焊接冶金學(xué)(基本原理)(共45頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上緒論一、焊接過程的物理本質(zhì)1.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(dá)到原子問的結(jié)合而形成永久性連接的工藝過程稱為焊接。物理本質(zhì)：1）宏觀：焊接接頭破壞需要外加能量和焊接的的不可拆卸性（永久性） 2）微觀：焊接是在焊件之間實(shí)現(xiàn)原子間結(jié)合。2.怎樣才能實(shí)現(xiàn)焊接，應(yīng)有什么外界條件？ 從理論來講，就是當(dāng)兩個(gè)被焊好的固體金屬表面接近到相距原子平衡距離時(shí)，就可以在接觸表面上進(jìn)行擴(kuò)散、再結(jié)晶等物理化學(xué)過程，從而形成金屬鍵，達(dá)到焊接的目的。然而，這只是理論上的條件，事實(shí)上即使是經(jīng)過精細(xì)加工的表面，在微觀上也會存在凹凸不平之處

2、，更何況在一般金屬的表面上還常常帶有氮化膜、油污和水分等吸附層。這樣，就會阻礙金屬表面的緊密接觸。 為了克服阻礙金屬表面緊密接觸的各種因素，在焊接工藝上采取以下兩種措施：1)對被焊接的材質(zhì)施加壓力 目的是破壞接觸表面的氧化膜，使結(jié)合處增加有效的接觸面積，從而達(dá)到緊密接觸。2)對被焊材料加熱(局部或整體) 對金屬來講，使結(jié)合處達(dá)到塑性或熔化狀態(tài)，此時(shí)接觸面的氧化膜迅速破壞，降低金屬變形的阻力，加熱也會增加原于的振動能，促進(jìn)擴(kuò)散、再結(jié)晶、化學(xué)反應(yīng)和結(jié)晶過程的進(jìn)行。二、焊接熱源的種類及其特征1） 電弧熱：利用氣體介質(zhì)放電過程所產(chǎn)生的熱能作為焊接熱源。2） 化學(xué)熱：利用可燃和助燃?xì)怏w或鋁、鎂熱劑進(jìn)行化

3、學(xué)反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的熱能作為熱源。3） 電阻熱：利用電流通過導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的電阻熱作為熱源。4） 高頻感應(yīng)熱：對于有磁性的金屬 材料可利用高頻感應(yīng)所產(chǎn)生的二次電流作為熱源，在局部集中加熱，實(shí)現(xiàn)高速焊接。如高頻焊管等。5） 摩擦熱：由機(jī)械摩擦而產(chǎn)生的熱能作為熱源。6） 等離子焰：電弧放電或高頻放電產(chǎn)生高度電離的離子流，它本身攜帶大量的熱能和動能，利用這種能量進(jìn)行焊接。7） 電子束：利用高壓高速運(yùn)動的電子在真空中猛烈轟擊金屬局部表面，使這種動能轉(zhuǎn)化為熱能作為熱源。8） 激光束：通過受激輻射而使放射增強(qiáng)的光即激光，經(jīng)過聚焦產(chǎn)生能量高度集中的激光束作為熱源。三、熔焊加熱特點(diǎn)及焊接接頭的形成（一）焊件上加熱區(qū)的

4、能量分布熱源把熱能傳給焊件是通過焊件上一定的作用面積進(jìn)行的。對于電弧焊來講，這個(gè)作用面積稱為加熱區(qū)，加熱區(qū)又可分為加熱斑點(diǎn)區(qū)和活性斑點(diǎn)區(qū)；1)活性斑點(diǎn)區(qū) 活性斑點(diǎn)區(qū)是帶電質(zhì)點(diǎn)(電子和離于)集中轟擊的部位，并把電能轉(zhuǎn)為熱能；2)加熱斑點(diǎn)區(qū) 在加熱斑點(diǎn)區(qū)焊件受熱是通過電弧的輻射和周圍介質(zhì)的對流進(jìn)行的。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.（二）焊接接頭的形成：熔焊時(shí)焊接接頭的形成，一般都要經(jīng)歷加熱、熔化、冶金反應(yīng)、凝固結(jié)晶、固態(tài)相變，直至形成焊接接頭。（l）焊接熱過程 ： 熔焊時(shí)被焊金屬在熱源作用下發(fā)生局部受熱和熔化，使整個(gè)焊接過程自始至終都是在焊接熱過程中發(fā)生和發(fā)展的。

5、它與冶金反應(yīng)、凝固結(jié)晶和固態(tài)相變、焊接溫度場和應(yīng)力變形等均有密切的關(guān)系。（2）焊接化學(xué)冶金過程： 熔焊時(shí)，金屬、熔渣與氣相之間進(jìn)行一系列的化學(xué)冶金反應(yīng)，如金屬氧化、還原、脫硫、脫磷、摻合金等。這些冶金反應(yīng)可直接影響到焊縫的成分、組織和性能。（提高焊縫的強(qiáng)韌性：1 通過焊接材料向焊縫中加入微量合金元素（如 Ti、Mo、Nb、V 、Zr 、B 和稀土等）進(jìn)行變質(zhì)處理，從而提高焊縫的韌性；2 適當(dāng)降低焊縫中的碳，并最大限度排除焊縫中的硫、磷、氧、氮、氫等雜質(zhì)進(jìn)行凈化焊縫，也可提高焊縫的韌性）（3）焊接時(shí)的金屬凝固結(jié)晶和相變過程： 隨著熱源離開，經(jīng)過化學(xué)冶金反應(yīng)的熔池金屬就開始凝固結(jié)晶，金屬原子由近程

6、有序排列轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)程有序排列，即由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。對于具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的金屬，隨溫度下降，將發(fā)生固態(tài)相變。因焊接條件下是快速連續(xù)冷卻，并受局部拘束應(yīng)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，就成為保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。由此看來，焊接接頭是由兩部分所組成，即焊縫和熱影響區(qū)，其間有過渡區(qū)，稱為熔合區(qū)。焊接時(shí)除必須保證焊縫金屬的性能之外，還必須保證焊接熱影響區(qū)的性能。四、焊接溫度場：（一）焊接傳熱的基本形式：在熔焊的條件下，由熱源傳熱給焊件的熱量，主要是以輻射和對流為主，而母材和焊條（焊絲）獲得熱能之后，熱的傳播則是以熱傳導(dǎo)為主。焊接傳

7、熱過程所研究的內(nèi)容主要是焊件上的溫度分布及其隨時(shí)間的溫度變化何題，因研究焊接溫度場，是以熱傳導(dǎo)為主，適當(dāng)考慮輻射和對流的作用。（二）焊接溫度場的一般特征：焊接時(shí)焊件上各點(diǎn)的溫度每一瞬時(shí)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(shí)的溫度分布稱為“溫度場。焊接溫度場的分布情況可以用等溫線或等溫面表示。所謂等溫線或等溫面，就是把焊件上瞬時(shí)溫度相同的各點(diǎn)連接在一起，成為一條線或一個(gè)面。各個(gè)等溫線或等溫面彼此之間不能相交，而存在一定的溫度差，這個(gè)溫度差的大小可以用溫度梯度來表示。焊接溫度場各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變動時(shí)，稱為穩(wěn)定溫度場；隨時(shí)間而變動時(shí)，稱為非穩(wěn)定溫度場。在絕大多數(shù)情況下，焊件上各點(diǎn)

8、的溫度是隨時(shí)間變動的，因此焊接溫度場應(yīng)屬非穩(wěn)定溫度場。恒定熱功率的熱源固定作用在焊件上時(shí)（相當(dāng)于補(bǔ)焊缺陷的情況），開始一段時(shí)間內(nèi)，溫度是非穩(wěn)定的但經(jīng)過一段時(shí)間之后便達(dá)到了飽和狀態(tài)，形成了暫時(shí)穩(wěn)定的溫度場（即各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變），把這種情況稱為準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場。對于正常焊接條件下的移動熱源，經(jīng)過一定時(shí)間之后，焊件上同樣會形成準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場，這時(shí)焊件上各點(diǎn)溫度雖然隨時(shí)間而變化，但各點(diǎn)以固定的溫度跟隨熱源一起移動，也就是說，這個(gè)溫度場與熱源以同樣的速度跟蹤。如果采用移動坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)與熱源中心重合，則焊件上各點(diǎn)的溫度只取決于這個(gè)系統(tǒng)的空間坐標(biāo)，而與熱源的移動距離和速度無關(guān)。（三）影響溫度場的因素：

9、（l）熱源的性質(zhì): 一般電弧焊的條件下， 25mm 以上的鋼板就可以認(rèn)為是點(diǎn)狀熱源，而 100mm以上的厚鋼板電渣焊時(shí)卻是線狀熱源。電子束和激光焊接時(shí)，熱能極其集中，所以溫度場的范圍很??；而氣焊時(shí)，熱源作用的面積較大，因此溫度場的范圍也大。 （2）焊接線能量 （3）被焊金屬的熱物理性質(zhì)（ l 熱導(dǎo)率：表示金屬導(dǎo)熱的能力，它的物理意義是在單位時(shí)間內(nèi)，沿法線方向單位距離相差 l 時(shí)經(jīng)過單位面積所傳遞的熱能。2 比熱容： 1克物質(zhì)每升高1所需的熱謂之比熱容。3 容積比熱容:單位體積物質(zhì)每升高 1 所需的熱量稱為容積比熱容，用 c 表示。 4 ）熱擴(kuò)散率：熱擴(kuò)散率是表示溫度傳播的速度。 5 熱焓（ H

10、 ）單位物質(zhì)所具有的全部熱能，它與溫度有關(guān)。 6 表面散熱系數(shù)：表面散熱系數(shù)的物理意義是散熱體表面與周圍介質(zhì)每相差 1 時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)單位面積所散失的熱量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，在焊接過程中所散失的熱能，在靜止的空氣中主要是通過輻射，而對流的作用很小。因此，當(dāng)焊接不銹鋼和耐熱鋼時(shí)，所選用的焊接線能量（ qv的比值）應(yīng)比焊接低碳鋼時(shí)要小。相反，焊接銅和鋁時(shí)，由于導(dǎo)熱性能良好，因此應(yīng)選用比焊接低碳鋼更大的線能量。）4）焊件的板厚及形狀: （l厚板焊接結(jié)構(gòu) 2薄板焊接結(jié)構(gòu)）第一章焊接化學(xué)冶金：在熔焊過程中，焊接區(qū)內(nèi)各種物質(zhì)之間在高溫下相互作用的過程，稱為焊接化學(xué)冶金過程。它主要研究在各種焊接工藝條件下，冶金反

11、應(yīng)與焊縫金屬成分、性能之間的關(guān)系及其變化規(guī)律。研究的目的在于運(yùn)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(shè)計(jì)創(chuàng)造新的焊接材料。第一節(jié)焊接化學(xué)冶金過程的特點(diǎn)一、焊條熔化及熔池形成：（一）焊條的加熱及熔化 ： 1.焊條的加熱： 電弧焊時(shí)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(xué)反應(yīng)熱。在使用大電流密度焊接時(shí)，由于電阻熱過大，焊芯和藥皮的溫升過高，將引起許多不良的后果。如飛濺增加，藥皮開裂或脫落，藥皮喪失冶金作用，焊縫成形變壞，甚至產(chǎn)生氣孔等缺陷用不銹鋼焊條焊接時(shí)，這種現(xiàn)象更為突出因此，手工電弧焊時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格限制焊芯和藥皮的加熱溫度。2.焊條金屬的平均熔化

12、速度 ： 在單位時(shí)間內(nèi)熔化的焊芯質(zhì)量或長度稱為焊條金屬的平均熔化速度。試驗(yàn)表明，在正常的焊接工藝參數(shù)范圍內(nèi)，焊條金屬的平均熔化速度與焊接電流成正比。在焊接過程中并非所有熔化的焊條金屬都進(jìn)入了熔池形成焊縫，而是有一部分損失。通常把單位時(shí)間內(nèi)真正進(jìn)入焊縫金屬的那一部分金屬的質(zhì)量叫平均熔敷速度。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)。熔敷系數(shù)是真正反映焊接生產(chǎn)率的指標(biāo)。3.焊條金屬熔滴及其過渡特性： 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。（l）熔滴過渡的形式 ： 用藥皮焊條焊接時(shí)，主要有三種過渡形式：短路過渡、顆粒狀過渡和附壁過渡

13、。 短路過渡的過程是：在短弧焊時(shí)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(shí)在各種力的作用下熔滴過渡到熔池中，電弧重新引燃如此重復(fù)這一過程，形成穩(wěn)定的短路過渡過程。顆粒狀過渡過程是；當(dāng)電弧的長度足夠長時(shí)，焊條端部的熔滴長大到較大的尺寸，然后在各種力的作用下，以顆粒狀落入熔池，此時(shí)不發(fā)生短路，接著進(jìn)行下一個(gè)過渡周期。附壁過渡是指熔滴沿著焊條端部的藥皮套簡壁向熔池過渡的形式。 溶滴的過渡形式、尺寸和過渡頻率取決于藥皮的成分與厚度、焊芯直徑、焊接電流和極性等因素。一般講，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。用酸性焊條焊接時(shí)為細(xì)顆粒狀過渡和附壁過渡

14、。（2）熔滴的比表面積和相互作用時(shí)間： 焊接時(shí)金屬與熔渣和氣體的相互作用屬于高溫多相反應(yīng)，因此熔滴的比表面積和它與周圍介質(zhì)相互作用的時(shí)間，對熔滴階段的冶金反應(yīng)有很大的影響。熔滴越細(xì)其比表面積越大。因此，凡是能使熔滴變細(xì)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(qiáng)冶金反應(yīng)。（3）熔滴的溫度： 熔滴的溫度是研究熔滴階段各種物理化學(xué)反應(yīng)時(shí)不可缺少的重要參數(shù)。試驗(yàn)表明，熔滴的平均溫度隨焊接電流的增加而升高，隨焊絲直徑的增加而降低。最后應(yīng)指出，藥皮熔化后形成的熔渣也向熔池過渡，有兩種過渡形式：一是以薄膜的形式包在熔滴外面或夾在熔滴內(nèi)同熔滴一起落入熔池；二是

15、直接從焊條端部流入熔池或以滴狀落入熔池。當(dāng)藥皮厚度大時(shí)才會出現(xiàn)第二種過渡形式。（二）熔池的形成： 熔焊時(shí)，在熱源的作用下焊條熔化的同時(shí)被焊金屬也發(fā)生局部熔化。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叫熔池。如焊接時(shí)不填充金屬，則熔池僅由局部熔化的母材組成。1.熔池的形狀和尺寸： 熔池的形成需要一定的時(shí)間，這段時(shí)間叫作過渡時(shí)期。經(jīng)過過渡時(shí)期以后就進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)定時(shí)期，這時(shí)熔池的形狀、尺寸和質(zhì)量不再變化，只取決子母材的種類和焊接工藝條件，并隨熱源作同步運(yùn)動。熔池的寬度和深度是沿 X 軸連續(xù)變化的在一般情況下，隨著電流的增加熔池的最大寬度B減小，而最大深度H增大；隨著電弧電

16、壓的增加，B增大，H減小。熔池的上表面積取決于焊接方法和焊接工藝參數(shù)，比熔滴的比表面積小。2.熔池的質(zhì)量和存在時(shí)間： 溶池在液態(tài)存在的最大時(shí)間取決于溶池的長度 L和焊速v。熔池中各種物化反應(yīng)的時(shí)間是短暫的，然而比熔滴階段長。3.熔池的溫度： 在熔池內(nèi)的溫度分布是不均勻的，在熔池的前部，輸入的熱量大于散失的熱量，所以隨熱源的移動，母材不斷熔化。處于電弧下面的熔池表而（熔池中部）溫度最高。熔池后部的溫度逐漸下降，因?yàn)榇颂庉斎氲臒崃啃∮谏⑹У臒崃浚圆粩喟l(fā)生金屬的凝固。熔池的平均溫度主要取決于母材的性質(zhì)和散熱的條件。4.熔池中流體的運(yùn)動狀態(tài)： 熔池中的液體金屬在各種力的作用下，將發(fā)生強(qiáng)烈的運(yùn)動，正

17、是這種運(yùn)動使得熔池中的熱量和質(zhì)量的傳輸過程得以進(jìn)行。熔化的母材由熔池前部沿結(jié)晶前沿的彎曲表面向熔池的后部運(yùn)動。而在熔池的表面上，液態(tài)金屬由熔池的后部向中心運(yùn)動。研究表明，焊接工藝參數(shù)、焊接材料的成分、電極直徑及其傾斜角度、饋電位置等都對熔池中的運(yùn)動狀態(tài)有很大的影響。熔池的作用：熔池中液態(tài)金屬的強(qiáng)烈適動，使熔化的母材和焊條金屬能夠很好的混合，形成成分均勻的焊縫金屬。其次，熔池中的運(yùn)動有利于氣體和非金屬夾雜物的外逸，加速冶金反應(yīng)，消除焊接缺陷（如氣孔），提高焊接質(zhì)量。二、焊接過程中對金屬的保護(hù)：（一）保護(hù)的必要性： 為了提高焊縫金屬的質(zhì)量，把熔焊方法用于制造重要結(jié)構(gòu)，就必須盡量減少焊縫金屬中有害雜

18、質(zhì)的含量和有益合金元素的損失，使焊縫金屬得到合適的化學(xué)成分。因此，焊接化學(xué)冶金的首要任務(wù)就是對焊接區(qū)內(nèi)的金屬加強(qiáng)保護(hù)，以免受空氣的有害作用。（二）保護(hù)的方式和效果： 各種保護(hù)方式的保護(hù)效果是不同的。例如，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(hù)金屬的，焊劑的保護(hù)效果取決于焊劑的粒度和結(jié)構(gòu)。多孔性的浮石狀焊劑比玻璃狀的焊劑具有更大的表面積，吸附的空氣更多，因此保護(hù)效果較差。試驗(yàn)表明，焊劑的粒度越大，其松裝密度（單位體積內(nèi)焊劑的質(zhì)量）越小，透氣性越大，焊縫金屬中含氮量越多，說明保護(hù)效果越差。但是不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為焊劑的松裝密度越大越好。因?yàn)楫?dāng)熔池中有大量氣體析出時(shí)，如果松裝密度過大，則透氣性過小

19、，將阻礙氣體外逸，促使焊縫中形成氣孔，使焊縫表面出現(xiàn)壓坑等缺陷，所以焊劑應(yīng)當(dāng)有適當(dāng)?shù)耐笟庑?。埋弧焊比手工電弧焊的保護(hù)效果好。氣體保護(hù)焊的保護(hù)效果取決于保護(hù)氣的性質(zhì)與純度、焊炬的結(jié)構(gòu)、氣流的特性等因素。一般來說，惰性氣體（氫、氦等）的保護(hù)效果是比較好的，因此適用于焊接合金鋼和化學(xué)活性金屬及其合金。焊條藥皮和焊絲藥芯一般是由造氣劑、造渣劑和鐵合金等組成的這些物質(zhì)在焊接過程中能形成渣一氣聯(lián)合保護(hù)。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。熔渣凝固以后，在焊縫上面形成渣殼，可以防止處于高溫的焊縫金屬與空氣接觸。同時(shí)造氣劑 主要是有機(jī)物和碳酸鹽等）受熱以后分解，析出大量氣體。這些氣體在

20、藥皮套簡中被電弧加熱膨脹，從而形成定向氣流吹向熔池，將焊接區(qū)與空氣離開。用焊條和藥芯焊絲焊接時(shí)的保護(hù)效果，取決于其中保護(hù)材料的含量、熔渣的性質(zhì)和焊接工藝參數(shù)等，并用熔敷金屬中的含氮量多少衡量保護(hù)的好壞。隨著藥芯焊絲中保護(hù)材料含量的增加，熔敷金屬中的含氮量減少。過分增加其含量，則藥芯的熔化將落后于金屬外皮，從而使保護(hù)效果變壞。焊條熔化時(shí)析出的氣體數(shù)量越多，熔敷金屬中的含氮量越少。自保護(hù)焊是利用特制的實(shí)心或藥芯光焊絲在空氣中焊接的一種方法。它不是利用機(jī)械隔離空氣的辦法來保護(hù)金屬，而是在焊絲或藥芯中加入脫氧和脫氮?jiǎng)?，使由空氣進(jìn)入熔化金屬中的氧和氮進(jìn)入熔渣中，故稱自保護(hù)。三、焊接化學(xué)冶金反應(yīng)區(qū)及其反應(yīng)

21、條件：不同焊接方法有不同的反應(yīng)區(qū)。手工電弧焊時(shí)有三個(gè)反應(yīng)區(qū)藥皮反應(yīng)區(qū)、熔滴反應(yīng)區(qū)和熔池反應(yīng)區(qū)；熔化極氣體保護(hù)焊時(shí)，只有熔滴和熔池地帶反應(yīng)區(qū)；不填充金屬的氣焊、鎢極氬弧焊和電子束焊接只有一個(gè)熔池反應(yīng)區(qū)?，F(xiàn)以手工電弧焊為例加以討論。（一）藥皮反應(yīng)區(qū)： 在該區(qū)內(nèi)的主要物化反應(yīng)有：水分的蒸發(fā)、某些物質(zhì)的分解和鐵合金的氧化。當(dāng)藥皮加熱到一定溫度時(shí)，其中的有機(jī)物，如木粉、纖維素和淀粉等則開始分解和燃燒，形成 CO 、CO2 、 H2 等氣體某些焊條中的碳酸鹽和高價(jià)氧化物也發(fā)生分解，形成 CO2、O2等氣體。上述物化反應(yīng)產(chǎn)生的大量氣體，一方面對熔化金屬有機(jī)械保護(hù)作用，另一方面對被焊金屬和藥皮中的鐵合金（如錳

22、鐵、硅鐵和鈦鐵等）有很大的氧化作用試驗(yàn)表明，溫度高于 600 就會發(fā)生鐵合金的明顯氧化，結(jié)果使氣相的氧化性大大下降。這個(gè)過程即所謂“先期脫氧”。藥皮反應(yīng)階段可視為準(zhǔn)備階段。因?yàn)檫@一階段反應(yīng)的產(chǎn)物可作為熔滴和熔池階段的反應(yīng)物，所以它對整個(gè)焊接化學(xué)冶金過程和焊接質(zhì)量有一定的影響。（二）熔滴反應(yīng)區(qū)： 從熔滴形成、長大到過渡至熔池中都屬于熔滴反應(yīng)區(qū)。從反應(yīng)條件看，這個(gè)區(qū)有以下特點(diǎn)：1.熔滴的溫度高 2.熔滴與氣體和熔渣的接觸面積大 3.各相之間的反應(yīng)時(shí)間（接觸時(shí)間）短（熔滴階段的反應(yīng)主要是在焊條末端進(jìn)行的）4.熔滴與熔渣發(fā)生強(qiáng)烈的混合 。由上述特點(diǎn)可知，在該區(qū)的反應(yīng)時(shí)間雖短，但因溫度高，相接觸面積大，

23、并有強(qiáng)烈的混合作用，所以冶金反應(yīng)最激烈，許多反應(yīng)可達(dá)到接近終了的程度，因而對焊縫成分影響最大。在熔滴反應(yīng)區(qū)進(jìn)行的主要物化反應(yīng)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。（三）熔池反應(yīng)區(qū)： 熔滴和熔渣落入熔池后，各相之間進(jìn)一步發(fā)生物化反應(yīng)，直至金屬凝固，形成焊縫金屬。l.熔池反應(yīng)區(qū)的物理?xiàng)l件：與熔滴相比，熔池的平均溫度較低，比表面積較小，反應(yīng)時(shí)間稍長些。熔池的突出特點(diǎn)之一是溫度分布極不均勻，因此在熔池的前部和后部反應(yīng)可以同時(shí)向相反的方向進(jìn)行。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(yīng)；而在溶池的后部卻發(fā)生金屬的凝固、氣體的逸出，并

24、有利于發(fā)展放熱反應(yīng)。此外，熔池中的強(qiáng)烈運(yùn)動，有助于加快反應(yīng)速度，并為氣體和非金屬夾雜物的外逸創(chuàng)造了有利條件2.熔池反應(yīng)區(qū)的化學(xué)條件： 熔池反應(yīng)區(qū)的化學(xué)條件與熔滴反應(yīng)區(qū)也有所不同。首先，熔池階段系統(tǒng)中反應(yīng)物的濃度與平衡濃度之差比熔滴階段小，所以在其余條件相同的情況下熔池中的反應(yīng)速度比熔滴中要小。其次，當(dāng)藥皮重量系數(shù)Kb（單位長度上藥皮與焊芯的質(zhì)量比）較大時(shí)，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。因?yàn)?K 。大時(shí)有一部分熔渣直接流入熔池，而不與熔滴發(fā)生作用，這必然給冶金反應(yīng)帶來影響例如，用具有氧化型藥皮的焊條焊接時(shí)，隨著 Kb的增加硅在熔滴和熔敷金屬中的含量開始時(shí)都迅速減少（即

25、硅的氧化損失增加）。但當(dāng)Kb>= 18 （相當(dāng)藥皮厚度為 1mm）時(shí)，熔滴中硅的氧化損失趨于穩(wěn)定，面熔池中依靠沒有與熔滴接觸的那一部分溶渣使硅繼續(xù)氧化。因此可以認(rèn)為存在一個(gè)臨界藥皮厚度h。，在h。以外的藥皮所形成的熔渣不與熔滴接觸，只與熔池發(fā)生作用由此可知增加藥皮厚度能夠加強(qiáng)熔池階段的反應(yīng)。k。取決于藥皮的成分和焊接工藝參數(shù)。最后熔池反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)物質(zhì)是不斷更新的。新熔化的母材、焊芯和藥皮不斷進(jìn)入熔池的前部，凝固的金屬和熔渣不斷從熔池后部退出反應(yīng)區(qū)。在焊接規(guī)范恒定的情況下，這種物質(zhì)的更替過程可以達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)，從而得到成分均勻的焊縫金屬。由上述熔池反應(yīng)區(qū)的物理、化學(xué)條件可以得出結(jié)論：熔池

26、階段的反應(yīng)速度比熔滴階段小，并且在整個(gè)反應(yīng)過程中的貢獻(xiàn)也較小。合金元素在熔池階段被氧化的程度比熔滴階段小就證明了這一點(diǎn) 但是在某些情況下（如大厚度藥皮），熔池中的反應(yīng)也有相當(dāng)大的貢獻(xiàn)。總之，焊接化學(xué)冶金過程是分區(qū)域連續(xù)進(jìn)行的。在熔滴階段進(jìn)行的反應(yīng)多數(shù)在熔池階段將繼續(xù)進(jìn)行，但也有的停止反應(yīng)甚至改變反應(yīng)方向。各階段冶金反應(yīng)的綜合結(jié)果，決定了焊縫金屬的最終化學(xué)成分。四、焊接工藝條件與化學(xué)冶金反應(yīng)的關(guān)系：焊接化學(xué)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(yīng)條件（反應(yīng)物的種類、數(shù)量、濃度、溫度、反應(yīng)時(shí)間等）的變化，因而也就影響到冶金反應(yīng)的過程這種影響

27、可歸結(jié)為以下兩個(gè)方面。（一）熔合比的影響：一般熔焊時(shí)，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。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(zhì)、焊接材料種類以及焊條（焊絲）的傾角等因素。當(dāng)母材和填充金屬的成分不同時(shí)，熔合比對焊縫金屬的成分有很大的影響。假設(shè)焊接時(shí)合金元素沒有任何損失，則這時(shí)焊縫金屬中的合金元素濃度稱為原始濃度。通過改變?nèi)酆媳瓤梢愿淖兒缚p金屬的化學(xué)成分。這個(gè)結(jié)論在焊接生產(chǎn)中具有重要的實(shí)用價(jià)值例如，要保證焊縫金屬成分和性能的穩(wěn)定性，必須嚴(yán)格控制焊接工藝條件，使熔合比穩(wěn)定、合理。在堆焊時(shí)，總是調(diào)整焊接規(guī)范使熔合比

28、盡可能的小，以減少母材成分對堆焊層性能的影響。在焊接異種鋼時(shí)，熔合比對焊縫金屬成分和性能的影響甚大，因此要根據(jù)熔合比選擇焊接材料。（二）熔滴過渡特性的影響：焊接工藝參數(shù)對熔滴過渡恃性有很大影響，因此對冶金反應(yīng)也必然發(fā)生影響。試驗(yàn)表明，熔滴階段的反應(yīng)時(shí)間（或熔滴存在的時(shí)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所以，可以斷定反應(yīng)進(jìn)行的程度將隨電流的增加而減小，隨電壓的增加而增大。CO2保護(hù)焊時(shí)，焊絲中硅的氧化損失也有類似的情況。增大焊接電流，熔滴過渡頻率增加，氧化反應(yīng)的時(shí)間變短，硅的氧化損失率減小增加電弧電壓，氧化反應(yīng)的時(shí)間增長，硅的損失率增大。此外，短路過渡比大顆粒過渡時(shí)硅的損失小

29、，原因是短路過渡時(shí)熔滴與 CO2 ，的反應(yīng)時(shí)間較短。五、焊接化學(xué)冶金系統(tǒng)及其不平衡性：焊接化學(xué)冶金系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的高溫多相反應(yīng)系統(tǒng)。根據(jù)焊接方法不同，組成系統(tǒng)的相也不同。例如，手工電弧焊和埋弧焊時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)有三個(gè)相互作用的相，即液態(tài)金屬、熔渣和電弧氣氛，氣體保護(hù)焊時(shí)，主要是氣相與金屬相之間的相互作用；而電渣焊時(shí)，主要是熔渣與金屬之間的作用。由物理化學(xué)可知，多相反應(yīng)是在相界面上進(jìn)行的，并與傳質(zhì)、傳熱和動量傳輸過程密切相關(guān)。第二節(jié)氣相對金屬的作用一、焊接區(qū)內(nèi)的氣體：（一）氣體的來源和產(chǎn)生：焊接區(qū)內(nèi)氣體的主要來源是什么？他們是怎樣產(chǎn)生的？焊接區(qū)內(nèi)的氣體主要來源于焊接材料。氣電焊時(shí)，焊接區(qū)內(nèi)的氣體主要來

30、自所采用的保護(hù)氣體及其雜質(zhì)（氧、氮、水氣等）。熱源周圍的空氣也是一種難以避免的氣源氣體主要通過以下物化反應(yīng)產(chǎn)生的 ：1)有機(jī)物的分解和燃燒：制造焊條時(shí)常用淀粉、纖維素等有機(jī)物作為造氣劑和涂料增塑劑，焊絲和母材表面上也可能存在油污等有機(jī)物，這些物質(zhì)受熱以后將發(fā)生復(fù)雜的分解和燃燒反映，統(tǒng)稱為熱氧化分解反應(yīng)。2)碳酸鹽和高價(jià)氧化物的分解：焊接冶金中常用的碳酸鹽有白云石、碳酸鈣等。這些碳酸鹽在加熱超過一定溫度時(shí)開始分解，生成氣體CO2。3)材料的蒸發(fā)：在焊接過程中，除焊接材料中的水分發(fā)生蒸發(fā)外，金屬元素熔渣的各種成分也在電弧的高溫作用下發(fā)生蒸發(fā)，形成相當(dāng)多的蒸氣。除上述物化反應(yīng)產(chǎn)生氣體外，還有一些冶金

31、反應(yīng)也會產(chǎn)生氣態(tài)產(chǎn)物。（二）氣體分解： 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(dāng)原子獲得的能量足夠高時(shí)，將使原子健斷開，分解為單個(gè)原子或離子和電子。2 復(fù)雜氣體的分解： CO2和 H20是焊接冶金中常見的復(fù)雜氣體。（三）氣相的成分及其分布：氣相的成分和數(shù)量隨焊接方法、規(guī)范、焊條或焊劑的種類不同而變化?？梢钥闯?，用低氫型焊條焊接時(shí)，氣相中含 H2和 H2O 很少，故稱低氫型”。埋弧焊和中性焰氣焊時(shí)，氣相中含 COZ2和 H2O 很少，因而氣相的氧化性很小；相反，手弧焊時(shí)氣相的氧化性相對較大。綜上所述，焊接區(qū)內(nèi)的氣體是

32、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、02 、CO2、 H20 。二、氮對金屬的作用：焊接區(qū)周圍的空氣是氣相中氮的主要來源。根據(jù)氮與金屬作用的特點(diǎn)，大致可分為兩種情況。一種是不與氮發(fā)生作用的金屬，如銅和鎳等，它們既不溶解氮，又不形成氮化物，因此焊接這一類金屬可用氮作為保護(hù)氣體，另一種是與氮發(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，焊接這一類金屬及合金時(shí)，防止焊縫金屬的氮化是一個(gè)重要問題。（一）氮在金屬中的溶解：氣體的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(yùn)動；

33、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(kuò)散。這個(gè)過程不受電場影響，屬于純化學(xué)溶解。降低氣相中氮的分壓可以減少金屬中的含氮量。電弧焊時(shí)的氣體溶解過程比普通的氣體溶解過程要復(fù)雜得多。其特點(diǎn)是，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，這增加了氣體的活性，使其在金屬中的溶解度增加。所以電弧焊時(shí)熔化金屬吸收的氣體量常常要超過它的平衡含量（溶解度）。電弧焊時(shí)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；電弧中的氮離子 可在陰極溶解；在氧化性電弧

34、氣氛中形成 NO ，遇到溫度較低的液態(tài)金屬它分解為 N 和 0 , N 迅速溶于金屬。（二）氮對焊接質(zhì)量的影響：1）在碳鋼焊縫中氮是有害的雜質(zhì)。氮是促使焊縫產(chǎn)生氣孔的主要原因之一。2）氮是提高低碳鋼和低合金鋼焊縫金屬強(qiáng)度、降低塑性和韌性的元素。3）氮是促使焊縫金屬時(shí)效脆化的元素。（三）影響焊縫含氮量的因素及控制措施：1.焊接區(qū)保護(hù)的影響： 液態(tài)金屬脫氮比較困難，所以控制氮的主要措施是加強(qiáng)保護(hù)，防止空氣與金屬作用。2.焊接工藝參數(shù)的影響：增加電弧電壓（即增加電弧長度），導(dǎo)致保護(hù)變壞，氮與熔滴的作用時(shí)間增長，故使焊縫金屬含氮量增加。在熔渣保護(hù)不良的情況下，電弧長度對焊縫含氮量的影響尤其重要。為減少

35、焊縫中的氣體含量應(yīng)盡量采用短弧焊。增加焊接電流，熔滴過渡頻率增加，氮與熔滴的作用時(shí)間縮短，焊縫含氮量下降。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。這是因?yàn)樘寄芙档偷阼F中的溶解度；碳氧化生成CO、CO2 加強(qiáng)了保護(hù)，降低了氣相中氮的分壓；碳氧化引起的熔池沸騰有利干氮的逸出。三、氫對金屬的作用：焊接時(shí)，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。（一）氫在金屬中的溶解根據(jù)氫與金屬作用的特點(diǎn)可把金屬分為兩類：第一類是能形成穩(wěn)定氫化物的金屬，如 Zr 、 Ti 、 V 、 Ta 、 Nb 等。這類金屬吸收氫的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，因此在較低溫度下吸氫量大，

36、在高溫時(shí)吸氫量少。焊接這類金屬及合金時(shí)，必須防止在固態(tài)下吸收大量的氫，否則將嚴(yán)重影響接頭質(zhì)量。第二類是不形成穩(wěn)定氫化物的金屬，如 Al 、 Fe、 Ni 、 Cu、 Cr 、 Mo等。 但氫能夠溶于這類金屬及其合金中，溶解反應(yīng)是吸熱反應(yīng)。焊接方法不同，氫向金屬中溶解的途徑也不同。氣體保護(hù)焊時(shí)，氫是通過氣相與液態(tài)金屬的界面以原子或質(zhì)子的形式溶入金屬的；電渣焊和電渣熔煉時(shí)，氫是通過渣層溶入金屬的，而手工電弧焊和埋弧焊時(shí)，似上述兩種途徑兼而有之。氫通過熔渣向金屬中溶解時(shí)，氫或者水蒸氣首先溶于熔渣。溶解在渣中的氫主要以 OH- 離子的形式存在。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

37、度越大。氧離子活度是決定水在渣中溶解度的主要因素。此外，在焊接熔渣中還有少量的質(zhì)子，它可以通過擴(kuò)散或攪拌作用到達(dá)熔渣與金屬的界面上，直接溶入金屬?？傊?，當(dāng)氫通過熔渣向金屬中過渡時(shí)，其溶解度取決于氣相中氫和水蒸氣的分壓、熔渣的堿度、氟化物的含量和金屬中的含氧量等因素。當(dāng)?shù)ㄟ^氣相向金屬中過渡時(shí)，其溶解度取決于氫的狀態(tài) 。這就是說，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，使氮的溶解度迅速下降，在接近金屬沸點(diǎn)時(shí)溶解度為零此外，在變態(tài)點(diǎn)處溶解度發(fā)生突變，這往往是造成焊接缺陷（如氣孔、冷裂等）的原因之一。此外，合金元家對氫在鐵中的溶解度也有很大的影響. Ti 、Zr、 Nb 及某

38、些稀土元素可棍高氮在液態(tài)鐵中的溶解度， Mn、 Ni 、Cr 、 Mo 影響不大，而 C、 Si 、Al可降低氫的溶解度。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，因?yàn)檠跏潜砻婊钚栽?，它可以減少金屬對氫的吸附氫在固態(tài)鋼中的溶解度與其組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般在面心立方晶格的奧氏體鋼中的溶解度，比在體心立方晶格的鐵素體一珠光體鋼中的溶解度大。(二）焊縫金屬中的氫及其擴(kuò)散:在焊接過程中，液態(tài)金屬所吸收的大量氫，有一部分在熔池凝固過程中可以逸出但熔池冷卻很快，還有相當(dāng)多的氫來不及逸出，而被留在固態(tài)焊縫金屬中。在鋼焊縫中，氫大部分是以 H 、 H+或 H-形式存在的，它們與焊縫金屬形成間隙固溶體

39、。由于氫原子和離子的半徑很小，這一部分氫可以在焊縫金屬的晶格中自由擴(kuò)散，故稱之為擴(kuò)散氫。還有一部分氫擴(kuò)散聚集到陷阱（金屬的晶格缺陷、顯微裂紋和非金屬夾雜物邊緣的空隙）中，結(jié)合為氫分子，因其半徑大，不能自由擴(kuò)散，故稱之為殘余氫。對第二類金屬來說，擴(kuò)散氫約占 80 % 90 % ，因此它對接頭性能的影響比殘余氫大。焊縫金屬中的含氫量，因擴(kuò)散的緣故而是隨時(shí)間變化的。焊后隨著放置時(shí)間的增加，擴(kuò)散氫減少，殘余氫增加，而總氫量下降。這說明一部分?jǐn)U散氫從焊縫中逸出，一部分變?yōu)闅堄鄽?。所謂熔敷金屬的擴(kuò)散氫含量，是指焊后立即按標(biāo)準(zhǔn)方法測定并換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的含氫量。氫在焊接接頭橫截面上，分布特征與母材的成分、組

40、織和焊縫金屬的類型等因素有關(guān)。值得注意的是，氫由焊縫擴(kuò)散到近縫區(qū)，并達(dá)到相當(dāng)大的深度。近縫區(qū)產(chǎn)生的冷裂紋與其中的含氫量有密切的關(guān)系。研究表明，母材和焊縫金屬組織類型的匹配不同，近縫區(qū)給定點(diǎn)氫擴(kuò)散的動力學(xué)曲線具有不同的特征。在具有奧氏體和馬氏體時(shí)效鋼焊縫的情況下，無論母材是淬火鋼還是非淬火鋼，近縫區(qū)給定點(diǎn)的氫濃度都是單調(diào)下降的；而在具有鐵素體焊縫的情況下，近縫區(qū)給定點(diǎn)的氫濃度有極大值，且在母材中氫的擴(kuò)散系數(shù)越小，達(dá)到極大值所需要的時(shí)間越長。氫擴(kuò)散動力學(xué)曲線的這些特征與氫在奧氏體、馬氏體和鐵素體鋼中的擴(kuò)散系數(shù)依次增大有密切關(guān)系。（三）氫對焊接質(zhì)量的影響：1.氫脆 氫在室溫附近使鋼的塑性嚴(yán)重下降的現(xiàn)

41、象稱為氫脆。氫脆現(xiàn)象是由溶解在金屬晶格中的氫引起的。2.白點(diǎn) 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(diǎn)，稱之為白點(diǎn)。在許多情況下，白點(diǎn)的中心有小夾雜物或氣孔。如焊縫產(chǎn)生白點(diǎn)，則其塑性大大下降。焊縫金屬對白點(diǎn)的敏感性是與含氫量、金屬的組織和變形速度等因素有關(guān)的。鐵素體和奧氏體鋼焊縫不出現(xiàn)白點(diǎn)。前者是因?yàn)闅湓谄渲袛U(kuò)散快，易于逸出；后者是因?yàn)闅湓谄渲械娜芙舛却?，且擴(kuò)散很慢。碳鋼和用 Cr 、 Ni 、 Mo 合金化的焊縫，尤其是這些元素含量較多時(shí)，對白點(diǎn)很敏感。試件含氫量越多，出現(xiàn)白點(diǎn)的可能性越大，若預(yù)先經(jīng)過去氫處理，則可消除白點(diǎn)。3.形成氣孔 如果熔池吸收

42、了大量的氫，那么在它凝固時(shí)由于溶解度的突然下降，使氫處于過飽和狀態(tài)，會產(chǎn)生氫氣且不溶于液態(tài)金屬，于是在液態(tài)金屬中形成氣泡。當(dāng)氣泡外逸速度小于凝固速度時(shí)，就在焊縫中形成氣孔。4.產(chǎn)生冷裂紋 冷裂紋是焊接接頭冷卻到較低溫度產(chǎn)生的一種裂紋，其危害很大。氫是促使產(chǎn)生這種裂紋的主要原因之一。（四）控制氫的措施：1.限制焊接材料中的含氫量 制造低氫和超低氫型焊條和焊劑時(shí)，應(yīng)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(shí)，適當(dāng)提高烘焙溫度可以降低焊接材料中的含水量，因而也就相應(yīng)地降低了焊縫中的含氫量。焊條、焊劑在大氣中長期放置會吸潮。這不僅使焊縫含氫量增加，而且使焊接工藝變壞，抗裂性下降。因此防潮是

43、一個(gè)重要間題，藥皮的吸水量取決于它本身的成分、粘結(jié)劑的種類和大氣中水蒸氣的分壓等因素。采用高模數(shù)、低濃度的水玻璃，或用含鋰的水玻璃可提高焊條的抗潮性。燒結(jié)焊劑的吸潮性主要取決于燒結(jié)溫度，經(jīng) 700 800 燒結(jié)，可大大降低吸潮性。由上述可知，焊接材料在使用前應(yīng)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(shí)，切不可忽視。升高烘焙溫度可大大降低焊縫的含氮量。但烘焙溫度不可過高，否則將喪失藥皮的冶金作用。焊條、焊劑烘焙后應(yīng)立即使用，或放在低溫（ 100 ）烘箱內(nèi)，以免重新吸潮焊接保護(hù)氣體中的水分如果超過標(biāo)準(zhǔn)，則應(yīng)采取去水、干燥等措施。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

44、上的鐵銹、油污、吸附水等是增加焊縫含氫量的原因之一，焊前應(yīng)仔細(xì)清除。焊接鋁、鋁鎂合金、鈦及其合金時(shí)，因其表面層結(jié)構(gòu)不致密常形成含水的氧化膜，如 Al( OH )3、 Mg ( OH )2等，所以必須用機(jī)械或化學(xué)方法進(jìn)行清除，否則由于氫的作用可能產(chǎn)生氣孔、裂紋或使接頭性能變壞。3.冶金處理 由上述可知，降低氣相中氫的分壓可以減少氫在液態(tài)金屬中的溶解度面要降低氫的分壓，就應(yīng)該調(diào)整焊接材料的成分，使氫在焊接過程中生成比較穩(wěn)定的不溶于液態(tài)金屬的氫化物，如 HF 、 OH及其他穩(wěn)定氫化物。冶金處理具體措施如下:l）在藥皮和焊劑中加入氟化物 2）控制焊接材料的氧化還原勢 3）在藥皮或焊芯中加入微量的稀土或

45、稀散元素4.控制焊接工藝參數(shù) 焊接工藝參數(shù)對焊縫含氫量有一定的影響。例如，手工電弧焊時(shí)，增大焊接電流使熔滴吸收的氫量增加；增加電弧電壓使焊縫含氫 量有某些減少。電弧焊時(shí)，電流種類和極性對焊縫含氫 量也有影響。應(yīng)指出，通過控制焊接工藝參數(shù)來限制焊縫含氫是有很大局限性的。5.焊后脫氫處理 焊后把焊件加熱到一定的溫度，促使氫擴(kuò)散外逸的工藝叫脫氫處理。由圖可以看出，把焊件加熱到 350 ，保溫 lh ，可將絕大部分?jǐn)U散氫去除。在生產(chǎn)上，對于易產(chǎn)生冷裂紋的焊件常要求進(jìn)行脫氫處理。應(yīng)指出，對干奧氏體鋼焊接接頭進(jìn)行脫氫處理效果不大，因而是不必要的四、氧對金屬的作用根據(jù)氧與金屬作用的特點(diǎn)，可把金屬分為兩類：一

46、類是不溶解氧，但焊接時(shí)發(fā)生激烈氧化的金屬，如 Mg 、 A1 等；另一類是能有限溶解氧，同時(shí)焊接過程中也發(fā)生氧化的金屬，如Fe、 Ni 、 Cu 、 Ti 等后一類金屬氧化后生成的金屬氧化物能溶解于相應(yīng)的金屬中。（一）氧在金屬中的溶解 研究表明，氧是以原子氧和 FeO 兩種形式溶于液態(tài)鐵中的。氧在液態(tài)鐵中的溶解度隨著溫度的升高而增大。當(dāng)液態(tài)鐵中有第二種合金元素時(shí)，隨著合金元素含量的增加氧的溶解度下降。在鐵冷卻過程中，氧的溶解度急劇下降在室溫下 aFe 中幾乎不溶解氧（ < 0 . 001 % ）。因此，焊縫金屬和鋼中所含的氧絕大部分是以氧化物（ FeO 、 SiO2、 MnO 、 Al2

47、O3等）和硅酸鹽夾雜物的形式存在。焊縫含氧量是指總含氧量而言的，它既包括溶解的氧，也包括非金屬夾雜物中的氧.（二）氧化性氣體對金屬的氧化 焊接時(shí)金屬的氧化是在各個(gè)反應(yīng)區(qū)通過氧化性氣體（如 02 、CO2 、H2O等）和活性熔渣與金屬相互作用實(shí)現(xiàn)的.1.金屬氧化還原方向的判據(jù) 由物理化學(xué)可知，金屬氧化物的分解壓 Po2可以作為判據(jù)金屬氧化物的分解壓是溫度的函數(shù)，它隨沮度的升高而增加。2.自由氧對金屬的氧化 用光焊絲在空氣中無保護(hù)焊接時(shí)，可以認(rèn)為氣相中氧的分壓等于空氣中氧的分壓。手工電弧焊時(shí)，雖然采取了保護(hù)措施，但空氣中的氧總是或多或少地侵入電弧，高價(jià)氧化物等物質(zhì)受熱分解也產(chǎn)生氧氣，這樣就使氣相中

48、自由氧的分壓大于 Feo 的分解壓，因此也使鐵氧化。由反應(yīng)的熱效應(yīng)看，原子氧對鐵的氧化比分子氧更激烈。在焊接鋼時(shí)，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。3.CO2對金屬的氧化 當(dāng)溫度為 3000K 時(shí)， Po2 20.3kPa ( 0.2atm ) ，也就是說約等于空氣中氧的分壓?？梢姡?dāng)溫度高于 3Q00K 時(shí)， CO2的氧化性超過了空氣。當(dāng)溫度升高時(shí)，上述反應(yīng)的平衡常數(shù)增大，反應(yīng)向右進(jìn)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(hù)氣體只能防止空氣中氮的侵入，而不能防止金屬的氧化。實(shí)踐證明，用普通焊絲（ H08A ）進(jìn)行

49、CO2保護(hù)焊時(shí)，由于碳的氧化在焊縫中產(chǎn)生氣孔，同時(shí)合金元素?zé)龘p，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。4.H2O氣對金屬的氧化 氣相中的水蒸氣不僅使焊縫增氫，而且使鐵和其它合金元素氧化。溫度越高，H2O氣的氧化性越強(qiáng)。在液態(tài)鐵存在的溫度CO2的氧化性比 H2O 氣大。應(yīng)強(qiáng)調(diào)指出，當(dāng)氣相含有較多的水分時(shí)，為了保證焊接質(zhì)量，在脫氧的同時(shí)必須去氫。低氫型藥皮中含有較多的脫氧劑，但如果受潮，則焊接時(shí)易產(chǎn)生氣孔，其原因就是熔池增氫的結(jié)果。5.混合氣體對金屬的氧化 手工電弧焊時(shí)，氣相不是單一氣體而

50、是多種氣體的混合物。混合氣體對鐵是氧化性的，藥皮中必須加入脫氧瀏。氣體保護(hù)焊時(shí)，為了改善電弧的電、熱和工藝特性，常采用混合保護(hù)氣體?？梢园雅c 100g 焊縫金屬反應(yīng)的總氧量作為評價(jià)混合氣體氧化能力的指標(biāo)。H08MnZSi ，直徑 1.6mtn ，母材為低碳鋼，焊接工藝參數(shù)固定不變。在所有混合氣體中隨著 02 和 CO2含量的增加，合金元素的燒損量、焊縫中非金屬夾雜物和氧的含量都增加，因此焊縫金屬的力學(xué)性能，特別是低溫韌性明顯下降，甚至可能產(chǎn)生氣孔。采用氧化性混合氣體焊接時(shí)，應(yīng)根據(jù)其氧化能力的大小選擇含有合適脫氧劑的焊絲。（三）氧對焊接質(zhì)量的影響1）氧在焊縫中無論以何種形式存在，對焊縫的性能都有

51、很大的影響。隨著焊縫含氧量的增其強(qiáng)度、塑性、韌性都明顯下降，尤其是低溫沖擊韌度急劇下降。此外，它還引起熱脆、冷脆和時(shí)效硬化。2）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(shí)，它們相互作用生成的 CO 受熱膨脹，使熔滴爆炸，造成飛戮，影響焊接過程的穩(wěn)定性。必須指出，焊接材料具有氧化性并不是在所有情況下都是有害的。相反，為了減少焊縫含氮量 ，改進(jìn)電弧的特性，獲得必要的熔渣物理化學(xué)性能，在焊接材料中有時(shí)要敵意加入一定量的氧化劑。（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(shí)，應(yīng)盡量用不含氧或含軟少的焊接材料。2.控制焊接工藝參數(shù) 焊縫中的含氧量與焊接

52、工藝條件有密切關(guān)系。增加電弧電壓，使空氣侵入電弧，并增加氧與熔滴的接觸時(shí)間，所以使焊縫含氧量增加。為了減少焊縫含氧 量應(yīng)采用短弧焊。此外，焊接方法、熔滴過渡特性、電流的種類等也有一定的影響。3.脫氧 用控制焊接工藝參數(shù)的方法減少焊縫含氧量是很受限制的，所以必須用冶金的方法進(jìn)行脫氧。第三節(jié)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(jī)械保護(hù)作用 2）改善焊接工藝性能的作用 3）冶金處理作用2.熔渣的成分和分類 根據(jù)焊接熔渣的成分和性能可將其分為三大類：第一類是鹽型熔渣。它主要是由金屬氟酸鹽、氯酸鹽和不含氧的化合物組成的。鹽型熔渣的氧化性很小，所以主

53、要用于焊接鋁、鈦和其它化學(xué)活性金屬及其合金。在某些情況下，也用于焊接含活性元素的高合金鋼。第二類是鹽氧化物型熔渣。這類熔渣主要是由氟化物和強(qiáng)金屬氧化物組成的。它們主要用于焊接合金鋼及合金，因?yàn)檫@個(gè)類型的熔渣氧化性較小。第三類是氧化物型熔渣。它們主要是由金屬氧化物組成的。這類熔渣一般含有較多的弱氧化物（如 MnO、SiO2等），因此氧化性較強(qiáng)，主要用于焊接低碳鋼和低合金鋼。（二）熔渣的結(jié)構(gòu)理論熔渣的物化性質(zhì)及其與金屬的作用與液態(tài)熔渣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。關(guān)于液態(tài)熔渣的結(jié)構(gòu)，目前有兩種理論：分子理論和離子理論 1.分子理論 熔渣的分子理論是以對凝固熔渣的相分析和化學(xué)成分分析結(jié)果為依據(jù)的，其要點(diǎn)如

54、下。 l）液態(tài)熔渣是由化合物的分子組成的 其中包括氧化物的分子、復(fù)合物的分子，以及氟化物、硫化物的分子等。 2）氧化物及其復(fù)合物處于平衡狀態(tài) 生成熱效應(yīng)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(yīng) 2.離子理論 離子理論是在研究熔渣電化學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上提出來的。完全離子理論的要點(diǎn)如下： 1）液態(tài)熔渣是由陰陽離子組成的電中性溶液熔渣中離子的種類和存在的形式取決于熔渣的成分和溫度。一般說，負(fù)電性大的元素以陰離子的形式存在，負(fù)電性小的元素形成陽離子，還有一些負(fù)電性比較大的元素，其陰離子往往不能獨(dú)立存在，而與氧離子形成復(fù)雜的陰離子。 2）離子的分布和相互作用取決于它的綜合矩離子的綜合矩。當(dāng)升

55、高溫度時(shí)，r增大，綜合矩減小。離子的綜合矩越大，說明它的靜電場越強(qiáng)，與異號離子的引力越大。相互作用力大的異號離子彼此接近形成集團(tuán)，相互作用力弱的異號離于也形成集團(tuán)。所以當(dāng)離子的綜合矩相差較大時(shí)，熔渣的化學(xué)成分在微觀上是不均勻的，離子的分布是近似有序的。鹽型熔渣主要含簡單的陰陽離子，且綜合矩差異不大，所以可認(rèn)為是結(jié)構(gòu)簡單的均勻離子溶液。鹽一氧化物型熔渣屬于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的化學(xué)成分微觀不均勻的離子溶液。氧化物型熔渣是具有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的化學(xué)成分更不均勻的離子溶液。 3）熔渣與金屬的作用過程是原子與離子交換電荷的過程（三）熔渣的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)的關(guān)系 1.熔渣的堿度 堿度是熔渣的重要化學(xué)性質(zhì)。熔渣的其它物化

56、性質(zhì)，如熔渣的活性、粘度和表面張力等都與熔渣的堿度有密切關(guān)系。不同的熔渣結(jié)構(gòu)理論，對堿度的定義和計(jì)算方法是不同的。分子理論認(rèn)為熔渣中的氧化物按其性質(zhì)可分為三類： l）酸性氧化物 2）堿性氧化物 3）中性氧化物。這些氧化物在不同性質(zhì)的渣中可呈酸性，也可呈堿性。堿度 B 的倒數(shù)稱為酸度，從理論上講，當(dāng) B > 1 時(shí)為堿性渣， B < 1 時(shí)為酸性渣； B=1 時(shí)為中性渣根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng) B > 1時(shí),熔渣才是堿性的。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因,是既沒有考慮氧化物的酸堿性強(qiáng)弱程度是不同的，也沒有考慮堿性氧化物和酸性氧化物形成中性復(fù)合物的情況。離子理論把液態(tài)熔渣中自由氧離子的濃度（或氧離子的活

57、度）定義為堿度。所謂自由氧離子就是游離狀態(tài)的氧離子。渣中自由氧離子的濃度越大，其堿度越大。2.熔渣的粘度 粘度是熔渣的重要物理性質(zhì)之一,它對熔渣的保護(hù)效果、焊接工藝性能和化學(xué)冶金都有顯著的影響熔渣的粘度取決于熔渣的成分和溫度，實(shí)質(zhì)上取決于熔渣的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，陰離子的尺寸越大，熔渣質(zhì)點(diǎn)移動越困難，渣的粘度也就越大。1）溫度對粘度的影響 在含 SiO2較多的酸性渣中，有較多的復(fù)雜si-O離子。升溫時(shí)， Si 一 O 離子的熱振動能增加，使其極性鍵局部斷開，出現(xiàn)尺寸較小的 si 一O離子，因而粘度下降但復(fù)雜Si-O離子的解體是隨溫度升高逐漸進(jìn)行的，所以粘度下降比較緩慢對于堿性渣，升高溫度可消除沒

58、有熔化的固體顆粒，所以粘度也下降。另外，堿性渣中的離子尺寸較小，容易移動，當(dāng)溫度高于液相線時(shí)，粘度迅速下降，當(dāng)溫度低于液相線時(shí)，渣中出現(xiàn)細(xì)小的晶體，粘度迅速增大。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，其尺寸也增大，因面使粘度迅速升高。減少SiO2，增加 Ti02，可減少復(fù)雜的 Si - 0 離子，降低高溫時(shí)的粘度。含 TiO2多的酸性渣已不是玻璃狀渣，而是接近晶體狀的渣，即變?yōu)槎淘?。在酸性渣中加入堿性氧化物能破壞 si 一 0 離子鍵，減小其尺寸，因而可降低粘度。在堿性渣中加入高熔點(diǎn)的堿性氧化物則可能出現(xiàn)未榕化的固體顆粒，增大渣的流動阻力，使粘度升高。這時(shí)如加入少量SiO2，則因 CaO 與SiI2形成低熔點(diǎn)的硅酸鹽，使粘度下降，當(dāng)加入的 SiO2滿足 Cao/S