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1、第八章成形过程的冶金反应原理1第1页，共20页，编辑于2022年，星期三第一节第一节 成形工艺中的冶金反应特点成形工艺中的冶金反应特点2第2页，共20页，编辑于2022年，星期三液态成形的化学冶金过程主要发生液态成形的化学冶金过程主要发生在金属的熔炼阶段。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。碳、脱氧、脱硫和合金化等。金属熔炼过程中金属熔炼过程中温度较低，约在温度较低，约在1600以下。温度变化范以下。温度变化范围不大，液态金属的体积较大，熔炼时间较长，冶金反应围不大，液态金属的体积较大，熔炼时间
2、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。成分的设计要求。一 液态成形的冶金反应特点3第3页，共20页，编辑于2022年，星期三连接成形的物理化学冶金过程连接成形的物理化学冶金过程不能完全使用不能完全使用普通化学普通化学冶金的规律来研究焊接的化学冶金问题。冶金的规律来研究焊接的化学冶金问题。焊接冶金过程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。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
3、应区、熔滴反应区及熔池反应区。各区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。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。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。简述各反应区的特点。二 连接成形的冶金反应特点4第4页，共20页，编辑于2022年，星期三1 药皮反应区药皮反应区,亦称造渣反应区亦称造渣反应区 加热温度较低加热温度较低(低于药低于药皮熔化温度皮熔化温度)，反应部位在焊条前端的套筒附近。，反应部位在焊条前端的套筒附近。该区冶金反应该区冶金反应 水的蒸发及药皮中固态物质水的蒸发及药皮中固态物质(有机物、有机物、大
4、理石、高价氧化物大理石、高价氧化物)的分解。通过改善焊接区的气氛，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。为焊接冶金反应提供气体和熔渣。2 熔滴反应区特点熔滴反应区特点 (1)温度高，温度高，2100-2200；(2)熔滴的比表面积大熔滴的比表面积大，可达，可达103104cm2/kg。二 连接成形的冶金反应特点5第5页，共20页，编辑于2022年，星期三熔滴反应区进行的冶金反应有：熔滴反应区进行的冶金反应有：气体的分解和溶气体的分解和溶解，金属的蒸发，金属及其合金的氧化、还原，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。以及焊缝金属的合金化等。由于反
5、应时间短促，一般为由于反应时间短促，一般为1s，故不利于冶金反应，故不利于冶金反应达到平衡状态。达到平衡状态。二 连接成形的冶金反应特点6第6页，共20页，编辑于2022年，星期三3 熔池反应区熔池反应区 平均温度低于熔滴区，比表面积小。熔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。池不同部位进行的冶金反应程度不同。熔池头部熔池头部 处于处于升温阶段，发生金属的熔化和气体的吸收，有利于吸热升温阶段，发生金属的熔化和气体的吸收，有利于吸热反应的进行；反应的进行；熔池尾部熔池尾部发生金属的凝固，气体逸出，发生金属的凝固，气体逸出，有利于放热反应的进行。有利于放热反应的进行。
6、总之，总之，焊接化学冶金过程是分区域连续进行的。各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。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7第7页，共20页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 液态金属与气体界面的反应液态金属与气体界面的反应(见见“第七章液态金属与气相的相互作用第七章液态金属与气相的相互作用”)8第8页，共20页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 液态金属与熔渣的反应液态金属与熔渣的反应(见见“第八章液态金属与熔渣的相互作用第八章液态金属与熔渣的相互作用”)9第9页，共20页，编辑于2022年，星期三第
7、四节第四节 液态金属的净化与精炼液态金属的净化与精炼(见见“第九章液态金属的净化与精炼第九章液态金属的净化与精炼”)10第10页，共20页，编辑于2022年，星期三第五节第五节 合金化合金化11第11页，共20页，编辑于2022年，星期三合金化合金化 把需要的合金元素加入到金属中去的过把需要的合金元素加入到金属中去的过程。程。合金化的目的合金化的目的 对液态成形对液态成形-改善金属的组改善金属的组织与性能，或为了获得具有特殊性能的金属。织与性能，或为了获得具有特殊性能的金属。对对于焊接成形于焊接成形-首先，补偿在高温下金属由于蒸发首先，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
8、陷，改善焊或氧化造成的损失；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。堆焊金属。一 合金化的目的12第12页，共20页，编辑于2022年，星期三(1)通过合金焊丝或带极通过合金焊丝或带极(2)通过药芯焊丝或药皮通过药芯焊丝或药皮(或焊剂或焊剂)(3)通过合金粉末通过合金粉末(4)通过从金属氧化物中还原金属通过从金属氧化物中还原金属二 合金化的方式13第13页，共20页，编辑于2022年，星期三过渡系数过渡系数 表征合金元素利用率高低的参数。表征合金元素利用率高低的参数。等等于于它在熔敷金属中的实际含量与它的原始含
9、量之比。它在熔敷金属中的实际含量与它的原始含量之比。三 合金化的效果Cd合金元素在熔敷金属中的含量合金元素在熔敷金属中的含量Ce合金元素的原始含量合金元素的原始含量 Ccw合金元素在焊丝中的含量合金元素在焊丝中的含量Cco 合金元素在药皮中的含量合金元素在药皮中的含量 Kb 焊条药皮的重量系数焊条药皮的重量系数14第14页，共20页，编辑于2022年，星期三已知已知值及有关数据，值及有关数据，可以计算出合金元素在熔敷金属中的可以计算出合金元素在熔敷金属中的含量含量CdCd，依具体焊接工艺条件确定熔合比，求出它在焊缝，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
10、要求，可求出在中的含量。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。焊条药皮中应具有的合金元素含量。不同合金的不同合金的值不同。值不同。若合金元素对氧的亲和力越大，其氧化若合金元素对氧的亲和力越大，其氧化烧损越大，烧损越大，值越小。合金元素的沸点越低，其蒸发损失越值越小。合金元素的沸点越低，其蒸发损失越大，大，值越小。值越小。值与其在药皮中值与其在药皮中的含量、粒度，熔渣的成分，药皮的重量系数的含量、粒度，熔渣的成分，药皮的重量系数等均有较大的关系。等均有较大的关系。三 合金化的效果15第15页，共20页，编辑于2022年，星期三第六节第六节 工艺条件对冶金反应的影
11、响工艺条件对冶金反应的影响16第16页，共20页，编辑于2022年，星期三焊接工艺条件的改变焊接工艺条件的改变(如方法、参数等如方法、参数等)会引起冶金反应条件会引起冶金反应条件(反应物反应物的种类、数量、浓度、温度、反应时间等的种类、数量、浓度、温度、反应时间等)的变化和反应过程：的变化和反应过程：1 熔合比熔合比(焊缝中局部熔化母材所占比例焊缝中局部熔化母材所占比例)影响影响 =Ap/(Ap+Ad)Ap焊缝焊缝截面中母材所占的面截面中母材所占的面积积 熔合比熔合比 Ad焊缝焊缝截面中填充金属所占的面截面中填充金属所占的面积积 不考不考虑虑冶金反冶金反应应造成的成分造成的成分变变化，化，焊缝
12、焊缝的成分的成分仅仅仅仅取决于母材金属与取决于母材金属与焊焊条金属的比例。条金属的比例。焊缝焊缝中某合金元素的含量可用下式中某合金元素的含量可用下式计计算：算：C0=Cb+(1-)CeC0元素在元素在焊缝焊缝金属中的金属中的质质量分数量分数Cb该该元素在母材中的元素在母材中的质质量分数量分数Ce该该元素在元素在焊焊条中的条中的质质量分数量分数17第17页，共20页，编辑于2022年，星期三 若考虑合金元素在焊接中的损失，若考虑合金元素在焊接中的损失，则焊缝金属中则焊缝金属中某合金元素的实际含量某合金元素的实际含量Cw为：为：Cw=Cb+(1-)Cd Cd熔敷金属中某元素熔敷金属中某元素(实际过
13、渡到熔池中的焊实际过渡到熔池中的焊条金属条金属)的质量分数的质量分数 Cb该元素在母材中的质量分数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，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。合比以减少母材成分对堆焊层的影响。18第18页，共20页，编辑于2022年，星期三2 熔滴过渡特性的影响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焊接参数对熔滴过渡特性的影响进而对冶金
14、反应产生影响。如熔滴反应区的反应时间随电流应产生影响。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。的增加而变短，随电弧电压的增加而变长。总之总之，焊接化学冶金系统是是一个复杂的高温，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。因素等，作定性的分析还是很有益的。19第19页，共20页，编辑于2022年，星期三http:/