第2章-焊接化學(xué)冶金1

1、第2章焊接化學(xué)冶金第一節(jié) 焊接化學(xué)冶金過程特點第二節(jié) 氣相與金屬的作用第三節(jié) 熔渣與金屬的作用 第四節(jié) 合金過渡主要內(nèi)容主要內(nèi)容焊接化學(xué)冶金過程：熔化焊時，焊接區(qū)內(nèi)各種物質(zhì)之間在高溫下相互作用的過程。要點：各種物質(zhì)包括氣體、液態(tài)金屬、熔渣。焊接化學(xué)冶金過程特點焊接化學(xué)冶金過程特點普通化學(xué)冶金過程和焊接化學(xué)普通化學(xué)冶金過程和焊接化學(xué)冶金過程對比冶金過程對比 普通化學(xué)冶金過程是對金屬熔煉加工過程，在放牧特定的爐中進(jìn)行。 焊接化學(xué)冶金過程是金屬在焊接條件下，再熔煉的過程，焊接時焊縫相當(dāng)高爐。 二者共同點二者共同點：金屬冶煉加工。不同點：不同點：1）原材料不同 普冶材料：礦石、焦炭、廢鋼鐵等。 焊金材

2、料：焊條、焊絲、焊劑等。 2）目的不同 普冶：提煉金屬；焊冶：對金屬再熔煉，以滿足構(gòu)件性能2.1焊接化學(xué)冶金的特殊性 一、保護(hù)的必要性一、保護(hù)的必要性（1）防止熔化金屬與空氣發(fā)生激烈的相互作用，降）防止熔化金屬與空氣發(fā)生激烈的相互作用，降低焊縫金屬中氧和氮的含量。低焊縫金屬中氧和氮的含量。（2）防止有益合金元素的燒損和蒸發(fā)而減少，使焊）防止有益合金元素的燒損和蒸發(fā)而減少，使焊縫得到合適的化學(xué)成分。縫得到合適的化學(xué)成分。（3）防止電弧不穩(wěn)定，避免焊縫中產(chǎn)生氣孔。）防止電弧不穩(wěn)定，避免焊縫中產(chǎn)生氣孔。 焊接化學(xué)冶金的焊接化學(xué)冶金的首要任務(wù)首要任務(wù)就是就是對焊接區(qū)內(nèi)的金屬對焊接區(qū)內(nèi)的金屬加強(qiáng)保護(hù)，以

3、免受空氣的有害作用。加強(qiáng)保護(hù)，以免受空氣的有害作用。低碳鋼焊材熔敷金屬成分及性能變化二、焊接過程中對熔融金屬二、焊接過程中對熔融金屬的保護(hù)的保護(hù) 1、氣渣聯(lián)合保護(hù) 焊條電弧焊2、渣保護(hù) 埋弧焊3、氣保護(hù) TIG焊, CO2, MIG焊4、真空保護(hù) 電子束焊5、自保護(hù)保護(hù)方式保護(hù)方式 20921-2a2.1.2焊接化學(xué)冶金的反應(yīng)區(qū)圖圖2-3焊接化學(xué)冶金的反應(yīng)區(qū)焊接化學(xué)冶金的反應(yīng)區(qū)藥皮反應(yīng)區(qū)藥皮反應(yīng)區(qū)熔滴反應(yīng)區(qū)熔滴反應(yīng)區(qū)熔池反應(yīng)區(qū)熔池反應(yīng)區(qū)藥皮開始反應(yīng)溫度藥皮開始反應(yīng)溫度焊條端部熔滴溫度焊條端部熔滴溫度弧柱中部熔熵溫度弧柱中部熔熵溫度熔池最高溫度熔池最高溫度熔池最低溫度熔池最低溫度20921-2a

4、2.1.2焊接化學(xué)冶金的反應(yīng)區(qū)1.藥皮反應(yīng)區(qū)(1)水分的蒸發(fā)當(dāng)藥皮被加熱時，其吸附水開始蒸發(fā)，直到溫度超過100時，吸附水全部蒸發(fā)；當(dāng)溫度超過200400時，藥皮中的白泥、云母等組成物中的結(jié)晶水將被去除，而化合水則需在更高的溫度下才能析出。(2)某些物質(zhì)的分解當(dāng)藥皮受熱達(dá)到一定溫度時，其中的纖維素、木粉和淀粉等有機(jī)物開始分解和燃燒，形成CO2、CO及H2等氣體。11 (3)鐵合金的氧化以上所述的因水分蒸發(fā)和某些物質(zhì)分解所形成的H2O、CO2和O2等氧化性氣體，會對被焊金屬和藥皮中的鐵合金(如錳鐵、硅鐵和鈦鐵等)造成很強(qiáng)的氧化作用，從而使氣相的氧化性大大降低，即實現(xiàn)了所謂的先期脫氧。20921-

5、2a2.1.2焊接化學(xué)冶金的反應(yīng)區(qū)2.熔滴反應(yīng)區(qū)(1)反應(yīng)溫度高在鋼材的電弧焊中，熔滴活性斑點處的溫度接近焊芯材料的沸點，高達(dá)2800左右。(2)相的接觸面積大正常焊接條件下，熔滴比較細(xì)小，其比表面積可達(dá)100010000cm2/kg，比煉鋼時大1000倍左右，故熔滴與氣體和熔渣的接觸面積很大。13(3)反應(yīng)時間短熔滴在焊條末端的停留時間僅為0.010.1s，熔滴以高達(dá)2.510m/s的速度穿過弧柱區(qū)的時間更短，只有0.00010.001s。(4)相的混合強(qiáng)烈在熔滴形成、長大及過渡過程中，由于受到多種力的作用，其形狀不斷變化，導(dǎo)致局部表面發(fā)生收縮或擴(kuò)張，使熔滴表面上的渣層發(fā)生破壞而相互混合，甚

6、至被熔滴金屬所包圍，故熔滴與熔渣發(fā)生了強(qiáng)烈的混合作用。20921-2a2.1.2焊接化學(xué)冶金的反應(yīng)區(qū)3.熔池反應(yīng)區(qū)(1)反應(yīng)速度低與熔滴相比，熔池平均溫度較低，約為16001900；熔池比表面積較小，約為3001300cm2/kg；熔池存在時間稍長，但也不超過幾十秒，如焊條電弧焊時為38s，埋弧焊時為625s。20921-2a2.1.2焊接化學(xué)冶金的反應(yīng)區(qū)(2)反應(yīng)不同步熔池的溫度分布極不均勻，其前部溫度比后部高。(3)具有一定的攪動作用在氣流、等離子流以及由于熔池溫度分布不勻造成的液態(tài)金屬密度差異和表面張力差異等因素的綜合作用下，熔池中的液態(tài)金屬會發(fā)生有規(guī)律的對流和攪動，有助于加快反應(yīng)速度，

7、也為氣體和非金屬夾雜物的外逸創(chuàng)造了條件。 反應(yīng)的不平衡性反應(yīng)的不平衡性 復(fù)雜的高溫多相系統(tǒng)復(fù)雜的高溫多相系統(tǒng)液態(tài)金屬液態(tài)金屬熔渣熔渣電弧氣氛電弧氣氛 焊接區(qū)內(nèi)不等溫條件焊接區(qū)內(nèi)不等溫條件整個系統(tǒng)不可能平衡整個系統(tǒng)不可能平衡 系統(tǒng)的個別反應(yīng)：短暫的平衡系統(tǒng)的個別反應(yīng)：短暫的平衡. . 2-2 2-2 氣相與金屬的作用氣相與金屬的作用一、焊接區(qū)內(nèi)的氣體一、焊接區(qū)內(nèi)的氣體 （一）氣體的來源和產(chǎn)生（一）氣體的來源和產(chǎn)生氣體的來源焊接材料、保護(hù)氣體焊材表面和母材坡口附近的吸附水、油、銹及氧化鐵皮等物質(zhì)的蒸發(fā)100 ：吸附水蒸發(fā)400-600 ：焊條藥皮中的組分如白泥和云母中的結(jié)晶水被排除。電弧高溫：金屬

8、元素和熔渣中的各種成分發(fā)生蒸發(fā)，如Fe, Mn及氟化物等有機(jī)物的分解和燃燒碳酸鹽和高價氧化物的分解有機(jī)物的分解和燃燒有機(jī)物種類：淀粉、纖維素和藻酸鹽作用：酸性焊條造氣劑和增塑劑分解：220 -320 分解50%；800 完全分解。分解產(chǎn)物：CO2,CO,H2碳酸鹽：CaCO3、MgCO3、CaMg(CO3) 2作用：焊條造氣劑分解： CaCO3 分解溫度為545 ，劇烈分解溫度為910 ；MgCO3 分解溫度為325 ，劇烈分解溫度為650 。分解產(chǎn)物：CO2,CO,H2高價氧化物：Fe2O3和MnO2O2和低價氧化物FeO和MnO碳酸鹽和高價氧化物的分解20圖圖2-4不同物質(zhì)對碳酸鈣分解度的

9、影響不同物質(zhì)對碳酸鈣分解度的影響(加熱速度為加熱速度為30/s)1CaC2CaC+Ca3CaC+Ti4CaC+Si5CaC+NC(比例比例1 1)6CaC+Ca+Ti+NC(比例比例1 2 2 1)7CaC+Ca+Ti(比例比例1 2 2)2120921-2a物質(zhì)的蒸發(fā)及冶金反應(yīng)表表2-4一些常用金屬和氟化物的沸點一些常用金屬和氟化物的沸點物質(zhì)ZnMgPbMnCrAlNiSiCuFe沸點/907112617402097222223272459246725472753物質(zhì)TiCMoAlKFLiFNaFBaMgCa沸點/312745024804126015001670170021372239250

10、022222NOOHHCOCO、成分：成分： 金屬及熔渣蒸氣直接輸入或侵入直接輸入或侵入雙原子氣體的分解度與溫度的關(guān)系CO2分解時氣相的平衡成分與溫度的關(guān)系氣體的高溫分解簡單氣體的分解：N2、H2、O2和F2復(fù)雜氣體的分解：CO2和H2O 氣相的成分 焊接區(qū)經(jīng)常同時存在多種氣體，之間存在復(fù)雜的反應(yīng)。 典型的反應(yīng)：OHCOHCO222焊接方法焊條/焊劑COCO2H2H2ON2SMAW鈦鈣型50.75.937.75.7SMAW纖維素型42.32.941.212.6SMAW低氫型79.816.91.81.5SAW33086.29.34.5SAW43189-937-9氣泡逸出速度形成氣泡 3、促使焊縫

11、金屬時效脆化 焊縫中的氮處于過飽和的不穩(wěn)定態(tài) 隨時間延長，過飽和的N析出 形成Fe4N強(qiáng)度，塑性，韌性 焊縫金屬中，Ti、Al、Zr可以抑制或消除時效現(xiàn)象 例如：15MnVN V：V改變氮化物的形態(tài)，使之彌散點狀分布 N：微量，起到強(qiáng)化作用2.5.1 影響因素及控制措施1、焊接區(qū)保護(hù) N一旦進(jìn)入液態(tài)金屬脫氮比較困難 主要措施加強(qiáng)保護(hù)、防止空氣與金屬作用2、焊接工藝參數(shù)采用短弧焊增加焊接電流直流正接好于交流，好于直流反接增加焊絲直徑N%，多層焊單層焊N%，小直徑焊條大直徑焊條-+直流正接（直流負(fù)極性）2.5.1 影響因素及控制措施3、合金元素 增加含碳量可降低焊縫含氮量C降低了N在Fe中的溶解度

12、CO、CO2降低了氣相中氮的分壓C氧化引起熔池沸騰，利于N2 逸出 Ti、Al、Zr和RE與N有較大親和力，可形成穩(wěn)定氮化物，且不溶于液態(tài)鋼與O有較大親和力，減少氣相中NO的含量氫對金屬的作用 來源：來源：焊接材料中的水分焊接材料中的水分含氫物質(zhì)含氫物質(zhì)電弧周圍空氣中的水電弧周圍空氣中的水蒸氣蒸氣 根據(jù)氫與金屬的作用根據(jù)氫與金屬的作用能形成穩(wěn)定氫化物的能形成穩(wěn)定氫化物的金屬金屬Zr Zr、Ti Ti、V V、TaTa、NbNb固態(tài)下吸收大量氫固態(tài)下吸收大量氫不形成穩(wěn)定氫化物的不形成穩(wěn)定氫化物的金屬金屬AlAl、FeFe、NiNi、CuCu、CrCr、MoMo但是氫能夠溶于這類金但是氫能夠溶于這

13、類金屬及其合金中屬及其合金中應(yīng)用廣泛應(yīng)用廣泛重點討論重點討論2.5.2 氫在金屬中的溶解 溶解過程溶解過程與焊接方法相關(guān)與焊接方法相關(guān)氣體保護(hù)焊：氣氣體保護(hù)焊：氣/ /液金屬界面，液金屬界面，H H2 2，H H，H H+ +電渣焊、電渣熔煉：渣電渣焊、電渣熔煉：渣/ /液金屬界面液金屬界面手工電弧焊、埋弧焊：兩者兼而有之手工電弧焊、埋弧焊：兩者兼而有之 氫從熔渣中向金屬中過渡氫從熔渣中向金屬中過渡 OHOOHHOFeOHFeHOFeOHFe222222222222( ) 表示在熔渣中 表示在金屬中H 可以進(jìn)入液相OH不溶于液態(tài)金屬2.5.2 氫在金屬中的擴(kuò)散 焊縫（固態(tài)金屬）中氫的存在形式H

14、、H+、H可以在金屬晶格中自由擴(kuò)散的氫擴(kuò)散氫：80-90%聚集在雜質(zhì)、微裂紋、晶格缺陷的氫殘余氫 焊后隨著放置時間增加：擴(kuò)散氫減少殘余氫增加總氫量下降42H (cm3/1oog)T(oC)總氫量擴(kuò)散氫殘余氫2.5.2 氫在金屬中的擴(kuò)散 熔敷金屬中的擴(kuò)散氫含量（熔敷金屬中的擴(kuò)散氫含量（cmcm3 3/100g/100g）焊后用標(biāo)準(zhǔn)方法測定并換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的含焊后用標(biāo)準(zhǔn)方法測定并換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的含氫量氫量 測定標(biāo)準(zhǔn)方法測定標(biāo)準(zhǔn)方法甘油法甘油法GB3965-83GB3965-83色譜法色譜法水銀法水銀法2.5.2 氫在金屬中的擴(kuò)散 擴(kuò)散氫的分布?xì)溲睾附咏宇^橫斷面的分布H (cm3/100g)2.

15、5.2 氫對焊接質(zhì)量的影響 熔焊時，進(jìn)入焊縫和熱影響區(qū)中的氫將對熔焊時，進(jìn)入焊縫和熱影響區(qū)中的氫將對接頭產(chǎn)生危害。接頭產(chǎn)生危害。1 1、氫氣孔、氫氣孔2 2、氫白點、氫白點3 3、氫脆、氫脆4 4、氫致裂紋、氫致裂紋焊縫中形成焊縫和熱影響區(qū)中形成2.5.2 氫對焊接質(zhì)量的影響1、氫氣孔氫氣孔 形成原因：形成原因： 熔池液態(tài)金屬中溶解較多的氫熔池液態(tài)金屬中溶解較多的氫 冷卻凝固后，氫在固液相中溶解度突變冷卻凝固后，氫在固液相中溶解度突變T(oC)H (cm3/1oog)2.5.2 氫對焊接質(zhì)量的影響 V V金屬結(jié)晶長大金屬結(jié)晶長大VV氣泡逸出氣泡逸出 多余的氫將在液固界面處形成氣泡多余的氫將在液

16、固界面處形成氣泡 固液相中溶解度差別越大，越易形成氫氣固液相中溶解度差別越大，越易形成氫氣孔孔 平衡態(tài)：氫氣孔敏感性平衡態(tài)：氫氣孔敏感性AlFeNiAlFeNi 非平衡態(tài)：凝固前后溶解度差別更大非平衡態(tài)：凝固前后溶解度差別更大2.5.2 氫對焊接質(zhì)量的影響2、氫白點、氫白點 氫白點：碳鋼和低合金鋼焊縫金屬中含氫氫白點：碳鋼和低合金鋼焊縫金屬中含氫量較多時，在拉伸或彎曲的試件斷面上，量較多時，在拉伸或彎曲的試件斷面上，出現(xiàn)光亮圓形的局部脆性斷裂點出現(xiàn)光亮圓形的局部脆性斷裂點 直徑直徑0.50.50.3mm0.3mm，白點周圍為延性斷口，白點周圍為延性斷口 多數(shù)情況，白點中心有氣孔或夾雜物多數(shù)情況

17、，白點中心有氣孔或夾雜物 實質(zhì)：拉伸或彎曲的延性變形過程中，在實質(zhì)：拉伸或彎曲的延性變形過程中，在焊縫金屬中局部產(chǎn)生的氫脆現(xiàn)象。焊縫金屬中局部產(chǎn)生的氫脆現(xiàn)象。2.5.2 氫對焊接質(zhì)量的影響3、氫脆氫脆 焊縫和熱影響區(qū)中有氫存在時，將會降低焊縫和熱影響區(qū)中有氫存在時，將會降低其延性，產(chǎn)生氫脆其延性，產(chǎn)生氫脆 焊接接頭不同部位的氫脆敏感性與組織種焊接接頭不同部位的氫脆敏感性與組織種類有關(guān)類有關(guān) 奧氏體純鐵素體鐵素體珠光體低碳馬奧氏體純鐵素體鐵素體珠光體低碳馬氏體貝氏體索氏體托氏體高碳馬氏體氏體貝氏體索氏體托氏體高碳馬氏體 降低熔敷金屬的碳含量降低熔敷金屬的碳含量 母材含碳量過高時，需減少母材金屬的

18、稀母材含碳量過高時，需減少母材金屬的稀釋率釋率2.5.2 氫對焊接質(zhì)量的影響4 4、產(chǎn)生冷裂紋、產(chǎn)生冷裂紋 Hgdrogen induced CrackHgdrogen induced Crack Hydrogen-assisted CrackHydrogen-assisted Crack 危害嚴(yán)重危害嚴(yán)重 主要因素主要因素 ：鋼種的淬硬傾向鋼種的淬硬傾向焊接接頭含氫量及其分布焊接接頭含氫量及其分布接頭所承受的拘束應(yīng)力狀態(tài)接頭所承受的拘束應(yīng)力狀態(tài)2.5.2 控制氫的措施 限制來源限制來源7070 烘干烘干 少用或不用含結(jié)晶水的原料制造焊條少用或不用含結(jié)晶水的原料制造焊條 焊前嚴(yán)格清除油銹焊前嚴(yán)

19、格清除油銹 冶金處理冶金處理 氟化物有去氫的作用，如氟化物有去氫的作用，如CaFCaF2 2 提高氧化勢提高氧化勢:CO:CO2 2+H=CO+OH+H=CO+OH 稀土、稀散元素，進(jìn)一步去氫：碲、釔稀土、稀散元素，進(jìn)一步去氫：碲、釔2.5.2 控制氫的措施 焊接規(guī)范焊接規(guī)范很大局限性很大局限性 熔滴過渡小熔滴過渡小 電流種類和極性（直流反接比較好）電流種類和極性（直流反接比較好） 脫氫處理脫氫處理 焊后將焊件加熱到一定的溫度促使氫擴(kuò)散外逸焊后將焊件加熱到一定的溫度促使氫擴(kuò)散外逸 焊件加熱到焊件加熱到350350o oC,C,保溫保溫1h1h2.5.3 氧對金屬的作用 根據(jù)氧與金屬的作用根據(jù)氧

20、與金屬的作用不溶解氧，但焊接時發(fā)生激烈氧化的金屬不溶解氧，但焊接時發(fā)生激烈氧化的金屬MgMg、AlAl等等能有限溶解氧，同時焊接過程中也發(fā)生氧化的能有限溶解氧，同時焊接過程中也發(fā)生氧化的金屬金屬FeFe、NiNi、CuCu、Ti Ti等等生成的金屬氧化物能溶解于相應(yīng)的金屬中生成的金屬氧化物能溶解于相應(yīng)的金屬中 主要研究主要研究FeOFeO2.5.3 氧在金屬中的溶解 氧以氧以和和兩種形式溶于液態(tài)兩種形式溶于液態(tài)鐵中的鐵中的 氧在液態(tài)鐵中的溶氧在液態(tài)鐵中的溶解度隨著溫度的升解度隨著溫度的升高而增大高而增大 鐵冷卻過程中，氧鐵冷卻過程中，氧的溶解度急劇下降的溶解度急劇下降液態(tài)鐵中氧的溶解度與溫度的

21、關(guān)系液態(tài)鐵中氧的溶解度與溫度的關(guān)系2.5.3 氧在金屬中的溶解 當(dāng)液態(tài)鐵中有第二相合當(dāng)液態(tài)鐵中有第二相合金元素時，隨著合金元金元素時，隨著合金元素含量的增加，氧的溶素含量的增加，氧的溶解度下降解度下降 焊縫金屬和鋼中所含的焊縫金屬和鋼中所含的氧氧氧化物（氧化物（FeOFeO、SiOSiO2 2、MnOMnO）硅酸鹽夾雜硅酸鹽夾雜CMe(%)So(%)合金元素濃度合金元素濃度CMe對液態(tài)鐵中對液態(tài)鐵中氧的溶解度的影響氧的溶解度的影響(1600oC)2.5.3 氧對焊接質(zhì)量的影響 氧在焊縫中無論以何種形式存在，對焊縫氧在焊縫中無論以何種形式存在，對焊縫性能都有很大的影響。隨氧含量提高：性能都有很大

22、的影響。隨氧含量提高：焊縫強(qiáng)度、塑性、韌性都明顯下降焊縫強(qiáng)度、塑性、韌性都明顯下降尤其是低溫沖擊韌度急劇下降尤其是低溫沖擊韌度急劇下降熱脆：在某一溫度出現(xiàn)脆硬相，熱脆：在某一溫度出現(xiàn)脆硬相，350350400400o oCC冷脆：析出相硬，形態(tài)不好冷脆：析出相硬，形態(tài)不好時效硬化：析出相使基體強(qiáng)化時效硬化：析出相使基體強(qiáng)化COCO在熔池凝固時來不及逸出，形成氣孔在熔池凝固時來不及逸出，形成氣孔燒損有益合金元素?zé)龘p有益合金元素影響焊接過程穩(wěn)定性影響焊接過程穩(wěn)定性2.5.3 氧對焊接質(zhì)量的影響 必須指出，焊接材料具有氧化性并不是在必須指出，焊接材料具有氧化性并不是在所有情況下都是有害的所有情況下都

23、是有害的 為了減少焊縫含氫量，改進(jìn)電弧的特性，為了減少焊縫含氫量，改進(jìn)電弧的特性，獲得必要的熔渣物理化學(xué)性能，在焊接材獲得必要的熔渣物理化學(xué)性能，在焊接材料中有時要故意加入一定量的氧化劑料中有時要故意加入一定量的氧化劑2.5.3 控制氧的措施鑒于氧的有害作用，必須控制焊縫的氧含量鑒于氧的有害作用，必須控制焊縫的氧含量 純化焊接材料純化焊接材料選用不含氧或含氧少的焊接材料選用不含氧或含氧少的焊接材料例如，采用高純度的惰性氣體作為保護(hù)氣體，例如，采用高純度的惰性氣體作為保護(hù)氣體，采用低氧、無氧焊條、焊劑，乃至真空室中焊采用低氧、無氧焊條、焊劑，乃至真空室中焊接接 控制焊接工藝參數(shù)控制焊接工藝參數(shù)很

24、有限很有限電弧電壓電弧電壓UU，空氣侵入電弧，焊縫含氧增加，空氣侵入電弧，焊縫含氧增加采用短弧焊采用短弧焊 脫氧脫氧冶金方法脫氧冶金方法脫氧最有效最有效2.5.3 氧化還原反應(yīng) 金屬氧化還原方向的判據(jù)金屬氧化還原方向的判據(jù)( (物理化學(xué)物理化學(xué)) ) 金屬氧化金屬氧化氧化性氣體對金屬的氧化氧化性氣體對金屬的氧化活性熔渣活性熔渣擴(kuò)散氧化擴(kuò)散氧化置換氧化置換氧化鐵銹、氧化皮鐵銹、氧化皮 脫氧脫氧分階段脫氧分階段脫氧MnMn、Si Si脫氧脫氧氧化方式氧化方式3、的影響因素的影響因素氫與金屬作用的特點，把金屬分為兩類 與氫形成穩(wěn)定氫化物的金屬 不與氫形成穩(wěn)定氫化物的金屬 合金元素的影響 ：氫在鐵中溶

25、解度受合金元素影響 bairNTVTZ.0.MCCNFraie（二）、焊縫金屬中的氫及其擴(kuò)散（二）、焊縫金屬中的氫及其擴(kuò)散 存在形式存在形式 擴(kuò)散氫：氫以原子或質(zhì)子形式存在的并可在金屬晶格中自由擴(kuò)散。 殘余氫（剩余氫）：氫原子擴(kuò)散聚集到金屬的晶格缺陷，顯微裂紋和非金屬夾雜物的邊緣空隙中，結(jié)合成分子不能自由擴(kuò)散。 總含氫量=擴(kuò)散氫剩余氫（三）、氫對焊接質(zhì)量的影響（三）、氫對焊接質(zhì)量的影響 暫態(tài)現(xiàn)象：脆化、白點、經(jīng)時效、熱處理可消除 永久現(xiàn)象：氣孔、改變組織、顯微斑點、冷裂紋、不可消除 1)1)、氫脆、氫脆 氫在室溫附近， 氫溶解在金屬晶格中，引起鋼的塑性嚴(yán)重下降現(xiàn)象2)2)、白點、白點 肉眼可見

26、，直徑0.53mm中心處有氣孔或小的夾渣，外圍有塑性裂斷的痕跡，象魚眼似的也稱“魚眼”. 產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：白點是在塑性變形階段產(chǎn)生的?！罢T捕理論誘捕理論”解釋：解釋：焊縫中的氣孔及非金屬夾雜物邊緣的空隙,好象“陷阱”一樣.捕捉氫原子，并在其中結(jié)合成氫分子,在拉伸試驗中“陷阱”中的氫分子被吸附.由于塑性變形新產(chǎn)生的微裂紋表面上,分解成原子氫,原子氫擴(kuò)散到微裂紋金屬晶格內(nèi),引起金屬脆化。 3)3)、氣孔、氣孔 4)4)、組織變化和顯微斑點、組織變化和顯微斑點 焊縫金屬AM時，由于氫在A有較大的溶解度，當(dāng)含氫量高的焊縫自A化，溫度冷卻時，引起局部A過冷殘余A增加，殘余AM時，富氫的組織內(nèi)產(chǎn)生大的

27、內(nèi)應(yīng)力，造成顯微裂紋 5)5)、產(chǎn)生冷裂紋、產(chǎn)生冷裂紋（四）控制氫的措施（四）控制氫的措施 1)、限制焊接材料的含氫量，藥皮成分 2)、嚴(yán)格清理工件及焊絲：去銹、油污、吸附水分 3)、冶金處理 4)、調(diào)整焊接規(guī)范 5)、焊后脫氫處理 四、氧對金屬的作用四、氧對金屬的作用 （一）氧在金屬中的溶解（一）氧在金屬中的溶解 1).以原子氧形式溶解 2).以FeO形式溶解 （二）金屬被氧化的途徑（二）金屬被氧化的途徑 氣相中氧化氣體與金屬相互作用 1).自由氧對金屬的氧化 2).CO2對金屬的氧化 3).H2O氣對金屬的氧化 4).混合氣體對金屬的氧化 （三）氧對焊接質(zhì)量的影響（三）氧對焊接質(zhì)量的影響

28、1).機(jī)械性能下降2).化學(xué)性能變差 3).產(chǎn)生氣孔CO合金元素?zé)龘p4).工藝性能變差 （四）防止措施（四）防止措施 一防二脫 第二節(jié)第二節(jié) 焊接區(qū)內(nèi)的氣體焊接區(qū)內(nèi)的氣體 一、焊接區(qū)氣體一、焊接區(qū)氣體（一）氣體來源（一）氣體來源焊接材料：焊接材料：焊接區(qū)內(nèi)的氣體主要來源于焊接材料。焊接區(qū)內(nèi)的氣體主要來源于焊接材料。 焊條藥皮、焊劑及焊絲藥芯中都含有造氣劑。焊條藥皮、焊劑及焊絲藥芯中都含有造氣劑。熱源周圍的氣體介質(zhì)熱源周圍的氣體介質(zhì)：熱源周圍的空氣是難以避免的氣體來源，而：熱源周圍的空氣是難以避免的氣體來源，而焊接材料中的造氣劑所產(chǎn)生的氣體，不能完全排除焊接區(qū)內(nèi)的空焊接材料中的造氣劑所產(chǎn)生的氣體

29、，不能完全排除焊接區(qū)內(nèi)的空氣。氣。焊絲和母材表面上的雜質(zhì)：焊絲和母材表面上的雜質(zhì)：焊絲表面和母材表面的雜質(zhì)，如鐵銹、焊絲表面和母材表面的雜質(zhì)，如鐵銹、油污、氧化鐵皮以及吸附水等，在焊接過程中受熱而析出氣體進(jìn)油污、氧化鐵皮以及吸附水等，在焊接過程中受熱而析出氣體進(jìn)入氣相中。入氣相中。(二二)氣體的產(chǎn)生氣體的產(chǎn)生 除直接輸送和侵入焊接區(qū)內(nèi)的氣體外，除直接輸送和侵入焊接區(qū)內(nèi)的氣體外，焊接過程中所進(jìn)行物化反應(yīng)焊接過程中所進(jìn)行物化反應(yīng)也產(chǎn)生氣體。也產(chǎn)生氣體。1 有機(jī)物的分解和燃燒有機(jī)物的分解和燃燒2225106562/7)(mHmCOmOOHCm2 碳酸鹽和高價氧化物的分解：碳酸鹽和高價氧化物的分解：

30、碳酸鹽的分解碳酸鹽的分解 CaCO3CaOCO2 MgCO3MgOCO2 高價氧化物的分解高價氧化物的分解：6Fe2O34Fe3O4O2； 2Fe2O36FeOO24Mn2O32Mn3O4O2；6Mn2O34Mn3O4O23 材料的蒸發(fā)：材料的蒸發(fā)：電弧的高溫作用下電弧的高溫作用下, 焊接材料中水分、金屬元素和焊接材料中水分、金屬元素和熔渣的各種成分發(fā)生蒸發(fā)，形成的蒸氣。熔渣的各種成分發(fā)生蒸發(fā)，形成的蒸氣。纖維素?zé)岱纸夥磻?yīng)為：纖維素?zé)岱纸夥磻?yīng)為：(三三)氣體的分解氣體的分解 1 .簡單氣體的分解簡單氣體的分解 雙原子氣體雙原子氣體G2分解反應(yīng)的通式：分解反應(yīng)的通式：G G2 22G2G 22G

31、GpppK 設(shè)氣體設(shè)氣體G2的原始分子數(shù)為的原始分子數(shù)為n0，已分解的分子數(shù)為，已分解的分子數(shù)為n，則平衡氣體的，則平衡氣體的分解度為分解度為 =n/n0，若氣體若氣體G2分解后混合氣體的總壓力為分解后混合氣體的總壓力為p0，則分解度，則分解度可表示為可表示為04pKKpp平衡常數(shù)可表示為：平衡常數(shù)可表示為：G2 2Gno 0no n 2n 2 .CO2和和H2O等復(fù)雜氣體的分解等復(fù)雜氣體的分解 升高溫度升高溫度CO2可分解生成可分解生成CO和和O2，使氣相氧化性增加。使氣相氧化性增加。 水蒸氣分解比較復(fù)雜，水蒸氣分解比較復(fù)雜，分解的產(chǎn)物有分解的產(chǎn)物有H2、O2、H、O不僅增加了不僅增加了氣相

32、的氧化性，而且增加了氣相中氫的分壓，氣相的氧化性，而且增加了氣相中氫的分壓，使焊縫金屬增氧和使焊縫金屬增氧和增氫增氫。(三三)氣相的成分和分布?xì)庀嗟某煞趾头植?3 3 焊接方法對氣相的成分和數(shù)量影響焊接方法對氣相的成分和數(shù)量影響 低氫型焊條手工電弧焊接時，氣相含低氫型焊條手工電弧焊接時，氣相含H2和和H2O少，稱少，稱“低氫型低氫型”； 埋弧焊時，氣相中含埋弧焊時，氣相中含CO2和和H2O很少，氧化性較?。缓苌?，氧化性較小； 焊條電弧焊時氣相的氧化性相對較大。焊條電弧焊時氣相的氧化性相對較大。焊接碳鋼時冷至室溫時氣相成分焊接碳鋼時冷至室溫時氣相成分 對焊接質(zhì)量影響較大的氣體為：對焊接質(zhì)量影響較

33、大的氣體為：N2、H2、O2、CO2、H2O 與金屬的作用表現(xiàn)為兩種類型：氣體在金屬中的溶解氣體與金屬的化學(xué)反應(yīng)二、氮對金屬的作用二、氮對金屬的作用 焊接時電弧氣氛中氮的主要來源是周圍的空氣。焊接時電弧氣氛中氮的主要來源是周圍的空氣。 焊接時焊接時空氣中的氮總是或多或少地會侵入焊接區(qū)，與熔化金屬發(fā)空氣中的氮總是或多或少地會侵入焊接區(qū)，與熔化金屬發(fā)生作用生作用。 按照氮與金屬作用的特點，可將金屬分為兩類：按照氮與金屬作用的特點，可將金屬分為兩類： 不與氮發(fā)生作用的金屬不與氮發(fā)生作用的金屬，如，如Cu、Ni、Ag等，它們既不溶解氮，等，它們既不溶解氮，又不形成氮化物。焊接此類金屬時，又不形成氮化物

34、。焊接此類金屬時，可以使用氮作為保護(hù)氣體可以使用氮作為保護(hù)氣體； 與氮發(fā)生作用的金屬與氮發(fā)生作用的金屬，如，如Fe、Ti、Cr等。它們既能溶解氮，又能等。它們既能溶解氮，又能與氮形成穩(wěn)定的氮化物。因此焊接這類金屬時，防止焊縫金屬的與氮形成穩(wěn)定的氮化物。因此焊接這類金屬時，防止焊縫金屬的氮化非常重要。氮化非常重要。（一）氮在金屬中的溶解（一）氮在金屬中的溶解1. 溶解過程：氣體的溶解反應(yīng)分為以下四個階段：溶解過程：氣體的溶解反應(yīng)分為以下四個階段：（1）氣體分子向氣體與金屬兩相界面處運動；）氣體分子向氣體與金屬兩相界面處運動；（2）氣體分子被金屬表面吸附；）氣體分子被金屬表面吸附；（3）在金屬表面

35、上，氣體分子分解為原子；）在金屬表面上，氣體分子分解為原子；（4）氣體原子穿過金屬表面層，并向金屬內(nèi)部擴(kuò)散。）氣體原子穿過金屬表面層，并向金屬內(nèi)部擴(kuò)散。 氮在金屬中的溶解反應(yīng)為氮在金屬中的溶解反應(yīng)為： N22N2. 溶解度溶解度SN（溶解平方根定律）：（溶解平方根定律）：22NNNpKS降低氣相中氮的分壓就可以減少金屬中的含氮量降低氣相中氮的分壓就可以減少金屬中的含氮量 氮和氫在鐵中的溶解度與溫度關(guān)氮和氫在鐵中的溶解度與溫度關(guān)系系( (PN2+ +P金金= =10l kPa(1atm) 3. 氮在鐵中的溶解度與溫度的關(guān)系：氮在鐵中的溶解度與溫度的關(guān)系：溶解度隨溫度的升高而增大。溶解度隨溫度的升

36、高而增大。T=2200時，氮的溶解發(fā)達(dá)到最大值。時，氮的溶解發(fā)達(dá)到最大值。繼續(xù)升高溫度，氮的溶解度急劇下降繼續(xù)升高溫度，氮的溶解度急劇下降T=2750時，氮的溶解度為零。時，氮的溶解度為零。加入加入C、Si、Ni會減少氮的溶解度；會減少氮的溶解度；加入加入V、Nb、Cr會增加氮的溶解度會增加氮的溶解度。4. 電弧焊時的氣體溶解過程復(fù)雜電弧焊時的氣體溶解過程復(fù)雜, 含含N量高的原因（與純化學(xué)量高的原因（與純化學(xué)溶解相比）：溶解相比）：電弧中受激的電弧中受激的N2，特別是氮原子比沒有受激的，特別是氮原子比沒有受激的N2的溶解速度的溶解速度高；高；電弧中的氮離子可在陰極溶解；電弧中的氮離子可在陰極溶

37、解；氧化性電弧氣氛中形成的氧化性電弧氣氛中形成的NO，遇到溫度較低的液態(tài)金屬時，遇到溫度較低的液態(tài)金屬時又分解為又分解為N和和O，N會迅速溶于金屬中。會迅速溶于金屬中。（二）氮對焊接質(zhì)量的影響（二）氮對焊接質(zhì)量的影響1 促使焊縫產(chǎn)生氣孔促使焊縫產(chǎn)生氣孔：液態(tài)金屬在高溫時可以溶解：液態(tài)金屬在高溫時可以溶解大量的氮，凝固結(jié)晶時氮的大量的氮，凝固結(jié)晶時氮的溶解度突然下降溶解度突然下降，過，過飽和氮以氣泡形式從熔池中逸出，若焊縫金屬的飽和氮以氣泡形式從熔池中逸出，若焊縫金屬的結(jié)晶速度大于氮的逸出速度結(jié)晶速度大于氮的逸出速度時，就形成氣孔。時，就形成氣孔。2 氮是提高低碳、低合金鋼焊縫強(qiáng)度，降低塑性和氮

38、是提高低碳、低合金鋼焊縫強(qiáng)度，降低塑性和韌性的元素。韌性的元素。如果熔池中含有比較多的氮，一部如果熔池中含有比較多的氮，一部分氮將以分氮將以過飽和的形式過飽和的形式存在于固溶體中；另一部存在于固溶體中；另一部分氮則以分氮則以針狀氮化物針狀氮化物Fe4N的形式的形式析出，分布于晶析出，分布于晶界或晶內(nèi)，因而使焊縫金屬的強(qiáng)度、硬度升高，界或晶內(nèi)，因而使焊縫金屬的強(qiáng)度、硬度升高，而塑性、韌性，特別是低溫韌度急劇下降。而塑性、韌性，特別是低溫韌度急劇下降。3 氮是促使焊縫金屬時效脆化的元素氮是促使焊縫金屬時效脆化的元素：焊縫：焊縫金屬中過飽和的氮處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨著金屬中過飽和的氮處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨著

39、時間的延長，過飽和的氮逐漸析出，時間的延長，過飽和的氮逐漸析出，形成形成穩(wěn)定的碳氮化物穩(wěn)定的碳氮化物Fe4N，因而使焊縫金屬的，因而使焊縫金屬的強(qiáng)度增加、塑性、韌性降低。強(qiáng)度增加、塑性、韌性降低。4 氮可以作為合金元素加入鋼中氮可以作為合金元素加入鋼中。在焊縫金。在焊縫金屬中加入能形成穩(wěn)定氮化物元素，如屬中加入能形成穩(wěn)定氮化物元素，如RE、A1、Ti、Zr等，可以抑制或消除時效現(xiàn)象等，可以抑制或消除時效現(xiàn)象。（三）控制焊縫合氮量的措施（三）控制焊縫合氮量的措施1 加強(qiáng)焊接區(qū)的保護(hù)加強(qiáng)焊接區(qū)的保護(hù) （1）焊條藥皮的保護(hù)作用，取決于藥皮的成分和數(shù)量。）焊條藥皮的保護(hù)作用，取決于藥皮的成分和數(shù)量。

40、Kb增大，增大，SN下降，當(dāng)下降，當(dāng)Kb40，SN0.040.05%，下降不明顯。，下降不明顯。 當(dāng)藥皮中加入造氣劑，形成氣渣聯(lián)合保護(hù)，使當(dāng)藥皮中加入造氣劑，形成氣渣聯(lián)合保護(hù)，使SN降到降到0.02。（2）藥芯焊絲的保護(hù)效果，取決于保護(hù)成分含量和形狀系數(shù)。）藥芯焊絲的保護(hù)效果，取決于保護(hù)成分含量和形狀系數(shù)。形形狀系數(shù)增大，保護(hù)效果好。狀系數(shù)增大，保護(hù)效果好。形狀系數(shù)：形狀系數(shù)：單位長度藥芯焊絲腔體內(nèi)金屬帶的重量與外殼金屬帶重單位長度藥芯焊絲腔體內(nèi)金屬帶的重量與外殼金屬帶重量的比值。量的比值。 2 焊接工藝參數(shù)的影響焊接工藝參數(shù)的影響（1）U（電弧長度（電弧長度），氮可以與熔滴作用時間），氮可以

41、與熔滴作用時間，SN ，應(yīng)盡量，應(yīng)盡量采用短弧焊。采用短弧焊。（2）I，熔滴過渡頻率熔滴過渡頻率f,熔滴階段作用時間熔滴階段作用時間, SN 。 直流正極性焊接時焊縫含氮量比反極性直流正極性焊接時焊縫含氮量比反極性(焊條接正極，工件接負(fù)焊條接正極，工件接負(fù)極極)時高。時高。（3）焊接速度）焊接速度對對焊縫的含氮量影響不大焊縫的含氮量影響不大。（4）增加）增加焊絲直徑焊絲直徑，熔滴變粗，焊縫含氮量下降。，熔滴變粗，焊縫含氮量下降。（5）多層焊多層焊時焊縫含氮量比單層焊時高，這與氮的逐層積累有關(guān)時焊縫含氮量比單層焊時高，這與氮的逐層積累有關(guān)。3 利用合金元素控制焊縫合氮量：利用合金元素控制焊縫合氮

42、量：(1)增加焊絲或藥皮中的含碳量可降低焊縫的含氮量，增加焊絲或藥皮中的含碳量可降低焊縫的含氮量，其原因是：其原因是： a)碳能夠降低氮在鐵中的溶解度。碳能夠降低氮在鐵中的溶解度。 b)碳氧化生成碳氧化生成CO、CO2加強(qiáng)保護(hù)作用，降低了氮分壓。加強(qiáng)保護(hù)作用，降低了氮分壓。 c)碳的氧化引起熔池沸騰，有利于氮的逸出。碳的氧化引起熔池沸騰，有利于氮的逸出。(2)Ti、A1、Zr和稀土元素對氮有較大的親合力，能形成穩(wěn)定的氮和稀土元素對氮有較大的親合力，能形成穩(wěn)定的氮化物?；铩２⑶疫@些氮化物不溶于鐵水，而進(jìn)入熔渣中。這些元素對并且這些氮化物不溶于鐵水，而進(jìn)入熔渣中。這些元素對氧的親力也很大，因此，

43、可減少氣相中氧的親力也很大，因此，可減少氣相中NO的含量，這在一定程的含量，這在一定程度上減少了焊縫的含氮量。度上減少了焊縫的含氮量。三、氫對金屬的作用三、氫對金屬的作用（一）氫在金屬中的溶解（一）氫在金屬中的溶解1 按照氫與金屬作用的特點，將金屬劃分為兩類：按照氫與金屬作用的特點，將金屬劃分為兩類：1) 能形成穩(wěn)定氫化物的金屬能形成穩(wěn)定氫化物的金屬 如如Zr、Ti、V、Ta、Nb等。等。 特點是：特點是：金屬吸收氫的反應(yīng)是金屬吸收氫的反應(yīng)是放熱反應(yīng)放熱反應(yīng)，溫度較低時吸氫量多；，溫度較低時吸氫量多；溫度較高時吸氫量少。溫度較高時吸氫量少。 當(dāng)吸氫量較多時，可形成氫化物當(dāng)吸氫量較多時，可形成氫

44、化物（ZrH、TiH、VH、TaH、NbH）；當(dāng)溫度超過氫化物保持穩(wěn)定的臨界溫度時，氫化物發(fā)生分解）；當(dāng)溫度超過氫化物保持穩(wěn)定的臨界溫度時，氫化物發(fā)生分解、氫則擴(kuò)散逸出；、氫則擴(kuò)散逸出； 當(dāng)當(dāng)吸氫量較少時，這類金屬與氫可形成固溶體吸氫量較少時，這類金屬與氫可形成固溶體。2) 不能形成穩(wěn)定氫化物的金屬不能形成穩(wěn)定氫化物的金屬 如如A1、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等。等。氫能夠溶解于這類金屬及其合金中，溶解反應(yīng)為氫能夠溶解于這類金屬及其合金中，溶解反應(yīng)為吸熱反應(yīng)吸熱反應(yīng)。2 氫溶解的途徑與焊接方法有關(guān)：氫溶解的途徑與焊接方法有關(guān)：（1）氣體保護(hù)焊時，）氣體保護(hù)焊時，氫是通過氣相與液態(tài)金屬的界面氫

45、是通過氣相與液態(tài)金屬的界面，以原子或，以原子或質(zhì)子的形式溶入金屬的；質(zhì)子的形式溶入金屬的；（2）電渣焊時，氫是通過）電渣焊時，氫是通過熔渣層熔渣層溶入金屬的；溶入金屬的；（3）手工電弧焊和埋弧焊時，氫的溶入是上述）手工電弧焊和埋弧焊時，氫的溶入是上述兩種途徑兩種途徑綜合結(jié)果綜合結(jié)果。含自由氧離子酸堿性渣：含自由氧離子酸堿性渣：對于不含自由氧離子：對于不含自由氧離子：若渣中含有氟化物若渣中含有氟化物，)(2O22OHOH）（氣)Si()OH(2)()2(12qnmqnOSimOOH氣HFOFOH23 溶解于渣中的溶解于渣中的H以以O(shè)H離子形式存在離子形式存在4 H從熔渣中向金屬中過渡發(fā)生的化學(xué)反

46、應(yīng)從熔渣中向金屬中過渡發(fā)生的化學(xué)反應(yīng): : 2)()(2 2 2)()(2 2 2)(2)(222HOOOHHOFeOHFeHOFeOHFe5 H溶解的平方根定律溶解的平方根定律 22HHHpKS(2) 合金的影響：合金的影響： C、Si、A1可降低氫在液態(tài)鐵中的溶解度；可降低氫在液態(tài)鐵中的溶解度；Ti、Zr、Nb及稀土元及稀土元素可以提高氫的溶解度；素可以提高氫的溶解度；Mn、N、Cr、Mg影響不大；影響不大； O可減少金屬對氫吸附，減少氫在液態(tài)鐵中溶解度?？蓽p少金屬對氫吸附，減少氫在液態(tài)鐵中溶解度。 (3) 組織：組織：在奧氏體中，氫的溶解度大；在珠光體鋼，氫的溶解度在奧氏體中，氫的溶解度

47、大；在珠光體鋼，氫的溶解度小。小。P244 6 影響溶解度的因素影響溶解度的因素溫度：溫度： 熔滴階段吸收的氫比熔池階段多。熔滴階段吸收的氫比熔池階段多。 在金屬沸點溫度時，氫的溶解度為在金屬沸點溫度時，氫的溶解度為0。 在金屬相變點，氫溶解度發(fā)生突變在金屬相變點，氫溶解度發(fā)生突變, 易易形成氣孔、裂紋等焊接缺陷。形成氣孔、裂紋等焊接缺陷。（二）焊縫金屬中的氫及其擴(kuò)散（二）焊縫金屬中的氫及其擴(kuò)散1 存在形式：存在形式：氫以氫以H、H+、H-存在，在焊縫中形成間隙固溶體。存在，在焊縫中形成間隙固溶體。 擴(kuò)散氫：擴(kuò)散氫：氫原子及離子半徑很小，可以在焊縫金屬晶格中自由擴(kuò)氫原子及離子半徑很小，可以在焊

48、縫金屬晶格中自由擴(kuò)散，故被稱為散，故被稱為擴(kuò)散氫擴(kuò)散氫。 殘余氫：殘余氫：氫擴(kuò)散到金屬的晶格缺陷、顯微裂紋或非金屬夾雜物邊氫擴(kuò)散到金屬的晶格缺陷、顯微裂紋或非金屬夾雜物邊緣的微小空隙中時，結(jié)合成氫分子，由于分子的半徑大而不能自緣的微小空隙中時，結(jié)合成氫分子，由于分子的半徑大而不能自由擴(kuò)散，被稱為由擴(kuò)散，被稱為殘余氫殘余氫。2 H的擴(kuò)散的擴(kuò)散 焊縫金屬放置時間越長，擴(kuò)散氫越減少，殘余氫越增加焊縫金屬放置時間越長，擴(kuò)散氫越減少，殘余氫越增加，而焊縫的總氫量下降。，而焊縫的總氫量下降。3 H的擴(kuò)散形式：的擴(kuò)散形式： 濃度擴(kuò)散：濃度擴(kuò)散：H由濃度高的焊縫向熱影響區(qū)擴(kuò)散由濃度高的焊縫向熱影響區(qū)擴(kuò)散 熱擴(kuò)

49、散：熱擴(kuò)散：類金屬從低溫（飽和度大）向高溫擴(kuò)散（飽和度低）類金屬從低溫（飽和度大）向高溫擴(kuò)散（飽和度低），與濃度擴(kuò)散相反。，與濃度擴(kuò)散相反。 應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散：應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散：類金屬發(fā)生相變、產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力的存在使類金屬發(fā)生相變、產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力的存在使H向拉應(yīng)力大的方向擴(kuò)散，向拉應(yīng)力大的方向擴(kuò)散，H向焊縫根部及焊縫邊界應(yīng)力集中區(qū)擴(kuò)向焊縫根部及焊縫邊界應(yīng)力集中區(qū)擴(kuò)散。散。 4 H的測量的測量 測氫方法有水銀法、甘油法、氣相色譜法和排液法。測氫方法有水銀法、甘油法、氣相色譜法和排液法。 熔敷金屬擴(kuò)散氫含量是熔敷金屬擴(kuò)散氫含量是試樣經(jīng)焊接后、立即冷卻，按照測氫標(biāo)難試樣經(jīng)焊接后、立即冷卻，按照測氫標(biāo)難規(guī)定的

50、方法測定并換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的含氫量規(guī)定的方法測定并換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的含氫量。5 H的分布的分布 氫沿焊縫長度方向的分布不均勻。氫沿焊縫長度方向的分布不均勻。 氫不僅在焊縫中存在，還向近縫區(qū)中擴(kuò)散，并且擴(kuò)散深度較大氫不僅在焊縫中存在，還向近縫區(qū)中擴(kuò)散，并且擴(kuò)散深度較大。 圖圖1-29 氫在焊接接頭橫斷面上氫在焊接接頭橫斷面上的分布的分布 1-低碳鋼，堿性焊條低碳鋼，堿性焊條 2-低碳鋼，鈦型焊條低碳鋼，鈦型焊條 3- 30CrMnSi鋼，鐵素體焊縫鋼，鐵素體焊縫4- 30CrMnSi鋼，奧氏體焊條鋼，奧氏體焊條5-工業(yè)純鐵，纖維素型焊條工業(yè)純鐵，纖維素型焊條圖圖1-30 臨近熔合線近縫區(qū)內(nèi)氫的濃

51、度隨時間的變化臨近熔合線近縫區(qū)內(nèi)氫的濃度隨時間的變化1-Q235+奧氏體焊縫奧氏體焊縫 2-45鋼鋼+奧氏體焊縫奧氏體焊縫 3-Q235+鐵素體焊縫鐵素體焊縫 4-45鋼鋼+ +鐵素體焊縫鐵素體焊縫 （三）氫對焊接質(zhì)量的影響（三）氫對焊接質(zhì)量的影響1 形成氣孔形成氣孔 熔池凝固結(jié)晶時，氫的溶解度突然下降，使氫處于過飽熔池凝固結(jié)晶時，氫的溶解度突然下降，使氫處于過飽和狀態(tài)，就促使發(fā)生如下反應(yīng)：和狀態(tài)，就促使發(fā)生如下反應(yīng)：2HH2，反應(yīng)生成的分子氫在，反應(yīng)生成的分子氫在液態(tài)金屬中形成氣泡。當(dāng)氣泡向外逸出的速度小于熔池的凝固速液態(tài)金屬中形成氣泡。當(dāng)氣泡向外逸出的速度小于熔池的凝固速度時，就在度時，就

52、在焊縫中焊縫中形成氣孔。形成氣孔。2 產(chǎn)生冷裂紋產(chǎn)生冷裂紋 焊接接頭冷卻到較低溫度下（對于鋼來說在焊接接頭冷卻到較低溫度下（對于鋼來說在Ms溫度溫度以下）時才產(chǎn)生的焊接裂紋稱為冷裂紋。以下）時才產(chǎn)生的焊接裂紋稱為冷裂紋。3 造成氫脆造成氫脆 氫在室溫附近使鋼塑性嚴(yán)重下降現(xiàn)象稱為氫脆氫在室溫附近使鋼塑性嚴(yán)重下降現(xiàn)象稱為氫脆。氫脆是。氫脆是由于原了氫擴(kuò)散聚集于鋼顯微空隙中，結(jié)合為分子氫，造成空隙由于原了氫擴(kuò)散聚集于鋼顯微空隙中，結(jié)合為分子氫，造成空隙內(nèi)產(chǎn)生很高壓力，阻礙金屬塑性變形，導(dǎo)致金屬變脆。內(nèi)產(chǎn)生很高壓力，阻礙金屬塑性變形，導(dǎo)致金屬變脆。4 出現(xiàn)白點出現(xiàn)白點 白點是出現(xiàn)在白點是出現(xiàn)在焊縫金屬

53、焊縫金屬拉伸或彎曲試件的斷面上的一種拉伸或彎曲試件的斷面上的一種白色園形斑點，中心含有微細(xì)氣孔或夾雜物，周圍則為銀白色的白色園形斑點，中心含有微細(xì)氣孔或夾雜物，周圍則為銀白色的脆化部分，其形狀類似魚眼珠中的白點。脆化部分，其形狀類似魚眼珠中的白點。它主要是在外力作用下它主要是在外力作用下，氫在微小氣孔或夾雜物處的集結(jié)造成脆化。，氫在微小氣孔或夾雜物處的集結(jié)造成脆化。（四）控制氫的措施（四）控制氫的措施1 限制焊接材料中的含氫量限制焊接材料中的含氫量 制造焊條、焊劑及藥芯焊絲的各種原材制造焊條、焊劑及藥芯焊絲的各種原材料，如有機(jī)物、天然云母、水玻璃、鐵合金等，都不同程度地含料，如有機(jī)物、天然云母

54、、水玻璃、鐵合金等，都不同程度地含有吸附水、結(jié)晶水、化合水或溶解的氫。因此，在制造低氫或超有吸附水、結(jié)晶水、化合水或溶解的氫。因此，在制造低氫或超低氫（低氫（HTm時，氣相中氧的分壓時，氣相中氧的分壓PO2遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于FeO的分解壓的分解壓PO2。高溫時，高溫時，CO2也是很強(qiáng)的氧化劑也是很強(qiáng)的氧化劑。當(dāng)當(dāng)T=3000 K時，時，PO2=20.3kPa，(即即0.2 atm)，氣相中氧的分壓，氣相中氧的分壓約等于空氣中氧的分壓；約等于空氣中氧的分壓；當(dāng)當(dāng)T3000 K時，時，CO2的氧化性超過了空氣。的氧化性超過了空氣。2FeOCOFeCO2lglgCOFeOCOK 4 H2O氣對金屬的氧化氣

55、對金屬的氧化 水蒸氣分解既使焊縫金屬增氫，又使液體鐵及其他合金元素氧化水蒸氣分解既使焊縫金屬增氫，又使液體鐵及其他合金元素氧化，其反應(yīng)式及平衡常數(shù)又表示如下：，其反應(yīng)式及平衡常數(shù)又表示如下：22HFeOFeOH氣5 . 5/10200lglg22TOHFeOHK當(dāng)溫度升高時，當(dāng)溫度升高時，H2O的氧化性增強(qiáng)。的氧化性增強(qiáng)。在液態(tài)鐵存在的溫度下，在液態(tài)鐵存在的溫度下，CO2氧化性大于氧化性大于H2O的氧化性。的氧化性。氣相中含有較多的氣相中含有較多的H2O時，僅僅進(jìn)行脫氧并不能保證焊縫質(zhì)量，時，僅僅進(jìn)行脫氧并不能保證焊縫質(zhì)量，必須同時去氫或減少必須同時去氫或減少H2O的來源。的來源。5 混合氣體

56、對金屬的氧化混合氣體對金屬的氧化手工電弧焊時，焊接區(qū)的氣相是多種氣體的混合物。手工電弧焊時，焊接區(qū)的氣相是多種氣體的混合物。 鈦鐵礦型焊條析出的氣體在接近熔池結(jié)晶溫度鈦鐵礦型焊條析出的氣體在接近熔池結(jié)晶溫度(2000 K)時，是時，是還原性的；在還原性的；在2500K以上時，是氧化性的。以上時，是氧化性的。 低氫型焊條析出氣體，高于熔池結(jié)晶溫度時，都是氧化性的。低氫型焊條析出氣體，高于熔池結(jié)晶溫度時，都是氧化性的。電弧氣氛中氧的分壓電弧氣氛中氧的分壓PO2和和FeO的分解壓的分解壓(l01kPa)(2) 氣體保護(hù)焊，改善電弧電、熱和工藝特性，采用混合氣體。氣體保護(hù)焊，改善電弧電、熱和工藝特性，

57、采用混合氣體。ArO2，ArCO2，ArO2CO2，O2CO2。O（與與100g金屬反應(yīng)的總氧量金屬反應(yīng)的總氧量）作為評定混合氣體氧化能力指標(biāo)。）作為評定混合氣體氧化能力指標(biāo)。（三）氧對焊接質(zhì)量的影響（三）氧對焊接質(zhì)量的影響氧在焊縫金屬中以氧在焊縫金屬中以溶解狀態(tài)和氧化物夾雜溶解狀態(tài)和氧化物夾雜兩種形式存在，焊縫兩種形式存在，焊縫含氧量是指總的含氧量。一般溶解在鋼中的氧很少，絕大部分氧含氧量是指總的含氧量。一般溶解在鋼中的氧很少，絕大部分氧是以夾雜物的形式存在的。是以夾雜物的形式存在的。1 1 焊縫的強(qiáng)度、塑性、韌性明顯下降焊縫的強(qiáng)度、塑性、韌性明顯下降；尤其是焊縫金屬的低溫沖；尤其是焊縫金屬

58、的低溫沖擊韌度急劇下降，引起焊縫金屬的時效硬化、熱脆及冷脆等、以擊韌度急劇下降，引起焊縫金屬的時效硬化、熱脆及冷脆等、以及物理及化學(xué)性能的變化。及物理及化學(xué)性能的變化。2 形成氣孔：形成氣孔：在熔池階段，溶解的氧與碳發(fā)生冶金反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)在熔池階段，溶解的氧與碳發(fā)生冶金反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物是不溶于金屬的物是不溶于金屬的CO。如果在熔池進(jìn)行凝固時。如果在熔池進(jìn)行凝固時CO氣泡來不及逸氣泡來不及逸出，就會形成出，就會形成CO氣孔。氣孔。3 燒損的有益合金元素，從而使焊縫金屬的性能變壞。燒損的有益合金元素，從而使焊縫金屬的性能變壞。4 形成飛濺形成飛濺 在熔滴中所進(jìn)行的氧與碳的冶金反應(yīng)，生成在熔滴中所進(jìn)行的

59、氧與碳的冶金反應(yīng)，生成CO受熱受熱膨脹，造成熔滴爆炸，形成飛濺，破壞了焊接過程的穩(wěn)定性。膨脹，造成熔滴爆炸，形成飛濺，破壞了焊接過程的穩(wěn)定性。（四）控制氧的措施（四）控制氧的措施控制氧的措施是預(yù)防和脫氧。控制氧的措施是預(yù)防和脫氧。(1) 采用純度高的焊接材料采用純度高的焊接材料 盡量采用不含或少含氧量的焊接材料盡量采用不含或少含氧量的焊接材料。例如，采用低氧或無氧焊條、焊劑；采用高純度的惰性氣體作。例如，采用低氧或無氧焊條、焊劑；采用高純度的惰性氣體作為保護(hù)氣體；真空條件下焊接，可以降低焊縫金屬含氧量。為保護(hù)氣體；真空條件下焊接，可以降低焊縫金屬含氧量。(2) 控制焊接工藝參數(shù)控制焊接工藝參數(shù)

60、 增加電弧電壓使空氣容易侵入電弧，并且增加電弧電壓使空氣容易侵入電弧，并且增加了氧與熔滴接觸的時間，致使焊縫含氧量增加。為了減少焊增加了氧與熔滴接觸的時間，致使焊縫含氧量增加。為了減少焊縫合氧量應(yīng)盡量采用短弧焊。縫合氧量應(yīng)盡量采用短弧焊。(3) 采用冶金方法進(jìn)行脫氧采用冶金方法進(jìn)行脫氧 通過向焊絲或焊條藥皮中加入某種合通過向焊絲或焊條藥皮中加入某種合金元素，使這些合金元素在焊接過程中被氧化，從而保護(hù)被焊金金元素，使這些合金元素在焊接過程中被氧化，從而保護(hù)被焊金屬及其合金元素不被氧化。屬及其合金元素不被氧化。2.3 焊接熔渣對金屬的作用焊接熔渣對金屬的作用一、焊接熔渣一、焊接熔渣（一）熔渣的作用