第二章化学冶金(2013版)案例
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Cb——该元素在母材中的质量百分浓度
Cd——该元素在焊条中的质量百分浓度
2.熔滴过渡特性的影响
熔滴的过渡特性不同，意味着熔滴阶 段的反应时间不同 ： 细颗粒时反应时间短，不充分； 粗颗粒时反应时间长，反应充分。
四、焊接化学冶金系统及不平衡性
1.化学冶金系统
①焊条电弧焊、埋弧焊：液态金属—熔 渣—气相 ②气体保护焊：气相—液态金属 ③电渣焊：渣—液态金属
三、焊接工艺条件与冶金的关系
1.熔合比的影响
（1）熔合比的定义：熔焊时，被 熔化的母材部分在焊道金属中所占 的比例。 熔合比的数值，取决于焊接工艺 （焊接方法、工艺参数、坡口类 型）、母材、焊材……等。
（2）熔合比对焊缝金属的影响
C0=θ Cb +(1-θ)Cd
分浓度
C0——某元素在焊缝金属中的原始质量百 θ——熔合比
②碳酸盐的分解 a.空气中:分解物 开始 剧烈 CaCO3 545 ℃ 910 ℃ MgCO3 325 ℃ 650 ℃ b.BaCO3分解温度比CaCO3高 c.白云石CaMg(CO3)2分解分两步进行： CaMg(CO3)2 CaCO3 +MgO+CO2 CaO+CO2 d.焊条烘干温度： 含CaCO3的焊条 ＜450 ℃ 含MgCO3的焊条 ＜300 ℃ 含有机物的焊条 ＜200 ℃
（2）产生的气体对铁合金（Mn-Fe、 Si-Fe、Ti-Fe）的氧化作用
①在温度大于600°C的条件下： 2Mn+O2=2MnO Mn+CO2=MnO+CO Mn+H2O=MnO+H2 ②结果使气氛的氧化性降低，达到先期脱 氧的作用
2.熔滴反应区
（1）特点 ①熔滴温度高：1800~2400°C，过热度大 ②熔滴比表面积大，故接触面积大：一般 比炼钢时大1000倍 ③反应接触时间短：熔滴存在时间短，内 部又存在流动 ④熔滴金属与熔渣发生强烈混合：熔渣质点 尺寸可达50μm,相互接触面积大，反应物 与产物充分交流，反应速度加快
（2）复杂气体的分解
反应方程式 ⊿H（kJ／mol） 分解温度 CO2CO+O2 -282.8 （全分解） H2OH2+O2 1 -483.2 ＜4500K 2 H2OOH+ H -532.0 ＞4500K 2 H2OH2+O -977.3 更高温度 H2O2H+O -1803.3 更高温度 （3）气相的成分及分布（如表2-6） 主要：CO、H2、H2O、CO2 低氢：CO、CO2
2.不平衡性
化学反应的不等温条件，造成了非平衡 焊缝最终成分远离凝固平衡温度下的成分
第二节 焊接区的气体及熔渣
1.焊接区内的气体
（1）气体的来源及产生
1）来源：焊材本身（造气剂及高价氧化物、水）、 铁锈及油污、空气侵入（约占3%） 2）产生 ①有机物分解:纤维素约220~250℃开始分 解，与水玻璃混合时，分解温度会更低，反应 产物主要是CO2,少量CO、及水气
总之，熔滴反应区反应时间较短，但温 度高，相互接触面积大，反应最为激烈，对 焊缝的影响最大
（2）主要冶金反应
①气体的分解和溶解 ②金属的氧化、还原 ③合金化 ④金属蒸发
3.熔池反应区
（1）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°C） ③比表面积小（3~130cm3/kg） ④时间从几s到几十s ⑤温度分布不均匀（在熔池头部的反应 与熔池尾部的不一样）
第二章 焊接化学冶金
天津大学 杜则裕 2013.3
焊接化学冶金的概念（P.43） 在熔焊过程中，焊接区内各种物 质之间在高温下液态金属、熔渣、气相 之间相互作用的过程
研究目的 在于运用这些规律合理地选择焊 接材料，控制焊缝金属的成分和性能使 之符合使用要求，设计创造新的焊接材 料
第一节 焊接化学冶金过程的特点
（2）化学条件
①熔池反应体系中各相浓度接近平衡浓
度，反应速度小 ②药皮质量系数Kb 大时，有部分熔渣直 接进入熔池，参与并强化熔池反应 ③熔池反应物质处在连续更新过程，且 维持准稳定状态
（3）特点
①熔池反应速度小，程度小，对整个 化 学冶金过程贡献小 ②主要化学冶金反应同熔滴阶段，但 程 度和方向有可能改变
3.焊接熔渣
1）作用
①机械保护 ②改善工艺性：提高电弧的稳定性，减少飞 溅，促进脱渣、焊缝成型 ③冶金处理作用
2）成分与分类
①盐型：活性材料及高合金钢氧化物、氯化物 ②盐-氧化物：合金钢氧化物 ③氧化物型：低碳钢及低合金钢氧化物
焊接化学冶金的任务
①对焊接区实施保护，免受空气侵害 ②熔化金属，冶金处理，获得所要求的 焊缝成型
一、对焊接区的保护
1.光焊丝焊接时 [N] ＝0.105﹪~0.218﹪,增加20~45倍， [O] ＝0.14﹪~0.72﹪,增加7~35倍， [Mn]、[C]蒸发、氧化损失易产生气孔，导 致塑性韧性下降,光焊丝无保护的焊接不实用 2.保护方法 药皮、熔渣、药芯、保护气体、自保护等 3.保护效率 与保护方法有关，一般惰性气体保护效果较好
③高价氧化物的分解 Fe2O3Fe3O4+O2 FeO+O2 MnO2 Mn2O3+O2 Mn3O4+O2 MnO+O2 ④材料的蒸发 沸点较低的Zn、Mn、Pb、Fe、F 化物等
2.气体的分解
（1）简单气体
反应方程式 ⊿H（kJ／mol） N2N+N -712.4 O2O+O -489.9 H2H+H -433.9 H2H+H++e （发生电离） -1745 单原子气体三种电离方式： 热电离、碰撞电离、光电离（依次要求的温度 升高）
二、焊接冶金学反应区及其反应条件（以 焊条电弧焊为例）（P.45、46，图2-3） 1.药皮反应区
（1）产生的气体
①100~1200°C：水分蒸发、分解、氧化 a. ＜100°C 吸附水分蒸发 b.>200~400°C 排除结晶水 c. >400°C 排除化合水 ②有机物的分解和燃烧：产生CO2、CO、 H2 ③碳酸盐的分解（大理石CaCO3、菱苦土 MgCO3):产生CO2 ④高ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ氧化物分解（赤铁矿Fe2O3、锰矿 MnO2):产生O2
Cd——该元素在焊条中的质量百分浓度
2.熔滴过渡特性的影响
熔滴的过渡特性不同，意味着熔滴阶 段的反应时间不同 ： 细颗粒时反应时间短，不充分； 粗颗粒时反应时间长，反应充分。
四、焊接化学冶金系统及不平衡性
1.化学冶金系统
①焊条电弧焊、埋弧焊：液态金属—熔 渣—气相 ②气体保护焊：气相—液态金属 ③电渣焊：渣—液态金属
三、焊接工艺条件与冶金的关系
1.熔合比的影响
（1）熔合比的定义：熔焊时，被 熔化的母材部分在焊道金属中所占 的比例。 熔合比的数值，取决于焊接工艺 （焊接方法、工艺参数、坡口类 型）、母材、焊材……等。
（2）熔合比对焊缝金属的影响
C0=θ Cb +(1-θ)Cd
分浓度
C0——某元素在焊缝金属中的原始质量百 θ——熔合比
②碳酸盐的分解 a.空气中:分解物 开始 剧烈 CaCO3 545 ℃ 910 ℃ MgCO3 325 ℃ 650 ℃ b.BaCO3分解温度比CaCO3高 c.白云石CaMg(CO3)2分解分两步进行： CaMg(CO3)2 CaCO3 +MgO+CO2 CaO+CO2 d.焊条烘干温度： 含CaCO3的焊条 ＜450 ℃ 含MgCO3的焊条 ＜300 ℃ 含有机物的焊条 ＜200 ℃
（2）产生的气体对铁合金（Mn-Fe、 Si-Fe、Ti-Fe）的氧化作用
①在温度大于600°C的条件下： 2Mn+O2=2MnO Mn+CO2=MnO+CO Mn+H2O=MnO+H2 ②结果使气氛的氧化性降低，达到先期脱 氧的作用
2.熔滴反应区
（1）特点 ①熔滴温度高：1800~2400°C，过热度大 ②熔滴比表面积大，故接触面积大：一般 比炼钢时大1000倍 ③反应接触时间短：熔滴存在时间短，内 部又存在流动 ④熔滴金属与熔渣发生强烈混合：熔渣质点 尺寸可达50μm,相互接触面积大，反应物 与产物充分交流，反应速度加快
（2）复杂气体的分解
反应方程式 ⊿H（kJ／mol） 分解温度 CO2CO+O2 -282.8 （全分解） H2OH2+O2 1 -483.2 ＜4500K 2 H2OOH+ H -532.0 ＞4500K 2 H2OH2+O -977.3 更高温度 H2O2H+O -1803.3 更高温度 （3）气相的成分及分布（如表2-6） 主要：CO、H2、H2O、CO2 低氢：CO、CO2
2.不平衡性
化学反应的不等温条件，造成了非平衡 焊缝最终成分远离凝固平衡温度下的成分
第二节 焊接区的气体及熔渣
1.焊接区内的气体
（1）气体的来源及产生
1）来源：焊材本身（造气剂及高价氧化物、水）、 铁锈及油污、空气侵入（约占3%） 2）产生 ①有机物分解:纤维素约220~250℃开始分 解，与水玻璃混合时，分解温度会更低，反应 产物主要是CO2,少量CO、及水气
总之，熔滴反应区反应时间较短，但温 度高，相互接触面积大，反应最为激烈，对 焊缝的影响最大
（2）主要冶金反应
①气体的分解和溶解 ②金属的氧化、还原 ③合金化 ④金属蒸发
3.熔池反应区
（1）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°C） ③比表面积小（3~130cm3/kg） ④时间从几s到几十s ⑤温度分布不均匀（在熔池头部的反应 与熔池尾部的不一样）
第二章 焊接化学冶金
天津大学 杜则裕 2013.3
焊接化学冶金的概念（P.43） 在熔焊过程中，焊接区内各种物 质之间在高温下液态金属、熔渣、气相 之间相互作用的过程
研究目的 在于运用这些规律合理地选择焊 接材料，控制焊缝金属的成分和性能使 之符合使用要求，设计创造新的焊接材 料
第一节 焊接化学冶金过程的特点
（2）化学条件
①熔池反应体系中各相浓度接近平衡浓
度，反应速度小 ②药皮质量系数Kb 大时，有部分熔渣直 接进入熔池，参与并强化熔池反应 ③熔池反应物质处在连续更新过程，且 维持准稳定状态
（3）特点
①熔池反应速度小，程度小，对整个 化 学冶金过程贡献小 ②主要化学冶金反应同熔滴阶段，但 程 度和方向有可能改变
3.焊接熔渣
1）作用
①机械保护 ②改善工艺性：提高电弧的稳定性，减少飞 溅，促进脱渣、焊缝成型 ③冶金处理作用
2）成分与分类
①盐型：活性材料及高合金钢氧化物、氯化物 ②盐-氧化物：合金钢氧化物 ③氧化物型：低碳钢及低合金钢氧化物
焊接化学冶金的任务
①对焊接区实施保护，免受空气侵害 ②熔化金属，冶金处理，获得所要求的 焊缝成型
一、对焊接区的保护
1.光焊丝焊接时 [N] ＝0.105﹪~0.218﹪,增加20~45倍， [O] ＝0.14﹪~0.72﹪,增加7~35倍， [Mn]、[C]蒸发、氧化损失易产生气孔，导 致塑性韧性下降,光焊丝无保护的焊接不实用 2.保护方法 药皮、熔渣、药芯、保护气体、自保护等 3.保护效率 与保护方法有关，一般惰性气体保护效果较好
③高价氧化物的分解 Fe2O3Fe3O4+O2 FeO+O2 MnO2 Mn2O3+O2 Mn3O4+O2 MnO+O2 ④材料的蒸发 沸点较低的Zn、Mn、Pb、Fe、F 化物等
2.气体的分解
（1）简单气体
反应方程式 ⊿H（kJ／mol） N2N+N -712.4 O2O+O -489.9 H2H+H -433.9 H2H+H++e （发生电离） -1745 单原子气体三种电离方式： 热电离、碰撞电离、光电离（依次要求的温度 升高）
二、焊接冶金学反应区及其反应条件（以 焊条电弧焊为例）（P.45、46，图2-3） 1.药皮反应区
（1）产生的气体
①100~1200°C：水分蒸发、分解、氧化 a. ＜100°C 吸附水分蒸发 b.>200~400°C 排除结晶水 c. >400°C 排除化合水 ②有机物的分解和燃烧：产生CO2、CO、 H2 ③碳酸盐的分解（大理石CaCO3、菱苦土 MgCO3):产生CO2 ④高ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ氧化物分解（赤铁矿Fe2O3、锰矿 MnO2):产生O2