焊接氣體與金屬的相互作用

關(guān)于焊接氣體與金屬的相互作用第三章焊接氣體與金屬的相互作用1第1頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三2第一節(jié)氣體的來源與產(chǎn)生第二節(jié)氣體在金屬中的溶解第三節(jié)氧化性氣體對金屬的氧化第四節(jié)氣體的控制措施第2頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三3第一節(jié)

氣體的來源與產(chǎn)生第3頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三4一、焊接區(qū)內(nèi)的氣體來源**N2、H2、O2CO2

和H2O

焊接區(qū)的氣體①焊條藥皮、焊劑、焊芯的造氣劑;②高價(jià)氧化物及有機(jī)物的分解氣體;③母材坡口的油污、油漆、鐵銹、水分;④空氣中的氣體、水分;⑤保護(hù)氣體及其雜質(zhì)氣體.直接進(jìn)入間接分解第4頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三51．有機(jī)物的分解和燃燒2．碳酸鹽和高價(jià)氧化物的分解3．材料的蒸發(fā)4、氣體的分解二、焊接區(qū)內(nèi)的氣體產(chǎn)生**第5頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三61．有機(jī)物的分解和燃燒焊條藥皮中的淀粉、纖維素、糊精等有機(jī)物（造氣、粘接、增塑劑）熱氧化分解反應(yīng)220~250℃以上發(fā)生，

800℃左右完全分解CO2、CO、H2、烴和水氣如纖維素的熱氧化分解反應(yīng)：(C6H10O5)m＋7/2mO2（氣）＝6mCO2(氣)＋5mH2（氣）酸性焊條藥皮中有機(jī)物的含量較高。第6頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三72．碳酸鹽和高價(jià)氧化物的分解

碳酸鹽（CaCO3、MgCO3等）的分解

CaCO3=CaO+CO2↑MgCO3=MgO+CO2↑（545℃～910℃）（325℃～650℃）堿性焊條藥皮中碳酸鹽的含量較高。高價(jià)氧化物（Fe2O3

和MnO2）的分解

6Fe2O3=4Fe3O4+O22Fe3O4=6FeO+O24MnO2=2Mn2O3+O26Mn2O3=4Mn3O4+O2第7頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三83．材料的蒸發(fā)焊接過程中，除了焊接材料和母材表面的水分發(fā)生蒸發(fā)外，金屬元素和熔渣的各種成分在電弧高溫作用下也會發(fā)生蒸發(fā)，形成相當(dāng)多的蒸氣。金屬材料中Zn、Mg、Pb、Mn

氟化物中AlF3、KF、LiF、NaF

極易蒸發(fā)

第8頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三9后果：①合金元素的損失；

②產(chǎn)生焊接缺陷；③增加焊接煙塵，污染環(huán)境，影響焊工身體健康。第9頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三10表3-1碳鋼焊條電弧焊焊接區(qū)室溫時(shí)的氣相成分低氫型焊條焊接時(shí)，氣相中H2和H2O的含量很少，故稱“低氫型”；酸性焊條焊接時(shí)氫含量均較高，其中纖維素型焊條的最大。第10頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三114、氣體的分解簡單氣體（指

F2、H2、O2、N2等雙原子氣體）的分解；復(fù)雜氣體（指CO2和H2O等）的分解，分解產(chǎn)物在高溫下還可進(jìn)一步分解和電離。第11頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三12分解度α溫度T/KCO2分解時(shí)氣相的平衡成分與溫度的關(guān)系氣相體積分?jǐn)?shù)Φ/%溫度T/K

雙原子氣體分解度α與溫度的關(guān)系（P0＝0.1MPa）第12頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三13第13頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三14第二節(jié)氣體在金屬中的溶解在焊接過程中，與液態(tài)金屬接觸的氣體可分為簡單氣體和復(fù)雜氣體兩大類。前者如H2、N2、O2等，后者如CO2、H2O、CO等。

一、氣體的溶解過程二、氣體的溶解度第14頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三15一、氣體的溶解過程

原子或離子狀態(tài)

→直接溶入液態(tài)金屬；

分子狀態(tài)的氣體→先分解為原子或離子之后再溶解到液態(tài)金屬中。

雙原子氣體溶入金屬液的兩種方式**：吸附—分解—溶入分解—吸附—溶入第15頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三16雙原子氣體溶入金屬液的兩種方式氮溶解過程第16頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三17雙原子氣體溶入金屬液的兩種方式焊接溫度下氫、氧等氣體的溶解過程第17頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三18雙原子氣體溶入金屬液的兩種方式氮溶解過程氫、氧等氣體的溶解過程第18頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三19二、氣體的溶解度**溶解度——

在一定壓力和溫度條件下，氣體溶入金屬的飽和濃度。溶解度S的影響因素

氣體種類合金成分壓力與溫度第19頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三201．壓力和溫度的影響理想氣體溶解度的平方根定律：Px為氣體分壓，Px↑→溶解度↑Kx為常數(shù)，取決于溫度和金屬的種類。第20頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三21金屬吸收氣體為吸熱反應(yīng)，溶解度隨溫度的升高而增加；金屬吸收氣體為放熱反應(yīng)，溶解度隨溫度的上升而降低。氣體溶解度與熱效應(yīng)和溫度的關(guān)系溶解度溫度12金屬發(fā)生相變時(shí)，由于金屬組織結(jié)構(gòu)的變化，氣體的溶解度將發(fā)生突變。液相比固相更有利于氣體的溶解。當(dāng)金屬由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔鄷r(shí)，溶解度的突然下降將對焊件中氣孔的形成產(chǎn)生直接的影響。第21頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三22氮和氫在金屬或合金中的溶解反應(yīng)類型及形成化合物傾向2、氮、氫、氧在金屬中的溶解度第22頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三23氮、氫在鐵中的溶解度（PN2＝PH2=0.1MPa）氮、氫在金屬凝固時(shí)溶解度陡降。氮、氫在奧氏體中的溶解度大于鐵素體。氮、氫在液態(tài)鐵中的溶解度隨溫度升高而增大。在鐵的氣化溫度附近，氣體溶解度陡降。第23頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三24溫度T/℃溶解度SO/%氧在鐵中的溶解度與溫度的關(guān)系氧在液態(tài)鐵中的溶解度隨溫度升高而增大第24頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三25SH/mL.(100g)-1T/℃圖氫在不同金屬中的溶解度隨溫度的變化（pH2＝0.1MPa）a）I類金屬(氫的溶解是吸熱反應(yīng))b）II類金屬a）SH/mL.(100g)-1T/℃b）3、合金成分對溶解度的影響第II類金屬吸氫過程是放熱反應(yīng)，因此隨著溫度的升高，氫的溶解度減小。第25頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三263、合金成分對溶解度的影響

氫在二元系鐵合金中的溶解度（1600℃）氫溶解度SH/ml.(100g)-1合金元素含量wMe/%

氮在二元系鐵合金中的溶解度（1600℃）合金元素含量wMe/%氮溶解度SN/％液態(tài)金屬中加入能提高氣體含量的合金元素，可提高氣體的溶解度；若加入的合金元素能與氣體形成穩(wěn)定的化合物（即氮、氫、氧化合物），則降低氣體的溶解度。第26頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三27第三節(jié)氣體對金屬的氧化

主要討論O2、CO2、H2O等氣體對金屬的氧化。

一、金屬氧化還原方向的判據(jù)二、氧化性氣體對金屬的氧化第27頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三28一、金屬氧化還原方向的判據(jù)

在一個(gè)由金屬、金屬氧化物和氧化性氣體組成的系統(tǒng)中，采用金屬氧化物的分解壓

Po2作為金屬是否被氧化的判據(jù)。

2MeO2Me+O2

若氧在金屬－氧－氧化物系統(tǒng)中的實(shí)際分壓為{Po2}，則:

{Po2}>Po2時(shí)，金屬被氧化；

{Po2}=Po2時(shí)，處于平衡狀態(tài)；

{Po2}<Po2時(shí)，金屬被還原。第28頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三29金屬氧化物的分解壓是溫度的函數(shù)，它隨溫度的升高而增加。除了Cu2O和NiO外，在同樣溫度下，F(xiàn)eO的分解壓最大，即最不穩(wěn)定。FeO為純凝聚相時(shí)，其分解壓為：圖

自由氧化物分解壓與溫度的關(guān)系T/℃LgpO2/×101.3kPaMoO第29頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三30式中

P'o2是液態(tài)鐵中FeO的分解壓；[FeO]是溶解在液態(tài)鐵中的FeO濃度；[FeO]max是液態(tài)鐵中FeO的飽和濃度。由上式可以看出，由于FeO溶于液態(tài)鐵中，使其分解壓減小，致使Fe更容易氧化。計(jì)算得知，在高于鐵熔點(diǎn)的溫度下P'o2

很小，例如溫度為1800℃，液態(tài)鐵中[FeO]的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％時(shí)，P'o2

=1.5×10-8MPa，說明氣相中只要存在微量的氧，即可使鐵氧化。通常情況下FeO溶于液態(tài)鐵中，這時(shí)其分解壓為：

第30頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三31二、氧化性氣體對金屬的氧化1、自由氧對金屬的氧化2、CO2對金屬的氧化3、H2O對金屬的氧化4、混合氣體對金屬的氧化第31頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三321、自由氧對金屬的氧化氣相中O2的分壓超過P'o2時(shí)，將使Fe氧化：

[Fe]+?O2=FeO+26.97kJ/mol[Fe]+O=FeO+515.76

kJ/mol

由反應(yīng)的熱效應(yīng)看，原子氧對鐵的氧化比分子氧更激烈。除了鐵以外，其它對氧親和力比鐵大的元素也會發(fā)生氧化，如：

[C]+?O2=CO↑[Si]+O2=（SiO2）

[Mn]+?O2=（MnO）第32頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三33純CO2高溫分解得到的平衡氣相成分和氣相中氧的分壓{Po2}隨溫度升高，氣相的氧化性增加。2、CO2對金屬的氧化當(dāng)溫度高于3000K時(shí)，CO2的氧化性超過了空氣。溫度高于鐵的熔點(diǎn)以后，{Po2}遠(yuǎn)大于P'o2高溫下CO2對液態(tài)鐵和其他許多金屬來說均為活潑的氧化劑。第33頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三34CO2與液態(tài)鐵的反應(yīng)式和平衡常數(shù)為：

CO2＋[Fe]＝CO＋[FeO]溫度升高時(shí)，平衡常數(shù)K增大，反應(yīng)向右進(jìn)行，促使鐵氧化。計(jì)算表明，即使氣相中只有少量的CO2，對鐵也有很大的氧化性。因此，用CO2作保護(hù)氣體只能防止空氣中氮的侵入，不能避免金屬的氧化。

用CO2作為保護(hù)氣體焊接時(shí)，應(yīng)該在焊絲中增加脫氧元素。第34頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三353、H2O對金屬的氧化H2O氣與Fe的反應(yīng)式和平衡常數(shù)為：

H2O氣＋[Fe]＝[FeO]＋H2

可見，溫度越高，H2O的氧化性越強(qiáng)。

H2O氣除了使金屬氧化外，還會提高氣相中H2的分壓，導(dǎo)致金屬增氫。第35頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三364、混合氣體對金屬的氧化焊接電弧空間的氣相是由多種氣相成分混和而成。對于不同的焊接材料，焊接區(qū)氣相會有不同的組成?！芆/g.(100g)-1，wO/%ArCO2ΦCO2，ΦO2/%ΦO2/%不同氣體保護(hù)焊對于熔敷金屬中含氧量的影響見下圖。

熔敷金屬中∑O與保護(hù)氣體成分的關(guān)系實(shí)線－∑O虛線－wO(焊絲－H08Mn2SiΦ1.6mm母材－低碳鋼)第36頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三37表3-2碳鋼焊條電弧焊焊接區(qū)室溫時(shí)的氣相成分低氫型焊條焊接時(shí)，氣相中H2和H2O的含量很少，故稱“低氫型”；酸性焊條焊接時(shí)氫含量均較高，其中纖維素型焊條的最大。酸性焊條電弧焊電弧空間的氧化性遠(yuǎn)大于堿性。第37頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三38第四節(jié)氣體的影響與控制一、氣體對金屬質(zhì)量的影響二、氣體的控制措施第38頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三39一、氣體對金屬質(zhì)量的影響殘留在金屬內(nèi)部的氣體元素對金屬性能的影響取決于氣體元素在金屬中的存在狀態(tài)。

室溫下N、H、O在金屬中的溶解度極低，殘留在接頭中的[H]R易導(dǎo)致延遲裂紋和氫脆。固溶態(tài)化合物獨(dú)立氣相彌散狀（氮化物）塊狀（氧化物、氮化物）強(qiáng)化、脆化夾雜氣孔（氫氣孔，氮?dú)饪?，CO氣孔）第39頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三40二、氣體的控制措施

1．限制氣體的來源2．控制工藝參數(shù)3．冶金處理第40頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三411．限制氣體的來源①氮主要來源于空氣，它一旦進(jìn)入液態(tài)金屬，去除就比較困難。因此，控制氮的首要措施是加強(qiáng)對金屬的保護(hù)，防止空氣與金屬接觸。焊接時(shí)，惰性氣體或氣渣聯(lián)合保護(hù)。第41頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三42②氫主要來源于水分，包括原材料本身含有的水分、材料表面吸附的水分以及鐵銹或氧化膜中的結(jié)晶水、化合水等。材料內(nèi)的碳?xì)浠衔锖筒牧媳砻娴挠臀鄣纫彩菤涞闹匾獊碓?。限制措施為焊材存放中防吸潮、焊前烘干和去油污。?2頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三43

③氧主要來源于焊材，在焊接要求比較高的合金鋼和活潑金屬時(shí)，應(yīng)盡量選用不含氧或氧含量少的焊接材料。如采用高純度的惰性保護(hù)氣體，采用低氧或無氧的焊條、焊劑等。第43頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三442．控制工藝參數(shù)增大電弧電壓時(shí)，保護(hù)效果變差，液態(tài)金屬與空氣的接觸機(jī)會增多，使焊縫中氮、氧的含量增加。因此，應(yīng)盡量采用短弧焊。焊接電流增加時(shí)，熔滴過渡頻率增加，氣體與熔滴作用時(shí)間縮短，焊縫中氮、氧含量減少。此外，焊接方法、熔滴過渡特性、電流種類等也有一定的影響。第44頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三453．冶金處理采用冶金方法對液態(tài)金屬進(jìn)行脫氫、脫氮、脫氧等除氣處理，是降低金屬中氣體含量的有效方法。第45頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三46

焊接過程中的脫氫（1）在焊條藥皮和焊劑中加入氟化物（2）控制焊接材料的氧化勢（3）在藥皮或焊芯中加入微量稀土元素（4）焊后消氫處理第46頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三47（1）在焊條藥皮和焊劑中加入氟化物主要是CaF2，焊條藥皮中加入7％～8％，即可急劇減少焊縫的氫含量。氟化物的去氫機(jī)理主要有以下兩種：

在酸性渣中：

CaF2和SiO2共存時(shí)能發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

2CaF2+3SiO2=2CaSiO3+SiF4

生成的氣體SiF4沸點(diǎn)很低，它以氣態(tài)形式存在。第47頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三48

SiF4與氣相中的原子氫和水蒸氣發(fā)生反應(yīng)：

SiF4+3H=SiF+3HFSiF4+2H2O=SiO2+4HF

反應(yīng)生成的HF在高溫下比較穩(wěn)定，故能降低焊縫的氫含量。第48頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三49

在堿性焊條藥皮

中，

CaF2首先與藥皮中的水玻璃發(fā)生反應(yīng)：Na2O.nSiO2+mH2O=2NaOH+nSiO2(m-1)H2O2NaOH+CaF2=2NaF

+Ca(OH)2

K2O.nSiO2+mH2O=2KOH+nSiO2(m-1)H2O2KOH+CaF2=2KF+Ca(OH)2

第49頁，講稿共56頁，2023年5月2日，星期三50與此同時(shí)，CaF2與水蒸氣和氫發(fā)生如下反應(yīng)：

CaF2+H2O=CaO+2HFCaF2+2H