第一章 焊接化學冶金

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1、第一章第一章 焊接化學冶金焊接化學冶金主要內(nèi)容主要內(nèi)容 焊接化學冶金過程的特點焊接化學冶金過程的特點 氣相對金屬的作用氣相對金屬的作用 熔渣對金屬的作用熔渣對金屬的作用 合金的過渡合金的過渡第一節(jié)第一節(jié) 焊接化學冶金過程的特點焊接化學冶金過程的特點本節(jié)概念性的內(nèi)容較多，通過對本節(jié)的理解，本節(jié)概念性的內(nèi)容較多，通過對本節(jié)的理解，加以記憶加以記憶焊條熔化焊條熔化形成熔滴形成熔滴過渡過渡形成熔池形成熔池焊接保護焊接保護熔合比熔合比化學冶金反應區(qū)化學冶金反應區(qū)一一 焊條熔化及熔池形成焊條熔化及熔池形成(一一)焊條的加熱及熔化焊條的加熱及熔化 1 焊條的加熱焊條的加熱 電弧焊時用于加熱和熔化焊條電弧焊時

2、用于加熱和熔化焊條(或焊絲或焊絲)的熱能有：的熱能有：電阻熱：電阻熱：焊接電流通過焊芯時產(chǎn)生電阻熱，使其本身和藥皮的溫焊接電流通過焊芯時產(chǎn)生電阻熱，使其本身和藥皮的溫度升高。度升高。電弧熱：電弧熱：焊條熔化、使液體金屬過熱和蒸發(fā)的主要能源。焊條熔化、使液體金屬過熱和蒸發(fā)的主要能源。用于加熱和熔化焊條的功率用于加熱和熔化焊條的功率qe僅是其全部功率的一小部分，即：僅是其全部功率的一小部分，即：qe=e eUI (e e-焊條加熱有效系數(shù)焊條加熱有效系數(shù))化學反應熱：化學反應熱：僅占僅占13，可忽略不計。，可忽略不計。2 焊條金屬的平均熔化速度焊條金屬的平均熔化速度 平均熔化速度：平均熔化速度：單

3、位時間內(nèi)熔化焊芯質量或長度。平均熔化速度單位時間內(nèi)熔化焊芯質量或長度。平均熔化速度與焊接電流成正比與焊接電流成正比。gM=G/t=pI 平均熔敷速度平均熔敷速度：單位時間內(nèi)熔敷在焊件上的金屬質量稱為平均熔單位時間內(nèi)熔敷在焊件上的金屬質量稱為平均熔敷速度。敷速度。gD=GD/t=pI 損失系數(shù)：損失系數(shù)：在焊接過程中，由于飛濺、氧化、蒸發(fā)損失的一部分在焊接過程中，由于飛濺、氧化、蒸發(fā)損失的一部分焊條金屬焊條金屬(或焊絲或焊絲)質量與熔化的焊芯質量之比稱焊條損失系數(shù)。質量與熔化的焊芯質量之比稱焊條損失系數(shù)。熔敷速度才是反映焊接生產(chǎn)率指標熔敷速度才是反映焊接生產(chǎn)率指標 PHMDMDgggGGG1PH

4、)1(3 焊條金屬熔滴及其過渡特性焊條金屬熔滴及其過渡特性(1)熔滴過渡的形式熔滴過渡的形式 短路過渡短路過渡：短弧焊時焊條端部熔滴長大到一定的尺寸就與熔池發(fā)短弧焊時焊條端部熔滴長大到一定的尺寸就與熔池發(fā)生接觸，形成短路，電弧熄滅。在各種力的作用下過渡到熔池生接觸，形成短路，電弧熄滅。在各種力的作用下過渡到熔池中，電弧重新引燃，如此重復這一過程。中，電弧重新引燃，如此重復這一過程。顆粒狀過渡顆粒狀過渡：當電弧的長度足夠長時，焊條端部的熔滴長大到較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在各種力的作用下，以顆粒狀落入熔池，此時不發(fā)生大的尺寸在各種力的作用下，以顆粒狀落入熔池，此時不發(fā)

5、生短路，接著進行下一個過渡周期。短路，接著進行下一個過渡周期。附壁過渡附壁過渡：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 堿性焊條主要是短路過渡和大顆粒狀過渡。堿性焊條主要是短路過渡和大顆粒狀過渡。用酸性焊條焊接時為細顆粒狀過渡和附壁過濾。用酸性焊條焊接時為細顆粒狀過渡和附壁過濾。以滴狀形式過渡到熔池熔滴端部熔化焊條各種力的作用下長大電弧熱(2)熔滴的比表面積和相互作用時間熔滴的比表面積和相互作用時間熔滴的比表面積熔滴的比表面積:表面積與質量之比：表面積與質量之比：設熔滴是半徑為設熔滴是半徑為r的球體，比表面積：的球體，比表面積：RRRS/3)3

6、4/(432ggVAS/熔滴越細，比表面積越大。熔滴越細，比表面積越大。cpcpcpgm/)/()21(0trtrcpmmm 2/1)/(0trcpmmcp，熔滴平均相互作用時間熔滴平均相互作用時間mcp熔滴平均質量，熔滴平均質量，mcp=m0+1/2 mtr，m0熔滴脫落后在焊條端部剩余液體量；熔滴脫落后在焊條端部剩余液體量；mtr單個熔滴質量；單個熔滴質量；熔滴長大時間；熔滴長大時間；gcp熔滴過渡一個周期內(nèi)焊芯的平均熔化熔滴過渡一個周期內(nèi)焊芯的平均熔化速度，速度，gcp=mtr/熔滴平均相互作用時間表示式：熔滴平均相互作用時間表示式：圖圖1-1 焊條端部熔滴質量隨時間的變化焊條端部熔滴質

7、量隨時間的變化(低氫堿性焊條，反接低氫堿性焊條，反接)（3）熔滴溫度）熔滴溫度：熔滴溫度是研究熔滴階段各種物理化學反應時的熔滴溫度是研究熔滴階段各種物理化學反應時的重要數(shù)據(jù)。重要數(shù)據(jù)。目前還不能從理論上精確地計算出熔滴溫度，只能作為定性的參目前還不能從理論上精確地計算出熔滴溫度，只能作為定性的參考?？?。隨焊絲直徑的增大，熔滴的溫度降低。隨焊絲直徑的增大，熔滴的溫度降低。低碳鋼熔滴的平均溫度在低碳鋼熔滴的平均溫度在21002700 K的范圍內(nèi)。的范圍內(nèi)。（二）熔池的形成（二）熔池的形成 熔池：熔池：焊接熱源作用在焊接熱源作用在焊件上焊件上所形成的所形成的具有一定幾何形狀的液態(tài)具有一定幾何形狀的液

8、態(tài)金屬部分金屬部分就是熔池。就是熔池。熔池是由熔化的焊條金屬與局部熔化的母材金屬所組成的。熔池是由熔化的焊條金屬與局部熔化的母材金屬所組成的。若用非熔化極進行焊接時，熔池僅由局部熔化的母材所組成。若用非熔化極進行焊接時，熔池僅由局部熔化的母材所組成。1 熔池形狀和尺寸熔池形狀和尺寸：寬度、深度和長度：寬度、深度和長度焊接電流的增加，熔池的最大深度焊接電流的增加，熔池的最大深度Hmax增大；增大；熔池的最大寬度熔池的最大寬度Bmax相對減??；相對減小；隨電弧電壓升高，隨電弧電壓升高，Hmax減小，減小，Bmax增加。增加。熔池的長度近似估算：熔池的長度近似估算：L=P2q=P2UI 2 熔池的質

9、量和存在時間熔池的質量和存在時間 熔池的質量很?。喝鄢氐馁|量很小：手工電弧焊時，手工電弧焊時，0.6-16g，多數(shù)情況下為，多數(shù)情況下為5g以下；以下；自動理弧焊時，熔池的質量較大，但通常也小于自動理弧焊時，熔池的質量較大，但通常也小于100g。熔池存在的時間很短熔池存在的時間很短，一般只有幾秒至幾十秒。，一般只有幾秒至幾十秒。熔池中冶金反應時間是很短暫的，但比熔滴階段存在的時間長。熔池中冶金反應時間是很短暫的，但比熔滴階段存在的時間長。vLtmax熔池最大存在時間（熔池長度決定）：熔池最大存在時間（熔池長度決定）：由熔池質量確定的時間為：由熔池質量確定的時間為：vAwmtcp 3 熔池的溫度

10、熔池的溫度 熔池各處的熔池各處的溫度不均勻溫度不均勻。熔池前部，母材就不斷地熔化熔池前部，母材就不斷地熔化 熔池中部具有最高的溫度。熔池中部具有最高的溫度。熔池后部的溫度逐漸降低。熔池后部的溫度逐漸降低。低 碳 鋼 熔 池 的 平 均 溫 度 約 為低 碳 鋼 熔 池 的 平 均 溫 度 約 為1770100。圖圖1-4熔池的溫度分布熔池的溫度分布1-中部中部 2-前部前部 3-后部后部 4 熔池中流體的運動狀態(tài)熔池中流體的運動狀態(tài) 熔池中液體金屬發(fā)生強烈運動，使熔池熔池中液體金屬發(fā)生強烈運動，使熔池中熱量和質量傳輸過程得以進行。中熱量和質量傳輸過程得以進行。1 運動方向：運動方向：熔化的母材

11、由熔池前部，沿結晶前沿的彎熔化的母材由熔池前部，沿結晶前沿的彎曲表面向熔池的后部運動；曲表面向熔池的后部運動；熔池的表面上，液態(tài)金屬由熔池的后部向熔池的表面上，液態(tài)金屬由熔池的后部向中心運動。中心運動。2 運動作用：運動作用：a)使母材和焊條金屬充分混合，形成成分使母材和焊條金屬充分混合，形成成分均勻的焊縫金屬。均勻的焊縫金屬。b)有利于氣體和非金屬夾雜物外逸，加速有利于氣體和非金屬夾雜物外逸，加速冶金反應，消除焊接缺陷冶金反應，消除焊接缺陷(如氣孔如氣孔)，提，提高焊接質量。高焊接質量。圖圖1-5 TIG焊焊鈦合金時熔池鈦合金時熔池中金屬的流向中金屬的流向 二二 焊接過程中對金屬的保護焊接過

12、程中對金屬的保護 (一一)保護的必要性保護的必要性（1）防止熔化金屬與空氣發(fā)生激烈的相互作用，降低焊縫金屬中）防止熔化金屬與空氣發(fā)生激烈的相互作用，降低焊縫金屬中氧和氮的含量。氧和氮的含量。（2）防止有益合金元素的燒損和蒸發(fā)而減少，使焊縫得到合適的）防止有益合金元素的燒損和蒸發(fā)而減少，使焊縫得到合適的化學成分?；瘜W成分。（3）防止電弧不穩(wěn)定，避免焊縫中產(chǎn)生氣孔。）防止電弧不穩(wěn)定，避免焊縫中產(chǎn)生氣孔。焊接化學冶金的焊接化學冶金的首要任務首要任務就是就是對焊接區(qū)內(nèi)的金屬加強保護，以免對焊接區(qū)內(nèi)的金屬加強保護，以免受空氣的有害作用。受空氣的有害作用。(二二)保護的方式和效果保護的方式和效果1 埋弧焊

13、：埋弧焊：是利用焊劑及其熔化以后形成的熔渣隔離空氣保護金屬是利用焊劑及其熔化以后形成的熔渣隔離空氣保護金屬的，的，焊劑保護效果取決于焊劑的粒度和結構焊劑保護效果取決于焊劑的粒度和結構。2 氣體保護焊：氣體保護焊：保護效果取決于保護氣的性質與純度保護效果取決于保護氣的性質與純度。惰性氣體。惰性氣體(氬、氬、氦等氦等)保護效果好，用于合金鋼和化學活性金屬及其合金。保護效果好，用于合金鋼和化學活性金屬及其合金。3 渣渣-氣聯(lián)合保護：氣聯(lián)合保護：焊條藥皮和焊絲藥芯一般是由焊條藥皮和焊絲藥芯一般是由造氣劑、造渣劑造氣劑、造渣劑和和鐵合金等組成，這些物質在焊接過程中形成渣鐵合金等組成，這些物質在焊接過程中

14、形成渣-氣聯(lián)合保護。氣聯(lián)合保護。4 真空：真空：真空保護效果是最理想的，如度高于真空保護效果是最理想的，如度高于0.0133Pa的真空室內(nèi)的真空室內(nèi)進行電子束焊接，把氧和氮有害作用減至最小。進行電子束焊接，把氧和氮有害作用減至最小。5 自保護焊：自保護焊：在焊絲或藥芯中加入脫氧和脫氮劑，使由空氣進入熔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?；饘僦械难鹾偷M入熔渣中，故稱自保護。NoImage圖圖1-6 熔敷金屬中含氮量與焊熔敷金屬中含氮量與焊絲藥芯中保護材料含量關系絲藥芯中保護材料含量關系 圖圖1-7 焊條熔化析出氣體數(shù)量焊條熔化析出氣體數(shù)量V對

15、熔敷金屬含氮量影響對熔敷金屬含氮量影響三三 焊接化學冶金反應區(qū)及其反應條件焊接化學冶金反應區(qū)及其反應條件 不同焊接方法有不同的反應區(qū)：不同焊接方法有不同的反應區(qū)：手工電弧焊時手工電弧焊時有三個反應區(qū)：藥皮反應區(qū)、熔滴反應區(qū)和熔有三個反應區(qū)：藥皮反應區(qū)、熔滴反應區(qū)和熔池反應區(qū)。池反應區(qū)。熔化極氣體保護焊熔化極氣體保護焊：只有熔滴和熔池反應區(qū)。：只有熔滴和熔池反應區(qū)。不填充金屬的氣焊、鎢極氬弧焊和電子束焊接不填充金屬的氣焊、鎢極氬弧焊和電子束焊接只有一個熔池只有一個熔池反應區(qū)。反應區(qū)。圖圖1-8 焊接化學冶金反應區(qū)焊接化學冶金反應區(qū)-藥皮反應區(qū)藥皮反應區(qū) -熔滴反應區(qū)熔滴反應區(qū) -熔滴反應區(qū)，熔滴

16、反應區(qū)，(一一)藥皮反應區(qū)藥皮反應區(qū) 藥皮反應區(qū)溫度范圍從藥皮反應區(qū)溫度范圍從l00至藥皮熔點至藥皮熔點，主要物化反應有：，主要物化反應有：1 水分蒸發(fā)：水分蒸發(fā)：藥皮被加熱，吸附水就開始蒸發(fā)，藥皮被加熱，吸附水就開始蒸發(fā)，T100，吸附，吸附水全部蒸發(fā)，水全部蒸發(fā)，T=200400，藥皮組成物結晶水將被排除，藥皮組成物結晶水將被排除，化合水需更高溫度下才能析出?；纤韪邷囟认虏拍芪龀?。2 有機物燃燒和分解：有機物燃燒和分解：有機物，如木粉、纖維素和淀粉等則開始分解和燃燒，形成有機物，如木粉、纖維素和淀粉等則開始分解和燃燒，形成CO、CO2、H2等氣體。等氣體。焊條中的碳酸鹽焊條中的碳酸鹽

17、(CaCO3，MgCO3)和高價氧化物和高價氧化物(如赤鐵礦如赤鐵礦Fe2O3，錳礦，錳礦MnO2等等)也發(fā)生分解，形成也發(fā)生分解，形成CO2、O2等氣體。等氣體。3 鐵合金氧化：鐵合金氧化：上述物化反應產(chǎn)生的大量氣體，對被焊金屬和藥上述物化反應產(chǎn)生的大量氣體，對被焊金屬和藥皮中的鐵合金皮中的鐵合金(如錳鐵、硅鐵和鈦鐵等如錳鐵、硅鐵和鈦鐵等)有很大的氧化作用。有很大的氧化作用。溫度高于溫度高于600就會發(fā)生鐵合金的明顯氧化，結果使氣相的氧化就會發(fā)生鐵合金的明顯氧化，結果使氣相的氧化性大大下降，即所謂性大大下降，即所謂“先期脫氧先期脫氧”。(二二)熔滴反應區(qū)熔滴反應區(qū) 熔滴形成、長大、過渡至熔池

18、都屬熔滴反應區(qū)。熔滴形成、長大、過渡至熔池都屬熔滴反應區(qū)。特點：特點：1 熔滴溫度高，熔滴金屬過熱度大熔滴溫度高，熔滴金屬過熱度大：熔滴活性斑點處溫度接近焊芯：熔滴活性斑點處溫度接近焊芯沸點，約沸點，約2800；熔滴平均溫度在；熔滴平均溫度在18002400范圍。熔滴金屬范圍。熔滴金屬過熱度很大，達過熱度很大，達300900。2 熔滴與氣體和熔渣的接觸面積大：熔滴與氣體和熔渣的接觸面積大：熔滴的比表面積大熔滴的比表面積大3 各相之間的反應時間短：各相之間的反應時間短：熔滴在焊條末端停留時間為熔滴在焊條末端停留時間為0.010.1s。熔滴向熔池過渡速度高達熔滴向熔池過渡速度高達2.510 m/s

19、，經(jīng)過弧柱區(qū)時間很短。在，經(jīng)過弧柱區(qū)時間很短。在這個區(qū)備相接觸的平均時間約為這個區(qū)備相接觸的平均時間約為0.011.0 s。熔滴階段的反應主要。熔滴階段的反應主要是在焊條末端進行。是在焊條末端進行。4 熔滴與熔渣發(fā)生強烈的混合：熔滴與熔渣發(fā)生強烈的混合：混合作用不僅混合作用不僅增加了相接觸面積增加了相接觸面積，而且有利于反應物和產(chǎn)物進入和退出反應表面，而且有利于反應物和產(chǎn)物進入和退出反應表面，加快反應速度加快反應速度。(三三)熔池反應區(qū)熔池反應區(qū)1 熔池反應區(qū)的物理條件熔池反應區(qū)的物理條件 與熔滴相比，與熔滴相比，熔池的平均溫度較低熔池的平均溫度較低，約為，約為16001900；比表面比表面積

20、較小積較小，約為，約為3130cm2/kg；反應時間稍長些反應時間稍長些，如手工電弧焊時，如手工電弧焊時通常為通常為38s，埋弧焊時為，埋弧焊時為625s。熔池溫度分布極不均勻熔池溫度分布極不均勻，因此在熔池的前部和后部反應可以同時，因此在熔池的前部和后部反應可以同時向相反的方向進行。向相反的方向進行。熔池中的強烈運動熔池中的強烈運動，有助于加快反應速度，并為氣體和非金屬夾，有助于加快反應速度，并為氣體和非金屬夾雜物的外逸創(chuàng)造了有利條件。雜物的外逸創(chuàng)造了有利條件。2 熔池反應區(qū)的化學條件熔池反應區(qū)的化學條件 熔池階段系統(tǒng)中熔池階段系統(tǒng)中反應物的濃度與平衡濃度之差比熔滴階段小反應物的濃度與平衡濃

21、度之差比熔滴階段小，熔熔池中的反應速度比熔滴中要小。池中的反應速度比熔滴中要小。新熔化的母材、焊芯和藥皮不斷新熔化的母材、焊芯和藥皮不斷進入熔池前部，凝固的金屬和熔渣不斷從熔池后部退出反應區(qū)。進入熔池前部，凝固的金屬和熔渣不斷從熔池后部退出反應區(qū)。熔池反應區(qū)的反應物質是不斷更新的。熔池反應區(qū)的反應物質是不斷更新的。藥皮重量系數(shù)藥皮重量系數(shù)Kb（單位長度上藥皮與焊芯的質量比單位長度上藥皮與焊芯的質量比)較大時，參較大時，參與和熔池金屬作用的熔渣數(shù)量比參與和熔滴金屬作用的數(shù)量多。與和熔池金屬作用的熔渣數(shù)量比參與和熔滴金屬作用的數(shù)量多。因為因為Kb大時有一部分熔渣直接流入熔池，而不與熔滴發(fā)生作用。大

22、時有一部分熔渣直接流入熔池，而不與熔滴發(fā)生作用。臨界藥皮厚度臨界藥皮厚度h0，在在h0以外的藥皮所形成的熔渣不與熔滴接觸，以外的藥皮所形成的熔渣不與熔滴接觸，只與熔池發(fā)生作用。只與熔池發(fā)生作用。增加藥皮厚度能夠加強熔池階段的反應。增加藥皮厚度能夠加強熔池階段的反應。h0取決于藥皮的成分和取決于藥皮的成分和焊接工藝參數(shù)。焊接工藝參數(shù)。隨著隨著Kb的增加，硅在熔滴和熔敷金屬中的含量開始時都迅速的增加，硅在熔滴和熔敷金屬中的含量開始時都迅速減少減少(即即硅的氧化損失增加硅的氧化損失增加)。當當Kb0.18(相當藥皮厚度為相當藥皮厚度為1mm)時，熔滴中硅的氧化損失趨時，熔滴中硅的氧化損失趨于穩(wěn)定，而

23、熔池中依靠沒有與熔滴接觸的那一部分熔渣使硅于穩(wěn)定，而熔池中依靠沒有與熔滴接觸的那一部分熔渣使硅繼續(xù)氧化。繼續(xù)氧化。圖圖l-9 硅在熔滴和熔敷金屬中的含量與硅在熔滴和熔敷金屬中的含量與Kb的關系的關系熔滴熔滴熔覆金屬熔覆金屬四四 焊接工藝條件與化學冶金反應關系焊接工藝條件與化學冶金反應關系(一一)熔合比熔合比 焊縫金屬中局部熔化的母材所占的比例稱為熔合比。焊縫金屬中局部熔化的母材所占的比例稱為熔合比。熔合比取決于焊接方法、規(guī)范、接頭形式和板厚、坡口角度和形式、熔合比取決于焊接方法、規(guī)范、接頭形式和板厚、坡口角度和形式、母材性質、焊接材料種類以及焊條母材性質、焊接材料種類以及焊條(焊絲焊絲)傾角等

24、因素。傾角等因素。ebCCC)1(0焊條中的合金元素實際上是有損失的，母材中的合金元素幾乎可以焊條中的合金元素實際上是有損失的，母材中的合金元素幾乎可以全部過渡到焊縫金屬中。焊縫中某元素的實際濃度為：全部過渡到焊縫金屬中。焊縫中某元素的實際濃度為：dbwCCC)1(Cd熔敷金屬中某元素實際濃度，即焊接時，沒有母材金屬熔入時熔敷金屬中某元素實際濃度，即焊接時，沒有母材金屬熔入時的濃度的濃度堆焊而言：212LLLSSS（二）熔滴過渡特性的影響（二）熔滴過渡特性的影響圖圖1-10：熔敷金屬中含硅量隨電壓增大和焊接電流減小而增大。熔敷金屬中含硅量隨電壓增大和焊接電流減小而增大。圖圖1-111-11中：

25、中：fIfI反應時間反應時間SiSi損失率損失率 fU fU 相相反反圖圖1-10熔敷金屬中含硅量與熔敷金屬中含硅量與電弧電壓和焊接電流的關系電弧電壓和焊接電流的關系 圖圖1-11 CO2堆焊時過渡頻率堆焊時過渡頻率f和過和過渡時間渡時間與硅的損失率與硅的損失率的關系的關系 五五 焊接化學冶金系統(tǒng)的不平衡性焊接化學冶金系統(tǒng)的不平衡性焊接化學冶金系統(tǒng)是復雜的高溫多相反應系統(tǒng)。焊接化學冶金系統(tǒng)是復雜的高溫多相反應系統(tǒng)。由物理化學可由物理化學可知，多相反應是在相界面上進行的，并伴隨著物質的遷移過知，多相反應是在相界面上進行的，并伴隨著物質的遷移過程。程。焊接區(qū)不等溫條件排除了整個系統(tǒng)平衡的可能性焊接

26、區(qū)不等溫條件排除了整個系統(tǒng)平衡的可能性，在系統(tǒng)中的，在系統(tǒng)中的局部可能出現(xiàn)某個反應的短暫平衡狀態(tài)。局部可能出現(xiàn)某個反應的短暫平衡狀態(tài)。焊縫金屬的最終成分與熔池凝固溫度下的平衡成分相差較遠，焊縫金屬的最終成分與熔池凝固溫度下的平衡成分相差較遠，各種反應距離平衡的遠近程度不同。各種反應距離平衡的遠近程度不同。系統(tǒng)的不平衡性是焊接化學冶金過程的特點，系統(tǒng)的不平衡性是焊接化學冶金過程的特點，因此不能直接應因此不能直接應用熱力學平衡的計算公式定量地分析焊接化學冶金問題，但用熱力學平衡的計算公式定量地分析焊接化學冶金問題，但是可作定性分析。是可作定性分析。第二節(jié)第二節(jié) 焊接區(qū)內(nèi)的氣體焊接區(qū)內(nèi)的氣體 一、焊

27、接區(qū)氣體一、焊接區(qū)氣體（一）氣體來源（一）氣體來源焊接材料：焊接材料：焊接區(qū)內(nèi)的氣體主要來源于焊接材料。焊接區(qū)內(nèi)的氣體主要來源于焊接材料。焊條藥皮、焊劑及焊絲藥芯中都含有造氣劑。焊條藥皮、焊劑及焊絲藥芯中都含有造氣劑。熱源周圍的氣體介質熱源周圍的氣體介質：熱源周圍的空氣是難以避免的氣體來源，而：熱源周圍的空氣是難以避免的氣體來源，而焊接材料中的造氣劑所產(chǎn)生的氣體，不能完全排除焊接區(qū)內(nèi)的空焊接材料中的造氣劑所產(chǎn)生的氣體，不能完全排除焊接區(qū)內(nèi)的空氣。氣。焊絲和母材表面上的雜質：焊絲和母材表面上的雜質：焊絲表面和母材表面的雜質，如鐵銹、焊絲表面和母材表面的雜質，如鐵銹、油污、氧化鐵皮以及吸附水等，在

28、焊接過程中受熱而析出氣體進油污、氧化鐵皮以及吸附水等，在焊接過程中受熱而析出氣體進入氣相中。入氣相中。(二二)氣體的產(chǎn)生氣體的產(chǎn)生 除直接輸送和侵入焊接區(qū)內(nèi)的氣體外，除直接輸送和侵入焊接區(qū)內(nèi)的氣體外，焊接過程中所進行物化反應焊接過程中所進行物化反應也產(chǎn)生氣體。也產(chǎn)生氣體。1 有機物的分解和燃燒有機物的分解和燃燒2225106562/7)(mHmCOmOOHCm2 碳酸鹽和高價氧化物的分解：碳酸鹽和高價氧化物的分解：碳酸鹽的分解碳酸鹽的分解 CaCO3CaOCO2 MgCO3MgOCO2 高價氧化物的分解高價氧化物的分解：6Fe2O34Fe3O4O2；2Fe2O36FeOO24Mn2O32Mn3

29、O4O2；6Mn2O34Mn3O4O23 材料的蒸發(fā)：材料的蒸發(fā)：電弧的高溫作用下電弧的高溫作用下,焊接材料中水分、金屬元素和焊接材料中水分、金屬元素和熔渣的各種成分發(fā)生蒸發(fā)，形成的蒸氣。熔渣的各種成分發(fā)生蒸發(fā)，形成的蒸氣。纖維素熱分解反應為：纖維素熱分解反應為：(三三)氣體的分解氣體的分解 1 簡單氣體的分解簡單氣體的分解 雙原子氣體雙原子氣體G2分解反應的通式：分解反應的通式：G G2 22G2G 22GGpppK 設氣體設氣體G2的原始分子數(shù)為的原始分子數(shù)為n0，已分解的分子數(shù)為，已分解的分子數(shù)為n，則平衡氣體的，則平衡氣體的分解度為分解度為=n/n0，若氣體若氣體G2分解后混合氣體的總

30、壓力為分解后混合氣體的總壓力為p0，則分解度，則分解度可表示為可表示為04pKKpp平衡常數(shù)可表示為：平衡常數(shù)可表示為：G2 2Gno 0no n 2n 2 CO2和和H2O等等復雜氣體的分解復雜氣體的分解 升高溫度升高溫度CO2可分解生成可分解生成CO和和O2，使氣相氧化性增加。使氣相氧化性增加。水蒸氣分解比較復雜，水蒸氣分解比較復雜，分解的產(chǎn)物有分解的產(chǎn)物有H2、O2、H、O不僅增加了不僅增加了氣相的氧化性，而且增加了氣相中氫的分壓，氣相的氧化性，而且增加了氣相中氫的分壓，使焊縫金屬增氧和使焊縫金屬增氧和增氫增氫。(三三)氣相的成分和分布氣相的成分和分布 3 3 焊接方法對氣相的成分和數(shù)量

31、影響焊接方法對氣相的成分和數(shù)量影響 低氫型焊條手工電弧焊接時，氣相含低氫型焊條手工電弧焊接時，氣相含H2和和H2O少，稱少，稱“低氫型低氫型”；埋弧焊時，氣相中含埋弧焊時，氣相中含CO2和和H2O很少，氧化性較小；很少，氧化性較??；手工電弧焊時氣相的氧化性相對較大。手工電弧焊時氣相的氧化性相對較大。對焊接質量影響較大的氣體為：對焊接質量影響較大的氣體為：N2、H2、O2、CO2、H2O焊接碳鋼時冷至室溫時氣相成分焊接碳鋼時冷至室溫時氣相成分二、氮對金屬的作用二、氮對金屬的作用 焊接時電弧氣氛中氮的主要來源是周圍的空氣。焊接時電弧氣氛中氮的主要來源是周圍的空氣。焊接時焊接時空氣中的氮總是或多或少

32、地會侵入焊接區(qū)，與熔化金屬發(fā)空氣中的氮總是或多或少地會侵入焊接區(qū)，與熔化金屬發(fā)生作用生作用。按照氮與金屬作用的特點，可將金屬分為兩類：按照氮與金屬作用的特點，可將金屬分為兩類：不與氮發(fā)生作用的金屬不與氮發(fā)生作用的金屬，如，如Cu、Ni、Ag等，它們既不溶解氮，等，它們既不溶解氮，又不形成氮化物。焊接此類金屬時，又不形成氮化物。焊接此類金屬時，可以使用氮作為保護氣體可以使用氮作為保護氣體；與氮發(fā)生作用的金屬與氮發(fā)生作用的金屬，如，如Fe、Ti、Cr等。它們既能溶解氮，又能等。它們既能溶解氮，又能與氮形成穩(wěn)定的氮化物。因此焊接這類金屬時，防止焊縫金屬的與氮形成穩(wěn)定的氮化物。因此焊接這類金屬時，防止

33、焊縫金屬的氮化非常重要。氮化非常重要。（一）氮在金屬中的溶解（一）氮在金屬中的溶解1.溶解過程：氣體的溶解反應分為以下四個階段：溶解過程：氣體的溶解反應分為以下四個階段：（1）氣體分子向氣體與金屬兩相界面處運動；）氣體分子向氣體與金屬兩相界面處運動；（2）氣體分子被金屬表面吸附；）氣體分子被金屬表面吸附；（3）在金屬表面上，氣體分子分解為原子；）在金屬表面上，氣體分子分解為原子；（4）氣體原子穿過金屬表面層，并向金屬內(nèi)部擴散。）氣體原子穿過金屬表面層，并向金屬內(nèi)部擴散。氮在金屬中的溶解反應為氮在金屬中的溶解反應為：N22N2.溶解度溶解度SN（溶解平方根定律）：（溶解平方根定律）：22NNNp

34、KS降低氣相中氮的分壓就可以減少金屬中的含氮量降低氣相中氮的分壓就可以減少金屬中的含氮量 圖圖1-16 氮和氫在鐵中的溶解度與氮和氫在鐵中的溶解度與溫度關系溫度關系(PN2+P金金=10l kPa(1atm)3.氮在鐵中的溶解度與溫度的關系：氮在鐵中的溶解度與溫度的關系：溶解度隨溫度的升高而增大。溶解度隨溫度的升高而增大。T=2200時，氮的溶解發(fā)達到最大值。時，氮的溶解發(fā)達到最大值。繼續(xù)升高溫度，氮的溶解度急劇下降繼續(xù)升高溫度，氮的溶解度急劇下降T=2750時，氮的溶解度為零。時，氮的溶解度為零。加入加入C、Si、Ni會減少氮的溶解度；會減少氮的溶解度；加入加入V、Nb、Cr會增加氮的溶解度

35、會增加氮的溶解度。4.電弧焊時的氣體溶解過程復雜電弧焊時的氣體溶解過程復雜,含含N量高的原因（量高的原因（與與純化學溶解相純化學溶解相比比）：）：電弧中受激的電弧中受激的N2，特別是氮原子比沒有受激的，特別是氮原子比沒有受激的N2的溶解速度高；的溶解速度高；電弧中的氮離子可在陰極溶解；電弧中的氮離子可在陰極溶解；氧化性電弧氣氛中形成的氧化性電弧氣氛中形成的NO，遇到溫度較低的液態(tài)金屬時又分解，遇到溫度較低的液態(tài)金屬時又分解為為N和和O，N會迅速溶于金屬中。會迅速溶于金屬中。（二）氮對焊接質量的影響（二）氮對焊接質量的影響1 促使焊縫產(chǎn)生氣孔促使焊縫產(chǎn)生氣孔：液態(tài)金屬在高溫時可以溶解大量的氮，凝

36、固：液態(tài)金屬在高溫時可以溶解大量的氮，凝固結晶時氮的結晶時氮的溶解度突然下降溶解度突然下降，過飽和氮以氣泡形式從熔池中逸出，過飽和氮以氣泡形式從熔池中逸出，若焊縫金屬的若焊縫金屬的結晶速度大于氮的逸出速度結晶速度大于氮的逸出速度時，就形成氣孔。時，就形成氣孔。2 氮是提高低碳、低合金鋼焊縫強度，降低塑性和韌性的元素。氮是提高低碳、低合金鋼焊縫強度，降低塑性和韌性的元素。如如果熔池中含有比較多的氮，一部分氮將以果熔池中含有比較多的氮，一部分氮將以過飽和的形式過飽和的形式存在于固存在于固溶體中；另一部分氮則以溶體中；另一部分氮則以針狀氮化物針狀氮化物Fe4N的形式的形式析出，分布于晶析出，分布于晶

37、界或晶內(nèi)，因而使焊縫金屬的強度、硬度升高，而塑性、韌性，界或晶內(nèi)，因而使焊縫金屬的強度、硬度升高，而塑性、韌性，特別是低溫韌度急劇下降。特別是低溫韌度急劇下降。3 氮是促使焊縫金屬時效脆化的元素氮是促使焊縫金屬時效脆化的元素：焊縫金屬中過飽和的氮處于：焊縫金屬中過飽和的氮處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨著時間的延長，過飽和的氮逐漸析出，不穩(wěn)定狀態(tài)，隨著時間的延長，過飽和的氮逐漸析出，形成穩(wěn)定形成穩(wěn)定的碳氮化物的碳氮化物Fe4N，因而使焊縫金屬的強度增加、塑性、韌性降低。，因而使焊縫金屬的強度增加、塑性、韌性降低。4 氮可以作為合金元素加入鋼中氮可以作為合金元素加入鋼中。在焊縫金屬中加入能形成穩(wěn)定氮。在焊縫金

38、屬中加入能形成穩(wěn)定氮化物元素，如化物元素，如RE、A1、Ti、Zr等，可以抑制或消除時效現(xiàn)象。等，可以抑制或消除時效現(xiàn)象。（三）控制焊縫合氮量的措施（三）控制焊縫合氮量的措施1 加強焊接區(qū)的保護加強焊接區(qū)的保護 （1）焊條藥皮的保護作用，取決于藥皮的成分和數(shù)量。）焊條藥皮的保護作用，取決于藥皮的成分和數(shù)量。Kb增大，增大，SN下降，當下降，當Kb40，SN0.040.05%，下降不明顯。，下降不明顯。當藥皮中加入造氣劑，形成氣渣聯(lián)合保護，使當藥皮中加入造氣劑，形成氣渣聯(lián)合保護，使SN降到降到0.02。（2）藥芯焊絲的保護效果，取決于保護成分含量和形狀系數(shù)。）藥芯焊絲的保護效果，取決于保護成分含

39、量和形狀系數(shù)。形形狀系數(shù)增大，保護效果好。狀系數(shù)增大，保護效果好。形狀系數(shù)：形狀系數(shù)：單位長度藥芯焊絲腔體內(nèi)金屬帶的重量與外殼金屬帶重單位長度藥芯焊絲腔體內(nèi)金屬帶的重量與外殼金屬帶重量的比值。量的比值。2 焊接工藝參數(shù)的影響焊接工藝參數(shù)的影響（1）U（電弧長度（電弧長度），氮可以與熔滴作用時間），氮可以與熔滴作用時間，SN ，應盡量，應盡量采用短弧焊。采用短弧焊。（2）I，熔滴過渡頻率熔滴過渡頻率f,熔滴階段作用時間熔滴階段作用時間,SN 。直流正極性焊接時焊縫含氮量比反極性直流正極性焊接時焊縫含氮量比反極性(焊條接正極，工件接負焊條接正極，工件接負極極)時高。時高。（3）焊接速度）焊接速度對

40、對焊縫的含氮量影響不大焊縫的含氮量影響不大。（4）增加）增加焊絲直徑焊絲直徑，熔滴變粗，焊縫含氮量下降。，熔滴變粗，焊縫含氮量下降。（5）多層焊多層焊時焊縫含氮量比單層焊時高，這與氮的逐層積累有關。時焊縫含氮量比單層焊時高，這與氮的逐層積累有關。3 利用合金元素控制焊縫合氮量：利用合金元素控制焊縫合氮量：(1)增加焊絲或藥皮中的含碳量可降低焊縫的含氮量，增加焊絲或藥皮中的含碳量可降低焊縫的含氮量，其原因是：其原因是：a)碳能夠降低氮在鐵中的溶解度。碳能夠降低氮在鐵中的溶解度。b)碳氧化生成碳氧化生成CO、CO2加強保護作用，降低了氮分壓。加強保護作用，降低了氮分壓。c)碳的氧化引起熔池沸騰，有

41、利于氮的逸出。碳的氧化引起熔池沸騰，有利于氮的逸出。(2)Ti、A1、Zr和稀土元素對氮有較大的親合力，能形成穩(wěn)定的氮和稀土元素對氮有較大的親合力，能形成穩(wěn)定的氮化物?；?。并且這些氮化物不溶于鐵水，而進入熔渣中。這些元素對并且這些氮化物不溶于鐵水，而進入熔渣中。這些元素對氧的親力也很大，因此，可減少氣相中氧的親力也很大，因此，可減少氣相中NO的含量，這在一定程的含量，這在一定程度上減少了焊縫的含氮量。度上減少了焊縫的含氮量。三、氫對金屬的作用三、氫對金屬的作用（一）氫在金屬中的溶解（一）氫在金屬中的溶解1 按照氫與金屬作用的特點，將金屬劃分為兩類：按照氫與金屬作用的特點，將金屬劃分為兩類：1

42、)能形成穩(wěn)定氫化物的金屬能形成穩(wěn)定氫化物的金屬 如如Zr、Ti、V、Ta、Nb等。等。特點是：特點是：金屬吸收氫的反應是金屬吸收氫的反應是放熱反應放熱反應，溫度較低時吸氫量多；，溫度較低時吸氫量多；溫度較高時吸氫量少。溫度較高時吸氫量少。當吸氫量較多時，可形成氫化物當吸氫量較多時，可形成氫化物（ZrH、TiH、VH、TaH、NbH）；當溫度超過氫化物保持穩(wěn)定的臨界溫度時，氫化物發(fā)生）；當溫度超過氫化物保持穩(wěn)定的臨界溫度時，氫化物發(fā)生分解、氫則擴散逸出；分解、氫則擴散逸出；當當吸氫量較少時，這類金屬與氫可形成固溶體吸氫量較少時，這類金屬與氫可形成固溶體。2)不能形成穩(wěn)定氫化物的金屬不能形成穩(wěn)定氫

43、化物的金屬 如如A1、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等。等。氫能夠溶解于這類金屬及其合金中，溶解反應為氫能夠溶解于這類金屬及其合金中，溶解反應為吸熱反應吸熱反應。2 氫溶解的途徑與焊接方法有關：氫溶解的途徑與焊接方法有關：（1）氣體保護焊時，）氣體保護焊時，氫是通過氣相與液態(tài)金屬的界面氫是通過氣相與液態(tài)金屬的界面，以原子或，以原子或質子的形式溶入金屬的；質子的形式溶入金屬的；（2）電渣焊時，氫是通過）電渣焊時，氫是通過熔渣層熔渣層溶入金屬的；溶入金屬的；（3）手工電弧焊和埋弧焊時，氫的溶入是上述）手工電弧焊和埋弧焊時，氫的溶入是上述兩種途徑兩種途徑綜合結果。綜合結果。含自由氧離子酸堿性渣：含自由

44、氧離子酸堿性渣：對于不含自由氧離子：對于不含自由氧離子：若渣中含有氟化物若渣中含有氟化物，)(2O22OHOH）（氣)Si()OH(2)()2(12qnmqnOSimOOH氣HFOFOH23 溶解于渣中的溶解于渣中的H以以OH離子形式存在離子形式存在4 H從熔渣中向金屬中過渡發(fā)生的化學反應從熔渣中向金屬中過渡發(fā)生的化學反應:2)()(2 2 2)()(2 2 2)(2)(222HOOOHHOFeOHFeHOFeOHFe5 H溶解的平方根定律溶解的平方根定律 22HHHpKS(2)合金的影響：合金的影響：C、Si、A1可降低氫在液態(tài)鐵中的溶解度；可降低氫在液態(tài)鐵中的溶解度；Ti、Zr、Nb及稀土

45、元及稀土元素可以提高氫的溶解度；素可以提高氫的溶解度；Mn、N、Cr、Mg影響不大；影響不大；O可減少金屬對氫吸附，減少氫在液態(tài)鐵中溶解度?？蓽p少金屬對氫吸附，減少氫在液態(tài)鐵中溶解度。(3)組織：組織：在奧氏體中，氫的溶解度大；在珠光體鋼，氫的溶解度在奧氏體中，氫的溶解度大；在珠光體鋼，氫的溶解度小。小。P244 6 影響溶解度的因素影響溶解度的因素(1)溫度：溫度：(2)熔滴階段吸收的氫比熔池階段多。熔滴階段吸收的氫比熔池階段多。在金屬沸點溫度時，氫的溶解度為在金屬沸點溫度時，氫的溶解度為0。在金屬相變點，氫溶解度發(fā)生突變在金屬相變點，氫溶解度發(fā)生突變,易易形成氣孔、裂紋等焊接缺陷。形成氣孔

46、、裂紋等焊接缺陷。（二）焊縫金屬中的氫及其擴散（二）焊縫金屬中的氫及其擴散1 存在形式：存在形式：氫以氫以H、H+、H-存在，在焊縫中形成間隙固溶體。存在，在焊縫中形成間隙固溶體。擴散氫：擴散氫：氫原子及離子半徑很小，可以在焊縫金屬晶格中自由擴氫原子及離子半徑很小，可以在焊縫金屬晶格中自由擴散，故被稱為散，故被稱為擴散氫擴散氫。殘余氫：殘余氫：氫擴散到金屬的晶格缺陷、顯微裂紋或非金屬夾雜物邊氫擴散到金屬的晶格缺陷、顯微裂紋或非金屬夾雜物邊緣的微小空隙中時，結合成氫分子，由于分子的半徑大而不能自緣的微小空隙中時，結合成氫分子，由于分子的半徑大而不能自由擴散，被稱為由擴散，被稱為殘余氫殘余氫。2

47、H的擴散的擴散 焊縫金屬放置時間越長，擴散氫越減少，殘余氫越增加，焊縫金屬放置時間越長，擴散氫越減少，殘余氫越增加，而焊縫的總氫量下降。而焊縫的總氫量下降。3 H的擴散形式：的擴散形式：濃度擴散：濃度擴散：H由濃度高的焊縫向熱影響區(qū)擴散由濃度高的焊縫向熱影響區(qū)擴散 熱擴散：熱擴散：類金屬從低溫（飽和度大）向高溫擴散（飽和度低），類金屬從低溫（飽和度大）向高溫擴散（飽和度低），與濃度擴散相反。與濃度擴散相反。應力誘導擴散：應力誘導擴散：類金屬發(fā)生相變、產(chǎn)生應力，應力的存在使類金屬發(fā)生相變、產(chǎn)生應力，應力的存在使H向拉應力大的方向擴散，向拉應力大的方向擴散，H向焊縫根部及焊縫邊界應力集中區(qū)擴向焊縫

48、根部及焊縫邊界應力集中區(qū)擴散。散。4 H的測量的測量 測氫方法有水銀法、甘油法、氣相色譜法和排液法。測氫方法有水銀法、甘油法、氣相色譜法和排液法。熔敷金屬擴散氫含量是熔敷金屬擴散氫含量是試樣經(jīng)焊接后、立即冷卻，按照測氫標難試樣經(jīng)焊接后、立即冷卻，按照測氫標難規(guī)定的方法測定并換算成標準狀態(tài)下的含氫量規(guī)定的方法測定并換算成標準狀態(tài)下的含氫量。5 H的分布的分布 氫沿焊縫長度方向的分布不均勻。氫沿焊縫長度方向的分布不均勻。氫不僅在焊縫中存在，還向近縫區(qū)中擴散，并且擴散深度較大氫不僅在焊縫中存在，還向近縫區(qū)中擴散，并且擴散深度較大。圖圖1-29 氫在焊接接頭橫斷面上氫在焊接接頭橫斷面上的分布的分布 1

49、-低碳鋼，堿性焊條低碳鋼，堿性焊條 2-低碳鋼，鈦型焊條低碳鋼，鈦型焊條 3-30CrMnSi鋼，鐵素體焊縫鋼，鐵素體焊縫4-30CrMnSi鋼，奧氏體焊條鋼，奧氏體焊條5-工業(yè)純鐵，纖維素型焊條工業(yè)純鐵，纖維素型焊條圖圖1-30 臨近熔合線近縫區(qū)內(nèi)氫的濃度隨時間的變化臨近熔合線近縫區(qū)內(nèi)氫的濃度隨時間的變化1-Q235+奧氏體焊縫奧氏體焊縫 2-45鋼鋼+奧氏體焊縫奧氏體焊縫 3-Q235+鐵素體焊縫鐵素體焊縫 4-45鋼鋼+鐵素體焊縫鐵素體焊縫（三）氫對焊接質量的影響（三）氫對焊接質量的影響1 形成氣孔形成氣孔 熔池凝固結晶時，氫的溶解度突然下降，使氫處于過飽熔池凝固結晶時，氫的溶解度突然下

50、降，使氫處于過飽和狀態(tài)，就促使發(fā)生如下反應：和狀態(tài)，就促使發(fā)生如下反應：2HH2，反應生成的分子氫在，反應生成的分子氫在液態(tài)金屬中形成氣泡。當氣泡向外逸出的速度小于熔池的凝固速液態(tài)金屬中形成氣泡。當氣泡向外逸出的速度小于熔池的凝固速度時，就在焊縫中形成氣孔。度時，就在焊縫中形成氣孔。2 產(chǎn)生冷裂紋產(chǎn)生冷裂紋 焊接接頭冷卻到較低溫度下（對于鋼來說在焊接接頭冷卻到較低溫度下（對于鋼來說在Ms溫度溫度以下）時才產(chǎn)生的焊接裂紋稱為冷裂紋。以下）時才產(chǎn)生的焊接裂紋稱為冷裂紋。3 造成氫脆造成氫脆 氫在室溫附近使鋼塑性嚴重下降現(xiàn)象稱為氫脆氫在室溫附近使鋼塑性嚴重下降現(xiàn)象稱為氫脆。氫脆是。氫脆是由于原了氫擴

51、散聚集于鋼顯微空隙中，結合為分子氫，造成空隙由于原了氫擴散聚集于鋼顯微空隙中，結合為分子氫，造成空隙內(nèi)產(chǎn)生很高壓力，阻礙金屬塑性變形，導致金屬變脆。內(nèi)產(chǎn)生很高壓力，阻礙金屬塑性變形，導致金屬變脆。4 出現(xiàn)白點出現(xiàn)白點 白點是出現(xiàn)在焊縫金屬拉伸或彎曲試件的斷面上的一種白點是出現(xiàn)在焊縫金屬拉伸或彎曲試件的斷面上的一種白色園形斑點，中心含有微細氣孔或夾雜物，周圍則為銀白色的白色園形斑點，中心含有微細氣孔或夾雜物，周圍則為銀白色的脆化部分，其形狀類似魚眼珠中的白點。脆化部分，其形狀類似魚眼珠中的白點。它主要是在外力作用下，它主要是在外力作用下，氫在微小氣孔或夾雜物處的集結造成脆化。氫在微小氣孔或夾雜物

52、處的集結造成脆化。（四）控制氫的措施（四）控制氫的措施1 限制焊接材料中的含氫量限制焊接材料中的含氫量 制造焊條、焊劑及藥芯焊絲的各種原材制造焊條、焊劑及藥芯焊絲的各種原材料，如有機物、天然云母、水玻璃、鐵合金等，都不同程度地含料，如有機物、天然云母、水玻璃、鐵合金等，都不同程度地含有吸附水、結晶水、化合水或溶解的氫。因此，在制造低氫或超有吸附水、結晶水、化合水或溶解的氫。因此，在制造低氫或超低氫（低氫（HTm時，氣相中氧的分壓時，氣相中氧的分壓PO2遠大于遠大于FeO的分解壓的分解壓PO2。高溫時，高溫時，CO2也是很強的氧化劑也是很強的氧化劑。當當T=3000 K時，時，PO2=20.3k

53、Pa，(即即0.2 atm)，氣相中氧的分壓，氣相中氧的分壓約等于空氣中氧的分壓；約等于空氣中氧的分壓；當當T3000 K時，時，CO2的氧化性超過了空氣。的氧化性超過了空氣。2FeOCOFeCO2lglgCOFeOCOK 4 H2O氣對金屬的氧化氣對金屬的氧化 水蒸氣分解既使焊縫金屬增氫，又使液體鐵及其他合金元素氧化，水蒸氣分解既使焊縫金屬增氫，又使液體鐵及其他合金元素氧化，其反應式及平衡常數(shù)又表示如下：其反應式及平衡常數(shù)又表示如下：22HFeOFeOH氣5.5/10200lglg22TOHFeOHK當溫度升高時，當溫度升高時，H2O的氧化性增強。的氧化性增強。在液態(tài)鐵存在的溫度下，在液態(tài)鐵

54、存在的溫度下，CO2氧化性大于氧化性大于H2O的氧化性。的氧化性。氣相中含有較多的氣相中含有較多的H2O時，僅僅進行脫氧并不能保證焊縫質量，時，僅僅進行脫氧并不能保證焊縫質量，必須同時去氫或減少必須同時去氫或減少H2O的來源。的來源。5 混合氣體對金屬的氧化混合氣體對金屬的氧化(1)手工電弧焊時，焊接區(qū)的氣相是多種氣體的混合物。手工電弧焊時，焊接區(qū)的氣相是多種氣體的混合物。(2)鈦鐵礦型焊條析出的氣體在接近熔池結晶溫度鈦鐵礦型焊條析出的氣體在接近熔池結晶溫度(2000 K)時，時，是還原性的；在是還原性的；在2500K以上時，是氧化性的。以上時，是氧化性的。(3)低氫型焊條析出氣體，高于熔池結

55、晶溫度時，都是氧化性低氫型焊條析出氣體，高于熔池結晶溫度時，都是氧化性的。的。電弧氣氛中氧的分壓電弧氣氛中氧的分壓PO2和和FeO的分解壓的分解壓(l01kPa)(2)氣體保護焊，改善電弧電、熱和工藝特性，采用混合氣體。氣體保護焊，改善電弧電、熱和工藝特性，采用混合氣體。ArO2，ArCO2，ArO2CO2，O2CO2。O（與與100g金屬反應的總氧量金屬反應的總氧量）作為評定混合氣體氧化能力指標。）作為評定混合氣體氧化能力指標。（三）氧對焊接質量的影響（三）氧對焊接質量的影響氧在焊縫金屬中以氧在焊縫金屬中以溶解狀態(tài)和氧化物夾雜溶解狀態(tài)和氧化物夾雜兩種形式存在，焊縫兩種形式存在，焊縫含氧量是指

56、總的含氧量。一般溶解在鋼中的氧很少，絕大部分氧含氧量是指總的含氧量。一般溶解在鋼中的氧很少，絕大部分氧是以夾雜物的形式存在的。是以夾雜物的形式存在的。1 1 焊縫的強度、塑性、韌性明顯下降焊縫的強度、塑性、韌性明顯下降；尤其是焊縫金屬的低溫沖；尤其是焊縫金屬的低溫沖擊韌度急劇下降，引起焊縫金屬的時效硬化、熱脆及冷脆等、以擊韌度急劇下降，引起焊縫金屬的時效硬化、熱脆及冷脆等、以及物理及化學性能的變化。及物理及化學性能的變化。2 形成氣孔：形成氣孔：在熔池階段，溶解的氧與碳發(fā)生冶金反應，反應產(chǎn)在熔池階段，溶解的氧與碳發(fā)生冶金反應，反應產(chǎn)物是不溶于金屬的物是不溶于金屬的CO。如果在熔池進行凝固時。如

57、果在熔池進行凝固時CO氣泡來不及逸氣泡來不及逸出，就會形成出，就會形成CO氣孔。氣孔。3 燒損的有益合金元素，從而使焊縫金屬的性能變壞。燒損的有益合金元素，從而使焊縫金屬的性能變壞。4 形成飛濺形成飛濺 在熔滴中所進行的氧與碳的冶金反應，生成在熔滴中所進行的氧與碳的冶金反應，生成CO受熱受熱膨脹，造成熔滴爆炸，形成飛濺，破壞了焊接過程的穩(wěn)定性。膨脹，造成熔滴爆炸，形成飛濺，破壞了焊接過程的穩(wěn)定性。（四）控制氧的措施（四）控制氧的措施控制氧的措施是預防和脫氧。控制氧的措施是預防和脫氧。(1)采用純度高的焊接材料采用純度高的焊接材料 盡量采用不含或少含氧量的焊接材料。盡量采用不含或少含氧量的焊接材

58、料。例如，采用低氧或無氧焊條、焊劑；采用高純度的惰性氣體作為例如，采用低氧或無氧焊條、焊劑；采用高純度的惰性氣體作為保護氣體；真空條件下焊接，可以降低焊縫金屬含氧量。保護氣體；真空條件下焊接，可以降低焊縫金屬含氧量。(2)控制焊接工藝參數(shù)控制焊接工藝參數(shù) 增加電弧電壓使空氣容易侵入電弧，并且增加電弧電壓使空氣容易侵入電弧，并且增加了氧與熔滴接觸的時間，致使焊縫含氧量增加。為了減少焊增加了氧與熔滴接觸的時間，致使焊縫含氧量增加。為了減少焊縫合氧量應盡量采用短弧焊。縫合氧量應盡量采用短弧焊。(3)采用冶金方法進行脫氧采用冶金方法進行脫氧 通過向焊絲或焊條藥皮中加入某種合通過向焊絲或焊條藥皮中加入某

59、種合金元素，使這些合金元素在焊接過程中被氧化，從而保護被焊金金元素，使這些合金元素在焊接過程中被氧化，從而保護被焊金屬及其合金元素不被氧化。屬及其合金元素不被氧化。第三節(jié)第三節(jié) 焊接熔渣焊接熔渣一、焊接熔渣一、焊接熔渣（一）熔渣的作用、成分及分類（一）熔渣的作用、成分及分類1 熔渣在焊接過程中的作用熔渣在焊接過程中的作用（1）機械保護作用：）機械保護作用：液態(tài)熔渣覆蓋在熔滴和熔池的表面上，把液液態(tài)熔渣覆蓋在熔滴和熔池的表面上，把液態(tài)金屬與空氣隔離開，保護液態(tài)金屬不被氧化和氮化。熔渣凝固態(tài)金屬與空氣隔離開，保護液態(tài)金屬不被氧化和氮化。熔渣凝固后所形成的渣殼覆蓋在焊縫金屬上，使高溫的焊縫金屬不受空

60、氣后所形成的渣殼覆蓋在焊縫金屬上，使高溫的焊縫金屬不受空氣的侵害。的侵害。（2）冶金處理作用：）冶金處理作用：熔渣可以去除焊縫中的有害雜質，如脫氧、熔渣可以去除焊縫中的有害雜質，如脫氧、脫硫、脫磷、脫氫；向焊縫金屬過渡有益合金元素。脫硫、脫磷、脫氫；向焊縫金屬過渡有益合金元素。（3）改善焊接工藝性能：）改善焊接工藝性能：在熔渣中加入某些物質可以使電弧容易在熔渣中加入某些物質可以使電弧容易引燃、穩(wěn)定燃燒，減少飛濺，以及獲得良好的焊縫成形等。引燃、穩(wěn)定燃燒，減少飛濺，以及獲得良好的焊縫成形等。2 焊接熔渣的成分和分類焊接熔渣的成分和分類（1）鹽型熔渣：）鹽型熔渣：由氟化鹽、氯酸鹽和不含氧的化合物組

61、成，如：由氟化鹽、氯酸鹽和不含氧的化合物組成，如：CaF2-NaF，CaF2-BaCl2-NaF，KCl-NaCl-Na3AlF6，BaF2-MgF2-CaF2-LiF等渣系。其特點是氧化性很小，等渣系。其特點是氧化性很小，用于鋁、鈦和用于鋁、鈦和其他化學活性金屬及其合金的焊接，也可用于含活性元素的高其他化學活性金屬及其合金的焊接，也可用于含活性元素的高合金鋼的焊接。合金鋼的焊接。（2）鹽）鹽-氧化物型熔渣：氧化物型熔渣：鹽鹽-氧化物型熔渣由氟化物和強金屬氧化氧化物型熔渣由氟化物和強金屬氧化物組成，如：物組成，如：CaF2-CaO-Al2O3、CaF2-CaO-SiO2，CaF2-CaO-Al

62、2O3-SiO2等渣系。此類等渣系。此類熔渣的氧化性比較小，可用于焊接合熔渣的氧化性比較小，可用于焊接合金鋼。金鋼。（3）氧化物型熔渣：）氧化物型熔渣：氧化物型熔渣由金屬氧化物組成，如；氧化物型熔渣由金屬氧化物組成，如；MnO-SiO2、FeO-MnO-SiO2、CaO-TiO2-SiO2等渣系都是氧化等渣系都是氧化物型熔渣。其特點是含有較多的弱氧化物，如物型熔渣。其特點是含有較多的弱氧化物，如MnO、SiO2等，等，因此氧化性較強。因此氧化性較強。主要用于焊接低碳鋼和低合金鋼。主要用于焊接低碳鋼和低合金鋼。（二）焊接熔渣的結構理論（二）焊接熔渣的結構理論1 分子理論分子理論 要點如下：要點如

63、下：1）液態(tài)熔渣由不帶電的分子組成。）液態(tài)熔渣由不帶電的分子組成。包括氧化物分子，包括氧化物分子，CaO、SiO2等；復合物的分子，如等；復合物的分子，如CaOSiO2、MnO.SiO2等；硫化物；氰化等；硫化物；氰化物的分子等。物的分子等。2）氧化物及其復合物處于平衡狀態(tài)。）氧化物及其復合物處于平衡狀態(tài)。例如在熔渣中進行著如下反例如在熔渣中進行著如下反應：應：CaO+SiO2CaOSiO23)只有自由氧化物才能參與和液態(tài)金屬的反應。只有自由氧化物才能參與和液態(tài)金屬的反應。例如只有渣中的自由氧化物例如只有渣中的自由氧化物FeO才能參與如下的反應：才能參與如下的反應：(FeO)+C=Fe+CO

64、而復合物而復合物(FeO)2SiO2中的中的FeO不能參與上述反應。不能參與上述反應。2 離子理論離子理論 1）液態(tài)熔渣是由陽離子和陰離子組成的電中性溶液。）液態(tài)熔渣是由陽離子和陰離子組成的電中性溶液。電負性大的元素以陰離子形式存在；電負性大的元素以陰離子形式存在；電負性小的元素形成陽離子；電負性小的元素形成陽離子；Si、Al、B等，形成復雜陰離子，等，形成復雜陰離子，SiO4-，Si3O96-，Al3O75-。2）離子的分布、聚集和相互作用取決于它的綜合矩）離子的分布、聚集和相互作用取決于它的綜合矩(綜合矩綜合矩=Z/r)。離子的綜合矩越大，靜電場越強，與其他離子的作用力也就越大。離子的綜合

65、矩越大，靜電場越強，與其他離子的作用力也就越大。3）熔渣與金屬的作用是熔渣中離子與金屬原子交換電荷的過程。）熔渣與金屬的作用是熔渣中離子與金屬原子交換電荷的過程。)(2 2)(24SiFeFeSi（三）焊接熔渣的性質與結構（三）焊接熔渣的性質與結構1 熔渣的堿度熔渣的堿度(1)分子理論分子理論分子理論分子理論定義熔渣堿度定義熔渣堿度：B1時為堿性渣；時為堿性渣；B=1時為中性渣；時為中性渣；B1時為堿性渣；時為堿性渣；B1=1為中性渣；為中性渣；B11為酸性渣。為酸性渣。摩爾分數(shù)摩爾分數(shù)(2)離子理論離子理論 堿度的定義與計算堿度的定義與計算 將液態(tài)熔渣中自由氧離子濃度（或氧離子活度）定義為堿

66、度。將液態(tài)熔渣中自由氧離子濃度（或氧離子活度）定義為堿度。焊接焊接熔渣中自由氧離子濃度越大，熔渣的堿度就越大。熔渣中自由氧離子濃度越大，熔渣的堿度就越大。溶渣堿度計算公式為：溶渣堿度計算公式為：niiiMB12B20時為堿性渣。時為堿性渣。i渣中第渣中第i種氧化物堿度系數(shù)種氧化物堿度系數(shù)Mi渣中第渣中第i種氧化物摩爾分數(shù)種氧化物摩爾分數(shù)(1)溫度對粘度的影響溫度對粘度的影響 隨著溫度的升高，熔渣粘度下降。隨著溫度的升高，熔渣粘度下降。酸性渣粘度曲線下降比較緩慢；堿性渣粘度曲線下降比較迅速。酸性渣粘度曲線下降比較緩慢；堿性渣粘度曲線下降比較迅速。1-堿性渣堿性渣2-含含SiO2多的酸性渣多的酸性渣 2 熔渣的粘度熔渣的粘度當兩種渣的度都變化當兩種渣的度都變化時：時：含含SiO2多的酸性渣對應的溫度變化多的酸性渣對應的溫度變化T2較大，即凝固時間長，較大，即凝固時間長，稱為長稱為長渣。渣。長渣不適了仰焊。長渣不適了仰焊。而堿性渣粘度變化而堿性渣粘度變化時，對應的時，對應的溫度變化溫度變化T1較小，即凝固時間短，較小，即凝固時間短，稱為稱為短渣短渣。低氫型和氧化鈦型焊條。低氫型和氧化鈦型焊條