PartII焊接化学冶金-2气相与液态金属的相互作用.ppt

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1、材料成型基础Part II焊接化学冶金,2,气相对液态金属的作用,1、气体的来源2、气体在金属中的溶解3、气体对金属的作用及其控制4、焊接保护气体的选择,3,2.1 气体的来源,一、气体来源 焊接区内的气体是参与液态金属冶金反应最重要的物质。焊接区气体(主要是N2、O2、H2)的来源:1、直接来源 直接进入焊接区的气体。2、间接来源 通过物理化学反应生成进入焊接区的气体。,4,1、直接来源,2.1 气体的来源,(1)焊接材料,如焊条药皮、焊剂及药芯焊丝中的造气剂、高价氧化物和水分等。(2)所采用的保护气体和其中的杂质(如氧、氮、水气等)。(3)热源周围的空气。(4)焊材表面和母材坡口附着的吸附

2、水、油、锈和氧化皮等物质,其在焊接时也会析出气体,如水气、氧、氢等。(5)焊丝和母材中因冶炼而残留的气体(很少，对气体成分影响不大)。,100：吸附水蒸发400-600：焊条药皮中的组分如白泥和云母中的结晶水被排除。,5,1、直接来源,2.1 气体的来源,(6)金属材料以及化合物的蒸发 金属元素和熔渣的各种成分在电弧高温作用下也会发生蒸发，形成相当多的蒸气。金属材料中Zn、Mg、Pb、Mn和氟化物中AlF3、KF、LiF、NaF的沸点都比较低，它们在焊接过程中极易蒸发。对钢铁焊接来说，铁合金的沸点虽然较高，但焊接时其浓度较大，所以气相中铁蒸气的数量相当可观。,6,2.1 气体的来源,2、间接来

3、源,(1)有机物的分解和燃烧a)制造焊条时的造气剂和涂料增塑剂:淀粉、纤维素、糊精、藻酸盐等有机物b)220 320 时分解50%;800 完全分解。c)反应生成的气态产物:主要是CO2、CO、H2、烃和水气。纤维素的热氧化分解反应可表示为：,7,(2)碳酸盐的分解作用:焊条造气剂,如CaCO3、MgCO3、BaCO3及白云石CaMg(CO3)2等。分解温度:CaCO3开始分解温度545,MgCO3开始分解温度325;CaCO3剧烈分解温度为910,MgCO3剧烈分解温度为650。分解产物:CO2,CO,H2。,2.1 气体的来源,2、间接来源,8,(3)高价氧化物的分解药皮和焊剂中常用的高价

4、氧化物如Fe2O3和MnO2,其在焊接过程中将发生逐级分解。分解产物:O2和低价氧化物FeO和MnO。6Fe2O3=4Fe3O4+O22Fe3O4=6FeO+O2 4MnO2=2Mn2O3+O2 6Mn2O3=4Mn3O4+O22Mn3O4=6MnO+O2,2.1 气体的来源,2、间接来源,9,2.1 气体的来源,二、气体的分解,气体的状态（分子、原子或离子状态）对其在金属中的溶解和与金属的作用有很大的影响,进入焊接区内的气体在电弧高温作用下将进一步分解或电离,从而影响气体在金属中的溶解或其与金属的作用。1、简单气体的分解:N2、H2、O2 2、复杂气体的分解:CO2、H2O,10,气体分解反

5、应比较,2.1 气体的来源,1、简单气体的分解,主要指N2、H2、O2、F2等双原子气体,它们受热而获得足够的能量后,将分解为单个原子或离子和电子。,11,双原子气体的分解度与温度的关系,2.1 气体的来源,1、简单气体的分解,在焊接温度下,H2和O2的分解度很大,绝大部分以原子态存在,而N2的分解度很小,基本上以分子态存在。,12,2.1 气体的来源,2、复杂气体的分解,CO2和H2O是焊接过程中最常见的复杂气体,它们在高温下将分解出O2,使气相的氧化性增加。水蒸气的分解产物除了O2和O外,还有H2、H和OH等,这不仅增加了气相的氧化性,而且还会增加气相中的氢分压。,13,2.1 气体的来源

6、,2、复杂气体的分解,14,2.1 气体的来源,三、气相的成分,焊接区内的气体是由CO、CO2、H2O、O2、H2、N2、金属和熔渣的蒸气及其分解或电离的产物所组成的混合物。其中,对焊接质量影响最大的是N2、H2、O2、CO2和H2O。焊接区内常常同时存在多种气体,这些气体之间也将发生复杂的反应。,15,2.1 气体的来源,三、气相的成分,焊接区实际气体成分冷至室温后气相的成分（体积分数，%）,用低氢型焊条焊接时,气相中H2和H2O的含量很少,故称“低氢型”。酸性焊条焊接时氢含量均较高,其中纤维素型焊条的氢含量最高。,16,2.1 气体的来源,四、铸造过程中的气体,直接来源：主要来源于熔炼过程

7、、铸型和浇注过程。间接来源：液态金属与铸型界面将发生化学反应,从而产生大量气体。主要成分：主要是H2、CO和CO2,在含氮的树脂砂型中还含有一定量的N2。铸型内气相组成和含量随温度、造型材料种类、浇注后停留时间等因素变化而变化。,17,2.2 气体的溶解,在焊接和熔铸过程中,与液态金属接触的气体可分为两大类:(1)简单气体,如H2、N2、O2等;(2)和复杂气体两大类,如CO2、H2O、CO等。,一、气体的溶解过程,原子态气体,溶入液态金属,分子态气体,原子或离子,分解,直接,离子态气体,18,2.2 气体的溶解,气体溶解动力学过程,双原子气体溶解于液态金属的动力学过程一般有两种方式:氮原子方

8、式和氢原子方式。,(1)氮原子方式,19,2.2 气体的溶解,气体溶解动力学过程,(2)氢原子方式,20,2.2 气体的溶解,气体溶解动力学过程,气体无论以何种方式向金属中溶解,都要先趋近金属表面并吸附于表面上,然后以原子状态溶入金属内部。气体趋近于金属表面的过程,可以是气体质点的机械运动,也可以是带电质点在电场作用下的定向运动。金属吸收不带电气体质点(如分子、原子)的过程是纯化学过程,遵从化学反应平衡法则;而金属吸收带电质点(如离子)的过程则是电化学过程,它不服从化学反应平衡法则。,21,2.2 气体的溶解,气体溶解动力学过程,在电弧气氛中,氮除了以分子形式存在外,还可能以原子N和离子N+形

9、式存在。,（a）直流反接（b）直流正接电流极性对氮的质点运动和溶解的影响,N+在电场作用下,将向阴极表面运动,且电场越强,即阴极电压越大,运动到阴极的N+越多。当液态金属为阴极时,氮以原子和离子的形式溶入金属,此时可溶解更多的氮;当液态金属处于阳极时,氮仅以中性原子形式溶入熔池金属。,是不是直流反接比直流正接时焊缝对气体(N、H)的溶解就多？,22,2.2 气体的溶解,气体溶解动力学过程,气体溶入液态金属时,扩散过程起着关键作用,它决定着气体的溶入速度。显然,金属表面与内部气体原子的浓度差越大、气体的压力或温度越高,扩散速度越快。,氢的溶解与氮类似,主要差别在于弧柱空间中的氢已完全分解为原子态

10、,并有一部分电离分解为H+。,23,2.2 气体的溶解,二、气体的溶解度,在一定温度和压力条件下,气体溶入金属的饱和浓度,称为该条件下气体的溶解度。气体在金属中的溶解度的影响因素有:(1)压力;(2)温度;(3)合金成分等。,24,式中:K0为常数;p为气体分压;H为气体溶解热;R为气体常数;T为绝对温度。,2.2 气体的溶解,二、气体的溶解度,对于一定成分的合金,影响气体溶解度的因素主要是温度和压力。双原子气体溶解度S与温度和压力的关系为:,1、温度和压力对溶解度的影响,25,(1)压力的影响 当温度一定时，双原子气体的溶解度与其分压的平方根成正比平方根定律:,式中:K为气体溶解反应的平衡常

11、数。,2.2 气体的溶解,氮和氢在钢、铁中的溶解度以及氢在Al、Cu、Mg等金属和合金中的溶解度均服从平方根定律。,降低气相中气体的分压,可以减少焊缝金属中的气体含量。,26,(2)温度的影响 当压力不变时,温度对溶解度的影响取决于溶解反应的类型。,2.2 气体的溶解,1吸热溶解 2放热溶解气体溶解度与热效应和温度的关系,(a)吸热溶解:H0,溶解度随温度的升高而增加。如氮在铁及铁合金中,氢在铁、镍、铝等合金中。(b)放热溶解:H0,溶解度随温度的升高而降低。,27,(2)温度的影响,2.2 气体的溶解,氮和氢在金属或合金中的溶解反应类型及形成化台物倾向,28,(2)温度的影响,2.2 气体的

12、溶解,氮和氢在铁中溶解度与温度的关系PN2=0.1MPa;PH2=0.1MPa,氮、氢在金属凝固时溶解度陡降。,氮、氢在奥氏体中的溶解度大于铁素体。,氮、氢在液态铁中的溶解度随温度升高而增大。,在铁的气化温度附近，气体溶解度陡降。,29,(2)温度的影响,2.2 气体的溶解,氮和氢在液态铁中的溶解度均随温度的升高而增大,在2200 和2400左右,其溶解度分别达到最大值,继续升温后由于金属蒸气压快速增加,气体的溶解度急剧下降,至铁的沸点(2750)溶解度变为0。,当液态铁凝固时,氮和氢的溶解度突然下降;在晶型转变温度,溶解度也发生了明显的突变。,30,氮在-Fe中的溶解度随温度的升高而减小:氮

13、与铁所形成的氮化铁(Fe4N)在高温时不稳定,随着温度的升高,-Fe中的氮化铁将发生分解,致使氮的溶解度降低。,(2)温度的影响,2.2 气体的溶解,FCC间隙BCC间隙,SN,H,-FeSN,H,-Fe,-Fe,-Fe:FCC,BCC:-Fe,-Fe,相变的影响:金属相变时,由于组织结构的变化,气体的溶解度将发生突变。液相比固相更有利于气体的溶解,当金属由液相转变为固相时,溶解度的突降将对铸件和焊件中气孔的形成产生直接的影响。,31,氢在不同金属中的溶解度随温度的变化(PH2=0.1MPa(1atm),(2)温度的影响,2.2 气体的溶解,第II类金属不同于第I类金属,随着温度的升高,氢在第

14、II类金属的溶解度减小,即第II类金属在低温下吸氢量大,高温时吸氢量小。,(a)I类金属(氢的溶解是吸热反应),(b)II类金属(吸氢过程是放热反应),32,氮在铝、铜及其合金中的溶解度一般都非常低。因此,在铝、铜合金精炼时,可借助于氮气去除金属液中的有害气体和杂质。氮与铜、镍不发生作用(既不溶解,也不形成氮化物),故焊接这类金属时,可用氮作保护气体。,(2)温度的影响,2.2 气体的溶解,液态铁中氧的溶解度随温度的变化,氧通常以原子氧和FeO两种形式溶入液态铁中。氧在液态铁中的溶解度随温度的升高而增大。室温下-Fe几乎不溶解氧。因此,铁基金属中的氧绝大部分以氧化物(FeO、MnO、SiO2、

15、Al2O3等)和硅酸盐夹杂物的形式存在。,33,合金元素对液态铁中氧的溶解度的影响,氢在二元系铁合金中的溶解度(1600),氮在二元系铁合金中的溶解度(1600),氢和氮的溶解度随碳含量的增高而降低,因此铸铁的吸气能力比钢低;当铁液中存在第二种合金元素时,随着合金元素含量的增加,氧的溶解度下降。,34,Ti、Zr、Nb等可提高氢在液态铁中的溶解度;Ni、Cr、Mo等影响不大;C、Si、B等可降低氢在液态铁中的溶解度;O可有效地降低氢的溶解度。,合金元素浓度对焊缝含H量的影响,加热温度1600,2.2 气体的溶解,2、合金成分对溶解度的影响,35,合金元素还能改变金属表面膜的性质及金属蒸气压,从

16、而影响气体的溶解度。如铁中加入微量铝会加速水蒸气在铁液表面的分解,从而加速氢在铁液中的溶解;而含有易挥发的镁时,既能提高铁液的蒸气压,又能显著降低铁液的含气量。但铝合金含有镁时,由于镁破坏了合金表面氧化膜的致密陛,致使铝合金增氢。,2.2 气体的溶解,2、合金成分对溶解度的影响,36,2.2 气体的溶解,3、电流极性对溶解度的影响,（a）直流反接（b）直流正接电流极性对氮的质点运动和溶解的影响,电流极性决定了电弧气氛中阳离子N+和H+的运动方向,从而影响气体的溶解量。,直流正接:熔滴处于阴极 阳离子向熔滴表面运动 熔滴温度高、比表面积大故熔滴中溶解大量氢或氮 直流反接:阳离子向阴极运动、阴极为

17、温度较低的熔池氢或氮的溶解量要少。,37,2.2 气体的溶解,4、焊接区气氛对溶解度的影响,还原性介质:氮的质点主要为N+、N和N2;氧化性气氛:除了N+、N和N2外,氮还可以NO-的形式溶入液态金属。电弧气氛中存在少量氧时,能提高阴极电压,促使N+在阴极中的溶解。氧的存在还可减少液态金属对氢的吸附,有效降低氢在液态铁、低碳钢和低合金钢中的溶解度。,在电弧焊条件下,氢和氮在熔化金属中的含量高于按平方根定律计算出来的溶解度。其主要原因在于:气体分子或原子受激后溶解速度加快;电弧气氛中的阳离子N+或H+可直接在阴极溶解;在氧化性电弧气氛中形成的NO-,遇到温度较低的液态金属时可分解为N和O,而N能

18、迅速溶入金属。,38,2.3 气体对金属的作用,一、氮来源:主要是焊接区周围的空气。,氮在金属中的溶解:1)原子形式溶于液态金属;2)以NO形式溶入;3)以氮离子形式溶入。,氮与金属作用有两种情况:1、不与氮发生作用的金属:如Cu、Ni、Zn、Co、Sn等,即不能熔解氮又不形成氮化物,这类金属的焊接可用N2作为保护气体。2、与氮发生作用的金属:如Fe、Ti、V、Mn、Si、Cr、Mo等,即溶解氮又形成氮化物,焊接这类金属及合金时要防止焊缝金属的氮化。,特别注意：氮是奥氏体形成元素;有时有意识地在惰性保护气体中加入N2,39,2.3 气体对金属的作用,(1)气孔 液态金属在高温时可以溶解大量的N

19、,而在其凝固时N的溶解度突然下降,此时过饱和的N以气泡的形成从熔池中逸出,当焊缝金属的结晶速度大于其逸出速度时,形成气孔。由于保护效果不良产生的气孔,大多是N气孔,如SMAW引弧端和熄弧弧坑处。,1、N对焊接质量的影响,40,2.3 气体对金属的作用,1、N对焊接质量的影响,(2)时效脆化 N是提高碳钢和低合金钢焊缝金属强度、降低塑韧性的元素。室温时氮在-Fe中的溶解度仅为0.001(质量分数)。若熔池中含有较多氮,则因焊后冷却速度很大,一部分氮以过饱和形式存在于固溶体中,另一部分则在晶界或晶内以针状Fe4N形式析出,使金属强度和硬度升高,塑韧性下降,特别是低温韧性急剧下降。,41,2.3 气

20、体对金属的作用,1、N对焊接质量的影响,42,N是促使焊缝金属时效脆化的元素,焊缝金属中过饱和氮处于不稳定状态,随着时间延长也将逐渐析出,并形成稳定的针状Fe4N,导致金属时效脆化:强度升高、塑韧性下降。在焊缝金属中加入Ti、Al、Zr等N稳定元素可抑制或消除时效现象。,2.3 气体对金属的作用,43,2.3 气体对金属的作用,2、影响N含量的因素及控制措施,氮主要来源于空气,它一旦进入液态金属,去除就比较困难。因此,焊接过程中对N立足防、加强控 防N措施加强对金属的保护,防止空气与金属接触:(1)加强焊接区的保护;(2)采用合适的工艺参数。控N措施冶金化处理。,44,2.3 气体对金属的作用

21、,2、影响N含量的因素及控制措施,(1)焊接区的保护 防氮首要措施是加强对金属的保护,防止空气与金属接触。,用不同方法焊接低碳钢时焊缝的含氮量,45,焊接保护措施中防N方式:(1)气-渣联保(SMAW):在焊条药皮中加入造气剂(如碳酸盐、有机物等),形成气-渣联合保护;(2)气保(GT/MAW):采用惰性气体(如氩、氦等)保护,用以焊接合金钢、化学活性金属及其合金等(3)渣保(SAW):焊剂熔化包覆电弧并使其与空气隔绝形成对电弧的保护。(4)真空保护(EBW):抽取真空隔绝空气焊接。,46,2.3 气体对金属的作用,2、影响N含量的因素及控制措施,(2)控制焊接工艺参数:,焊接工艺参数对焊缝含

22、氮量有明显影响:1)增大电弧电压(弧长)时,保护效果变差,液态金属与空气的接触机会增多,熔滴与N接触时间增长,使焊缝中氮的含量增加。在熔渣保护效果不良的情况下,弧长对焊缝含氮量的影响尤其重要。因此,为减少焊缝含氮量应尽量采用短弧焊。,2)焊接电流增加时,熔滴过渡频率增加,N与熔滴作用时间缩短,焊缝中氮含量减少。直流正接时焊缝含氮量比反接是要高。,3)焊接速度对焊缝含氮量影响不大;同条件下增加焊丝直径可使焊缝含氮量下降熔滴变粗;多层多道焊焊缝含氮量比单层焊高N的逐层积累。,4)焊接方法、熔滴过渡特性等有一定的影响。,47,2.3 气体对金属的作用,2、影响N含量的因素及控制措施,(3)冶金化处理

23、:,1)增加焊丝或药皮中的含碳量可降低焊缝中的含氮量C能降低N在Fe中的溶解度;C氧化生成CO和CO2加强了保护,降低了气相中N的分压;C氧化引起的熔池沸腾有利于N的逸出。某些堆焊中常用此法消除N气孔。,2)液态金属中加入Ti、Al、Zr和稀土等对氮有较大亲和力的元素,可形成不溶于液态金属的稳定氮化物而进人溶渣,从而减少金属的氮含量,降低其形成气孔和时效脆化倾向。但在炼钢时,要严格控制加铝量。,控制焊缝含氮量的措施,加强保护是最有效的措施,其他办法都有很大的局限性！,49,2.3 气体对金属的作用,二、氢 对许多金属及合金,氢对焊接质量是有害的,关于焊接时氢的行为的研究是国际上研究的难点和热点

24、。来源:焊条药皮、焊剂、焊丝药芯中水分;药皮中有机物;焊件表面杂质（锈、油）空气中水分。,50,2.3 气体对金属的作用,1、氢气的溶解,(1)根据氢与金属作用的特点可把金属分为两类:I类:能形成稳定氢化物的金属,如Zr、Ti、V、Ta、Nb等。这类金属吸收氢是放热反应,因此在较低温度下吸氢量大,在高温时吸氢量少。焊接这类合金时必须防止在固态下吸收大量的氢，否则将严重影响接头质量。II类:不能形成稳定氢化物的金属,如Al、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等,但氢能够溶于这类金属及其合金中,溶解反应为吸热反应。,51,2.3 气体对金属的作用,(2)氢在金属中的溶解方式:1)原子形式溶于液态金属;2

25、)以OH-形式溶入;3)以H+形式溶入。(3)氢在金属中的溶解途径:GMAW:通过气相与液态金属的界面以H或H+的方式溶入金属;ESW:通过渣层溶入金属;SMAW、SAW:以上两种方式。,1、氢气的溶解,52,2.3 气体对金属的作用,氢通过熔渣向金属中溶解时,氢或水蒸气首先溶于熔渣,溶解在熔渣中的氢主要OH-存在:a.对于含有自由氧离子的酸性或碱性渣:b.对于不含自由氧离子的渣:渣中自由氧离子浓度越大,水在渣中的溶解度越大。含SiO2多的熔渣中自由氧离子很少,水溶解依靠断开Si-O离子键实现,因其溶解度较小。,1)氢通过熔渣溶解:,53,2.3 气体对金属的作用,(O2-)是决定水在渣中溶解

26、度的主要因素,但不是唯一因素。若渣中含有氟化物,则发生反应:此反应将使水在渣中的溶解度下降。氢从熔渣中向金属中过渡通过反应进行的:另外,(H+)可以通过扩散或搅拌作用到达熔渣与金属的表面上,直接溶入金属。,1)氢通过熔渣溶解:,当氢通过熔渣向金属中过渡时,其溶解度取决于气相中氢和水蒸气的分压、熔渣的碱度、氟化物的含量和金属中的含氧量等因素。,54,2.3 气体对金属的作用,氢通过气相向金属中溶解时的溶解度取决于氢的状态。如果氢气在气相中以分子状态存在,则其在金属中的溶解度符合平方根定律:实际上,电弧焊时气相中氢不完全以分子状态存在,还有相当多的H原子和H+。因此,电弧焊时氢的溶解度比用平方根定

27、律计算出来的标准溶解度高的多。,2)氢通过气相溶解:,氧能有效降低氢在液态铁、低碳钢和低合金钢中的溶解度氧是表面活性元素,可以减少金属对氢的吸附。氢的溶解度与合金元素成分有关,在固态钢中的溶解度与组织结构有关:S面心立方晶格S体心立方晶格 溶解过程并不决定焊缝中最终的含氢量,还与氢的扩散有关。,55,2.3 气体对金属的作用,2、焊缝中的氢及其扩散,焊接过程中,液态金属所吸收的大量氢有一部分在熔池凝固过程中逸出,其余的未来得及逸出而被固封在焊缝金属中。焊缝中总的含氢量=扩散氢+残余氢其中扩散氢占大部分！,56,2.3 气体对金属的作用,2、焊缝中的氢及其扩散,(1)扩散氢:在钢焊缝中以H、H+

28、或H-的形式存在,与焊缝金属形成间隙固溶体,由于氢原子和离子的半径很小,这部分氢可以在焊缝金属的晶格内自由扩散,故称扩散氢。II类金属,扩散氢约占80%,其对接头性能危害要比残余氢大。(2)残余氢:一部分氢扩散聚集到陷阱(金属的晶格缺陷、显微裂纹和非金属夹杂物边缘的空隙)中,结合为氢分子,因其半径大,不能自由扩散,故称之为残余氢。,57,2.3 气体对金属的作用,2、焊缝中的氢及其扩散,(1)扩散氢的扩散与转化,焊缝中的含氢量与焊后放置时间的关系,扩散氢一部分逸出,一部分变为残余氢。,因扩散,焊缝金属含氢量随时间的变化而变化。焊后随着放置时间的增加,扩散氢减少,残余氢增加,而总的含氢量下降。,

29、58,2.3 气体对金属的作用,(2)扩散氢的测量,熔敷金属的扩散氢含量是指焊后立即按标准方法测定并换算为标准状态下的扩散氢含量。扩散氢的测量:GB/T 3965-1995(1)甘油法(2)水银法(3)气相色谱法。,甘油法测氢装置示意图,(1)当用甘油置换法测定的熔敷金属中的扩散氢含量小于2ml/100g时,必须使用气相色谱法测定。(2)标准中甘油置换法、气相色谱法适用于手工电弧焊、埋弧焊及气体保护焊,水银置换法只用于手工电弧焊。,59,2.3 气体对金属的作用,(3)残余氢的测量,在真空室内将试样加热到650测定残余氢含量。,焊接碳钢时熔敷金属中的含氢量,60,2.3 气体对金属的作用,(3

30、)残余氢的测量,氢在焊接接头中的扩散和分布是一个复杂的问题,至今尚未充分认识,还有待于进一步研究。,氢沿长度方向的分布基本均匀。氢在接头横截面上的分布特征与母材的成分、组织和焊缝金属的类型等因素有关。值得注意的是,氢由焊缝扩散到近缝区,并可深入到母材相当大的深度。,61,2.3 气体对金属的作用,3、氢对焊接质量的影响,对许多金属及合金的焊接来说,氢都是有害物质。有害作用:(1)暂态现象:脆化、白点(经时效热处理可消除)(2)永久现象:气孔、冷裂纹、改变组织、显微斑点(不可消除)有益作用:可作为保护气提高焊接效率、改善焊接质量。,62,2.3 气体对金属的作用,(1)、氢脆定义:氢在室温附近,

31、氢溶解在金属晶格中,引起钢的塑性严重下降现象。焊缝金属经过去氢处理后,其塑性可以恢复。机理:由溶解在金属晶格中的氢引起的。位错运动显微空腔HH2显微空腔内压氢脆,含氢量对低碳钢塑性的影响,63,2.3 气体对金属的作用,(2)、白点定义:碳钢或低合金钢焊缝若含氢量高,则常在其拉伸弯曲断面上出现银白色圆形局部脆断点,称之为白点,似鱼眼,也称“鱼眼”。特征:肉眼可见,直径0.53mm,塑性断口,中心处有气孔或小的夹渣。产生原因:白点是在塑性变形阶段产生的。后果:降低接头塑性。消除措施:预先去氢处理可以消除白点。,64,2.3 气体对金属的作用,影响因素:焊缝金属对白点的敏感性与含氢量、金属的组织和

32、变形速度等有素有关。(1)铁素体和奥氏体焊缝不出现白点(铁素体F:氢在其中扩散快,易于逸出;奥氏体A:氢在奥氏体中溶解度大且扩散很慢)。(2)碳钢和用Cr、Ni、Mo合金化的焊缝,尤其是这些元素含量较高时,对白点很敏感。(3)焊缝含氢量越高,出现白点的可能性越大。,65,2.3 气体对金属的作用,(3)、组织变化和显微斑点 焊缝金属AM时,由于氢在A有较大的溶解度,当含氢量高的焊缝自A化,温度冷却时,引起局部A过冷残余A增加,残余A M时,富氢的组织内产生大的内应力,造成显微裂纹。,(4)、气孔 熔池H含量较高,结晶过程析出H2气孔。(5)、冷裂纹 低温时产生的一种裂纹,氢是主要原因之一。,6

33、6,1)可用作炉中钎焊不锈钢时的保护气,可还原不锈钢表面的氧化膜,并保护其表面在钎焊时不再氧化,钎焊过程中不需使用钎剂,且焊后工件光亮,无需任何焊后工件表面清理工作,适合大批量生产、焊接成本低。(一般要求氢气的露点低于-40,但也要考虑保护气体的露点要与钎焊温度及母材的成分相适应。钎焊温度越低、不锈钢表面氧化膜越稳定,要求氢气露点越低。),2.3 气体对金属的作用,(6)、氢作为保护气,2)TIG焊或PAW焊接不锈钢(也用于镍及合金)可与氩气混合作为保护气,含量一般为2-5%。主要作用:防氧化、通过提高电弧电压来提高电弧能量、增加熔深、增加焊接速度。但在焊接铁素体钢时会有氢脆危险。氮气+氢气(

34、不超过20%)可以作为焊缝背面的保护气氢气的导热能力很强。,67,2.3 气体对金属的作用,Ar和Ar+H2作为保护气时的焊接速度比较,采用Ar+H2混合气体可明显提高焊接速度:焊接1.6mm以下的不锈钢板对接接头,焊接速度比纯氩快50%,此外,还有防止咬边和抑制CO气孔产生作用。因此,采用Ar+H2混合气体不仅可以获得优质焊缝而且还可以保证焊接生产效率,克服了氩弧焊速度慢的缺点。,(6)、氢作为保护气,68,2.3 气体对金属的作用,4、控制氢的措施,焊前:(1)限制焊接材料中的含氢量(2)清除焊丝和焊件表面上的杂质(3)冶金化处理焊中:(4)控制焊接工艺参数焊后:(5)焊后脱氢处理,限制氢

35、的来源,69,2.3 气体对金属的作用,(1)限制焊接材料中的含氢量,1)制造焊条、焊剂和药芯焊丝用的各种材料如有机物、天然云母、白泥、长石、水玻璃、铁合金等,都不同程度地含有吸附水、结晶水、化合水或溶解的氢,因此制造低氢或超低氢(H1cm3/100g)型焊条和焊剂时,尽量选用不含或含氢少的材料。2)制造焊条、焊剂和药芯焊丝时适当提高烘焙温度可以降低焊接材料中的含水量,因而也就相应地降低了焊缝中的含氢量。,70,2.3 气体对金属的作用,(1)限制焊接材料中的含氢量,3)注意焊条、焊剂的防潮。焊接材料在焊前应再烘干生产上去氢最有效的办法,特别是使用低氢型焊条,切不可忽视;升高烘焙温度可大大降低

36、焊缝的含氢量,但烘焙温度不可过高,否则将丧失药皮的冶金作用;或放在低温(100)烘箱内,以免重新吸潮;焊接保护气中的水分若超过标准,则应采取去水、干燥等措施。,71,2.3 气体对金属的作用,(2)清除焊丝和焊件表面上的杂质,焊丝和焊件坡口附近表面上的铁锈、油污、吸附水等是增加焊缝含氢量的原因之一,焊前必须仔细消除。焊接铝、铝镁合金、钛及钛合金时,其表层结构不致密形成含水的氧化膜,如Al(OH)3、Mg(OH)2等,因而必须用机械或化学方法清除,否则由于氢的作用可能产生气孔、裂纹或使接头性能变坏。,72,2.3 气体对金属的作用,(3)冶金处理,降低气相中氢的分压可以减少氢在液态金属中的溶解度

37、,而要降低氢的分压就应该调整焊接材料的成分使氢在焊接过程中生成比较稳定的不溶于液态金属的氢化物,如HF、OH及其他稳定氢化物:1)在药皮和焊剂中加入氟化物2)控制焊接材料的氧化还原势3)在药皮或焊芯中加入微量稀土或稀散元素,73,2.3 气体对金属的作用,1)在药皮和焊剂中加入氟化物,在高硅高锰焊剂中加入适当比例的CaF2和SiO2可显著降低焊缝的含氢量;在焊条药皮中加入氟化物,如CaF2、MgF2、BaF2、Na3AlF6等可以不同程度地降低焊缝含氢量。其中常用的CaF2在药皮中加入78%即可急剧减少焊缝含氢量,若超过此含量,则去氢效果相对减小。氟化物去氢机理:a.直接作用;b.酸性渣;c.

38、碱性焊条。,74,2.3 气体对金属的作用,1)在药皮和焊剂中加入氟化物,a.CaF2蒸气与氢及水蒸气直接作用CaF2(g)+H2O(g)=CaO(g)+2HFCaF2(g)+2H=Ca(g)+2HF,由于CaF2沸点高(2500),焊接时能形成蒸气的数量有限,这种去氢方式 作用不可能大。,75,2.3 气体对金属的作用,1)在药皮和焊剂中加入氟化物,b.酸性渣中有CaF2与SiO2共存时,其去氢反应为:CaF2+3SiO2=2CaSiO3+SiF4生成的SiF4沸点很低(90),将以气态存在,并与气相中的原子氢和水蒸气发生反应:SiF4(g)+2H=SiF(g)+3HFSiF4(g)+2H2

39、O(g)=SiO2(g)+4HFSiO2含量越高、活度大,去氢效果越好;碱性焊条不适用该去氢机理,76,2.3 气体对金属的作用,1)在药皮和焊剂中加入氟化物,c.在碱性焊条药皮中，CaF2首先与药皮中的水玻璃发生反应:Na2OnSiO2+mH2O=2NaOH+nSiO2(m-1)H2O2NaOH+CaF2=2NaF+Ca(OH)2K2OnSiO2+mH2O=2KOH+nSiO2(m-1)H2O 2KOH+CaF2=2KF+Ca(OH)2与此同时,CaF2与氢和水蒸气发生如下反应:CaF2+H2O=CaO+2HFCaF2+2H=Ca+2HF,反应生成的NaF和KF与HF发生反应:NaF+HF=

40、NaHF2KF+HF=KHF2生成的氟化氢钠和氟化氢钾进入焊接烟尘,从而达到去氢的目的。,77,2.3 气体对金属的作用,2)控制焊接材料氧化还原势,气相中的氧可以夺取氢,生成较稳定的OH,从而减小气相中的氢分压,降低熔池中氢的含量:O+H=OHO2+H2=2OH2CO2+H2=2CO+2OH 因此,适当提高气相的氧化性,有利于降低焊缝的氢含量。,焊条药皮中加入碳酸盐或Fe2O3,采用CO2作保护气体,均可获得氢含量较低的焊缝。因为碳酸盐受热后分解出CO2,Fe2O3则分解出O2,能促使下列反应向右进行。,78,2.3 气体对金属的作用,3)在药皮或焊芯中加入微量稀土或稀散元素,在焊条药皮或焊

41、芯中加入微量的碲或硒可以大幅度降低扩散氢含量,但使焊条的焊接工艺性能和焊缝表面成形变坏。在药皮中加入微量的稀土元素如钇,也能显著降低扩散氢含量,同时能提高焊缝的韧性。,79,2.3 气体对金属的作用,(4)控制焊接工艺参数,a.手弧焊:IH;UH,与N、O相反b.极性:反接最小,正接居中,交流最大c.焊接方法、熔滴过渡特性等d.保护气氛,80,2.3 气体对金属的作用,(5)焊后脱氢处理,定义:焊后把焊件加热到一定的温度,促使氢扩散外逸的工艺叫脱氢处理。将焊件加热到350,保温1h,可使绝大部分的扩散氢去除。在生产上,对于易产生冷裂的焊件常要求进行焊后脱氢处理。对于奥氏体钢焊接接头,脱氢处理效

42、果不大。,81,2.3 气体对金属的作用,三、氧,1、分类 根据氧与金属作用的特点,把金属分为两类:(1)不溶解,只氧化,氧化物不溶于金属中(如Al、Mg等)(2)既溶解,又氧化,氧化物溶于金属中(如Fe、Ni、Cu、Ti等)2、来源(1)周围空气污染;(2)材料中的含氧化合物,82,2.3 气体对金属的作用,3、O的溶解,氧以原子氧和FeO两种形式溶解于液态铁中。,液态铁中氧的熔解度与温度的关系,氧在液态铁中的溶解度随着温度的升高而增大。当液态铁中有第二种合金元素时,随着合金元素含量的增加氧的溶解度下降。,合金元素对液态铁中氧的溶解度的影响,在铁冷却过程中,氧的溶解度急剧下降。在室温下-Fe

43、中几乎不溶解氧(0.001%)。因此,焊缝金属和钢中所含的氧绝大部分是以氧化物(FeO、SiO2、MnO、Al2O3等)和硅酸盐夹杂物的形式存在。焊缝含氧量是指总的含氧量,既包括溶解的氧,也包括含氧的夹杂物。,83,2.3 气体对金属的作用,4、氧化性气体对金属的氧化,焊接时金属的氧化是在各个反应区通过氧化性气体(如O2、CO2、H2O)和活性熔渣与金属相互作用实现的。(1)金属氧化还原方向的判据(2)自由氧对金属的氧化(3)CO2对金属的氧化(4)混合气体对金属的氧化,金属氧化物的分解（唯一气体）平衡时:氧化物分解达到平衡时氧的平衡分压,称为氧化物的分解压。一定温度下:固态或液态的、为常数,

44、即 为常数,2.3 气体对金属的作用,(1)金属氧化还原方向的判据,因此:Kp=pO2=Kp=f(T),即O2的分解压为该反应的平衡常数,可作为判据。,85,2.3 气体对金属的作用,(1)金属氧化还原方向的判据,在一个由金属、金属氧化物和氧化性气体组成的系统中,判别金属是否被氧化采用金属氧化物的分解压pO2作为判据。若氧在金属氧氧化物系统中的实际分压为pO2,则:pO2pO2:金属被氧化 pO2=pO2:处于平衡状态 pO2pO2:金属被还原,86,2.3 气体对金属的作用,(1)金属氧化还原方向的判据,金属氧化物的分解压是温度的函数,随温度的升高而增加。,自由氧化物的分解压与温度的关系,除

45、Ni和Cu的氧化物外,同样温度下,FeO的分解压最大,最不稳定。FeO为纯凝聚相时,其分解压为:,87,2.3 气体对金属的作用,(1)金属氧化还原方向的判据,通常情况下,FeO不是纯凝聚相,而是溶于液态铁中,其分解压可用下式表示:,由于FeO溶于液态铁中,使其分解压减小,致使Fe更容易氧化。,计算得知,在高于铁熔点的温度下FeO的分解压很小,如温度为1800,液态铁中FeO的质量分数为1%（O的体积分数为0.222）时,FeO的分解压=1.510-8MPa,说明气相中只要存在微量的氧,即可使铁氧化。,88,2.3 气体对金属的作用,光焊丝电弧焊:气相中氧的分压等于空气中氧的分压,即pO20.

46、21atm pO2,Fe氧化严重,SMAW:空气中的氧或多或少地进入电弧,高价氧化物等物质受热分解也产生氧气,那么有:PO2 PO2,(1)金属氧化还原方向的判据,89,2.3 气体对金属的作用,(2)自由氧对金属的氧化,C、Si、Mn的氧化:焊接钢时,除了铁以外,钢液中其他对氧亲和力比铁大的元素也会发生氧化:C+1/2O2=COSi+O2=(SiO2)Mn+1/2O2=(MnO),Fe的氧化反应:Fe+1/2O2=FeO+26.97kJ/mol Fe+O=FeO+515.76kJ/mol,由反应的热效应看,原子氧对铁的氧化比分子氧更激烈!,90,2.3 气体对金属的作用,(3)CO2对金属的

47、氧化,纯CO2分解得到的平衡气相成分,温度高于铁的熔点时,pO2远大于FeO的解压;温度为3000K时,pO220.3kPa,约等于空气中氧的分压pO2;温度高于3000K时,CO2的氧化性超过了空气。所以,高温下CO2对液态铁和其他许多金属均为活泼的氧化剂。,91,2.3 气体对金属的作用,(3)CO2对金属的氧化,温度升高时,平衡常数K增大,反应向右进行,促使铁氧化。计算表明,即使气相中只有少量的CO2,对铁也有很大的氧化性。因此,用CO2作保护气体只能防止空气中氮的侵入,不能避免金属的氧化。,CO2与液态铁的反应式和平衡常数为:CO2+Fe=CO+FeO,92,2.3 气体对金属的作用,

48、(4)H2O对金属的氧化,气相中的水蒸气不仅使焊缝增氢,还使铁和其他合金元素氧化。H2O与液态铁的反应式和平衡常数为:H2O(g)+Fe=FeO+H2,温度越高,H2O的氧化性越强。比较CO2和H2O反应平衡常数可以看出,在液态铁存在的温度,H2O气的氧化性比CO2小。但注意,H2O气除了使金属氧化外,还会提高气相中H2的分压,导致金属增氢。因此,当气相中含有较多的水分时,为了保证焊接质量,在脱氧的同时必须去氢。,93,2.3 气体对金属的作用,(5)混合气体对金属的氧化,GMAW:为了改善电弧的电、热和工艺特性,常采用氧化性混合保护气体,如Ar+O2、Ar+CO2、Ar+CO2+O2或CO2

49、+O2等。目前评价混合气体氧化能力的指标为O(g/100g),即与l00g焊缝金属反应的总氧量,可由各种合金元素的氧化损失量计算得到。,焊条电弧焊时,焊接区的气相是多种气体的混合物。理论计算表明,钛铁矿型焊条和低氢型焊条电弧气氛中,氧的分压pO2在温度高于2500K时大于FeO的分解压pO2,因此混合气体对铁是氧化性的。,94,(5)混合气体对金属的氧化,2.3 气体对金属的作用,在CO2和O2体积分数相同的条件下,Ar+O2的氧化能力比Ar+CO2大;Ar+15O2(体积分数)的氧化能力与纯CO2相当。在所有混合气体中,随着O2和CO2含量的增加,焊缝中的氧含量增加,合金元素的烧损量、焊缝中

50、非金属夹杂物和氧的含量都增加,因此焊缝力学性能,特别是低温韧性明显下降,甚至可能产生气孔。采用氧化性混合气体焊接时应根据其氧化能力的大小选择含有合适脱氧剂焊丝。,95,用各种方法焊接时焊缝的含氧量,2.3 气体对金属的作用,96,2.3 气体对金属的作用,5、氧对焊接质量的影响,氧在金属中多以化合物形态的氧化物夹杂存在,但其在焊缝中无论以何种形式存在,都会对焊缝性能都有很大影响:(1)降低接头力学性能(2)产生缺陷(3)影响工艺稳定性,97,2.3 气体对金属的作用,(1)降低焊接接头性能,a.随着焊缝含氧量的增加,焊缝强度、塑性、韧性均明显下降、特别是低温冲击韧性急剧下降。b.产生红脆、冷脆