第一章 焊接化学冶金 1
第一章
焊接化学冶金
第一章 焊接化学冶金 2
第一节 焊接化学冶金过程特点
第二节 气相与金属的作用
第三节 熔渣与金属的作用
第四节 合金过渡
第一章 --焊接化学冶金
第一章 焊接化学冶金 3
重点内容
1、焊接化学冶金过程特点
2,熔敷速度,熔合比
3、气相对金属的作用（ H）
4、焊接化学冶金的一般规律
5、熔渣的作用性质
6、合金过渡问题
第一章 焊接化学冶金 4
焊接化学冶金过程：熔化焊时，焊
接区内各种物质之间在高温下相互
作用的过程。
要点：各种物质包括气体、液态金
属、熔渣。
§ 1-1 焊接化学冶金过程特点
第一章 焊接化学冶金 5
普通化学冶金过程和焊接化学
冶金过程对比
普通化学冶金过程是对金属熔炼加
工过程，在放牧特定的炉中进行。
焊接化学冶金过程是金属在焊接条
件下，再熔炼的过程，焊接时焊缝
相当高炉。
二者共同点,金属冶炼加工。
第一章 焊接化学冶金 6
不同点：
1）原材料不同
普冶材料：矿石、焦炭、废钢铁等。
焊金材料：焊条、焊丝、焊剂等。
2）目的不同
普冶：提炼金属；
焊冶：对金属再熔炼，以满足构件性能
第一章 焊接化学冶金 7
一、焊条熔化及熔池的形成
（一）焊条的加热及熔化
1、焊条的加热
1) 电阻热：焊接电流通过焊芯时产生的电阻
热。
2) 电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量。
3) 化学反应热：药皮部分化学物质化学反应
时产生的热量。
第一章 焊接化学冶金 8
2、焊条金属的熔化速度
焊条金属的平均熔化速度
gM=G/t =αpI
αp为焊条熔化系数
gM焊条金属的平均熔敷速度
gD=GD/t=αHI
gD为焊条的平均熔敷速度
损失系数
Ψ=(G-GD)/G=(gM-gD)/gD=1-αH/αP
αH=(1-Ψ) αP
第一章 焊接化学冶金 9
3、焊条金属熔滴及过渡特性
1) 熔滴过渡形式
短路过渡、颗粒过渡、附壁过渡、射
流过渡、旋转射流过渡。
碱性焊条：短路过渡和大颗粒过渡；
酸性焊条：细颗粒过渡和附壁过渡 。
第一章 焊接化学冶金 10
第一章 焊接化学冶金 11
2) 熔滴的比表面积和作用时间
熔滴的比表面积 S：熔熵的表面积与其质
量之比。
S=Ag/ρ Vg=4Д R2/(4/3Д R3ρ )=3/Rρ
I↑,R↓,S↑，利于冶金反应进行。熔滴的平均作
用时间是指熔滴的平均质量与一个周期内焊芯
的平均熔化速度之比。
第一章 焊接化学冶金 12
3) 熔滴的温度
实测手工电弧焊碳钢焊
条,2100-2700K，熔渣
平均温度,1600C0
第一章 焊接化学冶金 13
（二）熔池的形成
1、熔池的形状和尺寸
熔池为半椭球，几何尺寸为 L=P2IU
其中,P2是比例系数，取决于焊接
方法和规范。 I是焊接电流,U是焊
接电压，上式适用于点状热源 。
第一章 焊接化学冶金 14
第一章 焊接化学冶金 15
2、熔池质量和存在时间
tmax=L/v
tcp=Gp/ρvAw
AW焊缝的横截面积
3、熔池温度
熔池中部温度最高，头部次之，其
次是尾部。
第一章 焊接化学冶金 16
第一章 焊接化学冶金 17
1）液态金属密度差引起自由对流运动
2）表面张力差强迫对流运动
3） 熔池中各种机械力搅拌
4）对焊接质量的影响
4、熔池运动状态
第一章 焊接化学冶金 18
二、焊接过程中对熔融金属
的保护
1、气渣联合保护
2、渣保护
3、气保护
4、真空保护
5、自保护
保护方式
第一章 焊接化学冶金 19
三、焊接化学冶金反应区及反
应条件
1、药皮反应区,指焊条受热后，直到焊条
药皮熔点前发生的一些反应。
焊接方法不同，冶金反应阶段也不同。
以 手工电弧焊 为例，加以讨论
1) 水分蒸发
2) 某些物质分解
3) 铁合金氧化
?
第一章 焊接化学冶金 20
第一章 焊接化学冶金 21
2）、熔滴反应区
指熔滴形成,长大,脱离焊条,过渡到熔池之前
特点,
１ ).温度高
２ ).与气体,熔渣的接触面积大
３ ).时间短速度快
４ ).熔渣和熔滴金属进行强烈的搅拌,混合,
?
第一章 焊接化学冶金 22
3、熔池反应区
1）, 熔池 T 1600～ 1900℃ 低于熔滴 T 比表
面积
2 ),接触面积小 3～ 130
3）, 时间长 手工焊 3～ 8秒埋弧焊 6— 25s
4）, 搅拌没有熔滴阶段激烈
5）、熔池温度不均匀的 突出特点
熔池前斗部分发生金属熔化和气体的吸收,利于吸热反应熔池
后斗部分发生金属凝固和气体的析出,利于放热反应
第一章 焊接化学冶金 23
四、焊接工艺条件与化学冶金
反应的关系
（ 一 ）, 熔合比的影响
焊接规范：焊接金属（焊条、焊丝）和局
部熔化的母材组成。
熔合比,焊缝金属中，局部熔化的母材
所占的比例。
① = ②,熔合比
F1,熔化母材的面积
F2,填充金属的面积
21
1
FF
F
?
第一章 焊接化学冶金 24
① 焊接电流 I的变化
冶金反应不充分
（二）、（化学反应条件的影响）熔
滴过渡特性的影响
?? 滴tI
② 焊接电压 V的变化
U 弧长 冶金反应
充分 ?滴t? ?
本节结束
第一章 焊接化学冶金 25
§ 1-2 气相与金属的作用
一、焊接区内的气体
（一）气体的来源和产生
来源,1.焊接材料
2.气体介质
3.焊丝和母材表面上的油锈等杂质。
4.金属和熔渣的蒸发产生的气体
22222 NOOHHCOCO,、、、、成分：
金属及熔渣蒸气
第一章 焊接化学冶金 26
第一章 焊接化学冶金 27
二、氮与金属作用
来源,主要是焊接区周围的空气 。
氮与金属作用有两种情况 。
1,不与氮发生作用的金属, 即不能熔
解氮又不形成氮化物, 可用 N作为保护气
体 。
2,与氮发生作用的金属, 即能溶解氮
又能形成氮化物, 这种情况下就要防止
焊缝金属的氮化 。
第一章 焊接化学冶金 28
(一 )氮在金属中的溶解
1）原子形式溶于液态金属
2）以 NO形式溶入
3）以氮离子形式溶入
（二）氮对焊接质量的影响
1) 时效脆化
2)气孔
3) 有利一面,可作为合金元素加入钢中，
一般指高合金钢 。
第一章 焊接化学冶金 29
第一章 焊接化学冶金 30
（三）影响焊缝含氮量的因素及控制措施
1）, 机械保护,气一渣保护, 渣保护,
气体保护, 抽真空 。 对于适渣型焊条：
保护效果取决于药皮的数量及成分
2）, 焊接工艺规范影响,
3）, 焊丝成分的影响, 增加焊丝或药
皮中的含碳量可降低焊缝中的含氮量 d
第一章 焊接化学冶金 31
三、氢对金属的作用
（ 一 ）, 氢在金属中的溶解
1,来源,焊条药皮, 焊剂, 焊丝药芯
中水分, 药皮中有机物为, 焊件表面杂
质 （ 锈, 油 ） 空气中水分
第一类能形成稳定氢化物金属
第二类不形成稳定氢化物的金属
第一章 焊接化学冶金 32
2、氢的溶解机构
焊接区为氢可以处于分子, 原子和离子
状态
1).氢以原子形式溶入
2).以 溶入
3).以 溶入
?][OH
?H
第一章 焊接化学冶金 33
3,[Ｈ ]的影响因素
氢与金属作用的特点，把金属分为两类
①与氢形成稳定氢化物的金属
②不与氢形成稳定氢化物的金属
③合金元素的影响,氢在铁中溶解度
受合金元素影响
bair NTVTZ,...
0...,MCCNF raie
第一章 焊接化学冶金 34
（二）、焊缝金属中的氢及其扩散
1.存在形式
① 扩散氢：氢以原子或质子形式存在的并
可在金属晶格中自由扩散 。
② 残余氢 （ 剩余氢 ）,氢原子扩散聚集到
金属的晶格缺陷, 显微裂纹和非金属夹
杂物的边缘空隙中, 结合成分子不能自
由扩散 。
总含氢量 =扩散氢＋剩余氢
第一章 焊接化学冶金 35
２,氢在焊缝中分布
（ 1）氢沿长度方向的分布基本均匀
但火口处含氢量较高。
（ 2）氢沿焊接接头横断面的分布
（ 3）母材与焊缝的匹配
第一章 焊接化学冶金 36
（三）、氢对焊接质量的影响
暂态现象：脆化、白点、经时效、热处理
可消除
永久现象：气孔、改变组织、显微斑点、
冷裂纹、不可消除
1),氢脆 氢在室温附近, 氢溶解
在金属晶格中, 引起钢的塑性严重下降
现象
第一章 焊接化学冶金 37
2)、白点
肉眼可见, 直径 0.5～ 3mm中心处有气孔或
小的夹渣, 外围有塑性裂断的痕迹, 象鱼眼
似的也称, 鱼眼,,
产生原因,白点是在塑性变形阶段产生的。
,诱捕理论, 解释,焊缝中的气孔及非金属
夹杂物边缘的空隙,好象, 陷阱, 一样,捕捉
氢原子，并在其中结合成氢分子,在拉伸试验
中, 陷阱, 中的氢分子被吸附,由于塑性变形
新产生的微裂纹表面上,分解成原子氢,原子
氢扩散到微裂纹金属晶格内,引起金属脆化。
第一章 焊接化学冶金 38
3)、气孔
4),组织变化和显微斑点
焊缝金属 A— M时, 由于氢在 A有较大的
溶解度, 当含氢量高的焊缝自 A化, 温度
冷却时, 引起局部 A过冷残余 A增加, 残
余 A— M时, 富氢的组织内产生大的内应
力, 造成显微裂纹
5)、产生冷裂纹
第一章 焊接化学冶金 39
（四）控制氢的措施
1)、限制焊接材料的含氢量，药皮成分
2)、严格清理工件及焊丝：去锈、油污
、吸附水分
3)、冶金处理
4)、调整焊接规范
5)、焊后脱氢处理
第一章 焊接化学冶金 40
四、氧对金属的作用
（一）氧在金属中的溶解
1).以原子氧形式溶解 2).以 FeO形式溶解
（二）金属被氧化的途径
气相中氧化气体与金属相互作用
1).自由氧对金属的氧化
2).CO2对金属的氧化
3).H2O气对金属的氧化
4).混合气体对金属的氧化
第一章 焊接化学冶金 41
（三）氧对焊接质量的影响
1).机械性能下降
2).化学性能变差
3).产生气孔 CO合金元素烧损
4).工艺性能变差
（ 四 ） 防止措施
一防二脱
本节结束
第一章 焊接化学冶金 42
§ 1-3 熔渣与金属的作用
熔渣,电焊条药皮，焊剂溶化形成的
金属及非金属氧化物及复合物。
一, 焊接熔渣
（ 一 ） 熔渣的作用, 成分及分类
1.熔渣的作用
1).机械保护作用
2).冶金处理作用
3).改善工艺性能
第一章 焊接化学冶金 43
2.熔渣的成分和分类
1).熔渣成分, 大体由氧化物、氯化
物、氟化物、硼酸盐类组成是多种
化学组成的复杂体系。
2).熔渣分为三类
第一类 氧化物型
第二类 盐 — 氧化物型
第三类 盐型
第一章 焊接化学冶金 44
（二）熔渣结构理论
液态熔渣的结构有两种理论：
分子理论 和 离子理论
分子理论可简明的定性为解释熔渣与
金属之间的冶金反应,但不能解释一
些重要现象，如导电性、电解等。
第一章 焊接化学冶金 45
1.分子理论：
1).液态熔渣由自由氧化物及其复合物的分子
组成
2).氧化物之间成盐反应服从质量作用定律
)()(
)(
2
2
OSOC
OSOCk
ia
ia
?
??
当 T↑k↓自由氧化物 ↑浓度复合物浓度 ↓熔渣活性 ↑
T↓k↑自由氧化物浓度 ↓复合物浓度 ↑熔渣活性 ↓
??
??
QOSOCOSOC iaia ???? 22
第一章 焊接化学冶金 46
3).只有自由氧化物才能与金属作用
][)(][)( enne FOMMOF ???
???? COFOOF ee ][][)(
4).各氧化物之间的化学亲和力可近似用生
成复合物时的热效应来衡量
卡5 9 0 02 ???? OSOFOSOF ieie
卡2 8 4 0 0)(2 222 ???? OSOCOSOC iaia
第一章 焊接化学冶金 47
5).液态熔渣是理想的熔体 ---服从理想溶液定律
分子理论可简明的定性解释熔渣与金属
之间的冶金反应,但不能解释一些重要现象
,如导电性, 电解等 。
第一章 焊接化学冶金 48
2.离子理论：
1).熔滴是由简单和复杂的离子组成的中性
溶液
负电性大的元素以负离子形式存在
负电性小的元素以正离子形式存在
碱性渣中 少, 氧以自由氧离子形式存在
酸性渣中 SiO2多, 形式复杂的离子,
之间形成离子团, 极性键结合,
???? OClF,.
?????
eea FFKC,.
2OSi
?2O
?44OSi693OSi
OSi ?
第一章 焊接化学冶金 49
2).离子的分布，聚集和相互作用取决于它
的综合矩
综合矩 =Z/r r=
其子 Z— 离子电荷 （ 静电单位 ）
r— 离子半径
离子综合矩越大, 静电场愈强, 与其它离子作用力愈大
综合矩
如 综合矩最大４７
cm810? ?? rT
?4Si
负离子 综合矩最大７,３
二者可结合成或更复杂的离子
当Ｚ ↑综合矩 ↑ r↓综合矩 ↑
?2O
?4
4SiO
第一章 焊接化学冶金 50
盐型简单结构均匀溶液，氧化型熔渣具有复
杂网状，结构的化学成分更不均匀的离子溶
液，盐 — 氧化物型比较复杂的化学成分微观
不均的离子溶液。
?2O
3).液态熔渣与金属之间相互作用的过程是原子与离子
交换电荷的过程
离子理论
分子理论
由于离子交换电荷, 运动, 形成电流,
][)(2][2)( 24 SiFeFeSi ??? ??
][)(2][2)( 2 SiF e OFeSi O ???
第一章 焊接化学冶金 51
（三）熔渣的性质与其结构的关系
1.熔渣的碱度
分子理论认为熔渣中的氧化物按其
性质可分为三类
?
1).酸性氧化物 SiO2 TiO2 P2O5
2).碱性氧化物 K2O Na2O CaO MgO
BaO MnO FeO
3).中性氧化物 Al2O3 Fe2O3 Cr2O3
第一章 焊接化学冶金 52
根据分子理论碱度的定义为：
B=Σ (R 2O+RO)/Σ RO 2
R 2O,RO— 熔渣中碱性氧化物的摩尔分数
RO2 — 熔渣中酸性氧化物的摩尔分数
碱度 B的倒数称为酸度
B1＞ 1 碱 B1＞ 1.3碱
B1 ＜ 1 酸 B1 ＝ 1 中
第一章 焊接化学冶金 53
离子理论对碱度定义
液态熔渣中自由氧离子的浓度定义为碱度,
B2=∑aiMi
Mi-渣中第 i种氧化物的摩尔分数 ;
ai-渣中第 i种氧化物的碱度系数 ;
B2 ＞ 0 碱
B2 ＜ 0 酸
B2=0 中
第一章 焊接化学冶金 54
)(005.0017.0
)(007.0)(014.0006.0015.0018.01
22322
222
Z r OT i OOAlS i O
F eOM n OOKONaC a FM g OC a OB
???
???????
式中 CaO,MgO,CaF2,SiO2 等以质量百分数计
B1＞ 1 碱
B1 ＜ 1 酸 B1 ＝ 1 中
第一章 焊接化学冶金 55
2.熔渣的粘度
(1)温度对粘度的影响
长渣,T↑η↓
短渣,↓η↑↑
(2)熔渣成分对粘度的影响
?CaF2 CaO SiO2
第一章 焊接化学冶金 56
3.熔渣的表面张力
实际气相与熔渣间的界面张力,
键能越大表面张力越大,
金属键,K2O Na2O CaO MgO BaO MnO FeO
共价键,SiO2 TiO2 P2O5
第一章 焊接化学冶金 57
4.熔渣的熔点
药皮熔点,药皮熔化温度
熔渣熔点,固态熔渣熔化温度
焊接钢的熔点在 1150-1350℃
第一章 焊接化学冶金 58
二、活性熔渣对焊缝金属的氧化
（一）扩散氧化
L=(FeO)/[FeO] T↑L↓
饱和 SiO2 lgL=4906/T -1.877
饱和 CaO lgL=5014/T -1.980
第一章 焊接化学冶金 59
（二）置换氧化
(SiO2) +2[Fe]＝ [Si]+2FeO
T↑反应向右进行
lgKSi=(FeO)2[Si]/(SiO2)=-13460/T+6.04
(MnO)+[Fe]=[Mn]+ FeO
lgKMn=(FeO)[Mn]/(MnO)=-6600/T+3.16
第一章 焊接化学冶金 60
AF=[SiO2+042B12(MnO)]/100B1
AF＞ 0.6 高活性 AF=0.3~0.1低活性
AF=0.6-0.3 活性能 AF ≤0.1惰性
第一章 焊接化学冶金 61
三、焊缝金属的脱氧
（一）脱氧的目的和选择脱氧的原则
（二）先期脱氧
药皮反应区
?
Fe2O3+Mn=MnO+2FeO
CaCO3+Mn=CaO+CO+MnO
第一章 焊接化学冶金 62
（三）沉淀脱氧
1 Mn的脱氧
[Mn]+[FeO]=[Fe]+(MnO)
K=aMnO/aMn.aFeO=γMnO.(MnO)/aMn.aFeO
第一章 焊接化学冶金 63
2 Si的脱氧
[Si]+2[FeO]＝ (SiO2) +2[Fe]
3 Si/Mn联合脱氧
第一章 焊接化学冶金 64
（四）扩散脱氧
L=(FeO)/[FeO] T↑L↓
第一章 焊接化学冶金 65
四、焊缝金属中硫和磷的控制
（一）焊缝中硫的危害及控制
1.硫的危害
2.控制硫的措施
（ 1）限制焊接材料中含硫量
（ 2）用冶金方法脱硫
第一章 焊接化学冶金 66
碱性焊条脱硫
(CaO)＋ [FeS]＝ (CaS)＋ (FeO)
(MnO)＋ [FeS]＝ (MnS)＋ (FeO)
脱硫剂：碱性氧化物、锰脱硫
[Mn]+[Fes]=(MnO)+[Fe]
LgK=8220/T-1.86 T ↓ K↑ 有利于脱硫
(MgO)＋ [FeS]＝ (MgS)＋ (FeO)
第一章 焊接化学冶金 67
（二）焊缝中磷的危害及控制
1.磷的危害 2.控制磷的措施
（ 1）限制焊接材料中含磷量
（ 2）脱硫反应
a）,FeO将磷氧化生成 P2O5
b）,使之与渣中的碱性氧化物生成稳
定的磷酸盐
?
2[Fe3P]+5(FeO)+3(CaO)= (CaO)3.P2O3+11[Fe]
2[Fe3P]+5(FeO)+4(CaO)= (CaO)4.P2O3+11[Fe]
第一章 焊接化学冶金 68
§ 1-4 合金过渡
一、合金过渡的目的及方式
（一）目的,补尝 ;改善 ;特殊性能
（二）方式,1.应用合金焊丝或带极
2.应用药芯焊丝或药芯焊条
3.应用合金药皮或粘结焊剂
4.应用合金粉未
第一章 焊接化学冶金 69
二、合金过渡过程的理论分析
（一）合金剂过渡的方式
合金 →渣 -液 →渣 -液界面 →液态金属中溶解 →
扩散 →搅拌均匀,
(二）在合金过渡过程中各阶段的作用
Kb≤0.4 熔滴过渡为主
Kb＞ 0.4 熔池过渡为主
第一章 焊接化学冶金 70
第一章 焊接化学冶金 71
（三）合金过渡时的物质平衡
Md=M0-(Msl+Mxo)
Md-过渡到熔敷的合金量 ;
M0-原始加入量
Msl-残留损失
Mxo-氧化损失
第一章 焊接化学冶金 72
三、合金过渡系数用及其影响因素
（一）合金过渡系数
K b C c oC c w
Cd
Ce
Cd
????
式中 Cd---合金元素在熔敷金属中含量
Ce---合金元素原始含量
Cco---合金元素在药皮中的含量
Ccw---在焊芯中的含量
第一章 焊接化学冶金 73
（二）影响过渡系数的因素
1.合金元素的物化性质
Cu,Ni,Co,Fe,W,Mo,Cr,Mn,V,Si,Ti,Zr,Al
在 1600℃ 各种合金元素对氧的亲和力 由左到右增强
2.合金元素的含量
合金元素的含量 ↑ η↑,但增加一定时,趋于定值,
3.合金剂的粒度
4.药皮的成分
药皮或焊剂的氧化势 ↑ η↓
合金元素与其氧化物共存时,η ↑
合金元素与其氧化物与渣的酸碱性相同时,η ↑
5.药皮重量系数 Kb ↑η↓
第一章 焊接化学冶金 74
本章小结
本章以手工电弧焊焊接低碳钢和低合金钢
的冶金问题为重点，从热力学的角度来阐
明焊接化学冶金的一般规律。也讨论了熔
渣对金属的作用、合金过渡的几种形式及
影响因素
第一章 焊接化学冶金 75
思考题
1.焊接化学冶金与炼钢相比, 在原材料方
面和反应条件方面主要有哪些不同？
2.调控焊缝化学成分有哪两种手段？ 它们
怎样影响焊缝化学成分？
3.焊接区内气体的主要来源是什么？ 它们
是怎样产生的？
第一章 焊接化学冶金 76
4.为什么电弧焊时熔化金属的含氮量高于它
的正常溶解度？
5.氮对焊接质量有哪些影响？ 控制焊缝含氮
量的主要措施是什么？
6.手弧焊时, 氢通过哪些途径向液态铁中溶
解？ 写出溶解反应及规律？
7,氢对焊接质量有哪些影响？
8 既然随着碱度的增加水蒸气在熔渣中的
溶解度增大, 为什么在低氢型焊条熔敷金
属中的含氢量反而比酸性焊条少？
第一章 焊接化学冶金 77
9,综合分析各种因素对手工电弧焊时焊缝含氢量的影响。
10,今欲制造超低氢焊条 问设计药皮配方时应采取什么措施？
11,氧对焊接质量有哪些影响？ 应采取什么
措施减少焊缝含氧量？
12.保护焊焊接低合金钢时, 应采用什么焊
丝？ 为什么？
13.在焊接过程中熔渣起哪些作用？ 设计焊
条, 焊剂时应主要调控熔渣的哪些物化性质
？ 为什么？
)1 0 0/1]([ 3 gcmH ?
第一章 焊接化学冶金 78
14,测得熔渣的化学成分为,CaO41.94%、
28.34%,23.76%,FeO5.78%,7.23%、
3.57%,MnO3.74%,4.25%，计算熔渣的碱
度和，并判断该渣的酸碱性。
15,已知在碱性渣和酸性渣中各含有 15%的
FeO，熔池的平均温度为 1700℃,问在该温
度下平衡时分配到熔池中的 FeO量各为多少
？为什么在两种情况下分配到熔池中的 FeO
量不同？为什么焊缝中实际含 FeO量远小于
平衡时的含量？
第一章 焊接化学冶金 79
16.既然熔渣的碱度越高, 其中的自由氧多,
为什么碱性焊条焊缝含氧量比酸性焊条焊
缝含氧量低？
17.为什么焊接高铝钢时, 即使焊条药皮中
不含硅, 只是由于用水玻璃作粘结剂, 焊
缝还会严重增硅？
18,综合分析熔渣中的在焊接化学冶金过
程是所起的作用 。
19.综合分析熔渣的碱度对金属的氧化,
脱氧, 脱硫, 脱磷, 合金过渡的影响 。
第一章 焊接化学冶金 80
本章结束
第一章
焊接化学冶金
第一章 焊接化学冶金 2
第一节 焊接化学冶金过程特点
第二节 气相与金属的作用
第三节 熔渣与金属的作用
第四节 合金过渡
第一章 --焊接化学冶金
第一章 焊接化学冶金 3
重点内容
1、焊接化学冶金过程特点
2,熔敷速度,熔合比
3、气相对金属的作用（ H）
4、焊接化学冶金的一般规律
5、熔渣的作用性质
6、合金过渡问题
第一章 焊接化学冶金 4
焊接化学冶金过程：熔化焊时，焊
接区内各种物质之间在高温下相互
作用的过程。
要点：各种物质包括气体、液态金
属、熔渣。
§ 1-1 焊接化学冶金过程特点
第一章 焊接化学冶金 5
普通化学冶金过程和焊接化学
冶金过程对比
普通化学冶金过程是对金属熔炼加
工过程，在放牧特定的炉中进行。
焊接化学冶金过程是金属在焊接条
件下，再熔炼的过程，焊接时焊缝
相当高炉。
二者共同点,金属冶炼加工。
第一章 焊接化学冶金 6
不同点：
1）原材料不同
普冶材料：矿石、焦炭、废钢铁等。
焊金材料：焊条、焊丝、焊剂等。
2）目的不同
普冶：提炼金属；
焊冶：对金属再熔炼，以满足构件性能
第一章 焊接化学冶金 7
一、焊条熔化及熔池的形成
（一）焊条的加热及熔化
1、焊条的加热
1) 电阻热：焊接电流通过焊芯时产生的电阻
热。
2) 电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量。
3) 化学反应热：药皮部分化学物质化学反应
时产生的热量。
第一章 焊接化学冶金 8
2、焊条金属的熔化速度
焊条金属的平均熔化速度
gM=G/t =αpI
αp为焊条熔化系数
gM焊条金属的平均熔敷速度
gD=GD/t=αHI
gD为焊条的平均熔敷速度
损失系数
Ψ=(G-GD)/G=(gM-gD)/gD=1-αH/αP
αH=(1-Ψ) αP
第一章 焊接化学冶金 9
3、焊条金属熔滴及过渡特性
1) 熔滴过渡形式
短路过渡、颗粒过渡、附壁过渡、射
流过渡、旋转射流过渡。
碱性焊条：短路过渡和大颗粒过渡；
酸性焊条：细颗粒过渡和附壁过渡 。
第一章 焊接化学冶金 10
第一章 焊接化学冶金 11
2) 熔滴的比表面积和作用时间
熔滴的比表面积 S：熔熵的表面积与其质
量之比。
S=Ag/ρ Vg=4Д R2/(4/3Д R3ρ )=3/Rρ
I↑,R↓,S↑，利于冶金反应进行。熔滴的平均作
用时间是指熔滴的平均质量与一个周期内焊芯
的平均熔化速度之比。
第一章 焊接化学冶金 12
3) 熔滴的温度
实测手工电弧焊碳钢焊
条,2100-2700K，熔渣
平均温度,1600C0
第一章 焊接化学冶金 13
（二）熔池的形成
1、熔池的形状和尺寸
熔池为半椭球，几何尺寸为 L=P2IU
其中,P2是比例系数，取决于焊接
方法和规范。 I是焊接电流,U是焊
接电压，上式适用于点状热源 。
第一章 焊接化学冶金 14
第一章 焊接化学冶金 15
2、熔池质量和存在时间
tmax=L/v
tcp=Gp/ρvAw
AW焊缝的横截面积
3、熔池温度
熔池中部温度最高，头部次之，其
次是尾部。
第一章 焊接化学冶金 16
第一章 焊接化学冶金 17
1）液态金属密度差引起自由对流运动
2）表面张力差强迫对流运动
3） 熔池中各种机械力搅拌
4）对焊接质量的影响
4、熔池运动状态
第一章 焊接化学冶金 18
二、焊接过程中对熔融金属
的保护
1、气渣联合保护
2、渣保护
3、气保护
4、真空保护
5、自保护
保护方式
第一章 焊接化学冶金 19
三、焊接化学冶金反应区及反
应条件
1、药皮反应区,指焊条受热后，直到焊条
药皮熔点前发生的一些反应。
焊接方法不同，冶金反应阶段也不同。
以 手工电弧焊 为例，加以讨论
1) 水分蒸发
2) 某些物质分解
3) 铁合金氧化
?
第一章 焊接化学冶金 20
第一章 焊接化学冶金 21
2）、熔滴反应区
指熔滴形成,长大,脱离焊条,过渡到熔池之前
特点,
１ ).温度高
２ ).与气体,熔渣的接触面积大
３ ).时间短速度快
４ ).熔渣和熔滴金属进行强烈的搅拌,混合,
?
第一章 焊接化学冶金 22
3、熔池反应区
1）, 熔池 T 1600～ 1900℃ 低于熔滴 T 比表
面积
2 ),接触面积小 3～ 130
3）, 时间长 手工焊 3～ 8秒埋弧焊 6— 25s
4）, 搅拌没有熔滴阶段激烈
5）、熔池温度不均匀的 突出特点
熔池前斗部分发生金属熔化和气体的吸收,利于吸热反应熔池
后斗部分发生金属凝固和气体的析出,利于放热反应
第一章 焊接化学冶金 23
四、焊接工艺条件与化学冶金
反应的关系
（ 一 ）, 熔合比的影响
焊接规范：焊接金属（焊条、焊丝）和局
部熔化的母材组成。
熔合比,焊缝金属中，局部熔化的母材
所占的比例。
① = ②,熔合比
F1,熔化母材的面积
F2,填充金属的面积
21
1
FF
F
?
第一章 焊接化学冶金 24
① 焊接电流 I的变化
冶金反应不充分
（二）、（化学反应条件的影响）熔
滴过渡特性的影响
?? 滴tI
② 焊接电压 V的变化
U 弧长 冶金反应
充分 ?滴t? ?
本节结束
第一章 焊接化学冶金 25
§ 1-2 气相与金属的作用
一、焊接区内的气体
（一）气体的来源和产生
来源,1.焊接材料
2.气体介质
3.焊丝和母材表面上的油锈等杂质。
4.金属和熔渣的蒸发产生的气体
22222 NOOHHCOCO,、、、、成分：
金属及熔渣蒸气
第一章 焊接化学冶金 26
第一章 焊接化学冶金 27
二、氮与金属作用
来源,主要是焊接区周围的空气 。
氮与金属作用有两种情况 。
1,不与氮发生作用的金属, 即不能熔
解氮又不形成氮化物, 可用 N作为保护气
体 。
2,与氮发生作用的金属, 即能溶解氮
又能形成氮化物, 这种情况下就要防止
焊缝金属的氮化 。
第一章 焊接化学冶金 28
(一 )氮在金属中的溶解
1）原子形式溶于液态金属
2）以 NO形式溶入
3）以氮离子形式溶入
（二）氮对焊接质量的影响
1) 时效脆化
2)气孔
3) 有利一面,可作为合金元素加入钢中，
一般指高合金钢 。
第一章 焊接化学冶金 29
第一章 焊接化学冶金 30
（三）影响焊缝含氮量的因素及控制措施
1）, 机械保护,气一渣保护, 渣保护,
气体保护, 抽真空 。 对于适渣型焊条：
保护效果取决于药皮的数量及成分
2）, 焊接工艺规范影响,
3）, 焊丝成分的影响, 增加焊丝或药
皮中的含碳量可降低焊缝中的含氮量 d
第一章 焊接化学冶金 31
三、氢对金属的作用
（ 一 ）, 氢在金属中的溶解
1,来源,焊条药皮, 焊剂, 焊丝药芯
中水分, 药皮中有机物为, 焊件表面杂
质 （ 锈, 油 ） 空气中水分
第一类能形成稳定氢化物金属
第二类不形成稳定氢化物的金属
第一章 焊接化学冶金 32
2、氢的溶解机构
焊接区为氢可以处于分子, 原子和离子
状态
1).氢以原子形式溶入
2).以 溶入
3).以 溶入
?][OH
?H
第一章 焊接化学冶金 33
3,[Ｈ ]的影响因素
氢与金属作用的特点，把金属分为两类
①与氢形成稳定氢化物的金属
②不与氢形成稳定氢化物的金属
③合金元素的影响,氢在铁中溶解度
受合金元素影响
bair NTVTZ,...
0...,MCCNF raie
第一章 焊接化学冶金 34
（二）、焊缝金属中的氢及其扩散
1.存在形式
① 扩散氢：氢以原子或质子形式存在的并
可在金属晶格中自由扩散 。
② 残余氢 （ 剩余氢 ）,氢原子扩散聚集到
金属的晶格缺陷, 显微裂纹和非金属夹
杂物的边缘空隙中, 结合成分子不能自
由扩散 。
总含氢量 =扩散氢＋剩余氢
第一章 焊接化学冶金 35
２,氢在焊缝中分布
（ 1）氢沿长度方向的分布基本均匀
但火口处含氢量较高。
（ 2）氢沿焊接接头横断面的分布
（ 3）母材与焊缝的匹配
第一章 焊接化学冶金 36
（三）、氢对焊接质量的影响
暂态现象：脆化、白点、经时效、热处理
可消除
永久现象：气孔、改变组织、显微斑点、
冷裂纹、不可消除
1),氢脆 氢在室温附近, 氢溶解
在金属晶格中, 引起钢的塑性严重下降
现象
第一章 焊接化学冶金 37
2)、白点
肉眼可见, 直径 0.5～ 3mm中心处有气孔或
小的夹渣, 外围有塑性裂断的痕迹, 象鱼眼
似的也称, 鱼眼,,
产生原因,白点是在塑性变形阶段产生的。
,诱捕理论, 解释,焊缝中的气孔及非金属
夹杂物边缘的空隙,好象, 陷阱, 一样,捕捉
氢原子，并在其中结合成氢分子,在拉伸试验
中, 陷阱, 中的氢分子被吸附,由于塑性变形
新产生的微裂纹表面上,分解成原子氢,原子
氢扩散到微裂纹金属晶格内,引起金属脆化。
第一章 焊接化学冶金 38
3)、气孔
4),组织变化和显微斑点
焊缝金属 A— M时, 由于氢在 A有较大的
溶解度, 当含氢量高的焊缝自 A化, 温度
冷却时, 引起局部 A过冷残余 A增加, 残
余 A— M时, 富氢的组织内产生大的内应
力, 造成显微裂纹
5)、产生冷裂纹
第一章 焊接化学冶金 39
（四）控制氢的措施
1)、限制焊接材料的含氢量，药皮成分
2)、严格清理工件及焊丝：去锈、油污
、吸附水分
3)、冶金处理
4)、调整焊接规范
5)、焊后脱氢处理
第一章 焊接化学冶金 40
四、氧对金属的作用
（一）氧在金属中的溶解
1).以原子氧形式溶解 2).以 FeO形式溶解
（二）金属被氧化的途径
气相中氧化气体与金属相互作用
1).自由氧对金属的氧化
2).CO2对金属的氧化
3).H2O气对金属的氧化
4).混合气体对金属的氧化
第一章 焊接化学冶金 41
（三）氧对焊接质量的影响
1).机械性能下降
2).化学性能变差
3).产生气孔 CO合金元素烧损
4).工艺性能变差
（ 四 ） 防止措施
一防二脱
本节结束
第一章 焊接化学冶金 42
§ 1-3 熔渣与金属的作用
熔渣,电焊条药皮，焊剂溶化形成的
金属及非金属氧化物及复合物。
一, 焊接熔渣
（ 一 ） 熔渣的作用, 成分及分类
1.熔渣的作用
1).机械保护作用
2).冶金处理作用
3).改善工艺性能
第一章 焊接化学冶金 43
2.熔渣的成分和分类
1).熔渣成分, 大体由氧化物、氯化
物、氟化物、硼酸盐类组成是多种
化学组成的复杂体系。
2).熔渣分为三类
第一类 氧化物型
第二类 盐 — 氧化物型
第三类 盐型
第一章 焊接化学冶金 44
（二）熔渣结构理论
液态熔渣的结构有两种理论：
分子理论 和 离子理论
分子理论可简明的定性为解释熔渣与
金属之间的冶金反应,但不能解释一
些重要现象，如导电性、电解等。
第一章 焊接化学冶金 45
1.分子理论：
1).液态熔渣由自由氧化物及其复合物的分子
组成
2).氧化物之间成盐反应服从质量作用定律
)()(
)(
2
2
OSOC
OSOCk
ia
ia
?
??
当 T↑k↓自由氧化物 ↑浓度复合物浓度 ↓熔渣活性 ↑
T↓k↑自由氧化物浓度 ↓复合物浓度 ↑熔渣活性 ↓
??
??
QOSOCOSOC iaia ???? 22
第一章 焊接化学冶金 46
3).只有自由氧化物才能与金属作用
][)(][)( enne FOMMOF ???
???? COFOOF ee ][][)(
4).各氧化物之间的化学亲和力可近似用生
成复合物时的热效应来衡量
卡5 9 0 02 ???? OSOFOSOF ieie
卡2 8 4 0 0)(2 222 ???? OSOCOSOC iaia
第一章 焊接化学冶金 47
5).液态熔渣是理想的熔体 ---服从理想溶液定律
分子理论可简明的定性解释熔渣与金属
之间的冶金反应,但不能解释一些重要现象
,如导电性, 电解等 。
第一章 焊接化学冶金 48
2.离子理论：
1).熔滴是由简单和复杂的离子组成的中性
溶液
负电性大的元素以负离子形式存在
负电性小的元素以正离子形式存在
碱性渣中 少, 氧以自由氧离子形式存在
酸性渣中 SiO2多, 形式复杂的离子,
之间形成离子团, 极性键结合,
???? OClF,.
?????
eea FFKC,.
2OSi
?2O
?44OSi693OSi
OSi ?
第一章 焊接化学冶金 49
2).离子的分布，聚集和相互作用取决于它
的综合矩
综合矩 =Z/r r=
其子 Z— 离子电荷 （ 静电单位 ）
r— 离子半径
离子综合矩越大, 静电场愈强, 与其它离子作用力愈大
综合矩
如 综合矩最大４７
cm810? ?? rT
?4Si
负离子 综合矩最大７,３
二者可结合成或更复杂的离子
当Ｚ ↑综合矩 ↑ r↓综合矩 ↑
?2O
?4
4SiO
第一章 焊接化学冶金 50
盐型简单结构均匀溶液，氧化型熔渣具有复
杂网状，结构的化学成分更不均匀的离子溶
液，盐 — 氧化物型比较复杂的化学成分微观
不均的离子溶液。
?2O
3).液态熔渣与金属之间相互作用的过程是原子与离子
交换电荷的过程
离子理论
分子理论
由于离子交换电荷, 运动, 形成电流,
][)(2][2)( 24 SiFeFeSi ??? ??
][)(2][2)( 2 SiF e OFeSi O ???
第一章 焊接化学冶金 51
（三）熔渣的性质与其结构的关系
1.熔渣的碱度
分子理论认为熔渣中的氧化物按其
性质可分为三类
?
1).酸性氧化物 SiO2 TiO2 P2O5
2).碱性氧化物 K2O Na2O CaO MgO
BaO MnO FeO
3).中性氧化物 Al2O3 Fe2O3 Cr2O3
第一章 焊接化学冶金 52
根据分子理论碱度的定义为：
B=Σ (R 2O+RO)/Σ RO 2
R 2O,RO— 熔渣中碱性氧化物的摩尔分数
RO2 — 熔渣中酸性氧化物的摩尔分数
碱度 B的倒数称为酸度
B1＞ 1 碱 B1＞ 1.3碱
B1 ＜ 1 酸 B1 ＝ 1 中
第一章 焊接化学冶金 53
离子理论对碱度定义
液态熔渣中自由氧离子的浓度定义为碱度,
B2=∑aiMi
Mi-渣中第 i种氧化物的摩尔分数 ;
ai-渣中第 i种氧化物的碱度系数 ;
B2 ＞ 0 碱
B2 ＜ 0 酸
B2=0 中
第一章 焊接化学冶金 54
)(005.0017.0
)(007.0)(014.0006.0015.0018.01
22322
222
Z r OT i OOAlS i O
F eOM n OOKONaC a FM g OC a OB
???
???????
式中 CaO,MgO,CaF2,SiO2 等以质量百分数计
B1＞ 1 碱
B1 ＜ 1 酸 B1 ＝ 1 中
第一章 焊接化学冶金 55
2.熔渣的粘度
(1)温度对粘度的影响
长渣,T↑η↓
短渣,↓η↑↑
(2)熔渣成分对粘度的影响
?CaF2 CaO SiO2
第一章 焊接化学冶金 56
3.熔渣的表面张力
实际气相与熔渣间的界面张力,
键能越大表面张力越大,
金属键,K2O Na2O CaO MgO BaO MnO FeO
共价键,SiO2 TiO2 P2O5
第一章 焊接化学冶金 57
4.熔渣的熔点
药皮熔点,药皮熔化温度
熔渣熔点,固态熔渣熔化温度
焊接钢的熔点在 1150-1350℃
第一章 焊接化学冶金 58
二、活性熔渣对焊缝金属的氧化
（一）扩散氧化
L=(FeO)/[FeO] T↑L↓
饱和 SiO2 lgL=4906/T -1.877
饱和 CaO lgL=5014/T -1.980
第一章 焊接化学冶金 59
（二）置换氧化
(SiO2) +2[Fe]＝ [Si]+2FeO
T↑反应向右进行
lgKSi=(FeO)2[Si]/(SiO2)=-13460/T+6.04
(MnO)+[Fe]=[Mn]+ FeO
lgKMn=(FeO)[Mn]/(MnO)=-6600/T+3.16
第一章 焊接化学冶金 60
AF=[SiO2+042B12(MnO)]/100B1
AF＞ 0.6 高活性 AF=0.3~0.1低活性
AF=0.6-0.3 活性能 AF ≤0.1惰性
第一章 焊接化学冶金 61
三、焊缝金属的脱氧
（一）脱氧的目的和选择脱氧的原则
（二）先期脱氧
药皮反应区
?
Fe2O3+Mn=MnO+2FeO
CaCO3+Mn=CaO+CO+MnO
第一章 焊接化学冶金 62
（三）沉淀脱氧
1 Mn的脱氧
[Mn]+[FeO]=[Fe]+(MnO)
K=aMnO/aMn.aFeO=γMnO.(MnO)/aMn.aFeO
第一章 焊接化学冶金 63
2 Si的脱氧
[Si]+2[FeO]＝ (SiO2) +2[Fe]
3 Si/Mn联合脱氧
第一章 焊接化学冶金 64
（四）扩散脱氧
L=(FeO)/[FeO] T↑L↓
第一章 焊接化学冶金 65
四、焊缝金属中硫和磷的控制
（一）焊缝中硫的危害及控制
1.硫的危害
2.控制硫的措施
（ 1）限制焊接材料中含硫量
（ 2）用冶金方法脱硫
第一章 焊接化学冶金 66
碱性焊条脱硫
(CaO)＋ [FeS]＝ (CaS)＋ (FeO)
(MnO)＋ [FeS]＝ (MnS)＋ (FeO)
脱硫剂：碱性氧化物、锰脱硫
[Mn]+[Fes]=(MnO)+[Fe]
LgK=8220/T-1.86 T ↓ K↑ 有利于脱硫
(MgO)＋ [FeS]＝ (MgS)＋ (FeO)
第一章 焊接化学冶金 67
（二）焊缝中磷的危害及控制
1.磷的危害 2.控制磷的措施
（ 1）限制焊接材料中含磷量
（ 2）脱硫反应
a）,FeO将磷氧化生成 P2O5
b）,使之与渣中的碱性氧化物生成稳
定的磷酸盐
?
2[Fe3P]+5(FeO)+3(CaO)= (CaO)3.P2O3+11[Fe]
2[Fe3P]+5(FeO)+4(CaO)= (CaO)4.P2O3+11[Fe]
第一章 焊接化学冶金 68
§ 1-4 合金过渡
一、合金过渡的目的及方式
（一）目的,补尝 ;改善 ;特殊性能
（二）方式,1.应用合金焊丝或带极
2.应用药芯焊丝或药芯焊条
3.应用合金药皮或粘结焊剂
4.应用合金粉未
第一章 焊接化学冶金 69
二、合金过渡过程的理论分析
（一）合金剂过渡的方式
合金 →渣 -液 →渣 -液界面 →液态金属中溶解 →
扩散 →搅拌均匀,
(二）在合金过渡过程中各阶段的作用
Kb≤0.4 熔滴过渡为主
Kb＞ 0.4 熔池过渡为主
第一章 焊接化学冶金 70
第一章 焊接化学冶金 71
（三）合金过渡时的物质平衡
Md=M0-(Msl+Mxo)
Md-过渡到熔敷的合金量 ;
M0-原始加入量
Msl-残留损失
Mxo-氧化损失
第一章 焊接化学冶金 72
三、合金过渡系数用及其影响因素
（一）合金过渡系数
K b C c oC c w
Cd
Ce
Cd
????
式中 Cd---合金元素在熔敷金属中含量
Ce---合金元素原始含量
Cco---合金元素在药皮中的含量
Ccw---在焊芯中的含量
第一章 焊接化学冶金 73
（二）影响过渡系数的因素
1.合金元素的物化性质
Cu,Ni,Co,Fe,W,Mo,Cr,Mn,V,Si,Ti,Zr,Al
在 1600℃ 各种合金元素对氧的亲和力 由左到右增强
2.合金元素的含量
合金元素的含量 ↑ η↑,但增加一定时,趋于定值,
3.合金剂的粒度
4.药皮的成分
药皮或焊剂的氧化势 ↑ η↓
合金元素与其氧化物共存时,η ↑
合金元素与其氧化物与渣的酸碱性相同时,η ↑
5.药皮重量系数 Kb ↑η↓
第一章 焊接化学冶金 74
本章小结
本章以手工电弧焊焊接低碳钢和低合金钢
的冶金问题为重点，从热力学的角度来阐
明焊接化学冶金的一般规律。也讨论了熔
渣对金属的作用、合金过渡的几种形式及
影响因素
第一章 焊接化学冶金 75
思考题
1.焊接化学冶金与炼钢相比, 在原材料方
面和反应条件方面主要有哪些不同？
2.调控焊缝化学成分有哪两种手段？ 它们
怎样影响焊缝化学成分？
3.焊接区内气体的主要来源是什么？ 它们
是怎样产生的？
第一章 焊接化学冶金 76
4.为什么电弧焊时熔化金属的含氮量高于它
的正常溶解度？
5.氮对焊接质量有哪些影响？ 控制焊缝含氮
量的主要措施是什么？
6.手弧焊时, 氢通过哪些途径向液态铁中溶
解？ 写出溶解反应及规律？
7,氢对焊接质量有哪些影响？
8 既然随着碱度的增加水蒸气在熔渣中的
溶解度增大, 为什么在低氢型焊条熔敷金
属中的含氢量反而比酸性焊条少？
第一章 焊接化学冶金 77
9,综合分析各种因素对手工电弧焊时焊缝含氢量的影响。
10,今欲制造超低氢焊条 问设计药皮配方时应采取什么措施？
11,氧对焊接质量有哪些影响？ 应采取什么
措施减少焊缝含氧量？
12.保护焊焊接低合金钢时, 应采用什么焊
丝？ 为什么？
13.在焊接过程中熔渣起哪些作用？ 设计焊
条, 焊剂时应主要调控熔渣的哪些物化性质
？ 为什么？
)1 0 0/1]([ 3 gcmH ?
第一章 焊接化学冶金 78
14,测得熔渣的化学成分为,CaO41.94%、
28.34%,23.76%,FeO5.78%,7.23%、
3.57%,MnO3.74%,4.25%，计算熔渣的碱
度和，并判断该渣的酸碱性。
15,已知在碱性渣和酸性渣中各含有 15%的
FeO，熔池的平均温度为 1700℃,问在该温
度下平衡时分配到熔池中的 FeO量各为多少
？为什么在两种情况下分配到熔池中的 FeO
量不同？为什么焊缝中实际含 FeO量远小于
平衡时的含量？
第一章 焊接化学冶金 79
16.既然熔渣的碱度越高, 其中的自由氧多,
为什么碱性焊条焊缝含氧量比酸性焊条焊
缝含氧量低？
17.为什么焊接高铝钢时, 即使焊条药皮中
不含硅, 只是由于用水玻璃作粘结剂, 焊
缝还会严重增硅？
18,综合分析熔渣中的在焊接化学冶金过
程是所起的作用 。
19.综合分析熔渣的碱度对金属的氧化,
脱氧, 脱硫, 脱磷, 合金过渡的影响 。
第一章 焊接化学冶金 80
本章结束
