焊接化学冶金过程的区域性与连续性优化

焊接化学冶金过程是分区域（或阶段）连续进行的，各区的反应物性质和浓度、温度、反应时间、相接触面积、对流及搅拌运动等反应条件有较大的差异。由于反应条件的不同也影响着反应进行的可能性、方向、速度及限度。

不同的焊接方法有不同的反应区。焊条电弧焊时有三个反应区：药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区，如图3-1所示。熔化极气体保护焊只有熔滴反应区和熔池反应区。钨极氩弧焊及电子束焊则只有熔池反应区。下面以焊条电弧焊为例进行分析。

1.药皮反应区

在电弧热的作用下，焊条端部的固态药皮中开始发生物理化学反应，主要是水分的蒸发、某些物质的分解及铁合金的氧化。这一区域的温度范围是从100℃至焊条药皮的熔点（对于结构钢焊条约为1200℃）。

图3-1 焊接化学冶金反应区

Ⅰ—药皮反应区 Ⅱ—熔滴反应区 Ⅲ—熔池反应区

T₁—药皮开始反应温度 T₂—焊条端部熔滴温度T₃—弧柱间熔滴温度 T₄—熔池最高温度 T₅—熔池凝固温度

当焊条药皮被加热时，其中的吸附水开始蒸发。加热温度超过100℃，吸附水全部蒸发。加热温度达到200～400℃时，药皮中某些组成物（如白泥、白云母）中的结晶水将被排除。化合水则需要更高的温度才能析出。当药皮加热到一定温度时，其中的有机物（如木粉、纤维素等）开始分解和燃烧，形成CO₂、CO及H₂等气体。药皮中所含的碳酸盐和高价氧化物也要发生分解，如菱苦土（MgCO₃）、大理石（CaCO₃）、赤铁矿（Fe₂O₃）与锰矿（MnO₂）等分解形成CO₂、O₂等气体。

药皮反应区中的物理化学反应形成了大量的气体，这些气体一方面对熔化金属起机械保护作用；另一方面对母材和药皮成分中的锰铁、钛铁等铁合金起强烈的氧化作用。当温度达到600℃以上时，药皮中的铁合金会发生明显的氧化，反应的结果是气相的氧化性大大下降，这个过程就是“先期脱氧”。

总之，药皮反应区的反应产物为熔滴反应区及熔池反应区提供了反应物。这一阶段对于焊接化学冶金的全过程及焊接质量有着重要的影响。

2.熔滴反应区

焊条金属熔化后，是以熔滴形式过渡到熔池中去的。从熔滴的形成、长大，到过渡到熔池中，这一阶段称为熔滴反应区。与炼钢冶金相比，这个反应区有如下特点：

（1）熔滴温度高、过热度大 对于钢材的电弧焊接，熔滴的平均温度为1800～2400℃，所以，熔滴的过热度为300～900℃。而炼钢时达不到这样高的温度。

（2）熔滴金属与气体、熔渣的接触面积大 通常熔滴的比表面积为1×10³～1×10⁴ cm²／kg，比炼钢时大约1×10³倍。

（3）各相之间的冶金反应时间短 熔滴在焊条末端长大及停留的时间，仅为0.01～0.1s。熔滴向熔池过渡的速度高达2.5～10m／s。熔滴经过弧柱区的时间只有1×10^－4～1×10^－3s。因此，在熔滴反应区各相接触的平均时间约为0.01～1s。所以，熔滴阶段的反应主要是在焊条末端进行的。(www.xing528.com)

（4）熔滴金属与熔渣发生强烈混合 焊条熔化时不仅熔滴表面包着一层熔渣，熔滴内部也包含着熔渣质点，其最大尺寸可达50_μm。熔滴金属与熔渣的混合增加了两相的接触面积，有利于反应物及产物的运动，从而使反应速度加快。

熔滴反应区的冶金反应时间比较短暂，由于该区的温度很高，相接触面积较大，以及液态金属与熔渣的强烈混合，所以冶金反应最激烈。许多冶金反应在熔滴反应区内可以进行到接近终了的程度，因此，对于焊缝成分的影响很大。在熔滴反应区内进行的主要物理化学反应有金属的蒸发、气体的分解及溶解、金属及其合金成分的氧化与还原、焊缝金属的合金过渡等。

3.熔池反应区

熔滴和熔渣落入到熔池中，立即与熔池中的液态金属混合。同时，各相之间仍然进行着复杂的物理化学反应，直至温度降低，熔池金属凝固而形成焊缝金属。

（1）熔池反应区的物理条件 熔池的温度分布是很不均匀的。其前半部分由于温度高而进行着金属的熔化、气体的吸收，有利于发展吸热反应。熔池的后半部分由于温度下降而进行着金属的凝固、气体的逸出，并且有利于发展放热反应。所以，同一个反应在熔池的两个部分可以向相反的两个方向进行。

熔池的平均温度比较低，为1600～1900℃。它的比表面积较小，为3～130cm²／kg。反应时间稍长一些，但也不超过几十秒，焊条电弧焊时熔池存在时间为3～8s，埋弧焊时为6～25s。由于熔池的强烈搅拌运动，加快了反应速度，同时也为熔池中的气体及非金属质点的逸出创造了良好的条件。

（2）熔池反应区的化学条件 熔池反应区中反应物的浓度与平衡浓度之差比熔滴阶段小。所以，在相同的条件下，熔池中的反应速度比熔滴阶段的要小。

当焊条药皮重量系数K_b（单位长度焊条药皮与焊芯的重量之比）较大时，与熔池金属作用的熔渣数量大于与熔滴金属作用的熔渣数量。其原因是：当K_b较大时，有一部分熔渣不与熔滴作用，而直接流入熔池中与液体金属进行冶金反应。图3-2为具有氧化型药皮的焊条进行焊接时，熔滴和熔敷金属的含硅量与K_b的关系。从该图可以看出，随着K_b的增加，在开始阶段，无论是熔滴中还是熔敷金属中的含硅量都是迅速减少的。这表明，随着K_b的增加，硅的氧化损失是增大的。当K_b≥0.18（相当于焊条药皮厚度为1mm）时，熔滴中硅的氧化损失趋于稳定，而熔池中则由于那些未与熔滴作用的熔渣使硅继续氧化，所以熔敷金属中的含硅量一直下降。

从这个试验结果可以推论出，焊条存在一个临界的药皮厚度δ₀，超过δ₀的药皮所形成的熔渣不与熔滴接触，只与熔池金属进行反应。所以，增加焊条药皮厚度可以加强熔池阶段的冶金反应。显然，临界药皮厚度δ₀与药皮成分和焊接参数有关。

还应指出的是，熔池反应区的反应物质是不断更新的，由于熔池前半部分不断熔化新的母材，焊芯和药皮熔化后也进入熔池，而凝固的金属和熔渣从熔池的后半部分不断地退出熔池反应区。在焊接参数保持稳定不变的情况下，熔入与凝固的交替过程可以形成相对的稳定状态，这种情况下焊缝金属的成分是均匀的。

图3-2 熔滴和熔敷金属中的 含硅量与K_b的关系

［焊芯为H35MnSi（w_Si＝1.24％）、药皮中赤铁矿40％、萤石60％（质量分数）］

○—熔滴 ●—熔敷金属

总之，熔池阶段的反应速度比熔滴阶段小，并且在全部的冶金反应中，熔池阶段的作用比较小。通过以上的分析可知，焊接化学冶金过程是电弧气氛、熔渣与液态金属之间的高温多相反应。它是分区域连续进行的，在各阶段上进行冶金反应的综合结果，决定了焊缝金属的化学成分，从而影响着焊接接头的力学性能与焊接质量。