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(yè)，講稿共56頁(yè)，2023年5月2日，星期三2第一節(jié)氣體的來(lái)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(duì)金屬的氧化第四節(jié)氣體的控制措施第2頁(yè)，講稿共56頁(yè)，2023年5月2日，星期三3第一節(jié)

氣體的來(lái)源與產(chǎn)生第3頁(yè)，講稿共56頁(yè)，2023年5月2日，星期三4一、焊接區(qū)內(nèi)的氣體來(lái)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(yè)，講稿共56頁(yè)，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(yè)，講稿共56頁(yè)，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(yè)，講稿共56頁(yè)，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(yè)，講稿共56頁(yè)，2023年5月2日，星期三83．材料的蒸發(fā)焊接過(guò)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(huì)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(yè)，講稿共56頁(yè)，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(yè)，講稿共56頁(yè)，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(yè)，講稿共56頁(yè)，2023年5月2日，星期三114、氣體的分解簡(jiǎn)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(yè)，講稿共56頁(yè)，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(yè)，講稿共56頁(yè)，2023年5月2日，星期三13第13頁(yè)，講稿共56頁(yè)，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(guò)程中，與液態(tài)金屬接觸的氣體可分為簡(jiǎn)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(guò)程二、氣體的溶解度第14頁(yè)，講稿共56頁(yè)，2023年5月2日，星期三15一、氣體的溶解過(guò)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(yè)，講稿共56頁(yè)，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(guò)程第16頁(yè)，講稿共56頁(yè)，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(guò)程第17頁(yè)，講稿共56頁(yè)，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(guò)程氫、氧等氣體的溶解過(guò)程第18頁(yè)，講稿共56頁(yè)，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(yè)，講稿共56頁(yè)，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(yè)，講稿共56頁(yè)，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(duì)焊件中氣孔的形成產(chǎn)生直接的影響。第21頁(yè)，講稿共56頁(yè)，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(yè)，講稿共56頁(yè)，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(yè)，講稿共56頁(yè)，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(yè)，講稿共56頁(yè)，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(duì)溶解度的影響第II類金屬吸氫過(guò)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(yè)，講稿共56頁(yè)，2023年5月2日，星期三263、合金成分對(duì)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(yè)，講稿共56頁(yè)，2023年5月2日，星期三27第三節(jié)氣體對(duì)金屬的氧化

主要討論O2、CO2、H2O等氣體對(duì)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(duì)金屬的氧化第27頁(yè)，講稿共56頁(yè)，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(yè)，講稿共56頁(yè)，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(yè)，講稿共56頁(yè)，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(shuō)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(yè)，講稿共56頁(yè)，2023年5月2日，星期三31二、氧化性氣體對(duì)金屬的氧化1、自由氧對(duì)金屬的氧化2、CO2對(duì)金屬的氧化3、H2O對(duì)金屬的氧化4、混合氣體對(duì)金屬的氧化第31頁(yè)，講稿共56頁(yè)，2023年5月2日，星期三321、自由氧對(duì)金屬的氧化氣相中O2的分壓超過(guò)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(duì)鐵的氧化比分子氧更激烈。除了鐵以外，其它對(duì)氧親和力比鐵大的元素也會(huì)發(fā)生氧化，如：

[C]+?O2=CO↑[Si]+O2=（SiO2）

[Mn]+?O2=（MnO）第32頁(yè)，講稿共56頁(yè)，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(duì)金屬的氧化當(dāng)溫度高于3000K時(shí)，CO2的氧化性超過(guò)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(duì)液態(tài)鐵和其他許多金屬來(lái)說(shuō)均為活潑的氧化劑。第33頁(yè)，講稿共56頁(yè)，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(duì)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(yè)，講稿共56頁(yè)，2023年5月2日，星期三353、H2O對(duì)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(jiàn)，溫度越高，H2O的氧化性越強(qiáng)。

H2O氣除了使金屬氧化外，還會(huì)提高氣相中H2的分壓，導(dǎo)致金屬增氫。第35頁(yè)，講稿共56頁(yè)，2023年5月2日，星期三364、混合氣體對(duì)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(duì)于不同的焊接材料，焊接區(qū)氣相會(huì)有不同的組成?！芆/g.(100g)-1，wO/%ArCO2ΦCO2，ΦO2/%ΦO2/%不同氣體保護(hù)焊對(duì)于熔敷金屬中含氧量的影響見(jiàn)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(yè)，講稿共56頁(yè)，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(yè)，講稿共56頁(yè)，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(duì)金屬質(zhì)量的影響二、氣體的控制措施第38頁(yè)，講稿共56頁(yè)，2023年5月2日，星期三39一、氣體對(duì)金屬質(zhì)量的影響殘留在金屬內(nèi)部的氣體元素對(duì)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)饪祝珻O氣孔）第39頁(yè)，講稿共56頁(yè)，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(lái)源2．控制工藝參數(shù)3．冶金處理第40頁(yè)，講稿共56頁(yè)，2023年5月2日，星期三411．限制氣體的來(lái)源①氮主要來(lái)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(duì)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(yè)，講稿共56頁(yè)，2023年5月2日，星期三42②氫主要來(lái)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?lái)源。限制措施為焊材存放中防吸潮、焊前烘干和去油污。第42頁(yè)，講稿共56頁(yè)，2023年5月2日，星期三43

③氧主要來(lái)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(wú)氧的焊條、焊劑等。第43頁(yè)，講稿共56頁(yè)，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(huì)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(guò)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(guò)渡特性、電流種類等也有一定的影響。第44頁(yè)，講稿共56頁(yè)，2023年5月2日，星期三453．冶金處理采用冶金方法對(duì)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(yè)，講稿共56頁(yè)，2023年5月2日，星期三46

焊接過(guò)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(shì)（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(yè)，講稿共56頁(yè)，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(yè)，講稿共56頁(yè)，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(yè)，講稿共56頁(yè)，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(yè)，講稿共56頁(yè)，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