（1）除水反应当加热温度超过100℃时，药皮吸附的水份开始蒸发；当温度超过300～400℃，药皮组成物中的结晶水和化合水开始析出。（2）有机物的分解温度超过200～250℃时，药皮中的有机物开始分解，析出CO和H2等气体，（3）矿物分解反应继续升高温度,药皮中的碳酸盐和高价氧化物发生分解,形成CO2和O2。(4）铁合金氧化药皮加热中形成的O2、CO2和H2O气均有一定的氧化性。当温度达到600℃以上时药皮中的铁合金发生明显氧化，其结果使气相中的氧化性大大下降，2熔滴反应区从熔滴的形成、长大到过渡到熔池中这一阶段都属熔滴反应区。这个区具有以下特点：①温度高，熔滴的平均温度可达到1800一2400℃，而熔滴金属上的活性斑点处温度甚至接近金属的沸点；②熔滴的比表面积大，使其与气相和熔渣的接触面积很大：③相间作用时间短，熔滴在焊条末端的停留时间仅有0.01一0.1s,通过弧柱区的时间只有0.0001一0.001s,因此熔滴阶段的反应主要在焊条的末端进行的；④熔滴金属与熔渣发生强烈混合反应，熔滴形成、长大和过渡时，不断改变自己的形态和尺寸，使局部表面收缩和拉长，而使熔滴表面的熔渣进入熔滴内部，从而增加了相间接触面积且有利于物质的扩散迁移，反应速度加快。由上述特点可知，熔滴反应区是治金反应最激烈的部位。该区进行的主要物理化学反应有：金属的蒸发、气体的分解和溶解、金属的氧化及还原等。因此焊接熔滴区对焊缝金属成分有明显的影响。3熔池反应区熔池反应区的平均温度比较低，比表面积比较小，但反应时间较长，熔池同时处于一定的运动状态下，这不但使熔池中的冶金反应速度加快，也有利于熔池中气体的逸出，因此熔池反应区直接影响到焊缝的最终化学成分。由于焊接热源的作用，熔池的温度分布不均，熔池头部属于升温阶段，熔池尾部属于降温阶段，从而使熔池的头部和尾部可以进行同一治金过程的相反方向反应，即熔池头部有利于进行气体的吸收过程和吸热反应，而熔池尾部则有利于进行气体的析出过程和放热反应。另外，还需注意液态熔渣与凝固金属之间的相互作用，作用的结果是焊缝金属表面出现氧化层。21
21 （1）除水反应 当加热温度超过 100℃时,药皮吸附的水份开始蒸发;当温度超过 300～400℃，药皮组成 物中的结晶水和化合水开始析出。 （2）有机物的分解 温度超过 200～250℃时，药皮中的有机物开始分解,析出 CO 和 H2等气体。 （3）矿物分解反应 继续升高温度,药皮中的碳酸盐和高价氧化物发生分解,形成 CO2和 O2。 (4) 铁合金氧化 药皮加热中形成的 O2﹑CO2 和 H2O 气均有一定的氧化性。当温度达到 600℃以上时药 皮中的铁合金发生明显氧化，其结果使气相中的氧化性大大下降。 2 熔滴反应区 从熔滴的形成﹑长大到过渡到熔池中这一阶段都属熔滴反应区。这个区具有以下特点： ①温度高，熔滴的平均温度可达到 1800－2400℃，而熔滴金属上的活性斑点处温度甚至接 近金属的沸点；②熔滴的比表面积大，使其与气相和熔渣的接触面积很大；③相间作用时间 短，熔滴在焊条末端的停留时间仅有 0.01－0.1s,通过弧柱区的时间只有 0.0001－0.001s,因此 熔滴阶段的反应主要在焊条的末端进行的；④熔滴金属与熔渣发生强烈混合反应，熔滴形成 ﹑长大和过渡时，不断改变自己的形态和尺寸，使局部表面收缩和拉长，而使熔滴表面的熔 渣进入熔滴内部，从而增加了相间接触面积且有利于物质的扩散迁移，反应速度加快。由上 述特点可知，熔滴反应区是冶金反应最激烈的部位。该区进行的主要物理化学反应有：金属 的蒸发﹑气体的分解和溶解﹑金属的氧化及还原等。因此焊接熔滴区对焊缝金属成分有明显 的影响。 3 熔池反应区 熔池反应区的平均温度比较低，比表面积比较小，但反应时间较长，熔池同时处于一定 的运动状态下，这不但使熔池中的冶金反应速度加快，也有利于熔池中气体的逸出，因此熔 池反应区直接影响到焊缝的最终化学成分。 由于焊接热源的作用，熔池的温度分布不均，熔池头部属于升温阶段，熔池尾部属于降 温阶段，从而使熔池的头部和尾部可以进行同一冶金过程的相反方向反应，即熔池头部有利 于进行气体的吸收过程和吸热反应，而熔池尾部则有利于进行气体的析出过程和放热反应。 另外，还需注意液态熔渣与凝固金属之间的相互作用，作用的结果是焊缝金属表面出现氧化 层
第二节焊接气氛及其与金属的相互作用一，焊接区的气体1气体的来源焊接区的气体主要来源于以下几个方面：(1)焊接材料：焊条药皮、焊剂和焊丝药芯中都含有造气剂,这些造气剂在焊接时析出大量的气体。气体保护焊时，焊接区的气体主要来自由外界通入的保护气体。实验证明，焊接区气体主要来源于焊接材料。(2)热源周围气体介质：热源周围的空气是难以避免的气体来源，而焊接材料中的造气剂所产生的气体并不能完全排除焊接区内的空气。手工点弧焊时，空气在电弧区约占3%左右。(3)焊丝和母材表面上的杂质：粘附在焊丝和母材上的杂质如铁锈、油污、涂料和吸附的水分等在电弧温度下分解，会析出较多的气体进入电弧气氛中。2气体的产生除直接输送和侵入焊接区内的气体以外，其中的气体主要是通过以下物化反应产生的。（1）有机物的分解和燃烧有机物的来源：焊条药皮中常含有淀粉、纤维素、糊精和藻酸盐等有机物（作为造气剂和焊条涂料的增塑剂）和焊接材料上的油污等，分解温度：220-250℃，故含有机物的焊条烘干温度150℃200℃。分解反应和分解产物：这些有机物受热以后，发生复杂的分解和燃烧反应，放出气体，这种反应称为热氧化分解反应。纤维素的热氧化分解反应为(CoHioOs)m+ 7mO,=-6mCO2+5mH22反应产物主要为CO2，并且还有少量的CO2、H2、烃和水气。（2）碳酸盐的分解焊接材料常用的碳酸盐：CaCO3、MgCO3、白云石和BaCO等。分解方程：当加热超过一定温度时，碳酸盐开始分解。CaCO3和MgCO3的分解反应及分解产物的气相分压如下所示：CaCO, =CaO+CO28920 +7.54IgPo,=T22
22 第二节 焊接气氛及其与金属的相互作用 一．焊接区的气体 1 气体的来源 焊接区的气体主要来源于以下几个方面： (1)焊接材料: 焊条药皮﹑焊剂和焊丝药芯中都含有造气剂,这些造气剂在焊接时析出大 量的气体。气体保护焊时，焊接区的气体主要来自由外界通入的保护气体。实验证明，焊接 区气体主要来源于焊接材料。 (2)热源周围气体介质: 热源周围的空气是难以避免的气体来源，而焊接材料中的造气剂 所产生的气体并不能完全排除焊接区内的空气。手工点弧焊时，空气在电弧区约占 3%左右。 (3)焊丝和母材表面上的杂质:粘附在焊丝和母材上的杂质如铁锈﹑油污﹑涂料和吸附的 水分等在电弧温度下分解,会析出较多的气体进入电弧气氛中。 2 气体的产生 除直接输送和侵入焊接区内的气体以外，其中的气体主要是通过以下物化反应产生的。 （1）有机物的分解和燃烧 有机物的来源：焊条药皮中常含有淀粉﹑纤维素﹑糊精和藻酸盐等有机物（作为造气剂 和焊条涂料的增塑剂）和焊接材料上的油污等， 分解温度：220-250℃，故含有机物的焊条烘干温度 150℃≯200℃。 分解反应和分解产物： 这些有机物受热以后，发生复杂的分解和燃烧反应，放出气体， 这种反应称为热氧化分解反应。纤维素的热氧化分解反应为： （C6H10O5）m+ ==6mCO2+5mH2 反应产物主要为 CO2，并且还有少量的 CO2﹑H2﹑烃和水气。 （2） 碳酸盐的分解 焊接材料常用的碳酸盐： CaCO3﹑MgCO3﹑白云石和 BaCO3等。 分解方程：当加热超过一定温度时，碳酸盐开始分解。CaCO3和 MgCO3 的分解反应及 分解产物的气相分压如下所示： 2 2 7 mO CaCO3 = CaO +CO2 7.54 8920 lg 2 = − + T pco
MgCO, = MgO+CO257852+6.27Ig P, =T分解温度：空气中MgCO3（325℃）CaCO3(545℃)电弧空间CaCO3（910℃）MgCO3（650℃)。可见在焊接条件下它们是能够完全分解的。对于含碳酸钙的焊条，烘干温度不应超过450℃；对于含碳酸镁的焊条则不应超过300℃。（3）高价氧化物的分解常用的高价氧化物：Fe2O;和MnO2。分解反应：6Fe203=4Fe304+022Fe:04=6Fe0+024MnO2=2Mn203+026Mn203=4Mn:O4+O22Mn304=6MnO+02反应结果是产生大量的氧气和低价氧化物。（4）焊接材料的蒸发焊接过程中，焊接材料中的水分、金属元素和熔渣的各种成分在电弧的高温作用下发生蒸发，形成大量的蒸气。（5）其它冶金反应亦会产生气态产物3气体的分解由于气体不同的状态对气体在金属中的溶解和与金属的作用有较大的影响,所以必须研究焊接区内的气体是如何分解的。（1）简单气体的分解分解通式：双原子气体G2=2GKp=P2/PG2分解度：a=n/no若气体分解反应的平衡常数为Kp,分解后混合气体的总压力为po,则气体的分解度a：k,α=Vk,+4po23
23 分解温度：空气中 CaCO3（545℃） MgCO3（325℃） 电弧空间 CaCO3（910℃） MgCO3（650℃）。 可见在焊接条件下它们是能够完全分解的。 对于含碳酸钙的焊条，烘干温度不应超过 450℃； 对于含碳酸镁的焊条则不应超过 300℃。 （3）高价氧化物的分解 常用的高价氧化物：Fe2O3和 MnO2。 分解反应： 6Fe2O3=4Fe3O4+O2 2Fe3O4=6FeO+O2 4MnO2=2Mn2O3+O2 6Mn2O3=4Mn3O4+O2 2Mn3O4=6MnO+O2 反应结果是产生大量的氧气和低价氧化物。 （4）焊接材料的蒸发 焊接过程中，焊接材料中的水分﹑金属元素和熔渣的各种成分在电弧的高温作用下发生 蒸发，形成大量的蒸气。 （5）其它冶金反应亦会产生气态产物 3 气体的分解 由于气体不同的状态对气体在金属中的溶解和与金属的作用有较大的影响,所以必须研 究焊接区内的气体是如何分解的。 （1）简单气体的分解 分解通式：双原子气体 G2=2G Kp=PG 2 /PG2 分解度： α=n/n0 若气体分解反应的平衡常数为 Kp,分解后混合气体的总压力为 p0,则气体的分解度α: MgCO3 = MgO+CO2 6.27 5785 lg 2 = − + T pcok 4 p0 k p p + =
结论：在焊接温度（5000K）下，氢和氧的分解度很大，大部分以原子状态存在。而氮的分解度很小，基本上以分子状态存在。（2）复杂气体的分解CO2的分解CO2=CO+1/2O2分解度在焊接温度下CO2几乎完全分解H2O的分解水蒸汽的分解是比较复杂的。热力学计算表明，当温度低于4500K时按以下反应式分解的可能性最大；H20=H2+1/202而当温度高于4500K时，按以下反应式分解的可能性最大：H20=2H+0H2O气的分解产物有H2、O2、OH、H及O等。这不仅增加了气相的氧化性，而且增加了气相中氢的分压，其最终结果使焊缝金属增氧和增氢。4气相的成分焊接时气相的成分和数量随着焊接方法、焊接工艺参数、焊条或焊剂的类型等因素的不同而变化。通过比较发现，使用低氢型焊条进行手工电弧焊接时，气相中含H2和H2O很少，故称“低氢型。理弧焊和采用中性焰气焊时，气相中含CO2和H2O很少，因而氧化性很小；但是手工电弧焊时气相的氧化性就相对较大。总之，电弧区内的气体是由CO、CO2、H2O、N2、H2、O2、金属和熔渣的蒸汽以及它们分解或电离的产物所组成的混合物。其中对于焊接质量影响最大的是N2、H2、O2、CO2及H2O等。二，氢与金属的作用对许多金属和合金，氢对焊接质量是有害的。电弧气氛中的氢主要来源于焊接材料中的水分及有机物、吸附水和结晶水、表面杂质及空气中的水分等。焊接区中的氢可因被焊金属的种类不同而程度不同地与被焊金属作用，一部分金属可与氢形成稳定的化合物，这些金属有Zr、Ti、V、Nb等,这些金属可以在300-700℃的固态下大量吸收氢,但若再升高温度,氢化物分解,氢由金属中析出,含氢量反而下降。因此焊接这些金属时要注意防止接头在固态下对氢的吸收，否则将严重影响焊接接头的性能。另一部分金属，如Fe、Cu、Ni等，它们不与氢发生化合反应，但氢可以溶解这些金属中而使焊接质量受到影响。因此必须弄清氢在这些金属中的溶解情况。1氢在金属中的溶解焊接方法不同，氢向金属中溶解的途径也不同。电渣焊时，氢通过渣层熔入金属；而气24
24 结论：在焊接温度（5000K）下，氢和氧的分解度很大，大部分以原子状态存在。而氮 的分解度很小，基本上以分子状态存在。 （2）复杂气体的分解 CO2的分解 CO2=CO+1/2O2 分解度 在焊接温度下 CO2 几乎完全分解 H2O 的分解 水蒸汽的分解是比较复杂的。热力学计算表明，当温度低于 4500K 时， 按以下反应式分解的可能性最大；H2O= H2 +1/2O2 而当温度高于 4500K 时，按以下反应式分解的可能性最大: H2O= 2H+O H2O 气的分解产物有 H2﹑O2﹑OH﹑H 及 O 等。这不仅增加了气相的氧化性，而且增加 了气相中氢的分压，其最终结果使焊缝金属增氧和增氢。 4 气相的成分 焊接时气相的成分和数量随着焊接方法﹑焊接工艺参数﹑焊条或焊剂的类型等因素的 不同而变化。通过比较发现，使用低氢型焊条进行手工电弧焊接时，气相中含 H2 和 H2O 很 少，故称“低氢型”。埋弧焊和采用中性焰气焊时，气相中含 CO2 和 H2O 很少，因而氧化性 很小；但是手工电弧焊时气相的氧化性就相对较大。总之，电弧区内的气体是由 CO﹑CO2 ﹑H2O﹑N2﹑H2﹑O2﹑金属和熔渣的蒸汽以及它们分解或电离的产物所组成的混合物。其中 对于焊接质量影响最大的是 N2﹑H2﹑O2﹑CO2 及 H2O 等。 二. 氢与金属的作用 对许多金属和合金，氢对焊接质量是有害的。电弧气氛中的氢主要来源于焊接材料中的 水分及有机物﹑吸附水和结晶水﹑表面杂质及空气中的水分等。焊接区中的氢可因被焊金属 的种类不同而程度不同地与被焊金属作用,一部分金属可与氢形成稳定的化合物,这些金属有 Zr﹑Ti﹑V﹑Nb 等,这些金属可以在 300-700℃的固态下大量吸收氢,但若再升高温度,氢化物 分解,氢由金属中析出,含氢量反而下降。因此焊接这些金属时要注意防止接头在固态下对氢 的吸收，否则将严重影响焊接接头的性能。另一部分金属，如 Fe﹑Cu﹑Ni 等，它们不与氢 发生化合反应，但氢可以溶解这些金属中而使焊接质量受到影响。因此必须弄清氢在这些金 属中的溶解情况。 1 氢在金属中的溶解 焊接方法不同，氢向金属中溶解的途径也不同。电渣焊时，氢通过渣层熔入金属；而气
体保护焊时，氢通过气相与液态金属的界面以原子或质子的形式溶入金属，而手工电弧和理弧焊时，似上述两种途径兼而有之。在熔渣保护的条件下，氢首先溶入熔渣中，以OH-形式存在，然后在熔渣与金属的相界面上通过交换电子生成氢原子，以原子氢的形式溶入金属中。氢从熔渣向金属中过渡的反应是：(Fe2+)+2（OH-) =[Fe]+2[O]+2[H][Fe]+2 (OH-) = (Fe2+) +2 (O-) +2[H]2（OH-)=（O2—)+[O]+2[H]式中（）表示渣中成分：表示金属中成分。若渣中含有氟化物，则发生如下反应：(OH-）+(F-)=（O2)+HF因此，氢通过熔渣溶入金属时，其溶解度取决于气相中氢和水蒸气的分压、熔渣的碱度、氟化物的含量和金属中的含氧量等因素。当氢通过气相向金属中溶解时，其溶解度取决于氢的状态。若氢以分子状态存在，那么它在金属中的溶解度符合平方根规律：[H]= KH, PH.式中[H一氢在金属中的溶解度；K一氢溶解的平衡常数；P一气相中分子氢的分压。如果气相中氢以分子及原子状态存在时，氢的溶解度为：[H] = K /pw.n式中K一氢溶解的平衡常数；α一在给定温度下氢的分解度；P一分子和原子氢的分压。500408001TW/N[H]30201060010001400180022002600330)TI'C图1一20氢和氮在铁中的溶解度与温度的关系氢在铁水中的溶解度与温度有关，即随着温度的升高，氢的溶解度增加。但温度接近沸点时，由于金属的蒸发，氢的溶解度急剧下降。当温度降到金属的变态点时，氢的溶解度下25
25 体保护焊时，氢通过气相与液态金属的界面以原子或质子的形式溶入金属，而手工电弧和埋 弧焊时，似上述两种途径兼而有之。 在熔渣保护的条件下，氢首先溶入熔渣中，以 OH-形式存在，然后在熔渣与金属的相界 面上通过交换电子生成氢原子，以原子氢的形式溶入金属中。氢从熔渣向金属中过渡的反应 是： （Fe2+）+2（OH—）=[Fe]+2[O]+2[H] [Fe]+2（OH—）=（Fe2+）+2（O—）+2[H] 2（OH—）=（O2—）+[O]+2[H] 式中（ ）表示渣中成分；[ ]表示金属中成分。若渣中含有氟化物，则发生如下反应： （OH—）+(F－)=（O2－）+HF 因此，氢通过熔渣溶入金属时，其溶解度取决于气相中氢和水蒸气的分压﹑熔渣的碱度、 氟化物的含量和金属中的含氧量等因素。 当氢通过气相向金属中溶解时，其溶解度取决于氢的状态。若氢以分子状态存在，那么它在 金属中的溶解度符合平方根规律： 式中[H]—氢在金属中的溶解度；K—氢溶解的平衡常数；P—气相中分子氢的分压。如 果气相中氢以分子及原子状态存在时，氢的溶解度为： 式中 K—氢溶解的平衡常数；α—在给定温度下氢的分解度；P—分子和原子氢的分压。 氢在铁水中的溶解度与温度有关，即随着温度的升高，氢的溶解度增加。但温度接近沸 点时，由于金属的蒸发，氢的溶解度急剧下降。当温度降到金属的变态点时，氢的溶解度下 图1－20 氢和氮在铁中的溶解度与温度的关系 2 2 [ ] H = KH pH + = 1 , 2 [ ] H K pH H