，溶解在液態(tài)金屬中的脫氧劑和FeO反應，把鐵還原，脫氧產(chǎn)物浮出液態(tài)金屬。

1、Mn的脫氧反應

可看出，增加焊縫金屬中錳，減少渣中的氧化錳，可提高脫氧效果

式中，γMnO—渣中MnO的活度系數(shù)；aMnO—渣中MnO的活度；aMn—金屬中Mn的活度；aFeO

—金屬中Mn的活度。當Mn和FeO量少時，aMnO≈[Mn%]，aFeO≈[FeO%]142

在酸性渣中，含較多SiO2和TiO2，其與MnO生成復合鹽MnO

·SiO2和MnO·

TiO2，使γMnO減少，