1、301第三章第三章 焊接冶金学焊接冶金学 第10讲302上讲回顾上讲回顾v焊接熔渣的作用焊接熔渣的作用v熔渣的结构熔渣的结构v熔渣的碱度熔渣的碱度v熔渣的物理性能：粘度、表面张力、熔渣的物理性能：粘度、表面张力、熔点、导电性熔点、导电性3033.3 3.3 氮、氢对金属的作用氮、氢对金属的作用v焊接时，焊接区内气相成分重要有焊接时，焊接区内气相成分重要有COCO、COCO2 2 、H H2 2O O、N N2 2、H H2 2、O O2 2 、金属和熔渣的蒸气以及、金属和熔渣的蒸气以及它们的分解物和电离物它们的分解物和电离物等。等。v其中对焊接质量影响最大的是其中对焊接质量影响最大的是N N2
2、 2、H H2 2、O O2 2、COCO2 2和和H H2 2O O等，必须加以控制。等，必须加以控制。3041.1.气体的来源与产生气体的来源与产生 气体的来源气体的来源 焊接区内气体来源于：焊接区内气体来源于：焊接材料：焊接材料：如焊条的药皮、焊剂和药芯中的造如焊条的药皮、焊剂和药芯中的造气剂、高价氧化物和水分等气剂、高价氧化物和水分等 热源周围的空气热源周围的空气 焊条（丝）和焊件表面存在铁皮、铁锈、油漆焊条（丝）和焊件表面存在铁皮、铁锈、油漆和吸附水等和吸附水等 母材和填充金属自身因冶炼而残留的气体母材和填充金属自身因冶炼而残留的气体305 气体的产生气体的产生 焊接区内的气体除了外
3、界侵入或人为直接输入焊接区内的气体除了外界侵入或人为直接输入气体外，一般都是通过如下气体外，一般都是通过如下物化反应物化反应产生：产生：有机物的分解和燃烧有机物的分解和燃烧 如焊条药皮中常用的如焊条药皮中常用的淀粉淀粉、纤维素纤维素、糊精糊精等有等有机物作通气剂和增塑剂，受热后将发生热氧化分机物作通气剂和增塑剂，受热后将发生热氧化分解反应，产生解反应，产生COCO、COCO2 2、H H2 2和水气和水气等气体。等气体。306 碳酸盐和高阶氧化物的分解碳酸盐和高阶氧化物的分解 在焊接冶金中常使用在焊接冶金中常使用碳酸盐碳酸盐，如，如CaCOCaCO3 3、MgCOMgCO3 3等，用来造气和造
4、渣，也有利于稳定电弧。等，用来造气和造渣，也有利于稳定电弧。当加热超过一定温度时，就开始发生分解，产上当加热超过一定温度时，就开始发生分解，产上COCO2 2气体气体。例如：例如：CaCOCaCO3 3CaOCaOCOCO2 2307 高阶氧化物高阶氧化物主要有主要有FeFe2 2O O3 3和和MnOMnO2 2等，在焊接过等，在焊接过程中将产生逐级分解，也成大量的氧气和低价氧化程中将产生逐级分解，也成大量的氧气和低价氧化物。例如：物。例如：6Fe 6Fe 2 2O O3 34Fe4Fe3 3O O4 4O O2 22Fe2Fe3 3O O4 46FeO6FeOO O2 24MnO4MnO2
5、 2=Mn=Mn2 2O O3 3O O2 26Mn6Mn2 2O O3 3=4Mn=4Mn3 3O O4 4O O2 22Mn2Mn3 3O O4 4=6MnO=6MnOO O2 2308 材料的蒸发材料的蒸发 焊接过程中，除焊材中水分蒸发外，金属元素焊接过程中，除焊材中水分蒸发外，金属元素和熔渣中各种成分在电弧高温下也会蒸发成为蒸和熔渣中各种成分在电弧高温下也会蒸发成为蒸气。沸点越低的物质越容易蒸发，从下表中看出：气。沸点越低的物质越容易蒸发，从下表中看出：金属元素金属元素ZnZn、MgMg、PbPb、MnMn的沸点较低，在熔的沸点较低，在熔滴形成和过渡过程中最易蒸发。滴形成和过渡过程中最
6、易蒸发。氟化物也因沸点低而易于蒸发。氟化物也因沸点低而易于蒸发。309 在焊接过程中，在焊接过程中，有用元素蒸发有用元素蒸发不仅造成不仅造成合金元素损失，甚至产生焊接缺陷，影响合金元素损失，甚至产生焊接缺陷，影响焊接质量，还增加焊接烟尘，污染环境，焊接质量，还增加焊接烟尘，污染环境，影响焊工健康。影响焊工健康。3010 2.2.气体分解气体分解 焊接区内的气体是以焊接区内的气体是以分子分子、原子原子及及离子离子等状等状态存在，态存在，一般以分子状态存在的气体须先分解成一般以分子状态存在的气体须先分解成原子或离子后才能溶解到金属中。原子或离子后才能溶解到金属中。3011 在焊接冶金中常见的气体有
7、在焊接冶金中常见的气体有简单气体简单气体和和复杂气复杂气体体两类：两类：简单气体：简单气体：由同种原子组成分子的气体，如由同种原子组成分子的气体，如N N2 2、H H2 2和和O O2 2等，多为双原子气体；等，多为双原子气体；复杂气体复杂气体：由不同原子组成分子的气体，如：由不同原子组成分子的气体，如COCO2 2和和H H2 2O O等。等。3012 气体受热后其原子获得足够高的能量后就会分气体受热后其原子获得足够高的能量后就会分解为单个原子或离子及电子。下表列出一些常见气解为单个原子或离子及电子。下表列出一些常见气体分解的反应式，它们均为吸热反应。体分解的反应式，它们均为吸热反应。反应
8、式反应式 H298KJ/mol反应式反应式H298KJ/molF2=F+FH2=H+HH2=H+H+eO2=O+ON2=N+N-270-433.9-174.5-489.9-711.4CO2=CO+1/2O2H2O=H2+1/2O2H2O=OH+1/2H2H2O=H2+OH2O=2H+O-282.8-483.2-532.8-977.3-1808.3表表 气体分解反应式气体分解反应式3013 从上表的数字反映出各种气体分解的难易程从上表的数字反映出各种气体分解的难易程度，在焊接温度度，在焊接温度(5000K)(5000K)下：下：v H H2 2和和O O2 2的分解大都以原子状态存在；的分解大都
9、以原子状态存在；v N N2 2分解很小，基本上以分子状态存在；分解很小，基本上以分子状态存在；v COCO2 2气体的分解随温度升高而增加，在焊接气体的分解随温度升高而增加，在焊接温度下几乎完全分解；温度下几乎完全分解；v 水蒸气分解比较复杂、在不同温度下可按上水蒸气分解比较复杂、在不同温度下可按上表中的反应式分解成表中的反应式分解成H H2 2、O O2 2、H H、O O等。等。3014 3.3.分布分布 焊接时，焊接区内气相的成分和数量与焊接焊接时，焊接区内气相的成分和数量与焊接方法、工艺参数、焊接材料种类有关。方法、工艺参数、焊接材料种类有关。焊条电弧焊时，气相的氧化性较大。用碱性焊
10、条电弧焊时，气相的氧化性较大。用碱性焊条焊接，气相中焊条焊接，气相中H H2 2和和H H2 2O O的含量很少，故称的含量很少，故称低氢型焊条低氢型焊条；埋弧焊和中性焰气焊时，气相中埋弧焊和中性焰气焊时，气相中COCO2 2和和H H2 2O O含含量很少，因而气相的氧化性也很小。量很少，因而气相的氧化性也很小。3015 各种气体的分子、原子和离子在焊接区内的各种气体的分子、原子和离子在焊接区内的分布与温度有关。分布与温度有关。电弧的温度无论是轴向或径向分布都不均匀，电弧的温度无论是轴向或径向分布都不均匀，所以它们在电弧中的分布也是不个均匀的。由于所以它们在电弧中的分布也是不个均匀的。由于测
11、试上的困难，日前尚未了解其分布规律。测试上的困难，日前尚未了解其分布规律。3016 3.3.1 3.3.1 氮对金属的作用氮对金属的作用 1.1.氮在金属中的溶解氮在金属中的溶解 空气是氮的主要来源空气是氮的主要来源，空气一旦侵入焊接区，空气一旦侵入焊接区，便会发生氮与金属作用。便会发生氮与金属作用。3017与氮不发生作用的金属与氮不发生作用的金属 如如铜、镍、银铜、镍、银等，即使在高温熔化状态也等，即使在高温熔化状态也不溶解不溶解氮或与氮生成氮化物。氮或与氮生成氮化物。因此焊接这类金属时，可因此焊接这类金属时，可用氮作保护气体。用氮作保护气体。v既能溶解氮，又能与氮形成稳定的氮化物的金属既能
12、溶解氮，又能与氮形成稳定的氮化物的金属 如如铁、锰、钛、铬铁、锰、钛、铬等，焊接这类金属及其合金时，等，焊接这类金属及其合金时，必须防止焊缝金属的氮化。必须防止焊缝金属的氮化。3018 氮在金属中的溶解反应为：氮在金属中的溶解反应为：N N2 22N 2N 氮在金属中的溶解度与平衡时该气体的分压氮在金属中的溶解度与平衡时该气体的分压平方根成比例。平方根成比例。在气相中氮的分压越大，其溶解在气相中氮的分压越大，其溶解度越大。因此，降低气相中氮的分压可有效地减度越大。因此，降低气相中氮的分压可有效地减少氮在金属中的含量。少氮在金属中的含量。3019氮在纯铁中的溶解度与温度的关氮在纯铁中的溶解度与温
13、度的关系如右图所示，从图中看出，除系如右图所示，从图中看出，除 铁外，铁外，氮在铁中的溶解度随温度氮在铁中的溶解度随温度升高而增大升高而增大，因这种溶解属吸热，因这种溶解属吸热反应。反应。在在22002200时溶解度最大时溶解度最大，达，达47473 3100g100g。升至铁的沸点附近升至铁的沸点附近则溶解度急剧降低，真正为零则溶解度急剧降低，真正为零。v这是由于金属大量蒸发，使气相中氮的分压显著下降所致。这是由于金属大量蒸发，使气相中氮的分压显著下降所致。铁从液态转变为固态时，氮的溶解度突然下降铁从液态转变为固态时，氮的溶解度突然下降70-80%70-80%，析，析出的氮是形成焊缝小气孔的
14、重要原因之一。出的氮是形成焊缝小气孔的重要原因之一。图图 氮在铁中的溶解度与温度的关系氮在铁中的溶解度与温度的关系3020 在铁熔液中加入在铁熔液中加入C C、Si Si、NiNi会降低氮的溶解度，会降低氮的溶解度，而加入而加入V V、MnMn、CrCr会会增加氮的溶解度，见增加氮的溶解度，见右图。右图。图图 合金元素合金元素1600下对氮在铁中的下对氮在铁中的溶解度的溶解度的 影响影响3021 2.2.氮对焊接质量的影响氮对焊接质量的影响 在碳钢焊缝中，氮是有害杂质，其不利影响有：在碳钢焊缝中，氮是有害杂质，其不利影响有：形成气孔形成气孔 由于液态金属在高温时可溶解大量氮，凝固结晶由于液态金
15、属在高温时可溶解大量氮，凝固结晶时氮的溶解度突然下降，过饱和的氮以气泡形式从时氮的溶解度突然下降，过饱和的氮以气泡形式从熔池中逸出，当焊缝金属结晶速度大于氮逸出的速熔池中逸出，当焊缝金属结晶速度大于氮逸出的速度时，就形成气孔。度时，就形成气孔。3022 使焊缝金属时效脆化使焊缝金属时效脆化 焊缝金属中过饱和的氮处于焊缝金属中过饱和的氮处于不稳定状态，随着时间的延长，不稳定状态，随着时间的延长，过饱和的氮逐渐析出，形成稳过饱和的氮逐渐析出，形成稳定的定的针状氮化物针状氮化物FeFe4 4N N，因而使，因而使焊缝金属的焊缝金属的强度增高强度增高，塑性和塑性和韧性下降韧性下降，特别是，特别是低温韧
16、性急低温韧性急剧下降剧下降，见右图。，见右图。图图 氮对焊缝金属常温力学氮对焊缝金属常温力学性能的影响性能的影响 在焊缝中加入在焊缝中加入TiTi、AlAl、ZrZr等能够形成稳定氮化物等能够形成稳定氮化物的元素，可有效抑制或消除失效现象。的元素，可有效抑制或消除失效现象。3023 氮的控制氮的控制 加强焊接区的保护加强焊接区的保护 氮来自空气，故控制氮的主要措施是加强对焊接氮来自空气，故控制氮的主要措施是加强对焊接区的保护，防止空气与液态金属发生接触。目前生区的保护，防止空气与液态金属发生接触。目前生产上对焊接区的保护措施主要有：产上对焊接区的保护措施主要有：气体保护、熔渣气体保护、熔渣保护
17、、气渣联合保护和抽真空等。保护、气渣联合保护和抽真空等。3024 下表为用不同焊接方范焊接低碳钢时焊缝的含下表为用不同焊接方范焊接低碳钢时焊缝的含氮量，说明了各自氮的保护效果。氮量，说明了各自氮的保护效果。焊条药皮的保护作用，在很大程度上取决于药焊条药皮的保护作用，在很大程度上取决于药皮的成分和数量。皮的成分和数量。3025 控制焊接工艺参数控制焊接工艺参数v 电弧电压（电弧电压（U U）焊条电弧焊时，电弧电压焊条电弧焊时，电弧电压增大，说明电弧被拉长，增大，说明电弧被拉长，空气侵入焊接区并与熔摘空气侵入焊接区并与熔摘的接触机会加大，从而使的接触机会加大，从而使焊缝金属含氮量增大，如焊缝金属含
18、氮量增大，如右图。因此，右图。因此，采用短弧焊采用短弧焊对减少氮含量有利对减少氮含量有利。图图 手工焊时手工焊时U对焊缝对焊缝O和和N的影响的影响3026v焊接电流（焊接电流（I I）增大焊接电流，可增加熔滴过渡频率，缩短了熔增大焊接电流，可增加熔滴过渡频率，缩短了熔滴与空气作用时间，因而焊缝中含氮量可减少。滴与空气作用时间，因而焊缝中含氮量可减少。v极性极性 用直流反接时，可减少焊缝含氮量，这与减少氮用直流反接时，可减少焊缝含氮量，这与减少氮离子的熔滴溶解有关。离子的熔滴溶解有关。3027v焊丝直径（焊丝直径（）在相同工艺条件下，增大焊丝直径可使焊缝含氮在相同工艺条件下，增大焊丝直径可使焊缝
19、含氮量减少，这和焙滴变粗与空气接触面减少有关。量减少，这和焙滴变粗与空气接触面减少有关。v焊接速度（焊接速度（v v）试验表明，焊接速度对焊缝含氮量影响不大。试验表明，焊接速度对焊缝含氮量影响不大。3028 冶金处理冶金处理 对已侵入焊缝中的氮，若能使其转化为对已侵入焊缝中的氮，若能使其转化为稳定的稳定的氮化物氮化物，就可以降低其有害作用。，就可以降低其有害作用。TiTi、AlAl、ZrZr和和稀土元素稀土元素对氮有较大的亲和力，对氮有较大的亲和力，易形成稳定的氮化物，而且易形成稳定的氮化物，而且这些氮化物不溶于铁这些氮化物不溶于铁液而进入熔渣中。液而进入熔渣中。3029 从右图中看出：从右图
20、中看出：碳可降低氮碳可降低氮在铁中的溶解度。在铁中的溶解度。故可以在故可以在焊丝或药皮中增加碳含量、焊丝或药皮中增加碳含量、以减少焊缝中的含氮量。以减少焊缝中的含氮量。此外：此外：v 碳氧化生成的碳氧化生成的COCO和和COCO2 2，可，可加强焊接区的保护作用和降加强焊接区的保护作用和降低氮的分压。低氮的分压。v 碳氧化时引起熔池沸腾，也碳氧化时引起熔池沸腾，也有利于氮的逸出。有利于氮的逸出。图图 合金元素合金元素1600下对氮在下对氮在铁中的溶解度的铁中的溶解度的 影响影响3030本讲小结本讲小结v气体的来源与产生气体的来源与产生v气体分解气体分解v氮在金属中的溶解氮在金属中的溶解v氮对焊接质量的影响氮对焊接质量的影响v氮的控制氮的控制
