材料成型理論基礎(chǔ)(焊接)-7

1、趙興科趙興科 焊接理論基礎(chǔ)焊接理論基礎(chǔ) 二、氫對(duì)金屬的作用二、氫對(duì)金屬的作用 焊接區(qū)內(nèi)氫的來(lái)源有焊接材料中的各類水分、 焊絲和母材待焊處表面的鐵銹與油污等雜質(zhì)、 電弧周圍空氣中的水蒸汽等。一般熔焊時(shí)總 有或多或少的氫與金屬發(fā)生作用。 2.3 氣體與金屬的作用氣體與金屬的作用 1 氫在金屬中的溶解 根據(jù)氫與金屬的相互作用特點(diǎn)，可以把金屬分 為兩類 氫化物形成金屬： 非氫化物形成金屬。 （1） 氫化物形成金屬與非氫化物形成金屬氫化物形成金屬與非氫化物形成金屬 v 氫化物形成金屬：氫化物形成金屬： 氫在這類金屬中的含量不多時(shí)， 以固溶形成存在于金屬的晶格 間隙中。 含量達(dá)到一定量后，氫與金屬 元素形

2、成比較穩(wěn)定的氫化物， 如ZrH2, TiH2, VH等。 當(dāng)溫度升高時(shí)，氫化物會(huì)發(fā)生 分解，從金屬中逸出，金屬中 的氫含量降低。 這類金屬包括Zr, Ti, V, Ta, Nb等 v 非氫化物形成金屬：非氫化物形成金屬： 氫在這類金屬有一定的溶解 度，尤其是在液體金屬中溶 解度相當(dāng)大。 當(dāng)液體金屬凝固時(shí)，氫的溶 解度發(fā)生突變，急劇降低。 其他大多數(shù)金屬都是非氫化物形成元素。 金屬固態(tài)相變時(shí)氫的溶解度 也發(fā)生突變，氫在面心立方 的奧氏體比體心立方鐵素體 中的溶解度大。 電弧焊時(shí)焊接區(qū)內(nèi)氣相中 的氫不完全是以分子狀態(tài) 存在的，還有相當(dāng)多的原 子氫和離子氫（質(zhì)子）， 因此，電弧焊時(shí)氫的溶解 度比計(jì)算

3、出來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)溶解 度高很多。 氫向金屬中的溶解途徑與焊接方法有關(guān)。 （2）氫的溶解過(guò)程）氫的溶解過(guò)程 氣體保護(hù)焊時(shí)氫通過(guò)氣相與液態(tài)金屬的界面以 原子或質(zhì)子形式溶入金屬； 渣保護(hù)焊時(shí)氫是通過(guò)熔渣溶入金屬； 手弧焊是氣-渣聯(lián)合保護(hù)焊，兩種途徑都可能。 通過(guò)氣相溶解是普通的化學(xué)過(guò)程；通過(guò)熔渣 溶氫的過(guò)程與熔渣的性質(zhì)有關(guān)。 氫通過(guò)熔渣向金屬中溶解時(shí)，氫或者水蒸氣首先 溶于熔渣，溶解在熔渣中的氫主要以O(shè)H-離子的形 式存在。 H2O氣+(O2-) 2(OH-) 含SiO2比較多的渣（酸性渣）中，自由氧離子很少， 水在渣中的溶解度較??； 渣中堿性氧化物越多（堿性渣），自由氧離子越多， 水在渣中的溶解度越大。

4、 渣中的氟化物能降低水在渣中的溶解度。 （OH-）+(F-) (O2-) +HF 2 焊縫金屬中氫及其擴(kuò)散 在非氫化物形成金屬的新凝固的焊縫中，氫主要 以H、H+或H-形式存在于金屬晶格間隙中，形成 固溶體（多數(shù)情況下是過(guò)飽和固溶體）。 這種原子狀態(tài)的氫具有很強(qiáng)的擴(kuò)散能力，可以在 焊縫金屬的晶格中自由擴(kuò)散，成為擴(kuò)散氫擴(kuò)散氫。 一部分的擴(kuò)散氫容易在金屬晶格缺陷、顯微裂紋 和非金屬夾雜邊緣等晶格不連續(xù)的地方發(fā)生聚集， 濃度達(dá)到一定值后結(jié)合成H2分子氫，失去在晶格 自由擴(kuò)散的能力，稱為殘余氫殘余氫。 （1）氫在焊縫中的存在形式）氫在焊縫中的存在形式 焊縫含氫量與焊件放置時(shí)間的關(guān)系 1總氫量 2擴(kuò)散氫

5、 3殘余氫 焊縫金屬中的含氫量 隨時(shí)間變化。 熔敷金屬中的含氫量熔敷金屬中的含氫量 是指焊后立即按標(biāo)準(zhǔn) 方法測(cè)定并換算成標(biāo) 準(zhǔn)狀態(tài)下的含氫量。 含氫量的測(cè)量方法 不同焊接方法獲得熔敷金屬的含氫量 v 低氫型焊條熔敷金屬中的擴(kuò)散氫含量明顯低于 其它類型焊條。 v CO2焊是一種超低氫的焊接方法。 （2）氫在焊接接頭中的擴(kuò)散與分布）氫在焊接接頭中的擴(kuò)散與分布 焊接接頭中氫擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力： 氫含量不同形成的成分梯度； 溫度梯度引起的相對(duì)飽和度； 溫度梯度引起的擴(kuò)散活力； 溫度梯度引起的晶體結(jié)構(gòu)類型改變的相變誘導(dǎo)力等。 氫沿焊縫長(zhǎng)度方向的分布 氫沿焊接接頭橫斷面的分布 1-熔敷金屬；2-焊縫金屬 1-低

6、碳鋼/堿性焊條；2-低碳鋼/鈦型 焊條；3-30CrMnSi/鐵素體焊縫；4- 3-30CrMnSi/鐵素體焊縫；5-工業(yè)純 鐵/纖維素型焊條 3 氫對(duì)焊接質(zhì)量的影響 （1）焊縫氫氣孔）焊縫氫氣孔 如果焊接熔池中吸收了大量 的氫，在結(jié)晶時(shí)由于溶解度 突然下降，使氫處于過(guò)飽和 狀態(tài)，促使氫原子合成反應(yīng)， 生成氫分子（氫氣）在液態(tài) 金屬內(nèi)形成氫氣泡。 當(dāng)氫氣泡的逸出速度小于熔 池結(jié)晶速度時(shí)，殘留在焊縫 金屬中成為氫氣孔。 高溫液體中氫的溶解度比較大。 （2）氫脆與白點(diǎn)）氫脆與白點(diǎn) 氫脆氫脆：氫的存在使鋼室溫附近的塑性嚴(yán)重下降的現(xiàn)象。 氫脆與白點(diǎn)現(xiàn)象與擴(kuò)散氫有關(guān)。擴(kuò)散氫含量較高的 試樣在塑性變形過(guò)程

7、中，由于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和堆積， 金屬內(nèi)形成顯微空腔，擴(kuò)散氫沿位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的方向擴(kuò) 散移動(dòng)，在顯微空腔處聚集，結(jié)合成氫分子，空腔 內(nèi)產(chǎn)生很高的壓力，導(dǎo)致金屬變脆。 焊縫金屬的氫脆程度取決于含氫量、試驗(yàn)溫度、 變形速度及焊縫金屬的組織結(jié)構(gòu)。 白點(diǎn)白點(diǎn)：含氫金屬在其變形斷裂面上出現(xiàn)的銀白色圓形 局部脆斷點(diǎn)，又稱魚(yú)眼。 斷面收縮率與變形時(shí)間的關(guān)系 F焊縫金屬經(jīng)過(guò)去氫處理可以消除氫脆和白點(diǎn)現(xiàn)象。 （3）冷裂紋）冷裂紋 冷裂紋冷裂紋是焊接接頭在較低的溫度（馬氏體轉(zhuǎn)變溫度） 產(chǎn)生的一種裂紋，氫是冷裂紋發(fā)生的三大因素之一。 焊接接頭焊后一段時(shí)間內(nèi)，焊縫中擴(kuò)散氫由于冷卻條件和 金屬組織的變化，常常在熱影響區(qū)的熔合線附近

8、發(fā)生聚集； 如果此處母材已經(jīng)發(fā)生淬火組織，產(chǎn)生一些顯微缺陷，擴(kuò) 散氫于這些顯微缺陷處大量聚集，并結(jié)合成氫分子； 氫氣內(nèi)壓力以及焊接應(yīng)力使顯微缺陷成為裂紋源，周圍脆 性的淬火組織易于裂紋擴(kuò)展，裂紋源發(fā)展成為微裂紋； 附近擴(kuò)散氫不斷向微裂紋聚集，微裂紋不斷長(zhǎng)大，最后成 為宏觀的冷裂紋。 氫致裂紋的擴(kuò)展過(guò)程氫致裂紋的擴(kuò)展過(guò)程 熱影響區(qū)淬硬組織在焊接應(yīng)力作 用下，會(huì)在裂紋敏感的部位形成 有應(yīng)力集中的三向應(yīng)力區(qū)； 氫自發(fā)向這個(gè)地區(qū)擴(kuò)散，使應(yīng)力 進(jìn)一步隨之提高，當(dāng)此部位氫的 濃度達(dá)到臨界值時(shí)，就會(huì)發(fā)生啟 裂和相應(yīng)擴(kuò)展； 裂紋尖端形成新的三向應(yīng)力區(qū)， 重復(fù)上述兩步驟，微裂紋逐漸長(zhǎng) 大，最后發(fā)展成宏觀裂紋。

9、4 氫的控制措施 （1）限制焊接材料中的含氫（水）量）限制焊接材料中的含氫（水）量 焊材的各種原材料都不同程度地 含有各種吸附水、結(jié)晶水、化合 水或溶解的氫，制造低氫型焊材 應(yīng)盡量選用含水（氫）少的原料。 適當(dāng)提高原料的烘焙溫度可降低 其含水量，降低焊縫含氫量。 焊材在大氣中長(zhǎng)期放置時(shí)會(huì)吸潮，吸潮的程度與 焊材類型、組成、環(huán)境和放置時(shí)間有關(guān)。 F焊材使用前烘干是生產(chǎn)上常用的有效降氫的方法。 1E5015 2D-6 3E4303 （2）清除焊絲和焊件表面的雜質(zhì)）清除焊絲和焊件表面的雜質(zhì) 焊絲和焊件待焊面上的鐵銹、油污、吸附的水分 及其他含氫物質(zhì)是焊縫增氫的另一個(gè)重要原因。 為防止焊絲生銹，常常表

10、面鍍銅處理。 焊接鋁、鎂、鈦等金屬及其合金時(shí)，由于表面存 在結(jié)構(gòu)不致密的含水氧化物膜，必須采用機(jī)械或 化學(xué)方法清理。 （3）冶金降氫）冶金降氫 氣體的溶解度與其分壓有關(guān)。在焊接氣氛中引入 能與氫生成高溫穩(wěn)定氫化物的元素可以降低氣相 中氫的分壓，進(jìn)而減少氫在液體金屬中的溶解度。 在高溫下比較穩(wěn)定的氫 化物是HF和OH。 在藥皮和焊劑中加入氟化物； 增加焊接材料的氧化性。 藥皮中加入氟化物和碳酸鹽可以 降低焊縫含氫量； 藥皮中加入脫氧劑（降低氧化勢(shì)） 增加焊縫含氫量； v 為了得到含氫和含氧都低的焊縫 金屬，在增加脫氧的同時(shí)必須采 取其他有效的去氫措施。 氣體的溶解度還與液體金屬的成分有關(guān)，稀土和

11、 其他一些元素能夠顯著降低氫在鋼液中的溶解度。 F藥皮中加入微量的碲或釔均可以 大幅降低焊縫含氫量 （4）焊后脫氫處理）焊后脫氫處理 焊后及時(shí)加熱焊件，促使擴(kuò)散氫外逸，從而減少焊 接接頭中含氫量的工藝稱為脫氫處理脫氫處理。 F通常的脫氫處理工藝為：3501h 三、氧對(duì)金屬的作用三、氧對(duì)金屬的作用 在固態(tài)和液態(tài)都不溶解氧的金屬在固態(tài)和液態(tài)都不溶解氧的金屬，但這類金屬 在焊接時(shí)發(fā)生激烈的氧化，所形成的氧化物以 薄膜或顆粒形式存在，易形成夾雜、未焊透等 缺陷，并使焊接工藝性能變壞。Mg、Al等。 能有限溶解氧的金屬能有限溶解氧的金屬，這類金屬的氧化物能溶 解于相應(yīng)的金屬中。如Fe、Ni、Ti等。 根

12、據(jù)與氧的作用特點(diǎn)，可分成兩類金屬： 1 氧在金屬中的溶解 氧以原子氧和氧化亞鐵FeO兩種形式溶于液態(tài)鐵 中（分別對(duì)應(yīng)于氣相溶解和熔渣溶解）。 氣相溶解氧的溶解度符合平方根定律： 22 OOo PKS 式中：SO氧在液態(tài)鐵中的溶解度； KO2溶解度平衡常數(shù)； PO2氣相中氧氣的分壓。 734. 2 6320 lg T O 最大溶解度： 2 2 O O PP 2 2O OPP 金屬被還原 平衡狀態(tài) 金屬被氧化 金屬氧化物的分解壓 可以作為判斷金屬氧化 還原反應(yīng)的判據(jù)。 2 O P 在金屬-氧-金屬氧化物系統(tǒng)中，氧的分壓為 2 O P 則 2 2 2OFeFeO 由于FeO溶于鐵中，所占比例很小，分

13、解的可能性很小， 分解壓很少，因此，焊接區(qū)域內(nèi)微量的氧即可使鐵氧化。 （1）氧氣對(duì)金屬的氧化）氧氣對(duì)金屬的氧化 2 2 O O PP 鋼液中常含有其他與氧的親和力比鐵的元素，如C、 Si、Mn等，它們與氧發(fā)生反應(yīng)： COOC 2 2 1 )( 2 1 2 MnOOMn )( 22 SiOOSi 焊接區(qū)域的氧化性程度常用合金元素的過(guò)渡系數(shù)衡量。 過(guò)渡系數(shù)過(guò)渡系數(shù)：元素由焊絲過(guò)渡到熔敷金屬中的百分?jǐn)?shù)。 （2）CO2氣對(duì)金屬的氧化氣對(duì)金屬的氧化 CO2分解時(shí)氣相的平衡成分與溫度 的關(guān)系 焊接電弧溫度（3000K）下，CO2 幾乎完全分解，分解得到的氧的 分壓超過(guò)空氣中氧的分壓，氧化 性超過(guò)空氣； 溫

14、度越高，CO2分解出的氧越多， 氧化性越強(qiáng)，熔滴階段對(duì)金屬 的氧化性比熔池階段大。 焊接不銹鋼時(shí)，焊縫有增碳現(xiàn)象， 尤其是焊絲中存在親氧元素。 焊縫增碳的原因 3)(3 2 32 COAlCOAl 3)(3 2 32 COCrCOCr F為了防止焊縫增碳，在不銹鋼焊條藥皮中加入Cr2O3， 并適當(dāng)減少碳酸鹽含量。 （3）混合氣對(duì)金屬的氧化）混合氣對(duì)金屬的氧化 焊接區(qū)域的氣體是多種氣體的混合物，在高溫下的 組成和分布難以測(cè)量，可以利用室溫下測(cè)得的氣相 成分，計(jì)算出高溫下氣相中氧的分壓，并與FeO的 分解壓對(duì)比，粗略判斷混合氣體對(duì)金屬的氧化還原 反應(yīng)的方向。 鈦鐵礦焊條析出的氣體在接近熔池的溫度（

15、2000K）是 還原性的，在更高的溫度下是氧化性的； 低氫焊條析出的氣體在高于熔池結(jié)晶溫度的情況下都是 氧化性的。 室溫計(jì)算出的兩種類型焊條氣相中的氧分壓與FeO的分解壓 （焊縫的含氧量對(duì)鈦鐵礦焊條取0.1%,低氫焊條取0.02%） 2 氧對(duì)焊接質(zhì)量的影響 1）力學(xué)性能力學(xué)性能 氧在焊縫中不論以何種形式存在都影響焊 縫的力學(xué)性能，通常使強(qiáng)度、塑性和韌性明顯下降。 氧對(duì)焊縫金屬的物理和化學(xué) 性能也有影響，如降低焊縫 的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性和抗蝕性 等，在焊接有色金屬、活性 金屬和難熔金屬時(shí)氧的有害 作用更加突出。 2） CO氣孔氣孔 溶解在熔池中的氧與碳發(fā)生反應(yīng)，生成不 溶于金屬的CO，在熔池結(jié)晶時(shí)CO氣泡來(lái)不及逸出就 會(huì)形成氣孔。 3） 焊接過(guò)程焊接過(guò)程 熔滴中的含氧