【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的氧化 3).H2O氣對(duì)金屬的氧化 4).混合氣體對(duì)金屬的氧化 （三）氧對(duì)焊接質(zhì)量的影響 1).機(jī)械性能下降 2).化學(xué)性能變差 3).產(chǎn)生氣孔 CO合金元素?zé)龘p 4).工藝性能變差 （ 四 ） 防止措施 一防二脫 第二節(jié) 焊接區(qū)內(nèi)的氣體 一 、 焊接區(qū)氣體 （ 一 ） 氣體來(lái)源 焊接材料：焊接區(qū)內(nèi)的氣體主要來(lái)源于焊接材料 。 焊條藥皮 、 焊劑及焊絲藥芯中都含有造氣劑 。 熱源周?chē)臍怏w介質(zhì)：熱源周?chē)目諝馐请y以避免的氣體來(lái)源 ， 而焊接材料中的造氣劑所產(chǎn)生的氣體 ， 不能完全排除焊接區(qū)內(nèi)的空氣 。 焊絲和母材表面上的雜質(zhì)：焊絲表面和母材表面的雜質(zhì) ， 如鐵銹 、油污 、 氧化鐵皮以及吸附水等 ， 在焊接過(guò)程中受熱而析出氣體進(jìn)入氣相中 。 (二 )氣體的產(chǎn)生 除直接輸送和侵入焊接區(qū)內(nèi)的氣體外 ， 焊接過(guò)程中所進(jìn)行物化反應(yīng)也產(chǎn)生氣體 。 1 有機(jī)物的分解和燃燒 2225106 562/7)( mHm C OmOOHC m ????2 碳酸鹽和高價(jià)氧化物的分解： 碳酸鹽的分解 CaCO3→ CaO＋ CO2 MgCO3→ MgO＋ CO2 高價(jià)氧化物的分解 ： 6Fe2O3＝ 4Fe3O4＋ O2； 2Fe2O3＝ 6FeO＋ O2 4Mn2O3＝ 2Mn3O4＋ O2； 6Mn2O3＝ 4Mn3O4＋ O2 3 材料的蒸發(fā)： 電弧的高溫作用下 , 焊接材料中水分、金屬元素和熔渣的各種成分發(fā)生蒸發(fā)，形成的蒸氣。 纖維素?zé)岱纸夥磻?yīng)為： (三 )氣體的分解 ? 1 .簡(jiǎn)單氣體的分解 ? 雙原子氣體 G2分解反應(yīng)的通式： G2＝ 2G 22GGp ppK ?設(shè)氣體 G2的原始分子數(shù)為 n0，已分解的分子數(shù)為 n，則平衡氣體的分解度為 α=n/n0， 若氣體 G2分解后混合氣體的總壓力為 p0，則分解度 α可表示為 04 pKKpp???平衡常數(shù)可表示為： G2 ＝ 2G no 0 no － n 2n ? 2 .CO2和 H2O等復(fù)雜氣體的分解 ? 升高溫度 CO2可分解生成 CO和 O2， 使氣相氧化性增加。 ? 水蒸氣分解比較復(fù)雜， 分解的產(chǎn)物有 H O H、 O不僅增加了氣相的氧化性，而且增加了氣相中氫的分壓， 使焊縫金屬增氧和增氫 。 (三 )氣相的成分和分布 ? 3 焊接方法對(duì)氣相的成分和數(shù)量影響 ? 低氫型焊條手工電弧焊接時(shí)，氣相含 H2和 H2O少，稱(chēng) “低氫型 ” ； ? 埋弧焊時(shí)，氣相中含 CO2和 H2O很少，氧化性較?。? ? 焊條電弧焊時(shí)氣相的氧化性相對(duì)較大。 焊接碳鋼時(shí)冷至室溫時(shí)氣相成分 ? 對(duì)焊接質(zhì)量影響較大的氣體為： N HO CO H2O ? 與金屬的作用表現(xiàn)為兩種類(lèi)型： 氣體在金屬中的溶解 氣體與金屬的化學(xué)反應(yīng) 二、氮對(duì)金屬的作用 ? 焊接時(shí)電弧氣氛中氮的主要來(lái)源是周?chē)目諝?。 ? 焊接時(shí) 空氣中的氮總是或多或少地會(huì)侵入焊接區(qū) ， 與熔化金屬發(fā)生作用 。 ? 按照氮與金屬作用的特點(diǎn) ， 可將金屬分為兩類(lèi)： ? 不與氮發(fā)生作用的金屬 ， 如 Cu、 Ni、 Ag等 ， 它們既不溶解氮 ，又不形成氮化物 。 焊接此類(lèi)金屬時(shí) ， 可以使用氮作為保護(hù)氣體 ； ? 與氮發(fā)生作用的金屬 ，如 Fe、 Ti、 Cr等。它們既能溶解氮，又能與氮形成穩(wěn)定的氮化物。因此焊接這類(lèi)金屬時(shí)，防止焊縫金屬的氮化非常重要。 （一）氮在金屬中的溶解 1. 溶解過(guò)程：氣體的溶解反應(yīng)分為以下四個(gè)階段： （ 1） 氣體分子向氣體與金屬兩相界面處運(yùn)動(dòng)； （ 2） 氣體分子被金屬表面吸附； （ 3） 在金屬表面上 ， 氣體分子分解為原子； （ 4） 氣體原子穿過(guò)金屬表面層 ， 并向金屬內(nèi)部擴(kuò)散 。 ? 氮在金屬中的溶解反應(yīng)為： ? N2＝ 2[N] 2. 溶解度 SN（ 溶解平方根定律 ） ： 22 NNN pKS ?降低氣相中氮的分壓就可以減少金屬中的含氮量 氮和氫在鐵中的溶解度與溫度關(guān)系 (PN2+P金 =10l kPa(1atm) ?3. 氮在鐵中的溶解度與溫度的關(guān)系： ?溶解度隨溫度的升高而增大。 ?T=2200℃ 時(shí)，氮的溶解發(fā)達(dá)到最大值。 ?繼續(xù)升高溫度，氮的溶解度急劇下降 ?T=2750℃ 時(shí)，氮的溶解度為零。 ?加入 C、 Si、 Ni會(huì)減少氮的溶解度； ?加入 V、 Nb、 Cr會(huì)增加氮的溶解度。 4. 電弧焊時(shí)的氣體溶解過(guò)程復(fù)雜 , 含 N量高的原因（與 純化學(xué)溶解相比 ）： 電弧中受激的 N2，特別是氮原子比沒(méi)有受激的 N2的溶解速度高； 電弧中的氮離子可在陰極溶解； 氧化性電弧氣氛中形成的 NO，遇到溫度較低的液態(tài)金屬時(shí)又分解為 N和 O， N會(huì)迅速溶于金屬中。 （二）氮對(duì)焊接質(zhì)量的影響 1 促使焊縫產(chǎn)生氣孔 ：液態(tài)金屬在高溫時(shí)可以溶解大量的氮 ， 凝固結(jié)晶時(shí)氮的 溶解度突然下降 ， 過(guò)飽和氮以氣泡形式從熔池中逸出 ， 若焊縫金屬的結(jié)晶速度大于氮的逸出速度 時(shí) ， 就形成氣孔 。 2 氮是提高低碳 、 低合金鋼焊縫強(qiáng)度 ， 降低塑性和韌性的元素 。 如果熔池中含有比較多的氮 ， 一部分氮將以 過(guò)飽和的形式 存在于固溶體中；另一部分氮?jiǎng)t以 針狀氮化物 Fe4N的形式 析出 ， 分布于晶界或晶內(nèi) ， 因而使焊縫金屬的強(qiáng)度 、 硬度升高 ，而塑性 、 韌性 ， 特別是低溫韌度急劇下降 。 3 氮是促使焊縫金屬時(shí)效脆化的元素 ：焊縫金屬中過(guò)飽和的氮處于不穩(wěn)定狀態(tài) ， 隨著時(shí)間的延長(zhǎng) ， 過(guò)飽和的氮逐漸析出 ， 形成穩(wěn)定的碳氮化物 Fe4N， 因而使焊縫金屬的強(qiáng)度增加 、 塑性 、 韌性降低 。 4 氮可以作為合金元素加入鋼中 。 在焊縫金屬中加入能形成穩(wěn)定氮化物元素 ， 如 RE、A Ti、 Zr等 ， 可以抑制或消除時(shí)效現(xiàn)象。 （三）控制焊縫合氮量的措施 1 加強(qiáng)焊接區(qū)的保護(hù) （ 1） 焊條藥皮的保護(hù)作用 ， 取決于藥皮的成分和數(shù)量 。 ? Kb增大 ， SN下降 ， 當(dāng) Kb40％ ， SN＝ ~%， 下降不明顯 。 ? 當(dāng)藥皮中加入造氣劑 ， 形成氣渣聯(lián)合保護(hù) ， 使 SN降到 ％ 。 （ 2） 藥芯焊絲的保護(hù)效果 ， 取決于保護(hù)成分含量和形狀系數(shù) 。 形狀系數(shù)增大 ， 保護(hù)效果好 。 形狀系數(shù)：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度藥芯焊絲腔體內(nèi)金屬帶的重量與外殼金屬帶重量的比值。 2 焊接工藝參數(shù)的影響 （ 1） U↑（ 電弧長(zhǎng)度 ↑） ， 氮可以與熔滴作用時(shí)間 τ↑， SN ↑ ， 應(yīng)盡量采用短弧焊 。 （ 2） I↑， 熔滴過(guò)渡頻率 f↑,熔滴階段作用時(shí)間 τ↓, SN ↓ 。 ? 直流正極性焊接時(shí)焊縫含氮量比反極性 (焊條接正極 ， 工件接負(fù)極 )時(shí)高 。 （ 3） 焊接速度 對(duì)焊縫的含氮量影響不大 。 （ 4） 增加 焊絲直徑 ， 熔滴變粗 ， 焊縫含氮量下降 。 （ 5） 多層焊 時(shí)焊縫含氮量比單層焊時(shí)高 ， 這與氮的逐層積累有關(guān)。 3 利用合金元素控制焊縫合氮量： (1)增加焊絲或藥皮中的含碳量可降低焊縫的含氮量 ， 其原因是： a)碳能夠降低氮在鐵中的溶解度 。 b)碳氧化生成 CO、 CO2加強(qiáng)保護(hù)作用 ， 降低了氮分壓 。 c)碳的氧化引起熔池沸騰 ， 有利于氮的逸出 。 (2)Ti、 A Zr和稀土元素對(duì)氮有較大的親合力 ， 能形成穩(wěn)定的氮化物 。 并且這些氮化物不溶于鐵水 ， 而進(jìn)入熔渣中 。 這些元素對(duì)氧的親力也很大 ， 因此 ， 可減少氣相中 NO的含量 ， 這在一定程度上減少了焊縫的含氮量 。 三、氫對(duì)金屬的作用 （ 一 ） 氫在金屬中的溶解 1 按照氫與金屬作用的特點(diǎn) ， 將金屬劃分為兩類(lèi)： 1) 能形成穩(wěn)定氫化物的金屬 如 Zr、 Ti、 V、 Ta、 Nb等 。 特點(diǎn)是： 金屬吸收氫的反應(yīng)是 放熱反應(yīng) ， 溫度較低時(shí)吸氫量多；溫度較高時(shí)吸氫量少 。 當(dāng)吸氫量較多時(shí) ， 可形成氫化物 （ ZrH、 TiH、 VH、 TaH、 NbH） ；當(dāng)溫度超過(guò)氫化物保持穩(wěn)定的臨界溫度時(shí) ， 氫化物發(fā)生分解、 氫則擴(kuò)散逸出； 當(dāng) 吸氫量較少時(shí) ， 這類(lèi)金屬與氫可形成固溶體 。 2) 不能形成穩(wěn)定氫化物的金屬 如 A Fe、 Ni、 Cu、 Cr、 Mo等 。氫能夠溶解于這類(lèi)金屬及其合金中 ， 溶解反應(yīng)為 吸熱反應(yīng) 。 2 氫溶解的途徑與焊接方法有關(guān)： （ 1） 氣體保護(hù)焊時(shí) ， 氫是通過(guò)氣相與液態(tài)金屬的界面 ， 以原子或質(zhì)子的形式溶入金屬的； （ 2） 電渣焊時(shí) ， 氫是通過(guò)熔渣層溶入金屬的； （ 3） 手工電弧焊和埋弧焊時(shí) ， 氫的溶入是上述兩種途徑綜合結(jié)果。 含自由氧離子酸堿性渣： 對(duì)于不含自由氧離子： 若渣中含有氟化物 ， )(2O 22 ?? ?? OHOH ）（氣)Si()OH(2)( )2( 12 ????? ??? qnmqn OS im OOH 氣HFOFOH ??? ??? 23 溶解于渣中的 H以 OH－ 離子形式存在 4 H從熔渣中向金屬中過(guò)渡發(fā)生的化學(xué)反應(yīng) : ][2][)()(2][2][2)()(2][][2][2][)(2)(222HOOOHHOFeOHFeHOFeOHFe??????????????????5 H溶解的平方根定律 22 HHH pKS ?(2) 合金的影響： C、 Si、 A1可降低氫在液態(tài)鐵中的溶解度； Ti、 Zr、 Nb及稀土元素可以提高氫的溶解度； Mn、 N、 Cr、 Mg影響不大； O可減少金屬對(duì)氫吸附 ， 減少氫在液態(tài)鐵中溶解度 。 (3) 組織： 在奧氏體中 ， 氫的溶解度大；在珠光體鋼 ， 氫的溶解度小 。 P244 6 影響溶解度的因素 (1) 溫度： 熔滴階段吸收的氫比熔池階段多。 在金屬沸點(diǎn)溫度時(shí)，氫的溶解度為 0。 在金屬相變點(diǎn)，氫溶解度發(fā)生突變 , 易形成氣孔、裂紋等焊接缺陷。 （二）焊縫金屬中的氫及其擴(kuò)散 1 存在形式： 氫以 H、 H+、 H存在 ， 在焊縫中形成間隙固溶體 。 擴(kuò)散氫：氫原子及離子半徑很小 ， 可以在焊縫金屬晶格中自由擴(kuò)散 ， 故被稱(chēng)為擴(kuò)散氫 。 殘余氫：氫擴(kuò)散到金屬的晶格缺陷 、 顯微裂紋或非金屬夾雜物邊緣的微小空隙中時(shí) ， 結(jié)合成氫分子 ， 由于分子的半徑大而不能自由擴(kuò)散 ， 被稱(chēng)為殘余氫 。 2 H的擴(kuò)散 焊縫金屬放置時(shí)間越長(zhǎng) ，