2.1 焊接化学冶金的特殊性 2.2 焊接区内气体与金属的作用 2.3 焊接熔渣对金属的作用 第2章　焊接化学冶金 2.1　焊接化学冶金的特殊性 2.2　焊接区内气体与金属的作用 2.3　焊接熔渣对金属的作用 20921-2a

第2章　焊接化学冶金 2.3.3　焊缝金属的脱氧 2.4　焊缝金属的净化与合金化 2.4.1　氮对焊接质量的影响及控制 2.4.2　氢对焊接质量的影响及控制 2.4.3　氧对焊接质量的影响及控制 2.4.4　硫的危害及控制 2.4.5　磷的危害及控制 2.4.6　焊缝金属的合金化 20921-2a

2.1　焊接化学冶金的特殊性 在焊接过程中对焊接区内的金属进行保护是焊接化学冶金的首要任务。为防止空气的有害作用，焊接过程中必须对焊接区金属采取保护措施。不同的保护方式，所取得的效果也不同。 20921-2a

2.1.1　焊接区金属的保护 1.无保护的危害 (1)焊缝成分显著变化　在采用光焊丝的无保护焊接过程中，由于熔化的高温金属与周围的空气发生强烈的作用，可使焊缝金属中氧和氮的质量分数分别达到0.72%和0.22%，即为低碳钢焊丝含氧量和含氮量的35倍和45倍。 (2)焊缝力学性能降低　正是由于焊缝中氧和氮等有害元素的显著增加以及锰和碳等有益合金元素的减少，焊缝金属的塑性和韧性显著降低，而因氮的部分强化作用使得焊缝金属的强度变化不大，如表2-1所示。 20921-2a

2.1.1 焊接区金属的保护 力学性能 抗拉强度 /MPa 伸长率δ (%) 冲击韧度 /(J/c) 弯曲角α /(°) 母材 2.1.1　焊接区金属的保护 表2-1　低碳钢无保护焊接时的焊缝力学性能 力学性能 抗拉强度 /MPa 伸长率δ (%) 冲击韧度 /(J/c) 弯曲角α /(°) 母材 390～440 25～30 ＞147 180 焊缝 334～390 5～10 5～25 20～40 20921-2a

2.1.1　焊接区金属的保护 (3)焊接工艺性能差　由于焊接过程中没有任何保护，电弧空间电离度低，电弧不稳定，焊接飞溅也大，焊道表面成形差，焊缝中也易产生各种类型的气孔。 2.保护的方式和效果 20921-2a

2.1.1 焊接区金属的保护 熔焊 方法 焊条 电弧焊 埋弧焊 电渣焊 氩弧焊 C焊 等离子 弧焊 激光 束焊 电子 束焊 自保 护焊 2.1.1　焊接区金属的保护 表2-2　熔焊方法的保护方式 熔焊 方法 焊条 电弧焊 埋弧焊 电渣焊 氩弧焊 C焊 等离子 弧焊 激光 束焊 电子 束焊 自保 护焊 保护 方式 渣⁃气 联合保护 熔渣 保护 气体 保护 真空 保护 自保护 20921-2a

2.1.1　焊接区金属的保护 (1)气体保护　气体保护是利用外加气体对焊接区进行保护的方法。 (2)熔渣保护　熔渣保护是利用焊剂、药芯或药皮熔化形成的熔渣起到保护作用的。 20921-2a

2.1.1 焊接区金属的保护 松装密度/(kg/) 550 800 1000 1200 透气性 3800 3000 2500 2000 2.1.1　焊接区金属的保护 表2-3　焊缝含氮量与焊剂松装密度的关系 松装密度/(kg/) 550 800 1000 1200 透气性 3800 3000 2500 2000 氮的质量分数(%) 0．0094 0．0043 0．0022 20921-2a

2.1.1　焊接区金属的保护 (3)渣-气联合保护　渣-气联合保护是通过药皮或药芯中的造渣剂和造气剂在焊接过程中形成熔渣和气体而共同起到保护作用的。 图2-1　熔敷金属含氮量与焊条 20921-2a

2.1.1　焊接区金属的保护 图2-2　熔敷金属含氮量与药芯 20921-2a

2.1.1　焊接区金属的保护 (4)真空保护　真空保护是指利用真空环境使焊接区的空气含量显著降低的保护方法。 (5)自保护　从本质上讲，以上提到的四种保护均属将空气排除焊接区的机械保护方法。 20921-2a

2.1.2　焊接化学冶金的反应区 图2-3　焊接化学冶金的反应区 Ⅰ—药皮反应区　Ⅱ—熔滴反应区　Ⅲ—熔池反应区　—药皮开始反应温度 —焊条端部熔滴温度　—弧柱中部熔熵温度 —熔池最高温度　—熔池最低温度 20921-2a

2.1.2　焊接化学冶金的反应区 1.药皮反应区 (1)水分的蒸发　当药皮被加热时，其吸附水开始蒸发，直到温度超过100℃时，吸附水全部蒸发；当温度超过200～400℃时，药皮中的白泥、云母等组成物中的结晶水将被去除，而化合水则需在更高的温度下才能析出。 (2)某些物质的分解　当药皮受热达到一定温度时，其中的纤维素、木粉和淀粉等有机物开始分解和燃烧，形成CO2、CO及H2等气体。 20921-2a

2.1.2　焊接化学冶金的反应区 (3)铁合金的氧化　以上所述的因水分蒸发和某些物质分解所形成的H2O、CO2和O2等氧化性气体，会对被焊金属和药皮中的铁合金(如锰铁、硅铁和钛铁等)造成很强的氧化作用，从而使气相的氧化性大大降低，即实现了所谓的先期脱氧。 2.熔滴反应区 (1)反应温度高　在钢材的电弧焊中，熔滴活性斑点处的温度接近焊芯材料的沸点，高达2800℃左右。 20921-2a

2.1.2　焊接化学冶金的反应区 (2)相的接触面积大　正常焊接条件下，熔滴比较细小，其比表面积可达1000～10000cm2/kg，比炼钢时大1000倍左右，故熔滴与气体和熔渣的接触面积很大。 (3)反应时间短　熔滴在焊条末端的停留时间仅为0.01～0.1s，熔滴以高达2.5～10m/s的速度穿过弧柱区的时间更短，只有0.0001～0.001s。 20921-2a

2.1.2　焊接化学冶金的反应区 (4)相的混合强烈　在熔滴形成、长大及过渡过程中，由于受到多种力的作用，其形状不断变化，导致局部表面发生收缩或扩张，使熔滴表面上的渣层发生破坏而相互混合，甚至被熔滴金属所包围，故熔滴与熔渣发生了强烈的混合作用。 3.熔池反应区 (1)反应速度低　与熔滴相比，熔池平均温度较低，约为1600～1900℃；熔池比表面积较小，约为300～1300cm2/kg；熔池存在时间稍长，但也不超过几十秒，如焊条电弧焊时为3～8s，埋弧焊时为6～25s。 20921-2a

2.1.2　焊接化学冶金的反应区 (2)反应不同步　熔池的温度分布极不均匀，其前部温度比后部高。 (3)具有一定的搅动作用　在气流、等离子流以及由于熔池温度分布不匀造成的液态金属密度差异和表面张力差异等因素的综合作用下，熔池中的液态金属会发生有规律的对流和搅动，有助于加快反应速度，也为气体和非金属夹杂物的外逸创造了条件。 20921-2a

2.1.3　焊接化学冶金系统的不平衡性 1.焊接化学冶金系统是多相的反应系统 2.焊接化学冶金系统是不平衡的反应系统 20921-2a

焊接区内的气体是与液态金属进行冶金反应的重要物质，了解焊接区内气体的种类、来源及气相的组分是研究气相与液态金属相互作用的前提。 2.2　焊接区内气体与金属的作用 焊接区内的气体是与液态金属进行冶金反应的重要物质，了解焊接区内气体的种类、来源及气相的组分是研究气相与液态金属相互作用的前提。 20921-2a

2.2.1　焊接区内的气体 1.气体的种类和来源 (1)气体的种类　总的来看，除了外加的惰性保护气体之外，焊接区内的气体主要包括N2、H2、O2、H2O、CO2、金属蒸气、熔渣蒸气以及它们分解和电离的产物。 (2)气体的物质来源　焊接区内的气体主要来源于焊接材料、母材和环境气氛。 (3)气体的供给途径　从本质上看，焊接区内的气体一部分是直接输入或侵入的原始气体，而另一部分是通过物化反应所生成的气体，具体情况如下。 1)有机物的分解和燃烧。 20921-2a

2.2.1　焊接区内的气体 2)碳酸盐和高价氧化物的分解　焊接材料中常用CaCO3、MgCO3和CaMg(CO3)2(白云石)等碳酸盐，它们受热超过一定温度时会发生分解反应，生成CO2气体，起到气体保护作用。 图2-4　不同物质对碳酸钙分解度的影响(加热速度为30℃/s) 1—CaC　2—CaC+Ca　3—CaC+Ti　4—CaC+Si 5—CaC+NC(比例1∶1)　6—CaC+Ca+Ti+NC(比例1∶2∶2∶1) 7—CaC+Ca+Ti(比例1∶2∶2) 20921-2a

2.2.1　焊接区内的气体 3)物质的蒸发及冶金反应。 20921-2a

2.2.1 焊接区内的气体 物质 Zn Mg Pb Mn Cr Al Ni Si Cu Fe 沸点/℃ 907 1126 1740 2097 2.2.1　焊接区内的气体 表2-4　一些常用金属和氟化物的沸点 物质 Zn Mg Pb Mn Cr Al Ni Si Cu Fe 沸点/℃ 907 1126 1740 2097 2222 2327 2459 2467 2547 2753 Ti C Mo KF LiF NaF Ba Ca 3127 4502 4804 1260 1500 1670 1700 2137 2239 2500 20921-2a

2.2.1　焊接区内的气体 4)直接输入或侵入。 2.气体的分解和气相的组分 (1)气体的分解　无论是直接输入或侵入的原始气体，还是通过物化反应所生成的气体，在焊接电弧的高温作用下将进一步分解，从而对气体与金属的相互作用产生显著的影响。 20921-2a

2.2.1 焊接区内的气体 反应式 =F+F =H+H =H++e =O+O =N+N Δ/(kJ/mol) -270 -433．9 2.2.1　焊接区内的气体 表2-5　几种气体的分解反应及其热效应Δ 反应式 =F+F =H+H =H++e =O+O =N+N Δ/(kJ/mol) -270 -433．9 -1745 -489．9 -711．4 C=CO+1/2 O=+1/2 O=OH+1/2 O=+O O=2H+O -282．8 -483．2 -532．8 -977．3 -1808．3 20921-2a

2.2.1　焊接区内的气体 图2-5　双原子气体的分解度与 20921-2a

2.2.1　焊接区内的气体 图2-6　多原子气体的分 20921-2a

2.2.1 焊接区内的气体 解度与温度的关系 (2)气相的组分 焊接区内经常同时存在多种气体，所以焊接区内的气相是由多种气体组成的。 2.2.1　焊接区内的气体 解度与温度的关系 (2)气相的组分　焊接区内经常同时存在多种气体，所以焊接区内的气相是由多种气体组成的。 20921-2a

2.2.1 焊接区内的气体 焊接方法 焊条或 焊剂类型 气相组分的体积分数(%) 备注 CO C O 焊条电弧焊 钛型 46．7 5．3 2.2.1　焊接区内的气体 表2-6　焊接碳钢冷至室温时的气相组分 焊接方法 焊条或 焊剂类型 气相组分的体积分数(%) 备注 CO C O 焊条电弧焊 钛型 46．7 5．3 35．5 13．5 — 焊条在 110℃ 烘干2h 钛钙型 50．7 5．9 37．7 5．7 钛铁矿型 48．1 4．8 36．6 10．5 氧化铁型 55．6 7．3 24．0 13．1 纤维素型 42．3 2．9 41．2 12．6 低氢型 79．8 16．9 1．8 1．5 埋弧焊 HJ330 86．2 9．3 4．5 玻璃状 焊剂 HJ431 89～93 7～9 ＜1．5 20921-2a

图2-7 氮和氢在铁中的溶解度与温度的关系 ［p()+p(金属)=101kPa，p()+p(金属)=101kPa］ 2.2.2　气体与金属的作用 1.气体在金属中的溶解 (1)溶解反应热力学　一般来讲，双原子气体在金属中的溶解机理可分为两步：首先是气体分子被金属表面所吸附并分解为原子，然后是原子穿过金属表面层向金属深处溶解。 图2-7　氮和氢在铁中的溶解度与温度的关系 ［p()+p(金属)=101kPa，p()+p(金属)=101kPa］ 20921-2a

2.2.2 气体与金属的作用 (2)氮在金属中的溶解 氮的主要来源是焊接区周围的空气。 2.2.2　气体与金属的作用 (2)氮在金属中的溶解　氮的主要来源是焊接区周围的空气。 图2-8　液态铁中氮的含量与氮分压的关系 ［p()+p(Ar)=101kPa，温度=1600℃］ 1—等离子熔炼过程　2—弧焊过程　3—普通热过程 20921-2a

图2-9 氢在金属中的溶解度与温度的关系 ［p()+p(金属)=1.01kPa，其余为Ar］ 2.2.2　气体与金属的作用 (3)氢在金属中的溶解　氢的主要来源是焊接材料及母材中的水分、含氢物质和焊接区周围空气中的水蒸气。 1)氢在金属中的溶解度及其影响因素。 图2-9　氢在金属中的溶解度与温度的关系 ［p()+p(金属)=1.01kPa，其余为Ar］ 20921-2a

2.2.2　气体与金属的作用 2-10.TIF 20921-2a

2.2.2　气体与金属的作用 图2-11　合金元素对氢在液态 20921-2a

图2-12 焊缝中的含氢量 随焊后放置时间的变化 1—总氢量 2—扩散氢 3—残余氢 2.2.2　气体与金属的作用 2)氢在焊缝中的扩散行为　由于焊接冷却速度很快，液态金属所吸收的氢只有一部分能在熔池凝固过程中逸出，还有相当多的氢来不及逸出而被留在固态焊缝金属中。 图2-12　焊缝中的含氢量 随焊后放置时间的变化 1—总氢量　2—扩散氢　3—残余氢 20921-2a

2.2.2 气体与金属的作用 焊接方法 含氢量/(c/100g) 备 注 扩散氢 残余氢 总氢量 焊条电弧焊 钛型 39．1 7．1 2.2.2　气体与金属的作用 表2-7　焊接碳钢时熔敷金属的含氢量 焊接方法 含氢量/(c/100g) 备　　注 扩散氢 残余氢 总氢量 焊条电弧焊 钛型 39．1 7．1 46．2 　低碳钢板和焊丝的含氢量为0．2～0．5c/100g 钛铁矿型 30．1 6．7 36．8 氧化铁型 32．3 6．5 38．8 纤维素型 35．8 6．3 42．1 低氢型 4．2 2．6 6．8 20921-2a

在40～50℃停留48～72h测定扩散氢；真空加热测定残余氢 表2-7　焊接碳钢时熔敷金属的含氢量 埋弧焊 4．40 1～1．5 5．90 　在40～50℃停留48～72h测定扩散氢；真空加热测定残余氢 C焊 0．04 1．54 氧乙炔气焊 5．00 6．50 20921-2a

表2-8 氢在不同组织中的扩散系数(c/s) 2.2.2　气体与金属的作用 表2-8　氢在不同组织中的扩散系数(c/s) 铁素体/珠光体 索氏体 托氏体 马氏体 奥氏体 4．0×1 3．5×1 3．2×1 2．5×1 2．1×1 20921-2a

2.2.2 气体与金属的作用 (4)氧在金属中的溶解 氧的主要来源是焊接材料及母材中的含氧物质和焊接区周围的空气。 2-13.TIF 2.2.2　气体与金属的作用 (4)氧在金属中的溶解　氧的主要来源是焊接材料及母材中的含氧物质和焊接区周围的空气。 2-13.TIF 20921-2a

2.2.2　气体与金属的作用 图2-14　氧在液态铁中的 20921-2a

2.2.2　气体与金属的作用 2.氧化性气体对金属的氧化 (1)氧化还原反应方向的判据　在由金属、氧化性气体和金属氧化物组成的系统中，可用金属氧化物的分解压作为金属发生氧化还原反应方向的判据。 图2-15　合金元素对氧在液态 20921-2a

2.2.2　气体与金属的作用 图2-16　金属氧化物的分解压 20921-2a

表2-9 液态铁中FeO的质量分数对其分解压p′(/FeO)的影响 2.2.2　气体与金属的作用 表2-9　液态铁中FeO的质量分数对其分解压p′(/FeO)的影响 在液态铁中的质量分数(%) p′(/FeO)/101kPa ［FeO］ ［O］ 1540℃ 1600℃ 1800℃ 2000℃ 2300℃ 0．1 0．0222 7．4×1 1．7×1 1．56×1 6．1×1 4．8×1 0．2 0．0444 2．9×1 6．7×1 6．25×1 2．4×1 1．9×1 0．5 0．1110 1．8×1 4．2×1 3．9×1 1．5×1 1．2×1 1．0 0．2220 — 2．0 0．4440 3．0 0．6660 4．3×1 最大值 4．0×1 3．4×1 1．1×1 20921-2a

2.2.2　气体与金属的作用 (2)自由氧对金属的氧化　如前所述，在各种焊接方法中，自由状态的氧总会或多或少地进入焊接区的气相中。 (3)CO2对金属的氧化　CO2在高温下能分解生成自由氧，从而对金属产生氧化作用。 (4)H2O对金属的氧化　气相中的水蒸气在高温下也能分解生成自由氧，从而对金属产生氧化作用。 图2-17　保护气体成分对∑O的影响 20921-2a

2.2.2　气体与金属的作用 (5)混合气体对金属的氧化　在焊条电弧焊中，焊接区内的气体并不是单一的气体，而是多种气体的混合物，如CO2、CO、O2和H2O等。 20921-2a

2.3　焊接熔渣对金属的作用 焊接熔渣是药皮、药芯和焊剂受热熔化及化学反应生成的由多种物质组成的复杂体系，在焊接过程中起到极其重要的作用。了解和掌握熔渣的种类、结构及其性质，是调整和控制焊缝金属成分和性能的前提和基础。 20921-2a

2.3.1　焊接熔渣及其性质 1.熔渣的作用 (1)机械保护作用　焊接熔渣覆盖在熔滴和熔池的表面上，将液态金属与空气隔开，能防止液态金属的氧化及氮化。 (2)冶金处理作用　通过熔渣与液态金属间的物理化学反应，可以去除焊缝中氢、氧、硫和磷等有害物质，还可向焊缝过渡合金元素，实现焊缝金属的净化与合金化，从而提高接头的性能。 20921-2a

2.3.1　焊接熔渣及其性质 (3)工艺性能改善作用　在熔渣中加入某些物质可使电弧易于引燃且稳定燃烧，使飞溅减小，保证焊缝成形美观，增强全位置焊接的适应性。 2.熔渣的种类和成分 (1)盐型熔渣　主要由金属的卤化物和不含氧的化合物组成，其典型渣系有CaF2-NaF、CaF2-BaCl2-NaF、KCl-NaCl-Na3AlF6和BaF2-MgF2-CaF2-LiF等。 (2)盐-氧化物型熔渣　主要由金属的氟化物和氧化物组成，其常用渣系有CaF2-CaO-Al2O3、CaF2-CaO-SiO2和CaF2-CaO-Al2O3-SiO2等。 20921-2a

2.3.1　焊接熔渣及其性质 (3)氧化物型熔渣　主要由各种金属的氧化物组成，其广泛应用的渣系有MnO-SiO2、FeO-MnO-SiO2和CaO-TiO2-SiO2等。 20921-2a

2.3.1 焊接熔渣及其性质 焊条和 焊剂 熔渣 类型 熔渣组成物的质量分数(%) 熔渣碱 Si Ti A FeO MnO CaO MgO 2.3.1　焊接熔渣及其性质 表2-10　典型焊接熔渣的种类和成分 焊条和 焊剂 熔渣 类型 熔渣组成物的质量分数(%) 熔渣碱 Si Ti A FeO MnO CaO MgO NO O Ca 钛型 焊条 氧化 物型 23．4 37．7 10．0 6．9 11．7 3．7 0．5 2．2 2．9 — 0．43 -2．0 钛钙型 焊条 25．1 30．2 3．5 9．5 13．7 8．8 5．2 1．7 2．3 0．76 -0．9 钛铁矿 型焊条 29．2 14．0 1．1 15．6 26．5 8．7 1．3 1．4 0．88 -0．1 20921-2a

氧化铁 型焊条 氧化 物型 40．4 1．3 4．5 22．7 19．3 4．6 1．8 1．5 — 0．60 -0．7 表2-10　典型焊接熔渣的种类和成分 氧化铁 型焊条 氧化 物型 40．4 1．3 4．5 22．7 19．3 4．6 1．8 1．5 — 0．60 -0．7 20921-2a

2.3.1 焊接熔渣及其性质 焊条和 焊剂 熔渣 类型 熔渣组成物的质量分数(%) 熔渣碱 Si Ti A FeO MnO CaO MgO 2.3.1　焊接熔渣及其性质 表2-10　典型焊接熔渣的种类和成分 焊条和 焊剂 熔渣 类型 熔渣组成物的质量分数(%) 熔渣碱 Si Ti A FeO MnO CaO MgO NO O Ca 纤维素 型焊条 氧化 物型 34．7 17．5 5．5 11．9 14．4 2．1 5．8 3．8 4．3 — 0．60 -1．3 低氢型 焊条 盐⁃氧 化物型 24．1 7．0 1．5 4．0 3．5 35．8 0．8 20．3 1．86 0．9 HJ251 18．2 ～22 18～23 ≤1．0 7～10 3～6 14～17 23～30 1．15 ～1．44 0．048 ～0．49 20921-2a

表2-10　典型焊接熔渣的种类和成分 HJ430 氧化 物型 38．5 — 1．3 4．7 43．0 1．7 0．45 6．0 0．62 -0．33 20921-2a

2.3.1　焊接熔渣及其性质 ①　B1和B2分别按式(2-31)和式(2-32)计算。 3.熔渣的微观结构 (1)分子理论　熔渣的分子理论是在凝固熔渣的相分析和成分分析结果的基础上提出的，能定性地解释熔渣与金属之间的冶金反应，但对熔渣的某些性质还无法给出合理的解释。 1)液态熔渣是由化合物分子组成的理想溶液。 2)自由氧化物与其复合氧化物处于化合与分解的平衡状态。 3)只有自由氧化物才能参与冶金反应。 20921-2a

2.3.1　焊接熔渣及其性质 (2)离子理论　熔渣的离子理论是在研究熔渣电化学性质的基础上提出的。 1)液态熔渣是由阴阳离子组成的电中性溶液。 2)离子的分布和相互作用由离子的综合矩所决定。 3)熔渣与金属的作用过程是离子与原子交换电荷的过程。 (3)分子-离子共存理论　如上所述，分子理论认为液态熔渣是由分子组成的，而完全离子理论认为液态熔渣是由离子组成的。 4.熔渣的性质 20921-2a

2.3.1　焊接熔渣及其性质 (1)熔渣的酸碱度　碱度是评价焊接熔渣碱性强弱的指标，它对熔渣的焊接冶金行为有直接影响。 20921-2a

表2-11 与分子理论对应的各氧化物(包括氟化物)的碱度系数 2.3.1　焊接熔渣及其性质 表2-11　与分子理论对应的各氧化物(包括氟化物)的碱度系数 分类 碱性氧化物 酸性氧化物 中性 氧化物 氟化物 CaO MgO O NO MnO FeO Si Ti Zr A Ca 或 0．018 0．015 0．014 0．007 0．017 0．005 0．006 20921-2a

2.3.1　焊接熔渣及其性质 20921-2a

2.3.1 焊接熔渣及其性质 分类 碱性氧化物 酸性氧化物 中性氧化物 O NO CaO MnO MgO FeO Si Ti Zr A F 2.3.1　焊接熔渣及其性质 表2-12　与离子理论对应的各氧化物的碱度系数 分类 碱性氧化物 酸性氧化物 中性氧化物 O NO CaO MnO MgO FeO Si Ti Zr A F 9．0 8．5 6．05 4．8 4．0 3．4 -6．31 -4．97 -0．2 20921-2a

2.3.1　焊接熔渣及其性质 (2)熔渣的粘度　熔渣的粘度是指熔渣内部各层之间相对运动时的内摩擦力，它对熔渣的保护效果、焊接操作性、焊缝成形、熔池中气体的逸出、合金元素在渣中的残留、化学反应的活性等焊接工艺性能和冶金性能都有重要影响。 1)熔渣成分对粘度的影响。 2)温度对粘度的影响　熔渣的粘度随温度的升高而降低，但不同的渣系有不同的变化特征，如图2-18所示。 20921-2a

图2-18 不同渣系的粘度与温度的关系 1—短渣 2—长渣 2.3.1　焊接熔渣及其性质 图2-18　不同渣系的粘度与温度的关系 1—短渣　2—长渣 20921-2a

2.3.1　焊接熔渣及其性质 (3)熔渣的表面张力　熔渣的表面张力实际上是熔渣与气相之间的界面张力或相互接触的比表面能，它对熔滴过渡、焊缝成形、脱渣性能以及许多冶金反应都有重要影响。 20921-2a

2.3.1 焊接熔渣及其性质 氧化物 MnO CaO FeO A MgO NO Si Ti 化学键能/(kJ/mol) 1130 1200 2.3.1　焊接熔渣及其性质 表2-13　各种氧化物的化学键能与表面张力 氧化物 MnO CaO FeO A MgO NO Si Ti 化学键能/(kJ/mol) 1130 1200 1180 1170 710 995 1040 表面张力/(1N/m) 653 614 590 580 512 297 400 380 100 20921-2a

图2-19 典型熔渣的熔点与熔渣成分的关系 a)CaO-Ti-Si b)Ca-CaO-Si 2.3.1　焊接熔渣及其性质 (4)熔渣的熔点　焊接熔渣是由多种化合物混合而成的多组元体系，其固液转变温度是一个区间，而不是固定的数值，因此常将固态熔渣开始熔化的温度称为熔渣的熔点。 图2-19　典型熔渣的熔点与熔渣成分的关系 a)CaO-Ti-Si　b)Ca-CaO-Si 20921-2a

图2-20 熔敷金属中的氧含量 与活性系数的关系 2.3.2　焊接熔渣对金属的氧化 1.置换氧化 (1)置换氧化的冶金反应　置换氧化是指被焊金属与其他金属或非金属的氧化物发生置换反应而导致的氧化。 图2-20　熔敷金属中的氧含量 与活性系数的关系 20921-2a

2.3.2　焊接熔渣对金属的氧化 (2)置换氧化的影响因素　活性熔渣(或焊剂)对金属的氧化能力与其活性系数AF有关。 2.扩散氧化 (1)扩散氧化的分配系数　扩散氧化是指熔渣中的氧化物通过扩散进入被焊金属而使焊缝增氧。 图2-21　焊缝含氧量与熔渣中 FeO含量的关系 20921-2a

2.3.2　焊接熔渣对金属的氧化 (2)分配系数的影响因素　影响FeO分配系数L的主要因素有温度和熔渣的性质。 20921-2a

2.3.3　焊缝金属的脱氧 1.脱氧剂的选择原则 (1)脱氧剂对氧的亲和力　脱氧剂在焊接温度下应比被焊金属对氧具有更强的亲和力。 (2)脱氧产物的物理性质　脱氧产物应不溶于液态金属，其密度应小于液态金属，同时熔点要低，在焊接温度下最好为液态。 (3)脱氧产物的其他影响　应考虑脱氧产物对熔渣性质、焊接工艺性能以及焊缝成分和性能的影响，此外还应考虑成本因素，通过综合分析最后确定选用何种脱氧剂。 2.先期脱氧 20921-2a

2.3.3　焊缝金属的脱氧 (1)脱氧反应　先期脱氧是指在焊条电弧焊中，药皮反应区内的脱氧剂与高价氧化物和碳酸盐分解出的O2和CO2起反应，从而降低电弧气氛氧化性的脱氧方式。 (2)脱氧效果　先期脱氧的效果与脱氧剂的种类、数量、粒度以及焊接参数有关，尤其是脱氧剂对氧的亲和力。 3.沉淀脱氧 (1)锰的脱氧 图2-22　Si对锰脱氧效果的影响 20921-2a

2.3.3　焊缝金属的脱氧 (2)硅的脱氧 20921-2a

2.3.3 焊缝金属的脱氧 氧化物 FeO MnO Si Ti A (FeO·Si MnO·Si 熔点/℃ 1370 1580 1713 2.3.3　焊缝金属的脱氧 表2-14　几种典型氧化物的熔点和密度 氧化物 FeO MnO Si Ti A (FeO·Si MnO·Si 熔点/℃ 1370 1580 1713 1825 2050 1205 1270 密度/(g/c) 5．80 5．11 2．26 4．07 3．95 4．30 3．60 20921-2a

2.3.3　焊缝金属的脱氧 (3)锰硅联合脱氧　锰硅联合脱氧是指将锰和硅按适当比例加入到焊接材料中进行共同脱氧的方法。 20921-2a

表2-15 低碳钢C焊时焊缝夹杂物含量与焊缝成分的关系 2.3.3　焊缝金属的脱氧 表2-15　低碳钢C焊时焊缝夹杂物含量与焊缝成分的关系 焊丝牌号 焊缝组元的质量分数(%) 熔渣组成物的质量分数(%) 焊缝夹杂物 的质量分数(%) C Mn Si MnO FeO S H08MnSiA 0．13 0．78 0．29 38．7 48．2 10．6 0．016 0．014 H08Mn2SiA 0．12 0．85 0．31 47．6 41．9 8．5 0．050 0．009 20921-2a

2.3.3　焊缝金属的脱氧 4.扩散脱氧 (1)影响因素　扩散脱氧的效果主要与温度和熔渣性质有关。 (2)脱氧特点　如上所述，扩散脱氧是在熔池尾部的低温区进行的，低温下氧的扩散速度慢，再加上焊接冷速大，氧的扩散时间短，因而导致扩散脱氧的不充分。 20921-2a

2.4　焊缝金属的净化与合金化 20921-2a

2.4.1　氮对焊接质量的影响及控制 1.氮对焊接质量的影响 (1)促进焊接气孔的形成　气孔是残留在凝固金属中的充满气体的形腔。 (2)改变焊缝的力学性能　如图2-23所示，对于低碳钢和低合金钢的焊接来讲，氮能提高焊缝的强度和硬度，但会使焊缝的塑性和韧性降低，尤其是低温韧性显著降低。 (3)引起焊缝的时效脆化　焊缝金属中以过饱和形式存在的氮是不稳定的，它将随时间的延长逐渐析出，形成稳定的针状氮化物Fe4N，造成焊缝的强度和硬度提高，而塑性和韧性下降，即所谓的时效脆化。 20921-2a

图2-23 氮对焊缝金属力学性能的影响 a)常温性能 b)低温韧性 2.4.1　氮对焊接质量的影响及控制 图2-23　氮对焊缝金属力学性能的影响 a)常温性能　b)低温韧性 20921-2a

2.4.1　氮对焊接质量的影响及控制 2.氮的控制 (1)加强焊接区的保护。 20921-2a

表2-16 不同焊接方法焊接的低碳钢焊缝的含氮量 2.4.1　氮对焊接质量的影响及控制 表2-16　不同焊接方法焊接的低碳钢焊缝的含氮量 焊接方法 氮的质量分数(%) 焊条 电弧焊 光焊丝 0．080～0．228 埋弧焊 钛型焊条 0．015 熔化极氩弧焊 钛铁矿型焊条 0．014 C焊 纤维素型焊条 0．013 药芯焊丝明弧焊 低氢型焊条 0．010 气焊 20921-2a

2.4.1　氮对焊接质量的影响及控制 (2)合理确定焊接参数　降低电弧电压，即减小电弧长度，能增强保护，并使氮与熔滴的作用时间减少，从而降低焊缝含氮量，故应尽量采用短弧焊。 (3)利用合金元素脱氮　钛、铝、锆及稀土元素对氮具有较大的亲和力，能与氮能形成稳定的氮化物，而且这些氮化物不溶于钢液而进入熔渣，从而减少了钢液中氮的含量；同时，钛、铝、锆及稀土元素对氧也具有较大的亲和力，能降低气相中氧的分压，从而减少气相中NO的生成量。 20921-2a

2.4.2　氢对焊接质量的影响及控制 1.氢对焊接质量的影响 (1)氢脆　氢脆是指氢在室温附近使钢的塑性严重下降的现象。 (2)白点　白点又称鱼眼，是指含氢量高的碳钢或低合金钢焊缝在其拉伸或弯曲试样的断面上出现的银白色圆形局部脆断点。 (3)形成气孔　参见图2-9，氢在液态金属中的溶解度远高于它在固态金属中的溶解度，当液态金属凝固时，氢因脱溶析出而形成不溶于液态金属的分子氢，从而在液态金属中形成气泡。 20921-2a

2.4.2　氢对焊接质量的影响及控制 (4)产生延迟裂纹　延迟裂纹是焊接过程结束之后经过一段时间才出现的一种危害性很大的裂纹，而氢是促使产生这种裂纹的主要因素之一。 2.氢的控制 (1)控制氢的来源 1)限制焊接材料的含氢量。 2)清除焊丝和焊件表面上的杂质。 20921-2a

图2-24 药皮中稀土元素含量对熔敷金属中扩散氢含量的影响 a)碲的影响 b)钇的影响 2.4.2　氢对焊接质量的影响及控制 (2)采取冶金措施脱氢　冶金脱氢主要是指通过调整焊接材料的成分，降低焊接气氛中氢的分压，使氢在焊接过程中生成比较稳定且不溶于液态金属的含氢产物(如HF和OH等)，从而降低焊缝金属的含氢量。 1)在焊接材料中加入氟化物。 2)增加焊接材料的氧化性。 3)在焊接材料中加入稀土元素。 图2-24　药皮中稀土元素含量对熔敷金属中扩散氢含量的影响 a)碲的影响　b)钇的影响 20921-2a

2.4.2　氢对焊接质量的影响及控制 图2-25　电流种类和极性对 焊缝含氢量的影响 20921-2a

2.4.2 氢对焊接质量的影响及控制 (3)采取工艺措施减氢 1)控制焊接参数。 2)进行焊后脱氢处理。 2.4.2　氢对焊接质量的影响及控制 (3)采取工艺措施减氢 1)控制焊接参数。 2)进行焊后脱氢处理。 图2-26　脱氢处理工艺参数对焊缝含氢量的影响 20921-2a

2.4.3　氧对焊接质量的影响及控制 1.氧对焊接质量的影响 图2-27　氧对低碳钢焊缝力学性能的影响 20921-2a

2.4.3　氧对焊接质量的影响及控制 (1)降低焊缝的力学性能　焊缝中的氧无论以何种形式存在，都会使焊缝的力学性能降低。 (2)影响焊接过程和质量　在钢材焊接中，当熔滴含氧和碳较多时，反应生成的CO气体受热膨胀，使熔滴爆炸，造成飞溅，从而影响焊接过程的稳定性。 2.氧的控制 (1)限制焊接材料的含氧量　在焊接活性金属、合金以及合金钢时，应尽量选用不含氧或含氧量少的焊接材料，包括高纯度的惰性保护气体、低氧甚至无氧的焊条及焊剂等。 20921-2a

2.4.3　氧对焊接质量的影响及控制 (2)选择合适的焊接方法及参数　由于各种焊接方法的保护效果和冶金作用不同，因而所形成的焊缝的含氧量也不同，如表2-17所示。 20921-2a

表2-17 不同焊接方法焊接的低碳钢及其焊缝的含氧量 2.4.3　氧对焊接质量的影响及控制 表2-17　不同焊接方法焊接的低碳钢及其焊缝的含氧量 焊接方法及焊接材料 氧的质量分数(%) 焊条 电弧焊 光焊丝 0．15～0．30 H08焊丝 钛型焊条 0．065 低碳钢母材 钛钙型焊条 0．05～0．07 气焊 钛铁矿型焊条 0．101 埋弧焊 氧化铁型焊条 0．122 C焊 纤维素型焊条 0．090 电渣焊 低氢型焊条 0．02～0．03 氩弧焊 20921-2a

2.4.3　氧对焊接质量的影响及控制 (3)采取冶金措施脱氧　实际上，通过控制焊接参数来降低焊缝含氧量的方法是很有限的。 20921-2a

2.4.4　硫的危害及控制 1.硫的危害 1)在钢铁材料的焊接中，硫与铁可结合成FeS，成为焊缝金属的夹杂物之一。 2)当焊接合金钢，尤其是含镍量高的合金钢时，由于硫与镍能结合成NiS，而NiS与镍能形成熔点只有637℃的低熔共晶NiS+Ni，显著增大了产生结晶裂纹的倾向。 3)当钢中含碳量增加时，更加重了硫在晶界处的偏析行为，使其危害程度进一步加大。 2.硫的控制 20921-2a

2.4.4　硫的危害及控制 (1)限制焊接材料的含硫量　焊接材料是焊缝金属中硫的主要来源，严格控制焊接材料的含硫量是控制焊缝含硫量的关键。 (2)采用冶金方法脱硫 1)用锰脱硫。 2)利用碱性氧化物脱硫 3)采用稀土元素脱硫。 20921-2a

2.4.5　磷的危害及控制 1.磷的危害 1)磷在液态铁中具有较高的溶解度，而在固态铁中溶解度很小，故多以Fe2P和Fe3P的形式存在。 2)在含Ni多的钢中，磷与镍能结合成Ni3P，而Ni3P与镍能形成熔点为870℃的低熔共晶Ni3P+Ni，使结晶裂纹倾向进一步加大。 3)当钢中含碳量增加时，会加重磷在晶界处的偏析行为及其危害程度。 2.磷的控制 20921-2a

2.4.5　磷的危害及控制 (1)限制焊接材料的含磷量　除被焊的母材之外，焊接材料是焊缝金属中磷的主要来源。 (2)采用冶金方法脱磷　冶金脱磷是通过渣中的FeO和碱性氧化物与液态铁中的Fe3P相作用实现的。 20921-2a

2.4.6　焊缝金属的合金化 1.合金化的目的和方式 (1)合金化的目的　总的来看，合金化的目的有三。 (2)合金化的方式 1)应用合金带极或焊丝。 2)应用合金药皮或焊剂。 3)应用合金粉末或药芯。 2.合金过渡系数及其影响因素 (1)过渡系数的概念　在对焊缝金属的合金化过程中，焊接材料中的合金化元素会因蒸发、氧化及残留而发生损失，不可能完全过渡到焊缝之中。 20921-2a

2.4.6　焊缝金属的合金化 (2)过渡系数的影响因素 1)合金化元素的物化性质。 20921-2a

2.4.6 焊缝金属的合金化 焊接方法 焊丝或 焊芯 焊剂或 药皮 过渡系数η C Si Mn Cr W V Nb Mo Ni Ti 2.4.6　焊缝金属的合金化 表2-18　各种合金化元素的过渡系数 焊接方法 焊丝或 焊芯 焊剂或 药皮 过渡系数η C Si Mn Cr W V Nb Mo Ni Ti 20921-2a

图2-28 焊剂含锰量对锰过渡系数的影响 1—正极性 2—反极性 2.4.6　焊缝金属的合金化 图2-28　焊剂含锰量对锰过渡系数的影响 1—正极性　2—反极性 20921-2a

2.4.6　焊缝金属的合金化 2)合金化元素的含量和合金剂的粒度。 3)药皮和焊剂的物化性质。 20921-2a

2.4.6 焊缝金属的合金化 粒度/μm 过渡系数η Mn Si Cr C <56 0．37 0．44 0．59 0．49 2.4.6　焊缝金属的合金化 表2-19　合金剂粒度对合金过渡系数的影响 粒度/μm 过渡系数η Mn Si Cr C <56 0．37 0．44 0．59 0．49 56～125 0．40 0．51 0．62 0．57 125～200 0．47 0．64 200～250 0．53 0．58 0．67 0．61 250～355 0．54 0．71 355～500 0．66 0．82 0．68 500～700 0．70 — 0．74 20921-2a

图2-29 药皮重量系数对锰过渡系数的影响 1—锰铁的质量分数为20% 2—锰铁的质量分数为50% 2.4.6　焊缝金属的合金化 4)药皮的重量系数和焊剂的熔化率。 图2-29　药皮重量系数对锰过渡系数的影响 1—锰铁的质量分数为20%　2—锰铁的质量分数为50% 20921-2a

2.4.6　焊缝金属的合金化 5)焊接方法及工艺参数。 3.熔合比及焊缝成分的控制 20921-2a

表2-20 焊接工艺条件对低碳钢焊缝熔合比的影响 2.4.6　焊缝金属的合金化 表2-20　焊接工艺条件对低碳钢焊缝熔合比的影响 焊接方法 接头形式 母材厚度/mm 熔合比 焊条电弧焊 I形坡口对接 2～4 0．4～0．5 10 0．5～0．6 V形坡口对接 4 0．25～0．5 6 0．2～0．4 10～20 0．2～0．3 角接或搭接 0．3～0．4 5～20 堆焊 — 0．1～0．14 埋弧焊 对接 10～30 0．45～0．75 20921-2a

2.4.6　焊缝金属的合金化 1.为什么要对焊接区进行保护?可采用的保护方式及其效果怎样? 2.焊接化学冶金分为哪几个反应区，各区有何特点? 3.焊接区内有哪些气体?它们从何而来? 4.说明氢在焊缝及热影响区中的溶解及扩散行为。 5.论述氧化性气体对金属的氧化作用。 6.说明熔渣的种类、性质及其作用。 7.什么是长渣和短渣?其适用性有何不同? 8.熔渣的分子理论、离子理论及分子-离子共存理论的基本内容是什么? 20921-2a

2.4.6　焊缝金属的合金化 9.论述焊接熔渣对金属的氧化途径及影响因素。 10.焊缝金属脱氧的途径有哪些?脱氧效果如何? 11.氢对焊接质量有哪些影响?如何加以控制? 12.论述氧对焊接接头的危害及控制措施。 13.在TIG焊、CO2焊和埋弧焊的三种焊缝中，氢、氧和氮的含量有何区别?为什么? 14.论述硫和磷对焊接接头的危害及控制措施。 15.焊缝金属合金化的目的是什么?如何实现? 16.什么是合金过渡系数和熔合比?它们对焊缝成分有何影响?如何加以控制? 20921-2a