焊接氣孔與夾雜形成機理與防止措施PPT課件

1、普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、氣孔的分類及形成機理一、氣孔的分類及形成機理二、夾雜物的形成及防止措施二、夾雜物的形成及防止措施第1頁/共24頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、氣孔的分類及形成機理一、氣孔的分類及形成機理 析出性氣孔析出性氣孔 侵入性氣孔侵入性氣孔 反應性氣孔反應性氣孔 第2頁/共24頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理1、析出性氣孔、析出性氣孔 液態(tài)金屬在冷卻凝固過程中，因液態(tài)金屬在冷卻凝固過程中，因氣體溶解度下降，氣體溶解度下降，析出的氣體來不及逸出而產(chǎn)生的氣孔

2、稱為析出性氣析出的氣體來不及逸出而產(chǎn)生的氣孔稱為析出性氣孔孔。這類氣孔主要是。這類氣孔主要是氫氣孔氫氣孔和和氮氣孔氮氣孔。 溶解在液態(tài)金屬中的氣體元素在凝固時也會出現(xiàn)溶解在液態(tài)金屬中的氣體元素在凝固時也會出現(xiàn)偏析。一般偏析。一般最后凝固部位的枝晶間氣體濃度遠高于最后凝固部位的枝晶間氣體濃度遠高于平均濃度平均濃度，且由于此時液態(tài)金屬中雜質元素的濃度，且由于此時液態(tài)金屬中雜質元素的濃度也很高，便為析出性氣體的形核創(chuàng)造了有利條件。也很高，便為析出性氣體的形核創(chuàng)造了有利條件。 第3頁/共24頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理高溫下溶解在液態(tài)金屬中高溫下溶解在液態(tài)金屬

3、中氣體元素的析出方式有：氣體元素的析出方式有：擴散析出；擴散析出；形成化合物析出；形成化合物析出；聚集成氣泡析出。聚集成氣泡析出。 后者析出過程為：后者析出過程為： 形形 核核 長長 大大 上上 浮浮rp2圖圖11-11 氣泡脫離現(xiàn)成表面示意圖氣泡脫離現(xiàn)成表面示意圖a）90 b）90b)氣泡氣泡氣泡氣泡a)氣泡依附于現(xiàn)成表面生核可以降低形核功，氣泡依附于現(xiàn)成表面生核可以降低形核功，相鄰枝晶間的凹陷部位最容易形核。相鄰枝晶間的凹陷部位最容易形核。氣泡內各氣體分壓的總和大于氣泡所受的外氣泡內各氣體分壓的總和大于氣泡所受的外部壓力總和時氣泡才能長大。氣泡尺寸越小，部壓力總和時氣泡才能長大。氣泡尺寸越

4、小，由表面張力所產(chǎn)生的附加壓力越大。由表面張力所產(chǎn)生的附加壓力越大。氣泡的半徑越小，或液態(tài)金屬的密度越小、粘度越氣泡的半徑越小，或液態(tài)金屬的密度越小、粘度越大，氣泡上浮速度越小。若氣泡上浮速度小于結晶大，氣泡上浮速度越小。若氣泡上浮速度小于結晶速度，氣泡就會滯留在凝固金屬中形成氣孔。速度，氣泡就會滯留在凝固金屬中形成氣孔。2)(92rgBm氣體的析出過程氣體的析出過程第4頁/共24頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理析出性氣孔的特征析出性氣孔的特征 析出性氣孔通常分布在鑄件的整個斷面或冒口、熱節(jié)等析出性氣孔通常分布在鑄件的整個斷面或冒口、熱節(jié)等溫度較高的區(qū)域。

5、當金屬含氣量較少時，呈裂紋多角形狀；溫度較高的區(qū)域。當金屬含氣量較少時，呈裂紋多角形狀；而含氣量較多時，氣孔較大，呈團球形。而含氣量較多時，氣孔較大，呈團球形。 焊縫金屬產(chǎn)生的析出性氣孔焊縫金屬產(chǎn)生的析出性氣孔多數(shù)出現(xiàn)在焊縫表面。氫氣孔多數(shù)出現(xiàn)在焊縫表面。氫氣孔的斷面形狀如同螺釘狀，從焊的斷面形狀如同螺釘狀，從焊縫表面上看呈喇叭口形，氣孔縫表面上看呈喇叭口形，氣孔四周有光滑的內壁。氮氣孔一四周有光滑的內壁。氮氣孔一般成堆出現(xiàn)，形似蜂窩。般成堆出現(xiàn)，形似蜂窩。第5頁/共24頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理2、侵入性氣孔、侵入性氣孔 將液態(tài)金屬澆入砂型時，將液

6、態(tài)金屬澆入砂型時，砂型或砂芯砂型或砂芯在金屬液的在金屬液的高溫作用下會高溫作用下會產(chǎn)生大量氣體產(chǎn)生大量氣體，隨著溫度的升高和氣，隨著溫度的升高和氣體量的增加，金屬體量的增加，金屬-鑄型界面處氣體的壓力不斷增鑄型界面處氣體的壓力不斷增大。當界面上局部氣體的壓力高于外界阻力時，氣大。當界面上局部氣體的壓力高于外界阻力時，氣體就會侵入液態(tài)金屬，體就會侵入液態(tài)金屬，在型壁上形成氣泡在型壁上形成氣泡。氣泡形。氣泡形成后將成后將脫離型壁脫離型壁，浮入型腔液態(tài)金屬中。當氣泡，浮入型腔液態(tài)金屬中。當氣泡來來不及上浮逸出不及上浮逸出時，就會在金屬中形成侵入性氣孔。時，就會在金屬中形成侵入性氣孔。第6頁/共24頁

7、普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理侵入性氣孔的特征侵入性氣孔的特征 侵入性氣孔的特征是侵入性氣孔的特征是數(shù)量較少數(shù)量較少、體積較大體積較大、孔、孔壁光滑、表面有氧化色，常出現(xiàn)在壁光滑、表面有氧化色，常出現(xiàn)在鑄件表層或近表鑄件表層或近表層層。形狀多呈梨形、橢圓形或圓形，梨尖一般指向。形狀多呈梨形、橢圓形或圓形，梨尖一般指向氣體侵入的方向。侵入的氣體一般是水蒸氣、一氧氣體侵入的方向。侵入的氣體一般是水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳、氫、氮和碳氫化合物等?；?、二氧化碳、氫、氮和碳氫化合物等。 第7頁/共24頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基

8、本原理 焊縫金屬中存在的反應性氣孔通常是焊縫金屬中存在的反應性氣孔通常是 CO氣孔，氣孔，是由液態(tài)金屬中的是由液態(tài)金屬中的 O 與與 C 直接反應生成。直接反應生成。3、反應性氣孔、反應性氣孔 液態(tài)金屬內部或與鑄型之間發(fā)生化學反應而產(chǎn)生液態(tài)金屬內部或與鑄型之間發(fā)生化學反應而產(chǎn)生的反應性氣孔：的反應性氣孔： 金屬與鑄型間的反應性氣孔金屬與鑄型間的反應性氣孔 金屬與熔渣間的反應性氣孔金屬與熔渣間的反應性氣孔 液態(tài)金屬內元素間的反應性氣孔液態(tài)金屬內元素間的反應性氣孔第8頁/共24頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理金屬與鑄型間的反應性氣孔金屬與鑄型間的反應性氣孔 與

9、侵入型氣孔的區(qū)別在于反應性氣孔來源于液態(tài)金與侵入型氣孔的區(qū)別在于反應性氣孔來源于液態(tài)金屬與鑄型間的化學冶金作用，而侵入型氣孔主要是高溫屬與鑄型間的化學冶金作用，而侵入型氣孔主要是高溫液態(tài)金屬對鑄型的物理作用。液態(tài)金屬對鑄型的物理作用。 Fe + H2O FeO + H2 含氮樹脂砂分解含氮樹脂砂分解 N2 金屬金屬(或鑄型或鑄型)中的中的 C 氧化氧化 CO 金屬金屬-鑄型間反應性氣孔常分布在鑄件表面皮鑄型間反應性氣孔常分布在鑄件表面皮下下 13 mm 處，通稱為皮下氣孔，其形狀有球狀處，通稱為皮下氣孔，其形狀有球狀和梨狀，孔徑約和梨狀，孔徑約 13 mm 。有些皮下氣孔呈細長。有些皮下氣孔呈

10、細長狀，垂直于鑄件表面，深度可達狀，垂直于鑄件表面，深度可達 10 mm 左右。左右。第9頁/共24頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理金屬與熔渣間的反應性氣孔金屬與熔渣間的反應性氣孔當液態(tài)金屬中含有混入的熔渣（當液態(tài)金屬中含有混入的熔渣（ FeO）時，會和液態(tài)金屬）時，會和液態(tài)金屬（或鑄型）中的（或鑄型）中的 C 反應：反應：當采用石灰石砂型時，若有砂粒進入鋼液當采用石灰石砂型時，若有砂粒進入鋼液 會發(fā)生：會發(fā)生：熔渣作為氣孔形核的基底，最終形成的氣孔內含有白色的熔渣作為氣孔形核的基底，最終形成的氣孔內含有白色的 CaO 與與 FeO 殘渣所以又稱為渣氣孔。

11、殘渣所以又稱為渣氣孔。 COFeCFeO 23COCaOCaCOCOFeOFeCO2第10頁/共24頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理液態(tài)金屬內元素間的反應性氣孔液態(tài)金屬內元素間的反應性氣孔 （1 1）碳）碳- -氧反應性氣孔氧反應性氣孔 溶解在液態(tài)金屬中的氧與碳反應，生成溶解在液態(tài)金屬中的氧與碳反應，生成CO氣泡，氣泡，凝固時來不及浮出的氣泡形成凝固時來不及浮出的氣泡形成 CO 氣孔氣孔。鑄件中的。鑄件中的 CO 氣孔多呈蜂窩狀（其周圍出現(xiàn)脫碳層），而焊縫中的氣孔多呈蜂窩狀（其周圍出現(xiàn)脫碳層），而焊縫中的 CO 氣孔為沿結晶方向的條蟲狀。氣孔為沿結晶方向的

12、條蟲狀。（2 2）氫）氫- -氧反應性氣孔氧反應性氣孔 溶解在液態(tài)金屬中的溶解在液態(tài)金屬中的O和和H 反應生成反應生成 H2O 氣泡，氣泡，產(chǎn)生產(chǎn)生水氣孔水氣孔。這類氣孔主要出現(xiàn)在銅合金鑄件中。這類氣孔主要出現(xiàn)在銅合金鑄件中。（3 3）碳）碳- -氫反應性氣孔氫反應性氣孔 鑄件最后凝固的液相中，含有較高濃度的鑄件最后凝固的液相中，含有較高濃度的 H 和和 C 時，將生成時，將生成甲烷（甲烷（CH4）氣孔）氣孔。第11頁/共24頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、夾雜物的形成及防止措施二、夾雜物的形成及防止措施 夾雜物的來源及分類夾雜物的來源及分類 鑄件中的

13、夾雜物鑄件中的夾雜物 焊縫中的夾雜物焊縫中的夾雜物 第12頁/共24頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理1 1、夾雜物的來源及分類、夾雜物的來源及分類自身雜質自身雜質反應產(chǎn)物反應產(chǎn)物主要來源爐料中的雜質爐料中的雜質焊材、母材中的雜質焊材、母材中的雜質熔煉過程反應產(chǎn)物熔煉過程反應產(chǎn)物與周圍介質與周圍介質（氣、固、液態(tài)）（氣、固、液態(tài)）間的反應產(chǎn)物間的反應產(chǎn)物第13頁/共24頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理夾夾雜雜物物的的分分類類 按夾雜物化學成分按夾雜物化學成分 按夾雜物形成時間按夾雜物形成時間 按夾雜物形狀按夾雜物形狀 氧

14、化物氧化物硫化物硫化物硅酸鹽硅酸鹽 初生夾雜物初生夾雜物次生夾雜物次生夾雜物二次氧化夾雜物二次氧化夾雜物 球形球形多面體多面體不規(guī)則多角形不規(guī)則多角形條狀條狀 第14頁/共24頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理夾雜物對金屬性能的影響夾雜物對金屬性能的影響 夾雜物破壞了金屬的連續(xù)性，使強度和塑性下降；夾雜物破壞了金屬的連續(xù)性，使強度和塑性下降； 尖角形夾雜物易引起應力集中，顯著降低沖擊韌性和疲尖角形夾雜物易引起應力集中，顯著降低沖擊韌性和疲勞強度；勞強度； 易熔夾雜物分布于晶界，不僅降低強度且能引起熱裂；易熔夾雜物分布于晶界，不僅降低強度且能引起熱裂； 促進氣

15、孔的形成促進氣孔的形成，既能吸附氣體，又促使氣泡形核；，既能吸附氣體，又促使氣泡形核； 在某些情況下，也可利用夾雜物改善金屬的某些性能，在某些情況下，也可利用夾雜物改善金屬的某些性能，如提高材料的硬度、增加耐磨性以及細化金屬組織等。如提高材料的硬度、增加耐磨性以及細化金屬組織等。第15頁/共24頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理2、鑄件中的夾雜物、鑄件中的夾雜物u 初生夾雜物初生夾雜物u 二次氧化夾雜物二次氧化夾雜物 u 次生夾雜物次生夾雜物 第16頁/共24頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理初生夾雜物初生夾雜物 在在金屬

16、熔煉過程中金屬熔煉過程中及爐前處理時形成，經(jīng)歷及爐前處理時形成，經(jīng)歷偏晶析出和聚合長大兩個階段。偏晶析出和聚合長大兩個階段。（1 1）夾雜物的偏晶析出）夾雜物的偏晶析出 在對金屬進行脫氧、脫硫和孕育處理時，在對金屬進行脫氧、脫硫和孕育處理時，從液態(tài)從液態(tài)金屬中偏晶析出，使金屬中雜質元素含量降低：金屬中偏晶析出，使金屬中雜質元素含量降低：nmBALTL 201（2 2）夾雜物的聚合長大）夾雜物的聚合長大 夾雜物從液相中析出時尺寸很?。▋H有幾個微米），數(shù)量夾雜物從液相中析出時尺寸很?。▋H有幾個微米），數(shù)量卻很多（數(shù)量級可達卻很多（數(shù)量級可達108個個/cm3）。由于對流或密度差上?。?。由于對流或密

17、度差上浮或下沉，發(fā)生高頻率的碰撞和機械粘連。夾雜物粗化后運或下沉，發(fā)生高頻率的碰撞和機械粘連。夾雜物粗化后運動速度加快，以更高的速度與其他夾雜物碰撞、聚合長大。動速度加快，以更高的速度與其他夾雜物碰撞、聚合長大。熔點較低的夾雜物會重新熔化，尺寸大、密度小的夾雜物熔點較低的夾雜物會重新熔化，尺寸大、密度小的夾雜物則會浮到液態(tài)金屬表面。則會浮到液態(tài)金屬表面。 第17頁/共24頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理二次氧化夾雜物二次氧化夾雜物 液態(tài)金屬液態(tài)金屬與大氣或氧化性氣體接觸與大氣或氧化性氣體接觸時，會很快時，會很快氧化氧化形成氧化薄膜形成氧化薄膜。在。在澆注及

18、充型澆注及充型過程中，表面過程中，表面氧化膜會被氧化膜會被卷入液態(tài)金屬內部卷入液態(tài)金屬內部，而此時液體的溫度，而此時液體的溫度下降較快，卷入的氧化物在凝固前來不及上浮到表下降較快，卷入的氧化物在凝固前來不及上浮到表面，便在金屬中形成二次氧化夾雜物。這類夾雜物面，便在金屬中形成二次氧化夾雜物。這類夾雜物常出現(xiàn)在常出現(xiàn)在鑄件上表面鑄件上表面、型芯下表面或死角處型芯下表面或死角處。第18頁/共24頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理次生夾雜物 次生夾雜物是指次生夾雜物是指合金凝固過程中合金凝固過程中，由于偏析，由于偏析，溶質元素及雜質元素將富集于枝晶間尚未凝固的溶質

19、元素及雜質元素將富集于枝晶間尚未凝固的液相內，處于過飽和狀態(tài)而發(fā)生偏晶反應：液相內，處于過飽和狀態(tài)而發(fā)生偏晶反應：L1L2 ，析出非金屬夾雜物，析出非金屬夾雜物。由于夾雜物。由于夾雜物是從偏析液相中產(chǎn)生的，因此又稱為偏析夾雜物。是從偏析液相中產(chǎn)生的，因此又稱為偏析夾雜物。第19頁/共24頁普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理3 3、焊縫中的夾雜物、焊縫中的夾雜物 焊縫中的氮化物夾雜多在焊接保護不良時出現(xiàn)，對于低碳鋼焊縫中的氮化物夾雜多在焊接保護不良時出現(xiàn)，對于低碳鋼和低合金鋼，主要的氮化物是和低合金鋼，主要的氮化物是Fe4N，在時效過程中過飽和，在時效過程中過飽和析出，并以針狀分布在晶粒上或貫穿晶界。析出，并以針狀分布在晶粒上或貫穿晶界。焊縫中的硫化物夾雜主要有焊縫中的硫