实验表明：熔池各点的温度是不均匀的。熔池的平均温度主要取决于母材的性质和散热条件。对低碳钢来说，熔池的平均温度约为2050土100K。T图1-12熔池的温度分布1一熔池中部2一前部3-后部（5）熔池中液相的运动状态在焊接过程中，熔池中的液相发生强烈的搅拌作用，将熔化的母材与焊丝金属充分混合和均匀化。其产生液相运动的原因有以下几点：①熔池中温度分布不均匀引起液态金属密度差，使液相从低温区向高温区流动，产生对流运动。②熔池温度分布不均匀引起表面张力分布不均匀，产生的表面张力差将使液相发生对流运动。③焊接热源作用在熔池上的各种机械力使熔池中的液相产生搅拌作用。研究表明：焊接工艺参数，电极直径，焊炬的倾斜角度等对熔池中液相的运动状态都有很大的影响。搅拌作用有利手熔化金属和好混合，使成分均匀化，也有利手气体和杂质的排除，以提高焊缝的质量。但是，在液态金属与母材的交界处，常出现成分的不均匀性。3、熔池的保护为了提高焊缝金属质量，把熔焊方法用于制造重要结构，就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，必须对焊接区内的金属进行保护，以免受空气的有害作用。熔焊过程中采用的保护方式主要有渣保护、气保护和渣气联合保护。采用的保护材料有焊条药皮、焊剂、药芯焊丝中的药芯和保护气体等。应该指出，在焊接过程中仅仅机械地保护熔化金属还不足以保证得到优质的焊接接头，必须对熔化金属进行冶金处理，控制治金反应的发展，才能获得要求的焊缝成分和性能。这将在下一章讨论。16
16 实验表明：熔池各点的温度是不均匀的。熔池的平均温度主要取决于母材的性质和散热 条件。对低碳钢来说，熔池的平均温度约为 2050±100 K。 （5）熔池中液相的运动状态 在焊接过程中，熔池中的液相发生强烈的搅拌作用，将熔化的母材与焊丝金属充分混合 和均匀化。其产生液相运动的原因有以下几点： ① 熔池中温度分布不均匀引起液态金属密度差，使液相从低温区向高温区流动，产生 对流运动。 ② 熔池温度分布不均匀引起表面张力分布不均匀，产生的表面张力差将使液相发生对 流运动。 ③ 焊接热源作用在熔池上的各种机械力使熔池中的液相产生搅拌作用。 研究表明：焊接工艺参数，电极直径，焊炬的倾斜角度等对熔池中液相的运动状态都有 很大的影响。搅拌作用有利于熔化金属和好混合，使成分均匀化，也有利于气体和杂质的排 除，以提高焊缝的质量。但是，在液态金属与母材的交界处，常出现成分的不均匀性。 3、熔池的保护 为了提高焊缝金属质量，把熔焊方法用于制造重要结构，就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，必须对焊接区内的 金属进行保护，以免受空气的有害作用。 熔焊过程中采用的保护方式主要有渣保护、气保护和渣气联合保护。采用的保护材料有 焊条药皮、焊剂、药芯焊丝中的药芯和保护气体等。 应该指出，在焊接过程中仅仅机械地保护熔化金属还不足以保证得到优质的焊接接头， 必须对熔化金属进行冶金处理，控制冶金反应的发展，才能获得要求的焊缝成分和性能。这 将在下一章讨论
二、焊接接头的形成熔焊时焊接接头的形成过程包括加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变。这些过程随时间和温度的变化如图1-13所示。为了便于分析，可归纳为三个相互联系的过程：焊接热过程、焊接化学冶金过程、熔池凝固和相变过程。TD.1T客体集结晶周体Ifs（相变）液体冶金反应冷却图1-13焊接所经历的过程TM一金属熔化温度Ts—金属的凝固温度To初始温度Al钢的Ai相变点1、焊接接头的组成熔合区和近焊缝两侧的母材，焊接时也同样受到热的作用，如图1一14所示。靠近焊缝的金属在焊接温度场分布以内的区域受到焊接热循环的作用后，在一定范围内发生组织和性能变化的区域称为“热影响区”（HeatAffectedZone，简称HAZ）或称近缝区”（NearWeldZone）。由此看来，焊接接头主要由焊缝和热影响区两大部分所组成，其间有过渡区，称为熔合区。图1-14焊接接头示意图1一焊缝2一熔合区3一热影响区4一母材2、熔化焊接头形式熔化焊焊接接头可有多种形式，最常见的典型接头有对接接头、角接或丁字接头、搭接接头等。为使待焊部位满足焊接工艺要求以形成优质的焊接接头，如为了满足熔透和成形的17
17 二、焊接接头的形成 熔焊时焊接接头的形成过程包括加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变。这些过 程随时间和温度的变化如图 1-13 所示。为了便于分析，可归纳为三个相互联系的过程：焊 接热过程、焊接化学冶金过程、熔池凝固和相变过程。 1、焊接接头的组成 熔合区和近焊缝两侧的母材，焊接时也同样受到热的作用，如图 1－14 所示。靠近焊缝 的金属在焊接温度场分布以内的区域受到焊接热循环的作用后，在一定范围内发生组织和性 能变化的区域称为“热影响区”（Heat Affected Zone，简称 HAZ）或称“近缝区”（Near Weld Zone）。由此看来，焊接接头主要由焊缝和热影响区两大部分所组成，其间有过渡区，称为 熔合区。 2、熔化焊接头形式 熔化焊焊接接头可有多种形式，最常见的典型接头有对接接头﹑角接或丁字接头﹑搭接 接头等。为使待焊部位满足焊接工艺要求以形成优质的焊接接头，如为了满足熔透和成形的 图1-13 焊接所经历的过程 TM—金属熔化温度 TS—金属的凝固温度 A1—钢的A1相变点 T0—初始温度
要求或为了保证焊接电弧的可达性要求，常需要将待焊部位预先加工成一定形状，通称为坡口加工。一些典型坡口形式如图1-15所示。(a)(b)X(d)(c)1-15熔焊坡口形式示意图(a)I型坡口(b)V型坡口(c)U型坡口(d)X型坡口3、熔合比一般熔焊时，焊缝金属是由填充金属和局部熔化的母材组成的。在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例，称为熔合比。由图1一16知，熔合比可大致用下式表示：F,0-F,+Fa式中Fp一焊缝截面中母材所占的面积Fd一焊缝截面中填充金属所占的面积EEF.(a)F(b)(c)F(e)(c)图1-16熔合比计算示意图熔合比与焊接方法、焊接工艺参数、接头尺寸形状、坡口形状、焊道数目以及母材热物理性能等有关。由于熔合比不同，即使采用同样的焊接材料，焊缝的化学成分也不相同，从而导致性能上的差异。当熔合比等于零时，表明焊缝金属完全由填充金属熔敷而成，这种焊缝金属特称为熔敷金属。堆焊时的焊缝金属可认为是熔敷金属，一般焊缝均是由熔敷金属和母材按一定熔合比混合而成。假设焊接时母材中的合金元素（浓度为Cb）全部过渡到焊缝18
18 要求或为了保证焊接电弧的可达性要求，常需要将待焊部位预先加工成一定形状，通称为坡 口加工。一些典型坡口形式如图 1-15 所示。 3、熔合比 一般熔焊时，焊缝金属是由填充金属和局部熔化的母材组成的。在焊缝金属中局部熔化 的母材所占的比例，称为熔合比。由图 1－16 知，熔合比θ可大致用下式表示： 式中 Fp－焊缝截面中母材所占的面积 Fd－焊缝截面中填充金属所占的面积 熔合比与焊接方法、焊接工艺参数、接头尺寸形状、坡口形状、焊道数目以及母材热物 理性能等有关。由于熔合比不同，即使采用同样的焊接材料，焊缝的化学成分也不相同，从 而导致性能上的差异。当熔合比等于零时，表明焊缝金属完全由填充金属熔敷而成，这种焊 缝金属特称为熔敷金属。堆焊时的焊缝金属可认为是熔敷金属，一般焊缝均是由熔敷金属和 母材按一定熔合比混合而成。假设焊接时母材中的合金元素（浓度为 Cb）全部过渡到焊缝 1-15 熔焊坡口形式示意图 (a)I型坡口 (b)V型坡口 (c)U型坡口 (d)X型坡口 图1－16 熔合比计算示意图 p d p F F F + =
中，熔敷金属中合金元素的浓度为Cd，则焊缝金属中合金元素的实际浓度Cw为：Cw=0Cb+(1-0)CdCb、Ca、0可由技术资料查得获用化学分析和试验的方法得到，从而就可计算出焊缝的化学成份。三、焊接性概念焊接性是指金属材料(同种或异种)在一定焊接工艺条件下，能够焊成满足结构和使用要求的能力，也就是金属材料对焊接加工的适应性、获得优质焊接接头的难易程度。焊接性的具体内容包括：（1)接合性能，即焊接时形成缺陷的敏感性，也称为工艺焊接性：（2)使用性能，即焊成的焊接接头满足使用要求的程度，也称为使用焊接性。还应注意，这两者并不一定一致，即焊接缺陷敏感性小，未必焊接接头性能就好，反之亦然。焊接性好坏是一个相对概念，在简单焊接工艺条件下，接合性能和使用性能均能满足要求时表明焊接性优良，如必须采用复杂的焊接工艺才能实现优质焊接时则认为焊接性较差。19
19 中，熔敷金属中合金元素的浓度为 Cd，则焊缝金属中合金元素的实际浓度 Cw为： CW＝θCb+(1-θ)Cd Cb、Cd、θ可由技术资料查得获用化学分析和试验的方法得到，从而就可计算出焊缝的 化学成份。 三、焊接性概念 焊接性是指金属材料(同种或异种)在一定焊接工艺条件下，能够焊成满足结构和使用要 求的能力，也就是金属材料对焊接加工的适应性、获得优质焊接接头的难易程度。焊接性的 具体内容包括：(1)接合性能，即焊接时形成缺陷的敏感性，也称为工艺焊接性；(2)使用性 能，即焊成的焊接接头满足使用要求的程度，也称为使用焊接性。还应注意，这两者并不一 定一致，即焊接缺陷敏感性小，未必焊接接头性能就好，反之亦然。焊接性好坏是一个相对 概念，在简单焊接工艺条件下，接合性能和使用性能均能满足要求时表明焊接性优良，如必 须采用复杂的焊接工艺才能实现优质焊接时则认为焊接性较差
第二章熔化焊接化学冶金熔焊时，焊接区内的各种物质在高温下相互作用，进行极为复杂的物理化学变化的过程，称为焊接化学冶金过程。这种物理化学变化不仅包括了诸多的化学变化，同时伴随着物质在作用相之间的迁移和重新分配的过程。这些变化过程对焊缝金属的成分、性能、焊接缺陷以及焊接工艺性能都有很大的影响。焊接化学治金学主要研究在各种焊接工艺条件下，治金反应与焊缝金属化学成分、性能之间的关系及其变化规律。因此，运用这些规律合理地选择焊接材料、正确地控制和调整焊缝金属的成分和性能，合理地控制焊接化学冶金过程是保证焊接质量的关键步骤。本章以低碳钢和低合金钢手工电弧焊工艺的冶金过程为重点，用热力学的观点来阐明焊接化学冶金的一般规律，并分析其它熔焊方法及材料的冶金问题。第一节焊接化学冶金反应区一、焊接化学冶金反应区的特点焊接过程中，伴随着焊接材料和母材的熔化，焊接熔池的形成及凝固过程，所形成的气体一熔渣一熔融金属”之间将产生一系列物理化学反应，这种焊接治金反应具有以下一系列特点：（1）焊接冶金过程是分区连续进行的，即反应区不止熔池一处，且反应应有阶段性。以焊条药皮为例，焊接冶金反应分为三区：药皮反应区，熔滴反应区和熔池反应区；而熔化极气体保护焊则有熔滴反应区和熔池反应区；非熔化极气体保护焊则有熔池反应区。（2）焊接冶金反应具有超高温特征，利于冶金反应强烈进行。（3）焊接冶金反应的界面大，可促使冶金反应的完成。（4）焊接冶金反应过程短促，不利于焊接冶金反应达到平衡状态。（5）焊接熔池中的对流和搅拌现象，有利于加强熔池成分均匀化和治金反应的进行。二、焊接化学治金反应过程上面提到焊接冶金反应的分区连续进行，现在主要分析概括药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区中的治金反应问题。1药皮反应区药皮反应区的加热温度低于药皮的熔化温度，此时进行的反应主要有水份的蒸发、某些物质的分解和铁合金的氧化。20
20 第二章 熔化焊接化学冶金 熔焊时，焊接区内的各种物质在高温下相互作用，进行极为复杂的物理化学变化的过程， 称为焊接化学冶金过程。这种物理化学变化不仅包括了诸多的化学变化，同时伴随着物质在 作用相之间的迁移和重新分配的过程。这些变化过程对焊缝金属的成分﹑性能﹑焊接缺陷以 及焊接工艺性能都有很大的影响。焊接化学冶金学主要研究在各种焊接工艺条件下，冶金反 应与焊缝金属化学成分﹑性能之间的关系及其变化规律。因此，运用这些规律合理地选择焊 接材料﹑正确地控制和调整焊缝金属的成分和性能，合理地控制焊接化学冶金过程是保证焊 接质量的关键步骤。 本章以低碳钢和低合金钢手工电弧焊工艺的冶金过程为重点，用热力学的观点来阐明焊 接化学冶金的一般规律，并分析其它熔焊方法及材料的冶金问题。 第一节 焊接化学冶金反应区 一、焊接化学冶金反应区的特点 焊接过程中,伴随着焊接材料和母材的熔化,焊接熔池的形成及凝固过程,所形成的“气体 —熔渣—熔融金属”之间将产生一系列物理化学反应，这种焊接冶金反应具有以下一系列特 点： （1）焊接冶金过程是分区连续进行的,即反应区不止熔池一处,且反应应有阶段性。 以焊条药皮为例，焊接冶金反应分为三区：药皮反应区﹑熔滴反应区和熔池反应区；而 熔化极气体保护焊则有熔滴反应区和熔池反应区；非熔化极气体保护焊则有熔池反应区。 （2）焊接冶金反应具有超高温特征，利于冶金反应强烈进行。 （3）焊接冶金反应的界面大,可促使冶金反应的完成。 （4）焊接冶金反应过程短促，不利于焊接冶金反应达到平衡状态。 （5）焊接熔池中的对流和搅拌现象,有利于加强熔池成分均匀化和冶金反应的进行。 二、焊接化学冶金反应过程 上面提到焊接冶金反应的分区连续进行，现在主要分析概括药皮反应区﹑熔滴反应区和 熔池反应区中的冶金反应问题。 1 药皮反应区 药皮反应区的加热温度低于药皮的熔化温度，此时进行的反应主要有水份的蒸发、某些 物质的分解和铁合金的氧化