1. 2 第一节 成形工艺中的冶金反应特点 3 液态成形的化学冶金过程主要发生在金属的熔炼阶 段。主要的物理化学反应为金属的氧化、金属的脱 磷、脱碳、脱氧、脱硫和合金化等。 金属熔炼过程中温度较低，约在 1600 ℃以下。温度 变化范围不大，液态金属的体积较大，熔炼时间较 长，冶金反应进行的较充分和完全，可采用物理化.

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2 2 第一节 成形工艺中的冶金反应特点

3 3 液态成形的化学冶金过程主要发生在金属的熔炼阶 段。主要的物理化学反应为金属的氧化、金属的脱 磷、脱碳、脱氧、脱硫和合金化等。 金属熔炼过程中温度较低，约在 1600 ℃以下。温度 变化范围不大，液态金属的体积较大，熔炼时间较 长，冶金反应进行的较充分和完全，可采用物理化 学中的平衡方程进行分析与计算，易控制金属中各 元素的含量，保证达到化学成分的设计要求。 一 液态成形的冶金反应特点

4 4 连接成形的物理化学冶金过程不能完全使用普通化 学冶金的规律来研究焊接的化学冶金问题。 焊接冶金过程既具有阶段性特征又是互相依赖的连 续过程。电弧焊分为药皮反应区、熔滴反应区及熔 池反应区。各区间反应条件及反应类型有较大差别。 不同的焊接方法有不同的冶金反应区。 简述各反应区的特点。 二 连接成形的冶金反应特点

5 5 1 药皮反应区, 亦称造渣反应区 加热温度较低 ( 低于 药皮熔化温度 ) ，反应部位在焊条前端的套筒附近。 该区冶金反应 水的蒸发及药皮中固态物质 ( 有机物、 大理石、高价氧化物 ) 的分解。通过改善焊接区的 气氛，为焊接冶金反应提供气体和熔渣。 2 熔滴反应区特点 (1) 温度高； (2) 熔滴的比表面积大，可达 10 3 ～ 10 4 cm 2 /kg 。 二 连接成形的冶金反应特点

6 6 熔滴反应区进行的冶金反应有：气体的分解 和溶解，金属的蒸发，金属及其合金的氧化、 还原，以及焊缝金属的合金化等。 由于反应时间短促，一般为 1s ，故不利于冶 金反应达到平衡状态。 二 连接成形的冶金反应特点

7 7 3 熔池反应区 平均温度低于熔滴区，比表面积小。 熔池不同部位进行的冶金反应程度不同。熔池头部 处于升温阶段，发生金属的熔化和气体的吸收，有 利于吸热反应的进行；熔池尾部发生金属的凝固， 气体逸出，有利于放热反应的进行。 总之，焊接化学冶金过程是分区域连续进行的。各 阶段冶金反应的综合才能决定焊缝金属的最终成分。 二 连接成形的冶金反应特点

8 8 第二节 液态金属与气体界面的反应 ( 见 “ 第七章液态金属与气相的相互作用 ”)

9 9 第三节 液态金属与熔渣的反应 ( 见 “ 第八章液态金属与熔渣的相互作用 ”)

10 10 第四节 合金化

11 11 合金化 把需要的合金元素加入到金属中去的 过程。合金化的目的 对液态成形 ---- 改善金 属的组织与性能，或为了获得具有特殊性能 的金属。对于焊接成形 ---- 首先，补偿在高温 下金属由于蒸发或氧化造成的损失；其次是 为了消除缺陷，改善焊缝金属的组织与性能， 或为了获得具有特殊性能的堆焊金属。 一 合金化的目的

12 12 (1) 通过合金焊丝或带极 (2) 通过药芯焊丝或药皮 ( 或焊剂 ) (3) 通过合金粉末 (4) 通过从金属氧化物中还原金属 二 合金化的方式

13 13 过渡系数 η 表征合金元素利用率高低的参数。 η 等 于它在熔敷金属中的实际含量与它的原始含量之比。 或者单位长度焊条中药皮重量与焊芯重量之比。 三 合金化的效果 Cd— 合金元素在熔敷金属中的含量 Ce— 合金元素的原始含量 Ccw— 合金元素在焊丝中的含量 Cco — 合金元素在药皮中的含量 Kb — 焊条药皮的重量系数

14 14 已知 η 值及有关数据，可以计算出合金元素在熔敷金属中 的含量 Cd ，依具体焊接工艺条件确定熔合比，求出它在 焊缝中的含量。相反，根据对熔敷金属成分的要求，可 求出在焊条药皮中应具有的合金元素含量。 不同合金的 η 值不同。若合金元素对氧的亲和力越大，其 氧化烧损越大， η 值越小。合金元素的沸点越低，其蒸发 损失越大， η 值越小。 η 值与其在药皮中的含量、粒度，熔渣的成分，药皮的重 量系数等均有较大的关系。 三 合金化的效果

15 15 第五节 工艺条件对冶金反应的影响

16 16 焊接工艺条件的改变 ( 如方法、参数等 ) 会引起冶金反应 条件 ( 反应物的种类、数量、浓度、温度、反应时间等 ) 的变化和反应过程： 1 熔合比 ( 焊缝中局部熔化母材所占比例 ) 影响 θ =Ap/(Ap+Ad) Ap— 焊缝截面中母材所占的面积 θ— 熔合比 Ad— 焊缝截面中填充金属所占的面积 不考虑冶金反应造成的成分变化，焊缝的成分仅仅取 决于母材金属与焊条金属的比例。焊缝中某合金元素 的含量可用下式计算： C0=θCb+(1-θ)Ce C0— 元素在焊缝金属中的质量分数 Cb— 该元素在母材中的质量分数 Ce— 该元素在焊条中的质量分数

17 17 若考虑合金元素在焊接中的损失，则焊缝金属中 某合金元素的实际含量 Cw 为： Cw=θCb+(1-θ)Cd Cd— 熔敷金属中某元素 ( 实际过渡到熔池中的焊 条金属 ) 的质量分数 Cb— 该元素在母材中的质量分数 利用上式可以估算出焊缝的化学成分。另外， 通过改变熔合比，可以改变焊缝金属的化学成 分。如在堆焊中，调整焊接参数，采用小的熔 合比以减少母材成分对堆焊层的影响。

18 18 2 熔滴过渡特性的影响 焊接参数对熔滴过渡特性的影响进而对冶金反 应产生影响。如熔滴反应区的反应时间随电流 的增加而变短，随电弧电压的增加而变长。 总之，焊接化学冶金系统是是一个复杂的高温 多相反应系统，影响因素多，而焊接区的不等 温条件，排除了整个系统平衡的可能性。但是 在系统的个别部分，仍可能出现个别反应的短 暂平衡状态。因此，通过热力学计算，可以确 定冶金反应的最大可能方向、发展趋势和影响 因素等，作定性的分析还是很有益的。

19 19 http://jpkc.hfut.edu.cn/jpkc2004/2004/cxyn/kejian/xia/11/110401.htm