焊接冶金学（基本原理）

1焊接冶金学（基本原理）太原理工大学2绪论

第一章焊接化学冶金

第二章焊接材料

第三章熔池凝固和焊缝固态相变

第四章焊接热影响区的组织

第五章焊接裂纹太原理工大学3绪论

焊接：被焊工件的材质(同种或异种），通过加热或加压或二者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程。一、焊接过程的物理本质原子间的距离为rA时，结合力最大。对于大多数金属rA≈0.3～0.5nm，原子间的距离大于或小于rA时，结合力显著降低。4

为了克服阻碍金属表面紧密接触的各种因素，采取以下两种措施：⑴加压—破坏接触面氧化膜，增加有效接触面，达到紧密接触。⑵加热—对金属，结合处达到塑性或熔化状态时，氧化膜迅速破坏，金属变形阻力降低；并增加原子振动能，促使扩散、再结晶、化学反应和结晶过程的进行。

加热温度越低，所需压力越大，实现焊接的条件：Ⅰ区—T＜T1，压力须在AB线右上方；Ⅱ区—T1～T2之间时，压力应在BC线以上；Ⅲ区—T＞T1＝TM（TM是金属熔化温度），压力为零，此即熔焊情况。5

焊接与钎焊在微观上是有原则的区别，如图：钎焊时钎料熔化，母材不熔化，不易形成共同的晶粒，只是在钎料与母材之间形成有相互原子渗透的机械结合。但有些材料钎焊也能形成共同晶粒，如用铝基钎料焊铝和铜基钎料焊铜时。6二、焊接热源的种类及其特性

焊接热源主要是热能和机械能。能够满足焊接条件的热源有以下几种：电弧热—利用气体介质中放电过程所产生的热能作为焊接热源，是焊接热源中应用最广泛的一种，如手工电弧焊、埋弧焊、惰性气体保护焊（TIG、MIG）、活性气体保护焊（MAG）等化学热—利用助燃和可燃气体（氧、乙炔等）或铝、镁热剂进行化学反应时所产生的热能（如气焊和热剂焊）电阻热—利用电流通过导体产生的电阻热（如电阻焊和电渣焊）。该类焊接方法，机械化和自动化程度较高，但需强大的电力。7高频感应热—对于磁性金属，利用高频感应所产生二次电流作为热源，局部加热，实质上是另一种电阻加热。热度集中，焊接速度高，如高频焊管等。对于不锈钢和铝等无磁性材料，经研究装设导磁附件，仍可高频焊接。摩擦热—由机械摩擦产生热能作为焊接热源。等离子焰—电弧或高频放电产生高度电离的离子流，携带大量的热能和动能，作为焊接热源（等离子焊接、切割和喷涂）。电子束—利用高压高速运动的电子在真空中猛烈轰击金属表面，使动能转化为热能作为焊接热源。故焊接质量很高。因热能高度集中，焊缝深宽比可达40以上，所以焊接HAZ很窄。激光束—是通过受辐射而使放射增强的光简称激光经过聚焦产生能量高度集中的激光束作为焊接热源。89三、熔焊加热特点及焊接接头的形成

焊接电源主要是电弧，其次是电阻、等离子、电子束和激光，电渣应用较少。下面以电弧焊为例，讨论熔焊加热特点。㈠焊件上加热区的能量分布热源通过焊件上一定的作用面积把热能传给焊件。对电弧焊，这个作用面积称为加热区，细分为加热斑点区和活性斑点区。

⑴活性斑点区

带电质点集中轰击的区，电能转为热能，斑点直径为dA，电流密度J的变化如图0-4。10

单位时间通过单位面积传入焊件的热能，即比热流的分布可近似用高斯模型来描述。距斑点中心任意点A的比热流可用下式计算：

q（r）=qme－Kr2

式中q（r）—A点比热流（J/（m2·s））

qm—加热斑点中心的最大比热流，（J/（㎝2·s））

K—热流集中系数（㎝－3）

r—A点距加热中心的距离（㎝）

⑵加热斑点区在加热斑点区焊件受热是通过电弧的辐射和周围介质的对流进行的。加热斑点的直径为dH，在该区内热量的分布是不均匀的，中心高，边缘低，如同立体高斯锥体，如图0-5。11

上式的K值说明了热能集中程度，主要决定于焊接方法、工艺参数和被焊材料的导热性能等。电弧焊条件下，厚皮焊条手弧焊K＝1.2～1.3㎝-2，埋弧焊K＝6.0㎝-2

，气焊K＝0.17～0.39㎝-2

根据qm和K值可求出任意点的比热流q（r）。立体高斯锥体下面的全部热能为：工件热输入，或用于加热工件的热功率

在一定条件下η是常数，受多种因素影响，如焊接方法、焊接材料、焊接工艺参数，以及运条摆动等表0-2为常见的η值。12⑶影响热能分布的因素13㈡焊接接头的形成熔焊时焊接接头的形成，一般都要经历加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变，直至形成焊接接头。如图。14⑴焊接热过程被焊金属在热源作用下局部受热和熔化，焊接热过程贯穿整个焊接过程。它与冶金反应、凝固结晶和固态相变、焊接温度场和应力变形等均有密切的关系，是影响焊接质量和生产率的重要因素之一。⑵焊接化学冶金过程

金属、熔渣与气相之间进行的系列化学冶金反应，如金属氧化、还原、脱硫、脱磷、掺合金等。直接影响焊缝成分、组织和性能。化学冶金研究重点是通过焊接材料来提高焊缝强韧性，主要有两个途径：

①向焊缝中加入微量合金元素（如Ti、Mo、Nb、V、Zr、B和稀土等）进行变质处理，提高焊缝的韧性。

②降低焊缝中的碳，并最大限度排除硫、磷、氧、氮、氢等杂质，提高焊缝韧性。15⑶焊接时的金属凝固结晶和相变过程

a焊接熔池（焊缝）的凝固和相变

随着热源离开，经过化学冶金反应的熔池金属就开始凝固结晶，金属原子由近程有序转变为远程有序排列，即有液态转变为固态。对于有同素异构转变的金属，随温度下降，将发生固态相变。如钢铁：δ—γ—α转变。因焊接条件下是快速连续冷却，并受局部拘束应力的作用，因此，可能产生偏析、夹杂、气孔、热裂纹、冷裂纹、脆化等缺陷。故而控制和调整焊缝金属的凝固和相变过程成为保证焊接质量的关键。16由图可见，焊接接头是由两部分组成，即焊缝和热影响区，其间是过渡区，称为熔合区。焊接时除了必须保证焊缝金属的性能外，还必须保证焊接热影响区的性能。b熔合区和近缝区两侧的母材相变过程焊接时经受加热和冷却过程，必然发生组织转变。

c焊接接头区域划分

焊缝---熔合区---热影响区（HAZ）

17四、焊接温度场

㈠焊接传热的基本形式

传热理论：热传导为传导、对流和辐射

在熔焊的条件下，由热源传热给焊件的热量，主要是以辐射和为主对流，而母材和焊条（焊丝）获得热能之后，热的传播则是以热传导为主。

㈡焊接温度场的一般特征

温度场——焊接时焊件上各点的温度每一瞬时都在变化，而且是有规律地变化。焊件上（包括内部）某瞬时的温度分布称为“温度场”18可以用数学关系表示如下：

T＝f（x、y、z、t）式中T—焊件上某瞬时的温度；

x、y、z—焊件某点的空间坐标；

t—时间。

等温线或等温面——焊接温度场分布情况可以用等温线或等温面表示。就是把焊件上瞬时温度相同的各点连接在一起，成为一条线或一个面。各等温线或等温面彼此之间不能相交，存在一定的温度差，其用温度梯度来表示。19温度梯度—与X轴相交的各个温度线彼此不同，如法线方向两相邻温度T1和T2的温度差为（T1－T2），温度梯度为（T1－T2/△S），当距离很小时：方向不同就有不同的温度梯度，如图，假如nn线与ss线方向成α时，20

稳定温度场——焊接温度场各点的温度不随时间而变动时，称为稳定温度场；随时间而变动的是非稳定温度场；

准稳定温度场——恒定热功率的热源固定作用在焊件上时（相当于补焊缺陷的情况），开始一段时间内，温度是非稳定的，经过一段时间后达到饱和状态，形成暂时稳定的温度场，这种情况称为准稳定温度场。

移动热源温度场——焊接移动热源，经过一段时间后，焊件上会形成准稳定温度场，和热源一起移动的准稳定温度场。采用移动坐标，坐标原点和热源中心重合，可建立焊接温度场数学模型。21

对于厚大焊件在表面上堆焊，可以把温度场看成是三维的，把热源看作是一个点（点热源），热的传播是沿三个方向，如图。三维温度场

焊接传热分类——根据焊件的尺寸和热源的性质，焊接传热可以是三维（空间传热）、二维（平面传热）和一维（线性传热）。22

一次焊透的薄板，温度场可以看成是二维的，可以认为在板厚方向没有温差，把热源看成是沿板厚的一条线（线热源），热的传播为两个方向（X、Y），属于平面传热，如图。二维温度场23

细棒的电阻焊（摩擦焊）对接、焊条或焊丝的加热，温度场均属一维。如果温度在细棒截面上的分布是均匀的，如同一个均温的小平面进行热的传播（面热源），此时的传热方向只有一个（X），见图。一维温度场24㈢影响温度场的因素

⑴热源的性质

热源的性质不同，焊接温度场的分布也不同。电弧焊条件下，25㎜以上的钢板就可以认为是点状热源。

100㎜以上的厚钢板电渣焊时却是线状热源。电子束和激光焊接时，热能及其集中，温度场范围很小。气焊时，热源作用面积大，温度场范围也大。

⑵焊接线能量以电弧焊为例，采用的焊接线能量不同（即热源能量q和焊接速度v之比E=q/v），温度场的分布也不同，如下图2526

当q=常数时，随焊接速度v的增加，等温线的范围变小。即温度场的宽度和长度都变小，但宽度的较小更大些，所以温度场的形状变得更细长，如图a。

当v=常数时，随热源功率q的增加，温度场的范围也随之增大，如图b。

如q/v保持定值，保持等比例改变时，会使等温线有所拉长，使温度场的范围也随之拉长，如图c。

27⑶被焊金属的热物理性质（材质影响）①热导率(λ)

金属导热的能力，物理意义是在单位时间内，沿法线方向单位距离相差1℃时经过单位面积所传递的热能，即28②比热容（c）

1g物质每升高1℃所需的热谓之比热容，当温度上升dT时，则

c=dQ/dT

式中dQ—1g物质温升dT时吸收的热能（J/g）各种材料的比热容是不同的，一般常采用平均值，钢铁材料在20-1500℃时，平均比热容为0.67-0.76J/(g·℃）③容积比热容(cρ)

单位体积物质每升高1℃所需的热量称为容积比热容，cρ值大的金属，温度上升缓慢。一般钢铁值在4.83-6.9J/（㎝3·℃）④热扩散率(a)

表示温度传播的速度。低碳钢在焊接条件下热扩散率的平均值为0.07～0.10㎝2/s⑤热焓(H)

单位物质所具有的全部热能，与温度有关。低碳钢从0℃加热到1500℃时的热焓为1331.4J/g。29⑥表面散热系数(a)

物理意义是散热体表面与周围介质每相差1℃时，在单位时间内单位面积所散失的热量。由于表面散热，在单位时间、单位面积上散热而损失的热能q，可由下式计算：

qs=α（T-T0）式中T—物体表面的温度（℃）；

T0—物体周围介质温度（℃）；

α—表面散热系数（J/(㎝2·s·℃))，α=αc+αE

αc—对流表面散热系数（J/（㎝2·s·℃))；

αE—辐射表面散热系数（J/(㎝2·s·℃))显然，热物理常数不同，温度场就不同。热物理常数都是随温度变化的，一般采用平均值3031金属热物理性质对温度场分布的影响

板厚10mm,E=21kJ/cm32⑷焊件的板厚及形状焊件的板厚、几何形状和所处的状态（包括环境温度、预热和后热）对传热过程有很大影响，因此影响温度场。①厚板焊件结构

如图，热源作用在Z=0，传热方向为X、Y、Z，相当于点状热源，热传播为半球体形，一般视为半无限体。据经验，认为25㎜厚度以上的低碳钢焊件（或20㎜厚以上的不锈钢焊件），手工电弧焊的条件下可视为厚大焊件。33②薄板焊件结构

传热方向为X、Y，热源为线状。手弧焊8㎜厚以下的低碳钢或5㎜厚以下的不锈钢可视为薄板。Theend3435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

第四节合金过渡第一章焊接化学冶金§1-1

焊接化学冶金过程特点

焊接化学冶金过程：熔化焊时，焊接区内各物质之间在高温下相互作用的过程。一、焊条熔化及熔池的形成（一）焊条的加热及熔化

1、焊条的加热电弧焊用于加热和熔化焊条（或焊丝）的热能有：电阻热、电弧热和化学反应热。一般，化学反应热仅占1%～3%。

焊条加热有效系数值约为0.2～0.27。焊条端部的电弧热是熔化焊条并使液体金属过热和蒸发的主要能源，其中只有一小部分传导到焊芯的深处使它和药皮温度升高。焊条端部药皮表面的温度可达600℃左右，因此在该处就开始发生冶金反应。37

2、焊条金属的平均熔化速度

焊条金属的平均熔化速度—在单位时间内熔化的焊芯质量或长度。可表示为：gM=G/t=αpI

gM---焊条金属的平均熔化速度（g∕h）

G---熔化的焊芯质量（g）

t---电弧燃烧时间（h）

αp---为焊条熔化系数[g/(A·h)]

I---焊接电流（A）

焊条平均熔敷速度—单位时间内真正进入焊缝金属的那一部分金属的质量。表示为：gD=GD/t=αHI

gD---为焊条的平均熔敷速度;

αH---焊条的熔敷系数在焊接过程中由于飞溅、氧化和蒸发损失的那一部分金属质量与熔化的焊芯质量之比，称为损失系数，可表示为：

Ψ=(G-GD)/G=(gM-gD)/gM=1-αH/αP

或αH=(1-Ψ)αP38

3、焊条金属熔滴及其过渡特性

在焊条端部熔化形成，长大后在各种力作用下，过渡到熔池，周而复始。如图1-1，m-t的变化规律。391）熔滴过渡形式

用药皮焊条焊接时，主要有三种过渡形式：短路过度、颗粒状过渡和附壁过渡。短路过渡：在短弧焊时焊条端部的熔滴长大到一定的尺寸就与熔池发生接触，形成短路，于是电弧熄灭。同时各种力使熔滴过渡到熔池中，电弧重新引燃。如此形成稳定的短路过渡过程。

颗粒过渡：当电弧的长度足够长时，焊条端部的熔滴长大到较大的尺寸，然后各种力的作用下，以颗粒状落入熔池，此时不发生短路，接着进行下一个过渡周期。40附壁过渡：熔滴沿着焊条端部的药皮套筒壁向熔池过渡的形式。碱性焊条在较大的焊接电流范围内主要是短路过渡和大颗粒状过渡；酸性焊条焊接时为细颗粒过渡和附壁过渡。

纤维素焊条-林肯焊丝95%Ar+5%CO2焊丝100%CO241MAG焊的熔滴过渡形式RotaryarcShortarcPulsedarcSprayarcTandemarc42

bcdaBridgingtransferwithoutarcinterruptionmode,showinganexplosionofmetaldroplet,HobartFashield81N1;bBridgingtransferwithoutarcinterruptionmode,showingastagnantflux,HobartFashield81N1;cBridgingtransferwithoutarcinterruptionmode,showinganexplosionoffinedroplet,experimentalwire;dBridgingtransferwithoutarcinterruptionmode,showingansurfacetensiontransfertransfer,HobartFashield81N143Test06(frame211+)442)熔滴的比表面积和相互作用时间焊接时金属与熔渣和气体的相互作用属于高温多相反应，因此熔滴的比表面积和它与周围介质相互作用的时间，对熔滴阶段的冶金反应有很大的影响。

熔熵的表面积Ag与其质量之比称为熔滴的比表面积S，表示为：

S=Ag/ρVg式中Vg—熔滴的体积；

ρ—熔滴金属的密度。45

假设熔滴是半径为R的球体，则其比表面积为

S=3/ρR

由此可知，熔滴越细其表面积越大。凡是能使熔滴变细的因素，如增大焊接电流或在药皮中加入表面活性物质等，都能使熔滴的比表面积增大，从而有利于加强冶金反应。图1-1可看出熔滴比表面积相当大，103～104cm2/kg46

从理论上讲，熔滴的存在时间不等于熔滴与周围介质相互作用的时间。熔滴与周围介质的平均相互作用的时间可用下式表示：

一般情况下可用熔滴的存在时间近似地表示平均相互作用时间。根据焊接方法、规范、电流极性和焊接材料的不同，平均相互作用时间在0.01～1.0s内变化（表1-1），很短暂。473)熔滴的温度

对于手工电弧焊低碳钢熔滴的平均温度为2100～2700K

熔渣平均温度：不超过1600℃

药皮熔化后形成的熔渣也向熔池过渡，有两种形式：以薄膜形式包在熔滴外面或夹在熔滴内同熔滴一起落入熔池；直接从焊条端部流入熔池或以滴状落入熔池。

熔滴平均温度随电流的增加而升高，随直径的增加而降低48（二）熔池的形成

熔池—母材上由熔化的焊条金属与局部熔化的母材所组成的具有一定的几何形状的液体金属。如不填丝，仅为局部熔化母材。熔池特征和性质对焊接质量有极其重要的影响

1、熔池的形状和尺寸

熔池的形成需要一定的时间，这段时间叫做过渡时期，经过过渡时期以后进入准稳定时期，熔池的形状、尺寸和质量不再变化，只取决于母材的种类和焊接工艺条件，并随热源做同步运动。在电弧焊的条件下，准稳定时期熔池类似于不标准的半椭球，轮廓为温度等于母材熔点的等温面。焊接熔池形状示意图49

见图，熔池宽度和深度沿X轴连续变化，随电流增加熔池的最大宽度Bmax减小，而最大深度Hmax增大；随着电弧电压增加，Bmax增大，Hmax减小。

熔池的长度L可用下式近似计算：L=P2UI

P2--比例系数，取决于焊接方法和焊接电流。如下表

从理论上计算熔池的上表面积是困难的，因为在各种力的作用下，熔池的上表面积形状十分复杂，取决于焊接方法和焊接工艺参数，一般为1～4㎝2，熔池的比表面积S根据规范不同，变化在（0.3～13）×10-3㎡/㎏，可见比熔滴的比表面积小。熔池的有关参数见下表50表1-3熔池的几何形状及物理参量51

2、熔池质量和存在时间

手弧焊时熔池的质量通常在0.6～16g范围之内，多数情况下小于5g。埋弧焊焊接低碳钢时，即使焊接电流很大，熔池的质量也不超过100g。熔池在液态存在的最大时间tmax取决于熔池的长度和焊速。

tmax=L/v

熔池平均存在时间

tcp=mp/（ρvAw)mp—

熔池的质量（g）；

ρ—

熔池液态金属的密度（g/cm2）

AW—焊缝的横截面积（cm2）见表1-3、1-4熔池反应时间几秒～几十秒，比较短暂，但比熔滴反应时间长。52533、熔池温度

温度分布是不均匀，熔池前部输入热量大于散失热量，母材不断融化，中部处于电弧下面温度最高，后部输入热量小于散失的热量，温度逐渐下降，金属不断凝固。熔池的平均温度主要取决于母材的性质和散热条件，对低碳钢来讲，熔池平均温度约为1770±100℃544、熔池中流体的运动状态

熔池中液态金属的强烈运动，使熔化的母材和焊条金属能够很好混合，形成成分均匀的焊缝金属，其次，熔池中的运动有利于气体和非金属夹杂物的外逸，加速冶金反应，消除焊接缺陷，提高焊接质量。在液态金属和母材交界处，液态金属的运动受到限制，因此常出现化学成分不均匀性。

熔池中液体金属在各种力作用下，发生强烈运动，使熔池中传热和传质。熔化母材由熔池前部沿结晶前沿的弯曲表面向熔池后部运动。而在熔池表面，液态金属由熔池后部向中心运动。55

二、焊接过程中对熔融金属的保护㈠保护的必要性为提高焊缝金属质量，必须尽量减少有害杂质含量和有益金属损失，使焊缝金属得到合适化学成分。因此，焊接化学冶金的首要任务就是对焊接区内金属加强保护，以免受空气等有害作用。㈡保护的方式和效果1、保护方式有许多保护材料（焊条药皮、焊剂、药芯焊丝中的药芯、保护气体等）和手段见表1-6562、保护效果埋弧焊焊剂保护—利用焊剂及其熔化后形成的熔渣隔离空气保护金属。取决于焊剂粒度和结构。比手弧焊好气体保护焊—气体隔离空气，效果取决于保护气的性质与纯度、焊炬的结构、气流的特性等因素。惰性气体（氩、氮等）的保护效果好，适用于焊接合金钢和化学活性金属及其合金。焊条药皮和焊丝药芯—由造气剂、造渣剂和铁合金等组成。在焊接过程中能形成渣-气联合保护。造渣剂熔化以后形成熔渣，覆盖在熔滴和熔池的表面上将空气隔开。熔渣凝固后，在焊缝上面形成渣壳，隔离高温焊缝金属与空气接触。同时造气剂（主要是有机物和碳酸盐等）受热以后分解，析出大量气体，在药皮套筒中被电弧加热膨胀，从而形成定向气流吹向熔池，将焊接区与空气隔离开。57

真空保护—度高于0.0133Pa的真空室内进行电子束焊接，保护效果是最理想的。虽然不能把空气完全排除掉，但随着真空度的提高，可以把氧和氮的有害作用减至最小。

自保护焊—利用特制的实心或药芯光焊丝在空气中焊接。是在焊丝或药芯中加入脱氧和脱氮剂，使由空气进入熔化金属中的氧和氮进入熔渣中，故称自保护。

冶金保护—有些焊接情况下，机械保护是不够的，必须对熔化金属进行冶金处理，通过冶金反应获得预期焊缝成分，是本章讨论主要内容。自保护焊丝主要靠冶金保护。5859三、焊接化学冶金反应区及反应条件

焊接化学冶金过程是分区域连续进行的各区差异较大。

不同焊接方法，有不同的反应区。

手工电弧焊有三个反应区：药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区，如图1-8。

熔化极气保护焊有两个区：熔滴和熔池。

不填充金属的气焊、钨极氩弧焊和电子束焊：一个熔池。药皮反应阶段熔滴反应阶段熔池反应阶段6061（一）药皮反应区：从100℃至药皮的熔点（对钢焊条约为1200℃）。主要物化反应有：水分的蒸发、某些物质的分解和铁合金的氧化。加热温度超过100℃，吸附水全部蒸发；加热温度超过200～400℃，药皮中某些组成物的结晶水（白泥、云母）被排除；加热到一定温度时，有机物开始分解和燃烧，形成CO2、CO、H2等气体，对熔化金属有机械保护作用，对被焊金属和药皮中的铁合金有很大的氧化作用。即“先期脱氧”。是下面反应的准备阶段。62A.药皮反应阶段温度oC600400200100熔焊进程—药皮反应阶段水蒸发结晶水分解碳酸盐分解冶金反应63（二）熔滴反应区：指从熔滴形成，长大，到过渡至熔池中，有如下特点:

1）熔滴的温度高对电弧焊焊接钢而言，熔滴的平均温度根据焊接工艺参数不同，变化在1800～2400℃的范围内，使熔滴金属的过热度很大，约为300～900℃

2）熔滴与气体和熔渣的接触面积大在正常情况下，熔滴的比表面积约为103～104㎝2/㎏，约比炼钢时大1000倍。

3）各相之间的反应时间短熔滴在焊条末端停留时间仅为0.01～0.1s，经过弧柱区的时间只有0.0001～0.001s，该区各相接触的平均时间约为0.01～1.0s。可见，反应主要在焊条末端进行的。

64

4）熔滴与熔渣发生强烈的混合在熔滴长大、过渡过程中，渣与熔融金属处于不断混合运动中，这种混合作用不仅增加了相的接触面积，而且有利于反应物和产物进入和退出反应表面，从而加快反应速度。

总之，该区虽反应时间短，但温度高，相接触面积大，并有强烈的混合作用，所以冶金反应最激烈。主要物化反应有：气体的分解和溶解、金属的蒸发、金属及其合金成分的氧化和还原以及焊缝金属的合金化等。65（三）熔池反应区1）熔池反应区的物理条件与熔滴相比，熔池平均温度较低，约为

1600～1900℃；比表面积较小，约为3～130㎝2∕㎏；反应时间时间稍长些，如手工焊3～8秒，埋弧焊6～25s；熔池温度分布极不均匀，前部和后部可同时向相反的方向进行（熔化—凝固）。此外，熔池中的强烈运动可加快反应速度，并为气体和非金属夹杂物外逸创造条件。662）熔池反应区的化学条件

首先，熔池阶段系统中反应物的浓度与平衡浓度之差比熔滴阶段小，在其余条件相同时，反应速度比熔滴小。

其次，存在一个临界药皮厚度，在它以外的药皮所形成的熔渣不与熔滴接触，只与熔池发生反应。图1-9可以说明。

最后，熔池反应区的反应物不断更新，这种物质的更替过程可以达到相对稳定状态，从而得到成分均匀的焊缝。由熔池区物理、化学条件可得：熔池阶段反应速度比熔滴小，整个反应阶段贡献小。表1-8可以证明Kb—单位长度上药皮与焊芯的质量比6768四、焊接工艺条件与化学冶金反应的关系

改变工艺意味着改变冶金，可归结为熔合比和熔滴过渡的影响。

㈠、熔合比的影响

焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比，其取决于焊接方法、规范、接头形式和板厚、坡口角度和形式、母材性质、焊接材料种类以及焊条（焊丝）的倾角等因素，见表1-9.

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母材和填充金属成分不同时，熔合比对焊缝金属的成分有很大影响，假设焊接时合金元素没有任何损失，则焊缝中的合金元素浓度为原始浓度，与熔合比的关系是：

实际上焊条中的合金元素在焊接过程中有损失，焊缝金属中合金元素的实际浓度为：

式中Cd--熔敷金属中元素的实际质量百分浓度。可见，改变熔合比可以改变焊缝金属中的化学成分。70

㈡、熔滴过渡特性的影响焊接工艺参数对熔滴过渡特性有很大影响，因此对冶金反应必然有很大影响。

熔滴阶段的反应时间（存在时间）随着焊接电流的增加而变短，随着电弧电压的增加而变长，断定反应进行的程度随电流的增加而减小，随电压的增加而增大。例如，碱性焊条和焊丝（配方见书）焊接工艺参数对硅含量的影响，图1-10；CO2保护焊熔滴过渡频率和硅损失率的关系，图1-11。

细化熔滴，比表面积增大，和气体接触反应程度加大。如，CO2保护焊，短路过渡比大颗粒过渡时硅的损失小，图1-11；不锈钢焊条的气孔问题等。7172五、焊接化学冶金系统及其不平衡性

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。如手工电弧焊和埋弧焊时，有三个相互作用的相，即液态金属、熔渣和电弧气氛；气体保护焊时，主要是气相和金属相之间的相互作用；而电渣焊时，主要是熔渣和金属之间的作用。与金属之间的作用。由物理化学可知，多相反应在相界面上进行，与传质、传热和动量传输过程密切相关。影响因素很多，这给焊接化学冶金的研究增加了困难。

系统不平衡性：焊接区的不等温条件排除了整个系统平衡的可能性，但在个别部分的个别反应会出现短暂平衡状态。系统的不平衡性是焊接冶金的一个特点。因此，不能直接用热力学平衡的计算公式定量分析焊接化学冶金问题，可作有益的定性分析。这方面冶金尚不成熟。73§1-2气相对金属的作用一、焊接区内的气体

㈠气体的来源和产生

焊接区内的气体主要来源于焊接材料。焊条药皮、焊剂、药芯中的造气剂、高价氧化物、水分。气保护焊的保护气体。

空气。焊材和母材表面的铁皮、铁锈、油污、油漆、吸附水。

除直接输送和侵入焊接区内的气体以外，其中的气体主要是通过以下物化反应产生的：1.有机物的分解和燃烧

制造焊条时常用淀粉、纤维素、糊精、藻酸盐等有机物作为造气剂和涂料增塑剂。这些物质受热以后将发生复杂的分解和燃烧反应，统称为热氧化分解反应。反应的气态产物主要是CO2。分解温度在220～250℃。含有机物的焊条（纤维素焊条）烘干温度应控制在150℃

，不应超过200℃。

742.碳酸盐和高价氧化物的分解焊接冶金中常用的碳酸盐有、BaCO3和白云石。加热一定温度，碳酸盐分解产生CO2气体。经计算CaCO3、MgCO3在空气中开始分解温度分别为：545℃

、325℃。剧烈分解温度

910℃

、650℃。可见焊接中可完全分解。

加热速度增加，分解温度升高。但药皮中CaF2、SiO2、TiO2和Na2CO3等成分使CaCO3分解区间移向低温。图1-12

碳酸盐粒度越小，同样温度下分解压越大。电弧中水蒸气，可加速碳酸盐的分解，这是催化的效果。75

由上述可知，对含CaCO3的焊条烘干温度不应超过450℃，对含MgCO3的焊条不应超过300℃。

焊接材料中常用高价氧化物Fe2O3、MnO2及其分解反763.材料的蒸发在焊接过程中，除了焊接材料中的水分蒸发外，金属元素和熔渣的各种成分也在电弧高温的作用下发生蒸发，形成蒸汽。蒸发取决于沸点（越低越容易蒸发）、在溶液中的浓度、系统总压力、焊接规范。焊接时的蒸发现象不仅使气相的成分复杂化，而且造成合金元素的损失，甚至产生焊接缺陷，增加焊接烟尘，污染环境，影响焊工健康。77㈡气体分解气体状态（分子、原子和离子）对其与金属的溶解和作用有很大影响。表1-11为气体分解反应方程式。1.简单气体的分解焊接区气相中常见的简单气体有N2、H2、O2等双原子气体，气体受热后将增加其原子的振动和旋转能，当原子获得的能量足够高时，使原子键断开，分解为单个原子或离子和电子。78

由图可看出在焊接温度下（5000K，弧柱区约4000—8000K），H2和O2的分解度很大，绝大部分以原子状态存在，而氮的分解度很小，基本上以分子状态存在。分解度α：分解的分子数于原有的分子数之比792.复杂气体的分解

CO2和H2O是焊接冶金中常见的复杂气体。其分解反应和分解度分别见表1-11和图1-15。

CO2在4000K时分解度很大，按表中式6进行，分解产物CO、O2；

H2O以4500K为界，按表中式7～10进行，分解产物H2、O2、H、O。80㈢气相的成分及其分布焊接过程测定气相成分很困难，常用光谱和色谱法对焊接过程中的气相成分进行测试。最常用的是把焊接区气体抽出来，冷却到室温再分析。显然不精确。气相的成分随焊接方法、规范、焊条或焊剂的种类不同而变化，如图1-12。沿电弧的轴向和径向的温度分布不均，所以各种气体的分子、原子和离子的分布也不均，但这种规律尚待研究。

综上所述，焊接区内的气体由CO2，H2O，N2，H2，O2，金属和熔渣的蒸气以及它们分解和电离的产物组成的混合物。其中对焊接质量影响最大的是N2，H2，O2，CO2，H2O。8182二、氮对金属作用来源：主要是焊接区周围的空气。氮与金属作用有两种情况：

1、不与氮发生作用的金属，即不熔解氮又不形成氮化物，可用N作为保护气体。

2、与氮发生作用的金属，即能溶解氮又能形成稳定的氮化物，焊接这类金属及合金就要防止焊缝金属的氮化。㈠氮在金属中的溶解

溶解过程可分为如下阶段：气体分子向气体与金属界面上运动；气体被金属表面吸附；在金属表面上分解为原子；气体原子穿过金属表面层，并向金属深处扩散，属纯化学溶解。氮在金属中的溶解反应可表示为：N2=2[N]

根据质量作用定律可求出氮在金属中的溶解度（平衡时含量）：称为平方根定律。83经计算得到氮在铁中的溶解度与温度的关系：

可见，氮在液态铁中的溶解度随着温度的升高而增大；当温度为2200℃时，氮的溶解度达到最大值47cm3/100g(0.059%)；继续升高温度溶解度急剧下降，至铁的沸点2750℃溶解度变为零，这是金属蒸气压急剧增加的结果。此外，还可以看出，当液态铁凝固时，氮的溶解度突然下降至1/4左右。

试验表明，电弧焊时，固定熔池中溶氮量比平方根定律计算的溶解度高几倍。图1-17。

特点：熔化金属过热度大；在熔池表面上通过局部活性部分和熔滴吸收气体；电弧气氛中有受激的分子、原子和离子，增加气体的活性，使其在金属中的溶解度增加。

所以电弧焊时熔化金属吸收的气体量常常要超过它的平衡含量（溶解度）。85㈡氮对焊接质量的影响⑴使焊缝产生气孔液态金属高温时可溶解大量的氮，凝固时溶解度突然下降，过饱和的氮以气泡的形式从熔池中逸出，当焊缝的结晶速度大于逸出速度时形成气孔。⑵提高低碳钢和低合金钢焊缝金属强度、降低塑性和韧性如果熔池中含有较多的氮，由于焊接时冷速很大，一部分以过饱和形式存在于固溶体中，一部分以针状氮化物形式析出分布于晶界或晶内，使焊缝金属的强度、硬度升高，而塑性和韧性，特别是低温韧性急剧下降。⑶促使焊缝金属的时效脆化焊缝金属中过饱和氮处于不稳定状态，随时间的延长将逐渐析出使焊缝金属的强度上升，韧性塑性下降，加入能形成稳定氮化物的元素，如钛、铝、锆等，可抑制或消除时效现象。8687㈢影响焊缝含氮量的因素及控制措施1、焊接区保护的影响由于脱氮较困难，重在加强保护，防止空气与金属作用。——各种方法的保护效果见图1-6，表1-13.

88

——药芯焊丝的保护效果，主要取决于其中保护成分的含量和形状系数。随着形状系数的增加，保护效果得到改善。

——焊条药皮的保护作用，主要取决于药皮成分和数量。图1-20为造渣型焊条药皮重量系数与焊缝含氮量的关系。图1-21为渣气联合保护型。892、焊接工艺参数的影响

增加电弧电压（即增加电弧长度），氮与熔滴的作用时间增长，使焊缝中含氮量增加，如图。为减少焊缝中的气体含量应尽量采用短弧焊。增加焊接电流，熔滴过渡频率增加，氮与熔滴作用时间缩短，焊缝含氮量下降。焊接速度对焊缝含氮量影响不大，在同样条件下，增加焊丝直径使含氮量下降。90

3.合金元素的影响

增加焊丝或药皮中的含碳量可降低焊缝中的含氮量（图1-23）。这是因为碳能降低氮在铁中的溶解度；碳氧化生成CO,CO2加强了保护，降低了气相中氮的分压；碳氧化引起的熔池沸腾有利于氮的逸出。钛、铝、锆和稀土元素对氮有较大的亲和力，能形成稳定的氮化物，且它们不溶于液态钢而进入熔渣；这些元素对氧的亲和力也很大，可减少气相中NO的含量，所以可在一定程度上减少焊缝含氮量。自保护焊，就是这个道理。91三、氢对金属的作用氢对焊接质量有害，焊接时氢的行为是国际上的重点研究课题。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等。见表1-12。（一）、氢在金属中的溶解

第一类能形成稳定氢化物的金属，如Zr、Ti、V、Ta、Nb，这类金属吸收氢是放热反应，焊接时，必须防止在固态下吸收大量的氢。第二类不形成稳定氢化物的金属，如Al、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo，但是能溶解氢，以下重点讨论。焊接方法不同，氢向金属中的溶解途径也不同。气体保护焊时，氢是通过气相与液态金属的界面以原子或质子形式溶入金属中；电渣焊和电渣熔炼时，氢是通过渣层溶入金属，手工电弧焊和埋弧焊时，似上述两种途径兼而有之。921、氢通过熔渣向金属中溶解

以氢或水蒸汽首先熔入熔渣，在渣中以OH-离子形式存在。对含自由氧离子的酸、碱性渣对不含自由氧离子的渣若渣中含有氟化物渣中自由氧离子浓度越大（即熔渣的碱度越大）水在渣中的溶解度越大。如图1-24。93

氢在熔渣中向金属中过渡

是通过如下反应进行的：

焊接熔渣中少数质子，可以通过扩散或搅拌作用到达溶渣与金属界面上，直接溶入金属中。在阳极还可能发生溶解氢的电化学反应：

总之，当氢通过熔渣向金属中过渡时，溶解度取决于气相中氢和水蒸汽的分压，熔渣的碱度、氟化物的含量和金属中的含氧量等因素。

942、氢通过气相过渡到金属

当氢通过气相向金属中过渡时，其溶解度取决于氢的状态。如果氢在气相中以分子状态存在，则在金属中的溶解度符合平方根定律：

氢在液态铁中的溶解度与温度的关系见图1-16，铝、铜图见1-25。对第二类金属，温度升高，溶解度增大，即熔滴阶段吸收的氢比熔池阶段多；继续升温，由于金属蒸气压急剧增加，使氢的溶解度迅速下降，在接近金属沸点时溶解度为零；此外，在变态点处溶解度发生突变，这往往是造成焊接缺陷的原因之一。95

由于电弧焊时氢还会以原子和质子存在，实际的溶解度分布比按平方根定律计算的高约1倍见图1-26。

合金元素有很大影响；见图1-27。氧能有效地降低氢在液态铁、低碳钢和低合金钢中的溶解度；

氢在固态中的溶解度还与其组织结构有关，在面心立方晶格的奥氏体钢中的溶解度比体心立方的铁素体、珠光体大。96（二）焊缝金属中的氢及其扩散

在焊接过程中，液态金属所吸收的大量氢，一部分在熔池凝固过程中逸出，相当多的来不及逸出留在固态焊缝金属中。

在钢焊缝中，氢大部分以H、H+或H-形式存在的，与焊缝金属形成间隙固溶体，这一部分氢可以在焊缝金属晶格中自由扩散，故称为扩散氢；还有一部分氢聚集到陷阱中，结合为氢分子，因其半径比较大，不能自由扩散，称为残余氢。

焊缝金属中的含氢量因扩散随时间变化，见图1-28。焊后随时间的增加，扩散氢减少，残余氢增加，而总氢量下降。97

熔敷金属扩散氢的标准测量方法，焊后立即测量并换算为标准状态下的含氢量，水银法和甘油法，各种方法焊接熔敷金属的含氢量，见图1-14。98

氢在焊接接头中的扩散和分布是一个复杂的问题，至今尚未充分认识。氢在接头断面的分布与母材的成分、组织和焊缝金属的类型等有关。见图1-29，

近缝区冷裂纹与其中的含氢量有密切关系。见图1-30。991、氢脆氢在室温附近使钢的塑性严重下降的现象，见图1-31，由溶解在金属晶格中的氢引起。2、白点碳钢或低合金钢焊缝如含氢量高则常常在其拉伸或弯曲断面上出现银白色圆形局部脆断点。直径0.5～3mm，周围为塑性断口，肉眼可辨认，中心有小夹杂物或气孔。焊缝金属对白点的敏感性与含氢量、金属组织和变形速度等有关。铁素体和奥氏体钢焊缝不出现白点。3、形成气孔若熔池吸收大量的氢，在凝固时溶解度突然下降，氢处于过饱和，反应2[H]=H2形成的分子氢不溶于金属，在液态金属中形成气泡，（三）、氢对焊接质量的影响

当其外逸速度小于凝固速度时，焊缝中形成气孔。见第三章。

4、产生冷裂纹焊接接头冷却到较低温度产生的一种裂纹，危害很大，氢是产生这种裂纹的主要原因之一。第五章专门讨论。100（四）控制氢的措施

1)、限制焊接材料的含氢量制造焊条、焊剂和药芯焊丝用的各种材料，如有机物、天然云母、白泥、长石、水玻璃、铁合金等，都不同程度含有吸附水、结晶水化合水或溶解的氢。因此，制造低氢和超低氢型焊条和焊剂时，应尽量选用不含或含氢少的材料。

制造焊条、焊剂和药芯焊丝时，适当提高烘焙温度可降低焊接材料中的含水量，相应地降低了焊缝中的含氢量。见图1-32。101

焊条、焊剂在大气中长期放置会吸潮，而且使焊缝含氢量增加，焊接工艺变坏，抗裂性下降。

因此，焊接材料在使用前应再烘干，这是生产上去氢的最有效方法，特别是使用低氢型焊条时。烘焙温度不可过高，否则会丧失药皮的冶金作用。焊条、焊剂烘焙后应该立即使用，或放在低温（100）烘箱内，以免重新吸潮。2)、清除焊丝和焊件表面上的杂质

焊丝和焊件坡口附近表面上的铁锈、油污、吸附水等。焊接铝、铝镁合金、钛及其合金时，其表面的氧化膜必须用机械或化学方法进行清洗。1023)、冶金处理

降氢就是降氢分解压，因此，要生成稳定的不溶于液态金属的氢化物HF、HO。具体措施如下：

①药皮和焊剂中加入氟化物

如CaF2、MgF2、BaF2、Na3AlF6、常用的是在药皮中加入7%～8%即可急剧减少焊缝含氢量，再增加其含量，则去氢的作用相对减少。如图1-36。

氟化物去氢机理有多种假说，见课本及相关资料。103②控制焊接材料的氧化还原势

熔池中氢的平衡浓度用下式表示：

增加氧可减少氢。

原因是生成稳定的OH：

低氢型焊条药皮中的碳酸盐，受热分解，并通过反应式CO2+H=CO+OH去氢。气保焊中的CO2氩弧焊中的5%O2。

加入Fe2O3如图1-38，加入脱氧剂如图1-39。104③在药皮或焊芯中加入微量的稀土或稀散元素

在药皮中加入微量碲或硒可以大幅度降低扩散氢含量；加入微量稀土元素也能显著降低扩散氢含量，同时提高焊缝韧性。1054)、控制焊接工艺参数

5)、焊后脱氢处理焊后把焊件加热到一定温度并保温，促使氢扩散外逸的工艺106四、氧对金属的作用

根据氧与金属作用的特点，可把金属分为两类:一类是不溶解氧，但焊接时发生激烈氧化的金属，如Mg,Al等，另一类是能有限溶解氧，同时焊接过程中也发生氧化的金属，如Fe，Ni,Gu。Ti等。后一类金属氧化后生成的金属氧化物能溶解于相应的金属中。例如铁氧化生成的FeO能溶于铁及其合金中。

主要学习氧对铁的作用。

㈠氧在金属中的溶解

以氧原子和FeO两种形式溶于液态铁中。氧在液态铁中的溶解度随着温度的升高而增大。107

在室温下a—Fe中几乎不溶解氧，焊缝金属和钢中所含的氧绝大部分是以氧化物（FeO、SiO2、MnO、Al2O3等）和硅酸盐夹杂物的形式存在。含氧量包括溶解氧和氧化物夹杂中的氧。㈡氧化性气体对金属的氧化

焊接时金属氧化主要包括氧化性气体和活性熔渣与金属的作用。1、金属氧化还原方向的判据由物理化学可知，金属氧化物的分解压Po2可作为判据。假设在金属-氧-金属氧化物系统中氧的实际分压为｛Po2｝，则

金属氧化物的分解压是温度系数，随温度的升高而增加。

由图知，除氧化铜、氧化镍，FeO分解压最大，最不稳定。109Fe0为纯凝聚相时，其分解压为110

溶于液体铁中的FeO

，分解压减小，使铁更容易氧化。据上述公式可计算出不同温度下液体铁中[FeO]的浓度与其分解压的关系。表1-15。可见，焊接温度下FeO的分解压很小，很容易被氧化。1112、自由氧对金属的氧化

光焊丝在空气中无保护焊接时，气相中氧分压等于空气中氧的分压，即{pO2}=21.3kPa(0.21atm)，远大于焊接温度下FeO的分解压(表1-15),所以铁被氧化，焊缝含氧量很高。

手工电弧焊时，虽然采取了保护措施，但空气中的氧总是或多或少地侵入电弧，高价氧化物等物质受热分解也产生氧气，就使气相中自由氧的分压大于FeO的分解压，因此也使铁氧化:

在焊接钢时，除铁发生氧化外，钢液中其它对氧亲和力比铁大的元素也发生氧化，如1123、CO2对金属的氧化

由表1-16知，在高温下CO2对液态铁和其它许多金属来说是活泼的氧化剂。113

当温度升高时，反应的平衡常数增大，反应向右进行，促使铁氧化。因此，CO2在熔滴阶段对金属的氧化程度比在熔池阶段大。这表明，用CO2作保护气体只能防止空气中氮的侵入，而不能防止金属的氧化。实践证明，用普通焊丝(H08A)进行CO2保护焊时，由于碳的氧化在焊缝中产生气孔，同时合金元素烧损，焊缝含氧量增大。所以必须采用含硅、锰高的焊丝(H08Mn2Si)或药芯焊丝，以利于脱氧，获得优质焊缝。同理，在含碳酸盐的药皮中也必须加入脱氧剂。CO2与液体铁的反应和平衡常数如下：1144、H2O气对金属的氧化

气相中的水蒸气不仅是焊缝增氢，而且使铁和其他合金元素氧化，水蒸气与铁的反应式及平衡常数如下：

温度越高，水蒸气的氧化性越强。当气相中含有较多的水分时，为了保证焊接质量，在脱氧时必须去氢。低氢型药皮中含有较多的脱氧剂，但如果受潮，焊接时易产生气孔。1155、混合气体对金属的氧化

手工焊、混合气体保护焊等，混合气体对铁是氧化性的，药皮中必须加入脱氧剂。

采用氧化性混合气体焊接时，应根据氧化能力的大小选择含有合适脱氧剂的焊丝。

氧化性评价指标∑O（100g焊缝金属反应的总氧量）。

116（三）氧对焊接质量的影响

焊缝含氧量总是增加的，见表1-17.117

氧在焊缝中无论以何种形式存在，对焊缝的性能都用很大影响。随着焊缝含氧量的增加，其强度、塑性、韧性都明显下降，尤其是低温冲击韧性急剧下降。此外还引起热脆、冷脆和时效硬化。118

溶解在熔池中的氧与碳发生反应，生成不溶于金属的CO，熔池凝固时气泡来不及逸出就形成气孔。

氧烧损钢中的有益合金元素使焊缝性能变坏。熔滴中含氧和碳多时，它们相互作用生成的CO受热膨胀，使熔滴爆炸，造成飞溅，影响焊接过程的稳定性。

焊接材料具有的氧化性不是都是有害的，相反，为了减少焊缝含氢量、改进电弧的特性，获得必要的熔渣物理化学性能，在焊接材料中有时要故意加入一定量的氧化剂。119（四）控制氧的措施1、纯化焊接材料在焊接某些要求比较高的合金钢、合金和活性金属时，应尽量用不含氧或含氧少的焊接材料。2、控制焊接工艺参数

增加电弧电压，使空气侵入电弧，并增加氧与熔滴的作用时间增长，使焊缝中含氧量增加。为减少焊缝中的气体含量应尽量采用短弧焊。焊接方法、熔滴过渡特性、电流的种类等也有一定影响。3、脱氧上述方法是有限的，必须用冶金方法进行脱氧。120§1-3熔渣及其对金属的作用

一、焊接熔渣（一）熔渣的作用、成分及分类1.熔渣在焊接过程中的作用1).机械保护作用焊接形成的熔渣覆盖在熔滴和熔池的表面上把液态金属与空气隔开，防止液态金属的氧化和氮化，熔渣凝固后的渣壳覆盖在焊缝上，可以防止处于高温的焊缝金属受空气的有害作用。2).改善焊接工艺性能在熔渣中加入适当的物质可使电弧容易引燃、稳定燃烧，减少飞溅，保证具有良好的操作性、脱渣性和良好的焊缝成形等。3).冶金处理作用在一定的条件下熔渣可以去除焊缝中的有害杂质，如脱氧、脱硫、脱磷、去氢，还可以使焊缝金属合金化。

1212.熔渣的成分和分类第一类是盐型熔渣

由金属氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物组成，其氧化性很小，如渣系Ca2-NaF、CaF2-BaCl2-NaF。主要焊接铝、钛和其它化学活性金属及其合金，也用于焊接活性元素的高合金钢。第二类是盐-氧化物型熔渣

由氟化物和强金属氧化物组成，常用渣系，CaF2-CaO-Al2O3、CaF2-CaO-SiO2、CaF2-CaO-Al2O3-SiO2、其氧化性较小，主要用于焊接合金钢及合金。第三类是氧化物型熔渣主要由金属氧化物组成，常用渣系，MnO-SiO2、FeO-MnO-SiO2、CaO-TiO2-SiO2

、氧化性较强，主要用于低碳钢和低合金钢。主要研究二、三类，常简化为渣系，如CaO-SiO2-CaF2。有熔渣相图可供参考。122123

（二）熔渣结构理论1、分子理论：以凝固熔渣的相分析和化学成分分析结果为依据,要点如下：

1）液态熔渣是由化合物的分子组成的包括氧化物：CaO、Al2O3

、SiO2复合物：CaO·SiO2、CaO·SiO2、及氟化物、硫化物等。

2）氧化物及其复合物处于平衡状态各种复合物的稳定性可用它们的生成热效应来衡量，生成热效应越大，它越稳定。

3）只有自由氧化物才能参与和金属的反应

例如下面反应只有FeO可以参加，硅酸铁（FeO）2·SiO2不可以.

分子理论最早提出，可解释冶金反应，不能解释熔渣导电性，因此出现了离子理论。2、离子理论:在研究熔渣电化学性质的基础上提出来，完全离子理论要点如下：

1）液态熔渣是由阴阳离子组成的电中性溶液

离子的种类和存在形式取决于熔渣的成分和温度。如阴离子：F-、O2-、SiO44-、Si3O96-等阳离子：K+、Na+、Ca2+等

2）离子的分布和相互作用取决于它的综合矩

综合矩=z/r

式中z—离子的电荷（静电单位）

r—离子的半径（10-1nm）表1-20，0℃时综合矩，温度升高，r增大，综合矩减小。综合矩越大，静电场越强，与异号离子引力越大。

3）熔渣与金属作用过程是原子与离子交换电荷过程如硅还原铁的氧化过程。

125126（三）熔渣的性质与其结构的关系

1.熔渣的碱度

不同熔渣结构理论对碱度的定义和计算方法不同。

分子理论认为熔渣中氧化物按性质分为三类：

碱性由强变弱：

1).酸性氧化物

SiO2、TiO2、P2O5

2).碱性氧化物

K2O、Na2O、CaO、MgO、BaO、MnO、FeO

3).中性氧化物

Al2O3、Fe2O3、Cr2O3等

在不同性质的渣中可呈酸性可呈碱性。127根据分子理论碱度的定义为：

B=Σ(R2O+RO)/ΣRO2

式中R2O、RO—熔渣中碱性氧化物的摩尔分数；

RO2—熔渣中酸性氧化物的摩尔分数。

碱度B的倒数称为酸度。

理论上，当B＞1时为碱性渣；B＜1时为酸性渣；B＝1时为中性渣。

实际经验是B＞1.3时为碱性渣。对上式进行修正

得

式中CaO、MgO、CaF2、SiO2…以质量百分数计。当B1＞1时为碱性渣；B1＜1时为酸性渣；B1=1时为中性渣。128离子理论对碱度定义：

液态熔渣中自由氧离子的浓度（或氧离子的活度）为熔渣的碱度。

计算碱度最常用的是日本的森式法：

B2=∑aiMi

Mi-渣中第i种氧化物的摩尔分数;

ai-渣中第i种氧化物的碱度系数;见表1-21

若B2＞0则为碱性渣；B2＜0为酸性渣；B2=0为中性渣。

根据熔渣的酸碱度可把焊条和焊剂分为酸性和碱性两大类。129

130

(1)温度对粘度的影响升高温度熔渣的粘度下降（图1-51）但碱性渣和酸性渣趋势不同。当粘度变化相同时（Δη）：

长渣—含SiO2多的酸性渣凝固时间长，不适于仰焊。

短渣—碱性渣凝固时间短，即，低氢型、氧化钛型和纤维素型焊条的熔渣适于全位置焊接。？？2.熔渣的粘度渣的粘度取决于熔渣的成分和温度，实质上取决于熔渣的结构，结构越复杂，阴离子尺寸越大，熔渣质点移动越困难，渣的粘度越大。131(2)熔渣成分对粘度的影响

在酸性渣中加入SiO2，使Si-O阴离子的聚合程度增大，尺寸增大，使粘度迅速升高。加入碱性氧化物，能破坏Si-O离子键，减小其尺寸，可降低粘度。

在碱性渣中加入高熔点的碱性氧化物（CaO）可能出现未熔化的固体颗粒，使粘度升高；加入CaF2可使CaO熔化降低非均相碱性渣的粘度。

焊钢用熔渣的粘度在1500℃左右时为0.1～0.2Pa·S比较合适。

132

3.熔渣的表面张力

气相与熔渣间的界面张力。与质点间作用力有关，化学键键能越大表面张力越大。金属键最大，离子键次之，CaO、MgO、FeO、MnO，共价键最小，SiO2、TiO2、B2O3。

熔渣中加入酸性氧化物等使表面张力减小；加入碱性氧化物等，增加表面张力。

升高温度熔渣的表面张力减小。

原因：综合矩

熔渣与金属的界面张力对冶金反应的影响1334.熔渣的熔点

熔渣的熔点—固态熔渣开始熔化的温度。熔渣为多元体系，固液转变为温度区间。

焊条药皮的熔点—药皮开始熔化的温度，又称造渣温度。药皮的熔点越高，其熔渣的熔点也越高。熔渣熔点应与焊丝和母材的熔点相匹配。适合焊接钢的熔渣熔点一般在1150～1350℃范围内。金属熔点1495℃。

134二、活性熔渣对焊缝金属的氧化（一）扩散氧化（主要在熔滴区和融池高温区进行）焊接钢时FeO既溶于渣又溶于液态钢，在一定温度下平衡时，它在两相中的浓度符合分配定律：

在温度不变的情况下，增加熔渣中FeO的浓度时，焊缝中的含氧量增加。

L和温度及熔渣的性质有关。SiO2饱和酸性渣和CaO饱和碱性渣的关系式：

温度升高，L减小，即高温时FeO向液态钢中分配。由上两式知，同样温度、熔渣中FeO含量相同，碱性渣焊缝含氧量比酸性渣多。可用分子理论解释。为什么碱性焊条对铁锈和氧化铁皮敏感性大？碱性焊条含氧量比酸性焊条高吗？L=(FeO)/[FeO]135

碱性渣焊缝含氧量比酸性渣多136㈡置换氧化（主要发生在熔滴阶段和熔池前部的高温区）如熔渣中含较多易分解的氧化物，则可能与液态铁发生置换反应，使铁氧化，而另一个元素还原。

如，用低碳钢焊丝配合髙硅高锰焊剂HJ431埋弧焊。结果焊缝增加Si和Mn，使铁氧化。反应方向取决于温度、渣中的MnO、SiO2、FeO的活度和金属中Si、Mn的浓度及焊接工艺参数等。升高温度反应向右进行，如熔滴和熔池前部；反之，亦反，如熔池后部向左进行。137

用焊剂的活度来评价盐氧化物型和氧化物型焊剂中由于硅锰还原对金属的氧化能力：

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

式中，AF–焊剂的活度；(SiO2)、(MnO）–焊剂中SiO2和MnO的质量百分含量（%）；

B1—焊剂的碱度。

AF值在0～1之间变化。熔敷金属中的含氧量随焊剂活性的增加成直线增加。根据AF值可将焊剂分为:AF≥0.6为高活性焊剂；AF=0.6-0.3为活性焊剂；AF=0.3-0.1为低活性焊剂；AF≤0.1为惰性焊剂。138三、焊缝金属的脱氧

㈠脱氧的目的和选择脱氧的原则

目的—减少焊缝中含氧量。①防止被焊金属氧化，减少在液态金属中溶解的氧；②排除脱氧后的产物。

主要措施—加脱氧剂，在焊丝、焊剂或药皮中加入合适的元素或铁合金，使之在焊接过程中夺取氧。

脱氧剂选择原则：

1）脱氧剂在焊接温度下对氧的亲和力应比被焊金属对氧的亲和力大由图1-46知，焊接铁基合金时，Al、Ti、Si、Mn可作脱氧剂。在其他条件相同的条件下，元素对氧的亲和力越大，脱氧能力越强。

2）脱氧产物不溶于液态金属，密度小于液态金属的密度。应尽量使脱氧产物处于液态。这样有利于脱氧产物在液态金属中聚合成大的质点，加快上浮到渣中的速度，减少夹杂物的数量，提高脱氧效果。1393）考虑脱氧剂对焊缝成分性能以及焊接工艺性能的影响。成本。

脱氧反应是分区域连续进行的，按其进行的方式和特点分为：先期脱氧沉淀脱氧扩散脱氧。140㈡先期脱氧

在药皮加热阶段，固态药皮中进行的脱氧反应，特点是脱氧过程和脱氧产物与熔滴不发生直接关系。效果取决于脱氧剂的亲和力、它的粒度、氧化剂与脱氧剂的比例、焊接电流密度等因素。141

㈢沉淀脱氧—置换氧化

在熔滴和熔池内进行，溶解在液态金属中的脱氧剂和FeO反应，把铁还原，脱氧产物浮出液态金属。

1、Mn的脱氧反应

可看出，增加焊缝金属中锰，减少渣中的氧化锰，可提高脱氧效果

式中，γMnO—渣中MnO的活度系数；aMnO—渣中MnO的活度；aMn—金属中Mn的活度；aFeO

—金属中Mn的活度。当Mn和FeO量少时，aMnO≈[Mn%]，aFeO≈[FeO%]142

在酸性渣中，含较多SiO2和TiO2，其与MnO生成复合盐MnO

·SiO2和MnO·

TiO2，使γMnO减少，