1.2 金属熔焊的原理
熔焊是一个靠近焊缝的母材被加热、冷却和焊缝金属结晶并随后冷却的加工过程。熔焊时，被焊金属（母材）和填充金属在热源作用下熔融在一起，并形成具有一定几何形状的液体金属叫做熔池，冷却凝固后即称为焊缝。图1-2所示为焊条电弧焊示意图。
1.焊接熔池的特点
焊接熔池在极短的时间内要经过一系列的高温冶金反应，当电弧离开之后便冷却结晶，它的结晶与一般钢锭结晶相比，具有以下独特的特点：
1）由于熔池体积小，周围被冷却金属包围，所以熔池冷却速度很快。
2）熔池中液体金属的温度比一般浇注钢液的温度高得多，过渡熔滴的平均温度约为2300℃，熔池平均温度约为1700℃，所以熔池中的液体金属处于过热状态。
图1-2 焊条电弧焊示意图
3）熔池中心液体温度高，熔池边缘凝固界面处散热快，冷却速度大，因而熔池结晶是在很大的温差条件下进行的。
4）熔池一般随电弧的移动而移动，因此熔池的形状和结晶组织受焊接速度的影响。此外，焊条的摆动、电弧的吹力等对熔池有强烈的搅拌作用，使熔池内的熔化金属在运动状态下结晶，即熔池前半部abc进行熔化过程，而后半部cda进行凝固过程，如图1-3所示。
熔焊时，随着电弧的移动，熔池的结晶过程一直在连续地进行着。它的结晶速度相当于焊接速度。因此焊接速度越慢，熔池体积越大，则焊缝冷却就越慢，晶粒尺寸也就越粗大，焊缝金属的塑性和韧性也就越差。
2.焊缝金属的结晶
熔焊时，液体熔池从高温冷却到常温，中间经过两次组织变化过程。第一次是从液态转变成固态时的结晶过程，称为一次结晶。第二次是当焊缝金属温度降至相变温度时，又发生了组织转变，这叫做焊缝的二次结晶。焊接熔池一次结晶过程如图1-4所示。
（1）一次结晶 一次结晶是在液态金属中发生的。熔焊时，随着电弧的移去，熔池液态金属温度降低，原子间的活动能力逐渐减小。当温度降低到熔点时，液体金属中有一些原子就开始最先排列起来，形成所谓的“晶核”，然后晶核就依靠吸附周围液体中的原子进行生长，称为“长大”。
图1-3 熔池在运动状态下结晶
图1-4 焊接熔池一次结晶过程
a）开始结晶 b）晶体长大 c）形成柱状晶体 d）结晶过程结束
由于液体熔池中的热量主要是通过熔合线向母材方向散失，因此接触熔合线处的一层液体金属降温最快，并首先凝固结晶，如图1-4a所示；因晶体不可能向已凝固的金属扩散，故晶体向着与散热方向相反的方向长大，如图1-4b所示；晶体向两侧方向的生长也很快受到相邻的正在生长晶体的阻挡，主要的生长方向于是指向熔池中心，并形成柱状结晶，如图1-4c所示；当柱状晶体不断长大到互相接触时，焊缝这一截面的结晶过程就结束了，如图1-4d所示。焊接熔池中的一次结晶，通常是在不平衡的冷却条件下进行的，容易出现偏析现象。偏析是指合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象。例如低碳钢，若在晶界上碳和其他杂质元素的含量比钢的平均含量略高些，就称为碳或杂质在晶界上的偏析。焊缝中的偏析主要有显微偏析、区域偏析和层状偏析三种。
影响显微偏析的重要因素是金属的化学成分。金属的化学成分不同，金属开始结晶和结晶完了的区间就不相同。结晶区间越大，就越容易发生显微偏析。一般低碳钢焊接时，由于结晶开始和结束的温度区间不大，所以显微偏析现象不严重，但高碳钢和合金钢焊接时，显微偏析很严重，常常会导致热裂纹等缺陷，所以高碳钢和合金钢在焊后必须进行扩散和细化晶粒的热处理。
整个焊缝金属范围内的合金元素分布不均匀的现象称为区域偏析。对焊缝的横截面来说，焊缝的周界结晶早，金属成分纯，而低熔点合金元素和杂质集中在焊缝横截面中部，形成区域偏析。影响区域偏析的因素主要有焊接材料、冷却速度、焊缝断面形状等。
周期性的结晶造成晶体沿着生长方向溶质含量和杂质含量周期性地变动，即一层含量高，一层含量低，这种交替分布的偏析现象称为层状偏析。
（2）二次结晶 焊缝金属的组织是在一次结晶之后，金属继续冷却到相变温度以下，经过二次结晶而得到的实际组织。如低碳钢一次结晶的组织都是奥氏体，当冷却到低于相变温度时，奥氏体分解为铁素体和珠光体，所以二次结晶后的组织大部分是铁素体加少量珠光体。但由于焊缝的冷却速度很快，所以珠光体的含量一般都比平衡状态组织中的含量大。冷却速度越快，珠光体含量越高，而铁素体含量越少；相反，冷却速度太慢，如在1100℃以上，凝固温度以下停留时间过长，则二次结晶后铁素体是晶粒粗大、性能不好的过热铁素体组织，在焊接时应尽量避免这种情况。
3.气体对焊缝金属的影响
焊接过程中，熔池周围有大量的气体，这些气体主要来自电弧周围的气体介质，焊条药皮中造气剂产生的气体，药皮或焊剂受潮后蒸发出来的水蒸气、焊条药皮或焊剂中残留的结晶水在高温下分解放出的气体，被焊金属（母材）表面上的铁锈、水分、油漆等杂质在焊接电弧作用下分解出来的气体，母材、焊芯及焊丝在制造过程中或冶炼时残留在其内部的气体等。焊接区内的气体不断与熔池金属发生作用，有些还要进入到焊缝金属中，影响焊缝金属的质量。
（1）氮对焊缝金属的影响 焊接区的氮主要来自空气。它在高温时溶入熔池，并能溶解在凝固的焊缝金属中。随着温度下降，氮的溶解度降低，析出的氮与铁形成化合物，以针状夹杂物形式存在于焊缝金属中。
氮的含量较高，将对焊缝金属力学性能有较大的影响，如硬度和强度提高，塑性降低。此外，氮也是形成气孔的原因之一。由于氮主要来源于空气，故电弧越长，氮侵入熔池也越多。熔池保护差，氮侵入也多。
（2）氢对焊缝金属的影响 焊接区中的氢主要来自受潮的药皮或焊剂中的水分、焊条药皮中的有机物以及工件表面的铁锈、油脂、油漆等物质。
通常情况下，氢不和金属化合，但它能够溶解于Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等金属。温度越高，氢溶解的数量越多。焊接时冷却速度很快，由于相变时气体的溶解度发生突变，容易造成过饱和的氢残留在焊缝金属中形成气孔，而且还会产生许多有害作用，引起氢脆性、白点、硬度升高，使钢的塑性下降，严重时会引起裂纹。
（3）氧对焊缝金属的影响 焊接区的氧主要来自周围的空气，其次是药皮中的氧化物和工件表面的铁锈、水分等分解产物。
氧在电弧高温作用下分解为原子，原子氧对金属的作用比分子氧更大。焊接时，金属的氧化发生在熔滴和熔池金属的表面。由于氧化的结果，使焊缝中的有益元素大量烧损，氧化的产物一般漂浮到熔渣中去，有时也会以夹杂物的形式存在于焊缝中。
焊缝中的含氧量增加，就会使它的抗拉强度、屈服强度、塑性和冲击韧度下降，尤其是冲击韧度的下降更为明显。此外，还会使焊缝金属的耐蚀性降低，加热时有晶粒长大的趋势，且冷脆的倾向增加。氧与碳、氢反应，生成不溶于金属的气体CO和H2O，若这种反应是在结晶温度时进行，由于熔池已经开始凝固，CO和H2O就不能顺利逸出，便会形成气孔。
要防止熔池金属氧化，首先必须要采取有效的措施减少氧的来源，特别是防止空气中氧的侵入。进入熔池中的氧通常以FeO形式溶解，而设法排除熔池金属中FeO的过程就叫做金属的脱氧。
4.控制焊缝质量的措施
影响焊缝质量的因素很多，在焊接加工原理上，主要是从控制焊缝金属的脱氧、脱硫、脱磷等方面进行的。
（1）焊接熔渣的作用 熔渣是焊接时由焊条药皮或焊剂熔化后经过冶金反应而形成的。焊接熔渣是多种化学成分的复杂体系。焊接熔渣在焊接过程中起到的主要作用是：
1）保证电弧集中、稳定，使熔滴金属容易过渡。
2）机械保护作用。焊接时，生成的熔渣覆盖在熔滴和熔池的表面上，把液态金属与空气隔离开，保护液态金属不被氧化和氮化。液态熔渣凝固后所形成的渣壳覆盖在焊缝上，也可以防止处于高温的焊缝金属受空气的有害作用。
3）改善焊接工艺性能。具有适宜物化性能（熔点、粘度、表面张力、膨胀系数等）的熔渣可使焊条具有良好的全位置焊接适应性，电弧容易引燃，并能连续燃烧，飞溅小，焊缝成形美观，保证脱渣容易，焊缝具有良好的成形等。
4）冶金处理作用。生成的熔渣和液态金属能够发生一系列的物理化学反应。在一定的条件下，熔渣可以除去焊缝中的有害杂质（如脱硫、脱磷、脱氧等），保护有益元素，向焊缝过渡所需要的合金元素，使其合金化，满足焊缝金属所需的各种性能要求。
（2）焊缝金属的脱氧 焊缝金属的脱氧有先期脱氧、沉淀脱氧和扩散脱氧三种途径。
1）先期脱氧。先期脱氧即焊接时药皮中的脱氧剂（锰铁、硅铁、钛铁、铝铁等）与氧反应，生成氧化物，转入熔渣中固定下来，尽早地把氧控制住。先期脱氧的脱氧剂种类与药皮成分、熔渣碱度有很大关系。酸性焊条主要用锰铁作脱氧剂，碱性焊条主要用硅铁、钛铁、铝铁作脱氧剂。
2）沉淀脱氧。沉淀脱氧是利用熔池中的合金元素进行脱氧。脱氧产物不溶于熔池而进入熔渣。脱氧对象主要是溶解于熔池中的FeO。常用的脱氧剂有Mn、Si、Ti。
3）扩散脱氧。利用氧化物能溶解于熔渣的特性，通过扩散使氧化物从熔池金属进入熔渣中，从而降低金属中氧化物浓度的过程，叫做扩散脱氧。
（3）焊缝金属的脱硫 硫是钢中的有害杂质之一。硫在低碳钢中以FeS和MnS的形式存在。MnS在液态铁中溶解度极小，容易排入渣中。FeS可溶解在液态铁中，但溶于固态铁中的却很少，因此在熔池结晶过程中即析出，与Fe、FeO等形成低熔点共晶体，并存在于晶界上。当焊缝冷却收缩时，焊缝在内应力的作用下导致热裂纹。
焊缝金属中的硫是从母材、焊丝、焊条药皮或焊剂在熔焊过程中进入熔池金属的。因此要降低焊缝金属中的含硫量，首先必须限制原材料的含硫量，其次在焊接过程中脱硫，其主要办法有元素脱硫和熔渣脱硫。
1）元素脱硫。在液体金属中加入一些对硫的亲和力比对铁的亲和力大的元素，把铁从FeS中还原出来。脱硫后生成的硫化物应能溶解于熔渣，而在金属中的溶解则越少越好。常用的脱硫元素是锰。
2）熔渣脱硫。熔渣脱硫主要是通过MnO、CaO和CaF2来进行的。
MnO的脱硫反应：FeS+MnO→MnS+FeO
CaO的脱硫反应：FeS+CaO→FeO+CaS
CaF2在脱硫时，一方面氟与硫化合生成挥发性的化合物，另一方面CaF2与SiO2作用可生成CaO，有利于脱硫，其反应式为
SiO2+2CaF2→2CaO+SiF4
（4）焊缝金属的脱磷 磷是钢中的有害杂质之一。磷以铁的磷化物形式存在于钢中，而Fe3P等能与铁形成低熔点共晶体，聚于晶界上，易引起热裂纹。这些低熔点共晶体削弱了晶粒间的结合力，使钢在常温或低温时变脆（即冷脆性），造成冷裂纹。
焊接时的脱磷过程主要是使磷氧化生成P2O5。生成的P2O5在高温时很不稳定，容易分解，若采用强碱性氧化物（CaO）与酸性的P2O5生成稳定的磷酸盐，反应后的磷酸盐便进入到熔渣中。实际上，通过焊接冶金来脱磷比较困难，一般采用严格控制原材料中含磷量的方法降低磷的危害。
（5）焊缝金属的合金过渡 合金过渡就是把所需要的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属（或堆焊金属）中的过程。合金过渡的目的是：①补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成的合金元素的损失，获得成分、组织和力学性能与母材相同或相近的焊缝金属；②消除焊接缺陷，改善焊缝金属的组织和性能；③获得具有特殊性能的堆焊金属。合金过渡的方式主要有：应用合金焊丝或带极，应用药芯焊丝或药芯焊条，应用合金药皮或粘结焊剂，应用合金粉末，通过从金属氧化物中还原金属的方式合金化等。
为了说明合金过渡的情况，常用过渡系数η（%）来表示，即
式中 η——合金元素过渡系数（%）；
CF——焊缝金属中某元素的含量；
CT——该元素在焊条中的原始总含量。
影响合金元素过渡系数η的因素很多，其中主要因素有焊接熔渣的酸碱度和合金元素本身对氧的亲和力。