熔化焊冶金过程

出处：按学科分类—工业技术 河南科学技术出版社《钣金技术手册》第713页（2738字）

熔化焊是利用在电极与工件间的气体介质中长时间而有力放电的电弧所产生的热量使被焊工件及填充金属局部熔化，然后凝固成牢固接头的方法。

(一)焊接过程

1．电弧的引燃过程

如图10－1所示，焊接前将焊件和焊条分别接到焊接电源的两极，将焊条与工件瞬时接触短路，造成接触点处电流密度瞬间增至相当大值并产生相当大的电阻热，迅速将焊条药皮和两极金属熔化并蒸发。随即焊条轻轻抬起，焊条端头与工件之间则充满了药皮已电离的电荷和金属蒸气，电荷在强电场和高温共同作用下，动能很大，高速度向工件方向运动，并与电弧间的气体介质发生撞击，碰撞的结果不仅使气体介质进一步电离形成电流，引燃了电弧(图10－1a)，同时，由于强大的电热阻，还使电弧温度进一步升高至5000～8000K。只要维持一定的电压，放电过程就能连续进行，从而使电弧连续燃烧。

图10－1 焊缝成型过程

a．焊接电弧 b．焊接冶金

焊条与焊件接头处在电弧热作用下被迅速熔化形成熔池。随着电弧沿焊接处向前移动，新的熔池不断产生，而留在电弧后面的熔池金属开始冷却凝固形成焊缝(图10－1b)，从而将被焊工件连接成整体。

2．电弧的极性及选用

由图10－1可见，焊接电弧可分为三个区域，即阳极区、弧柱区和阴极区。阳极区和阴极区的温度因电极材料的熔点不同而不同。用钢焊条焊接时，阳极区温度为2600K，阴极区温度为2400K，电弧中心区温度可达5000～8000K。

由于电弧产生的热量在阳极和阴极上有一定差异，因此在使用直流电焊机焊接时，有正接和反接两种接线方法(图10－2)。正接是将工件接正极，焊条或电极接负极，所产生的直流电弧可用于焊接厚钢板件、不锈钢、耐热钢等材料，以及钨极氩弧焊和等离子切割；而反接则是将工件接负极，焊条或电极接正极，多用于焊接薄钢板件及CO₂气体保护焊和熔化极氩弧焊等。

图10－2 直流电焊机的正接与反接

(二)焊接冶金

1．焊接冶金特点

焊接电弧作用下的熔化金属、熔渣和气体三者之间，同冶金过程类似，要进行熔化、氧化、还原和渗合金等一系列物理化学反应，但这些反应与冶金过程相比，有以下特点：

(1)焊接电弧和熔池金属的温度高(1800℃)：金属元素氧化、烧损强烈，并使电弧区的气体分解呈原子状态，增加了气体的活泼性，促使金属烧损或形成有害杂质。若不采取措施，焊缝中合金元素(Si、Mn)含量则低于母材的合金元素含量，使焊缝力学性能低于母材的力学性能，工作中会造成断裂。

(2)熔池体积小(仅2～3cm³)：液态金属停留时间短(仅10s)，各种化学反应难以达到平衡状态，焊缝中化学成分不够均匀，导致焊缝力学性能不均；并且气体和杂质来不及浮出熔池，使焊缝中易产生气孔和夹渣等缺陷。

(3)焊接电弧和熔池都暴露在空气中：若无任何保护，空气中的O₂、N₂侵入电弧和熔池，使焊缝金属元素易被强烈氧化和氮化，致使焊缝力学性能下降，尤其是冲击韧性会显着降低。

氧和熔化金属直接接触，将发生下列反应：

FeO进入熔池还将把钢中一些元素氧化成CO、MnO和SiO₂，形成FeO·SiO₂、MnO·SiO₂等熔渣，使钢中的C、Mn、Si等大量烧蚀。当熔池迅速冷却后，一部分氧化物、熔渣残存在焊缝金属中，会造成气孔和夹渣。

氮与铁会发生下列反应：

Fe₄N呈针状夹杂物分布在焊缝中时，能显着降低焊缝的冲击韧性。

2．为保证焊缝质量必须采取的工艺措施

(1)造成有效的保护，防止有害元素进入熔池：其主要措施是机械保护，如采用焊条药皮、自动焊焊剂和气体保护焊的保护气体(CO₂、Ar)等，将焊接区的熔滴和熔池与空气隔绝，以防止空气进入。另外，焊前要清除工件坡口及两侧的锈、水、油污，烘干焊条等。

(2)渗合金元素以保证焊缝化学成分：如在焊条药皮(或焊剂)中加入合金剂(Mn-Fe、Si-Fe、Ti-Fe、CaF₂)，或在焊丝内加入Si、Mn等合金元素。焊接时，合金元素可以直接过渡到熔池中，以弥补熔池中有用合金元素的蒸发和烧损，甚至会增加焊缝中某些合金元素的含量，以提高焊缝的力学性能。

(3)脱氧脱硫和脱磷等：黑色金属焊接时，在药皮或焊剂中加入脱氧剂(Mn-Fe、Si-Fe、Ti-Fe)，脱硫、磷剂(Mn-Fe、CaCO3)和脱氧剂(CaF₂)，最大限度地除去有害杂质O、S、P、H，保证焊缝力学性能、抗气孔能力和抗裂性能。其反应如下：

FeO+Mn→MnO+Fe

FeS+Mn→MnS(渣)+Fe

CaCO₃→CaO+CO₂^/p>

FeS+CaO→CaS+FeO

2Fe↓（3P+5FeO→P₂O₅+11Fe

P₂O₅+3CaO→(CaO)₃·P₂O₅

有色金属焊接时，焊缝表面需使用熔剂除去有害杂质。常用的熔剂有粉301和粉401等。