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1、第31卷第1期焊接学报Vol.31No.12010年1月TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONJanuary2010电化学作用对直流焊接熔滴金属致氧量的影响李晓泉,初雅杰,杨宗辉(南京工程学院材料工程学院,南京211167)摘要:在对熔滴金属电化学致氧动力学分析基础上,用试验室自行设计制作的不同碱度系列烧结焊剂,采用在水冷铜板表面进行快速直流埋弧焊接方法提取出无熔池熔滴金属,以获取出熔滴金属质量几何信息并进而进行冶金电化学致氧量分析.结果表明,随着熔渣碱度的增
2、大,钢-渣界面电化学作用愈加强烈,冶金电化学致氧量也愈加突出.就所研究CaO2Al2O32SiO2渣系而言,当碱度值增至1.52时,冶金电化学致氧程度几乎可以达到与冶金热化学相当的程度,因而在直流焊接工艺制订及高碱度焊接材料研制中是一不可忽视的冶金致氧因素.关键词:电化学;直流焊接;熔滴金属;致氧;碱度中图分类号:TG445文献标识码:A文章编号:0253-360X(2010)01-0029-04李晓泉0序言1熔滴金属冶金电化学致氧动力学根据近代熔渣的结构理论,液态熔渣中既存在为应用菲克扩散定律来讨论
3、熔滴生长阶段的电中性分子,同时又存在带有正电荷的阳离子以及带化学致氧量,在图1的球坐标中,球状熔滴的半径为有负电荷的阴离子.在直流焊接情况下,焊接电弧r0,以熔滴金属的球心为坐标原点.由于在半径为r的阴极区域和阳极区域又伴随有恒定的电流,而其的球面上的径向流量Jr可表示为中部分流经钢-渣界面的电流必然会引起液态熔渣5cJr=D(1)中带电离子的定向移动,从而在钢-渣界面发生电5rr子的得失诱发电化学致氧.式中:D为氧离子的扩散系数;c为自由氧离子的浓20世纪90年代以来,美国伊利诺大学(Univer2
4、度.在半径为r+dr球面上的径向流量Jr+dr为sityofIllionis)、科罗拉多矿业学院(ColoradoSchoolJ=-D5c=-D5c+55cdrr+dr[1-5]5rr+dr5rr+dr5r5rofMines)等学者用试验方法证实了焊接过程冶(2)金电化学现象的存在,作者在以前的工作中也对电[6-8]化学致氧行为作了一些研究.但这种冶金电化学致氧对焊接过程致氧量的影响程度尚未作更多的考究.目前国内外学者在焊接化学冶金研究过程中也大都忽略了该问题.这显然只能是在其对化学冶金过程影响度很小
5、的前提下才是可取的.若是相反,这种冶金电化学作用则有可能对钢-渣界面的致氧结果产生较大的影响,因此有必要对该问题作进一步的研究.收稿日期:2008-09-15基金项目:国家自然科学基金项目(50544025);江苏省自然科学基图1熔滴反应区球坐标示意图金项目(BK2009354);江苏省高校“青蓝工程”中青年学Fig11Sketchofsphericalcoordinateindropletreaction术带头人培养对象资助项目,南京工程学院科研基金项area目(KXJ08136)30焊接学报第31
6、卷故在r球面与r+dr两个球面的极薄球壳体内考虑到熔滴金属在焊丝尖端生长期间,表面积5c与时间呈线性增长关系,在焊接准稳定状态下熔滴的氧离子浓度随时间t的变化率如下.5t金属的表面积Sm可表示为2225c=4πrJr-4π(r+dr)Jr+dr=D5c+25cSm=Sm0+(Smτ-Sm0)t/τ(9)225r4πrdr5rr5r式中:Sm0为熔滴金属脱落后焊丝尖端残余熔滴金属(3)的表面积;Smτ为过渡熔滴金属的表面积.式(3)的初始边界条件如下.将式(9)代入式(8)可得熔滴金属的电化学致(1)c
7、(r,0)=c0即焊剂刚熔化形成液态熔渣瞬氧电荷量Q为时,自由氧离子浓度按液态熔渣中氧离子浓度c0均τ11匀分布.Q=zFDc0∫[τSm0+(Smτ-Sm0)t]dtτ0πDt(2)c(r≥rcr,t)=c0距离钢-渣界面足够远处,r达到一定值rcr后,由于不存在导致电化学作用=zFcDτ2(S)(10)0π2Sm0+mτ-Sm0的浓差极化,此时的氧离子浓度即等同于初始浓度3c.则由于电极反应的析氧量m可表示为0(3)c(r0,t)=0表示在钢-渣界面,由于冶金QMDτ2m==Mc02Sm0+(Sm
8、τ-Sm0)电化学反应的速度极快,界面上由于电极反应导致zFπ3的电荷堆积为零.(11)满足以上初始边界条件的微分方程(3)的解为式中:M为氧原子的摩尔质量(g/mol).r0r-r0若用试验法测出过渡熔滴金属质量mr及Smτ,c(r,t)=c01-erf(4)r2DtSmo,即可根据上式确定熔滴金属中的电化学致氧量r-r0w[O](%),即式中:erf为误差函数.2DtMc0Dτ2w[O]=2Sm0+(Smτ-Sm0)(12)将上式进行r偏微分,令r=
