【文章內(nèi)容簡介】 在氣相中鐵的蒸氣也是相當多的。 總之，焊接過程中的蒸發(fā)現(xiàn)象使氣相中的成分和冶金反應復雜化，并且造成合金元素的損失，甚至產(chǎn)生缺陷。由于蒸發(fā)也增加了焊接煙塵和環(huán)境污染，影響焊接操作人員的身體健康，因此在實際工作中應注意解決蒸發(fā)問題。 表 純金屬和氟化物的沸點 （ 3）氣體的分解 ① 簡單氣體的分解 焊接中，氣相中的雙原子氣體 (N H O2)受熱后，增加了其原子的振動和旋轉(zhuǎn)能。當原子獲得的能量足夠高時，原子鍵斷開，分解為單個原子或離子和電子。常見氣體分解反應在標準狀態(tài)下的熱效應見表 。 表 氣體分解反應 若氣體的分解反應的平衡常數(shù)為 Kp，分解后混合氣體的總壓力為 p0，則氣體的分解度 α為 （ 2 31） 由式（ 2 31）可計算出雙原子氣體的分解度。與溫度的變化關系曲線 ,如圖 。在焊接溫度 (5 000 K )下，氫和氧的分解度很大，大部分以原子狀態(tài)存在。而氮的分解度很小，基本上以分子狀態(tài)存在。 04 pKKpp??? 圖 雙原子氣體的分解度 α與溫度 T的關系 ② 復雜氣體的分解 焊接時氣相中常見的復雜氣體有 CO2和 H2O。在電弧區(qū)的熱作用下， CO2可按表 6號反應式進行分解。分解反應的產(chǎn)物是 CO和 O2。在焊接溫度下CO2幾乎完全分解，而水蒸氣的分解是比較復雜的。熱力學計算表明，當溫度低于 4 500K時，按反應式7分解的可能性最大；而當溫度高于 4 500K時，按反應式 10分解的可能性最大。由表 ， H2O氣的分解產(chǎn)物有 H O OH、 H及 O等。這不僅增加了氣相的氧化性，而且增加了氣相中氫的分壓，其最終結(jié)果使焊縫金屬增氧和增氫。 （ 4）氣相成分及分布 焊接區(qū)內(nèi)氣相的成分和數(shù)量與焊接方法、工藝參數(shù)、焊接材料種類有關。焊條電弧焊時，氣相的氧化性較大。用堿性焊條焊接，由于氣相中 H2和 H2O的含量較少，所以稱為 低氫型焊條 ；埋弧焊和中性氣焰焊時，氣相中 CO2和 H2O含量較少，因而氣相氧化性也很??；相反，手弧焊時氣相的氧化性相對較大。各種氣體的分子、原子和離子在焊接區(qū)內(nèi)的分布與溫度有關。由于沿焊接電弧的軸向何徑向溫度分布的不均勻的，所以各種氣體的分子、原子和離子在電弧中的分布也是不均勻的。 表 焊接碳鋼時氣相冷至室溫的成分 . 氮對金屬的作用 焊接區(qū)的氮主要來源于焊接區(qū)周圍的空氣。根據(jù)氮與金屬作用的特點，大致可分兩種情況：一種不與氮發(fā)生作用的金屬，如 Cu和 Ni等，它們既不溶解氮，又不形成氮化物，因此可用氮作為焊接這類金屬的保護氣體；另一種是與氮發(fā)生作用的金屬，如 Fe、 Ti、 Mn、 Cr等，它們既能溶解氮，又能與氮形成穩(wěn)定的氮化物。焊接這類金屬時，必須防止焊縫金屬的氮化。 1. 氮在金屬中的溶解 氣體的溶解反應可分為四個階段：①氣體分子向氣體與金屬界面上運動；②氣體分子被金屬表面吸附：③在金屬表面分解為原子；④氣體原子穿國金屬表面層，向金屬深處擴散。在焊接溫度下， N2在金屬中的溶解反應為 N2=2[N] （ 232） 平衡時，它在純鐵中的溶解度符合平方根關系 （ 233） 22][ NN pKN ? 式中 [N]為氮在金屬中的溶解度； KN2 為氮溶解反映的平衡常數(shù)，取決于溫度和金屬的種類； PN2 為氣相中分子氮的分壓。試驗表明，式（ 233）只在 PN2 很小的范圍內(nèi)有效。當 PN2 大于某個值后，[N]為一常數(shù)。 氮在鐵中的溶解度與溫度的關系如圖 。隨著溫 度的升高，氮在液態(tài)鐵中的溶解度增加。但溫度達到 2200℃ 左右后，溫度升高將使氣相中鐵的分壓增加，而氮的分壓下降，這將引起氮在鐵中的溶解度下降。由于氮在固態(tài)鐵中的溶解度遠小于液態(tài)鐵，當液態(tài)鐵凝固時，氮的溶解度突降，易引起焊縫中氮的過飽和。 圖 氮和氫在鐵中溶解度與溫度的關系 電弧焊時的氣體溶解過程比普通的氣體溶解過程要復雜的多，此時熔化金屬吸收的氮量高于平衡含量。因為在氧化性氣氛中形成的 NO，在金屬表面分解出 N和 O原子，并迅速溶入金屬中。另外，焊接條件下部分氮原子也可電離為氮離子 N+，在電場的作用下向陰極運動，并在陰極表面與電子中和還原成氮原子而溶入金屬中。這時的溶解過程屬電化學過程而不符合平方根定律。氮以這種形式對金屬的溶入量受陰極壓降和電源極性的影響。陰極壓降越大，陰極吸收的氮也越多。直流正接比直流反接熔滴含氮多。 總之，氮能以原子、 NO和離子三種形式溶入金屬中，但不同的焊接方法，溶入形式不同，需要根據(jù)具體情況具體分析。 2．氮對焊接質(zhì)量的影響 氮是沉淀強化元素，在合金鋼中加入適量氮，與其它合金元素 (如 Ti、 Nb、 Zr等 )配合，可以起到沉淀強化和細化晶粒的作用。 但更多的是對焊接質(zhì)量的損害，主要表現(xiàn)為以下幾點： ①形成氣孔，高溫時大量的氮溶解在液態(tài)金屬中，由于氮的溶解度隨著溫度的下降而降低，在液態(tài)金屬凝固時氮的溶解度突然下降，引起過飽和的氮以氣泡的形式從熔池中逸出，當接頭金屬的結(jié)晶速度大于氮的逸出速度時就形成氣孔； ②使焊縫金屬時效脆化，氮是促進時效脆化的元素，如果熔池中溶人較多的氮，在焊縫凝固后，由于 α—Fe中氮的溶解度很小，此時氮在固溶體中呈過飽和狀態(tài)，隨著時間的延長，過飽和的氮將以針狀氮化物(Fe4N)的形式析出，分布在晶界或晶內(nèi)，使焊縫金屬的強度增高，塑性和韌性降低，特別是低溫韌性急劇下降，見圖 ； ③氮可以降低焊縫的塑性、韌性而使強度提高，但如果把氮的溶解度限制在 ％以下時，則對接頭的力學性能無明顯影響。 圖 氮對焊縫金屬常溫力學性能的影響 氮對低碳鋼焊縫金屬低溫沖擊韌度的影響 (1)加強焊接區(qū)的保護：由于焊接區(qū)中的氮主要來自空氣，因此焊接區(qū)與空氣的隔離效果越好，焊縫的含氮量就越低。目前對焊接區(qū)通常的保護措施有：氣體保護、熔渣保護、氣渣聯(lián)合保護及真空保護等。 (2)控制焊接工藝參數(shù)：在其它條件不變時，增加焊接電流時，熔滴的溫度增加。對于低碳鋼，由于氮的溶解屬吸熱反應，使 [N]隨著溫度升高而增加。若氮的溶解是放熱反應 (如 188型不銹鋼 )，則 [N]隨著溫度的升高而降低。如果熔滴溫度過高，使 PFe 顯著增加，引起 [N]的降低。 其它條件不變時，增加電弧電壓時，由于弧長增加使保護 效果下降，同時熔滴存在時間增長，導致焊縫 [N]提高。因此應盡量壓低電弧來防止氮的侵入。若增加焊絲直徑，則熔滴尺寸增大，使其比表面積減少，引起 [N]下降。在多道焊時，由于氮的多層積累，使焊縫的最終含氮量高于單道焊。 (3)合金處理，控制焊縫的含氮量：碳的氧化引起熔池沸騰，有利于氮的逸出，同時碳氧化生成 CO、 CO2，加強焊接區(qū)的保護，降低了氮的分壓，因此碳可以降低氮在金屬中的溶解度。 選用含有能夠生成穩(wěn)定氮化物元素（ Ti、 Zr、Al和稀土元素）的焊絲進行焊接。這些元素 與氮有很大的親和力，易形成穩(wěn)定的氮化 物，并可通過熔渣排出這些氮化物，因此能有效地控制焊縫中的含氮量。 綜上所述，加強預防和保護作用是控制焊縫含氮量的最有效措施。 . 氫與金屬的作用 電弧氣氛中的氫主要來源于焊接材料中的水分及有機物、吸附水及結(jié)晶水、表面雜質(zhì)及空氣中的水分等。焊接區(qū)中的氫可因被焊金屬的種類不同而程度不同地與被焊金屬作用，一部分金屬可與氫形成穩(wěn)定的化合物，這些金屬有 Zr、 Ti、 V、 Nb等，它們可以在 300～ 700℃ 的固態(tài)下大量吸收氫，但若再升高溫度，氫化物分解，由金屬中析出，含氫量反而下降。因此，焊接這些金屬時要注意防止接頭在固態(tài)下對氫的吸收，否則將嚴重影響焊接接頭的性能。另一部分金屬，如 Fe、 Cu、 Ni等，它們不與氫發(fā)生化合反應，但氫可以溶解在這些金屬中而使焊接質(zhì)量受到影響。 1．氫在金屬中的溶解 焊接方法不同，氫向金屬中溶解的途徑也不同。電渣焊時，氫通過渣層熔入金屬；而氣體保護焊時，氫通過氣相和液態(tài)金屬的界面以原子或質(zhì)子的形式溶入金屬。 在電熔渣保護的條件下，氫首先溶入熔渣中，以OH－ 的形式存在，然后在熔渣與金屬的相界面上通過交換電子生成氫原子，以原子氫的形式溶入金屬中。氫從熔渣向金屬中過渡的反應是 （ Fe2+） + 2(OH－ ) = [Fe] + 2[O] + 2[H] (234) [Fe]+2(OH－ ) = (Fe2+) + 2(O－ ) + 2[H] (235) 2(OH－ ) = (O2－ ) + [O] + 2[H] (236) 式中， ( )表示渣中成分； [ ]表示金屬中成分。因此，氫通過熔渣溶入金屬時。其溶解度取決于氣相中水蒸氣的分壓、熔渣的堿度和金屬中的含氧量等的因素。 當氫通過氣相向金屬中溶解時，起溶解度取決于氫的狀態(tài)。若氫以分子狀態(tài)存在，那么它在金屬中的溶解度符合平方根規(guī)律 (237) 式中 , [H]— 氫在金屬中的溶解度； KH2 — 氫溶解的平衡常數(shù)； PH2 — 氣相中分子氫的分壓。 如果氣相中氫以分子及原子狀態(tài)存在時，氫的溶解 度為 (238) 式中 , K— 氫溶解的平衡常數(shù)； α — 在給定溫度下氫的分解度； PH2， H — 分子和原子氫的分壓。 22][ HH pKH ???? 1 ,2][ HHpKH 氫在鐵水中的溶解度與溫度有關，即隨著溫度的升高，氫的溶解度增加。但溫度接近沸點時，由于金屬的蒸發(fā)，氫的溶解度急劇下降。當溫度降到金屬的變態(tài)點時，氫的溶解度下降，在接頭中易產(chǎn)生氣孔和裂紋等缺陷。 由于氫在面心立方晶格中的溶解度大于在體心立方晶格中的溶解度，當鐵發(fā)生固態(tài)相變時，氫的溶解度將發(fā)生突變。由于氧能減少金屬對氫的吸附，若焊接氣氛中存在氧，可以有效地降低液態(tài)鐵中氫的溶解度。另外，合金元素對氫在鐵中的溶解度有較大的影響。 C、 Si、 Al可降低氫在液態(tài)鐵中的溶解度； Ti、 Zr、Nb及一些稀土元素可提高氫的溶解度；而 Mn、 Ni、 Cr和 Mo的影響不大。 溶于金屬中的氫由于原子半徑較小，因而在鋼中與 α—Fe或 ?— Fe形成間隙固溶體并且具有很強的擴散能力。在焊縫中，一部分氫以原子或離子狀態(tài)存在并可在晶格中自由擴散遷移，這部分氫被稱為 擴散氫 。如果氫擴散到金屬的晶格缺陷、顯微裂紋和非金屬類雜質(zhì)等非連續(xù)缺陷中時，可以結(jié)合成氫分子，由于氫分子的半徑大而不能擴散，因此這部分氫稱為 殘余氫 。對于鐵等不形成穩(wěn)定氫化物的金屬，擴散氫約占總氫量的 80％ ～ 90％。在鈦、鈮等金屬及其合金的焊縫中，氫主要是以氫化物的形式存在。 在剛焊接的接頭中，氫主要是擴散氫。由于氫的擴散運動，隨著時間的延長，焊縫中的部分擴散氫從接頭中逸出而使氫的溶解量降低；另一部分擴散氫轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄽?，使殘余氫隨著時間延長而增加。 3．氫對焊接質(zhì)量的影響 （ 1）氫脆：氫在室溫附近使鋼的塑性嚴重下降的現(xiàn)象稱為 氫脆 。鋼中含氫易造成材料的塑性明顯下降，但對