32氣孔與夾雜解析

五、焊接熱循環(huán)：在焊接熱源作用下，焊件上某點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化過程。六、焊接接頭組織和性能焊接接頭示意圖1-焊縫；2-熔合區(qū)；3-HAZ；4-母材1．焊縫的組織和性能焊縫是晶粒較粗大的鑄態(tài)組織，成分不均勻，組織不致密，故塑性較差，易產(chǎn)生熱裂紋。但由于焊條藥皮和焊絲等在焊接過程中的保護(hù)和合金化作用，使焊縫金屬的力學(xué)性能一般不低于母材。①加熱溫度：1490~1530℃，液相線和固相線之間，只有部分金屬熔化，故又稱半熔化區(qū)。

②寬度：0.1～0.4㎜③組織：由部分鑄態(tài)組織和晶粒粗大的過熱組織組成。④性能：化學(xué)成分、組織和物理性能不均勻，塑性、韌性很差，是焊接接頭的薄弱部位，很容易成為裂紋及局部脆斷的發(fā)源地。2．熔合區(qū)的組織與性能3．熱影響區(qū)的組織和性能（低碳鋼）（1）過熱區(qū)①溫度：固相線至1100℃②寬度：1~3㎜。③組織：由于加熱溫度高，奧氏體晶粒顯著長(zhǎng)大，冷卻后得到晶粒粗大的過熱組織④性能：塑性、韌性明顯下降。焊接剛度大的結(jié)構(gòu)時(shí)，易在此區(qū)產(chǎn)生裂紋，是焊接接頭的薄弱部位。（2）正火區(qū)①溫度：在1100℃至Ac3之間，②寬度：約1.2～4.0㎜。③組織：由于母材金屬被加熱到AC3以上的部位，鐵素體和珠光體全部轉(zhuǎn)化為奧氏體，發(fā)生重結(jié)晶，隨后在空氣中冷卻得到均勻細(xì)小的珠光體和鐵素體，相當(dāng)于熱處理時(shí)的正火組織。④性能：塑性韌性都比較好，力學(xué)性能優(yōu)于母材。①溫度：在Ac3至Ac1之間，②組織：只有部分組織發(fā)生了相變重結(jié)晶，冷卻下來成為晶粒細(xì)小的鐵素體和珠光體，而另一部分始終沒能溶入奧氏體的鐵素體就成為粗大的鐵素體，因此晶粒大小不均勻。③性能：組織不均勻?qū)е聶C(jī)械性能不均勻。（3）部分相變區(qū)（不完全重結(jié)晶區(qū)）七、幾個(gè)基本概念（1）母材金屬、（2）填充金屬、（3）熔敷金屬、（4）保護(hù)套筒（5）熔滴、（6）熔池、（7）溶渣、（8）渣殼、（9）焊縫一、氫對(duì)金屬的作用及控制（一）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

對(duì)于大多數(shù)金屬，氫是有害的，它是造成低合金高強(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?！?.2焊縫金屬中的氣體雜質(zhì)—H、N、O（二）氫對(duì)焊接質(zhì)量的影響氫的有害作用可分為兩種：暫態(tài)現(xiàn)象－氫脆、白點(diǎn)，經(jīng)時(shí)效、熱處理可消除永久現(xiàn)象－氣孔、冷裂紋，不可消除1．氫脆（氫致塑性損失）（1）定義：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。（2）產(chǎn)生機(jī)理：由溶解在金屬晶格中的氫引起拉伸

位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、堆積

空腔

H擴(kuò)散

聚集空腔

H+H→H2

壓力

變脆（3）影響因素：含氫量、試驗(yàn)溫度和變形速度、焊縫金屬組織氫脆只有在處于室溫下、靜載拉伸或靜載彎曲條件下含氫量較高的焊縫中才會(huì)出現(xiàn)。

焊縫金屬經(jīng)過去氫處理，其塑性可以恢復(fù)2．白點(diǎn)（魚眼）（1）定義：室溫下的氫脆現(xiàn)象，在拉伸或彎曲試件斷面上出現(xiàn)的銀白色圓形斑點(diǎn)中心處有氣孔或小的夾渣，也稱“魚眼”。（2）產(chǎn)生原因：白點(diǎn)是在塑性變形階段產(chǎn)生的。“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，引起金屬脆化。（3）影響因素：含氫量、金屬的組織和變形速度。3．氫氣孔：金屬結(jié)晶時(shí)氫的溶解度突降所致。4．裂紋（三）控制措施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)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)；

在藥皮和焊劑中加入氟化物—HF奪氫控制焊接材料的氧化還原勢(shì)—OH奪氫

（HF和OH不溶于液態(tài)鋼中，比H2和H2O穩(wěn)定，不易分解出H）2．冶金處理（1）提高氣相的氧化性（OH奪H）

CO2+H=CO+OHO+H=OHO2+H2=2OH

（2）氟化物除氫（HF奪H）

②CaF2—SiO2聯(lián)合去氫（針對(duì)酸性熔煉焊劑）

2CaF2+3SiO2=SiF4氣+2CaSiO3SiF4+2H2O氣=SiO2氣+4HF↑SiF4+3H=SiF氣+3HF↑（3）藥芯或藥皮中加入微量稀土元素：與氫親和力大①CaF2直接去氫CaF2+H2O氣=CaO氣+2HF↑CaF2+2H=Ca氣+2HF↑③氟化鈣、CO2共存，水玻璃參與反應(yīng)（針對(duì)堿性焊條）Na2O.nSiO2+H2O=2NaOH+nSiO22NaOH+CaF2=Ca(OH)2+2NaF2NaF+H2O+CO2=Na2CO3+2HF↑3．工藝措施③電流的種類和極性見圖2-7，直流反接（試件接負(fù)極，焊把接正極）氫量最少，交流最多。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]↑氣保護(hù)焊時(shí)，若I>I臨，熔滴實(shí)現(xiàn)射流過渡，由于熔滴與H作用時(shí)間變短，所以[H]下降。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4．焊后脫氫處理：焊后加熱焊件，促使氫擴(kuò)散外逸

焊后脫氫處理對(duì)焊縫含氫量的影響對(duì)氫的控制總原則：首先限制氫和水份的來源；其次防止氫溶入金屬；最后對(duì)含氫金屬進(jìn)行脫氫處理。（一）氮對(duì)焊接質(zhì)量的影響

1．形成氮?dú)饪滓簯B(tài)金屬在高溫時(shí)可以溶解大量的氮，而在其凝固時(shí)氮的溶解度突然下降。這時(shí)過飽和的氮以氣泡的形式從熔池中向外逸出，當(dāng)焊縫金屬的結(jié)晶速度大于外逸速度時(shí)，就形成氣孔。

2．降低機(jī)械性能－強(qiáng)度、硬度↑，塑性和韌性↓，低溫韌性↓↓以針狀氮化物（Fe4N）的形式析出于晶界或晶內(nèi)，F(xiàn)e4N本身硬而脆3．產(chǎn)生時(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。二．氮對(duì)金屬的作用及控制（二）控制措施1．加強(qiáng)保護(hù)，防止空氣與液態(tài)金屬接觸（主要措施）2．工藝措施①采用短弧焊——電弧越短，熔滴在落入熔池過程中與氮的接觸時(shí)間越短。②增大焊接電流——電流增大，熔滴過渡頻率增加，熔滴與氮的接觸時(shí)間變短。③采用直流反接——直流反接時(shí)，焊接區(qū)溫度較低，氮的溶解度小。3．冶金措施①增加焊絲或藥皮中的碳含量降低氮在鋼中的溶解度碳氧化生成CO、CO2可加強(qiáng)保護(hù)作用碳氧化所引起的熔池沸騰有利于氮的逸出②加入鈦、鋁、鋯和稀土等與氮親和力大的合金元素形成穩(wěn)定的氮化物，而且它們不溶于液態(tài)鋼而進(jìn)入熔渣對(duì)氧的親和力大，可減少氣相中NO的含量（一）氧的來源（1）弧氣中的氧化性氣體O2、CO2和水蒸氣（2）氧化性熔渣（含F(xiàn)eO、MnO、SiO2）；（3）焊絲、工件表面的氧化鐵（Fe3O4）和鐵銹（Fe2O3

）；三．氧對(duì)金屬的作用及控制硅酸鹽夾雜對(duì)碳鋼焊縫沖擊韌性的影響含夾雜物：1—0.028-0.030%;2—0.034-0.053%;3—0.104-0.110%;4—0.196%

氧（以FeO形式存在）對(duì)低碳鋼焊縫常溫力學(xué)性能的影響（二）氧對(duì)焊接質(zhì)量的影響

1．降低焊縫的力學(xué)性能

[O]↑→強(qiáng)度、塑性、韌性↓，尤其低溫沖擊韌性↓↓2．使焊縫中有益的合金元素?zé)龘p，造成飛濺和CO氣孔3．降低焊縫導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、耐蝕性等物化性能（三）氧的控制措施

1．嚴(yán)格限制氧的來源（純化焊接材料，加強(qiáng)保護(hù)，清潔母材）2．選擇正確的焊接規(guī)范——短弧焊3．冶金脫氧——在焊接材料中加入脫氧劑（1）錳脫氧：[Mn]+[FeO]=(MnO)+[Fe]（酸性焊條可用錳鐵作脫氧劑；堿性焊條不能單獨(dú)使用）（2）硅脫氧：[Si]+2[FeO]=(SiO2)+2[Fe]（一般不單獨(dú)使用）（3）硅錳聯(lián)合脫氧：廣泛采用，產(chǎn)物MnO·SiO2，熔點(diǎn)低、密度小、容易聚合長(zhǎng)大進(jìn)入渣中。3.3硫、磷對(duì)焊縫金屬的作用和控制

（2）降低焊縫的韌性，促使冷脆、熱脆和層狀撕裂，對(duì)低合金高強(qiáng)鋼還可能是造成冷裂的起源。Fe+FeS(熔點(diǎn)為985℃)；FeS+FeO(熔點(diǎn)為940℃)NiS+Ni(熔點(diǎn)644℃)（一）硫的危害與控制

1．存在形式：主要以FeS和MnS的形式存在

2．危害：（1）促使金屬熱裂；原因：低熔共晶物呈液態(tài)薄膜形式分布于晶界，割裂了晶粒間的聯(lián)系。

3．控制措施－以“限”為主（1）限制硫的來源－母材、焊絲、藥皮或焊劑（2）冶金脫硫

①元素脫硫：[FeS]+[Mn]=(MnS)+[Fe]，放熱反應(yīng)，脫硫效果差

②熔渣脫硫：

[FeS]+(MnO)=(MnS)+(FeO)[FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO)[FeS]+(MgO)=(MgS)+(FeO)

吸熱反應(yīng)，效果比元素脫硫好的多，但依然有限

③稀土脫硫：

1）脫硫；

2）改變硫化物夾雜的尺寸、形態(tài)和分布，尺寸大、呈片狀層狀分布→細(xì)小均勻的點(diǎn)狀分布1．存在形式：以Fe2P和Fe3P為主

2．危害①促使金屬熱裂：磷化鐵與鐵和鎳形成低熔點(diǎn)共晶

Fe3P+Fe（1050℃）Ni3P+Fe（880℃）碳的存在將促使磷的偏析，使熱裂趨向加劇。②促使金屬冷脆：磷化鐵本身硬而脆→冷脆（二）磷的危害與控制3．控制措施－以“限”為主

焊接時(shí)的冶金脫磷措施基本無效，根本措施是嚴(yán)格限制原材料中的含磷量。（1）嚴(yán)格限制母材、填充金屬、藥皮和焊劑中的含磷量。

（2）冶金脫磷2[Fe3P]+5(FeO)+3(CaO)→((CaO)3·P2O5)+11[Fe]

（放熱反應(yīng)）§3.4焊縫中的氣孔一、氣孔的類型及危害1．氣孔的類型（1）按氣孔的分布特點(diǎn)：外氣孔和內(nèi)氣孔（2）按氣孔生成的氣體來源：氫氣孔、氮?dú)饪?、CO氣孔和金屬蒸氣孔2．危害（1）影響焊縫的致密性（2）減小焊縫的有效截面（3）產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋（4）氣孔數(shù)量多，會(huì)顯著降低焊縫的塑韌性和疲勞強(qiáng)度二、氣孔的形貌與形成原因1．氫氣孔（1）形貌特征：多出現(xiàn)在焊縫表面，氣孔斷面如螺釘，表面呈喇叭口形，內(nèi)壁光滑；個(gè)別殘存在內(nèi)部，以小圓球狀存在（2）原因：冷卻和結(jié)晶過程中，氫的溶解度發(fā)生了急劇下降，來不及逸出而形成2．氮?dú)饪祝?）形貌特征：多出現(xiàn)在焊縫表面，多數(shù)成堆出現(xiàn)，和蜂窩相似（2）原因：保護(hù)不好，有較多的空氣侵入熔池造成3．CO氣孔（1）形貌特征：沿結(jié)晶方向分布，象條蟲子臥在焊縫內(nèi)部，內(nèi)壁有氧化色彩（2）原因：冶金反應(yīng)產(chǎn)生大量的CO，在結(jié)晶過程中來不及逸出焊縫中的氣孔氫氣孔特征

CO氣孔特征

四、影響氣孔產(chǎn)生的因素及防止措施（一）影響因素1．冶金因素的影響（1）熔渣氧化性的影響熔渣氧化性↑→CO氣孔↑；熔渣氧化性↓→H2氣孔↑（2）焊條藥皮和焊劑的影響堿性焊條：CaF2去氫；酸性焊條：活性氧化物去氫焊劑：可同時(shí)存在CaF2和活性氧化物（3）焊絲成分

氣體保護(hù)焊時(shí)，焊絲必須含一定量的脫氧劑，且脫氧劑與氧的親和力還必須大于氫與氧的親和力，以免形成H2O氣孔（4）保護(hù)氣成分焊接鋁、鎂及其合金時(shí)，加氧化性氣體防氫氣孔（5）鐵銹和水分對(duì)產(chǎn)生氣孔的影響

mFe2O3·nH2O→CO、氫兩類氣孔敏感性↑2．工藝因素的影響（1）焊接規(guī)范的影響①