第10讲 焊接冶金学(3)

第三章 焊接冶金学

第10讲

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上讲回顾焊接熔渣的作用 熔渣的结构 熔渣的碱度 熔渣的物理性能：粘度、表面张力、 熔点、导电性

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3.3 氮、氢对金属的作用

焊接时，焊接区内气相成分重要有CO、 CO2 、 H2O、N2、H2、O2 、金属和熔渣的蒸气以及 它们的分解物和电离物等。 其中对焊接质量影响最大的是N2、H2、O2、

CO2和H2O等，必须加以控制。30 3

1.气体的来源与产生

⑴ 气体的来源焊接区内气体来源于： 焊接材料：如焊条的药皮、焊剂和药芯中的造

气剂、高价氧化物和水分等 热源周围的空气 焊条(丝)和焊件表面存在铁皮、铁锈、油漆

和吸附水等 母材和填充金属自身因冶炼而残留的气体30 4

⑵ 气体的产生焊接区内的气体除了外界侵入或人为直接输入 气体外，一般都是通过如下物化反应产生： ① 有机物的分解和燃烧 如焊条药皮中常用的淀粉、纤维素、糊精等有 机物作通气剂和增塑剂，受热后将发生热氧化分解 反应，产生CO、CO2、 H2和水气等气体。30 5

② 碳酸盐和高阶氧化物的分解

在焊接冶金中常使用碳酸盐，如CaCO3、MgCO3等，用来造气和造渣，也有利于稳定电弧。

当加热超过一定温度时，就开始发生分解，产上CO2气体。

例如：CaCO3=CaO+CO230 6

高阶氧化物主要有Fe2O3和MnO2等，在焊接过 程中将产生逐级分解，也成大量的氧气和低价氧化 物。例如： 6Fe 2O3=4Fe3O4+O2 2Fe3O4=6FeO+O2 4MnO2=Mn2O3+O2 6Mn2O3=4Mn3O4+O2 2Mn3O4=6MnO+O2 307

③材料的蒸发焊接过程中，除焊材中水分蒸发外，金属元素

和熔渣中各种成分在电弧高温下也会蒸发成为蒸气。沸点越低的物质越容易蒸发，从下表中看出： 金属元素Zn、Mg、Pb、Mn的沸点较低，在熔 滴形成和过渡过程中最易蒸发。 氟化物也因沸点低而易于蒸发。

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在焊接过程中，有用元素蒸发不仅造成合金元素损失，甚至产生焊接缺陷，影响 焊接质量，还增加焊接烟尘，污染环境， 影响焊工健康。

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2. 气体分解焊接区内的气体是以分子、原子及离子等状 态存在，一般以分子状态存在的气体须先分解成原 子或离子后才能溶解到金属中。

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在焊接冶金中常见的气体有简单气体和复杂气

体两类：简单气体：由同种原子组成分子的气体，如

N2、H2和O2等，多为双原子气体；复杂气体：由不同原子组成分子的气体，如

CO2和H2O等。

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气体受热后其原子获得足够高的能量后就会分

解为单个原子或离子及电子。下表列出一些常见气体分解的反应式，它们均为吸热反应。表 气体分解反应式

反应式 F2=F+F H2=H+H H2=H+H ++e O2=O+O N2=N+N

ΔH298° KJ/mo

l -270 -433.9 -174.5 -489.9 -711.4

反应式 CO2=CO+1/2O2 H2O=H2+1/2O2 H2O=OH+1/2H2 H2O=H2+O H2O=2H+O

ΔH298° KJ/mol -282.8 -483.2 -532.8 -977.3 12 -1808.3

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从上表的数字反映出各种气体分解的难易程度， 在焊接温度(5000K)下：

H2和O2的分解大都以原子状态存在； N2分解很小，基本上以分子状态存在； CO2气体的分解随温度升高而增加，在焊接 水蒸气分解比较复杂、在不同温度下可按上30 13

温度下几乎完全分解；

表中的反应式分解成H2、O2、H、O等。

3.分布 ⑴ 焊接时，焊接区内气相的成分和数量与焊接 方法、工艺参数、焊接材料种类有关。 焊条电弧焊时，气相的氧化性较大。用碱性

焊条焊接，气相中H2和H2O的含量很少，故称 低氢型焊条； 埋弧焊和中性焰气焊时，气相中CO2和H2O含

量很少，因而气相的氧化性也很小。30 14

⑵ 各种气体的分子、原子和离子在焊接区内的分

布与温度有关。电弧的温度无论是轴向或径向分布都不均匀，

所以它们在电弧中的分布也是不个均匀的。由于测试上的困难，日前尚未了解其分布规律。

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3.3.1 氮对金属的作用 1. 氮在金属中的溶解 空气是氮的主要来源，空气一旦侵入焊接区， 便会发生氮与金属作用。

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