第一章+熔化焊

第一章熔化焊1.1熔化焊热源及温度场1.2焊接热循环1.3熔化焊接头的形成1.4焊接气氛及其与金属的互相作用1.5焊接材料与焊接熔渣1.6焊接化学冶金反应1.7熔化焊接头的组织与性能1.8焊接冶金缺陷1.1熔化焊热源及温度场传热学是研究热量传递规律的一门科学。许多学科都涉及到传热学的问题！焊接传热对焊接接头形成过程中冶金过程、固态相变、组织性能和应力变形等均有重要影响！焊接传热的形式：热传导为主，考虑辐射和对流的作用。焊接传热过程研究内容：主要是焊件上的温度分布及其随时间的温度变化问题。

热源→焊件－－辐射和对流为主；母材和焊条→其他部分－－热传导为主；1.1熔化焊热源及温度场焊接过程热源加热→熔化→冶金反应→

结晶→固态相变→接头（冷却而形成）焊接热过程的特点1.局部性——加热和冷却过程极不均匀→变形不均匀→应力→开裂此外还有组织的变化不均匀，热影响区。2.瞬时性——1800K/s，加热和冷却都很快，组织变化迅速。3.热源是运动的，工件受热区域不断变化，传热过程不稳定。4.焊接传热过程的复合性。焊接过程热源加热→熔化→冶金反应→

结晶→固态相变→接头（冷却而形成）焊接热过程的特点加热过程冷却过程1.1熔化焊热源及温度场

1.1.1焊接热源实现金属焊接所需的能量热能机械能焊接热源的要求：能量密度高度集中；快速实现焊接过程；保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。焊接热源的种类

-电弧热气体介质中的电弧放电化学热可燃气体和铝、镁热剂反应热电阻热电阻焊、电渣焊高频感应热磁性的金属高频感应产生二次电流作为热源摩擦热机械高速摩擦电子束高速运动的电子轰击等离子焰电弧或高频放电—离子流激光束激光聚焦1.1熔化焊热源及温度场

1.1.1焊接热源1.1熔化焊热源及温度场

1.1.1焊接热源焊接热效率电弧功率电弧有效热功率热效率焊接方法η焊条电弧焊0.77～0.87埋弧焊0.77～0.90电渣焊0.83电子束及激光束>0.9TIG焊0.68～0.85MIG焊钢0.66～0.69铝0.70～0.851.1熔化焊热源及温度场

1.1.1焊接热源焊接热效率和热分配区别电渣焊的热效率

其热效率高主要是由于焊件较厚，冷却滑块带走的热量较少，大量的热从焊缝向母材传导，易使热影响区过宽，晶粒粗大，焊接接头力学性能低下。电子束和激光束热效率

能力极其集中，焊接能量损失小。1.1熔化焊热源及温度场

1.1.1焊接热源1.1熔化焊热源及温度场

1.1.1焊接热源焊件加热区的分布：活性斑点区和加热斑点区加热斑点的比热流分布---立体高斯锥体1.1熔化焊热源及温度场

1.1.1焊接热源概念：某时刻焊件上各点的温度分布。焊接温度场的数学表达式：

T=f(x,y,z,t)等温线与等温面稳定温度场：焊件上温度场各点温度不随时间变化。非稳定温度场：焊件上各点温度随时间变化。准稳定温度场1.1熔化焊热源及温度场

1.1.2焊接温度场下一页等温线等温线不可能相交等温线、等温面之间有温差大小：温度梯度方向：垂直于等温面焊缝1.1熔化焊热源及温度场

1.1.2焊接温度场返回根据焊件尺寸和热源性质，焊接温度场分为：三维温度场（空间传热，如厚大焊件表面堆焊，半无限大物体，热源为点热源）T=f(x,y,z,t)二维温度场（平面传热，如一次焊透薄板，无限薄物体，热源为线热源）T=f(x,y,t)一维温度场（线性传热，如焊条和焊丝的加热，细棒的电阻焊，无限长细杆，热源为面热源。）T=f(x,t)1.1熔化焊热源及温度场

1.1.2焊接温度场焊接温度场数学处理方法：精确解法（数学解析法）和近似解法（数值计算法、图解法和模拟法）求解过程中物理概念、逻辑推理严格，清晰，解的结果能清楚表示各因素（物性条件、边界条件、时间条件等）对T的影响。但只能求解非常简单的方程，对焊接温度场，只有在许多假设均能满足的情况下，才能得到精确解。将偏微分方程离散化，得到代数方程组，该方程组的解即为偏微分方程的近似解，通常离散化程度越高，近似解的精确性越高。当然方程组也就越大，计算量亦越大。随着计算机集成度、运算速度、可靠性及内存量的不断提高，数值解法愈来愈受到人们的重视，并被广泛应用于实际焊接结构中。所采用的离散化方法主要有：有限差分法和有限元素法。1.1熔化焊热源及温度场

1.1.2焊接温度场边界条件：半无限大物体上表面绝热，即热量全部向物体内部传导；无限大薄板上下表面及无限长细杆外表面与介质发生热交换（表面散热）不考虑相变潜热热源放出的能量是稳定的，并作直线等速运动物性参数为常量运动热源是由无数集中点热源连续作用的总和数学解析法

瞬时热源作用下的温度场为热传导偏微分方程的一个特解，其表示了离热源作用点r上某点的瞬时温度。式中：Q—热源作用强度

n—指数系数

r—到热源作用点的距离Qnr点热源qΔt3线热源Q/h2面热源Q/F1x瞬时热源作用下的温度场根据上式可求出焊件上任一点的最高温度Tmax及达到最高温度时所需的时间tmax。这些参数对研究焊件，特别是HAZ，在焊接过程中的受热历程及其相变及晶粒的大小，力学性能等有直接意义。影响温度场的因素：（1）热源的性质与焊接规范（2）被焊金属的物理性质（3）焊件的形态（4）热源的作用时间和移动速度。影响温度场的因素：（1）热源的性质与焊接规范一般热源的能量越集中，热强度越高，则温度场的范围越小。如电子束焊，热能很集中，温度场范围就很小，而气焊则相反。1.1熔化焊热源及温度场

1.1.2焊接温度场热输入量q=常数，热源移动速度v对温度场的影响热源移动速度v增加热源功率q保持为常数时随焊接速度v的增加等温线的范围变小温度场的宽度和长度均变小宽度显著变小所以，等温线的形状变得细长热源性质与工艺规范1.1熔化焊热源及温度场

1.1.2焊接温度场热源移动速度v=常数，热输入量q对温度场的影响热源功率q增加热源移动速度v保持为常数时随热源功率q的增加温度场分布范围增大，主要焊件获得的热能也会增多。1.1熔化焊热源及温度场

1.1.2焊接温度场热源性质与工艺规范热源移动速度v热源功率q增加q/v=常数，热输入量及热源移动速度等比例变化时对温度场的影响q/v保持为常数时同比例改变q和v等温线拉长等温线宽度稍变窄温度场范围扩大1.1熔化焊热源及温度场

1.1.2焊接温度场热源性质与工艺规范在相同热功率、热源移动速度和相同板厚条件下不同材料板上移动线热源周围的温度场导热性越差，某一温度的等温线范围越大。则易使焊接熔池或热影响区温度过高。被焊金属的物理性质1.1熔化焊热源及温度场

1.1.2焊接温度场概念：焊件上某一点在焊接热源的作用下所经历的热过程，即该点的温度随时间的变化过程。1.2焊接热循环研究焊接热循环的意义：（1）找出最佳的焊接热循环（2）用工艺手段改善焊接热循环（3）预测焊接应力分布及改善热影响区组织焊接热循环的主要参数加热速度加热的最高温度在相变温度以上的停留时间冷却速度或冷却时间焊接热循环的参数1.2焊接热循环焊接热循环的主要参数加热速度

热源集中程度越高，加热速度增加，但较快的加热使相变不充分。加热速度受许多因素影响：不同的焊接方法（决定热源的强度、功率）不同的被焊金属（导热性越好，加热速度越慢）不同厚度（厚板三向导热，加热速度慢）不同焊接热输入等加热速度方面的研究还不够充分特别是新工艺，如真空电子束焊接等数据很缺乏1.2焊接热循环焊接热循环的主要参数加热的最高温度据焊缝远近不同的各点，加热的最高温度不同，对研究热影响区有重大意义。Tm低于500℃，不产生热塑性变形，冷却后无内应力。一般低碳钢和低合金钢，熔合线附近Tm可达1300℃，晶粒发生严重长大，塑性降低。1.2焊接热循环焊接热循环的主要参数在相变温度以上的停留时间1.2焊接热循环一般测试1100℃以上的停留时间。停留时间越长，过热区越宽，晶粒越粗，塑性和韧性越差。焊接热循环的主要参数冷却速度或冷却时间—决定热影响区组织性能指焊件上某点热循环的冷却过程中某一瞬时温度的冷却速度为了便于测量和分析比较，采用800～500oC的冷却时间来代替瞬时冷却速度，因为这一温度区间是相变的主要温度范围1.2焊接热循环焊接热循环的主要参数冷却时间从800oC冷却到500oC时所用时间碳钢、不易淬火的低合金钢从800oC冷却到300oC时所用时间易淬火的低合金钢(马氏体相变点300oC左右)从高温冷却到100oC时所用时间扩散氢1.2焊接热循环长段多层焊接热循环焊缝长度在1m以上，焊完第一层再焊第二层时，第一层基本冷至较低的温度（100~200℃）相邻层间有热处理作用。为防止最后一层淬硬，多加一层“退火焊道”。1.2焊接热循环

多层焊接循环不适合淬硬性大的钢材。焊完第一道就可能产生裂纹。需焊前预热，焊后缓冷。短段多层焊接热循环焊道长度约50~400mm，未等前层焊道冷却到较低温度（Ms）就开始下一道焊接。1.2焊接热循环

多层焊接循环短道多层焊接热循环材质的影响（热物理参数）接头形状的影响焊道长度的影响预热温度的影响线能量的影响1.2焊接热循环

焊接热循环的影响因素1.3熔化焊接头的形成1.焊接材料的熔化焊接材料（焊丝、焊条）在焊接热（电阻热、电弧热、化学热）的作用下熔化，在焊条端部形成滴状液态金属称为熔滴。熔滴在各种力的作用下脱离焊条，以滴状的形式过渡到熔池中，周而复始。过渡形式：短路过渡、颗粒状过渡、附壁过渡。1.焊接材料的熔化（1）焊条金属平均熔化速度gM：单位时间熔化的焊芯质量，与焊接电流成正比。（2）损失系数φ：焊接中由于氧化、飞溅和蒸发而损失的金属质量与熔化的焊芯质量之比。（3）平均熔敷速度gH：单位时间进入熔池的金属质量。（4）相互关系：1.3熔化焊接头的形成2.熔池的形成1）熔池的形状和尺寸经过过渡期后，熔池进入准稳定时期。熔池形状、尺寸和质量不再发生变化，即熔化速度等于结晶速度。焊接电流增加，熔池最大深度增大，最大宽度相对变小电弧电压增加，最大深度变小，最大宽度增加熔池长度L：

L=P2q=P2UI熔池的表面积和P2取决于焊接方法和焊接电流。1.3熔化焊接头的形成2.熔池的形成2）熔池的质量手工电弧焊熔池质量通常在0.6g~16g之间，一般在5g以下。试验表明：手工电弧焊熔池质量与q2/v成正比。埋弧自动焊，焊接电流较大，熔池质量较大，但一般小于100g。1.3熔化焊接头的形成2.熔池的形成3）熔池存在时间熔池在液态的最大时间取决于熔池的长度和焊速。由熔池质量确定熔池的平均存在时间tcp：1.3熔化焊接头的形成随着热源的移动，熔池沿焊接方向作同步移动熔池前部母材不断地熔化熔池尾部熔池金属不断凝固，温度逐渐降低熔池温度分布1-熔池中部2-熔池前部3-熔池尾部1.3熔化焊接头的形成4）熔池的温度分布5）熔池中液相的运动焊接的强烈搅拌作用将使母材和填充金属充分混合和均匀化。能得到成分均匀的焊缝金属。其次能有利于气体和非金属夹杂物的外逸，消除焊接缺陷。母材和液态金属的交界，运动受到限制，化学成分不均匀。运动原因：温度差，密度差，表面张力，机械力、电磁力等。1.3熔化焊接头的形成熔化焊焊接接头一般都要经历加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变，直至形成焊接接头。（1）焊接的热过程在前两节中已经详细介绍。（2）焊接化学冶金过程通过化学冶金的方法提高焊缝的强韧性。如添加微量合金元素进行变质处理；降低焊缝中C含量，最大限度排除S、P、O、N、H等杂质，净化焊缝，提高韧性。（3）焊接凝固结晶和相变过程和铸造中液体金属凝固一样，不同之处是焊接的凝固更快，冷却之后产生缺陷的可能性更大。（4）熔化焊接头形式与熔合比接头形式的多样化。熔合比：在焊缝金属中局部熔化的母材所占比例。通过改变熔合比可以改变焊缝金属的化学成分。如要保证焊缝成分和性能的温度，必须严格控制焊接工艺。堆焊时，总是使熔合比尽可能小，以减少母材成分对堆焊层的影响。1.3熔化焊接头的形成

1.3.2焊接接头的形成1.3熔化焊接头的形成

1.3.3熔化焊接冶金与焊接性问题（1）焊缝中组织和成分与母材的区别（2）焊接热或焊接热循环对母材的热影响（3）焊缝熔合区成分的差异。焊接性：指金属材料（同种或异种）在一定的焊接工艺条件下焊接后，能满足结构和使用要求的能力，也即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。（1）结合性能，焊接时缺陷的敏感性。（2）使用性能，能否满足使用性能。注意：焊接性是一个相对概念。1.4焊接气氛及其与金属的相互作用1.4.1焊接区的气体（1）气体的来源1）焊接材料2）热源周围的气体3）焊丝和母材表面上的杂质焊接区内的气体来源N2、H2、O2CO2

和H2O焊接区的气体焊条药皮、焊剂、焊芯的造气剂高价氧化物及有机物的分解气体母材坡口的油污、油漆、铁锈、水分空气中的气体、水分保护气体及其杂质气体直接进入间接分解

焊条药皮中的淀粉、纤维素、糊精等有机物（造气、粘接、增塑剂）热氧化分解反应

220~250℃以上发生，220~320℃质量损失50%，800℃左右完全分解

CO2、CO、H2、烃和水气如纤维素的热氧化分解反应：（C6H10O5）m＋7/2mO2（气）＝6mCO2（气）＋5mH2（气）酸性焊条药皮中有机物的含量较高。1.4焊接气氛及其与金属的相互作用

（2）气体的产生

1）有机物的分解和燃烧含有机物的焊条，烘干温度控制在150℃，不应超过200℃。碳酸盐（CaCO3、MgCO3、白云石及BaCO3等）的分解

CaCO3=CaO+CO2↑MgCO3=MgO+CO2↑（545℃～910℃）（325℃～650℃）碱性焊条药皮中碳酸盐的含量较高。1.4焊接气氛及其与金属的相互作用

（2）气体的产生

2）碳酸盐和高价氧化物的分解高价氧化物（Fe2O3

和MnO2）的分解（在某些酸性焊条药皮中含量较高）

6Fe2O3=4Fe3O4+O22Fe3O4=6FeO+O24MnO2=2Mn2O3+O26Mn2O3=4Mn3O4+O2

2Mn3O4=6MnO+O21.4焊接气氛及其与金属的相互作用

（2）气体的产生

2）碳酸盐和高价氧化物的分解在焊接过程中除水分蒸发外，金属元素和熔渣中的成分在电弧高温作用下也发生蒸发。在一定温度下，物质的沸点越低越容易蒸发。物质处于溶液中，则物质浓度越高其饱和蒸汽压越大，越容易蒸发。金属材料中Zn、Mg、Pb、Mn

氟化物中AlF3、KF、LiF、NaF后果：

合金元素的损失；产生焊接缺陷；增加焊接烟尘，污染环境，影响焊工身体健康。1.4焊接气氛及其与金属的相互作用

（2）气体的产生

3）材料的蒸发1.4焊接气氛及其与金属的相互作用

（3）气体的分解简单气体（指N2、H2、O2、F2等双原子气体）的分解；复杂气体（指CO2和H2O等）的分解，分解产物在高温下还可进一步分解和电离。

编号反应式/kJ.mol编号反应式/kJ.mol1F2＝F＋F－2706CO2＝CO＋1/2O2－282.82H2＝H＋H－433.97H2O＝H2＋1/2O2－483.23H2＝H＋H+＋e－17458H2O＝OH＋1/2H2－532.84O2＝O＋O－489.99H2O＝H2＋O－977.35N2＝N＋N－711.410H2O＝2H＋O－1808.31.4焊接气氛及其与金属的相互作用

（3）气体的分解分解度α温度T/KCO2分解时气相的平衡成分与温度的关系气相体积分数Φ/%温度T/K

双原子气体分解度α与温度的关系（P0＝0.1MPa）1.4焊接气氛及其与金属的相互作用

（3）气体的分解图7-3H2O分解形成的气相成分与温度的关系（P0＝0.1MPa）温度T/×103K气相体积分数Φ/%1.4焊接气氛及其与金属的相互作用

（4）气相的成分一、气体在金属中的溶解在焊接和熔铸过程中，与液态金属接触的气体可分为简单气体和复杂气体两大类。前者如H2、N2、O2等，后者如CO2、H2O、CO等。本节主要讨论H2、N2和O2在金属中的溶解规律。一、气体的溶解过程二、气体的溶解度下一页一、气体的溶解过程

原子或离子状态

→直接溶入液态金属；

分子状态的气体→先分解为原子或离子之后再溶解到液态金属中。

双原子气体溶入金属液的两种方式：

吸附—分解—溶入分解—吸附—溶入双原子气体溶入金属液的两种方式温度不够高或气体难以分解时焊接温度下氢、氧等气体的溶解二、气体的溶解度

溶解度

——

在一定温度和压力条件下，气体溶入金属的饱和浓度。溶解度S的影响因素

气体种类合金成分温度与压力1．温度和压力的影响理想气体溶解度的平方根定律：Px

为气体分压，Px↑→溶解度↑Kx

为常数，取决于温度和金属的种类。金属吸收气体为吸热反应，溶解度随温度的升高而增加；金属吸收气体为放热反应，溶解度随温度的上升而降低。气体溶解度与热效应和温度的关系1－吸热溶解2－放热溶解溶解度温度12金属发生相变时，由于金属组织结构的变化，气体的溶解度将发生突变。液相比固相更有利于气体的溶解。当金属由液相转变为固相时，溶解度的突然下降将对焊件中气孔的形成产生直接的影响。氮和氢在金属或合金中的溶解反应类型及形成化合物倾向气体金属与合金溶解反应类型形成化合物倾向氮铁和铁基合金吸热反应能形成稳定氮化物Al、Ti、V、Zr等金属及合金放热反应氢Fe、Ni、Al、Cu、Mg、Cr、Co等金属及合金吸热反应能形成稳定氢化物Ti、Zr、V、Nb、Ta、Th等金属及合金放热反应不能形成稳定氢化物2、氮、氢、氧在金属中的溶解度氮、氢在铁中的溶解度（PN2＝PH2=0.1MPa）氮、氢在金属凝固时溶解度陡降。氮、氢在奥氏体中的溶解度大于铁素体。氮、氢在液态铁中的溶解度随温度升高而增大。在铁的气化温度附近，气体溶解度陡降。SH/mL.(100g)-1T/℃图7-9氢在不同金属中的溶解度随温度的变化（pH2＝0.1MPa）a）I类金属b）II类金属a）SH/mL.(100g)-1T/℃b）第II类金属吸氢过程是放热反应，因此随着温度的升高，氢的溶解度减小，温度T/℃溶解度SO/%氧在金属中的溶解度与温度的关系氧在液态铁中的溶解度随温度升高而增大3、合金成分对溶解度的影响

氢在二元系铁合金中的溶解度（1600℃）氢溶解度SH/ml.(100g)-1合金元素含量wMe/%

氮在二元系铁合金中的溶解度（1600℃）合金元素含量wMe/%氮溶解度SN/％液态金属中加入能提高气体含量的合金元素，可提高气体的溶解度；若加入的合金元素能与气体形成稳定的化合物（即氮、氢、氧化合物），则降低气体的溶解度。三、气体对金属的氧化

主要讨论O2、CO2、H2O等气体对金属的氧化。

一、金属氧化还原方向的判据二、氧化性气体对金属的氧化下一页一、金属氧化还原方向的判据

在一个由金属、金属氧化物和氧化性气体组成的系统中，采用金属氧化物的分解压

Po2作为金属是否被氧化的判据。

2MeO

2Me+O2若氧在金属－氧－氧化物系统中的实际分压为{Po2}，则:

{Po2}>Po2时，金属被氧化；

{Po2}=Po2时，处于平衡状态；

{Po2}<Po2时，金属被还原。金属氧化物的分解压是温度的函数，它随温度的升高而增加。除了Ni和Cu外，在同样温度下，FeO的分解压最大，即最不稳定。FeO为纯凝聚相时，其分解压为：图7-14自由氧化物分解压与温度的关系T/℃Lg

pO2/×101.3kPaMoO式中

P‘o2是液态铁中FeO的分解压；[FeO]是溶解在液态铁中的FeO

浓度；[FeO]max是液态铁中FeO

的饱和浓度。由上式可以看出，由于FeO

溶于液态铁中，使其分解压减小，致使Fe更容易氧化。计算得知，在高于铁熔点的温度下P‘o2

很小，例如温度为1800℃，液态铁中[FeO]的质量分数为1％时，P'o2=1.5×10-8MPa，说明气相中只要存在微量的氧，即可使铁氧化。通常情况下FeO溶于液态铁中，这时其分解压为：

二、氧化性气体对金属的氧化1、自由氧对金属的氧化2、CO2对金属的氧化3、H2O对金属的氧化4、混合气体对金属的氧化1、自由氧对金属的氧化气相中O2的分压超过P'o2时，将使Fe氧化：

[Fe]+½O2=FeO+26.97kJ/mol[Fe]+O=FeO+515.76

kJ/mol由反应的热效应看，原子氧对铁的氧化比分子氧更激烈。除了铁以外，钢液中其它对氧亲和力比铁大的元素也会发生氧化，如：

[C]+½O2=CO↑[Si]+O2=（SiO2）

[Mn]+½O2=（MnO）纯CO2高温分解得到的平衡气相成分和气相中氧的分压{Po2}随温度升高，气相的氧化性增加。2、CO2对金属的氧化温度/K1800200022002500300035004000气相成分(体积分数)/％CO299.3497.7493.9481.1044.2616.695.92CO0.441.514.0412.6037.1655.5462.72O20.220.762.026.3018.5827.7731.36气相中氧的分压{pO2}/×101.325kPa2.2×10-37.6×10-32.02×10-26.3×10-218.58×10-227.77×10-231.36×10-2P’O2[FeO]max/×101.325kPa3.81×10-91.08×10-71.35×10-65.3×10-5－－－当温度高于3000K时，CO2的氧化性超过了空气。温度高于铁的熔点以后，{Po2}远大于P'o2高温下CO2对液态铁和其他许多金属来说均为活泼的氧化剂。CO2与液态铁的反应式和平衡常数为：

CO2＋[Fe]＝CO＋[FeO]温度升高时，平衡常数K增大，反应向右进行，促使铁氧化。计算表明，即使气相中只有少量的CO2，对铁也有很大的氧化性。因此，用CO2作保护气体只能防止空气中氮的侵入，不能避免金属的氧化。

用CO2作为保护气体焊接时，应该在焊丝中增加脱氧元素。3、H2O对金属的氧化H2O气与Fe的反应式和平衡常数为：

H2O气＋[Fe]＝[FeO]＋H2

可见，温度越高，H2O的氧化性越强。

在液态铁存在的温度，H2O气的氧化性比CO2小。但应注意，H2O气除了使金属氧化外，还会提高气相中H2的分压，导致金属增氢。4、混合气体对金属的氧化焊接电弧空间的气相是由多种气相成分混和而成。对于不同的焊接方法与焊材情况下，焊接区气相会有不同的组成。∑O/g.(100g)-1，wO/%ArCO2ΦCO2，ΦO2/%ΦO2/%不同气体保护焊对于熔敷金属中含氧量的影响见下图。

熔敷金属中∑O与保护气体成分的关系实线－∑O虚线－wO(焊丝－H08Mn2SiΦ1.6mm母材－低碳钢)表7-2碳钢焊条电弧焊焊接区室温时的气相成分低氢型焊条焊接时，气相中H2和H2O的含量很少，故称“低氢型”；酸性焊条焊接时氢含量均较高，其中纤维素型焊条的最大。药皮类型气相成分（体积分数）/%备注COCO2H2H2O高钛型（J421）46.75.334.513.5焊条在110℃烘干2h钛钙型（J422）50.75.937.55.7钛铁矿型（J423）48.14.836.610.5氧化铁型（J424）55.67.324.013.1纤维素型（J425）42.32.941.212.6低氢型（J427）79.816.91.81.5酸性焊条电弧焊电弧空间的氧化性远大于碱性。四、气体的影响与控制（一）气体对焊接质量的影响（二）气体的控制措施（一）气体对焊接质量的影响

残留在金属内部的气体元素对金属性能的影响取决于气体元素在金属中的存在状态。

室温下N、H、O在金属中的溶解度极低，残留在接头中的[H]R易导致延迟裂纹和氢脆。固溶态化合物独立气相弥散状（氮化物）块状（氧化物、氮化物）强化、脆化夹杂气孔（氢气孔，氮气孔，CO气孔）焊缝中的氢（1）离子或原子→间隙固溶体→自由扩散→扩散氢。（2）氢→扩散聚集→陷阱→结合成分子→不能自由扩散→残余氢。对于不能形成稳定氢化物的金属，扩散氢占80%~90%。（一）气体对焊接质量的影响氢的危害（1）氢脆：室温脆性，强度不受影响。金属拉伸时位错发生运动和堆积，形成显微空腔，扩散氢沿位错运动方向扩散，聚集至空腔，成为分子氢，产生高压力，导致脆断。（2）白点碳钢和低合金钢焊缝，如氢含量高，拉伸或弯曲断面出现银白色局部脆断。直径0.5~3mm，其周围为塑性断口，白点中心通常有小夹杂物或气孔。（3）冷裂纹（4）气孔（5）组织变化氢为奥氏体稳定化元素。使A不容易转变为F和P，而容易转变为M，造成应力，直至裂纹。（一）气体对焊接质量的影响氮对焊接质量的影响（1）造成气孔（2）氮是提高强度、降低塑性和韧性的元素。氮在室温溶解度很小，仅为0.001%，焊接冷却时，一部分氮固溶，一部分以氮化物形式析出，分布于晶界或晶内，增加强度，降低塑性和韧性。（3）引起时效脆化固溶的氮逐渐析出，形成稳定的氮化物，造成脆化。（一）气体对焊接质量的影响氧无论以何种形式存在，都会引起强度、塑性、韧性下降，尤其是低温冲击韧性，此外还引起热脆、冷脆和时效硬化。O和C→CO，形成气孔。CO受热膨胀，使熔滴爆炸，造成飞溅。有利一面：抑制硅的还原；降低碳含量；降低氢含量等。（一）气体对焊接质量的影响（二）气体的控制措施1．限制气体的来源2．控制工艺参数3．冶金处理1．限制气体的来源氮主要来源于空气，它一旦进入液态金属，去除就比较困难。因此，控制氮的首要措施是加强对金属的保护，防止空气与金属接触。熔炼时造渣覆盖（真空、惰性气体）保护；焊接时，惰性气体或气渣联合保护。

氢主要来源于水分，包括原材料（炉料、造渣材料、母材、焊接材料等）本身含有的水分、材料表面吸附的水分以及铁锈或氧化膜中的结晶水、化合水等。材料内的碳氢化合物和材料表面的油污等也是氢的重要来源。

氧主要来源于焊材或矿石，在焊接要求比较高的合金钢和活泼金属时，应尽量选用不含氧或氧含量少的焊接材料，如采用高纯度的惰性保护气体，采用低氧或无氧的焊条、焊剂等。限制措施为焊材存放中防吸潮、焊前烘干、除锈和去油污。2．控制工艺参数增大电弧电压时，保护效果变差，液态金属与空气的接触机会增多，使焊缝中氮、氧的含量增加。因此，应尽量采用短弧焊。焊接电流增加时，熔滴过渡频率增加，气体与熔滴作用时间缩短，焊缝中氮、氧含量减少。此外，焊接方法、熔滴过渡特性、电流种类等也有一定的影响。3．冶金处理采用冶金方法对液态金属进行脱氮、脱氧、脱氢等除气处理，是降低金属中气体含量的有效方法。冶金法脱氮液态金属中加入Ti、Al和稀土等对氮有较大亲和力的元素，可形成不溶于液态金属的稳定氮化物而进入熔渣，从而减少金属的氮含量，降低其形成气孔和时效脆化倾向。焊接过程中的脱氢熔池存在时间短暂，因此不能采用熔炼过程时的冶金除氢法。

（1）在焊条药皮和焊剂中加入氟化物

（2）控制焊接材料的氧化势

（3）在药皮或焊芯中加入微量稀土元素

（4）焊后消氢处理（1）在焊条药皮和焊剂中加入氟化物主要是CaF2，焊条药皮中加入7％～8％，即可急剧减少焊缝的氢含量。氟化物的去氢机理主要有以下两种：在酸性渣中，CaF2和SiO2共存时能发生如下化学反应：

2CaF2+3SiO2=2CaSiO3+SiF4

生成的气体SiF4沸点很低（90℃），它以气态形式存在，并与气相中的原子氢和水蒸气发生反应：

SiF4+3H=SiF+3HFSiF4+2H2O=SiO2+4HF反应生成的FH在高温下比较稳定，故能降低焊缝的氢含量。在碱性焊条药皮中，

CaF2首先与药皮中的水玻璃发生反应：

Na2O.nSiO2+mH2O=2NaOH+nSiO2(m-1)H2O2NaOH+CaF2=2NaF

+Ca(OH)2K2O.nSiO2+mH2O=2KOH+nSiO2(m-1)H2O2KOH+CaF2=2KF+Ca(OH)2

与此同时，CaF2与氢和水蒸气发生如下反应：

CaF2+H2O=CaO+2HFCaF2+2H=Ca+2HF

上述反应生成的NaF

和KF与HF发生反应：

NaF+HF=NaHF2KF+HF=KHF2

生成的氟化氢钠和氟化氢钾进入焊接烟尘，从而达到了去氢的目的。（2）控制焊接材料的氧化势气相中的氧可以夺取氢，生成较稳定的OH

，从而减小气相中的氢分压，降低熔池中氢的浓度。因此：适当提高气相的氧化性，有利于降低焊缝的氢含量。焊条药皮中加入碳酸盐或Fe2O3，或采用CO2作保护气体，均可获得氢含量较低的焊缝。因为碳酸盐受热后分解出CO2，Fe2O3则分解出O2，能促使下列反应向右进行：

O+H=OHO2+H2=2OH2CO2+H2=2CO+2OH

在药皮中加入脱氧剂如钛铁，会增加扩散氢的含量。因此，要得到氧和氢含量都低的焊缝金属，在增加脱氧剂的同时，必须采取其他有效的去氢措施。（3）在药皮或焊芯中加入微量稀土元素焊条药皮中加入微量的钇，可显著降低焊缝中扩散氢的含量，同时能提高焊缝的韧性。微量稀土元素碲和硒也有很强的去氢作用。（4）焊后消氢处理焊后立即将焊件加热到350℃，保温1h，可使绝大部分的扩散氢去除。在生产上，对于易产生冷裂的焊件常要求进行焊后脱氢处理。但对于奥氏体钢焊接接头，脱氢处理效果不大。1.5焊接材料和焊接熔渣焊条、焊丝、焊剂、保护气体统称焊接材料。焊接材料对接头性能的影响：①组成焊缝②影响组织及缺陷③影响热影响区熔化热（电弧过程）熔合区性能焊接材料——焊条一、焊条分类

1.根据用途分

①结构钢焊条、耐热钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、低温钢焊条、铸铁焊条、Ni及Ni合金焊条

②国标中又将结构钢分为碳钢及低合金钢焊条

2.按焊接熔渣的碱度分分为酸性焊条、碱性焊条

3.按焊条药皮的类型分氧化钛型焊条、钛钙型焊条、钛铁矿型焊条、氧化铁型焊条、纤维素型焊条和低氢焊条等

4.厚皮焊条和薄皮焊条。1）焊芯

①按照国家标准GB1300—77、GB3429—82、

GB4241—84等选择相应牌号的焊丝作为焊芯，一般碳钢及低合金钢焊丝用H08、H08A

②焊芯中的组成元素

C:等强条件下越低越好，C含量高易引起气孔、飞溅、裂纹等

Mn:用来脱O、S，合金化，含量在0.3-0.55%Si:生成SiO2，易形成夹杂，产生热裂，应加以限制，越少越好

Ni、Cr：对冶金过程不会有太大的影响

S、P：有害，应加以限制焊接材料——焊条焊接材料——药皮2）药皮

①作用机械保护（气、渣配合保护）冶金（脱氧、合金化）改善工艺性能（稳弧）

②原材料

稳弧：含低电离电位元素(K、Ca、Na盐类），如碳酸钾、水玻璃、大理石、长石造气：有机物、碳酸盐造渣：形成具有一定理化性能（流动性、粘度、表面张力、凝固温度、氧化性等)的熔渣，保护熔滴及熔池，改善成形脱氧：亲和力比Fe大的金属及合金，如Mn-Fe、Ti-Fe、Si-Fe、Al等合金化：铁合金或纯金属等粘度：水玻璃、钾、钠、铝酸钠等药皮成形：便于压制，提高焊条表面质量，白泥、云母、钛白粉、糊精等③药皮原材料的种类

矿物类铁合金有机物化工产品：钛白粉、碳酸钾、水玻璃等焊接材料——焊剂一、实芯焊丝CO2保护焊丝、埋弧焊丝、电渣焊丝、氩弧焊丝二、药芯焊丝焊接飞溅小、焊缝成形美观、可合金化焊接材料——焊丝焊接材料的作用机械保护作用气保、渣保、气渣联合保护冶金处理除氧、降杂、合金化、稳弧、脱渣等1.5.2焊接熔渣1.按焊接熔渣的组成物分类：盐型熔渣盐—氧化物型熔渣氧化物型熔渣

下一页盐型熔渣主要由金属氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物组成。如：

CaF2–NaF

、CaF2–BaCl2–NaF

、

KCl-NaCl-Na3AlF6、BaF2-MgF2-CaF2-LiF

盐型熔渣的氧化性很小，主要用于铝、钛等活性金属的焊接。盐—氧化物型熔渣主要由氟化物和金属氧化物组成。如：

CaF2–CaO–Al2O3

CaF2–CaO–SiO2CaF2–MgO–Al2O3–SiO2

这类熔渣的氧化性较小，主要用于重要的低合金高强钢、合金钢及合金的焊接。氧化物型熔渣这类熔渣含有较多的弱碱金属氧化物，是应用最为普遍的一类渣系，如：

MnO–SiO2、

FeO–MnO–SiO2、

CaO–Ti02–SiO2等。这类熔渣一般具有较强的氧化性，用于低碳钢、低合金高强钢的焊接。2、渣体结构及碱度（一）熔渣结构的分子理论（二）熔渣的离子理论（三）熔渣的碱度下一页（一）熔渣结构的分子理论（1）液态熔渣是由自由状态化合物（包括氧化物、氟化物、硫化物的分子等）和复合状态化合物（酸性氧化物和碱性氧化物生成的盐）的分子所组成；（2）氧化物与复合物在一定温度下处于平衡状态；（3）只有渣中的自由氧化物才能与液体金属和其中的元素发生作用。如：（FeO）+[C]=[Fe]+CO

而硅酸铁(FeO)2·SiO2中的FeO

不能参与上面的反应。（二）熔渣的离子理论（1）认为液态熔渣是由正离子和负离子组成的电中性溶液。（2）离子在熔渣中的分布、聚集和相互作用取决于它的综合矩（离子电荷/离子半径）。离子的综合矩越大，说明它的静电场越强，与异号离子的引力越大。（3）液体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。如：

Si4＋

+2[Fe]=2Fe2＋

+[Si]（三）熔渣的碱度

熔渣的氧化能力、粘度等都和熔渣的碱度密切相关，碱度对液态金属的脱硫、脱磷效果也有重要影响。

1、熔渣碱度的分子理论

2、熔渣碱度的离子理论1、熔渣碱度的分子理论

按照分子理论，熔渣的碱度就是熔渣中的碱性氧化物与酸性氧化物浓度的比值。表示为：

碱性氧化物：K2O、Na2O、CaO、MgO、MnO、FeO等，酸性氧化物：SiO2、TiO2、P2O5等。考虑到氧化性强、弱差别，碱度表达式修正为：

当B1＞1为碱性渣，B1＜1为酸性渣，B1=1为中性渣。2、熔渣碱度的离子理论把液态熔渣中自由氧离子的浓度（或氧离子的活度）定义为碱度。渣中自由氧离子的浓度越大，其碱度越大。计算式为：Mi

是渣中第i种氧化物的摩尔分数，ai

是该氧化物的碱度系数。当B2＞0时为碱性渣，B2＜0为酸性渣，B2=0为中性渣。氧化物K2ONa2OCaOMnOMgOFeOSiO2TiO2ZrO2Al2O3Fe2O3ai值9.08.56.054.84.03.4-6.31-4.97-0.2-0.20碱性渣的ai为正值，这是因为碱性氧化物在液态渣中产生O2－，例如：

CaO=Ca2＋

+O2－而酸性氧化物消耗渣中的O2—：

SiO2+2O2－

=SiO44