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焊接化学冶金第1页/共86页 23.1 焊接化学冶金过程的特点复杂的高温多相系统三个相互作用的相：液态金属、熔渣和电弧气氛焊接区的不等温条件排除了整个系统平衡的可能性改变焊接工艺条件必然引起冶金反应条件的变化，也就影响到冶金反应的过程熔合比熔滴过渡特性焊接化学冶金分区域连续进行各区的反应条件也有较大差异影响到各区反应进行的可能性、方向、速度和限度焊接过程必须对焊接区的金属进行保护以减少有害杂质的含量和有益合金元素的损失使焊缝金属的到合适的化学成分保护分阶段工艺条件不平衡第2页/共86页 3一、焊接时焊缝金属的保护熔化金属与周围的空气会发生激烈的相互作用，使焊缝金属中氧和氮含量显著增加。光焊丝焊接时，[N]增加20~45倍，[O]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,不实用为提高焊缝金属的质量，必须尽量减少焊缝金属中有害杂质的含量和有益合金元素的损失，使焊缝金属得到合适的化学成分。对焊接区内的金属加强保护，以免受空气的有害作用——焊接化学冶金的首要任务第3页/共86页 4保护的方式1） 埋弧焊：是利用焊剂及其熔化以后形成的熔渣隔离空气保护金属的，焊剂保护效果取决于焊剂的粒度和结构。2） 气体保护焊：保护效果取决于保护气的性质与纯度。惰性气体(氩、氦等)保护效果好，用于合金钢和化学活性金属及其合金。3） 渣-气联合保护：焊条药皮和焊丝药芯一般是由造气剂、造渣剂和铁合金等组成，这些物质在焊接过程中形成渣-气联合保护。4) 真空：真空保护效果是最理想的，如度高于0.0133Pa的真空室内进行电子束焊接，把氧和氮有害作用减至最小。5) 自保护焊：在焊丝或药芯中加入脱氧和脱氮剂，使由空气进入熔化金属中的氧和氮进入熔渣中，故称自保护。第4页/共86页 5二、焊接化学冶金反应区手工电弧焊时冶金反应分区分阶段进行，有三个反应区药皮反应阶段熔滴反应阶段熔池反应阶段第5页/共86页 61. 药皮反应阶段温度oC600400200100药皮反应阶段水蒸发结晶水分解碳酸盐分解冶金反应第6页/共86页 7 药皮反应区温度范围从l00℃至药皮熔点，主要物化反应有：1） 水分蒸发：药皮被加热，吸附水就开始蒸发，T100℃，吸附水全部蒸发，T=200~400℃，药皮组成物结晶水将被排除，化合水需更高温度下才能析出。2）有机物燃烧和分解： ★ 有机物，如木粉、纤维素和淀粉等则开始分解和燃烧，形成CO、CO2、H2等气体。 ★ 焊条中的碳酸盐(CaCO3，MgCO3)和高价氧化物(如赤铁矿Fe2O3，锰矿MnO2等)也发生分解，形成CO2、O2等气体。3）铁合金氧化：上述物化反应产生的大量气体，对被焊金属和药皮中的铁合金(如锰铁、硅铁和钛铁等)有很大的氧化作用。 温度高于600℃就会发生铁合金的明显氧化，结果使气相的氧化性大大下降，即所谓“先期脱氧” 。1. 药皮反应阶段第7页/共86页 8熔滴形成、长大、过渡至熔池都属熔滴反应区。 特点：1 熔滴温度高，熔滴金属过热度大：熔滴活性斑点处温度接近焊芯沸点，约2800℃；熔滴平均温度在1800~2400℃范围。熔滴金属过热度很大，达300~900℃。2 熔滴与气体和熔渣的接触面积大：熔滴的比表面积大3 各相之间的反应时间短：熔滴在焊条末端停留时间为0.01~0.1s。熔滴向熔池过渡速度高达2.5~10 m/s，经过弧柱区时间很短。在这个区各相接触的平均时间约为0.01~1.0 s。熔滴阶段的反应主要是在焊条末端进行。4 熔滴与熔渣发生强烈的混合：混合作用不仅增加了相接触面积，而且有利于反应物和产物进入和退出反应表面，加快反应速度。2. 熔滴反应阶段（冶金反应最激烈）主要反应有：气体分解和熔解、金属蒸发、金属及其化合物间的氧化与还原以及焊缝金属的合金化。第8页/共86页 91 ）熔池反应区的物理条件 ●与熔滴相比，熔池的平均温度较低，约为1600~1900℃；比表面积较小，约为3~130cm2/kg；反应时间稍长些，如手工电弧焊时通常为3~8s，埋弧焊时为6~25s。●熔池温度分布极不均匀，因此在熔池的前部和后部反应可以同时向相反的方向进行。（熔池的突出特点）3. 熔池反应阶段（反应速度比熔滴阶段小）●熔池中的强烈运动，有助于加快反应速度，并为气体和非金属夹杂物的外逸创造了有利条件。例如，在熔池的头部发生金属的熔化，气体的吸收，并有利于吸热反应进行；而在熔池的尾部却发生金属的凝固，气体的逸出，并有利于放热反应的进行(如金属的氧化)。 第9页/共86页 102）熔池反应区的化学条件▲ 熔池阶段系统中反应物的浓度与平衡浓度之差比熔滴阶段小，熔池中的反应速度比熔滴中要小。新熔化的母材、焊芯和药皮不断进入熔池前部，凝固的金属和熔渣不断从熔池后部退出反应区。熔池反应区的反应物