焊接區(qū)內(nèi)的氣體對焊接質(zhì)量的影響

焊接區(qū)內(nèi)的氣體對焊接質(zhì)量的影響氣焊過程中焊接區(qū)內(nèi)的大量氣體是由一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽、氧氣、氮?dú)庖约坝伤鼈兎纸獾漠a(chǎn)物和金屬、熔渣的蒸氣等組成的混合氣體。其中對焊接質(zhì)量影響最大的是氧氣(0)、氫氣(H)和氮?dú)?N)。222一、氧的影響氧的來源氣焊過程中不可避免地有氧氣侵入，如氣體火焰中自由狀態(tài)的氧常常進(jìn)入內(nèi)焰而侵入熔池.外焰中的二氧化碳和水蒸汽中的氧，也常和熔池內(nèi)液體金屬及其附近的熱態(tài)金屬化合；當(dāng)氣焊火焰因風(fēng)吹歪斜偏離熔池、焊炬過早離開熔池，都使氣體火焰不能很好地保護(hù)熔池而造成空氣中的氧侵入焊接區(qū)；再者，焊絲、熔劑和母材中溶解的氧或氧化物，金屬表面的油脂、鐵銹、油漆等污物及熔劑內(nèi)部的結(jié)晶水等均構(gòu)成了氧的來源。氧對焊接和焊接質(zhì)量的影響由于金屬本身在加熱到很高溫度時非常容易氧化，致使焊縫金屬及其合金元素迅速被氧化而形成氧化物。氧對焊接和焊接質(zhì)量的主要影響有：使焊縫金屬及合金元素被燒損，造成焊縫的力學(xué)性能下降。在熔滴和熔池表面,鐵被氧化成氧化亞鐵(FeO)，當(dāng)鋼中存在過量的氧時便生成三氧化二鐵(Fe0),2 3這些鐵的氧化物以不規(guī)則的點(diǎn)狀凝集物或在晶界成不完整的褐色細(xì)網(wǎng)的形式存在，在碳鋼和合金鋼中除了基體鐵被氧化，其它元素，例如碳(C)、硅(Si)、錳(Mn)、鈦(Ti)和鉻(Cr)等也會被氧化。氧化的結(jié)果使熔池中有益的元素?zé)龘p，使焊縫金屬的強(qiáng)度、硬度和塑性等發(fā)生明顯的下降。如圖2—10所示為氧對低碳鋼力學(xué)性能的影響。亦劃利劃2&Hrfl亦劃利劃2&Hrflds石O」辛才K2-11氮對低碳鋼常遍力學(xué)性能的影響焊接有色金屬時的氧化反應(yīng)，如焊接紫銅時，當(dāng)溫度接近銅的熔點(diǎn)(1083°C)時，銅很容易被氧化生成氧化亞銅(CuO),在焊縫結(jié)晶時，氧化亞銅又會和銅形2成低熔點(diǎn)共晶(CuO?Cu)分布在銅的晶界上，使焊縫容易產(chǎn)生熱裂紋，降低其接2頭性能。焊接黃銅時，黃銅所含的鋅(Zn)很容易在焊接火焰溫度下氣化、蒸發(fā)和氧化，從而改變黃銅的化學(xué)成分，使焊接接頭的力學(xué)性能和抗腐蝕性能降低。飛濺嚴(yán)重、易形成氣孔、夾渣。焊接碳鋼和合金鋼時，碳C)燒損所產(chǎn)生的一氧化碳?xì)怏w，導(dǎo)致焊接時飛濺的增加；同時又產(chǎn)生了溶于熔池的氧化亞鐵(FeO)，這時，熔池中的氧化亞鐵與熔池中的其它元素會繼續(xù)發(fā)生氧化反應(yīng)。在氧化反應(yīng)中產(chǎn)生的氣體，不僅使焊接時飛濺增加，而且當(dāng)焊縫金屬的冷凝速度大于氣體逸出的速度時，就會形成氣孔。氧化后產(chǎn)生的合金元素的氧化物(如SiO、2MnO等)均不熔于鋼中，一般都將浮到熔池表面或進(jìn)入熔渣中，但有時來不及浮出時，就會在焊縫中形成夾渣。焊接有色金屬及其合金時，如焊接錫青銅和鋁青銅，合金元素錫(Sn)和鋁

(Al)很容易被氧化。生成的二氧化錫(SnO)硬而脆，在焊縫中以夾雜物的形式存2在。而生成的三氧化二鋁(AlO)為高熔點(diǎn)氧化物，阻礙焊縫的熔合，同時使熔渣TOC\o"1-5"\h\z2 3粘度增加，使熔池中的氣體來不及逸出而產(chǎn)生氣孔。造成焊接困難。焊接某些合金時，在熔池表面生成的難熔氧化物(如Al0、2 3CrO等)將阻礙焊接冶金反應(yīng)的正常進(jìn)行和熔渣的浮出，造成焊接困難。如焊接2 3鋁及其合金時，不僅鋁表面原有的氧化膜阻礙焊接，而且在焊接熔池表面還會生成新的氧化鋁膜，妨礙焊接過程的正常進(jìn)行。此外，熔池中的氧可能使晶界嚴(yán)重氧化、晶粒粗大及形成熱裂紋，還可能使焊縫金屬的導(dǎo)電性、耐腐蝕性或其它特殊性能降低?？傊?，氧在焊縫金屬中的危害性是相當(dāng)大的。因此，在焊接過程中應(yīng)嚴(yán)格控制氧的來源和選用適當(dāng)?shù)娜蹌?，以盡量避免和減少氧對焊縫金屬的影響。脫氧的方法在氣焊時，可根據(jù)焊件材料的性能來選擇脫氧的方法，脫氧的方法有：通過還原氣氛脫氧。在氣焊低碳鋼和低合金鋼時，由于使用的火焰中有大量的一氧化碳(CO)和氫氣起著還原作用。這樣不僅能夠保護(hù)熔池表面不被氧化，而且還能與焊縫金屬中的氧化亞鐵(FeO)發(fā)生還原反應(yīng)。因而，氣焊低碳鋼和低合金鋼，可以不用熔劑進(jìn)行焊接，就能得到滿意的接頭。但在施焊時，火焰應(yīng)當(dāng)為嚴(yán)格的中性焰或輕微的碳化焰，并有效地保護(hù)熔池及近縫區(qū)。如果火焰帶有氧化性質(zhì)，不僅使焊縫金屬中的元素氧化，而且能使熔合區(qū)和靠近熔合區(qū)的熱影響區(qū)晶界氧化。由焊絲成分中的脫氧元素來脫氧。按金屬元素與氧的親合力的強(qiáng)弱，可將金屬元素排列如下：鋁(Al)、鈦(Ti)、硅(Si)、釩(V)、錳(Mn)、鉻(D)、鉬(Mo)、

鐵(Fe)。在焊接鋼鐵時，位于鐵前面的各元素均可作為焊縫金屬的脫氧元素即脫氧劑。如在氣焊碳鋼和合金鋼時，常選用含錳(Mn)、硅(Si)的焊絲。采用硅(Si)、錳(Mn)聯(lián)合脫氧時，生成的氧化錳(MnO)與二氧化硅(SiO)形成硅酸鹽，其熔點(diǎn)、2密度都較低，易浮于熔池表面而形成熔渣。用鋁(A1)脫氧時，由于生成高熔點(diǎn)的AlO(熔點(diǎn)為2050°C)，故氣焊時不采用，主要用在氧乙炔火焰金屬噴涂時脫氧；2 3鈦(Ti)不僅是很好的脫氧劑，而且還能很好地脫氮。在氣焊含氧量較高的沸騰鋼時，選用含錳(Mn)的焊絲，不但可以減少碳(c)、錳(Mn)、硅(si)元素的燒損，提高焊接質(zhì)量，而且可以減少焊接時的飛濺。通過熔劑脫氧。在焊接高合金鋼、鑄鐵、不銹鋼和有色金屬及其合金時，都要加入熔劑，主要目的是為了保護(hù)熔池和脫氧。例如，氣焊銅及其合金時，常用熔劑硼砂(NaBO?10HO)和硼酸(HBO)去除熔池中氧化物(如氧化銅CuO、氧化247 2 3 4鋅ZnO)，反應(yīng)的生成物都是易熔的硼酸鹽，其在焊接過程中浮在熔池表面起到保護(hù)熔池的作用。二、氫的影響氫的來源在氣焊時,氫來源于乙炔的分解和燃燒、焊接材料(焊絲和熔劑)和母材表面的鐵銹及水分、油污、油漆等污物。氫通常不與焊縫金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但能溶解于鐵(Fe)、鎳(Ni)、銅(cu)、鉻(Cr)、鉬(Mo)等金屬中。在氣焊時，由于氣焊火焰中含有大量的氫(H)和一氧化碳(CO)，不僅能保護(hù)熔池2表面不被氧化和氮化，而且能使焊縫金屬中的金屬氧化物還原。但是，在焊縫金屬中若存在1/100000的氫，就會對焊接接頭質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的有害影響。氫對焊接接頭的影響

在焊接高溫的作用下，氫氣能激烈地分解成原子態(tài)的氫（［H］）,分解的原子態(tài)的氫大量地溶解在熔滴和熔池中。當(dāng)熱源移去，熔池冷卻，金屬開始相變時，氫的溶解度將急劇降低。對于碳鋼，在發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時氫的溶解度還會有突變。由于熔池的冷卻速度較快，使溶解的氫來不及逸出，殘存在固體焊縫中，因而引起焊接接頭有以下缺陷：在焊縫金屬內(nèi)部形成氫氣孔。氣焊低碳鋼時，氫氣孔大多分布在焊縫的表面，氣孔四周光滑，斷面呈鐵釘狀，從焊縫表面看，呈圓喇叭口形。個別情況下，在焊縫內(nèi)部也會呈光滑的球狀。焊接其它碳鋼、合金鋼和不銹鋼時在焊縫內(nèi)部出現(xiàn)的氣孔，主要也是氫氣孔。氣焊有色金屬時，氫氣孔常出現(xiàn)在焊縫內(nèi)部。在熔合區(qū)和熱影響區(qū)形成冷裂紋。焊接中碳鋼、高碳鋼、低合金和合金鋼等易淬火鋼時，在焊縫的冷卻過程中，當(dāng)焊縫金屬發(fā)生由奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變時，氫的溶解度突然降低，同時氫在鐵素體中的擴(kuò)散速度比較快，此時氫就會從焊縫穿過熔合區(qū)向熱影響區(qū)擴(kuò)散，而氫在奧氏體中的擴(kuò)散速度較慢，結(jié)果在熔合區(qū)附近就形成了富氫帶。氫擴(kuò)散到熔合區(qū)、熱影響區(qū)聚集起來，由原子狀態(tài)變?yōu)榉肿訝顟B(tài)，形成較大的壓應(yīng)力，這就可能使原有的微觀缺陷不斷擴(kuò)大，最后形成冷裂紋。由于氫引起的冷裂紋，是通過擴(kuò)散、聚集產(chǎn)生應(yīng)力直至形成裂紋，故具有延遲特性，因而稱為延遲裂紋。通常把氫引起的延遲裂紋又稱為“氫致裂紋”。一般來說，易淬火鋼鋼材的淬硬傾向越大，在焊縫的近縫區(qū)得到的淬硬組織馬氏體的數(shù)量越多，這樣就使得硬度增高而且脆化嚴(yán)重，因而就容易在一定條件下產(chǎn)生冷裂紋。產(chǎn)生白點(diǎn)、引起氫脆性。碳鋼或低合金鋼焊縫，如含氫量多，則常在其破斷

面出現(xiàn)光亮圓形的局部脆性斷裂點(diǎn)，稱之為白點(diǎn)。白點(diǎn)的直徑一般為0.5?3mm,其周圍為韌性斷口，在多數(shù)情況下，白點(diǎn)的中心有裂紋、氣孔或小的夾雜物。白點(diǎn)使焊縫金屬的塑性下降。（三）去氫的措施氫引起鋼的塑性嚴(yán)重下降的現(xiàn)象稱為氫脆性。焊縫含氫量越高，塑性下降就越嚴(yán)重。焊縫經(jīng)去氫處理后，由于氫的逸出，其塑性可以恢復(fù)。由于氫對焊接接頭具有嚴(yán)重的有害作用，應(yīng)在焊接前、焊接中、焊接后采取相應(yīng)的去氫措施，以使焊接接頭中的含氫量盡量減少。焊接前采取的措施有：焊絲和待焊處20mm范圍內(nèi)的鐵銹、油污等臟物應(yīng)清除干凈；熔劑要保持干燥，避免受潮；根據(jù)母材，選擇合適的焊絲。焊接中采取的措旋：盡量選擇中性焰進(jìn)行焊接；采用合適的焊接工藝參數(shù)，并在焊接過程中保持穩(wěn)定；掌握合理、正確的焊接方法；焊前預(yù)熱。焊后應(yīng)進(jìn)行消氫處理。由于氣焊焊縫金屬的冷卻速度比手工電弧焊要慢一些，這樣，有利于氫和其它氣體從熔池中逸出，從而獲得無氣孔焊縫和避免在熱影響區(qū)產(chǎn)生氫致裂紋。三、氮的影響（一）氮的來源焊接時，焊接區(qū)周圍的空氣是焊縫金屬中氮的主要來源。焊縫金屬的含氮量，隨著焊嘴離焊件距離的增加而增加，并隨氣焊火焰中氧與乙炔混合比值的增高而增加。這是因?yàn)榛旌媳戎翟龈呤够鹧嬷械难踹^剩，使火焰紊亂，引起空氣的卷入和熔池的攪拌，故使焊縫金屬的含氮量增加。此外，焊接材料（焊絲、熔劑）和母材中所含的氮，在氣焊時會熔入焊縫金屬中形成氮化物；焊接氣體純度不高，例如氧氣純度不高或乙炔中有空氣，在氣焊時也會使氮進(jìn)入熔池中。

氮對焊縫金屬的影響對力學(xué)性能的影響。氮是提高焊縫金屬強(qiáng)度、降低其塑性和韌性的元素。氮對低碳鋼常溫力學(xué)性能的影響詳見圖2—11。容易形成氣孔。氣焊時，當(dāng)焊接區(qū)保護(hù)不良，就會使空氣中的氮進(jìn)入焊縫金屬熔池中。由于氮在鐵中的溶解度隨著溫度的降低而降低，從液相向固相轉(zhuǎn)變時，溶解度急劇下降。在焊接時，由于熔池的冷卻速度很快，且迅速結(jié)晶，這樣，焊縫金屬中過飽和的氮來不及逸出熔池，結(jié)果會形成氮?dú)饪?。因?yàn)榈蝗苡谝簯B(tài)鋁，所以在焊接鋁時不會出現(xiàn)氮?dú)饪?。引起焊縫時效脆化。進(jìn)入焊縫金屬熔池中的氮，其中一部分在高溫作用下，能和錳(Mn)、硅(Si)、鋁(A1)、鈦(Ti)、鐵(Fe)等元素化合成為氮化物。在以上元素的氮化物中，除鈦的氮化物不溶于熔池金屬外，其它的氮化物均能溶于熔池中。這些氮化物在熔池結(jié)晶過程中一部分分布在固熔體內(nèi)和晶