【正文】 。接頭經(jīng)消氫處理，其塑性可以恢復(fù)。接頭金屬的氫脆性與其含氫量、試驗(yàn)溫度、變形速度及焊縫的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。鋼中含氫易造成材料的塑性明顯下降，但對(duì)材料的強(qiáng)度幾乎沒有影響。由于氫的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，隨著時(shí)間的延長，焊縫中的部分?jǐn)U散氫從接頭中逸出而使氫的溶解量降低；另一部分?jǐn)U散氫轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄽洌箽堄鄽潆S著時(shí)間延長而增加。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。如果氫擴(kuò)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(shí)，可以結(jié)合成氫分子，由于氫分子的半徑大而不能擴(kuò)散，因此這部分氫稱為 殘余氫 。 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(qiáng)的擴(kuò)散能力。另外，合金元素對(duì)氫在鐵中的溶解度有較大的影響。 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(dāng)鐵發(fā)生固態(tài)相變時(shí)，氫的溶解度將發(fā)生突變。但溫度接近沸點(diǎn)時(shí)，由于金屬的蒸發(fā)，氫的溶解度急劇下降。 如果氣相中氫以分子及原子狀態(tài)存在時(shí)，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。 當(dāng)氫通過氣相向金屬中溶解時(shí)，起溶解度取決于氫的狀態(tài)。因此，氫通過熔渣溶入金屬時(shí)。 在電熔渣保護(hù)的條件下，氫首先溶入熔渣中，以O(shè)H－ 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。 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。因此，焊接這些金屬時(shí)要注意防止接頭在固態(tài)下對(duì)氫的吸收，否則將嚴(yán)重影響焊接接頭的性能。 . 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(jī)物、吸附水及結(jié)晶水、表面雜質(zhì)及空氣中的水分等。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。 (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(shí)碳氧化生成 CO、 CO2，加強(qiáng)焊接區(qū)的保護(hù)，降低了氮的分壓，因此碳可以降低氮在金屬中的溶解度。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。 其它條件不變時(shí)，增加電弧電壓時(shí)，由于弧長增加使保護(hù) 效果下降，同時(shí)熔滴存在時(shí)間增長，導(dǎo)致焊縫 [N]提高。若氮的溶解是放熱反應(yīng) (如 188型不銹鋼 )，則 [N]隨著溫度的升高而降低。 (2)控制焊接工藝參數(shù)：在其它條件不變時(shí)，增加焊接電流時(shí)，熔滴的溫度增加。 圖 氮對(duì)焊縫金屬常溫力學(xué)性能的影響 氮對(duì)低碳鋼焊縫金屬低溫沖擊韌度的影響 (1)加強(qiáng)焊接區(qū)的保護(hù)：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。 2．氮對(duì)焊接質(zhì)量的影響 氮是沉淀強(qiáng)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(qiáng)化和細(xì)化晶粒的作用。直流正接比直流反接熔滴含氮多。氮以這種形式對(duì)金屬的溶入量受陰極壓降和電源極性的影響。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(yùn)動(dòng)，并在陰極表面與電子中和還原成氮原子而溶入金屬中。 圖 氮和氫在鐵中溶解度與溫度的關(guān)系 電弧焊時(shí)的氣體溶解過程比普通的氣體溶解過程要復(fù)雜的多，此時(shí)熔化金屬吸收的氮量高于平衡含量。但溫度達(dá)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。 氮在鐵中的溶解度與溫度的關(guān)系如圖 。試驗(yàn)表明，式（ 233）只在 PN2 很小的范圍內(nèi)有效。 1. 氮在金屬中的溶解 氣體的溶解反應(yīng)可分為四個(gè)階段：①氣體分子向氣體與金屬界面上運(yùn)動(dòng)；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(kuò)散。根據(jù)氮與金屬作用的特點(diǎn)，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(hù)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。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。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(shí)，氣相中 CO2和 H2O含量較少，因而氣相氧化性也很小；相反，手弧焊時(shí)氣相的氧化性相對(duì)較大。 （ 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(guān)。由表 ， H2O氣的分解產(chǎn)物有 H O OH、 H及 O等。在焊接溫度下CO2幾乎完全分解，而水蒸氣的分解是比較復(fù)雜的。在電弧區(qū)的熱作用下， CO2可按表 6號(hào)反應(yīng)式進(jìn)行分解。而氮的分解度很小，基本上以分子狀態(tài)存在。與溫度的變化關(guān)系曲線 ,如圖 。常見氣體分解反應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的熱效應(yīng)見表 。 表 純金屬和氟化物的沸點(diǎn) （ 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(dòng)和旋轉(zhuǎn)能。 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(yīng)復(fù)雜化，并且造成合金元素的損失，甚至產(chǎn)生缺陷。如果物質(zhì)處于溶液中，物質(zhì)的濃度越高，其飽和蒸氣壓越大，越容易蒸發(fā)。在焊接黃銅、 A1Mg合金及鉛時(shí)，一定要有安全防護(hù)，以保障焊工的身體健康。在一定溫度下，物質(zhì)的沸點(diǎn)越低越容易蒸發(fā)。 2??? Tp CO圖 碳酸鹽生成反應(yīng)的△ G0與溫度的關(guān)系 焊接材料中常用的高價(jià)氧化物有 Fe2O3和 MnO2，在焊接過程中它們發(fā)生強(qiáng)烈的分解反應(yīng) 6Fe2O3 = 4Fe3O4+O2 (226) 2Fe3O4 = 6FeO + O2 (227) 4MnO2 = 2Mn2O3+O2 (228) 6Mn2O3 = 4Mn3O4+O2 (229) 2Mn3O4 = 6MnO+O2 (230) 反應(yīng)結(jié)果是產(chǎn)生大量的氧氣和低價(jià)氧化物。另外，從圖 22可以看出 BaCO3比 CaCO3穩(wěn)定，因此它的分解溫度比 CaCO3的高。 CaCO3和 MgCO3的分解反應(yīng)及分解產(chǎn)物的氣相分壓如下所示 CaCO3 = CaO + CO2 （ 221） （ 222） 2??? Tp CO MgCO3 = MgO + CO2 （ 223） （ 224） 假設(shè)電弧氣氛的總壓力為 p = 101kpa,并且認(rèn)為 PCO2= p = 101kpa,則可計(jì)算出 CaCO3劇烈分解的溫度為 910℃ ； MgCO3的為 650℃ 。利用圖中曲線可以比較各種碳酸鹽的穩(wěn)定性及其隨溫度的變化。 2225106 5627)( mHm COmOOHCm ???② 碳酸鹽和高價(jià)氧化物的分解 焊接材料常用的碳酸鹽有 CaCO MgCO白云石和 BaCO3等。 ① 有機(jī)物的分解和燃燒 焊條藥皮中常含有淀粉、纖維素、糊精和藻酸鹽等有機(jī)物 (作為造氣劑和焊條涂料的增塑劑 )和焊接材料上的油污等，這些有機(jī)物受熱以后，發(fā)生復(fù)雜的分解和燃燒反應(yīng)，放出氣體，這種反應(yīng)稱為熱氧化分解反應(yīng)。 （ 1）氣體來源 ?焊接材料，如焊條藥皮、焊劑和藥芯中的造氣劑、高價(jià)氧化物和水分等； ?電弧區(qū)周圍的空氣； ?焊絲和焊件表面存在的鐵皮、鐵銹、油污和吸附水等； ?母材和填充金屬自身殘留的氣體。 焊接氣氛及其與金屬的作用 ?焊接區(qū)內(nèi)氣相成分主要有 CO、 CO H2O、 N HO金屬和熔渣的蒸氣及其分解和電離的產(chǎn)物等。“過渡系數(shù)”的概念表示為 (219) 式中 μ為合金元素 x的過渡系數(shù)； [x]d為某元素工在熔敷金屬中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)； [x]E為某元素 x在焊接材料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。為了控制焊縫的成分，必須掌握焊接材料中合金成分的燒損情況。對(duì)于硫，增大堿度能有效地使硫向熔渣中分配，如熔渣中存在 CaF2會(huì)增強(qiáng) S向渣中分配。對(duì)于氫，除了設(shè)法使之轉(zhuǎn)化為不溶的穩(wěn)定氫化物 OH或 HF，還可利用熔渣性質(zhì)減輕氫的溶人。宜采用堿性熔渣。對(duì)于氧，首先控制先期脫氧，即在藥皮、藥芯或焊劑中添加脫氧合金，以限制氣氛的氧化性，減少 CO2或 O2。若接頭為奧氏體組織，脫氫處理的效果不大。對(duì)于氫，烘干焊接材料和焊接材料的防潮尤為重要。 焊縫金屬化學(xué)成分的控制 1．焊縫雜質(zhì)的控制 焊縫有害雜質(zhì)的控制措施有： (1)工藝措施，限制來源和加強(qiáng)排除。因?yàn)楦淖兎磻?yīng)方向必須通過平衡狀態(tài)。如：手工電弧焊和埋弧焊時(shí)，有液態(tài)金屬、熔渣和電弧氣氛三相；氣體保護(hù)焊時(shí)，主要是氣體與金屬相之間的相互作用；電渣焊時(shí)，主要是熔渣與金屬之間的作用。 五、焊接化學(xué)冶金系統(tǒng)及其不平衡性 焊接化學(xué)冶金系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的高溫多相反應(yīng)系 統(tǒng)。 如 CO2保護(hù)焊時(shí)，增大焊接電流，熔滴過渡頻率增加，氧化反應(yīng)的時(shí)間變短，硅的氧化損失率減小；增加電弧電壓，氧化反應(yīng)的時(shí)間增長，硅的損失率增大。實(shí)驗(yàn)表明，熔滴階段的反應(yīng)時(shí)間（或熔滴存在時(shí)間）隨焊接電流的增加而變短，隨電弧電壓的增加而變長。 ② 熔滴過渡特性的影響。 焊縫金屬中合金元素的實(shí)際濃度 CW為： CW=θCb+(1θ)Cd (218) 式中， Cb為該元素在母材中的質(zhì)量百分濃度， Cd為熔敷金屬中元素的實(shí)際質(zhì)量百分濃度；從上式可看出，通過改變?nèi)酆媳瓤梢愿淖兒缚p金屬的化學(xué)成分。這種影響歸結(jié)以下兩方面： ① 熔合比 θ的影響。各階段冶金反應(yīng)的綜合結(jié)果，就決定了焊縫金屬的最終化學(xué)成分。 總之，焊接化學(xué)冶金過程是分區(qū)域進(jìn)行的。所以增加焊條藥皮厚度能夠加強(qiáng)熔池階段的冶金反應(yīng)； ⑤ 熔池反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)物質(zhì)是不斷更新的。 u 熔池反應(yīng)階段中，反應(yīng)物的含量與平衡含量之差比熔滴反應(yīng)階段。溫度分布不均勻，也造成熔池的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。因此同一個(gè)反應(yīng)在熔池的前部和后部都可以向相反的方向進(jìn)行； ② 熔池的平均溫度約為 1600~1900176。該區(qū)的反應(yīng)條件有如下特點(diǎn) : ① 熔池的溫度分布極不均勻。在堿性渣中加人適當(dāng)?shù)?CaF2后，因 CaF2可顯著降低氫在渣中的溶解度，從而限制氫透過熔渣向金屬溶人。若熔滴表面存在熔渣，氫必須透過熔渣才能溶于金屬，此時(shí)熔渣成為傳遞氫的介質(zhì)。若氣氛中存在一定數(shù)量的氧化性氣體時(shí)，如 CO2或 O2，有利于降低。 （ 6）除氫反應(yīng)。氧化物分解使熔滴合金化，不但滲入的合金元素?cái)?shù)量有限，而且伴有燒損其它合金或增氧的副作用。隨著渣活性系數(shù)的增加，熔敷金屬越易增氧。其實(shí)，在熔渣中 (SiO2)和 (MnO)的濃度一定時(shí)，改變堿度，熔敷金屬的 [Si]， [Mn]及 [O]的含量也發(fā)生變化。在焊接溫度下反應(yīng)向右側(cè)進(jìn)行，而其反應(yīng)的劇烈程度與熔渣的冶金活性、焊絲或熔滴的組成和熔渣組成及堿度有關(guān)。 溶于液態(tài)鋼溶于熔渣???][)(F eOF eOL 0lg ??? TL③ 熔渣中 (MnO)、 (SiO2)的置換氧化 。熔渣的性質(zhì)和堿度對(duì) FeO的分配有很大影響。即在一定溫度下，一種物質(zhì)在互不相溶的相中的平衡分配應(yīng)為一常數(shù)。 ② 熔渣