连接成形理论基础(第八章)

可以计算出在空气中CaCO3开始分解的温度 为545℃；MgCO3的为325℃。 CaCO3剧 烈分解的温度为910℃；MgCO3为650℃。
2）高价氧化物的分解
6Fe2O3== Fe3O4+ O2 2Fe3O4== 6FeO+ O2 4MnO2== 2Mn2O3+ O2 6Mn2O3== 4Mn3O4+ O2 2Mn3O4== 6MnO+ O2
2
1.35 10 6 5.3 10 5
-------
-------- --------
表 用各种方法焊接时焊缝的含氧量
材料及焊接方法 平均含氧量（%） 材料及焊接方 法 纤维素型焊条 氧化铁型焊条 铁粉型焊条 埋弧自动焊 电渣焊 气焊 CO2焊 氩弧焊 平均含氧量（%）

<100℃，吸附水开始蒸发 > 100℃，吸附水全部蒸发 200~400 ℃，白泥、白云母中的结晶水排除 >400 ℃，化合水析出。 有机物的分解和燃烧：产生CO2、CO、H2 碳酸盐的分解（大理石CaCo3、菱苦土MgCo3）：产生 CO2 高价氧化物的分解（ CO2 、O2） 产生的气体对铁合金（Mn-Fe、Si-Fe、Ti-Fe）的氧化 作用 >600℃:2Mn+O2=2MnO Mn+CO2=MnO+CO Mn+H2O=MnO+H2 结果使气氛氧化性降低，达到先期脱氧的作用。
坡口）
(三） 氧对金属的作用 根据氧对金属作用的特点，可以把金属划分为两 类：一类金属（如Mg、Al等）无论固态和液态 都不溶解氧，然而在焊接时它会发生激烈的氧化， 所形 成的氧化物容易造成夹杂、未焊透等缺陷；另一 类金属（如Fe、Ni、Cu、Ti等）可以有限地溶 解氧，焊接时也会发生氧化，但是，所形成的氧 化物能够溶解于相应的金属中，例如，焊接铁时 生成的FeO能溶于铁及其合金中。
表10焊接碳钢时气相冷至室温的成分 焊接 焊条和焊剂类型 方法 手工 钛钙型 电弧 钛铁矿型 纤维素型 焊 钛型 低氢型 氧化铁型 自地 HJ330 动埋 HJ431 弧焊 气焊 O2/C2H2=1.11.2(中性焰) 气相成分（%） CO 50．7 48．1 42．3 46．7 79．8 55．6 86．2 89-93 CO2 5．9 4．8 2．9 5．3 16． 9 7．3 H2 37．7 36．6 41．2 35．5 1．8 24．0 9．3 7-9 H2O 5．7 10．5 12．6 13．5 1．5 13．1 N2 4．5 〈1． 5 焊条 在 110 ℃烘 干2 备注
2. 碳酸盐和高价氧化物的分解 1）碳酸盐的分解焊接材料常用的碳酸盐有 CaCO3、MgCO3、白云石（CaCO3+ CaCO3）和BaCO3等， CaCO3和MaCO3 的分解反应及分解产物的气相分压如下所示： CaCO3== CaO+ CO2 lgpco2=-8920/T+7.45 MgCO3= MgO+ CO2 lgpco2=-5785/T+6.27
第二节 液态金属与气体界面的反应
一、焊接区气体的来源 （1）焊接材料 （2）热源周围的气体介质 （3） 焊丝和母材表面上的杂质 气体的产生 1.有机物的分解和燃烧： 纤维素的热氧化分解反应为： （C6H10O5）m+7/2mO2=6mCO2mH2 色谱分析证明，反应产物主要是CO2，并且还有少量 的CO、H2、烃和水气。
表12 纯CO2分解得到的平衡气相成分
温度（K） 1800 2000 2200 2500 3000 3500 4000
气相成 CO2 分 CO （%体 O2 积）
99.34 0.44 0.22
97.74 1.51 0.76
93.94 4.04 2.02
81.10 12.60 6.30
44.26 37.16 18.58
2. 熔滴反应区 这个反应区有如下特点： （1）熔滴温度高、过热度大 （2） 熔滴与气体和熔渣的接触面积大
（3）各相之间的反应时间短 熔滴阶段的反应主要是在焊 条末端进行的。 （4）熔滴与熔渣发生强烈的混合 在熔滴反应区内进行和主要物理化学反应有：金属的蒸发、 气体的分解和溶解、金属及其合金成分的氧化与还原以及 焊缝金属的合金化等。
o2 o2 o2
o2
o2
Hale Waihona Puke 2/nMemOn==2m/nMe+O2
（2）自由氧对金属的氧化 光焊丝焊接时认为气相中氧的分压就是空气中氧 的分压，｛Po2，｝＝21.3Kpa（即0.21atm）， 但焊缝含氧量很高。见表11. 手工电弧焊时， ﹝Fe﹞+1/2O2＝＝FeO+26.97KJ/mol ﹝Fe﹞+O＝＝FeO+515.76KJ/mol 从反应的热效应判断，原子氧对铁的氧化更为激烈。
二.连接成形的冶金反应特点
焊接化学冶金过程
焊材
焊接热
焊缝金属
焊接化学冶金的概念：焊接区内各种物质在高温下相互作用的过程 。
焊接化学冶金反应区及其反应条件
分区域（或阶段）连续进行的 手工电弧焊时有三个反应区：药皮反应区、熔滴反应 区和熔池反应区。 1. 药皮反应区 这一区域的温度范围是从100℃至焊条药皮的熔点 （对于结构钢焊条约为1200℃）。
3. 氮的控制（1）强化焊接区的保护 ； （2）确定合理的 焊接工艺参数； （3）利用合金元素，控制焊缝含氮量 。
（二）氢对金属的作用 1.氢在金属中的溶解 按照氢与金属作用的情况，可将金 属划分为两类： （1）能形成稳定氢化物的金属 如 Zr、Ti、V、Ta、Nb等。这类金 属吸收氢的反映是放热反映； （2）不形成稳定氢化物的金属 如Al、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等。 氢能够溶解于这类金属及其合金中， 溶解反应是吸热反应。
氮进入液态金属的形式： 1）原子形式溶于液态金属 2）以NO形式溶入 3）以氮离子形式入 N 2 2N 氮在金属中的溶解反应可表示为： S N K N pN 氮在金属中的溶解度：
2 2
2. 氮对焊接质量的影响 （1）在碳钢焊缝中，氮是有害杂质， 是促使焊缝产生气孔的主要原因。 （2）氮是提高低碳钢，低合金钢焊缝 金属强度，降低塑性和韧性的元素。 （3）氮是焊缝金属时效脆化的元素。
1540 7.4*1011
1600 0.7*10-10 6.7*10-10 4.2*10-9 － － － 1.5*10-8
1800
2000
2300 4.8*10-8 1.9*10-7 1.2*10-6 4.8*10-6 1.9*10-5 4.3*10-5 1.08*10
-4
2.9*1010
1.8*10-9 － － － 4.9*10-9
16.69 55.54 27.77
5.92 62.72 31.36
气相中氧的分压 p
o2
2.2 *10 3 7.6 10 3
2.02 10 2 6.3 10
18.58 10 2
27.77 10 2
31.36 10 2
101.325（KPa） 饱和时FeO的分 p0 3.81 10 9 1.08 10 7 解压 *101.325
1.56*10- 6.1*10-9 9 2.4*10-8 6.25*10- 1.5*10-7 9 6.1*10-7 3.9*10-8 2.4*10-6 1.5*10-7 － － 4.8*10-6 － 3.4*10-7
此外，在焊接钢时钢液中对氧亲合力比铁大的合金无元素 （如C、Si、Mn等）也要被氧化： ﹝Fe﹞+1/2O2＝＝CO ﹝Si﹞+ O2＝＝（SiO2） ﹝Mn﹞+1/2O2＝＝（MnO） （3）CO2对金属的氧化 纯CO2高温分解得到一平衡气相成分见表12 CO2气与液态铁的反应式及平衡 常数K表示如下 CO2+﹝Fe﹞＝＝CO+﹝FeO﹞ LgK＝lg CO﹝FeO﹞/ CO2＝-11576/T+6.855
3. 材料的蒸发（合金元素和熔渣中的各种成分蒸发） 3.1气体的分解 电弧空间的气体状态可以是分子、原子、离子状 态。 （1）简单气体的分解 H2,O2,N2等 （2）复杂气体的分解 H2O,CO2等。
3.2 气相的成分
焊接时气相的成分和数量随着焊接方法、焊接 工艺参数、焊条和焊剂的类型等因素的不同而 变化。
焊剂 为玻 璃状
60-66
有
34-40
有
二、液态金属与气体的反应
（一）氮与金属的作用 一种是不与氮发生作用的金属，如Cu、Ni、Ag等， 它们即不溶解氮，又不形成氮化物;
一种是与氮发生作用的金属，如Fe、Mn、Si、Cr等。 它们即能溶解氮，又能与氮形成稳定的氮化物。
1.氮在金属中的溶解 气体的溶解反应分为以下四个阶段： 1） 气体分子向气体与金属两相界面处运动； 2）气体分子被金属表面吸附； 3）在金属表面上，气体分子分解为原子； 4）气体分子穿过金属表面层，并向金属内部扩散。
氢的溶解机构
1).氢以原子形式溶入 2).以 溶入
3).以
H 2O气 (O 2－ ) 2(OH － )
[OH ]溶入
H
(OH ) ( F ) (O ) HF 若渣中含有氟化物则发生如下反应：


2
氢从熔渣向金属中过渡通过一下反应：
( Fe2 ) 2(OH ) [ Fe] 2[O] 2[ H ] [ Fe] 2(OH ) ( Fe2 ) 2(O 2 ) 2[ H ] 2(OH ) (O 2 ) 2[ H ] [O]
3. 熔池反应区 熔池反应区有以下两个特点： （1） 熔池反应区的物理条件 ①与熔化的母材充分混合 ②熔池的平均温度较低（1600~1900℃） ③比表面积小（3~130cm3/kg） ④时间从几秒到几十秒 ⑤温度分布不均匀。同一个反应在熔池的两 个部分可以向相反的两个方向进行。