第三章焊接过程中的冶金反应原理

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金属吸收气体为吸 金属发生相变时， 当金属由液相转 热反应，溶解度随温 由于金属组织结构的 变为固相时，溶解度 度的升高而增加；金 变化，气体的溶解度 的突然下降将对铸件 属吸收气体为放热反 将发生突变。液相比 和焊件中气孔的形成 应，溶解度随温度的 固相更有利于气体的 产生直接的影响。 上升而降低。 溶解。
1 溶 解 度 2
温度 气体溶解度与热效应和温度的关系 1－吸热溶解 2－放热溶解
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（2）氮、氢、氧在金属中的溶解度
氮和氢在金属或合金中的溶解反应类型及形成化合物倾向
气体 金 属与合金 铁和铁基合金 氮 溶解反应 类型 吸热反应 能形成稳定氮化物 形成化合物倾向
Al、Ti、V、Zr等金属及合金 放热反应
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控制工艺参数
（1）减小电弧电压时，保护效果变好，液态金属与空气的接 触机会减小，减少焊缝中氮、氧的含量。因此，应尽量采
用短弧焊。
（2）焊接电流增加时，熔滴过渡频率增加，气体与熔滴作用时 间缩短，焊缝中氮、氧含量减少。此外，焊接方法、熔滴过渡 特性、电流种类等也有一定的影响。
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碳钢焊条电弧焊焊接区室温时的气相成分
药皮类型 CO 高钛型（J421） 钛钙型（J422） 46.7 50.7 气相成分（体积分数） /% CO2 5.3 5.9 H2 34.5 37.5 H2O 13.5 5.7 焊条在 110℃ 烘干2h 备注
钛铁矿型（J423）
氧化铁型（J424） 纤维素型（J425）
（ PN2 ＝PH2 = 0.1MPa ）
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第II类金属吸氢过程是放热反应，因此随着 b） a） 温度的升高，氢的溶解度减小，
SH/mL.(100g)-1
T/℃
SH/mL.(100g)-1
T/℃
氢在不同金属中的溶解度随温度的变化（pH2＝0.1MPa） a）I类金属 b）II类金属
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氧在金属中的溶解度与温度的关系
（2）氢主要来源于水分，包括原材料（母材、焊接材料 等）本身含有的水分、材料表面吸附的水分以及铁锈或 氧化膜中的结晶水、化合水等。材料内的碳氢化合物和 材料表面的油污等也是氢的重要来源。 限制措施：焊材存放中防吸潮、焊前烘干和去除杂质 和油污。
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限制气体的来源
（3） 氧主要来源于焊材或矿石，在焊接要求比较 高的合金钢和活泼金属时，应尽量选用不含氧或氧 含量少的焊接材料，如采用高纯度的惰性保护气体， 采用低氧或无氧的焊条、焊剂等。
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§第2节 液态金属与气体界面的反应
一、气体的来源与产生
二、气体在金属中的溶解
三、氧化性气体对金属的氧化 四、气体的控制措施
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一、气体的来源与产生
•焊接材料，如：焊条药皮、焊剂、
焊芯、高价氧化物及有机物
间接分解
Baidu Nhomakorabea
直接进入 •母材坡口的油污、铁锈、水分
•空气中的气体、水分 •保护气体及其杂质气体
焊接区的气体
O2
0.22
2.2 ×10-3 3.81 ×10-9
0.76
7.6 ×10-3 1.08 ×10-7
2.02
2.02 ×10-2 1.35 ×10-6
6.30
6.3 ×10-2 5.3 ×10-5
18.58
18.58 ×10-2 －
27.77
27.77 ×10-2 －
31.36
31.36 ×10-2 －
水蒸发及药皮中固态物质的分解，造渣和造气。
•熔滴反应区：温度高（2100－2800℃
）、熔滴比表
面积大，是焊接冶金反应最激烈的部位。气体分
解和溶解、金属蒸发、氧化还原及焊缝金属合金化。
•熔池反应区：温度平均1770
℃左右，反应比溶滴区
弱些。温度分布不均，不同部位冶金反应不同。 头部金属熔化和吸气，尾部金属凝固和气体逸出。
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H2O对金属的氧化
H2O 气与 Fe 的反应式为：
H2O气＋[ Fe ] ＝ [ FeO ] ＋ H2 H2O对金属的氧化反应特点：
温度越高，H2O 的氧化性越强。 在液态铁存在的温度，H2O 气的氧化性比 CO2 小。 但应注意，H2O气除了使金属氧化外，还会提高气相 中 H2 的分压，导致金属增氢。
由反应的热效应看，原子氧对铁的氧化比分子氧更激烈。
除了铁以外，钢液中其它对氧亲和力比铁大的元素也会发生 氧化，如：
[ C ] + ½ O2 = CO↑
[ Si ] + O2 =（SiO2）
[ Mn ] + ½ O2 =（MnO）
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CO2对金属的氧化
温度/K 气相成分 ( 体积分 数) /％ CO2 CO 1800 99.34 0.44 2000 97.74 1.51 2200 93.94 4.04 2500 81.10 12.60 3000 44.26 37.16 3500 16.69 55.54 4000 5.92 62.72
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四、气体的控制措施


1、气体对金属质量的影响
2、气体的控制措施
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1、气体对金属质量的影响
氢在室温附近使 钢的塑性严重下 降
残留在金属内部的气体元素对金属性能的影响取决于 气体元素在金属中的存在状态。
固溶态
室温下 N、H、O 在金属中的溶解度极低， 残留在接头中的 [H]R易导致冷裂纹和氢脆。
（545℃～ 910℃） （325℃～ 650℃）
高价氧化物（Fe2O3 和 MnO2）的逐级分解 （在某些酸性焊条药皮中含量较高） 6 Fe2O3 = 4 Fe3O4 + O2 2 Fe3O4 = 6 FeO + O2 4 MnO2 = 2 Mn2O3 + O2 6 Mn2O3 = 4 Mn3O4 + O2
CO2、CO、H2、烃和水气
如纤维素的热氧化分解反应：
（C6H10O5）m＋7/2m O2（气）＝6m CO2（气）＋5m H2（气）
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2．碳酸盐和高价氧化物的分解
碱性焊条药皮中碳酸盐的含量较高。 碳酸盐（CaCO3、MgCO3 及 BaCO3 等）的分解
CaCO3 = CaO + CO2↑
MgCO3 = MgO + CO2↑
晶界、晶内弥散状（氮化 强化、脆化 物Fe4N） 夹杂 块状（氧化物、氮化物） 气孔（氢气孔，氮气孔，CO气孔）
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化合物
独立气相
2、气体的控制措施


限制气体的来源
控制工艺参数 冶金处理
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限制气体的来源
（1）氮主要来源于空气，它一旦进入液态金属，去除比
较困难。因此，控制氮的首要措施是加强对金属的保护， 防止空气与金属接触。 限制措施：焊接时，采用渣保护、气保护或渣气联合 保护。
第一篇 连接成形理论基础
Chapter 3 焊接过程中的冶 金反应原理 （一）
本章讲授目的
化学冶金过程 焊接方法 焊接材料 焊缝的成份 焊缝的性能
焊接过程中，高温液态金属会与气体和熔渣之间 发生相互作用（冶金反应）。通过本章的学习，了解 影响焊件的性能的气体和熔渣的来源及其与金属的相
互作用机制。
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2、氧化性气体对金属的氧化
自由氧、 CO2 、 H2O 、 混合气体对金属的氧化
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（1）自由氧对金属的氧化
氧在铁液中以氧原子和FeO形式存在。气相中 O2 的分压超过 P'o2 时，将使 Fe 氧化： [ Fe ] + ½ O2 = FeO + 26.97 [ Fe ] + O = FeO + 515.76 kJ/mol kJ/mol
本章主要内容
第1节连接成形的冶金反应特点 第2节液态金属与气体界面的反应 第3节液态金属与熔渣的相互作用 第4节合金化及工艺条件对冶金反应的影响
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§第1节 连接成形的冶金反应特点
连接成形的冶金反应特点：
存在保护、分区域（药皮反应区、熔滴反应区和熔池 反应区）进行、与焊接工艺有关
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•药皮反应区：温度低（钢焊条1200℃）。
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CO2与液态铁的反应式为：
CO2 ＋ [ Fe ] ＝ CO ＋ [ FeO ] CO2对金属的氧化反应特点： 即使气相中只有少量的 CO2 ，对铁也有很大的 氧化性。焊接时，用CO2作保护气体只能防止空气 中氮的侵入，不能避免金属的氧化。 用CO2 作为保护气体焊接时，应该在焊丝中增
加脱氧元素。
N2、H2、O2 CO2 和 H2O
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气体的间接来源
（1）有机物的分解和燃烧
（2）碳酸盐和高价氧化物的分解 （3）材料的蒸发 （4）气体的分解
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1．有机物的分解和燃烧
酸性焊条药皮中有机物的含量较高。 焊条药皮中的淀粉、 热氧化分解反应 200~250℃后
纤维素、糊精等有机物
（造气、粘接、增塑剂）
48.1
55.6 42.3
4.8
7.3 2.9
36.6
24.0 41.2
10.5
13.1 12.6
低氢型（J427）
79.8
16.9
1.8
1.5
低氢型焊条焊接时，气相中H2和H2O的含量很少，故称“低氢型” 酸性焊条焊接时氢含量均较高，其中纤维素型焊条的最大。
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3．材料的蒸发

焊接材料和母材表面的水分、金属元素和熔渣的各种成
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1、金属氧化还原方向的判据
在由金属、金属氧化物和氧化性气体组成的系统中，采
用金属氧化物的分解压 Po2作为金属是否被氧化的判据。
2 MeO 2Me + O2
若氧在金属－氧－氧化物系统中的实际分压为{Po2}，则:
{Po2} > Po2 时，金属被氧化； {Po2} = Po2 时，处于平衡状态；
气相中氧的分压 {pO2} /×101.325kPa P’O2 [FeO]max /×101.325kPa
纯CO2高温分解得到的平衡气相成分和气相中氧的分压 { Po2 }
随温度升高，气相中氧分压增大，氧化性增加。 温度高于铁的熔点以后， {Po2}远大于P'o2 高温下CO2对液态铁和其他许多金属来说均为活泼的氧化剂。
-1
氮 溶 解 度 SN/ ％
合金元素含量wMe /% 氢在二元系铁合金中的溶解度（1600℃）
合金元素含量wMe /% 氮在二元系铁合金中的溶解度（1600℃） 23
三、氧化性气体对金属的氧化
主要讨论O2、CO2、H2O等气体对金属的氧化。
1、金属氧化还原方向的判据
2、氧化性气体对金属的氧化
Fe、Ni、Al、Cu、Mg、Cr、 吸热反应 Co等金属及合金 氢 Ti、Zr、V、Nb、Ta、Th 等金属及合金 放热反应
能形成稳定氢化物
不能形成稳定氢化物
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氮、氢在铁中的溶解度
在铁的气化温度附近， 气体溶解度陡降。 氮、氢在液态铁中的溶解 度随温度升高而增大。 氮、氢在金属凝固 时溶解度陡降。 氮、氢在奥氏体中的 溶解度大于铁素体。
分在电弧高温作用下会发生蒸发，形成相当多的蒸气。
金属材料中Zn、Mg、Pb、Mn
氟化物中AlF3、KF、LiF、NaF

极易蒸发
后果： 合金元素的损失； 产生焊接缺陷；
增加焊接烟尘，污染环境，影响焊工身体健康。
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4、气体的分解

简单气体（指N2、H2、O2、F2等双原子气体） 的分解 ，如：H2 ＝H＋H ； 复杂气体（指CO2和H2O等）的分解，分解产物 在高温下还可进一步分解和电离，由分子或原子
{Po2} < Po2 时，金属被还原。
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金属氧化物的分解压是温度 的函数，随温度的升高增加。
Lg pO2/×101.3kPa Mo O

除了 Ni 和 Cu 外，在同样
即最不稳定。但由于FeO溶 于铁液中，使其分解压P'o2 变小，从而使Fe更易于被
温度下，FeO的分解压最大，
氧化。
T/℃
自由氧化物分解压与温度的关系 26
溶 解 度
SO/%
氧在液态铁中的溶解度随 温度升高而增大
温度 T/℃ 铁液中氧的溶解度随温度的变化
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液态金属中加入能提高气体含量的合金元素，可提高气体的 （3）合金成分对溶解度的影响 溶解度；若加入的合金元素能与气体形成稳定的化合物（即 氮、氢、氧化合物），则降低气体的溶解度。
氢 溶 解 度 SH/ ml. (10 0g)
焊接温度下氢、氧等气体的溶解
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3. 溶解度 S—在一定温度和压力条件下，气体溶入 金属的饱和浓度。
温度与压力
溶解度S的 影响因素
气体种类 合金成分
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（1）温度和压力的影响
理想气体溶解度的平方根定律：
S kx
Px
Px 为气相中的气体分压， Px ↑ → 溶解度↑ Kx 为气体溶解反应的平衡常数，取决于温度和金属的 种类。

变为离子，如：H→H＋。
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二、气体在金属中的溶解

1. 原子或离子状态 → 直接溶入液态金属； 分子状态的气体 → 先分解为原子或离子之后再溶解 到液态金属中。

2. 双原子气体溶入金属液的两种方式： 吸附 — 分解 — 溶入 分解 — 吸附 — 溶入
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双原子气体溶入金属液的两种方式
温度不够高或气体难以分解时