【正文】 高強(qiáng)鋼焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)氫脆、冷裂紋、氫氣孔等缺陷的最主要原因。 氫的來源（1）焊材中的水分（2）藥皮中的有機(jī)物（3）焊絲和母材坡口表面上的鐵銹、油污（4）電弧周圍空氣中的水分 氫在金屬中的溶解對(duì)于氫氧氮這樣的雙原子氣體來說，必須分解為原子或離子才能溶于金屬。一定溫度下，氣體在金屬中的最大含量稱為此氣體的溶解度（氫的溶解度用SH表示）。氫在鐵中的溶解度與溫度的關(guān)系見圖21。圖21 氮、氫在鐵中的溶解度與溫度的關(guān)系（）從圖21中可以看出：（1） 液態(tài)鐵中當(dāng)T2400℃時(shí)， 隨溫度升高，氫的溶解度增大（T↑→SH↑）。（2） 在液固轉(zhuǎn)變點(diǎn)氫的溶解度發(fā)生突變，急劇下降。這往往是造成氫氣孔的主要原因。（3） 固態(tài)組織的相變氫在不同晶體結(jié)構(gòu)中的溶解度是不同的，一般在面心立方晶格的奧氏體鋼中的溶解度要比體心立方晶格的鐵素體+珠光體鋼中的溶解度要大。 氫在固態(tài)金屬中的擴(kuò)散固溶在鋼焊縫中的氫原子和氫離子，由于半徑很小，可以在焊縫金屬的晶格中自由擴(kuò)散，所以稱為“擴(kuò)散氫”。部分氫擴(kuò)散集聚到晶格缺陷、顯微裂紋和非金屬夾雜等空隙中，結(jié)合成為氫分子，因?yàn)榘霃酱?，不能自由擴(kuò)散，所以稱為“殘余氫”。由于擴(kuò)散，所以焊后隨放置時(shí)間增加，擴(kuò)散氫減少，殘余氫增多，總氫量降低。氫在焊接接頭中，既能在焊縫中擴(kuò)散，也能向近縫區(qū)擴(kuò)散，并能擴(kuò)散到近縫區(qū)相當(dāng)大的深度。在焊縫中，氫沿焊縫長(zhǎng)度方向的分布基本均勻，只是在弧坑處含氫量高，所以在弧坑處容易產(chǎn)生氫缺陷。在近縫區(qū)，熔合線處的含氫量高低影響到此接頭是否容易在此處產(chǎn)生冷裂紋。含氫量越高越容易產(chǎn)生冷裂，因?yàn)闅涞拇嬖谑墙宇^產(chǎn)生冷裂的三大因素之一。擴(kuò)散氫的測(cè)定方法有甘油法、水銀法、氣相色譜法等，其中最常用的是甘油法。 氫的作用結(jié)果（對(duì)焊接質(zhì)量的影響）氫幾乎對(duì)所有的金屬焊接都有害，氫的有害作用可分為兩種：暫態(tài)現(xiàn)象——脆化、白點(diǎn)，經(jīng)時(shí)效、熱處理可消除；永久現(xiàn)象——?dú)饪?、冷裂紋，不可消除。⑴氫脆（氫致塑性損失）氫脆是氫在室溫附近使鋼的塑性指標(biāo)（如延伸率和斷面收縮率）嚴(yán)重下降的現(xiàn)象。氫脆是溶解在金屬晶格中的氫引起的。在焊縫拉伸過程中，金屬中的位錯(cuò)發(fā)生運(yùn)動(dòng)和堆積，結(jié)果形成顯微空腔。與此同時(shí)，溶解在金屬晶格中的原子氫不斷沿著位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的方向擴(kuò)散，最后聚集在顯微空腔內(nèi)，結(jié)合為分子氫。這個(gè)過程的發(fā)展使空腔內(nèi)產(chǎn)生很高的壓力，導(dǎo)致金屬變脆。⑵白點(diǎn)（fisheye，魚眼）是含氫量高的碳鋼或低合金鋼焊縫，在拉伸或彎曲試件斷面上出現(xiàn)的銀白色圓形斑點(diǎn)。許多情況下，白點(diǎn)的中心有小夾雜物或氣孔，好象魚眼一樣，所以又稱為魚眼。白點(diǎn)是在塑性變形過程中產(chǎn)生的，使焊縫塑性嚴(yán)重下降。 “誘捕理論”解釋：焊縫中的氣孔及非金屬夾雜物邊緣的空隙，好象“陷阱”一樣捕捉氫原子，并在其中結(jié)合成氫分子，在拉伸試驗(yàn)中“陷阱”中的氫分子被吸附。由于塑性變形新產(chǎn)生的微裂紋表面上，分解成原子氫，原子氫擴(kuò)散到微裂紋金屬晶格內(nèi)，引起金屬脆化。 ⑶氫氣孔因?yàn)樵诤附舆^程中如果熔池吸收了大量的氫，那么在它結(jié)晶時(shí)由于溶解度的突然下降，使氫處于過飽和狀態(tài) ，這將促使2H=H2反應(yīng)發(fā)生。反應(yīng)生成的分子氫不溶于金屬，于是在液態(tài)金屬中形成氣泡。當(dāng)氣泡外逸速度小于結(jié)晶速度時(shí)，就在焊縫中形成氣孔。⑷冷裂紋冷裂紋是焊接接頭冷卻到較低溫度產(chǎn)生的一種裂紋，危害很大。 控制氫的措施（1）限制氫的來源① 合理選擇藥皮原材料②嚴(yán)格烘干焊接材料③氣保護(hù)焊時(shí)，限制保護(hù)氣中的含水量，必要時(shí)可采取去水、干燥等措施。④清除焊絲和焊件表面上的油、銹、吸附水等雜質(zhì)?？梢圆扇C(jī)械或化學(xué)方法清除。為防止焊絲生銹，許多國(guó)家都采用表面鍍銅處理。（2）冶金措施①提高氣相的氧化性（OH奪H）②氟化物除氫（HF奪H）③藥芯或藥皮中加入微量稀土元素（3）工藝措施焊接規(guī)范對(duì)[H]也很有影響。①電流 一般，由于I↑→電弧溫度高，氫分解度大；熔滴溫度高，氫溶解度大，所以[H]↑②電壓電壓U↑→弧長(zhǎng)↑→熔滴與H作用時(shí)間↑→[H]↑→應(yīng)短弧操作③電流的種類和極性直流反接（試件接負(fù)極，焊把接正極）氫量最少，交流最多。④焊速焊速對(duì)焊縫中的總含氫量沒有影響，但對(duì)擴(kuò)散氫與總氫量的比值有很大影響。（4） 焊后脫氫處理焊后加熱焊件，促使氫擴(kuò)散外逸，從而減少接頭中含氫量的工藝叫做脫氫處理。焊后將焊件加熱到350℃保溫一小時(shí)，或加熱到250℃保溫68小時(shí)，可促使大部分氫擴(kuò)散逸出。 氮對(duì)金屬的作用及控制 氮的來源焊接周圍的空氣是電弧氣相中氮的主要來源。盡管焊接時(shí)采取了保護(hù)措施（藥皮保護(hù)、氣保護(hù)等），但總有或多或少的氮侵入焊接區(qū)，與熔化金屬發(fā)生作用。 氮的作用根據(jù)氮與金屬的作用特點(diǎn)，可分為兩種情況進(jìn)行討論：①與氮不發(fā)生作用的金屬，如銅和鎳等，它們既不溶解氮，又不形成氮化物。所以焊接這些金屬時(shí)可以用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體。②與氮發(fā)生作用的金屬，如鐵、錳、鈦、硅、鉻等，它們既溶解氮，又形成氮化物。所以焊接這些金屬及其合金時(shí)就要防止焊縫金屬的氮化。 氮在金屬中的溶解氮在鐵中的溶解度隨溫度的變化關(guān)系見圖21?？梢钥闯?，和氫相似，在液態(tài)鐵中2200℃下隨溫度升高氮溶解度增大，2200℃以上迅速減小到0；液固轉(zhuǎn)變（也就是液體凝固）時(shí)溶解度突降，在固態(tài)鐵中氮在不同晶格鐵中的溶解度也不同。其中液固轉(zhuǎn)變時(shí)溶解度突降這一點(diǎn)是造成氮?dú)饪椎闹饕颉? 氮對(duì)焊接質(zhì)量的影響（1） 氮?dú)饪? （2）機(jī)械性能 提高焊縫金屬的強(qiáng)度、硬度，降低塑性和韌性（特別是低溫韌性）。（3）時(shí)效脆化（隨時(shí)間延長(zhǎng)，強(qiáng)度增高而塑韌性下降的現(xiàn)象）焊縫金屬中過飽和的氮處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨時(shí)間延長(zhǎng)過飽和的氮逐漸析出，形成穩(wěn)定針狀氮化物Fe4N，從而強(qiáng)度上升而塑韌性下降。 控制措施（1）加強(qiáng)保護(hù)，防止空氣與液態(tài)金屬接觸（2）工藝措施①采用短弧焊。②增大焊接電流。③采用直流反接。（3）冶金措施①增加焊絲或要皮中的碳含量②加入鈦、鋁、鋯和稀土等與氮親和力大的合金元素 氧對(duì)金屬的作用及控制 氧的來源（1）弧氣中的氧化性氣體OCO2和水蒸氣。（2）氧化性熔渣（含F(xiàn)eO、MnO、SiO2）（3）焊絲、工件表面的銹（含F(xiàn)e2O3）、氧化鐵（Fe3O4） 氧在金屬中的溶解氧是以原子氧和FeO兩種形式溶于液態(tài)金屬中的，由于FeO中也只有一個(gè)氧原子，所以金屬中兩種形式的含氧量都可用[O]表示。氧在液態(tài)鐵中溶解度與溫度的關(guān)系也是溶解度隨溫度的升高而升高。在液態(tài)鐵中加入合金元素時(shí)，隨合金元素的增加氧的溶解度下降。在鐵冷卻過程中，氧的溶解度急劇下降。在凝固溫度（1520℃）%，而在室溫下α鐵中幾乎不溶解氧（%）。所以，焊縫金屬和鋼中所含的氧幾乎全部是以氧化物和硅酸鹽夾雜物的形式存在。焊縫含氧量一般是指總含氧量而言，它既包括溶解的氧，也包括非金屬夾雜物中的氧。 氧對(duì)焊接質(zhì)量的影響焊縫中的氧不論以何種形式存在，對(duì)焊縫的性能都有很大的影響：（1） 降低焊縫的力學(xué)性能[O]↑→焊縫的強(qiáng)度、塑性、韌性↓↓ ，尤其低溫沖擊韌性急劇下降（2）增加焊縫的冷脆與熱脆敏感性（3）降低焊縫導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、耐蝕性等物化性能（4）使焊縫中有益的合金元素?zé)龘p，并造成飛濺和氣孔。 氧的控制措施（1）純化焊接材料（2）工藝措施（正確選擇焊接規(guī)范）（3）冶金脫氧 焊縫金屬化學(xué)成分的控制 焊接化學(xué)冶金過程的氧化與還原 金屬的氧化焊接時(shí)金屬的氧化是在各個(gè)反應(yīng)區(qū)通過氧化性氣體（如OCOH2O等）、熔渣以及坡口表面上的氧化物與金屬相互作用實(shí)現(xiàn)的。（1）氧化性氣體對(duì)金屬的氧化① 自由氧對(duì)金屬的氧化 [Fe]+1/2O2=FeO+ kJ/mol[Fe]+O=FeO+ kJ/mol② CO2對(duì)金屬的氧化CO2=CO+1/2O22[Cr]+3CO=(Cr2O3)+3[C]③ H2O對(duì)金屬的氧化H2O氣+[Fe]=[FeO]+ H2（2）活