1、徐 州 工 程 学 院 教 案 纸1第二章 焊接化学冶金反应焊接化学冶金反应过程：熔化焊时，焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程。 （其中不仅包括化学变化，而且包括物质在作用相之间的迁移和分布过程。 ）对焊缝金属的成份、性能、焊接缺陷及焊接工艺性能有很大的影响。焊接化学冶金主要研究在各种焊接工艺条件下，冶金反应和焊缝成份、性能之间的关系及 变化规律。目的在于利用这些规律来合理地选择焊接材料，正确地控制和调整焊缝金属的成份和性能、创造新的焊接材料。本章以电弧焊焊低碳钢时的冶金问题为重点，来阐明焊接化学冶金的规律。关于各种熔 焊方法和冶金特点将在“ 材料成型设备及控制”中介 绍，各种金属材料
2、焊接时的特殊冶金 问题将材料成型工艺学（一）的有关章节中讨论。2-1 焊接化学冶金 过程的特点焊接化学冶金过程实质上是金属在焊接条件下再熔炼的过程。焊接化学冶金和普通的化学冶金（如电炉炼钢）有共同之处，它们都是对金属冶炼加工过程，但在原材料和冶炼条件方面，都相对于焊丝中的含量。因此焊接化学冶金的首要任务是对熔化金属加强保护。自保护焊在焊丝中加入了脱氧剂徐 州 工 程 学 院 教 案 纸15有很大的不同。只有研究焊接化学冶金的特点，找出它固有的规律，才能使冶金反应向有利的方向发展，从而得到 优质的焊缝金属。一、焊接时金属的保护 低碳钢光焊丝在空气中施焊：（保护的必要性）N=0.105-0.218
3、% 2025 倍O=0.140.72% 735 倍C 等 Me 烧损；、 ak产生气孔、电弧不稳定。保护方式：气渣联合保护，气保护、渣保 护、自保护、真空。应当指出，目前关于隔离空气的问题已基本解决，但仅仅是机械地保护液态金属，在有些情况下仍然得不到合格的焊缝成份，例如：在多数情况下药皮、 焊剂对金属具有不同程度的氧化，从而使焊缝金属增氧。因此焊接化学冶金的第二个任务就是对熔化金属进行冶金处理。二、焊接化学冶金反应及其反应条件与普通化学冶金反应不同，焊接化学冶金反应是分区域（或阶段）连续进行的，各区的反应条件（反应物的性质和浓度、温度、反应时间、相接触的面积、对流和搅拌运动等）也有 较大的差异
4、，因此影响到各个区反应进行的可能性、方向、速度和限度和脱氢剂（因此含有机物的焊条烘干温度200）因此含 MgCo3焊条烘干温度325因此含 CaCO3焊条烘干温度425徐 州 工 程 学 院 教 案 纸8手工电弧焊：药皮反应区、熔滴反应区，熔池反 应区熔化极气保护焊：熔滴反应区，熔池反应区气焊、TIG、电子束焊：熔池反应区（一）药皮反应区：（对整个焊接化学冶金过程和焊接质量有一定影响）药皮组成：造气剂：有机物：木粉、淀粉、纤维素等矿物质：碳酸盐、菱苦土（MgCO 3）、大理石造 渣 剂 ：矿 物 质 ：白 泥 （Al2Si2O5（0H）4） 云 母 （KH2Al2Si3Al012）高 价 氧
5、化 物 ：Fe2O3 、 MnO2铁 合 金 ：Fe-Mn Fe-Si Fe-Ti焊 条 的 端 部 T1200左 右 （100至 药 皮 的 熔 点 ，碳 钢 焊 条 1200）（1）T100 药 皮 吸 附 的 水 分 开 始 蒸 发 。（2）T200-250 有 机 物 分 解 ，分 解 为 CO、CO2、H2（3）T300-400 结 晶 水 、化 合 水 开 始 蒸 发 （白 泥 、云 母 ）（4）T400 药 皮 中 的 矿 物 质 和 高 价 氧 化 物 分 解 形 成 CO2，O2MgCo3 MgO+CO 2 CaCO3 CaO+CO 22MnO2 2Mn2O+O2 54 2F
6、e2O34FeO+O 2（5）T600，铁合金氧化，先期脱氧（Zn=907）（CO2 在熔滴反应阶段的氧化程度大于熔池）徐 州 工 程 学 院 教 案 纸8上述化学反应所折出的 CO2、CO、H2O、O2、H2，一方面保熔护池，另一方面对液态金属和药皮中的 Fe 合金有氧化作用。Mn+O2MnO 2 Mn+CO2MnO+CO Mn+H2OMnO+H 2（二）熔滴反应区： 1、特点：（1）熔滴的温度高，T=1800-2400 ，过热度大;（2）熔滴与气体和熔渣的接触面积大;Fc=103-104cm2/kg，比 炼钢时 大 1000 倍（3）各相之间反应时间（接触时间）短存在时间 t=10-410
7、 -3s过渡速度 v=2.510m/s（4）熔滴和熔渣发生强烈的混合 d=2-3mm2、物化反应：（1）金属的蒸发，黄铜 cu-Zn 防止 Zn 蒸发和 Zn 中毒（2）气 体 的 分 解 和 溶 解 (H2O)气 、CO、CO2、H2、N2（3）金属及其合金的氧化和还原Fe+CO2FeO+CO 气体对金属的氧化(SiO2)+FeFeO+Si 液态熔滴对金属的氧化的氧化MnO+FeFeO+Mn（4）焊缝金属的合金化徐 州 工 程 学 院 教 案 纸8（三）熔池反应区：1、熔池反应区的物理条件（1）熔池的平均温度低 1600-1900（2）比表面积小 3-130cm2/kg（3）熔池的持续时间长
8、（反应时间长）SMAW:3-8SSAW:6-25S（4）温度分布不均匀熔池的头部：金属的熔化，气体的吸收-有利于吸热反应熔池的尾部：金属的凝固，气体的逸出-有利于放热反应2、熔池反应区的化学条件（1）熔池中反应物的浓度与平衡浓度之比比熔滴区小-反应速度慢。（2）药皮重要系数 kb 大时，与熔池作用的熔渣比熔滴多-反应充分。（3）熔池反应区的物质是不断更新的-更新可达到稳定，从而得到均匀的焊缝成份。总之，焊接化学冶金反应过程是分区进行的（连续进行的）。在熔滴阶段进行的反应多数在熔池反应阶段将继续进行，但也有停止甚至于改变方向的，其 综合结果决定了焊缝的最终成份。在焊材、母材一定的条件下，要得到高
9、质量的焊缝，就必须从焊接工艺控制焊接化冶金反应。徐 州 工 程 学 院 教 案 纸8三、焊接工艺与化学冶金反应的关系改变焊接工艺条件（方法、规范）必然引起冶金条件的变化（反应物的数量、种类、温度、反应时间等），也就影响到冶金反应的过程。1、熔合比的影响：对焊缝金属的成份有很大的影响（1）熔合比：在焊缝金属中局部熔化母材所占的比例假设合金元素 Me 在焊接过程中无损失时，某元素在焊缝金属中的原始浓度（C o）与熔合化（）间的关系。Co =Cb+(1-)CeCb该 元素在母材中的浓度Ce该元素在焊条中的浓度实际上，焊条中 Me 在焊接过程中是有损失的（飞溅），而母材中的 Me 几乎全部过渡到焊缝中
10、，因此焊缝金属中 Me 的实际浓度 Cw =Cb+(1-)CdCd-熔敷金属中元素的实际浓度多层焊时：Cn=Cb+(Cd-Cb) nCn第几 层堆焊中 Me 的浓度（2）熔合比的取决因素：焊接方法、规范、接头形式及尺寸、坡口的型式、角度，母气相氧化性小加入低电离电位的物质，凋整熔渣成份使熔渣具有一定的渣度，有利于气体析出，减少飞溅。徐 州 工 程 学 院 教 案 纸8材的性质，焊村的种类，焊丝（条）的倾角。2、熔滴过渡特性的影响（熔滴反应区）熔滴过渡特性主要取决于焊接规范。（1）Ih熔滴过渡频率反应时间反应程度（2）U 弧 熔滴的反应阶段时间反应程度以上讨论可以看出，母材一定的条件，影响焊缝成
11、份的因素：一是焊接材料，二是焊接工 艺规程。四、焊接化学冶金系统的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1、焊接方法不同，组成系统的相不同SAW、SMAW：三相：液态 金属，熔渣、气相气体保护焊：二相：气相、液态金属电渣焊：二相：渣相、液态金属2、焊接区的不等温条件导致化学冶金的不平衡徐 州 工 程 学 院 教 案 纸82-2 焊接区内的气体和焊接熔渣一、焊接区内的气体1、来源：（1）来自焊材：药皮、陶质焊剂及焊丝药芯中的造气剂（2）来自周围的气体介质（N 2 空气）（3）来自焊丝和母材表面的杂质：油污、油漆、铁锈、吸附的水份等（4）来自高温蒸发的气体：如金属和熔渣的蒸发2、产生
12、（1）有机物的分解和燃烧药皮反应区纤维素：（C 6H10O5）m+7/2mO2=6mCO2+5mH2有机物的反应产物 CO2、少量 H2 、 和水气等（2）碳酸盐和高价氧化物的分解药皮反应区MgCO3 CaCO3 Fe2O3 MnO2 等分解产生物 为CO2、O2Fe2O3、MnO2 逐级分解6 Fe2O3=4Fe3O4+O2 2Fe3O4 = 6FeO+O2MnO2=4Mn3O4+O2 2Mn3O4=6MnO+O2（3）材料的蒸发：熔滴反应区Zn Mg Pb Mn 沸点较低A1F3 KF LiF NaF 沸点较低、易蒸发徐 州 工 程 学 院 教 案 纸81260 1500 1670 170
13、03、气体的分解（1）简单气体的分解：主要 N2、H2、O2F2=2F63.6 Cal/mol多 H2=2H103.8 Cal/mol少 H2=H+H+e417.86 Cal/molO2=20118.1 Cal/mol40%N2=2N170.2 Cal/mol（2）复杂气体的分解 CO 2 H2OCO 2=CO +1/2O267.65 Cal/mol H2O= H2+1/2O2115.6 Cal/molH2O = OH+1/2H2127.46 Cal/mol4、气相的成份及分布（1）手工电弧焊（钛钙型）酸性焊条施焊：CO 、 H2 少量 CO 2、 H2O、 N2 和金属蒸气 50.7% 37
14、.7% 5.9% 5.7%低氢型焊条施焊：CO、CO 2 少量 H2 、H2O、N2 和金属蒸气 （2）埋弧焊： CO 、H2 少量 CO 2、 H2O、 N2 和金属蒸气 （3）氧一乙炔：中性焰施焊 CO 、H2 少量 CO 2、 H2O 中性焰 O2:C2H2 =1.11.2综上所述，电弧区内的气体是由:CO CO2 H2O O2 H2 N2金属和熔渣的蒸发以及它们分解或电离的产物组成混合物，其中对焊接质量影响最大的是：N2 H2 O2 CO2 H2O二、焊接熔渣1、熔渣的作用凝固时间长叫长渣，凝固时间短叫短渣徐 州 工 程 学 院 教 案 纸8（1）机械保护作用（2）改善焊接工艺性能加入
15、适量物质可以使电弧引燃容易、燃烧稳定、 飞溅减少，并保证有良好的操作性、脱渣性、 焊缝成形。（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。脱氧（CaO ）、脱 S（MgO、CaO、MnO）、脱 P（CaO）去氢CaO 脱氧：（ SiO2）+Fe Si+FeO（SiO2）+CaOCaO.SiO 22、熔渣的成份及分类一类：盐型熔渣：由金属的氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物组成一氧化性很小。CaF2NaF CaF2CaCl2NaFKClNaClNa3AlF6； BaFMgF2CaF2LiF适用范围:用于焊 A1、Ti 和其他化学活性金属及其合金。二类：盐一氧化物型熔渣，由氟化物和强金属氧化物组成氧化性较小CaF2CaOA12O2；CaF2CaOSiO2（低氢型）（低氧型）CaF2CaOA12O3SiO2适用范围：焊合金钢及合金三类：氧化物型熔渣，由金属氧化物组成一氧化性较强。
