第二章熔化焊接化学冶金 焊接成型原理精品课课件.ppt

,第二章 熔化焊接化学冶金,焊接气氛及其与金属的相互作用,焊接材料与焊接熔渣,焊接化学冶金反应,2.2,2.3,2.1,2.1 焊接化学冶金,焊接化学冶金过程:在熔焊过程中，焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程。研究内容:在各种焊接工艺条件下，冶金反应与焊缝金属成分、性能之间的关系及其变化规律。研究目的:在于运用这些规律合理地选择焊接材料，控制焊接金属的成分和性能使之符合使用要求，设计创造新的焊接材料。,2.1.1. 焊接化学冶金过程,2.1.2 焊接化学冶金反应区的特点一、焊条熔化及熔池的形成 （1）焊条的加热及熔化 1.焊条的加热 电弧焊时用于加热和熔化焊条焊条的热能有：电阻热、电弧热和化学反应热。 焊接电弧用于加热和熔化焊条的功率qe仅是其全部功率的一小部分，即 qe=eUI (2-1) 式中，U：电弧电压；I：焊接电流；e：焊条加热有效系数。在药皮焊条焊接时，e约0.20.27,焊条端部药皮表面温度可达600C左右，因此在该处就开始发生冶金反应。,2. 焊条金属的平均熔化速度：在单位时间内熔化的焊芯质量或长度。可表示为 （2-2） 式中 ：焊条金属的平均熔化速度（g/h ）；G：熔化的焊芯质量（ g）；t：电弧燃烧的时间（h）； ：焊接电流（A）； ：焊条的熔化系数g/（ Ah）。,平均熔敷速度：单位时间内真正进入焊缝金属的那一部分质量。可表示为 (2-3) 式中， ：焊条金属的平均熔敷速度(g/h); ：熔敷到焊缝金属中的金属质量(g); ：焊条的熔敷系数(g/(Ah)。,损失系数：在焊接过程中由于飞溅、氧化和蒸发损失的那一部分金属质量与熔化的焊芯质量之比。可表示为 （2-4） 或 （2-5） 由此可知，熔敷系数是真正反映焊接生产的指标。,3.焊条金属熔滴及其过渡特性 熔滴：在电弧热的作用下，焊条端部熔化形成的滴状液态金属。 熔滴过渡的主要形式：短路过渡：在短弧焊时焊条端部的熔滴长大到一定的尺寸就与熔池发生接触，形成短路过渡到熔池中。颗粒状过渡：在长弧焊时，焊条端部的熔滴以颗粒状落入熔池，此时，不与熔池接触。渣壁过渡：熔滴沿着焊条端部的药皮套筒壁向熔池过渡。 一般地，碱性焊条以短路过渡和大颗粒过渡；酸性焊条以细颗粒过渡和渣壁过渡。,熔滴的比表面积和相互作用时间熔滴的比表面积： （2-6） ：熔滴金属的密度；R为熔滴半径。熔滴与周围介质的平均相互作用时间： （2-7） ：熔滴存在时间； m 0：熔滴脱落后残留在焊条端部的液体金属质量；mtr：过渡的熔滴质量。,熔滴的温度 实际测量表明，对手工电弧焊焊接低碳钢而言，熔滴的平均温度为21002700K。熔滴的平均温度随焊接电流的增加而升高，随焊丝直径的增加而降低，如下图所示。（2）熔池的形成（见1.3.2）,二、焊接过程中对金属的保护保护的必要性: 在空气中无任何保护的情况下，采用光焊丝对低碳钢进行电弧焊接，其结果在焊缝金属中氮含量可达0.105%0.218%,比焊丝高2045倍；氧含量为0.14%0.72%,比焊丝高735倍。同时，锰、碳等有益合金元素因烧损和蒸发而减少。焊缝金属的强度变化不大，但其塑性和韧性却急剧下降，。 为了避免焊接过程中焊缝金属被空气污染及有益合金元素的烧损，焊接冶金的首要任务就是对焊接区内的金属加强保护，以防止空气的有害作用。,保护的方式和效果 每一种熔焊方法都是为了加强对焊接区保护而发展和完善起来的。,表2.1.2 熔焊过程中的保护方式,保护效果取决于隔离有害气体的程度，它和焊接方法的工艺特点及焊接条件有关。如埋弧焊剂的保护效果取决于焊剂的粒度和结构，焊剂的粒度越大，其松装密度（单位体积内焊剂的质量）越小，透气性越大，焊缝金属中含氮量越多，即保护效果越差。气体保护焊的保护效果取决于保护气的性质与纯度、焊剂的结构、气流的特性等因素。惰性气体（氩、氦等）的保护效果较好，常用于合金钢及活性金属的焊接。真空电子束焊的保护效果最理想，常用于重要焊件或活性金属的焊接。,三、焊接化学冶金反应区及其反应条件 焊接冶金过程是分区域（或分阶段）、连续进行的，且各区的反应条件（反应物的性质、浓度、温度、反应时间、两相接触面积、对流及搅拌运动等）也有较大的差异。因此，就影响到各区域进行的可能性、方向、速度及限度。 不同的焊接方法有不同的反应区。手工电弧焊有三个反应区：药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区，如图2-1。熔化极气体保护焊只有熔滴和熔池两个反应区。,图2-1 焊接冶金反应区（以药皮焊条为例）1焊芯；2药皮；3有熔渣覆盖的熔滴；4熔池；5已凝固的焊缝；6熔渣；7渣壳；T1药皮反应开始温度；T2焊条端熔滴表面温度；T3弧柱间熔滴表面温度；T4熔池表面温度；T5熔池凝固温度；I药皮反应区；II熔滴反应区；III熔池反应区,1药皮反应区 药皮反应区的加热温度低于药皮的熔化温度，在该区进 行水分的蒸发、某些物质的分解和铁合金的氧化。 (1)除水反应 当药皮被加热的温度超过100时，药皮的吸附水开始蒸发；当温度超过200400，药皮组成物中的结晶水将被排除，而化合水则需要在更高温度下才能析出。,（2）有机物的分解 温度超过200250时，药皮中的木碳、纤维素和淀粉等有机物开始分解，形成CO、CO2和H2等气体。（3）矿物分解反应 继续升高温度，药皮中的碳酸盐和高价氧化物发生分解，形成CO2和O2等气体。 上述反应形成的气体一方面对熔化金属起机械保护作用；另一方面对母材和药皮中的锰铁和钛铁等铁合金起强烈的氧化作用。,（5）铁合金氧化 药皮加热中形成的O2、CO2和H2O气均有一定的氧化性。当温度达到600以上时药皮中的铁合金发生明显氧化，其结果使气相中的氧化性大大下降。铁合金受到氧化，降低了药皮成渣后对金属的氧化性能，对此称为“先期脱氧”。 总之，药皮反应区的反应产物为熔滴阶段及熔池阶段提供了反应产物，将对整个焊接化学冶金过程和焊接质量产生重要影响。,2熔滴反应区 从熔滴形成、长大到过渡到熔池中这一阶段都属熔滴反应区。该区具有以下特点： 熔滴温度高，电弧焊接钢材时熔滴最高温度约2800，平均温度可达到1 8002 400内。熔滴的过热度很大，可达300900； 熔滴与气体和熔渣接触面积大，熔滴尺寸小，其表面积可达103104cm2/kg，比炼钢时约大1000倍； 各相之间的反应时间短，约为0.011.0s,熔滴在焊条末端的停留时间仅有0.010.1s，向熔池过渡的速度高达2.510m/s，经弧柱区的时间只有0.000l0.0015s，因此熔滴阶段的反应主要在焊条末端进行；,熔滴金属与熔渣发生强烈混合，熔滴在形成、长大和过渡过程中受到电磁力、气体吹力等外界因素作用，便与熔渣发生强烈的混合，既增加彼此接触面积，也加速冶金反应进行。所以熔滴反应区是冶金反应最激烈的部位，许多反应可达到接近终了的程度，因而对焊缝的成分及性能影响最大。在此区进行的物化反应主要有：金属的蒸发、气体的分解和溶解、金属及其合金的氧化与还原，以及焊缝金属的合金化。,该区主要的反应如下：（1）气体的高度分解 首先是空气。空气一旦进人电弧空间就会被加热而分解形成N2、O2和NO。其次是水分的分解。在高温下，水蒸气主要分解成H2和O2以及原子状态的H和O。 H2O气 = H + OH （2-8） 第三是CO2的分解，形成CO和O2。 2 CO2 = 2CO +O2 (2-9) 第四是分子状态的各种气体均可分解为原子状态。最后是CO的分解，其结果会使金属增碳。 2CO=CO2 + C (2-10),(2)H2和N2的激烈溶解 高温时，分子状态的H2和O2须分解成原子或离子才能向金属中溶解。对于N2来说，其溶解度与金属成分及气氛的性质有关。凡存在能形成氮化物的元素时，均能增大其在钢中的溶解度。在氧化性气氛中，N2被氧化形成NO和NO2 ，在金属表面进行电化学溶解过程，从而增大金属中的氮含量。 H2的溶解过程与N2相似，可溶质点主要是H和H+，在电流极性的作用下，H进入金属后，除了溶解，还会形成氢化物而被金属吸收。,(3)激烈增氧反应 在正常焊接条件下，熔滴金属增氧的途径有三方面：气氛中CO2、H2O及O2的直接氧化； 药皮成渣后残存的CO、H2O和O2，以及气体保护焊的保护气体CO2,及O2，均可直接与熔滴金属发生反应。温度越高，这些气体的氧化作用越强烈，其中H2O的氧化作用较弱。另外在CO2气体保护焊时，铁水与CO2在1823K以上反应，即 Fe(l) + CO2=CO(g)+FeO(l) (2-11),为防止CO2的氧化作用，焊丝中必须加脱氧元素Mn及Si等，则在熔滴阶段将发生反应 Mn+CO2=CO+MnO (2-12) Si+2CO2=2CO+SiO2 (2-13) 由于Mn、Si对氧的亲合力大，反应(2-12)与(2-13)进行得很剧烈，但并不能完全防止反应(2-11)的发生。因此，反应中生成的MnO、SiO2与FeO立即相互作用形成熔渣。,熔渣中(FeO)向熔滴金属中分配氧化； 对于钢能在熔渣与熔滴金属间进行扩散分配的只有FeO。在焊接过程中，FeO既能溶于铁液中又能溶于熔渣中，服从分配定律。即在一定温度下，一种物质在互不相溶的相中的平衡分配应为一常数。对 FeO的分配常数L为 (2-14) (2-15) 在1873K到2773K之间的L值为0.010.13，说明FeO主要溶解在熔渣中；随着温度上升，L值增大，金属增氧量提高。熔渣的性质和碱度对FeO的分配有很大影响。在碱性渣中，FeO更易向金属中分配。,熔渣中(MnO)、(SiO2)的置换氧化; 焊接熔渣与熔融金属发生冶金反应 (2-16) (2-17) 反应的结果将使金属增氧。在焊接温度下反应向右侧进行，而其反应的剧烈程度与熔渣的冶金活性、焊丝或熔滴的组成和熔渣组成及碱度有关。碱度增大有利于渗Mn，而不利于渗Si。其实，在熔渣中(SiO2)和(MnO)的浓度一定时，改变碱度，熔敷金属的Si，Mn及O的含量也发生变化。由于渗硅和渗锰为置换反应，其结果是形成FeO，因而使熔敷金属增氧。随着渣活性系数的增加，熔敷金属越易增氧。,（4）强烈渗合金及吸收杂质； 除了氧化物分解而使熔滴获得一定合金元素，药皮或焊剂中的合金成分均能使熔滴 强烈合金化。氧化物分解使熔滴合金化，不但渗入的合金元素数量有限，而且伴有烧损其它合金或增氧的副作用。（5）低沸点元素的严重蒸发并污染环境； 由于熔滴金属温度已接近铁的沸点，一些低沸点元素会发生蒸发现象，常见的为Zn、Mn等金属蒸气，还有含F蒸气。,（6）除氢反应。 为了降低熔融金属中的扩散氢溶解度H，必须降低Pm。若气氛中存在一定数量的氧化性气体时，如CO2或O2，有利于降低。对于已出现的H，通常采用两种冶金方法使H2转化为稳定的、不溶于熔融金属的OH或HF，即适当增强气氛的氧化性或添加氟化物(如CaF2)。若熔滴表面存在熔渣，氢必须透过熔渣才能溶于金属，此时熔渣成为传递氢的介质。酸性渣有一定的控氢能力而限制氢向金属溶入。在碱性渣中加人适当的CaF2后，因CaF2可显著降低氢在渣中的溶解度，从而限制氢透过熔渣向金属溶人。,3.熔池反应区 熔滴与熔渣落入熔池后就开始熔池区的冶金反应，直至金属凝固形成焊缝为止。该区的反应条件有如下特点:熔池的温度分布极不均匀。它的前部温度高，处于升温阶段，进行着金属熔化、气体吸收，有利于吸热反应；它的后部温度低，处于降温阶段，发生气体逸出、金属凝固，有利于放热反应。因此同一个反应在熔池的前部和后部都可以向相反的方向进行；,熔池的平均温度约为16001900C，比熔滴温度低，反应时间稍长，焊条电弧焊时熔池存在时间为38s，埋弧焊为625s；由于受电弧力、气流和等离子流等因素作用，熔池发生搅动。温度分布不均匀，也造成熔池的对流运动。这有助于熔池成分的均匀化和加大冶金反应速度，有利于气体和非金属夹杂物从熔池中逸出。熔池反应阶段中，反应物的含量与平衡含量之差比熔滴反应阶段。所以，在相同条件下，熔池中的反应速度比熔滴阶段中的要小；,当药皮中的质量系数Kb(单位长度焊条的药皮与焊芯质量之比）较大时，由于部分熔渣不与熔滴作用而直接进入熔池中，因而与熔池金属作用的熔渣数量大于与熔滴金属作用的熔渣数量。所以增加焊条药皮厚度能够加强熔池阶段的冶金反应；熔池反应区的反应物质是不断更新的。新熔化的母材、焊芯和药皮不断进入熔池的头部，而凝固的焊缝金属和熔渣不断从尾部退出，从而获得成分均匀的焊缝金属。 总之，焊接化学冶金过程是分区域进行的。在熔滴阶段进行的反应多数在熔池阶段继续进行，但也有的反应停止甚至改变反应方向。各阶段冶金反应的综合结果，就决定了焊缝金属的最终化学成分。,四、焊接工艺条件与化学冶金反应的关系 焊接工艺条件（焊接方法、焊接工艺参数等）的改变必然引起冶金反应条件（反应物的种类、数量、浓度等）的变化，因而影响到冶金反应的过程。这种影响归结以下两方面：熔合比的影响。 熔合比取决于焊接方法、规范、接头形式和板厚、坡口角度和形式、母材性质、焊接材料种类以及焊条（焊丝）的倾角等因素，见表2.1.3。,焊缝金属中合金元素的实际浓度CW为： CW=Cb+(1-)Cd (2-18) 式中，Cb为该元素在母材中的质量百分浓度，Cd为熔敷金属中元素的实际质量百分浓度；从上式可看出，通过改变熔合比可以改变焊缝金属的化学成分。要保证焊缝金属成分和性能的稳定性，必须严格控制焊接工艺条件，使熔合比稳定、合理。,熔滴过渡特性的影响。 焊接工艺参数对熔滴过渡特性有很大影响，因而影响到冶金反应。实验表明，熔滴阶段的反应时间（或熔滴存在时间）随焊接电流的增加而变短，随电弧电压的增加而变长。所以，冶金反应进行的程度随电流的增加而减小，随电压的增加而增大。 如CO2保护焊时，增大焊接电流，熔滴过渡频率增加，氧化反应的时间变短，硅的氧化损失率减小；增加电弧电压，氧化反应的时间增长，硅的损失率增大。此外，短路过渡比大颗粒过渡时硅的损失小，原因是短路过渡时熔滴与CO2的反应时间短。,五、焊接化学冶金系统及其不平衡性 焊接化学冶金系统是一个复杂的高温多相反应系 统。根据焊接方法不同，组成系统的相也不同。如：手工电弧焊和埋弧焊时，有液态金属、熔渣和电弧气氛三相；气体保护焊时，主要是气体与金属相之间的相互作用；电渣焊时，主要是熔渣与金属之间的作用。 由于焊接区的不等温条件使整个系统处于不平衡状态之中，但系统的个别部分出现个别反应的短暂平衡状态，如上述的同一反应在熔池前部和后部反应的方向不同，就是有力的证明。因为改变反应方向必须通过平衡状态。 上述说明，不能直接应用热力学平衡的计算公式定量地分析焊接化学冶金问题，但能作定性分析。,2.1.3 焊缝金属化学成分的控制1焊缝杂质的控制 焊缝有害杂质的控制措施有： (1)工艺措施，限制来源和加强排除。首先加强保护，防止空气入侵；其次须清除焊件和焊接材料上附着的油、锈、氧化膜及水分。对于氢，烘干焊接材料和焊接材料的防潮尤为重要。既然氢能扩散，对焊件进行脱氢处理。若接头为奥氏体组织，脱氢处理的效果不大。,(2)冶金措施，转化为不溶状态或转移到熔渣中。对于氧，首先控制先期脱氧，即在药皮、药芯或焊剂中添加脱氧合金，以限制气氛的氧化性，减少CO2或O2。要尽可能在熔池中沉淀脱氧，实现Mn-Si联合脱氧。宜采用碱性熔渣。对于氮，冶金方法不是理想方法，合金元素Al、Ti、Zr、Ta、V、Nb等可以使氮固定，但并不能完全降低氮量。对于氢，除了设法使之转化为不溶的稳定氢化物OH或HF，还可利用熔渣性质减轻氢的溶人。对于P，冶金方法的效果不明显。对于硫，增大碱度能有效地使硫向熔渣中分配，如熔渣中存在CaF2会增强S向渣中分配。,2合金元素的烧损 焊接材料是决定焊缝成分的主要因素，但焊接材料中的合金成分由于冶金反应引起的烧损，不能稳定地直接过渡到焊缝中。为了控制焊缝的成分，必须掌握焊接材料中合金成分的烧损情况。常引入合金的“过渡系数”来考察合金成分的收得率。“过渡系数”的概念表示为 (2-19) 式中为合金元素x的过渡系数；xd为某元素工在熔敷金属中的质量分数；xE为某元素x在焊接材料中的质量分数。,Contents,2.2 焊接气氛及其与金属的作用,焊接区内气相成分主要有CO、CO2、H2O、N2、H2、O2、金属和熔渣的蒸气及其分解和电离的产物等。其中对焊接质量影响最大的是N2、H2O、CO2和H2O气等。 （1）气体来源焊接材料，如焊条药皮、焊剂和药芯中的造气剂、高价氧化物和水分等；电弧区周围的空气；焊丝和焊件表面存在的铁皮、铁锈、油污和吸附水等；母材和填充金属自身残留的气体。,2.2.1. 焊接区内的气体,（2）气体的产生 除直接输送和侵入焊接区内的气体以外，其它的气体主要是通过以下物化反应产生的。有机物的分解和燃烧 焊条药皮中常含有淀粉、纤维素、糊精和藻酸盐等有机物(作为造气剂和焊条涂料的增塑剂)和焊接材料上的油污等，这些有机物受热以后，发生复杂的分解和燃烧反应，放出气体，这种反应称为热氧化分解反应。纤维素的热氧化分解反应为 (2-20) 色谱分析证明，反应产物主要为CO2，并且还有少量的CO、H2、烃和水气。,碳酸盐和高价氧化物的分解 焊接材料常用的碳酸盐有CaCO3、MgCO3、白云石和BaCO3等。图1-12为碳酸盐生成反应的标准自由能变化G0与温度的关系。利用图中曲线可以比较各种碳酸盐的稳定性及其随温度的变化。当加热超过一定温度时，碳酸盐开始分解。CaCO3和MgCO3的分解反应及分解产物的气相分压如下所示 CaCO3 = CaO + CO2 （2-21） （2-22）,MgCO3 = MgO + CO2 （2-23） （2-24） 假设电弧气氛的总压力为p = 101kpa,并且认为 PCO2= p = 101kpa,则可计算出CaCO3剧烈分解的温度为910；MgCO3的为650。可见在焊接条件下它们是能够完全分解的。另外，从图2-2可以看出 BaCO3比CaCO3稳定，因此它的分解温度比CaCO3的高。对于含碳酸钙的焊条，选择的烘干温度不应超过450，对于含碳酸镁的焊条则不应超过300。,图2.2.1 碳酸盐生成反应的G0与温度的关系,焊接材料中常用的高价氧化物有Fe2O3和MnO2，在焊接过程中它们发生强烈的分解反应 6Fe2O3 = 4Fe3O4+O2 (2-26) 2Fe3O4 = 6FeO + O2 (2-27) 4MnO2 = 2Mn2O3+O2 (2-28) 6Mn2O3 = 4Mn3O4+O2 (2-29) 2Mn3O4 = 6MnO+O2 (2-30) 反应结果是产生大量的氧气和低价氧化物。,材料的蒸发 焊接过程中，焊接材料中的水分、金属元素和熔渣的各种成分在电弧的高温作用下发生蒸发，形成大量的蒸气。在一定温度下，物质的沸点越低越容易蒸发。从表2.2.1可知，金属元素中Zn、Mg、Pb和Mn的沸点较低，因此，它们在熔滴反应区最容易蒸发。在焊接黄铜、A1-Mg合金及铅时，一定要有安全防护，以保障焊工的身体健康。在氟化物中AlF3、KF、LiF和NaF的沸点低，易于蒸发。如果物质处于溶液中，物质的浓度越高，其饱和蒸气压越大，越容易蒸发。因此，在焊接铁合金时，由于铁的浓度较高，以至在气相中铁的蒸气也是相当多的。,总之，焊接过程中的蒸发现象使气相中的成分和冶金反应复杂化，并且造成合金元素的损失，甚至产生缺陷。由于蒸发也增加了焊接烟尘和环境污染，影响焊接操作人员的身体健康，因此在实际工作中应注意解决蒸发问题。,表2.2.1 纯金属和氟化物的沸点,（3）气体的分解简单气体的分解 焊接中，气相中的双原子气体(N2、H2、O2)受热后，增加了其原子的振动和旋转能。当原子获得的能量足够高时，原子键断开，分解为单个原子或离子和电子。常见气体分解反应在标准状态下的热效应见表2.2.2。,表2.2.2 气体分解反应,若气体的分解反应的平衡常数为Kp，分解后混合气体的总压力为p0，则气体的分解度为 （2- 31） 由式（2- 31）可计算出双原子气体的分解度。与温度的变化关系曲线,如图2.2.2所示。在焊接温度 (5 000 K )下，氢和氧的分解度很大，大部分以原子状态存在。而氮的分解度很小，基本上以分子状态存在。,图2.2.2 双原子气体的分解度与温度T的关系,复杂气体的分解 焊接时气相中常见的复杂气体有CO2和H2O。在电弧区的热作用下，CO2可按表2.2.2中的6号反应式进行分解。分解反应的产物是CO和O2。在焊接温度下CO2几乎完全分解，而水蒸气的分解是比较复杂的。热力学计算表明，当温度低于4 500K时，按反应式7分解的可能性最大；而当温度高于4 500K时，按反应式10分解的可能性最大。由表2.2.2可知，H2O气的分解产物有H2、O2、OH、H及O等。这不仅增加了气相的氧化性，而且增加了气相中氢的分压，其最终结果使焊缝金属增氧和增氢。,（4）气相成分及分布 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。焊条电弧焊时，气相的氧化性较大。用碱性焊条焊接，由于气相中H2和H2O的含量较少，所以称为低氢型焊条；埋弧焊和中性气焰焊时，气相中CO2和H2O含量较少，因而气相氧化性也很小；相反，手弧焊时气相的氧化性相对较大。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。由于沿焊接电弧的轴向何径向温度分布的不均匀的，所以各种气体的分子、原子和离子在电弧中的分布也是不均匀的。,表2.2.3 焊接碳钢时气相冷至室温的成分,2.2.2. 氮对金属的作用 焊接区的氮主要来源于焊接区周围的空气。根据氮与金属作用的特点，大致可分两种情况：一种不与氮发生作用的金属，如Cu和Ni等，它们既不溶解氮，又不形成氮化物，因此可用氮作为焊接这类金属的保护气体；另一种是与氮发生作用的金属，如Fe、Ti、Mn、Cr等，它们既能溶解氮，又能与氮形成稳定的氮化物。焊接这类金属时，必须防止焊缝金属的氮化。,1. 氮在金属中的溶解气体的溶解反应可分为四个阶段：气体分子向气体与金属界面上运动；气体分子被金属表面吸附：在金属表面分解为原子；气体原子穿国金属表面层，向金属深处扩散。在焊接温度下，N2在金属中的溶解反应为 N2=2N 711.4kJ/mol （2-32） 平衡时，它在纯铁中的溶解度符合平方根关系 （2-33）,式中N为氮在金属中的溶解度； KN2 为氮溶解反映的平衡常数，取决于温度和金属的种类； PN2 为气相中分子氮的分压。试验表明，式（2-33）只在PN2 很小的范围内有效。当 PN2 大于某个值后，N为一常数。 氮在铁中的溶解度与温度的关系如图2.2.3所示。随着温 度的升高，氮在液态铁中的溶解度增加。但温度达到2200左右后，温度升高将使气相中铁的分压增加，而氮的分压下降，这将引起氮在铁中的溶解度下降。由于氮在固态铁中的溶解度远小于液态铁，当液态铁凝固时，氮的溶解度突降，易引起焊缝中氮的过饱和。,图2.2.3 氮和氢在铁中溶解度与温度的关系,电弧焊时的气体溶解过程比普通的气体溶解过程要复杂的多，此时熔化金属吸收的氮量高于平衡含量。因为在氧化性气氛中形成的NO，在金属表面分解出N和O原子，并迅速溶入金属中。另外，焊接条件下部分氮原子也可电离为氮离子N+，在电场的作用下向阴极运动，并在阴极表面与电子中和还原成氮原子而溶入金属中。这时的溶解过程属电化学过程而不符合平方根定律。氮以这种形式对金属的溶入量受阴极压降和电源极性的影响。阴极压降越大，阴极吸收的氮也越多。直流正接比直流反接熔滴含氮多。 总之，氮能以原子、NO和离子三种形式溶入金属中，但不同的焊接方法，溶入形式不同，需要根据具体情况具体分析。,2氮对焊接质量的影响 氮是沉淀强化元素，在合金钢中加入适量氮，与其它合金元素(如Ti、Nb、Zr等)配合，可以起到沉淀强化和细化晶粒的作用。 但更多的是对焊接质量的损害，主要表现为以下几点： 形成气孔，高温时大量的氮溶解在液态金属中，由于氮的溶解度随着温度的下降而降低，在液态金属凝固时氮的溶解度突然下降，引起过饱和的氮以气泡的形式从熔池中逸出，当接头金属的结晶速度大于氮的逸出速度时就形成气孔；,使焊缝金属时效脆化，氮是促进时效脆化的元素，如果熔池中溶人较多的氮，在焊缝凝固后，由于Fe中氮的溶解度很小，此时氮在固溶体中呈过饱和状态，随着时间的延长，过饱和的氮将以针状氮化物(Fe4N)的形式析出，分布在晶界或晶内，使焊缝金属的强度增高，塑性和韧性降低，特别是低温韧性急剧下降，见图2.2.4和2.2.5； 氮可以降低焊缝的塑性、韧性而使强度提高，但如果把氮的溶解度限制在0.001以下时，则对接头的力学性能无明显影响。,图2.2.4 氮对焊缝金属常温力学性能的影响,2.2.5 氮对低碳钢焊缝金属低温冲击韧度的影响,3.控制含氮量的措施 (1)加强焊接区的保护：由于焊接区中的氮主要来自空气，因此焊接区与空气的隔离效果越好，焊缝的含氮量就越低。目前对焊接区通常的保护措施有：气体保护、熔渣保护、气渣联合保护及真空保护等。 (2)控制焊接工艺参数：在其它条件不变时，增加焊接电流时，熔滴的温度增加。对于低碳钢，由于氮的溶解属吸热反应，使N随着温度升高而增加。若氮的溶解是放热反应(如18-8型不锈钢)，则N随着温度的升高而降低。如果熔滴温度过高，使 PFe 显著增加，引起N的降低。,其它条件不变时，增加电弧电压时，由于弧长增加使保护 效果下降，同时熔滴存在时间增长，导致焊缝N提高。因此应尽量压低电弧来防止氮的侵入。若增加焊丝直径，则熔滴尺寸增大，使其比表面积减少，引起N下降。在多道焊时，由于氮的多层积累，使焊缝的最终含氮量高于单道焊。 (3)合金处理，控制焊缝的含氮量：碳的氧化引起熔池沸腾，有利于氮的逸出，同时碳氧化生成CO、CO2，加强焊接区的保护，降低了氮的分压，因此碳可以降低氮在金属中的溶解度。,选用含有能够生成稳定氮化物元素（Ti、Zr、Al和稀土元素）的焊丝进行焊接。这些元素 与氮有很大的亲和力，易形成稳定的氮化 物，并可通过熔渣排出这些氮化物，因此能有效地控制焊缝中的含氮量。 综上所述，加强预防和保护作用是控制焊缝含氮量的最有效措施。,2.2.3. 氢与金属的作用 电弧气氛中的氢主要来源于焊接材料中的水分及有机物、吸附水及结晶水、表面杂质及空气中的水分等。焊接区中的氢可因被焊金属的种类不同而程度不同地与被焊金属作用，一部分金属可与氢形成稳定的化合物，这些金属有Zr、Ti、V、Nb等，它们可以在300700的固态下大量吸收氢，但若再升高温度，氢化物分解，由金属中析出，含氢量反而下降。因此，焊接这些金属时要注意防止接头在固态下对氢的吸收，否则将严重影响焊接接头的性能。另一部分金属，如Fe、Cu、Ni等，它们不与氢发生化合反应，但氢可以溶解在这些金属中而使焊接质量受到影响。,1氢在金属中的溶解焊接方法不同，氢向金属中溶解的途径也不同。电渣焊时，氢通过渣层熔入金属；而气体保护焊时，氢通过气相和液态金属的界面以原子或质子的形式溶入金属。 在电熔渣保护的条件下，氢首先溶入熔渣中，以OH的形式存在，然后在熔渣与金属的相界面上通过交换电子生成氢原子，以原子氢的形式溶入金属中。氢从熔渣向金属中过渡的反应是,（Fe2+）+ 2(OH) = Fe + 2O + 2H (2-34) Fe+2(OH) = (Fe2+) + 2(O) + 2H (2-35) 2(OH) = (O2) + O + 2H (2-36) 式中，( )表示渣中成分； 表示金属中成分。因此，氢通过熔渣溶入金属时。其溶解度取决于气相中水蒸气的分压、熔渣的碱度和金属中的含氧量等的因素。,当氢通过气相向金属中溶解时，起溶解度取决于氢的状态。若氢以分子状态存在，那么它在金属中的溶解度符合平方根规律 (2-37) 式中 , H氢在金属中的溶解度； KH2 氢溶解的平衡常数； PH2 气相中分子氢的分压。如果气相中氢以分子及原子状态存在时，氢的溶解 度为 (2-38) 式中, K氢溶解的平衡常数； 在给定温度下氢的分解度； PH2，H 分子和原子氢的分压。,氢在铁水中的溶解度与温度有关，即随着温度的升高，氢的溶解度增加。但温度接近沸点时，由于金属的蒸发，氢的溶解度急剧下降。当温度降到金属的变态点时，氢的溶解度下降，在接头中易产生气孔和裂纹等缺陷。 由于氢在面心立方晶格中的溶解度大于在体心立方晶格中的溶解度，当铁发生固态相变时，氢的溶解度将发生突变。由于氧能减少金属对氢的吸附，若焊接气氛中存在氧，可以有效地降低液态铁中氢的溶解度。另外，合金元素对氢在铁中的溶解度有较大的影响。C、Si、 Al可降低氢在液态铁中的溶解度；Ti、Zr、Nb及一些稀土元素可提高氢的溶解度；而Mn、Ni、Cr和Mo的影响不大。,2.焊缝金属中的氢 溶于金属中的氢由于原子半径较小，因而在钢中与Fe或Fe形成间隙固溶体并且具有很强的扩散能力。在焊缝中，一部分氢以原子或离子状态存在并可在晶格中自由扩散迁移，这部分氢被称为扩散氢。如果氢扩散到金属的晶格缺陷、显微裂纹和非金属类杂质等非连续缺陷中时，可以结合成氢分子，由于氢分子的半径大而不能扩散，因此这部分氢称为残余氢。对于铁等不形成稳定氢化物的金属，扩散氢约占总氢量的80 90。在钛、铌等金属及其合金的焊缝中，氢主要是以氢化物的形式存在。 在刚焊接的接头中，氢主要是扩散氢。由于氢的扩散运动，随着时间的延长，焊缝中的部分扩散氢从接头中逸出而使氢的溶解量降低；另一部分扩散氢转变为残余氢，使残余氢随着时间延长而增加。,3氢对焊接质量的影响 （1）氢脆：氢在室温附近使钢的塑性严重下降的现象称为氢脆。钢中含氢易造成材料的塑性明显下降，但对材料的强度几乎没有影响。氢脆产生的机理，通常解释为氢原子扩散聚集于钢的显微缺陷中，结合成分子氢，造成局部高压区，阻碍金属塑性变形而导致金属变脆。接头金属的氢脆性与其含氢量、试验温度、变形速度及焊缝的组织结构有关。金属中晶格缺陷越多，氢脆的倾向越大。接头经消氢处理，其塑性可以恢复。,(2)白点：碳钢和低合金钢焊缝金属含有较多的氢时，在焊后不久进行力学性能试验时，试件的断口上出现呈圆形或椭圆形并在中心有一凹点的银白色斑点，这个斑点称为白点（其直径约0.53mm）。由于白点中心含有微细气孔或夹杂物，按照其形状，又称鱼眼。白点产生于金属塑性变形过程，其成因是氢的存在及其扩散运动。 它主要在外力作用下，氢在微小气孔或杂质物处的集结造成脆化。白色斑点区常显示有从中心向四处的放射线结构，微观上显示为小的解理断口。白点对金属强度影响不大，但对塑性、韧性有较大的影响。,焊缝金属对白点的敏感性与含氢量、金属的组织及变形速度等因素有关，当接头中含氢量较多时，出现白点的可能性就比较大。铁素体和奥氏体钢的接头不出现白点。因为氢在铁素体中的扩散快，易于逸出；而在奥氏体中溶解度大，且扩散慢，所以不易出现白点。碳钢及用Cr、Nb、Mo合金化的焊缝，较容易出现白点。如果试件经过去氢处理，可以消除白点。 (3)冷裂纹：焊接接头冷却到较低温度时产生的焊接裂纹称为冷裂纹。焊接冷裂纹的危害性很大，它的产生与焊接接头中的含氢量、热处理时的马氏体相变和结构的刚度有关。,(4)气孔：当熔池中溶人大量的氢时，在熔池冷却到熔点时，由于氢的溶解度急剧下降使氢呈现过饱和状态，因此氢大量析出并以气泡的形式向外逸出，如果气泡的逸出速度小于熔池的结晶速度便形成气孔。 (5)组织变化：氢是奥氏体稳定化元素，在奥氏体中的溶解度较大。当焊缝中含氢量较大时，含氢奥氏体的稳定性增加，不易形成铁素体和珠光体，而容易转变为马氏体，从而造成氢的局部富集产生氢脆，并在内应力的作用下产生显微裂纹。,4控制氢含量的措施(1)限制氢的来源：首先要限制焊接材料中的含氢量。在制造焊条和焊剂时要尽量选用不含氢或含氢量少的原材料，如少用有机物和含有结晶水的白泥、云母等。在生产中，焊前要对焊条和焊剂进行严格的烘干。烘干温度与焊条和焊剂的种类有关。对于低氢焊条在350400、12h；对于钛钙型焊条在150200、12h。焊条和焊剂在烘干后立即使用。在储存中要注意防止吸潮。 另外，气体保护焊所用的气体、焊丝和工件表面的油污、铁锈和水分等都是氢的重要来源。在焊接前一定要注意检查和采取相应措施来减低焊接材料的含氢量。,(2)进行冶金处理：通过适当的化学冶金反应，可以在高温下形成稳定且不溶于金属的氢化物(OH，HF)，降低气相中的氢分压，从而降低氢在液态金属中的溶解度。其措施具体如下：在药皮和焊剂中加入氟化物 ：在焊条药皮中加入CaF2、MgF2和BaF2等氟化物，可以不同程度地降低焊接接头的含氢量。最常用的是CaF2，在药皮中加入78的CaF2，可急剧降低接头中的含氢量。试验表明，在高硅高锰焊剂中加入适当比例的CaF2和SiO2，可以显著降低焊接接头的含氢量。,其去氢机理为：当熔渣中CaF2和SiO2共存时，可进行下面的反应 2 CaF2+ 3SiO2=2CaSiO3 + SiF4 （2-39） 生成的SiF4沸点为90，它以气态存在，并与气相中的原子氢和水蒸气发生以下反应 SiF4 + 3H=SiF气 + 3HF （2-40） SiF4 + 2H2O气=SiO2气十4HF （2-41）,由于反应生成了高温下稳定的HF，故能够降低焊缝的含氢量。应当指出，反应式(2-39)的去氢效果与SiO2的活度或熔渣的碱度有关。在酸性渣中，由于SiO2的含量高，活度大，式(2-40)反应顺利进行，其去氢效果较好。对于碱性焊条，CaF2和水蒸气及氢反应 CaF2气 + H2O气=CaO气 + 2HF （2-41） CaF2气 + 2H=Ca气 + 2HF （2-42） 因而可以降低接头中的含氢量。关于氟化物去氢的机理比较复杂，目前有许多假说，有待进一步研究。控制焊接材料的氧化还原势 ： 熔池中氢的平衡浓度可表示为 （2-43） 从上式可以看出，增加熔池中的含氧量或气相的氧化性可以降低熔池中氢的平衡浓度，因为氧原子可夺取氢生成很稳定的OH。,碱性焊条中含有较多的碳酸盐，它们受热分解，析出大量的CO2，通过下式可达到去氢的目的 CO2 + H =CO + OH (2-44) CO2气体保护焊即使气体中含有一定的水分，焊缝含氢量仍不很高。氩弧焊时在氩气中加入少量的氧气或CO2，可控制接头的氢气孔，都是以此理论为基础的。 药皮中高价的氧化物的分解不但增加了气氛的氧化性，也增加了熔池的氧化性。这时通过O+H=OH，可以降低熔池中的含氢量，但必须控制氧化性气氛的量，否则焊缝增氧同样会影响焊缝质量。 在焊条药皮或焊芯中加入微量的稀土元素或稀 散元素: 加入微量的钇、碲等元素可以大幅度降低扩散氢含量，提高焊缝的韧性。,控制焊接工艺参数 :手工电弧焊时增大焊接电流会使熔滴吸收的氢量增加，同时电流的种类和极性对焊缝的含氢量也有影响。但是调整焊接工艺参数来控制焊缝含量有很大的局限性。 焊后脱氢处理 :焊后把焊件加热到一定温度，促使氢扩散外逸的工艺叫脱氢处理。一般地，把焊件加热到350C，保温1h，可将大部分扩散氢去除。由于奥氏体钢中的氢扩散速度较慢，其脱氢处理效果不明显。但脱氢处理常易使工件产生冷裂纹。 总之，对氢的控制，首先应限制氢及水分的来源；其次应防止氢溶入金属；最后应对溶入氢的金属进行脱氢处理。,2.2.4.氧与金属的作用 不同金属与氧相互作用的特点也不同。一类金属(如Al、Mg等)在焊接时可与氧发生激烈氧化而破坏焊接的工艺性能，但它无论在固态和液态都不溶解氧；另一类金属(Fe、Cu、Ni、Ti等)在焊接时也发生氧化，但它既能有限溶解氧，又能够溶解相应的金属氧化物，如FeO可溶于铁及其合金中。这里主要介绍氧与铁的作用。,1.氧在金属中的溶解 氧是以原子氧和氧化亚铁两种形式溶于液态铁中。若与液态铁平衡的是原子氧，则原子氧溶入金属中的溶解度符合平方根定律 (2-45) 式中O为氧在金属中的溶解度；K0为平衡常数；PO2为气相中分子氧的分压。 O与温度有关。由于溶解过程吸热，因此温度升高，氧在液态铁中的溶解度增大，在1700左右时，O可达0.4左右。但在室温下，氧几乎不溶于Fe中。,如果与液态铁平衡的是纯FeO熔渣，则溶于液态铁中的氧达到最大值时，用Omax表示。它与温度的关系为 (2-46) 由式