焊接化学冶金过程的特点

出处：按学科分类—工业技术 河南科学技术出版社《焊接技术手册》第22页（1325字）

熔化焊与一般炼钢的液相冶金反应比较，具有反应区温度高，熔化金属与气相、熔渣的接触面积(比表面积)大，反应时间短，分区域连续进行等特点。焊接钢时的冶金反应的某些物理条件如表2－1所示。

表2－1 焊接钢时冶金反应的物理条件

熔化焊冶金反应时间虽短，但温度很高，各相间的接触面积大，增加了合金元素的烧损和蒸发，高温下，电弧空间的气体(H₂、N₂、O₂、CO、H₂O等)分解，呈原子状态，增大了气体的活泼性，促进液态金属对气体的吸收。

因反应时间短暂，相间变化迅速，多数焊接冶金反应没有达到平衡，但很接近平衡，特别是气相中的反应，几乎达到平衡。因此，可利用一般热力学规律，定性地分析焊接冶金的方向和限度，并可近似地计算出高温下气相的成分，并估计它们对熔化金属的作用。

熔化焊冶金过程是分区域连续进行的，不同的焊接方法有不同的反应区。药芯焊丝、非熔炼焊剂埋弧焊和手工电弧焊有三个反应区：药剂反应区、熔滴反应区和熔池反应区；实芯焊丝熔化极气体保护焊和熔炼焊剂埋弧焊具有熔滴反应区和熔池反应区；钨极氩弧焊和高能束焊则只有熔池反应区。

药剂反应区：在焊接过程中，由于热的作用，药皮或药芯的各种组成物之间在固态下也会发生物理变化和化学反应，如水分的蒸发、某些物质的分解和铁合金的氧化等，为熔滴和熔池阶段提供了反应物，对整个焊接过程有一定的影响。

熔滴反应区：贯穿在熔滴的形成、长大以及过渡到熔池中的全过程，该区具有温度高、相间反应面积大、单位熔滴停留时间短等特点。以手工电弧焊为例，钢焊芯活性斑点温度接近2800℃，平均温度1800～2400℃；熔滴的比表面积极大，可达1000～10000cm2²／kg，极易和气体、熔渣发生冶金反应；熔滴停留时间短，仅有0．01～0．1s，过渡速度7．5～1Om／s，经过弧柱区的时间极短，仅有0．0001～0．001s，整个区内各相接触的平均时间0．01～ls，该区反应时间虽短，但因温度高，反应接触面积大，搅拌作用强烈，冶金反应强烈，因而对焊缝成分影响最大，主要的物理化学冶金反应是金属的蒸发、气体的分解和溶解，金属的氧化还原及合金化等。

熔池反应区：与熔滴反应区不同，熔池的平均温度比较低，焊钢时，为1600～1900℃；比表面积较小，反应时间稍长，手工电弧焊通常为3～8s，埋弧焊时6～25s，在电弧气氛的作用下，熔池中的液体金属有规律地搅拌，有助于加快反应速度，有助于熔池中过饱和及不溶解气体和熔渣质点的外逸；熔池的温度分布极不均匀，因此，同一熔池的前后部分往往同一时刻发生完全相反的反应，如熔池的前半部分发生金属的熔化和气体的吸收过程以及硅锰的还原反应，而熔池的后半部分则发生金属的凝固和气体的析出过程以及某些元素的氧化反应等。