焊接理论基础焊接化学冶金

焊接理论基础焊接化学冶金第1页，共142页，2023年，2月20日，星期二2相关问题1、何谓焊接？2、为什么要实施材料的焊接？3、材料焊接时发生了什么变化？3、焊接理论基础解决什么问题?4、如何学习焊接理论基础课程？第2页，共142页，2023年，2月20日，星期二3第一章焊接化学冶金

对象：焊接区内各物质之间在高温下的相互作用过程主要内容：冶金反应与焊缝金属成分、性能之间的变化规律。包括：1）焊接化学冶金特点：焊条与熔池、金属与气体、冶金反应及其与焊接工艺的关系2）气相对金属的作用3）熔渣与金属的作用4）合金化第3页，共142页，2023年，2月20日，星期二4第一章焊接化学冶金

第一节：焊接化学冶金过程特点一、焊条熔化及熔池形成(一）焊条的加热熔化

1、焊条的加热

热能：

电阻热：预热焊条。

不锈钢焊条：控制焊条长度

电阻热：焊接电流通过焊芯时产生的电阻热电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量化学反应热：药皮部分化学物质化学反应时产生的热量有利：提高焊条熔化速率不利：焊条与药皮温度过高：飞溅、药皮开裂或脱落冶金作用能力第4页，共142页，2023年，2月20日，星期二5第一章焊接化学冶金

第一节：焊接化学冶金过程特点一、焊条熔化及熔池形成(一）焊条的加热熔化

1、焊条的加热

热能：

电弧热：加热焊条的主要能源

qe:用于加热和熔化焊条的功率

ηe:焊条加热有效系数（0.2~0.27）

U：电弧电压

I：电弧电流电阻热电弧热化学反应热焊条端部药皮表面温度：600℃第5页，共142页，2023年，2月20日，星期二6第一章焊接化学冶金

第一节：焊接化学冶金过程特点一、焊条熔化及熔池形成(一）焊条的加热熔化

1、焊条的加热

2、焊条金属的熔化速度（2）焊条金属的熔化速度

焊条金属的平均熔化速度：

gM=G/t=αpIgM----焊条金属的平均熔化速度（g/h)αp----焊条的熔化系数[g/(A·h)]G----熔化的焊芯质量(g)t----电弧燃烧的时间(h)

（1）焊条熔化速度不均

高速摄影：焊芯熔化具滴状、周期性特征大电流焊接：焊接终了时的熔化速度提高30%左右第6页，共142页，2023年，2月20日，星期二7第一章焊接化学冶金

第一节：焊接化学冶金过程特点一、焊条熔化及熔池形成(一）焊条的加热熔化

1、焊条的加热

2、焊条金属的熔化速度

焊条金属的平均熔敷速度：

gD=GD/t=αHI

gD----焊条的平均熔敷速度

GD

----熔敷到焊缝金属中的金属质量

αH----焊条的熔敷系数

gM≠gD第7页，共142页，2023年，2月20日，星期二8第8页，共142页，2023年，2月20日，星期二9第一章焊接化学冶金

第一节：焊接化学冶金过程特点一、焊条熔化及熔池形成(一）焊条的加热熔化

1、焊条的加热

2、焊条金属的熔化速度gM≠gD损失（飞溅、氧化、蒸发等）系数：

Ψ=(G-GD)/G=(gM-gD)/gD=1-αH/αPαH=(1-Ψ)αPαH----焊条的熔敷系数

αp----焊条的熔化系数第9页，共142页，2023年，2月20日，星期二10第一章焊接化学冶金

第一节：焊接化学冶金过程特点一、焊条熔化及熔池形成(一）焊条的加热熔化

1、焊条的加热

2、焊条金属的熔化速度

光焊丝：熔化速度不均——熔滴较大时，传热条件恶化，固态焊丝得到的热量减少焊条：熔化速度近似不变熔化速度:增加电弧在焊条端部析出的热功率——极性获得具有高过渡频率的细熔滴过渡活性位置：液滴与固态焊丝面处药皮中加入铁粉电阻热提高焊条熔化速度:第10页，共142页，2023年，2月20日，星期二11第一章焊接化学冶金

第一节：焊接化学冶金过程特点一、焊条熔化及熔池形成(一）焊条的加热熔化

1、焊条的加热

2、焊条金属的熔化速度

3、焊条金属熔滴及过渡特性

焊接过程稳定性、飞溅、焊缝成型金属——熔渣——气体相互作用过程动力学调节焊接热输入，控制焊缝金属的结晶过程，改变性能提高焊条熔化速度需考虑的问题：

过渡的熔滴质量熔滴脱落后焊条端部剩下的液态金属的质量熔滴过渡频率过渡周期将近终了时熔滴的质量第11页，共142页，2023年，2月20日，星期二12第一章焊接化学冶金

第一节：焊接化学冶金过程特点一、焊条熔化及熔池形成(一）焊条的加热熔化

1、焊条的加热

2、焊条金属的熔化速度

3、焊条金属熔滴及过渡特性短路过渡、颗粒过渡、附壁过渡、射流过渡、旋转射流过渡。碱性焊条：短路过渡和大颗粒过渡；酸性焊条：细颗粒过渡和附壁过渡。熔滴过渡形式

第12页，共142页，2023年，2月20日，星期二13第一章焊接化学冶金

第一节：焊接化学冶金过程特点3、焊条金属熔滴及过渡特性短路过渡：短弧焊时，熔滴尺寸较大，与熔池接触、短路

过程：熔滴长大短路缩颈缩颈暴断，熔滴进入熔池重燃电弧颗粒过渡：电弧较长时，熔滴尺寸较大时自行脱落，不与熔池接触熔滴过渡形式

第13页，共142页，2023年，2月20日，星期二14第一章焊接化学冶金

第一节：焊接化学冶金过程特点3、焊条金属熔滴及过渡特性附壁过渡：熔滴沿着焊条端部的药皮套筒壁进入熔池射流过渡：熔滴细，f大，熔滴沿焊丝轴向高速熔池运动，过渡稳定，飞溅小，焊缝成型美观，丝端变尖旋转射流过渡：

f

约300滴/s熔滴尺寸？熔滴存在时间？熔滴过渡形式

第14页，共142页，2023年，2月20日，星期二15第一章焊接化学冶金

第一节：焊接化学冶金过程特点3、焊条金属熔滴及过渡特性

1)熔滴过渡形式熔滴的比表面积S：熔滴的表面积与其质量之比。

S=Ag/ρVg=4πR2/(4/3πR3ρ)=3/Rρ

R---熔滴的半径

Ag---熔滴的表面积

Vg---熔滴的体积2）熔滴的比表面积和作用时间I↑,R↓,S↑，利于冶金反应进行。R↓增大焊接电流、药皮中加入表面活性物质第15页，共142页，2023年，2月20日，星期二16第一章焊接化学冶金

第一节：焊接化学冶金过程特点3、焊条金属熔滴及过渡特性

1)熔滴过渡形式

熔滴的比表面积S：熔滴与周围介质的平均相互作用时间：定义：熔滴的平均质量与一个周期内焊芯的平均熔化速度之比。2）熔滴的比表面积和作用时间τ---熔滴的存在时间m0---熔滴脱落后残留在焊条端部的液态金属质量mtr---过渡的熔滴质量τcp---0.01~1s，取决于焊接方法、规范、电流极性、焊接材料等第16页，共142页，2023年，2月20日，星期二17电流极性正极性：工件接正极，2/3的能量位于阳极区（工件），熔深大反极性：工件接负极，有表面清理作用（焊接铝、镁时使用）交流：中间状态

第17页，共142页，2023年，2月20日，星期二18电流极性反极性的表面清理作用

第18页，共142页，2023年，2月20日，星期二19第一章焊接化学冶金

第一节：焊接化学冶金过程特点3、焊条金属熔滴及过渡特性

1)熔滴过渡形式

2）熔滴的比表面积和作用时间药皮熔化----熔渣：包裹在熔滴外面或以滴状与熔滴一起直接流入熔池熔渣平均温度：1900K3)熔滴的温度沿长度方向分布不均匀，与焊接电流、焊丝直径等有关

焊接电流，熔滴温度

焊丝直径，熔滴温度实测手工电弧焊碳钢焊条：2100-2700KFig.1-2第19页，共142页，2023年，2月20日，星期二20第一章焊接化学冶金

第一节：焊接化学冶金过程特点一、焊条熔化及熔池形成（一）焊条的加热熔化

（二）熔池的形成热源作用母材局部熔化熔池熔池——在母材上由熔化的焊条金属和母材组成的具有一定的几何形状的液体金属第20页，共142页，2023年，2月20日，星期二21第一章焊接化学冶金

第一节：焊接化学冶金过程特点一、焊条熔化及熔池形成（一）焊条的加热熔化（二）熔池的形成

注意：熔池的形状、尺寸、温度、存在时间、金属的流动状态？第21页，共142页，2023年，2月20日，星期二22第一章焊接化学冶金

第一节：焊接化学冶金过程特点一、焊条熔化及熔池形成（一）焊条的加热熔化（二）熔池的形成

1、熔池的形状和尺寸

熔池的形状:

稳定状态下为半椭球形对于点状热源，其几何尺寸为

L=P2IU

P2---比例系数，取决于焊接方法和规范（表1-2）

I

---焊接电流

U

---焊接电压L第22页，共142页，2023年，2月20日，星期二23第一章焊接化学冶金

第一节：焊接化学冶金过程特点一、焊条熔化及熔池形成（一）焊条的加热熔化（二）熔池的形成

1、熔池的形状和尺寸

熔池的形状:

稳定状态下为半椭球形一般情况：熔池上表面形状复杂，表面积取决于焊接方法和工艺规范，约1~4cm2，比表面积约为（0.3~13）×10-3m2/kgL第23页，共142页，2023年，2月20日，星期二24第一章焊接化学冶金

第一节：焊接化学冶金过程特点一、焊条熔化及熔池形成（一）焊条的加热熔化（二）熔池的形成

1、熔池的形状和尺寸

2、熔池的质量和存在时间

熔池的存在时间：按熔池的长度和焊接速度：

tmax=L/v

按熔池的质量：tcp=mp/(ρvAw)

tcp---熔池的平均存在时间

mp---熔池的质量

AW---焊缝的横截面积熔池的质量：手弧焊：0.6~16g埋弧焊：＜100gL第24页，共142页，2023年，2月20日，星期二25第一章焊接化学冶金

第一节：焊接化学冶金过程特点（二）熔池的形成

1、熔池的形状和尺寸

2、熔池的质量和存在时间

3、熔池温度

分布不均匀：熔池中部温度最高，头部次之，其次是尾部

平均温度：与被焊材料性质、形状和尺寸有关第25页，共142页，2023年，2月20日，星期二26第一章焊接化学冶金

第一节：焊接化学冶金过程特点（二）熔池的形成

1、熔池的形状和尺寸

2、熔池的质量和存在时间

3、熔池温度

4、熔池运动状态

熔池内部强烈运动热量质量传输熔池形状、结晶、气体和夹杂物的吸收、聚集和析出、化学成分的均匀性、化学反应动力学流动形式：自动对流运动：液体金属的密度差别引起（温度不均）强迫对流运动：表面张力差别引起（温度、表面张力）搅拌运动：热源的各种机械力引起：熔滴下落的冲击力、电磁力、气流的吹力、熔池金属的蒸发产生的反作用力、离子的冲击力第26页，共142页，2023年，2月20日，星期二274、熔池运动状态浮力：

T，ρ，

a处温度较高，b处温度较低，重力引起b点较重金属下沉2）洛伦兹力：钨极氩弧焊正极性：电流向钨极（熔池表面中心）收敛，产生向下、向内的洛伦兹力，液体金属沿熔池轴向下推。3）表面张力梯度引起的剪切应力：

T，γa处温度较高，γ

小；b处温度较低，γ大；b点金属将a点金属向外拉。4）等离子流产生的剪切应力：等离子体沿着熔池表面高速向外移动，第27页，共142页，2023年，2月20日，星期二284、熔池运动状态第28页，共142页，2023年，2月20日，星期二294、熔池运动状态第29页，共142页，2023年，2月20日，星期二304、熔池运动状态第30页，共142页，2023年，2月20日，星期二314、熔池运动状态

有表面活性剂时，熔池表面边缘的较冷液体金属具有较低的表面张力，熔池表面中心的较热液体金属具有较高的表面张力；外侧金属被拉向中心，有利于从热源到熔池底部的对流传热，即更有效地将热量从热源带到熔池底部，曾加了熔池深度。第31页，共142页，2023年，2月20日，星期二324、熔池运动状态表面张力引起第32页，共142页，2023年，2月20日，星期二334、熔池运动状态激光束在中心加热，表面张力降低，则液体表面向两侧流动。第33页，共142页，2023年，2月20日，星期二344、熔池运动状态加入C2H5COOK，表面张力降低；激光束在中心加热，C2H5COOK分解导致中心处浓度降低，表面张力提高，则液体表面向内流动。第34页，共142页，2023年，2月20日，星期二354、熔池运动状态1）液态金属的流动速度：熔池液态金属的平均流速：30~80m/h（钨极氩弧焊焊钛合金）熔池底部液态金属的流速：约为焊接速度的10~20倍。2）影响熔池运动状态的因素：焊接工艺参数、焊接材料成分、电极直径及倾斜角、馈电位置等3）熔池运动优势：焊缝均匀性气体和非金属夹杂的外逸第35页，共142页，2023年，2月20日，星期二第36页，共142页，2023年，2月20日，星期二37第一章焊接化学冶金

第一节：焊接化学冶金过程特点一、焊条熔化及熔池形成二、焊接过程中对金属的保护（一）保护的必要性光焊丝熔化焊：焊缝中[N2]约0.105~0.218%[O2]约0.105~0.218%

Mg、C减少低碳钢无保护焊时焊缝的性能（表1-5）

第37页，共142页，2023年，2月20日，星期二38第一章焊接化学冶金

（一）保护的必要性（二）保护的方式和效果

1、保护方式：气体、熔渣机械保护

（1）气渣联合保护（2）渣保护（3）气保护（4）真空保护（5）自保护：焊丝（芯）中含脱氧剂、脱氮剂等第一节：焊接化学冶金过程特点一、焊条熔化及熔池形成二、焊接过程中对金属的保护第38页，共142页，2023年，2月20日，星期二39第一章焊接化学冶金

（一）保护的必要性（二）保护的方式和效果

1、保护方式：气体、熔渣机械保护

2、保护效果：第一节：焊接化学冶金过程特点一、焊条熔化及熔池形成二、焊接过程中对金属的保护（1）埋弧焊：表1-7（2）气体保护焊：（3）焊条手工电弧焊、药芯含丝：图1~6、1~7（4）真空保护第39页，共142页，2023年，2月20日，星期二40第一章焊接化学冶金

第一节：焊接化学冶金过程特点一、焊条熔化及熔池形成二、焊接过程中对金属的保护三、焊接化学冶金反应区及其反应条件焊接冶金过程是客观存在的，是焊缝形成过程中的必然伴随过程。焊接化学冶金是分区域连续进行的，焊接方法不同，冶金反应阶段也不同。以手工电弧焊为例，加以讨论

第40页，共142页，2023年，2月20日，星期二41第一章焊接化学冶金

（一）药皮反应区：指焊条受热后，直到焊条药皮熔点前发生的一些反应。第一节：焊接化学冶金过程特点一、焊条熔化及熔池形成二、焊接过程中对金属的保护三、焊接化学冶金反应区及其反应条件主要物理化学反应：1)水分蒸发：＞100℃，吸附水；200~400℃，白泥、白云母片中的结晶水被排除2)某些物质分解：有机物（木粉、纤维素等）分解和燃烧，CO、CO2H2等，碳酸盐（CaCO3)、高价氧化物（Fe2O3)CO2

、O2等

获得气体保获效果焊条烘干温度控制：不应过高3)铁合金氧化：＞600℃时

——降低了药皮成渣后对金属的氧化性能——先期脱氧第41页，共142页，2023年，2月20日，星期二42第一章焊接化学冶金

（一）药皮反应区：（二）熔滴反应区

指焊条受热后，直到焊条药皮熔化前发生的一些反应。含熔滴形成、长大、过渡到熔池整个阶段，特点是：第一节：焊接化学冶金过程特点一、焊条熔化及熔池形成二、焊接过程中对金属的保护三、焊接化学冶金反应区及其反应条件1、温度高，过热度大：平均温度活性斑点处（电子或离子轰击区）——接近焊芯材料沸点（2800℃），过热度达300~600℃2、比表面积大：液态金属与气体、熔渣接触面积大（多相反应，反应界面大）:103~104cm2/kg，约为炼钢的1000倍3、各相之间的反应时间短焊条末端0.01-0.05s

弧柱区：0.0001-0.001s——不利于平衡第一节：焊接化学冶金过程特点一、焊条熔化及熔池形成二、焊接过程中对金属的保护三、焊接化学冶金反应区及其反应条件第42页，共142页，2023年，2月20日，星期二43第一章焊接化学冶金

（一）药皮反应区：（二）熔滴反应区

第一节：焊接化学冶金过程特点一、焊条熔化及熔池形成二、焊接过程中对金属的保护三、焊接化学冶金反应区及其反应条件1、温度高，过热度大2、比表面积大3、各相之间的反应时间短4、熔滴金属与熔渣混合程度高（电磁力、气体吹力）——反应激烈熔渣包裹熔滴、熔滴内部有熔渣质点相互包裹，温度高，反应剧烈，对焊缝成分影响大熔滴反应区主要反应：气体的分解与溶解、金属的蒸发、金属及其合金的氧化和还原、焊缝金属的合金化等第一章焊接化学冶金

第一节：焊接化学冶金过程特点一、焊条熔化及熔池形成二、焊接过程中对金属的保护三、焊接化学冶金反应区及其反应条件第43页，共142页，2023年，2月20日，星期二44第一章焊接化学冶金

（一）药皮反应区：（二）熔滴反应区（三）熔池反应区：熔池金属凝固前

第一节：焊接化学冶金过程特点一、焊条熔化及熔池形成二、焊接过程中对金属的保护三、焊接化学冶金反应区及其反应条件1）熔池T1600～1900℃低于熔滴T比表面积2)接触面积小3～1303）时间长手工焊3～8秒埋弧焊6—25s4）搅拌没有熔滴阶段激烈5）熔池温度不均匀的突出特点第44页，共142页，2023年，2月20日，星期二45思考题1.焊接化学冶金与炼钢相比，在原材料方面和反应条件方面主要有哪些不同？原材料不同：普冶材料：矿石、焦炭、废钢铁等。焊冶材料：焊条，焊丝，焊剂等。反应条件：1)焊条熔化和过渡特性以及熔池的物理参数，不仅对焊接工艺和生产率有很大影响，而且对焊接冶金也有显著影响。2)焊接过程中必须对焊接区内的金属进行保护，这是焊接化学冶金的特点。3)焊接化学冶金过程是分区域（或阶段）连续进行的，且各区的反应条件也有较大的差异，因而也就影响到各区反应进行的可能性、方向、速度和限度。4)焊接化学冶金过程与焊接工艺条件有密切的关系。改变焊接工艺条件必然引起冶金反应条件的变化，因而就影响到冶金反应的过程。5)焊接化学冶金系统是一个复杂的高温多相反应系统。根据焊接方法不同，组成系统的相也不同。6)焊接化学冶金系统的不平衡性是焊接化学冶金过程的又一特点。第45页，共142页，2023年，2月20日，星期二46第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体

气体的来源气体与金属相互作用机制气体与接头质量的影响气体的控制措施焊接过程中的气体在熔焊中，除了在真空条件下，液态金属与气体的相互作用难以避免，且具有形式多样（物理、化学）、温度高、时间短、非平衡等特点。第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体

第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体

第一节：焊接化学冶金过程特点第46页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体第一章焊接化学冶金

（一）气体的来源直接进入焊接材料（焊条药皮、焊剂、药芯焊丝中的造气剂、高价氧化物、水分）周围的气氛（保护气体及其杂质、侵入的空气）被焊材料表面污染（锈、氧化皮、油污、吸附水）1.直接进入焊接材料的烘干及被焊材料的表面清理第47页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体第一章焊接化学冶金

（一）气体的来源2.反应进入药皮反应区有机物（淀粉、纤维素等造气剂和涂料增塑剂）的分解燃烧——CO2、CO、H2、烃和H2O碳酸盐分解（金属氧化物、CO2）高价氧化物的的逐级分解（低价金属氧化物、O2）含CaCO3的焊条烘干温度不超过450℃，含CaCO3的不超过3000℃。

含有机物的焊条烘干温度控制在150℃左右，不超过200℃。第48页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体第一章焊接化学冶金

（一）气体的来源3.材料的蒸发焊接材料与被焊材料中低沸点物质（氟化物、低熔点金属组元）和Fe有益成分的损失：镍基高温合金中Al的烧损Zn，Mg，Pb，Mn高能束焊接：电子束焊焊缝中的气孔形成原因？废气中的金属蒸汽污染第49页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体（一）气体的来源第一章焊接化学冶金

（二）气体分解气体存在的状态1.简单气体的分解电弧高温是导致气体分解的直接原因双原子分子原子离子+电子H2、O2、N2分解反应的难易程度标准状态下的热效应定性推测参见p32表1-11吸热原子键断开第50页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体（一）气体的来源第一章焊接化学冶金

（二）气体分解双原子气体的分解度与温度的关系（p0=101kPa）=[Kp/(Kp+4p0)]1/2分解度：分解的分子数与原有分子总数之比在焊接温度（5000K），氢气和氧气的分解度很大，即以原子形式存在；氮气以分子形式存在。第51页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体（一）气体的来源（二）气体分解第一章焊接化学冶金

（三）气相的成分及分布光谱法和色谱法测试焊接过程中气体的成分气体的成分和数量随焊接方法、规范、焊条或焊剂的种类不同而变化。CO,CO2,H2,H2O,N2，O2，金属，熔渣蒸汽等的混合物。各种气体分子、原子和离子在电弧中的分布不均匀。第52页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体第一章焊接化学冶金

二、氮对金属的作用氮的主要来源：焊接区周围的空气不与氮发生作用的金属：

铜、镍等，可用氮气保护；可与氮发生作用的金属：

铁、钛等，形成稳定的氮化物，需防氮化。氮在金属中的溶解如何实现？第53页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体二、氮对金属的作用第一章焊接化学冶金

（一）氮在金属中的溶解气体的溶解过程：纯化学溶解气体分子向气体-金属界面运动气体被金属表面吸附气体在金属表面分解成原子原子穿过界面向金属内部扩散双原子气体X2的溶解过程示意图第54页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体二、氮对金属的作用第一章焊接化学冶金

（一）氮在金属中的溶解焊接过程中氮的溶解电流极性对氮的质点运动和溶解的影响a）直流反接b）直流正接双原子分子的电离；电弧电场的作用，可使直流反接的接头中溶入更多的N、H、O等元素过热度大局部活性和熔滴吸收气体气体的活性高电流极性对氮的质点运动和溶解的影响a）直流反接b）直流正接第55页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体二、氮对金属的作用第一章焊接化学冶金

（一）氮在金属中的溶解气体的溶解度：在一定温度和压力条件下，气体溶入金属的饱和浓度，称为该条件下气体的溶解度。双原子气体溶解度S与温度、压力的关系：式中：K0为常数；p为气体分压；ΔH为气体溶解热；

R为气体常数；T为绝对温度第56页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体二、氮对金属的作用第一章焊接化学冶金

（一）氮在金属中的溶解温度和压力对溶解度的影响：压力的影响温度一定时，双原子气体溶解度与其分压得平方根成正比（平方根定律）式中：K为气体溶解反应的平衡常数温度的影响气体溶解为吸热过程ΔH为正T溶解度气体溶解为放热过程ΔH为负T溶解度（氮气）（减小分压可减小溶解度）第57页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体二、氮对金属的作用第一章焊接化学冶金

（一）氮在金属中的溶解相变的影响氮和氢在铁中的溶解度与温度的关系[p（N2

）=0.1MPa；p（H2）=0.1MPa]第58页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体二、氮对金属的作用第一章焊接化学冶金

（一）氮在金属中的溶解合金成分对溶解度的影响一般而言，合金元素的增加可提高气体的溶解度，但若能形成稳定的（氮、氢、氧）化合物，则会减小气体的溶解度。氢、氮、氧在二元系铁合金中的溶解度（1600℃）HNO第59页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体二、氮对金属的作用第一章焊接化学冶金

（一）氮在金属中的溶解

其他因素的影响电流极性的影响气体的交互作用O的存在提高电压，促进N+在阴极的溶解，提供氧化性氛围，减少N的溶解NO降低N的分压电流极性对氮的质点运动和溶解的影响a）直流反接b）直流正接第60页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体二、氮对金属的作用（一）氮在金属中的溶解第一章焊接化学冶金

（二）氮对焊接质量的影响氮在碳钢焊缝中是有害元素！

促使焊缝产生气孔

高温时溶解度大，冷却时析出，形成气孔降低焊缝金属的塑性和韧性

可提高强度、硬度，针状氮化物促使焊缝金属时效脆化

过饱和的氮逐渐析出，形成针状氮化物焊接材料中添加适量的氮化物形成元素，钛、铝、锆等。第61页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体二、氮对金属的作用（一）氮在金属中的溶解第一章焊接化学冶金

（二）氮对焊接质量的影响第62页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体二、氮对金属的作用（一）氮在金属中的溶解（二）氮对焊接质量的影响第一章焊接化学冶金

1.焊接区保护的影响

（三）影响焊缝含氮量的因素及控制措施氮的主要来源：焊接区周围的空气各种焊接方法的保护效果不同！P36-表1-13低氢型手工电弧焊、埋弧焊焊条药皮的保护作用取决于要皮的成分和数量。

在药皮中加入造气剂，形成气渣联合保护。药芯焊丝的保护效果取决于保护成分的含量和形状系数。

随单位长度药芯焊丝腔体内金属带的重量与外壳金属带重量之比的增加而改善。第63页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体二、氮对金属的作用（一）氮在金属中的溶解（二）氮对焊接质量的影响第一章焊接化学冶金

2.焊接工艺参数的影响

（三）影响焊缝含氮量的因素及控制措施增加电压，保护变坏

电弧长度增加，氮与熔滴的作用时间增加。采用短弧焊。增加电流，焊缝金属含氮量减少

熔滴过渡频率增加，氮与熔滴的作用时间缩短。焊接速度对焊缝含氮量的影响不大

第64页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体二、氮对金属的作用（一）氮在金属中的溶解（二）氮对焊接质量的影响第一章焊接化学冶金

3.合金元素的影响

（三）影响焊缝含氮量的因素及控制措施增加焊丝或药皮中的含碳量可以降低焊缝中的含氮量C能降低N在铁中的溶解度；

C氧化生成CO、CO2加强了保护；

C氧化引起的熔液沸腾有利于N的逸出。钛、铝、锆和稀土元素对氮的亲和力较大

形成稳定的氮化物，进入熔渣。自保护第65页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体二、氮对金属的作用第一章焊接化学冶金

焊接时氢主要来源于焊接材料中的水分、含氢物质及电弧周围空气中的水蒸气。

三、氢对金属的作用溶解的途径（一）氢在金属中的溶解

溶解的机构焊接区的氢可以处于分子、原子和离子状态以氢原子溶入液态金属；

以H+

溶入液态金属；以[OH]-

溶入液态金属。

通过气相与液态金属的界面以原子或质子形式溶入（气保焊）；通过渣层溶入金属（电渣焊）；混合方式：以上两种方式都有（手工电弧焊和埋弧焊）。第66页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体二、氮对金属的作用三、氢对金属的作用第一章焊接化学冶金

焊接时氢主要来源于焊接材料中的水分、含氢物质及电弧周围空气中的水蒸气。

氢与金属的作用：

第一类能形成稳定氢化物金属：

Zr，Ti，V，Ta，Nb等放热反应；较低温度吸氢少，高温吸氢多；

第二类不形成稳定氢化物的金属：Al，Fe，Ni，Cu，Cr，Mo等吸热反应，氢能溶与此类金属中。（一）氢在金属中的溶解

第67页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体二、氮对金属的作用三、氢对金属的作用第一章焊接化学冶金

氢通过熔渣向金属扩散：以OH-离子存在

（一）氢在金属中的溶解

含自由氧离子的渣：渣中含有氟化物时：当熔渣中自由氧离子O2-↑时，水的溶解度增大，[H]↑水的溶解度较小，[H]小水的溶解度减小，[H]小第68页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体二、氮对金属的作用三、氢对金属的作用第一章焊接化学冶金

氢通过熔渣向金属过渡：

（一）氢在金属中的溶解

此时，氢的浓度取决于：气相中氢和水蒸气的分压熔渣的碱度

氟化物的含量金属中的含氧量第69页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体二、氮对金属的作用三、氢对金属的作用第一章焊接化学冶金

氢通过气相向金属过渡：

（一）氢在金属中的溶解

氢的溶解度与其在气相中的分压成正比式中：为氢溶解的平衡常数；为给定温度下氢的分解度；为分子和原子氢的分压分子氢的溶解度（平方根规律）分子及原子氢的溶解度式中：为氢溶解的平衡常数；为分子氢的分压氢分子氢分子和原子第70页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体二、氮对金属的作用三、氢对金属的作用第一章焊接化学冶金

氢在金属中溶解度的影响因素：

（一）氢在金属中的溶解

1）温度和在气相中的分压2）组织及相组成3）合金元素提高氢含量的元素：Ti,Zr,Nb影响不大的元素：Mn,Ni,Cr,Mo降低氢含量的元素：C，Si，Al4）氧含量：表面活性元素，可降低氢在金属表面的吸附。第71页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体二、氮对金属的作用三、氢对金属的作用（一）氢在金属中的溶解第一章焊接化学冶金

氢在金属中的存在形式：

（二）焊缝金属中氢的扩散

1）扩散氢：H,H-,H+

形式存在，间隙固溶，自由扩散

80—90%2）残余氢：H2分子形式存在，晶格缺陷、微裂纹、非金属夹杂边缘等陷阱，不可扩散

总含氢量=扩散氢＋残余氢温度T01020304050601020304050总氢量扩散氢残余氢t/s[H]/[mL•(100g)-1]焊缝中的含氢量与焊后放置时间的关系第72页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体二、氮对金属的作用三、氢对金属的作用（一）氢在金属中的溶解第一章焊接化学冶金

（二）焊缝金属中氢的扩散

氢在焊缝中分布：

（1）氢沿长度方向的分布基本均匀但火口处含氢量较高。（2）氢沿焊接接头横断面的分布与母材成分、组织及焊缝金属的类型有关。（扩散到近缝区及母材深处）（3）母材与焊缝的匹配氢的溶解度：A＜M＜

第73页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用三、氢对金属的作用（一）氢在金属中的溶解（二）焊缝金属中氢的扩散第一章焊接化学冶金

（三）氢对焊接质量的影响

金属和合金焊接时，氢是有害的！

（1）氢脆：使室温的钢的塑形严重下降，强度几乎不变原因：氢原子扩散到金属中位错运动产生的显微空腔中，以氢气分子存在，造成空腔内很高的压力，导致金属变脆。（2）白点（鱼眼）：氢含量高的碳钢和低合金钢拉伸、弯曲断面上的银白色圆形脆性断点（0.3~5mm）特征：白点周围为塑性断口，中心有小夹杂物或气孔，材料塑性下降。

原因：白点是在塑性变形阶段产生的。“诱捕理论”解释：焊缝中的气孔及非金属夹杂物边缘的空隙,好象“陷阱”一样.捕捉氢原子，并在其中结合成氢分子,在拉伸试验中“陷阱”中的氢分子被吸附.由于塑性变形新产生的微裂纹表面上,分解成原子氢,原子氢扩散到微裂纹金属晶格内,引起金属脆化。第74页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用三、氢对金属的作用（一）氢在金属中的溶解（二）焊缝金属中氢的扩散第一章焊接化学冶金

（三）氢对焊接质量的影响

（3）气孔：当钢中含过量的氢，凝固时由于溶解度的突然下降，过饱和氢发生反应形成氢气分子，形成气泡，未及时逸出则形成气孔。2[H]=H2(4)冷裂纹：焊接接头冷却到较低温度产生的一种裂纹。三大主要因素：钢种的淬硬倾向；焊接接头氢含量及分布；接头所承受的拘束应力状态。扩散氢起决定作用氢致裂纹！第75页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用三、氢对金属的作用（一）氢在金属中的溶解（二）焊缝金属中氢的扩散（三）氢对焊接质量的影响第一章焊接化学冶金

（四）控制氢的措施

1限制焊接材料中的含氢量：降低制造焊条、焊剂和药芯焊丝用的各种材料的含氢量；制造焊条、焊剂和药芯焊丝时提高烘培温度（不可过高）；焊条、焊剂的防潮处理（保存、制造）；焊接材料在使用前烘干处理。第76页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用三、氢对金属的作用（一）氢在金属中的溶解（二）焊缝金属中氢的扩散（三）氢对焊接质量的影响第一章焊接化学冶金

（四）控制氢的措施

2清除焊丝和焊件表面上的杂质：铁锈、油污、吸附水；氧化膜（Al(OH)3，Mg(OH)2）机械方法清除；化学方法清除。第77页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用三、氢对金属的作用（一）氢在金属中的溶解（二）焊缝金属中氢的扩散（三）氢对焊接质量的影响第一章焊接化学冶金

（四）控制氢的措施

3冶金处理：降低气相中氢的分压可以减少氢在液态金属中的溶解度。形成稳定的不溶于液态金属的氢化物，如HF,OH和其他稳定氢化物。（1）在要皮和焊剂中加入氟化物CaF2渣中含有氟化物时：水的溶解度减小，[H]小渣中含有CaF2和SiO2时：第78页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用三、氢对金属的作用（一）氢在金属中的溶解（二）焊缝金属中氢的扩散（三）氢对焊接质量的影响（四）控制氢的措施第一章焊接化学冶金

3冶金处理：（2）控制焊接材料的氧化还原势熔池中的氢平衡浓度：增加熔池中的含氧量或气相的氧化性可以减少熔池中氢的平衡浓度降低气相中的氢分压低氢型焊条要皮中含较多的碳酸盐；氩弧焊保护气中加入5%左右的氧气；药皮中加入Fe2O3。第79页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用三、氢对金属的作用（一）氢在金属中的溶解（二）焊缝金属中氢的扩散（三）氢对焊接质量的影响（四）控制氢的措施第一章焊接化学冶金

3冶金处理：（3）在药皮或焊芯中加入微量的稀土或稀散元素药皮中加入微量的碲或硒可大幅度降低扩散氢含量；药皮中加入微量的稀土元素钇，即可降低扩散氢含量，又可提高焊缝韧性。稀散元素：镓(Ga)、锗(Ge)、硒(Se)、镉(Cd)、铟(In)、碲(Te)、铼(Re)、铊(Tl)。稀土元素：化学元素周期表中镧系元素——镧(La）、铈(Ce）、镨(Pr）、钕(Nd）、钷(Pm）、钐(Sm）、铕(Eu）、钆(Gd）、铽(Tb）、镝(Dy）、钬(Ho）、铒(Er）、铥(Tm）、镱(Yb）、镥(Lu），以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素——钪(Sc）和钇(Y）共17种元素，称为稀土元素第80页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用三、氢对金属的作用（一）氢在金属中的溶解（二）焊缝金属中氢的扩散（三）氢对焊接质量的影响（四）控制氢的措施第一章焊接化学冶金

4控制焊接工艺参数：手工电弧焊时：增大电流使熔滴吸收的氢量增加；增加电弧电压使焊缝含氢量有某些减小。电流种类和极性：直流反接<直流正接<交流原因？

原因？

第81页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用三、氢对金属的作用（一）氢在金属中的溶解（二）焊缝金属中氢的扩散（三）氢对焊接质量的影响（四）控制氢的措施第一章焊接化学冶金

5焊后脱氢处理：焊后把焊件加热到一定温度，促使氢扩散外逸。

350度1小时保温，可将大部分扩散氢去除；对奥氏体钢焊缝进行脱氢处理效果不大（？）。第82页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用一、焊接区内的气体二、氮对金属的作用三、氢对金属的作用第一章焊接化学冶金

四、氧对金属的作用金属与氧的相互作用

不溶解氧，但焊接时发生剧烈氧化的金属

Al,Mg等

能有限溶解氧，且焊接过程中也发生氧化

Fe，Ni，Cu，Ti等生成的氧化物可以溶解于相应的金属第83页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用四、氧对金属的作用第一章焊接化学冶金

（一）氧在金属中的溶解存在形式：原子氧和FeO氧在液态铁中的溶解度随温度的升高而增大。合金元素的作用：

氧在液态铁中的溶解度随合金元素量的增加而降低。氧在-Fe中几乎不溶解；焊缝金属和钢中所含的氧大部分以氧化物和硅酸盐夹杂物形式存在。第84页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用四、氧对金属的作用（一）氧在金属中的溶解第一章焊接化学冶金

（二）氧化性气体对金属的氧化1、金属氧化还原方向的判断依据：在金属、金属氧化物和氧化性气体组成的系统里：

＞时，金属被氧化；＝时，处于平衡状态；＜时，金属被还原。氧化物的分解压随温度的升高而增大。CaOMgOAl2O3ZrO2TiO2MnOSiO2Cr2O3P2O5FeONiOCuO0-10-20-30-40-50-60-70-806006001200160020002200T/oC1gPo2×101.3kPaMoO自由氧化物的分压与温度的关系:金属-氧-金属氧化物系统中氧的实际分压第85页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第二节：气相对金属的作用四、氧对金属的作用（一）氧在金属中的溶解（二）氧化性气体对金属的氧化第一章焊接化学冶金

1、金属氧化还原方向的判断FeO纯凝聚相的分解压FeO在液态铁中的分解压式中，p(O2)为液态铁中FeO的分解压；[FeO]为溶解在液态铁中的FeO的含量；[FeO]max是液态铁中FeO的饱和含量FeO溶于液态铁中，使其的分解压进一步减小；致使Fe更易被氧化。第86页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第一章焊接化学冶金

2、氧化性气体对金属的氧化第二节：气相对金属的作用四、氧对金属的作用（一）氧在金属中的溶解（二）氧化性气体对金属的氧化氧化性气体：O2、CO2、H2O极强的氧化性(1)自由氧手工电弧焊无气保时，=21.3kPa（空气中氧的分压）

>>(FeO）有气保时，>(FeO）铁氧化第87页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第一章焊接化学冶金

2、氧化性气体对金属的氧化第二节：气相对金属的作用四、氧对金属的作用（一）氧在金属中的溶解（二）氧化性气体对金属的氧化（2）CO2温度/K1800200022002500300035004000气相成分（体积分数）（%）CO299.3497.7493.9481.1044.2616.795.92CO0.441.514.0412.6037.1655.5462.72O20.220.762.026.3018.5827.7731.36气相中氧的分压Po2/101.325kPa2.2×10-37.6×10-32.0×10-26.3×10-218.58×10-227.77×10-231.36×10-2饱和时FeO分解压Po2/101.325kPa3.8×10-91.0×10-71.3×10-65.3×10-5———纯CO2

分解得到的平衡气相成分第88页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第一章焊接化学冶金

2、氧化性气体对金属的氧化第二节：气相对金属的作用四、氧对金属的作用（一）氧在金属中的溶解（二）氧化性气体对金属的氧化（2）CO2CO2

与液态铁的反应式及平衡常数导致导致Fe被氧化程度CO2保护可防N，但不能去O采用含Si,Mn高的焊丝或药芯焊丝，以利于脱氧。第89页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第一章焊接化学冶金

2、氧化性气体对金属的氧化第二节：气相对金属的作用四、氧对金属的作用（一）氧在金属中的溶解（二）氧化性气体对金属的氧化（3）H2O

增氢增氧H2O气与液态铁的反应式及平衡常数温度增加H2O的氧化性也会增强；H2O的氧化性较CO2弱；H2O还会使金属增氢；第90页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第一章焊接化学冶金

2、氧化性气体对金属的氧化第二节：气相对金属的作用四、氧对金属的作用（一）氧在金属中的溶解（二）氧化性气体对金属的氧化（4）混合气体Ar+O2Ar+CO2CO2+O2Ar+O2CO2+O2Ar+CO210030405020Arφco2，φo2(100%)每100g焊缝金属反应的总氧量0.10.20.30.40.50.6CO2φo2(100%)∑O和焊缝含氧量O与保护气体成分的关系实线—∑O虚线—O在CO2与O2体积分数相同的条件下，Ar+O2的氧化能力比Ar+CO2大；Ar+15%O2（体积分数）的氧化能力与纯CO2相当。在氧化性混合气体焊接时，应根据其氧化能力的大小选择含合适的脱氧剂的焊丝。第91页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第一章焊接化学冶金

（三）氧对焊接质量的影响第二节：气相对金属的作用四、氧对金属的作用（一）氧在金属中的溶解（二）氧化性气体对金属的氧化随着焊缝含氧量的增加，其强度、塑性、韧性都明显下降。溶解在熔池里的氧与碳发生反应，生成CO，可导致气孔。氧烧损钢中的有益合金元素，使焊缝性能变坏。

CO受热膨胀，熔滴易爆炸，造成飞溅。减少焊缝含氢量，改进电弧特性第92页，共142页，2023年，2月20日，星期二第一章焊接化学冶金

第一章焊接化学冶金

（四）控制氧的措施第二节：气相对金属的作用四、氧对金属的作用（一）氧在金属中的溶解（二）氧化性气体对金属的氧化（三）氧对焊接质量的影响纯化焊接材料高纯度的惰性气体保护；低氧或无氧气焊条、焊丝；真空焊接。

控制焊接工艺参数电弧电压（短弧焊）；焊接方法；熔滴过渡特性；电流种类等脱氧冶金方法进行脱氧第93页，共142页，2023年，2月20日，星期二第94页，共142页，2023年，2月20日，星期二一、熔渣的作用与形成（一）熔渣的作用与分类1、熔渣的作用机械保护作用：密度小于液态金属，浮于液态金属上方，防止气相中H、N、O和S进入液态金属，避免合金元素的烧损，渣壳防止高温固态焊缝受空气的有害作用冶金处理：通过与液态金属的一系列化学反应，去除金属中的有害杂质（O、S、P、H），吸附、溶解液态金属中的氧化物夹杂，过渡有益的元素改善成形工艺性能作用：帮助引弧、稳弧、减少飞溅、改善脱渣性能及焊缝外观成形。重熔、精炼焊缝填充金属（电渣焊）阻隔、保护吸毒、填养益弧、益形有利强氧化性渣可使液态金属增氧；增加了焊接过程的工作量（烘干、除渣）不利第一章焊接化学冶金

第一节：焊接化学冶金过程的特点第二节：气相对金属的作用第三节熔渣及其对金属的作用第95页，共142页，2023年，2月20日，星期二2、熔渣的成分与分类盐型熔渣：氟化物、氯化物和不含氧的化合物

CaF2-NaF、CaF2-BaCl-NaF、KCl-NaCl-Na3AlF6、BaF2-MgF2-CaF2-LiF。氧化性很小，适用于铝、钛等化学活性金属盐-氧化物型熔渣：氟化物和金属氧化物

CaF2-CaO-Al2O3、CaF2-CaO-SiO2、CaF2-MgO-Al2O3-SiO2

氧化性较少，适用于重要的低合金高强钢、合金钢及合金氧化物型熔渣：弱碱金属氧化物，应用最普遍

MnO-SiO2、FeO-MnO-SiO2、CaO-TiO2-SiO2等。较强的氧化性，适用于用于低碳钢、低合金高强钢的焊接第一章焊接化学冶金

第三节熔渣及其对金属的作用一、熔渣的作用与形成（一）熔渣的作用与分类第96页，共142页，2023年，2月20日，星期二药皮焊条电弧焊时的熔渣与药皮药皮造渣剂（碳酸盐、金属氧化物、氟化物）钛铁矿、金红石、大理石、云母造气剂（纤维素、淀粉、碳酸盐）保护气造渣焊条的分类酸性（非低氢型）焊条碱性（低氢型）焊条碳酸盐CaF2造气、造渣除氢、造渣硅酸盐、钛酸盐造渣碳酸盐、有机物造气、造渣3、熔渣的来源与构成第一章焊接化学冶金

第三节熔渣及其对金属的作用一、熔渣的作用与形成（一）熔渣的作用与分类第97页，共142页，2023年，2月20日，星期二熔渣结构理论熔渣结构的分子理论

熔渣结构的离子理论（二）熔渣结构与碱度第一章焊接化学冶金

第三节熔渣及其对金属的作用一、熔渣的作用与形成（一）熔渣的作用与分类第98页，共142页，2023年，2月20日，星期二1、熔渣结构的分子理论（1）液态熔渣是自由状态化合物和复合状态化合物的分子所组成（3）只有渣中的自由氧化物才能与液体金属和其中的元素发生作用（2）氧化物与复合物在一定温度下处于平衡状态

自由状态化合物氧化物氟化物硫化物复合状态化合物硅酸盐：FeO·SiO2、MnO·SiO2、钛酸盐：FeO·TiO2、CaO·TiO2铝酸盐：MgO·Al2O3、(CaO)3·Al2O3酸性氧化物：SiO2、TiO2、ZrO碱性氧化物：CaO、MgO、MnO、FeO、Na2O复合氧化物放热反应强强结合硅酸铁(FeO)2SiO2自由FeO（最早、应用广泛、导电性等无法解释）第一章焊接化学冶金

第三节熔渣及其对金属的作用一、熔渣的作用与形成（二）熔渣结构与碱度第一章焊接化学冶金

第三节熔渣及其对金属的作用一、熔渣的作用与形成（二）熔渣结构与碱度第99页，共142页，2023年，2月20日，星期二2、熔渣结构的离子理论（1）认为液态熔渣是由正离子和负离子组成的电中性溶液。

（2）离子在熔渣中的分布、聚集和相互作用取决于它的综合矩：离子电荷/离子半径。简单正离子：Ca2+、Mn2+、Mg2+、Fe2+简单负离子：F-、O2-、S2-

复杂负离子：SiO4-、Si3O96-、AlO3-

离子离子半径/nm综合矩×102(C/cm)离子离子半径/nm综合矩×102(C/cm)K+0.1333.61Ti4+0.06828.2Na+0.0955.05Al3+0.05028.8Ca2+0.1069.0Si4+0.04147.0Mn2+0.09110.6F-0.1333.6Fe2+0.08311.6PO43-0.2765.2Mg2+0.07812.9S2-0.1745.6Mn3+0.07020.6SiO44-0.2796.9Fe3+0.06721.5O2-0.1327.3离子的综合矩（0℃）+第一章焊接化学冶金

第三节熔渣及其对金属的作用一、熔渣的作用与形成（二）熔渣结构与碱度第一章焊接化学冶金

第三节熔渣及其对金属的作用一、熔渣的作用与形成（二）熔渣结构与碱度第100页，共142页，2023年，2月20日，星期二阳离子中Si4+，阴离子中的O2-的综合矩最大，两者极易结合为复杂的硅氧离子团SiO44-，随着渣中酸性氧化物SiO2的增加或碱性氧化物的减少，形成了结构更复杂，尺寸更大的SiO44-，对熔渣的物理性能产生重要影响。SiO44-SiOSi2O76-Si2O96-Si4O128-Si6O1812-硅氧离子团结构图第一章焊接化学冶金

第三节熔渣及其对金属的作用一、熔渣的作用与形成（二）熔渣结构与碱度第101页，共142页，2023年，2月20日，星期