1、LOGO1.2 气相对金属的作用熔焊原理熔焊原理1.2 1.2 气相对金属的作用气相对金属的作用焊接区内的气体焊接区内的气体1v 气体的来源和产生气体的来源和产生 焊接材料（造气剂、高价氧化物、水分等）焊接材料（造气剂、高价氧化物、水分等）气体介质（保护气体及杂质，热源周围的空气）气体介质（保护气体及杂质，热源周围的空气）焊丝和母材表面上的铁锈、油漆等杂质。焊丝和母材表面上的铁锈、油漆等杂质。通过物化反应产生的：通过物化反应产生的：（有机物的分解和燃烧、碳酸盐和高价氧化物的分解、金属元素和熔渣的蒸发）（有机物的分解和燃烧、碳酸盐和高价氧化物的分解、金属元素和熔渣的蒸发）通过冶金反应产生的：通过
2、冶金反应产生的：1.2 1.2 气相对金属的作用气相对金属的作用v 气体的分解气体的分解 双原子气体双原子气体 (N2/H2/O2)复杂气体复杂气体 (CO2/H2O)气体的分解度气体的分解度与温度的关系图与温度的关系图在焊接条件下，在焊接条件下，H2、O2分解度很大，绝大部分以原子分解度很大，绝大部分以原子状态存在；状态存在；N2分解度很小，基本上以分子状态存在。分解度很小，基本上以分子状态存在。1.2 1.2 气相对金属的作用气相对金属的作用氮对金属的作用氮对金属的作用2来源来源：主要是焊接区周围的空气。：主要是焊接区周围的空气。氮与金属作用有两种情况：氮与金属作用有两种情况：不与氮发生作
3、用的金属，如不与氮发生作用的金属，如Cu、Ni等，既不能溶解氮又等，既不能溶解氮又不形成氮化物，可用不形成氮化物，可用N2作为保护气体。作为保护气体。与氮发生作用的金属，与氮发生作用的金属，如如Fe、Ti等，等，既能溶解氮又能形既能溶解氮又能形成稳定的氮化物，这种情况下就要防止焊缝金属的氮化。成稳定的氮化物，这种情况下就要防止焊缝金属的氮化。1.2 1.2 气相对金属的作用气相对金属的作用 电弧焊时气体溶解过程的特点电弧焊时气体溶解过程的特点：熔化金属过热度大；熔化金属过热度大；在熔池表面上通过局部活性部分和熔滴吸收气体；在熔池表面上通过局部活性部分和熔滴吸收气体；电弧气氛中有受激的分子、原子
4、和离子，气体的活性电弧气氛中有受激的分子、原子和离子，气体的活性，气体在金属中的溶解度气体在金属中的溶解度电弧焊时熔化金属吸收的气体量一般会高于它的平衡含量电弧焊时熔化金属吸收的气体量一般会高于它的平衡含量(溶解度溶解度)v 氮在金属中的溶解氮在金属中的溶解1.2 1.2 气相对金属的作用气相对金属的作用 氮在金属中的溶解方式氮在金属中的溶解方式：以以原子原子形式溶入：形式溶入：焊接区的氮气分子首先被金属表面所吸附并分解为氮原子，然后焊接区的氮气分子首先被金属表面所吸附并分解为氮原子，然后氮原子穿过金属表面层向金属内部溶解。氮原子穿过金属表面层向金属内部溶解。以以离子离子形式溶入：形式溶入：氮
5、原子受到高速电子的碰撞而分解为氮原子受到高速电子的碰撞而分解为N+，氮离子在电场的作用下，氮离子在电场的作用下向阴极运动，并在阴极表面上与电子中和，溶入金属中。向阴极运动，并在阴极表面上与电子中和，溶入金属中。以以NO形式溶入：形式溶入：当气相中同时存在氮和氧时，在电弧高温作用下，氮和氧会形成当气相中同时存在氮和氧时，在电弧高温作用下，氮和氧会形成一定浓度的一定浓度的NO。当。当NO与温度较低的熔滴和熔池金属相遇时，分与温度较低的熔滴和熔池金属相遇时，分解为原子氮与氧而溶于金属中。解为原子氮与氧而溶于金属中。1.2 1.2 气相对金属的作用气相对金属的作用 电弧焊时熔化金属的含氮量高于溶解度电
6、弧焊时熔化金属的含氮量高于溶解度：电弧中受激的电弧中受激的氮分子氮分子，特别是，特别是氮原子氮原子的溶解速度比没受激的溶解速度比没受激的氮分子要快得多；的氮分子要快得多；电弧中的电弧中的氮离子氮离子N+可在阴极溶解；可在阴极溶解；在氧化性电弧气氛中形成在氧化性电弧气氛中形成NO，遇到温度较低的液态金属，遇到温度较低的液态金属时分解，时分解，N迅速溶于金属。迅速溶于金属。1.2 1.2 气相对金属的作用气相对金属的作用v 氮对焊接质量的影响氮对焊接质量的影响 形成气孔形成气孔 强度、硬度，同时强度、硬度，同时塑性和韧性塑性和韧性 使焊缝金属产生时效脆化使焊缝金属产生时效脆化时间时间液态钢液态钢中
7、的中的N快冷快冷过饱和过饱和N(固溶体中固溶体中)以针状以针状Fe4N形式形式析出析出分布于分布于晶界或晶界或晶内晶内N析出析出形成针形成针状状Fe4N焊缝金属焊缝金属塑韧性塑韧性强硬度强硬度时效脆化时效脆化析出脆化析出脆化氮使焊缝金属脆化氮使焊缝金属脆化焊缝金属中加入焊缝金属中加入TiTi、AlAl、ZrZr等可抑制或消除时效现象等可抑制或消除时效现象1.2 1.2 气相对金属的作用气相对金属的作用1.2 1.2 气相对金属的作用气相对金属的作用氮对焊缝金属常温力学性能的影响氮对焊缝金属常温力学性能的影响 氮对低碳钢焊缝低温韧性的影响氮对低碳钢焊缝低温韧性的影响1.2 1.2 气相对金属的作
8、用气相对金属的作用v 影响焊缝含氮量的因素及控制措施影响焊缝含氮量的因素及控制措施 焊接区保护的影响焊接区保护的影响：气一渣保护、渣保护、气体保护、抽真空。对于适渣型焊条：保护效果取决于药皮的数量及成分 焊接工艺参数的影响焊接工艺参数的影响：U，弧长，t氮-熔滴，N%。尽量采用短弧焊 I，f熔滴过渡，t氮-熔滴，N%。d焊丝，d熔滴，N%。合金元素的影响合金元素的影响：增加焊丝或药皮中的含碳量 TiAlZrRE，形成稳定的氮化物加强焊接区的保护加强焊接区的保护选择正确的焊接参数选择正确的焊接参数控制焊接材料中的合金元素控制焊接材料中的合金元素1.2 1.2 气相对金属的作用气相对金属的作用氢对
9、金属的作用氢对金属的作用3氢的主要来源氢的主要来源：焊接材料中的水分、含氢物质、电弧焊接材料中的水分、含氢物质、电弧周围空气中的水蒸气、周围空气中的水蒸气、焊接坡口周围的油污焊接坡口周围的油污等。等。v 氢在金属中的溶解氢在金属中的溶解氢与金属的作用氢与金属的作用 形成稳定氢化物，但能溶解氢的金属形成稳定氢化物，但能溶解氢的金属（Al、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等）等）形成稳定氢化物的金属形成稳定氢化物的金属（Zr、Ti、V、Ta、Nb等）等）1.2 1.2 气相对金属的作用气相对金属的作用氢向金属中溶解的途径氢向金属中溶解的途径：因焊接方法而异。：因焊接方法而异。气体保护焊：氢通过气相与液
10、态金属的界面以原子或质气体保护焊：氢通过气相与液态金属的界面以原子或质子的形式溶入金属子的形式溶入金属电渣焊：氢通过渣层溶入金属电渣焊：氢通过渣层溶入金属手工电弧焊和埋弧焊：上述两者途径手工电弧焊和埋弧焊：上述两者途径焊接时，气相中的氢可处于分子、原子和离子状态焊接时，气相中的氢可处于分子、原子和离子状态1.2 1.2 气相对金属的作用气相对金属的作用氢在铁中的溶解度氢在铁中的溶解度a、组织结构的影响：组织结构的影响：FCC晶格中晶格中 BCC晶格中晶格中 固态相变时固态相变时H溶解度发生突变溶解度发生突变b、合金元素的影响：、合金元素的影响：1.2 1.2 气相对金属的作用气相对金属的作用v
11、 焊缝金属中的氢及其扩散焊缝金属中的氢及其扩散 存在形式存在形式 扩散氢：扩散氢：H、H、H 残余氢（剩余氢）：残余氢（剩余氢）：H2 总含氢量总含氢量=扩散氢剩余氢，对第二类金属，扩散氢约占扩散氢剩余氢，对第二类金属，扩散氢约占8090%。氢的扩散氢的扩散刚焊接的接头中刚焊接的接头中 H扩散扩散一部分一部分H逸出，溶解量降低逸出，溶解量降低一部分转化为残余一部分转化为残余H且逐渐增加且逐渐增加一部分向近缝区扩散一部分向近缝区扩散1.2 1.2 气相对金属的作用气相对金属的作用v 氢对焊接质量的影响氢对焊接质量的影响 暂态现象暂态现象：氢脆、白点氢脆、白点(经时效、热处理可消除经时效、热处理可
12、消除)永久现象永久现象：气孔、冷裂纹（不可消除）气孔、冷裂纹（不可消除）1.2 1.2 气相对金属的作用气相对金属的作用1)1)氢脆氢脆 定义：在室温附近，由于氢溶解在金属晶格中而引起钢定义：在室温附近，由于氢溶解在金属晶格中而引起钢的塑性严重下降的现象。的塑性严重下降的现象。金属拉伸金属拉伸位错运动、堆积位错运动、堆积显微空腔显微空腔晶格中的原子氢晶格中的原子氢H+H=H2沿位错运动方向扩散沿位错运动方向扩散压力压力金属变脆金属变脆形成形成1.2 1.2 气相对金属的作用气相对金属的作用2 2）白点）白点定义：定义：碳钢或低合金钢焊缝因含氢量高而在其拉伸或碳钢或低合金钢焊缝因含氢量高而在其拉
13、伸或弯曲断面上出现的银白色圆形局部脆断点，称为白点。弯曲断面上出现的银白色圆形局部脆断点，称为白点。焊缝产生白点时，其塑韧性下降。焊缝产生白点时，其塑韧性下降。特征：特征：肉眼可见，直径肉眼可见，直径0.53mm，中心处有气孔或小，中心处有气孔或小的夹渣，周围为塑性断口，形似鱼眼也称的夹渣，周围为塑性断口，形似鱼眼也称“鱼眼鱼眼”。1.2 1.2 气相对金属的作用气相对金属的作用“诱捕理论诱捕理论”解释：解释：焊缝中的气孔及非金属夹杂物边缘焊缝中的气孔及非金属夹杂物边缘的空隙，好象的空隙，好象“陷阱陷阱”一样捕捉氢原子，并在其中结合一样捕捉氢原子，并在其中结合成氢分子，在拉伸试验中成氢分子，在
14、拉伸试验中“陷阱陷阱”中的氢分子被吸附。中的氢分子被吸附。由于塑性变形新产生的微裂纹表面上，分解成原子氢，由于塑性变形新产生的微裂纹表面上，分解成原子氢，原子氢扩散到微裂纹金属晶格内，引起金属脆化。原子氢扩散到微裂纹金属晶格内，引起金属脆化。对白点的敏感性对白点的敏感性(影响因素影响因素)：含氢量含氢量 金属组织：铁素体钢；奥氏体钢；含金属组织：铁素体钢；奥氏体钢；含Cr、Ni、Mo的钢的钢 变形速度变形速度1.2 1.2 气相对金属的作用气相对金属的作用3)3)气孔气孔 熔池凝固时由于溶解度的骤降，使熔池中的氢处于过饱熔池凝固时由于溶解度的骤降，使熔池中的氢处于过饱和状态，发生和状态，发生2
15、H=H2反应，生成的分子氢不溶于金属，反应，生成的分子氢不溶于金属，便在液态金属中形成气泡。当气泡外逸速度小于凝固速便在液态金属中形成气泡。当气泡外逸速度小于凝固速度时，就在焊缝中形成气孔。度时，就在焊缝中形成气孔。4 4）冷裂纹）冷裂纹 1.2 1.2 气相对金属的作用气相对金属的作用1)1)限制焊接材料中的含氢量：制造时、储存时、使用前注意项限制焊接材料中的含氢量：制造时、储存时、使用前注意项 2)2)严格清理焊件及焊丝：去锈、油污、吸附水分严格清理焊件及焊丝：去锈、油污、吸附水分 3)3)冶金处理：调整焊接材料的成分，使氢在焊接过程中生成较稳冶金处理：调整焊接材料的成分，使氢在焊接过程中
16、生成较稳定的不溶于液态金属的氢化物如定的不溶于液态金属的氢化物如HF、OH等等 在药皮和焊剂中加入氟化物（如在药皮和焊剂中加入氟化物（如CaF2）；）；控制焊接材料的氧化还原势控制焊接材料的氧化还原势(增加熔池增加熔池O含量或气相氧化性含量或气相氧化性)；在药皮或焊芯中加入微量的稀土或稀散元素如碲在药皮或焊芯中加入微量的稀土或稀散元素如碲Te、硒、硒Se、钇、钇Y 4)4)调整焊接规范调整焊接规范 5)5)焊后脱氢处理：热处理，使焊后脱氢处理：热处理，使H扩散逸出扩散逸出.易产生冷裂纹的焊件易产生冷裂纹的焊件 v 控制氢的措施控制氢的措施1.2 1.2 气相对金属的作用气相对金属的作用氧对金属
17、的作用氧对金属的作用4第一类：不溶于氧，但焊接时发生激烈氧化的金属，如第一类：不溶于氧，但焊接时发生激烈氧化的金属，如Mg、Al等等 第二类：能有限溶于氧，同时在焊接时也发生氧化的金属，如第二类：能有限溶于氧，同时在焊接时也发生氧化的金属，如Fe、Ni、Cu、Ti等等1.2 1.2 气相对金属的作用气相对金属的作用v 氧在金属中的溶解氧在金属中的溶解溶解形式溶解形式：O、FeO焊缝中氧存在形式焊缝中氧存在形式：溶解溶解O、氧化物、氧化物(FeO、SiO2、MnO等等)、硅酸盐、硅酸盐1.2 1.2 气相对金属的作用气相对金属的作用v 氧化性气体对金属的氧化氧化性气体对金属的氧化 自由氧对金属的
18、氧化自由氧对金属的氧化 CO2对金属的氧化对金属的氧化 H2O气对金属的氧化气对金属的氧化 混合气体对金属的氧化混合气体对金属的氧化1/2O2+Fe=FeO，O+Fe=FeO CO2+Fe=FeO+COH2O气气+Fe=FeO+H21.2 1.2 气相对金属的作用气相对金属的作用v 氧对焊接质量的影响氧对焊接质量的影响 降低力学性能、物理性能和化学性能降低力学性能、物理性能和化学性能 产生气孔（产生气孔（CO）合金元素氧化烧损合金元素氧化烧损 焊接工艺性能变差焊接工艺性能变差 v 控制氧的措施控制氧的措施 纯化焊接材料（低氧或无氧焊条，高纯惰性保护气体，真空）纯化焊接材料（低氧或无氧焊条，高纯惰性保护气体，真空）控制焊接工艺参数（如采用短弧焊）控制焊接工艺参数（如采用短弧焊）脱氧（如加入脱氧剂）脱氧（如加入脱氧剂）
