第一章 焊接化學冶金

第一章焊接化學冶金1主要內容第一節(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)熔渣對金屬的作用第四節(jié)合金過渡2焊接化學冶金的概念在熔焊過程中，焊接區(qū)內各種物質之間在高溫下相互作用的過程研究目的運用這些規(guī)律合理地選擇焊接材料，控制焊縫金屬的成分和性能使之符合使用要求，設計創(chuàng)造新的焊接材料3第一節(jié)焊接化學冶金過程的特點一、焊條熔化及熔池形成（一）焊條的加熱及熔化1.加熱方式①電阻加熱：使焊芯發(fā)熱，應加以控制②電弧加熱：用約20~30%的電弧功率加熱焊材焊條端部藥皮表面的溫度可達600℃左右，冶金反應焊接結束時，焊芯溫度不超過600~650℃2.焊條金屬的熔化①焊條金屬的熔化速度4a.焊條金屬的平均熔化速度

gM=G/t=αPI

gM——焊條金屬的平均熔化速度（g/h）G——焊芯熔化量（g）t——電弧燃燒的時間（h）I——焊接電流（A）αP——焊條的熔化系數(shù)（g/(A?h)b.焊條金屬的平均熔敷速度

gD=GD/t=αHI

gD——焊條金屬的平均熔敷速度（g/h）GD——熔敷到焊縫金屬中的金屬質量（g）αH——焊條的熔敷系數(shù)（g/(A?h)），真正反映焊接生產率的指標c.損失系數(shù)：飛濺、氧化、蒸發(fā)

Ψ=(G–GD)/G=1-αH/αP5②焊條金屬的瞬時熔化速度③焊條熔滴的過渡特性熔滴：在電弧熱的作用下，焊條端部熔化形成的滴狀液態(tài)金屬稱為熔滴。熔滴過渡：當熔滴長大到一定尺寸時，在各種力的作用下脫離焊條，以滴狀的形式過渡到熔池中去，然后周而復始。熔滴過渡特性對焊接過程的影響：焊接過程的穩(wěn)定性、焊接冶金、焊縫成形a.短路過渡：電弧空間＜熔滴滴落長度b.顆粒過渡：重力+電磁斥力>表面張力c.射流過渡：電流增大時d.旋轉射流過渡：電流進一步增大時e.附（渣）壁過渡：埋弧焊時6④熔滴的比表面積

R—熔滴半徑R減小，熔滴細化，可增大比表面積，有利于加強冶金反應（增大焊接電流、藥皮加表面活性物質等）S相當大，可達103~104cm2/kg。7⑤熔滴的相互作用時間（平均作用時間）

mcp—熔滴平均質量；gcp—平均熔化速度；m0—熔滴脫落后殘留在焊條端部的液態(tài)金屬質量；

mtr—單滴質量；τ—熔滴長大時間。τcp在0.01~1.0S內變化8⑥熔滴的溫度平均溫度為1800~2400℃（手工電弧焊接低碳鋼）隨焊接電流的增加而升高，隨焊絲直徑的增加而降低9熔渣的過渡以薄膜的形式包在熔滴外面或夾在熔滴內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（藥皮厚度大時）熔渣的平均溫度不超過1600℃10（二）焊接熔池的形成1.熔池的概念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幾何形狀的液體金屬。經(jīng)過一定的過渡時期后，熔池進入準穩(wěn)定期，形狀、尺寸、質量不再變化，僅與母材的種類、焊接工藝參數(shù)有關，并隨熱源作同步運動。2.熔池的形狀不標準的半橢球其輪廓為溫度等于母材

熔點的等溫面圖1-3焊接熔池形狀示意圖113.熔池的參數(shù)①最大深度：Hmax②最大寬度：Bmax③長度：L=P2q=P2IU

（P2為與焊接方法及電流相關的變量，mm/kw）④最大橫截面積：FM=K1E（K1為與溫度相關的參數(shù)，E為線能量）12⑤熔池質量手工電弧焊：0.6-16g，多數(shù)情況下小于5g埋弧焊：＜100g⑥熔池表面積：1-4cm2⑦熔池的比表面積：（0.3~13）×10-3m2/kg，遠小于熔滴的比表面積⑧熔池存在時間：t=L/ν（ν—焊接速度），幾秒到幾十秒之間，熔池中各種物化反應的時間短暫，但比熔滴階段長⑨熔池溫度：1770±100℃134.熔池中液態(tài)金屬的運動①熔池中發(fā)生運動的原因首先是溫度分布不均勻性所造成的自由對流運動，液體從高溫區(qū)流向低溫區(qū)②由于表面張力差造成的對流，液體從高溫區(qū)流向低溫區(qū)③各種機械力的攪拌作用（如氣流吹力，電磁力，離子沖擊力，熔滴沖擊力等）14二、焊接過程中對金屬的保護焊接化學冶金的任務①對焊接區(qū)實施保護，免受空氣侵害②熔化金屬，冶金處理，獲得所要求的焊縫成型和性能151.光焊絲焊接時[N]增加20~45倍，[O]增加7~35倍，[Mn]、[C]蒸發(fā)、氧化損失產生氣孔，導致塑性韌性下降，不實用2.保護方法藥皮、焊劑、藥芯、保護氣體、自保護等3.保護效率與保護方法相關，一般惰性氣體保護效果較好16三、焊接冶金學反應區(qū)及其反應條件

（以手工電弧焊為例）17（一）藥皮反應區(qū)1.產生的氣體①100~1200℃：水分蒸發(fā)、某些物質的分解、鐵合金的氧化a.<100℃

吸附水分蒸發(fā)b.>200~400℃

排除結晶水c.>400℃

排除化合水②有機物的分解和燃燒：產生CO2、CO、H2③碳酸鹽的分解（大理石CaCO3、菱苦土MgCO3）：產生CO2④高價氧化物分解（赤鐵礦Fe2O3、錳礦MnO2）：產生O2182.產生的氣體對熔化金屬有機械保護作用3.產生的氣體對鐵合金（Mn-Fe、Si-Fe、Ti-Fe）有很大的氧化作用①在溫度大于600℃的條件下：2Mn+O2=2MnOMn+CO2=MnO+COMn+H2O=MnO+H2②結果使氣相的氧化性大大降低，達到“先期脫氧”的作用4.產生熔渣19（二）熔滴反應區(qū)1.特點①熔滴溫度高：1800~2400℃，過熱度很大，達到300～900℃；最高溫度約2800℃，接近鋼的沸點②熔滴比表面積大，103~104cm2/kg：一般比煉鋼時大1000倍③反應接觸時間短：熔滴存在時間短，內部又存在流動④熔滴金屬與熔渣發(fā)生強烈的混合：熔滴內包含著熔渣質點，尺寸可達50μm，相互接觸面積大，反應物與產物充分交流，反應速度加快總之，熔滴反應區(qū)反應時間較短，但溫度高，相互接觸面積大，反應最為激烈，對焊縫的影響最大202.主要冶金反應氣體的分解和溶解金屬的氧化、還原焊縫金屬的合金化金屬蒸發(fā)反應時間短，一般小于1秒，不利于冶金反應達到平衡狀態(tài)21（三）熔池反應區(qū)熔滴和熔渣落入熔池后，各相進一步發(fā)生物化反應，直至金屬凝固，形成焊縫金屬。1.熔池反應區(qū)的物理條件①熔滴金屬和部分熔渣與熔化的母材充分混合②熔池的平均溫度較低（1600~1900℃）③比表面積小（3~130cm2/kg）④時間從幾秒到幾十秒⑤溫度分布不均（在熔池頭部的反應可能與尾部不一樣），例如在熔池的前部發(fā)生金屬的熔化、氣體的吸收，并有利于發(fā)展吸熱反應；而在熔池的后部卻發(fā)生金屬的凝固、氣體的逸出，并有利于發(fā)展放熱反應。此外，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雜物的外逸創(chuàng)造了有利條件。222.熔池反應區(qū)的化學條件①熔池反應體系中各相濃度接近平衡濃度，反應速度?、谌鄢胤磻镔|處在連續(xù)更新過程中，且維持準穩(wěn)定狀態(tài)3.熔池反應區(qū)物化反應的特點①熔池階段的反應速度比熔滴階段小，并且在整個反應過程中的貢獻也較小②主要化學冶金反應同熔滴階段，但程度和方向有可能改變③反應時間長，對流和攪拌現(xiàn)象的存在利于熔池成分的均勻化和冶金反應的進行，對焊縫化學成分具有決定性影響23四、焊接工藝條件與化學冶金的關系焊接化學冶金過程與焊接工藝條件有密切的聯(lián)系。改變焊接工藝條件（如焊接方法、焊接工藝參數(shù)等）必然引起冶金反應條件（反應物的種類、數(shù)量、溫度、反應時間等）的變化，因而也就影響到冶金反應的過程。（一）熔合比的影響1.熔合比的定義：一般熔焊時，焊縫金屬是由填充金屬和局部熔化的母材組成的。在焊縫金屬中局部熔化的母材所占的比例稱為熔合比，可用試驗的方法測得。24θ——為熔合比Ap——焊縫截面中母材所占的面積Ad——焊縫截面中填充金屬所占的面積25Y形坡口26U形坡口27雙V形坡口28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（焊絲）的傾角等因素。2.熔合比對焊縫金屬的影響

當母材和填充金屬的成分不同時，熔合比對焊縫金屬的成分有很大的影響。假設焊接時合金元素沒有任何損失，則這時焊縫金屬中的合金元素濃度稱為原始濃度，它與熔合比的關系為：C0=θCb+(1-θ)Ce

C0——某元素在焊縫金屬中的原始質量百分濃度（%）；

Cb——該元素在母材中的質量百分濃度（%）；

Ce——該元素在焊條中的質量百分濃度（%）；

θ——熔合比。293031熔合比的應用：堆焊時，盡可能小，以減少BM成分對堆焊層的影響。當母材雜質較多時，應小一點，可減少焊縫金屬中的雜質。異種鋼焊接時，要根據(jù)熔合比來選擇焊接材料。（二）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，因此對冶金反應也必然會發(fā)生影響。熔滴的過渡特性不同，意味著熔滴階段的反應時間不同：細顆粒短路過渡時反應時間短，不充分，合金元素損失小；大顆粒時反應時間長，反應充分，合金元素損失大。32U↑，I↓→熔敷金屬中的Si%↑I↑→

熔滴存在時間↓→反應進行程度↓U↑→

熔滴存在時間↑→反應進行程度↑五、焊接化學冶金系統(tǒng)及其不平衡性1.化學冶金系統(tǒng)焊接冶金系統(tǒng)是一個復雜的高溫多相反應系統(tǒng)。①手工焊、埋弧焊：液態(tài)金屬—熔渣—氣相②氣體保護焊：氣相—液態(tài)金屬③電渣焊：渣—液態(tài)金屬2.不平衡性焊接區(qū)的不等溫條件條件導致了整個系統(tǒng)的非平衡性，導致焊縫最終成分遠離凝固平衡溫度下的成分因此，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，但是作定性分析是有益的。33第二節(jié)氣體對金屬的作用一、焊接區(qū)內的氣體（一）氣體的來源及產生1.來源：焊材本身（造氣劑及高價氧化物、水）、銹及油污、空氣侵入（約占3%）2.產生①有機物分解:纖維素約220~250℃開始分解，與水玻璃混合時，分解溫度會更低，反應產物主要是CO2，少量CO、H2、烴類及水氣。34②碳酸鹽的分解a.空氣中:分解物

開始

劇烈

CaCO3

545℃ 910℃ MgCO3

325℃ 650℃b.BaCO3分解溫度比CaCO3高c.白云石CaMg(CO3)2分解分兩步進行：CaMg(CO3)2=CaCO3+MgO+CO2

CaCO3=CaO+CO2d.焊條烘干溫度：含CaCO3的焊條＜450℃含MgCO3的焊條＜300℃含有機物的焊條＜200℃35③高價氧化物的分解6Fe2O3=4Fe3O4+O22Fe3O4=6FeO+O24MnO2=2Mn2O3+O26Mn2O3=4Mn3O4+O22Mn3O4=6MnO+O2④材料的蒸發(fā)沸點較低的Zn、Mg、Pb、Mn，氟化物AlF3、KF、LiF、NaF等使氣相的成分復雜化，造成合金元素的損失，產生焊接缺陷，增加焊接煙塵，污染環(huán)境，影響焊工身體健康。36（二）氣體的分解1.簡單氣體

反應方程式

⊿H（kJ／mol）

N2=N+N -712.4 O2=O+O -489.9 H2=H+H -433.9 H2=H+H++e（發(fā)生電離） -1745單原子氣體三種電離方式：熱電離、碰撞電離、光電離（依次要求的溫度降低）372.復雜氣體的分解

反應方程式

⊿H（kJ／mol）

分解溫度

CO2

=CO+O2 -282.8 4000K H2O

=H2+O2 -483.2 ＜4500K H2O

=OH+H2 -532.0 ＞4500K H2O

=H2+O -977.3 更高溫度 H2O

=2H+O -1803.3 更高溫度383.氣相的成分及分布（如表1-12）主要成分：CO2、CO、H2、H2O、N2、O2低氫型焊條：H2、H2O很少分布不均勻39二、氮（N）對金屬的作用1.N的來源與溶解①來源：周圍空氣污染。盡管焊接時采取了保護措施，但總有或多或少的氮侵入焊接區(qū)與熔化金屬發(fā)生作用。根據(jù)氮與金屬作用的特點，大致可分為兩種情況：1）不與氮發(fā)生作用的金屬，如銅和鎳等，他們既不溶解，又不形成氮化物，因此焊接這一類金屬可用氮作為保護氣體；2）與氮發(fā)生作用的金屬，如鐵、鈦等既能溶解氮，又能與氮形成穩(wěn)定的氮化物，因此焊接這一類金屬及合金時，防止焊縫金屬的氮化是一個重要的問題。40②氮在金屬中的溶解：氣體分子向氣體與金屬界面上運動；氣體被金屬表面吸附；吸附的氣體在金屬表面上分解為原子；氣體原子穿過表面層，并向金屬深處擴散。這個過程不受電場影響，屬于純化學溶解。氮在金屬中的溶解反應可表示為：N2=2[N]氮在金屬中的溶解度SN（平衡時的含量）：式中—氮溶解反應的平衡常數(shù)，取決于溫度和金屬的種類；—氣相中分子氮的分壓。

以上公式稱為平方根定律（SilvertLaw），即氣體在鋼中的溶解度與它在氣相中的分壓的平方根成正比?？梢钥闯觯档蜌庀嘀械姆謮嚎梢詼p少金屬中的含氮量。

41③溶解度的影響因素a.成分：鐵中加C、Si、Ni，原子將占據(jù)間隙，溶解度下降；加入V、Nb、Cr、Ta，將形成氮化物沉淀，溶解度升高b.電弧焊時熔化金屬的含氮量高于溶解度的主要原因在于：電弧中受激的氮分子，特別是氮原子的溶解速度比沒受激的氮分子要快得多；電弧中的N+可在陰極溶解；在氧化性電弧氣氛中形成NO，遇到溫度較低的液態(tài)金屬它分解為N和O，N迅速溶于金屬。因此，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）。4243c.溶解度與溫度的關系（如圖1-16）2.N對焊接質量的影響：在碳鋼焊縫中氮是有害雜質①生成氣孔：是促使焊縫產生氣孔的主要原因之一。液態(tài)金屬在高溫時可以溶解大量的氮，而在其凝固時氮的溶解度突然下降。過飽和的氮以氣泡的形式從熔池向外逸出，當焊縫金屬的結晶速度大于它的逸出速度時，就形成氣孔。例如，因保護不良在手弧焊的引弧端和弧坑處產生的氣孔，一般都與氮有關。44②生成Fe4N（脆化）：氮是提高低碳鋼和低合金鋼焊縫金屬強度、降低塑性和韌性的元素。在室溫下α-Fe中氮的溶解度很小，僅為0.001%。如果熔池中含有較多的氮，則由于焊接時冷卻速度很大，一部分氮將以過飽和的形式存在于固溶體中，還有一部分氮以針狀氮化物（Fe4N）的形式析出，分布于晶界或晶內。因此使焊縫金屬的強度、硬度升高，而塑性和韌性，特別是低溫韌性急劇下降。45③時效脆化、回火脆性（固溶N）：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不穩(wěn)定狀態(tài)，隨著時間的延長，過飽和的氮將逐漸析出，形成穩(wěn)定的針狀Fe4N。使焊縫金屬的強度上升，塑性和韌性下降。④加入V、Ti、Al、Zr等時，可抑制時效，細化晶粒，增強強度463.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：氮不同于氧，一旦進入液態(tài)金屬就比較困難，所以控制氮的主要措施是加強保護，防止空氣與金屬作用。不同焊接方法的保護效果47焊條藥皮的保護作用，在很大程度上取決于藥皮的成分和數(shù)量。Kb增大，焊縫含氮量下降，但是不能過大，否則工藝性能變壞。加入造氣劑，形成氣渣聯(lián)合保護，可使焊縫的含氮量下降到0.02%以下。48②焊接工藝參數(shù)的影響：U增大（即增加電弧長度），導致保護變壞，氮與熔滴的作用時間增長，故使[N]增加。在熔渣保護不良的情況下，電弧長度對焊縫含氮量的影響尤其顯著。為減少焊縫中的氣體含量應盡量采用短弧焊。I增大，熔滴過渡頻率增加，N與熔滴作用時間減小，[N]減小。焊接速度對焊縫含氮量影響不大。在同樣條件下，增加焊絲直徑可使焊縫含氮量下降，這是由于熔滴變粗的緣故。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。49③合金元素（如圖1-23）焊絲或藥皮中的C含量增加可降低焊縫中的含N量C能降低N在鐵中的溶解度CO、CO2加強保護，降低N的分壓C氧化引起熔池沸騰，有利于N的逸出可用在堆焊中消除N氣孔Ti、Al、Zr和稀土元素，形成穩(wěn)定的N化物，不溶于液態(tài)鋼而進入熔渣；與O的親和力大，減少NO的含量，也可在一定程度上減少N含量自保護脫N的原理：在焊絲中加入以上元素加強保護是最有效的方法，其他均有很大的局限性50三、氫（H）對金屬的作用1.來源焊接材料中的水分、含氫物質及電弧周圍空氣中的水蒸氣等2.溶解①H與金屬元素的作用a.固態(tài)吸氫：與Zr、Ti、V、Ta、Nb等形成穩(wěn)定的氫化物，反應放熱，溫度越低，吸氫越大（防止固態(tài)下吸H）b.高溫溶解氫：與Al、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等不形成穩(wěn)定的氫化物，但是能溶于金屬及其合金中，反應吸熱，著重討論51②溶解途徑a.渣-液態(tài)金屬：溶解在渣中的H主要以OH-的形式存在H2O（氣）+O2-（自由氧離子）

=2（OH-）[O2-]↑（堿度越高），水在渣中的溶解度越大渣中有F-時，2OH-+F-=O2-+HF,降低了水在渣中的溶解度氫從熔渣到金屬的溶解：(Fe2+)+(OH-)=

[Fe]+2[O]+2[H][Fe]+2(OH-)=(Fe2+)+2(O2-)+2[H]2(OH-)=(O2-)+2[H]陽極處：(OH-)=[H]+[O]+e（溶解H）52b.氣-液態(tài)金屬分子態(tài)：滿足一般溶解規(guī)律

平方根定律（溶解度）：質子態(tài)：溶解度更高電弧焊時，大量H、H+存在，溶解度高得多熔滴階段吸氫比熔池階段多（溫度高）53③影響因素a.溫度（如圖1-25）b.合金元素（如圖1-27）c.組織(溶解度：γ>δα)543.焊縫中的氫及其擴散①H、H+、H-存在方式a.存在晶格中（間隙固溶體）——擴散氫，由于[H]半徑小，可擴散。三種擴散機理：“濃度擴散”、“相變誘導擴散”、“應力誘導擴散”b.存在缺陷處，形成H2，不能擴散——殘余氫c.形成化合物、氫化物②對Fe、Al、Ni、Cu等第二類金屬來說，擴散氫占到80%~90%，對Ti來說，大部分形成的是氫化物③擴散氫的含量隨時間的變化而逸出或形成H2，危害大。焊接接頭中，氫總是傾向于分布到應力集中的區(qū)域（如焊縫根部及焊縫邊界等），促進開裂。教材圖8-8。554.[H]對焊接質量的影響①氫脆（室溫脆化）：在室溫附近使鋼的塑性嚴重下降的現(xiàn)象。教材圖8-9。位錯運動→H→H2→顯微空腔內壓↑→氫脆②白點：碳鋼或低合金鋼，含氫量高，拉伸斷面上出現(xiàn)銀白色的圓形局部脆斷點。0.5~3mm塑變→夾渣或氣孔處H→H2→內壓↑→白點，Cr、Ni、Mo合金化焊縫較為敏感（鐵素體和奧氏體鋼不產生白點：前者溶解度小，擴散快，易于逸出；后者則是由于溶解度大、擴散慢）。③氣孔：熔池H含量較高，結晶過程析出H2→氣孔④冷裂紋：氫是冷裂的主要原因之一，第五章專門討論。565.控制氫的措施①控制原材料中的H2O②清除雜質及污染③冶金處理-高溫下生成不溶于液態(tài)金屬的氫化物（HF、OH）來降低焊縫的含氫量。在藥皮或焊劑中加入氟化物、適當提高熔池含氧量、加稀土等。a.氟化物去氫機理酸性渣中：SiO2活度大CaF2+SiO2=CaSiO3+SiF4(氣)SiF4+2H=SiF2+2HFSiF4+2H2O=SiO2

(氣)+4HF堿性渣中：堿度大CaF2(氣)+H2O=CaO+2HFCaF2(氣)+2H=Ca(氣)+2HF57NaF+HF=NaHF2KF+HF=KHF2

進入焊接煙塵，達到去氫目的。b.氧化去氫：適當提高熔池的含氧量，生成穩(wěn)定的OHCO2+H=CO+OHO+H=OHO2+H2

=2OHc.稀土去氫（Te、Se等）：降低擴散氫的含量④焊接工藝規(guī)范控制熔池存在時間和冷卻速度，可減少焊縫中的含H量⑤焊后脫氫處理：最有效350℃，保溫1小時58四、氧（O）對金屬的作用金屬中氧的分類①不溶解，只氧化，氧化物不溶于金屬中（如Al、Mg等）②既溶解，又氧化，氧化物溶于金屬中（如Fe、Ni、Cu、Ti等）來源：周圍空氣污染，材料中的含氧化合物59（一）氧在金屬中的溶解以原子氧和FeO兩種形式存在①溶解度：（平方根定律）②影響因素T↑→SO↑，教材圖8-10凝固時SO=0.16%γ相時SO=0.05%室溫時SO<0.001%，此時基本上以各種氧化物和碳酸鹽夾雜物的形式存在合金元素↑→SO

↑60（二）氧化性氣體對金屬的氧化焊接時金屬的氧化：是在各個反應區(qū)通過氧化性氣體（O2、CO2、H2O等）和活性熔渣與金屬相互作用實現(xiàn)的。1.金屬氧化還原方向的判據(jù)（1）金屬的氧化還原方向的判斷標準：金屬氧化物的分解壓與氣氛中氧的分壓比較（2）金屬氧化物的分解①(2/n)MmOn

=(2m/n)M+O2（唯一氣體）平衡時：61一定溫度下：固態(tài)或液態(tài)的、為常數(shù)，即為常數(shù)。因此：Kp′=PO2=Kp=f(T)，即金屬氧化物的分解壓PO2為該反應的平衡常數(shù)，可作為判據(jù)。②判斷體系中的氧分壓{pO2}與金屬氧化物分解壓PO2比較：{pO2}>pO2

金屬被氧化{pO2}=pO2

處于平衡狀態(tài){pO2}<pO2

金屬被還原（氧化物分解）62③pO2與T的函數(shù)（見圖1-46）除Cu、Ni外，F(xiàn)eO的分解壓最大，即最不穩(wěn)定。但是，實際上FeO不是純凝聚相，此時FeO的分解壓可表示為：一般在焊接溫度下FeO的分解壓下降，焊接過程中鐵更易氧化只要氣相中有微量的氧，即可使鐵氧化632.O2對金屬的氧化空氣中：{PO2}≈0.21atm>>PO2′，F(xiàn)e氧化嚴重電弧氣氛中({PO2}>PO2′）:溫度高[Fe]+1/2O2=FeO+26.97kJ/mol[Fe]+O=FeO+515.76kJ/mol（更激烈）C、Si、Mn的氧化：對氧的親和力比鐵大[C]+1/2O2=CO↑[Si]+O2=(SiO2)[Mn]+1/2O2=(MnO)643.CO2對金屬的氧化CO2分解得到{PO2}>>飽和FeO分解壓，3000℃其值接近空氣中的氧分壓，即高溫下它是強氧化劑CO2+[Fe]=CO+[FeO]lgK=-11576/T+6.855，T↑→K↑故熔滴階段氧化更激烈，CO2多，必須用Si、Mn脫氧焊不銹鋼時，還會出現(xiàn)增碳：

[Cr]+CO=(CrO3)+3[C][Al]+CO=Al2O3+[C]CO=CO2+[C]所以焊不銹鋼時應降低CO2的含量，或加入Cr2O3。654.H2O對金屬的氧化H2O+[Fe]=FeO+H2，lgK=-10200/T+5.5H2O在液鐵溫度下氧化性比CO2小，但是其帶來的氫嚴重影響焊縫的質量，故應嚴格控制H2O的來源。5.混合氣體的氧化根據(jù)室溫時氣相成分和氣體反應的平衡常數(shù)推算高溫時氣相成分，求出氧分壓，與氧化物的分解壓比較。目前評價氣體氧化能力的指標：金屬元素的氧化損失系數(shù)，即焊縫含氧量。66（三）氧對焊接質量的影響①強度、塑性、韌性下降②低溫沖擊韌性下降③產生熱脆、冷脆、時效硬化④影響物化性能⑤產生氣孔⑥影響電弧的穩(wěn)定性、飛濺等工藝性（四）控制氧的措施①降低焊材中的氧含量：惰性氣體保護，低氧、無氧焊條、焊劑②改善工藝性：短弧焊，加強保護減少與空氣的接觸③采取脫氧措施：冶金方法脫氧，焊接材料中加入脫氧劑，Si、Mn等。67第三節(jié)熔渣及其對金屬的作用一、焊接熔渣1.作用①機械保護：覆蓋在液態(tài)金屬上起隔離作用②改善工藝性：提高電弧的穩(wěn)定性，減少飛濺，促進脫渣、改善焊縫成型（加入金紅石——TiO2）③冶金處理作用:脫氧、脫硫、脫磷、去氫2.成分與分類①鹽型：氧化性很小，活性材料及高合金鋼焊接②鹽-氧化物：氧化性較小，合金鋼焊接③氧化物型：氧化性較強，低碳鋼及低合金鋼焊接683.熔渣的結構理論①分子理論以對凝固熔渣進行相及化學分析的結果為建立的依據(jù)A.理論要點：a.渣由分子組成，分為自由氧化物、結合氧化物及S化物，F(xiàn)化物等b.自由氧化物與結合氧化物處于平衡狀態(tài)，高溫時自由態(tài)占優(yōu)勢，低溫時結合態(tài)占優(yōu)勢c.只有自由氧化物才參與與熔融金屬的反應d.液態(tài)熔渣是一種理想熔體，適用于理想液態(tài)定律B.優(yōu)點：定性，可簡單解釋渣與金屬的反應C.缺點：無法解釋導電性69②離子理論（完全離子理論）A.理論要點：a.液態(tài)熔渣是由陰陽離子組成的中性材料，負電性大則為陰離子，負電性小為陽離子b.離子存在綜合矩，其值為離子電荷/離子半徑，c.綜合矩決定離子的分布、聚集和作用，綜合矩越大，靜電場越強，越易于與異號離子結合d.在熔渣內，綜合矩大的離子結合形成集團（近似有序結構），其中鹽基形成簡單均勻的離子溶液，氧化物則形成復雜的網(wǎng)絡結構e.冶金作用是彼此電化學過程（置換過程）B.優(yōu)點：合理的解釋了熔渣的導電性C.缺點：缺乏熱力學資料，未系統(tǒng)化70③熔渣的性質與結構關系A.熔渣堿度Ba.分子理論：R2O、RO——堿性氧化物（K2O、Na2O、CaO、MgO、BaO、MnO、FeO）摩爾數(shù)RO2——酸性氧化物（SiO2、TiO2、P2O5）摩爾數(shù)（中性氧化物有:Al2O3、Fe2O3、Cr2O3）B>1.3為堿性渣，B<1.3時為酸性渣更為準確的公式為：B1>1堿性渣，B1<1酸性渣，B1=1中性渣71b.離子理論觀點：堿度——自由氧離子的濃度(其中為氧離子的活度）日本森氏法：——第i種氧化物的堿度系數(shù)

Mi——第i種氧化物的摩爾分數(shù)判斷：B2>0，堿性；B2=0，中性；B2<0，酸性727374成分SiO2TiO2CaOMgOMnOFeOAl2O3質量分數(shù)w25.130.28.85.213.79.53.5相對分子量B60805640.37172102摩爾數(shù)C=w/B0.420.380.160.130.190.130.03摩爾分數(shù)xi=C/ΣC0.290.260.110.090.130.090.02于是：B2＝-6.31SiO2-4.97TiO2＋6.05CaO＋4MgO＋4.8MnO＋3.4FeO-0.2Al2O3

＝-1.16＜0故熔渣為酸性渣，焊條為酸性焊條。B.熔渣粘度（η）

a.概念：流體發(fā)生相對流動時，單位速度梯度下，作用在單位接觸面積上的內部摩擦力是熔渣的重要物理性質之一，對熔渣的保護效果、焊接工藝性能和化學冶金都有顯著的影響。控制熔渣的粘度是保證焊接過程正常進行的重要條件之一。b.影響因素

溫度：T↑，η↓；酸、堿渣情況不一樣成分：75C.熔渣的表面張力a.表面張力影響熔滴過渡、焊縫成型、脫渣及冶金反應b.實質：氣-渣界面張力，與化學鍵能有關（金屬鍵最大，離子鍵次之，共價鍵最小）c.焊接熔渣中加CaO、MgO、MnO、Al2O3等增大表面張力（離子鍵）；加TiO2、SiO2、B2O3等減少表面張力（共價鍵）；溫度升高，表面張力減小D.熔渣的熔點及導電性a.熔點：取決于藥皮的成分及顆粒度，一般說來藥皮中的難熔物增加和顆粒度增大，將導致熔渣的熔點增加。要求熔渣的熔點（或藥皮的熔點）與焊絲或母材的熔點匹配。

適于焊接鋼的熔渣熔點一般在1150~1350℃范圍內。b.導電性：固態(tài)不導電，液態(tài)導電，取決于熔渣中離子的活性76二、活性熔渣對焊縫金屬的氧化1.擴散氧化（1）熔渣液態(tài)金屬符合分配定律

分配系數(shù):L=[FeO]/(FeO)（2）酸性渣中（SiO2飽和）：lgL=-4096/T+1.877

堿性渣中（CaO飽和）：lgL=-5014/T+1.980（3）T↑→L↓，即在高溫時FeO向液態(tài)鋼中分配，此時以擴散氧化為主，主要發(fā)生在熔滴過渡階段和熔池高溫區(qū)。但是，在焊接溫度下，L>1，即FeO在渣中的分配量總是大一些。（4）

堿性渣中，根據(jù)分子理論，酸性氧化物少，所以FeO的活度大，易向金屬中擴散，使焊縫增氧。因此堿性焊條焊接時，對銹和氧化皮敏感，且藥皮中一般不加入含F(xiàn)eO的物質。相反，酸性渣含SiO2、TiO2等酸性氧化物較多，它們與FeO形成復合物（如FeOSiO2）使FeO的活度減小，故在熔渣中FeO含量相同的情況下，焊縫含氧量減少。（5）但并不意味著堿性焊條焊縫含氧量高，反而是更低，因為藥皮的氧化勢小。772.置換氧化如果熔渣中含有較多的易分解的氧化物，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。如低碳鋼焊絲配合高硅高錳焊劑（HJ431）埋弧焊時，

①熔渣中的SiO2、MnO等發(fā)生以下反應：結果是使焊縫增Si和增Mn，同時使Fe氧化，生成的FeO大部分進入熔渣，小部分溶于液態(tài)鋼，使焊縫增氧。溫度升高，K↑，故置換氧化主要發(fā)生在熔滴階段和熔池前部高溫區(qū)隨著溫度降低，熔池后部的低溫區(qū)已還原的Si和Mn被氧化，易生成夾雜②藥皮中含Al、Ti、Cr等元素時，置換氧化更明顯，反應產物使得焊縫非金屬夾雜物增多，含氧量升高。因此，高碳高強鋼的焊接應采用無SiO2藥皮。78三、焊縫金屬的脫氧1.脫氧的目的：減少焊縫中的含氧量2.選擇脫氧劑的原則①脫氧劑在焊接溫度下對氧的親和力比被焊金屬對氧的親和力大（如C、Al、Ti、Mn等）②脫氧產物不溶于液態(tài)金屬（密度小于液態(tài)金屬）③必須考慮脫氧劑對焊縫成分、性能以及焊接工藝性能的影響；且成本應低3.脫氧方式分區(qū)域連續(xù)進行，分為先期脫氧、沉淀脫氧和擴散脫氧。①先期脫氧a.在藥皮加熱階段，固態(tài)藥皮中進行的脫氧反應叫先期脫氧，其特點是脫氧過程和脫氧產物與熔滴不發(fā)生直接關系79b.Al、Ti、Si、Mn的先期脫氧反應為：Fe2O3+Mn=MnO+2FeOFeO+Mn=MnO+FeMnO2+Mn=2MnO2CaCO3+Ti=2CaO+TiO2+2CO3CaCO3+Al=3CaO+Al2O3+3CO2CaCO3+Si=2CaO+SiO2+2COCaCO3+Mn=CaO+CO+MnOc.反應的結果使氣相的氧化性減弱。由于Al和Ti對氧的親和力很大，它們在先期脫氧的過程中絕大部分被燒損，故它們沉淀脫氧的作用不大80d.碳（C）的先期脫氧問題C易被氧化[C]+[O]=CO

[C]+[CO2]=2CO加入Mn后[Mn]+[CO2]=MnO+COCO+Mn=C+MnO故C的先期脫氧取決于Mn/C的比及碳酸鹽當量先期脫氧的效果取決于脫氧劑對氧的親和力、它的粒度、氧化劑與脫氧劑的比例、焊接電流等因素。由于藥皮加熱階段溫度低，傳質條件差，先期脫氧是不完全的，需進一步脫氧。81②沉淀脫氧a.沉淀脫氧是在熔滴和熔池內進行的，其原理是溶解在液態(tài)金屬中的脫氧劑和FeO直接反應，把鐵還原沉入熔池，脫氧產物浮出液態(tài)金屬b.Mn的脫氧反應：在藥皮中加入適量的錳鐵或焊絲中含有較多的錳[Mn]+[FeO]=[Fe]+(MnO)增加金屬中的含錳量，減少渣中的MnO（或活度），可以提高脫氧效果，酸性焊條：采用Mn-Fe脫氧，脫氧效果好，產物為復合物Mn·SiO2、MnO·TiO2，從而使MnO的活度減小堿性焊條：由于MnO的活度大，不利于脫氧，且堿度越大，錳的脫氧效果越差。因此，不單獨用Mn-Fe脫氧相對于其他常用脫氧劑來說，錳是一種弱脫氧劑溫度下降（平衡常數(shù)K增大），Mn的脫氧能力增強，故一般在熔池的后部出現(xiàn)MnO的夾渣8283

SiO含量對Mn脫氧效果的影響

加入過量的Mn易造成焊縫夾雜：根據(jù)鋼液的濃度不同，其脫氧產物MnO和FeO既可形成液態(tài)產物，又可形成固態(tài)產物。出現(xiàn)液態(tài)或固態(tài)產物的臨界含Mn量取決于鋼液的溫度。顯然，在一定的溫度下，加入過多的Mn會形成固態(tài)產物。

c.Si的脫氧反應[Si]+2[FeO]=2[Fe]+(SiO2)提高熔渣的堿度和金屬中的含硅量，可以提高硅的脫氧效果硅的脫氧能力比錳大，但是生成的SiO2熔點高（1713℃>MnO,1580℃），通常處于固態(tài)，不易聚合為大的質點；同時SiO2與鋼液的界面張力小，潤濕性好，SiO2不易從鋼液中分離，所以易造成夾雜，因此一般不單獨用硅脫氧。84

d.硅錳聯(lián)合脫氧把錳和硅按適當比例加入金屬中進行聯(lián)合脫氧時，可以得到較好的脫氧效果當[Mn]/[Si]＝3~7時，脫氧產物可形成硅酸鹽MnO·SiO2

，它的密度?。?.10g/cm3），熔點低（1326℃），在鋼液中處于液態(tài)。因此容易聚合為半徑大的質點，浮到渣中去，減少焊縫中的夾雜物，從而降低焊縫中的含氧量。CO2焊絲常用該脫氧方法：[Mn]/[Si]＝1.5~3，典型焊絲H08Mn2SiA85③擴散脫氧a.L=(FeO)/[FeO],T↓→L↑b.擴散脫氧一般發(fā)生在熔池后部的低溫區(qū)，關鍵在于降低渣中FeO的活度酸性渣：FeO·SiO2、FeO·TiO2，使（FeO）的活度下降，有利于擴散脫氧。堿性渣：FeO活度大，其擴散脫氧的能力比酸性渣差。熔渣中的脫氧劑可降低FeO的活度，可以加強擴散脫氧。焊接時熔池和熔渣發(fā)生強烈的攪拌運動，并在氣體的吹力作用下熔渣不斷地向熔池后部運動，“沖刷”熔池，把脫氧產物帶到熔渣中去。這不僅有利于沉淀脫氧，而且有利于擴散脫氧。擴散脫氧的優(yōu)點是不會因脫氧而造成夾雜。但是在焊接條件下，冷速大，擴散時間短，氧的擴散又慢，因此擴散脫氧是不充分的。86四、焊縫金屬中硫和磷的控制（一）硫1.危害①FeS危害最大，可與液態(tài)鐵無限互溶，但是在室溫下它在固態(tài)鐵中的溶解度僅為0.015~0.02%，這樣在凝固時它容易發(fā)生偏析，生成低熔點共晶，以片狀或鏈狀分布在晶界：FeS+Fe 985℃FeS+FeO 940℃NiS+FeO 644℃②當含C量高時，會促進S的偏析，增加其危害性③增加了焊縫金屬產生結晶裂紋的傾向，同時還會降低沖擊韌性和抗腐蝕性872.硫的控制①降低原材料中的S如母材、焊絲、藥皮或焊劑中的硫②脫硫：選擇對硫親和力比鐵大的元素進行脫硫，但不用Ce、Ca、Mg等元素，它們與氧的親和力更大，首先將被氧化。用Mn：[Mn]+[FeS]=(MnS)+[Fe]

MnS不溶于鋼液，大部分進入熔渣，少量的殘留在焊縫中形成硫化物或氧硫化物夾雜，但是MnS熔點高（1610℃），夾雜物以點狀彌散分布，危害較小。用MnO、CaO、MgO等：生成MnS、CaS、MgS進入渣中增加渣的堿度，降低（FeO）含量，有利于脫硫加入CaF2，可降低粘度，有利于S離子擴散，形成SF6，有利于脫硫用稀土元素：脫硫，改變硫化物夾雜的尺寸、形態(tài)和分布，提高焊縫的韌性。88二、磷1.危害①在液態(tài)鐵中可溶解較多的磷，主要以Fe2P和Fe3P的形式存在，而磷在固態(tài)鐵中的溶解度只有千分之幾。②形成低熔點共晶：Fe3P+Fe （1050℃）Ni3P+Fe （880℃）③在熔池快速凝固時，磷發(fā)生偏析，產生Fe3P常分布在晶界，減弱了晶粒之間的結合力，同時它本身又硬又脆。這增加了焊縫金屬的冷脆性，即沖擊韌度降低。焊接奧氏體鋼或低合金鋼焊縫含碳量高時，磷也促使形成結晶裂紋。2.控制措施①限制母材、填充金屬、藥皮和焊劑中的含磷量（主要來源：藥皮和焊劑中的錳礦，含磷量約為0.22%，以(MnO)3·P2O5形式存在）89②脫磷

：第一步，F(xiàn)eO將P氧化成P2O5，第二步使之與渣中的堿性氧化物生成穩(wěn)定的磷酸鹽。2[Fe3P]+5(FeO)=(P2O5)+11[Fe](P2O5)+(CaO)=((CaO)3·P2O5)(P2O5)+(CaO)=((CaO)4·P2O5)加CaF2有利于脫P（降低粘度有利于物質擴散；在渣中形成Ca2+，使渣中的P2O5的活度下降）增加堿度有利于脫P，但焊接熔渣的堿度受焊接工藝性能的制約，不可過分增大。堿性渣不允許含有較多的FeO，否則會使焊縫增氧，不利于脫硫，甚至產生氣孔，所以堿性渣的脫磷效果是很不理想的。酸性渣雖然含有較多的FeO，有利于磷的氧化，但因堿度低，所以比堿性渣的脫磷能力更差。因此，脫P比脫S的難度更大，主要是靠控制原材料中的磷含量90第四節(jié)焊縫的合金過渡一、合金過渡的目的及方式1.目的①補償損失②改善組織，消除缺陷，提高性能③獲得特種性能（如耐磨性、紅硬性、耐熱性、耐蝕性等）2.方式①焊絲、帶極②藥芯③藥皮、焊劑④合金粉91二、合金過渡過程（過渡方式及物質平衡）1.合金劑過渡方式①合金過渡過程主要是在液態(tài)金屬與熔渣的界面上進行的，通過合金元素蒸氣和離子過渡是很少的②懸浮在渣中的合金劑顆粒還有一部分沒有被帶到熔渣與金屬的界面上，通常稱之為殘留在渣中的損失922.合金過渡各階段的作用藥皮重量系數(shù)Kb：單位長度上藥皮與焊芯的質量之比，主要反映了在焊條藥皮成分一定的情況下，藥皮的厚度變化。①Kb<0.4時：熔滴中的含錳量等于熔敷金屬中的含錳量，隨Kb的增加而增大，說明全部熔渣都可以與熔滴作用，合金過渡過程幾乎全部是在溶滴階段完成的。②Kb>0.4時：熔滴中的[Mn]一定，且與Kb無關，但焊縫金屬中的[Mn]隨Kb的增加而增大，這意味著有一部分熔渣直接與熔池作用，使熔池階段的合金過渡過程加強。③熔滴合金化程度大，焊縫中成分較均勻；隨著藥皮厚度的增加，熔池階段在合金過渡過程中的作用逐漸增大，熔池合金化程度增大，使焊縫成分不均勻性和力學性能的分散度增大。933