合金元素對焊接性的影響

1、如何評價合金元素對低合金鋼焊接性的影響1、碳（C）：鋼中含碳量增加，屈服點和抗拉強度升高，但塑性和沖擊性降低，當(dāng)碳量0.23%超過時，鋼的焊接性能變壞，因此用于焊接的低合金結(jié)構(gòu)鋼，含碳量一般不超過0.20%。碳量高還會降低鋼的耐大氣腐蝕能力，在露天料場的高碳鋼就易銹蝕；此外，碳能增加鋼的冷脆性和時效敏感性。 2、硅（SI）：在煉鋼過程中加硅作為還原劑和脫氧劑，所以鎮(zhèn)靜鋼含有0.150.30%的硅。如果鋼中含硅量超過0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能顯著提高鋼的彈性極限，屈服點和抗拉強度，故廣泛用于作彈簧鋼。在調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼中加入1.01.2%的硅，強度可提高1520%。硅和鉬、鎢、鉻等結(jié)合

2、，有提高抗腐蝕性和抗氧化的作用，可制造耐熱鋼。含硅14%的低碳鋼，具有極高的導(dǎo)磁率，用于電器工業(yè)做矽鋼片。硅量增加，會降低鋼的焊接性能。 3、錳（MN）：在煉鋼過程中，錳是良好的脫氧劑和脫硫劑，一般鋼中含錳0.300.50%。在碳素鋼中加入0.70%以上時就算“錳鋼”，較一般鋼量的鋼不但有足夠的韌性，且有較高的強度和硬度，提高鋼的淬性，改善鋼的熱加工性能，如16MN鋼比A3屈服點高40%。含錳1114%的鋼有極高的耐磨性，用于挖土機鏟斗，球磨機襯板等。錳量增高，減弱鋼的抗腐蝕能力，降低焊接性能。 4、磷（P）：在一般情況下，磷是鋼中有害元素，增加鋼的冷脆性，使焊接性能變壞，降低塑性，使冷彎性能

3、變壞。因此通常要求鋼中含磷量小于0.045%，優(yōu)質(zhì)鋼要求更低些。 5、硫（S）：硫在通常情況下也是有害元素。使鋼產(chǎn)生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時造成裂紋。硫?qū)附有阅芤膊焕档湍透g性。所以通常要求硫含量小于0.055%，優(yōu)質(zhì)鋼要求小于0.040%。在鋼中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常稱易切削鋼。 6、鉻（CR）：在結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼中，鉻能顯著提高強度、硬度和耐磨性，但同時降低塑性和韌性。鉻又能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性，因而是不銹鋼，耐熱鋼的重要合金元素。 7、鎳(NI：鎳能提高鋼的強度，而又保持良好的塑性和韌性。鎳對酸堿有較高的耐腐蝕能力，在高溫下有

4、防銹和耐熱能力。但由于鎳是較稀缺的資源，故應(yīng)盡量采用其他合金元素代用鎳鉻鋼。 8、 鉬(MO：鉬能使鋼的晶粒細化，提高淬透性和熱強性能，在高溫時保持足夠的強度和抗蠕變能力(長期在高溫下受到應(yīng)力，發(fā)生變形，稱蠕變。結(jié)構(gòu)鋼中加入鉬，能提高機械性能。 還可以抑制合金鋼由于火而引起的脆性。在工具鋼中可提高紅性。 9、鈦(TI：鈦是鋼中強脫氧劑。它能使鋼的內(nèi)部組織致密，細化晶粒力；降低時效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在鉻18鎳9奧氏體不銹鋼中加入適當(dāng)?shù)拟?，可避免晶間腐蝕。 10、釩(V：釩是鋼的優(yōu)良脫氧劑。鋼中加0.5%的釩可細化組織晶粒，提高強度和韌性。釩與碳形成的碳化物，在高溫高壓下可提高抗氫腐蝕

5、能力。 11、鎢(W：鎢熔點高，比重大，是貴生的合金元素。鎢與碳形成碳化鎢有很高的硬度和耐磨性。在工具鋼加鎢，可顯著提高紅硬性和熱強性，作切削工具及鍛模具用。 12、鈮(NB：鈮能細化晶粒和降低鋼的過熱敏感性及回火脆性，提高強度，但塑性和韌性有所下降。在普通低合金鋼中加鈮，可提高抗大氣腐蝕及高溫下抗氫、氮、氨腐蝕能力。鈮可改善焊接性能。在奧氏體不銹鋼中加鈮，可防止晶間腐蝕現(xiàn)象。 13、鈷(CO：鈷是稀有的貴重金屬，多用于特殊鋼和合金中，如熱強鋼和磁性材料。 14、銅(CU：武鋼用大冶礦石所煉的鋼，往往含有銅。銅能提高強度和韌性，特別是大氣腐蝕性能。缺點是在熱加工時容易產(chǎn)生熱脆，銅含量超過0.5

6、%塑性顯著降低。當(dāng)銅含量小于0.50%對焊接性無影響。 15、鋁(AL：鋁是鋼中常用的脫氧劑。鋼中加入少量的鋁，可細化晶粒，提高沖擊韌性，如作深沖薄板的08AL鋼。鋁還具有抗氧化性和抗腐蝕性能，鋁與鉻、硅合用，可顯著提高鋼的高溫不起皮性能和耐高溫腐蝕的能力。鋁的缺點是影響鋼的熱加工性能、焊接性能和切削加工性能。 16、硼(B：鋼中加入微量的硼就可改善鋼的致密性和熱軋性能，提高強度。 17、氮(N:氮能提高鋼的強度，低溫韌性和焊接性，增加時效敏感性。 18、稀土(XT：稀土元素是指元素周期表中原子序數(shù)為57-71的15個鑭系元素。這些元素都是金屬，但他們的氧化物很象“土”，所以習(xí)慣上稱稀土。鋼中

7、加入稀土，可以改變鋼中夾雜物的組成、形態(tài)、分布和性質(zhì)，從而改善了鋼的各種性能，如韌性、焊接性，冷加工性能。在犁鏵鋼中加入稀土，可提高耐第三單元 焊接冶金學(xué)習(xí)目標(biāo)：焊接冶金主要研究在各種焊接工藝條件下，冶金反應(yīng)和焊縫金屬成分、性能之間的關(guān)系及其變化規(guī)律。通過本單元的學(xué)習(xí)，了解焊接冶金的特點及作用、焊接冶金對焊接接頭組織和性能的影響，熟悉焊接冶金過程的一般規(guī)律，掌握各種有害元素對焊縫金屬的作用及控制方法。綜合知識模塊一 焊接冶金的特點能力知識點1 焊接時焊縫金屬的保護焊接過程中對焊縫金屬的保護效果將影響到焊接焊接化學(xué)冶金過程中的冶金反應(yīng)，從而影響焊縫金屬的組織和性能。下面將介紹焊接過程中保護焊縫金

8、屬的必要性、保護方式和效果及其對焊縫金屬性能的影響。1. 保護焊縫金屬的必要性如果電弧焊時采用光焊絲進行焊接，電弧電弧燃燒的穩(wěn)定性將變差、焊條易粘鋼板，操作困難，焊條的工藝性能不好。即使用直流電源焊接，電弧仍然很不穩(wěn)定，且飛濺嚴重，因而焊縫成型很差，并有很多的氣孔。同時焊縫金屬的成分和性能與母材和焊絲比較，發(fā)生了很大的變化。由于融化金屬和它周圍的空氣激烈地相互作用，使焊縫中的氧與氮的含量大大增加，有益的元素Mn、Si大大減小，力學(xué)性能亦隨之惡化，塑性和韌性急劇下降，見表3-1、表3-2。表 3-1 用不同焊條焊接時低碳鋼焊縫的化學(xué)成分分析對象化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）WCWsiWMnWNWOWH

9、焊芯0.130.070.660.0050.0210.0001低碳鋼母材0.200.180.440.0040.0030.0005焊縫金屬用光焊絲0.030.020.200.140.210.0001用酸性焊條0.060.070.360.0130.0990.0009用堿性焊條0.070.230.430.0260.0510.0005表 3-2 用光焊絲焊接時低碳鋼焊縫金屬的性能性能金屬母材焊縫抗拉強度b/MPa390400324390伸長率（%）2530510冷彎角（。）1802040沖擊韌度K/（Jcm-2）1474.924.5上述一一系列現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于用光焊絲焊接時，熔化金屬與空氣直接接觸，

10、在高溫下熔化的金屬與侵入到焊縫金屬中的氧、氮等發(fā)生了激烈的反應(yīng)所造成的。因此，用光焊絲焊接的焊接結(jié)構(gòu)的性能不能滿足使用的要求，而沒有任何的實用價值。2. 保護方式及效果各種焊接方法其焊縫金屬的保護方式不同。每種保護方式也各有其特點和效果。焊條電弧焊和要新焊絲的焊接是利用焊條藥皮和焊絲藥劑中的造渣劑、造氣劑、鐵合金等來實現(xiàn)對焊縫金屬的保護。這些物質(zhì)熔化以后形成的熔渣覆蓋在熔滴和熔池的表面上，從而將焊縫金屬與空氣隔開。熔渣凝固后，在焊縫上面形成渣殼，可以防止處于高溫的焊縫金屬與空氣接觸。同時造氣劑（主要是有機物、碳酸鹽等）受熱分解，析出大量氣體，這些氣體在藥皮套筒中被電弧加熱膨脹，從而形成定向氣流

11、吹向熔池，對焊接區(qū)域?qū)崿F(xiàn)保護的過程，焊縫金屬的保護效果一般用焊縫金屬中的氮含量來衡量。目前，大多數(shù)牌號的焊條，可保護焊縫中氮的質(zhì)量分數(shù)在0.010%0.014%之間（低碳鋼板為0.004%），證明對焊縫金屬的保護是可靠的，各種焊接方法的保護方式見表 3-3。表 3-3 各種焊接方法的保護方式保護方式焊接方法熔渣保護埋弧焊、電渣焊、不含造氣物質(zhì)的焊條或藥芯焊絲焊接氣體保護在惰性氣體或其他氣體（如CO2、混合氣體）保護中焊接、氣焊氣渣聯(lián)合保護具有造氣物質(zhì)的焊條或藥芯焊絲焊接真空真空電子束焊接自保護用含有氧、脫氮劑的“自保護”焊絲進行焊接埋弧焊是指利用焊機熔化以后形成的熔渣隔離空氣保護焊縫金屬的。在

12、焊接過程中，電弧在焊劑層下利用熔化的焊劑所圍成的封閉的空腔內(nèi)燃燒，焊劑的保護取決于焊劑的粒度和結(jié)構(gòu)。焊縫金屬中的氮的質(zhì)量分數(shù)一般為0.002%0.007%，保護效果優(yōu)于焊條。氣體保護的焊接方式是利用包圍在焊接區(qū)域的氣體將焊縫金屬與空氣隔離開，其保護效果取決于氣體的純度、焊炬的結(jié)構(gòu)、氣體的特性等因素。一般來說。這種保護效果是比較好的，適用于各個位置和各種金屬材料的焊接。真空電子束焊是在真空度高于0.01Pa（10-4Torr）的真空室內(nèi)進行焊接的，保護效果最好，可以把氮、氧的有害作用降到最低限度。自保護焊是利用含有脫氧劑和脫氮劑的特質(zhì)光焊絲在空氣中進行焊接的一種方法，焊接時，焊絲中的脫氧劑和脫氮

13、劑進入進入熔池進行脫氧、脫氮。自保護焊絲的保護效果較差，焊縫金屬的塑性和韌性偏低，所以目前在生產(chǎn)中很少使用。目前關(guān)于隔離空氣的問題已基本解決。但是僅僅機械地報復(fù)融化金屬，在有些情況下仍然無法得到合格的焊縫成分。如在很多情況下焊條藥皮或焊劑對金屬有著不同的氧化作用，而使焊縫中的氧含量增加；有些情況下還要求對焊縫的化學(xué)成分進行必要的調(diào)整。因此，在機械保護的同時，還需要對熔化的金屬進行必要的冶金處理，即通過調(diào)整焊接材料的成分和性能來控制冶金反應(yīng)的進行，從而獲得預(yù)期的焊縫成分。能力知識點2 焊接冶金反應(yīng)區(qū)的特點焊接化學(xué)冶金反應(yīng)的重要特點之一是：反應(yīng)是分區(qū)域（或階段）連續(xù)進行的，且各區(qū)的反應(yīng)條件（反應(yīng)物

14、的性質(zhì)和濃度、溫度、反應(yīng)時間、相接觸的面積、對流和攪拌運動等）有較大的差異，這就會影響到反應(yīng)進行的可行性、方向、速度和限度。電弧焊時，一般在反應(yīng)區(qū)內(nèi)有三個相互作用的相-熔化金屬、熔渣和電弧氣氛。不同的焊接方法，參加反應(yīng)的相是不同的。焊條電弧時三個反應(yīng)相都存在。因此焊條電弧焊時。只有熔滴反應(yīng)區(qū)；熔化極氣體保護焊時，只有熔滴反應(yīng)和熔池反應(yīng)區(qū)。不加填充金屬的氣焊、鎢極氬弧焊和電子束則只有熔池反應(yīng)區(qū)?，F(xiàn)以焊條電弧焊為例，說明各個反應(yīng)區(qū)的特點及相互聯(lián)系。三個反應(yīng)區(qū)的劃分如圖 3-1所示。圖3-1 焊接冶金反應(yīng)區(qū)的特性1. 藥皮反應(yīng)區(qū)的特點藥皮反應(yīng)區(qū)的溫度范圍從100C至藥皮的熔點（鋼焊條約為1200C）

15、。當(dāng)藥皮加熱溫度達到C時，焊條端部的固態(tài)藥皮中就開始發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，主要是水分的蒸發(fā)、某些物質(zhì)的分解和鐵合金的氧化。藥皮加熱溫度超多100C時，藥皮中的吸附水文開始蒸發(fā)；溫度超過200C時如果藥皮中含有機物（木粉、纖維素、淀粉）時，有機物開始分解，析出CO2和H2等氣體；溫度超過300C時藥皮內(nèi)的組成物中的結(jié)晶水開始蒸發(fā)。溫度繼續(xù)升高，藥皮中的碳酸鹽將分解為低價氧化物，伴隨產(chǎn)生大量的CO2和O2。其反應(yīng)式為MgCO3MgO+CO2CaCO3CaO+CO22MnO22MnO+O22Fe2O34FeO+O2上述反應(yīng)析出的大量氣體（HO2、CO2、O2）,一方面對熔化金屬起到機械保護的作用，另一方

16、面對金屬和藥皮中的鐵合金（如猛鐵、硅鐵、鈦鐵等）有很大的氧化作用，將合金元素氧化。例如：Mn+1/2O2=MnOMn+CO2=MnO+COMn+H2O=MnO+H2上述反應(yīng)的結(jié)果使氣相的氧化性大大下降。這個過程即是所謂的“先期脫氧”。先期脫氧將明顯改變焊接去氣氛的性質(zhì)。幾種類型焊條的焊接區(qū)氣氛的組成數(shù)據(jù)見表3-4，這是在高溫時抽樣而在常溫下分析的結(jié)果雖然與高溫的實際情況有所出入，但大體可以反應(yīng)焊接區(qū)高溫時氣氛的性質(zhì)。藥皮反應(yīng)區(qū)進行的反應(yīng)屬于整個冶金過程的準備階段，其產(chǎn)物就是熔滴與熔池反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)物，故對冶金全過程有一定的影響。焊條電弧焊時參加冶金反應(yīng)的氣體，大部分是這個階段產(chǎn)生的。表 3-4

17、幾種類型的焊接區(qū)氣氛組成（體積分數(shù)）分析示例(%藥皮類型COCO2H2H2O鈦鈣型鈦鐵礦型低氫型50.748.179.85.94.816.937.736.61.85.710.51.5注：焊條烘干110C2h。2. 熔滴反應(yīng)區(qū)的特點從熔滴形成、長大，到過渡到熔池之前都屬于熔滴反應(yīng)區(qū)。熔滴反應(yīng)區(qū)除了液體金屬外，充滿了藥皮反應(yīng)區(qū)分解的氣體與可能參入的少量空氣。同時，一部分熔化的藥皮包圍在熔滴表面并與熔滴金屬混合，隨熔滴一起過渡。熔滴反應(yīng)區(qū)的特點如下：1熔滴的溫度過高，熔滴反應(yīng)區(qū)是焊接區(qū)溫度最高的部分，如鋼質(zhì)焊條熔滴金屬的溫度可接近鋼的沸點（約為2800C）；2熔滴表面積大，因而與氣相、熔渣相的接觸面

18、積大；3作用時間短，熔滴在焊條末端停留的時間只有0.010.1s，而通過弧柱區(qū)的時間更短，只有0.00010.001s，熔滴反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)主要在焊條端部進行；4液體金屬與熔渣發(fā)生強烈的混合。熔滴在形成、長大和過渡時，尺寸與形狀不斷改變，其局部表面被拉長或收縮。根據(jù)以上的特點可以看出，熔滴反應(yīng)區(qū)是焊接冶金反應(yīng)最為激烈的部位，主要是的物理化學(xué)反應(yīng)有：金屬的蒸發(fā)，氣體的分解與溶解，熔渣中某些氧化物的分解，金屬的氧化、還原以及金屬的合金化等。其中很多反應(yīng)幾乎可以達到很完全的程度，對焊縫的成分影響最大。3. 熔池反應(yīng)區(qū)的特點熔池反應(yīng)區(qū)對焊縫金屬的化學(xué)成分具有決定性的作用。與熔滴反應(yīng)區(qū)相比，二者反應(yīng)條件有較

19、大的差異。熔池的平均溫度較低，比表面積也比熔池小得多，而反應(yīng)的時間較長，如焊條電弧焊為38s，埋弧焊為625s。熔滴進入熔池后，即熔化的母材混合并一起向熔池的尾部和四周運動。不僅熔池內(nèi)部有相對運動，而且在熔渣與金屬之間也有相對運動，這些對提高反應(yīng)速度、促使一些不溶于液體金屬的氣體和夾渣的浮出都是有利的。如前所述，熔池的頭部和尾部分別處于升溫和降溫的過程。因此，同一時間，在熔池頭、尾部則可能分別發(fā)生相反的冶金反應(yīng)過程。如熔池頭部有利于氣體的溶解、吸熱還原反應(yīng)的進行、而尾部則有利于氣體的析出、放熱的氧化反應(yīng)的進行。見表3-5所示為幾種常見元素的損失情況。表 3-5 合金元素在不同階段的損失藥皮元素

20、元素損失占原始含量的百分比（%）總損失量熔滴中損失量熔滴中損失量赤鐵礦Kb=0.5CMnSi87.59798.3809798.37.500大理石80%氟石20%Kb=0.27CMnSi4047.2753029.247.5101827.5能力知識點3 焊接參數(shù)對焊接冶金的影響焊接冶金過程的另一個特點是它與焊接參數(shù)有密切的聯(lián)系。實際生產(chǎn)中，由于母材成分、產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸、接頭形式、焊縫分布等條件不同，焊接參數(shù)將在很大范圍內(nèi)變化，而這些變化將從以下幾方面對焊接冶金過程發(fā)生影響。1. 焊接參數(shù)對熔合比的影響一般熔焊時，焊接金屬是有填充金屬（焊條金屬、焊絲等）和局部熔化的母材組成的。在焊縫金屬中局部熔化的

21、母材所占的比例稱為熔合比，熔合比是數(shù)值可以用實驗的方法來測得。熔合比的數(shù)值取決于焊接方法、規(guī)范、接頭形式、坡口角度、藥皮皮和焊劑的性質(zhì)以及焊條（焊絲）的傾角等因素。熔合比與焊縫金屬中某合金元素B的質(zhì)量分數(shù)之間的關(guān)系可表示為wB=bB+（1-）dB (3-1式中 wB-某元素B在焊縫中的質(zhì)量分數(shù)；bB-某元素B在母材中的原始質(zhì)量分為；dB-熔敷金屬中某元素B的質(zhì)量分數(shù)；-焊縫金屬中的熔合比。由上式可以看出，通過改變?nèi)酆媳瓤梢愿淖兒缚p金屬的化學(xué)成分。而熔合比隨焊接參數(shù)變化。一般來說，值隨焊接電流的增加而增加，隨電弧電壓、焊接速度的增加而減小。例如堆焊時，總是調(diào)整焊接參數(shù)使熔合比盡可能地小，一減少母

22、材成分對堆焊層性能的影響。在焊接異種鋼時，熔合比對焊縫成分和性能影響更大，因此要根據(jù)熔合比選擇焊接材料。2. 焊接參數(shù)影響冶金反應(yīng)的條件和作用時間首先，焊接參數(shù)對過渡特性有影響，熔滴過渡形式不同，其主要的特性參數(shù)將不同，從而使其比表面積、過渡周期（或頻率）發(fā)生改變，引起冶金反應(yīng)程度的變化。實驗表明，熔滴階段的反應(yīng)時間（熔滴存在的時間）隨著電流的增加而變短，隨著電弧電壓的增加而變長。因此可以斷定反應(yīng)進行的完全程度將隨著電流的增加而減小，隨著電弧電壓的增加而增大。3. 焊接參數(shù)影響參加冶金反應(yīng)的熔渣量焊條電弧焊時，藥皮質(zhì)量系數(shù)與焊接參數(shù)無關(guān)，焊接參數(shù)的變化只是改變了熔滴過渡的特性和熔合比，因此，對

23、焊縫成分的影響相對比較小。埋弧焊時，焊接參數(shù)可以在很寬的范圍內(nèi)變化，這不僅時熔滴過渡的特性和熔合比有很大的變化，而且使焊劑的熔化率發(fā)生和熔合比有很大的變化。例如，增加焊接電流使焊劑熔化率減小，而增加電弧電壓使其顯著增大。熔化率的變化意味著與金屬互相作用的熔渣質(zhì)量是波動的。因此，埋弧焊時焊接參數(shù)對焊縫成分的影響就更大。綜合知識模塊二 氣相對焊縫金屬的作用能力知識點1 焊接區(qū)內(nèi)的氣體在焊接過程中，焊接內(nèi)充滿大量的氣體，這些氣體不斷的與人的熔滴金屬、熔池金屬發(fā)生冶金反應(yīng)，從而影響焊縫金屬的成分和性能。因此必須首先了解焊接區(qū)內(nèi)氣體的來源、成分和數(shù)量，才能進一步研究它們與熔化金屬的與哦用問題。焊接區(qū)內(nèi)的

24、氣體來源于以下幾個方面。1. 焊接材料焊條藥皮、焊劑和焊絲藥芯中含有的造氣劑、高價氧化物和水分都是氣體的重要來源。這些造氣劑和高價氧化物在加熱時發(fā)生分解或燃燒，析出大量氣體.氣體保護的電弧焊時，焊接區(qū)內(nèi)的氣體主要來源自所采用的保護氣體及其雜質(zhì)（如氧、氮、水氣等）。在一般的情況下，母材和焊絲中因冶煉而殘留的氣體是很少的，對氣相的成分影響不大。2. 熱源周圍的氣體介質(zhì)藥皮或焊劑中的造氣劑所產(chǎn)生的氣體并不能完全隔熱源周圍空氣的入侵。焊接過程中因某些因素的變化而使得焊接時的保護效果變差，空氣也有可能空氣也有可能進入都焊縫金屬中。焊條電弧焊時，堆焊金屬中常含有質(zhì)量分數(shù)大約為0.025%的氮（空氣是氮的主

25、要來源）就證明了這一點。3. 焊絲和母材表面上的雜質(zhì)如焊絲表面上和母材坡口附件的鐵皮、油污、鐵銹、油漆、吸附的水分等，在焊接高溫加熱時也會析出氣體進入電弧區(qū)。4. 高溫蒸發(fā)所產(chǎn)生的氣體電弧區(qū)的溫度很高，達到了金屬和熔渣的沸點，使部分金屬和熔渣蒸發(fā)，以氣體的形式存在于電弧的氣相中。焊接時，氣相的成分、數(shù)量隨焊接方法、規(guī)范、藥皮或焊劑的種類不同而變化（見表3-4）。用酸性焊條焊接時，氣相的主要成分是CO、H2、H2O，此外還含有少量的CO2、O2、N2和金屬蒸氣。低碳型焊條焊接時，氣相的主要成分是由CO、CO2組成的，含H2O、H2很少。埋弧自動焊時，氣相的主要成分是CO和H2，而O2、N2、H2

26、很少。進入焊接區(qū)內(nèi)的氣體，在電弧的高溫作用下還將發(fā)生分解，其中某些氣體還能發(fā)生電離。如前所示，焊接區(qū)內(nèi)的氣體是由CO、H2、H2O、CO2和少量的氮，這些氣體在高溫時將分解出一定的氧，以及他們分解或電離的產(chǎn)物所組成的混合物。下面主要討論氫、氮、氧三種氣體對金屬的作用，它們與金屬的作用對焊縫質(zhì)量的影響極大。能力知識點2 氫對金屬的作用及其控制焊接時，氫主要來源于焊條藥皮、焊接、焊絲藥芯中的水分，藥皮中的有機物，焊件和焊絲表面上的雜質(zhì)（如鐵銹、油污），空氣中的水分等。在氣體保護焊時，還來自保護氣體中的水分。1. 氫在金屬中的溶解水蒸汽不溶解于液體鐵中，但在焊接高溫條件下將分解為H2和O2，H2分子

27、進一步分解為氫原子和氫離子。H2=2H-432.9kJ/molH2=H+H+e+-1745kJ/mol從分解的熱效應(yīng)來看，分子氫分解為原子氫的可能性比分解為質(zhì)子氫的可能性大，也就是說，氣相中質(zhì)子的數(shù)量不大。在弧柱中（溫度5000k），氫主要以原子狀態(tài)存在，其分解度90%；而在低于2000k的區(qū)域，它的分解度很小主要以分子狀態(tài)存在。氫向金屬中溶解的機理在不同的情況下是不同的。在氣體保護時，氫可以直接在金屬的表面上以原子或質(zhì)子的形式溶入金屬。在具有熔渣保護時，氫向金屬中溶解是通過熔渣層進行的。在熔渣保護的條件下，熔渣本身具有一定的溶解氫的能力，溶解在熔渣中的氫大部分以O(shè)H-與Fe2+通過交換電子生

28、成氫原子進入金屬液體。Fe2+OH-=Fe+2pO+2H除此之外，溶解在渣中的一部分原子氫可以通過對流或攪拌作用而到達金屬的表面上，然后溶入金屬中。根據(jù)氫與金屬的作用特點，可以把金屬分為兩類：第一類是能形成穩(wěn)定的氫化物的金屬，如Zr、Ti、V、Ta、Nb等。這些金屬在吸收氫不多時，與氫形成固溶體；在吸收氫較多時與氫形成氫化物。在溫度300700C的范圍內(nèi)，這些金屬在固態(tài)下可吸收大量的氫；再升高溫度，則氫化物分解，由金屬中析出氫氣，其氫含量下降，因此，這類金屬及合金焊接時，必須防止在固態(tài)下吸收大量的氫，否則將嚴重影響金屬的性能。第二類是不形成穩(wěn)定的氫化物的金屬，如Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等。

29、但氫可以溶解于這類金屬及其合金中。氫溶解于固態(tài)或液態(tài)金屬時，首先分解為原子，然后溶解，其過程可表示1/2H2=H達到平衡時，鐵溶液中氫原子的濃度與氣相中氫的分壓之間的關(guān)系服從平方根定律。即式中 -鐵液中氫原子的溶解度（即平衡濃度）；-平衡時氣相中氫的分壓；-平衡常數(shù)。實際上,電弧焊時氣相中的氫不完全是以原子的狀態(tài)存在的。還有相當(dāng)多的氫以分子氫的狀態(tài)存在。此時，氣相中既有氫原子又有氫分子，氫在金屬中的溶解度符合下面的平方根定律 (3-2式中 -原子和分子氫的分壓；-給定溫度下氫的分壓;-平衡常數(shù)。由此可見，氫在金屬中的溶解度與氫的存在狀態(tài)有關(guān)系。此外，合金元素對氫在鐵中的溶解度也有很大的影響（見

30、圖3-2）。同時，氫的溶解度還與溫度有關(guān)，如圖3-3所示。當(dāng)固態(tài)鐵在臨界溫度發(fā)生晶格結(jié)構(gòu)的變化時，氫的溶解度也要發(fā)生突變，氫在面心立方體晶格中的溶解度大于在體心立方晶格中的溶解度。圖3-2 合金元素的濃度對氫在鐵合金中溶解度的影響 加熱溫度1600C圖3-3 氫、氮在鐵中的溶解度與溫度的關(guān)系2. 氫在金屬中的擴散在鋼焊縫金屬中，氫大部分是以H、H+或H-形式存在的。H的原子和離子半徑很小，它們與焊縫金屬形成間隙固溶體。其中一部分氫可以在焊縫金屬晶格中的自由擴散，稱為擴散氫。還有一部分氫擴散聚集到金屬的晶格缺陷、顯微裂紋和非金屬夾雜物邊緣的空隙中，結(jié)合為氫分子，因其半徑增大，不能自由擴散，稱為殘

31、余氫。在鋯、鈦等金屬及其合金的焊縫中，氫主要是以氫化物的形式存在。因氫在擴散過程中總有一部分要轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄽洌€有一部分擴散帶焊接以外的空間，所以焊縫金屬中的總的氫的含量是指焊后立即進行測定所得的氫化物。為了使測定的結(jié)果準確，憨厚必須立即即將試件進行急冷，并按統(tǒng)一標(biāo)準進行操作。3. 氫對焊接質(zhì)量的影響氫還是原性氣體，焊接時有助于減小金屬氧化的傾向。在氬弧焊高合金鋼時，加入少量的氫可以改善焊接工藝性能。但在多數(shù)情況下，氫的有害作用可分為兩種類型：一種是暫態(tài)現(xiàn)象，包括氫脆和白點，這種現(xiàn)象通過相應(yīng)的熱處理或時效處理，使氫自焊件中逸出，即可消除；另一種是永久現(xiàn)象，它們一經(jīng)出現(xiàn)就無法消除，如氣孔、裂紋等。

32、（1） 氫脆 金屬在室溫時因吸收而導(dǎo)致塑性降低的現(xiàn)象叫做氫脆。氫對鋼的力學(xué)性能的影響很特殊，實驗表明，氫對鋼的屈服強度與抗拉強度設(shè)計沒有明顯影響；而塑性，特別是斷面收縮率，則隨氫含量的增加而急劇下降，見表3-6。表 3-6 低碳鋼經(jīng)酸洗參氫及時效脫氧后力學(xué)性能的變化參氫及抗拉實驗900C退火1h在硫酸的體積分數(shù)為10%的溶液中酸洗滲氫酸洗滲氫10h后時效脫氫在100C在200C0.5h1h3h5h10h0.5h3h10h0.5h3h10hs/MPab/MPa(%(%256.7264.6266.5269.5269.5269.5266.5252.8257.6247.9253.8252.8366.5

33、370.4372.4370.4372.4372.4372.4368.4366.4364.5364.4360.634.028.225.422.419.318.920.926.929.731.333.935.072.865.153.540.329.628.037.056.767.663.570.072.0氫脆現(xiàn)象是溶解在金屬晶格中的氫引起的。在試件拉伸過程中，金屬中的為錯發(fā)生運動和堆積，結(jié)果形成顯微空腔。與此同時，溶解在晶格中的原子氫不斷地沿著位錯運動的方向擴散，最后聚集到顯微空腔內(nèi)，結(jié)合為氫分子。這個過程的發(fā)展使空腔內(nèi)產(chǎn)生很高的壓力，導(dǎo)致金屬脆變。氫脆的一個重要特點是，它與實驗溫度和實驗時的應(yīng)變

34、速度有關(guān)。在室溫范圍，氫脆表現(xiàn)明顯沒實驗溫度較高或很低時，都不會出現(xiàn)氫脆。氫脆的程度還隨實驗時的應(yīng)變速度提高而減小。此外，氫脆的程度還與鋼的強度和晶格結(jié)構(gòu)有關(guān)一般來說，鋼的氫脆敏感性隨強度的提高而加大，在各種晶格結(jié)構(gòu)中，馬氏體的強度最高，因此其氫脆敏感性最高。而氫在奧氏體中的溶解度雖比在鐵素體中高，但氫脆并不顯著。(2白點 在碳鋼或低合金鋼焊縫中。如果氫含量高，則常常在其拉伸或彎曲試件的斷面上，出現(xiàn)銀白色圓形局部脆斷點，稱為白點。白點的直徑一般由零點幾毫米到幾毫米，其周圍為韌性斷口，用肉眼即可辨別。在橫向腐蝕片上，表現(xiàn)為細長、彎曲的裂紋，呈放射狀或無規(guī)則分布。如果焊縫金屬中有產(chǎn)生白點的傾向，則

35、其塑性將大大下降。焊縫金屬中產(chǎn)生白點的敏感性與氫含量、金屬的組織和變形速度等因素有關(guān)。碳鋼和用Cr、Ni、Mo等元素合金化的焊縫，尤其是這些元素含量較高時，對白點很敏感。而純鐵素體和鉻鎳奧氏體焊縫不出現(xiàn)白點。關(guān)于產(chǎn)生白點的原因說法很多。按照公認的“誘捕理論”可解釋如下：在金屬塑變過程中，小夾雜物邊緣的空隙和氣孔像“陷阱”一樣，可以捕捉原子氫，并在其中結(jié)合為分子氫。由于“陷阱”內(nèi)的壓力不斷增大，最后導(dǎo)致局部脆斷。（3）氣孔 如果熔池中溶解了大量的氫，在冷卻凝固過程中，由于其在固態(tài)金屬中的溶解度比在液態(tài)金屬中的溶解度小很多，過飽和的氫將由固相向液相中聚集。這時，部分原子氫結(jié)合為氫分子，進而形成氣泡

36、，而氣泡在金屬凝固前來不及逸出，就會在焊縫中形成氣孔。（4）冷裂紋 在焊接接頭中，冷焊縫是危險性極大的一種焊縫缺陷，而氫是促使冷裂紋產(chǎn)生的主要原因之一。這將在焊接裂紋模塊中專門討論。4.控制氫的措施（1）限制焊接材料中的氫含量 在焊條藥皮、焊劑和焊絲藥芯的制造材料中，如有機物、天然云母、白泥、長石、水玻璃、鐵合金等，都不同程度的含有吸附水、結(jié)晶水、化合水或溶解的氫。在焊接高溫加熱時，這些物質(zhì)將會分解為氫而溶入到焊縫金屬中，危害其性能。因此，制造低氫和超低氫（H1cm3/100g）型焊條和焊劑時，應(yīng)盡量選用不含或含氫少的材料。為了減少焊接材料中的水分，在生產(chǎn)中經(jīng)常采用兩方面的措施：一是焊條、焊劑

37、在使用之前必須進行烘干，這是生產(chǎn)上最有效的辦法。實驗表明。升高烘干溫度可大大降低焊縫金屬的氫含量（圖3-5）。但其烘干溫度不可過高，否則焊接材料中的鐵合金易被氧化而燒損，造氣劑過早分解，影響它本身的保護作用。不同牌號的焊條，其烘干溫度和時間都有明確的規(guī)定，如低氫型焊條為350450C,鈦鈣型焊條為150200C。焊條、焊劑在烘干后應(yīng)立即使用，否則在放置過程中將繼續(xù)吸潮、烘干后未用的焊條、焊劑最好在100150C的條件下存放。二是在存放焊接材料時，加強防潮措施。避免焊接材料在放置過程中吸附水分。圖3-5 烘干溫度與焊縫氫含量的關(guān)系除此之外，氣體保護時，所用的保護氣體中常含有水分，該水分進入焊縫金

38、屬中也將影響其性能，因此，在氣體保護焊時必須嚴格控制保護氣體中的含水量，必須時采用脫術(shù)或干燥措施。例如，在在二氧化碳氣體保護焊時，CO2氣體在輸送到焊接區(qū)之前應(yīng)進行干燥處理。（2） 清除焊件和焊絲表面的雜質(zhì) 焊件坡口及焊絲表面的氧化膜、鐵銹中的吸附水和化合水，以及油污、水漬等是焊縫金屬中氫的又一主要來源。因此，焊前應(yīng)仔細進行清理。為了防止焊絲生銹，許多國家都采取了表面鍍銅處理。（3） 進行冶金處理 即通過焊條藥皮和焊劑的冶金作用，改變電弧氣氛的性質(zhì)，抑制原子氫的產(chǎn)生，從而使氣相中氫的分壓下降，最終達到降低氫在液體金屬中的溶解度的目的。降低氫的分壓最有效的辦法是設(shè)法使氫轉(zhuǎn)化為不容于金屬的、穩(wěn)定的

39、氫化物。在高溫下，OH及HF都很穩(wěn)定，要到4000K才開始分解（見圖3-6），而且均不溶于液態(tài)鐵中。圖3-6 H2、H2O、OH、HF分解時原子氫的平衡分壓與溫度的關(guān)系1） 在藥皮和焊劑中加入氟化物。實驗表明，在高硅高錳焊劑中加入適當(dāng)比例的CaF2和SiO2共存時，可進行如下反應(yīng)： 2CaF2+3SiO2=2CaSiO3+SiF生成的SiF4沸點很低（90C），它將以氣態(tài)存在，并與氣相中的原子氫和水蒸氣發(fā)生反應(yīng)：SiF4+3H=SiF(氣體+3HFSiF4+2H2O=SiO2+4HF生成的HF擴散到大氣中，因而能夠降低焊縫中的氫含量。2） 在焊條藥皮中加入適量的活性氧化劑,如Fe或Mn的高價氧

40、化物。這類氧化劑在一方面在高溫下分解出O，通過O+H=OH起到去氫的作用，另一方面增加了焊接熔池的氧化性，使液體金屬中氫的溶解度降低。熔敷金屬中氫和氧的含量與藥皮中氧化鐵數(shù)量的關(guān)系如圖3-7所示。圖中區(qū)是藥皮中氧化鐵的最佳含量區(qū)，在此區(qū)內(nèi)氫和氧的含量都處于較低水平。低氫型焊條中的碳酸鹽，分解后說形成的Co2可與氫原子直接作用而生成OH，起到脫氫的作用。CO2氣體保護焊時，盡管Co2氣體水分本身含有水分，由于CO2的氧化作用，仍可獲得低氫的焊縫。氬弧焊時，為了消除氫氣孔，改善工藝性能，常在氬氣中加入5%左右的氧或CO2，就是以此為理論依據(jù)的。（4） 控制焊接參數(shù) 焊接參數(shù)對焊縫金屬的氫含量有一定

41、影響，焊條電弧焊時，增大焊接電流使熔滴吸收的氫的含量增加；增加電弧電壓使焊縫氫含量減小。氣體保護焊時，射流比例過渡比滴裝過渡時熔滴中的氫含量降低。因為射流過渡時金屬的蒸汽壓急劇增大，使氫的分壓大大下降；同時由于過度頻率高，使熔滴與氫的接觸時間縮短。圖3-8 電流種類和極性對焊縫氫含量的影響（T4303）（5） 焊后脫氫處理 脫氫處理是指利用氫的擴散能力,焊后加熱焊件，促使氫擴散逸出，從而減少接頭中氫含量的工藝，由圖3-9可以看出，把焊件加熱到350C以上，保溫1h，幾乎可將擴散氫直接去除。在生產(chǎn)上，對于易產(chǎn)生冷裂紋的焊件，常常要求脫氧處理，一般是加熱到300400C，保溫若干小時。圖3-9 焊

42、后脫氫處理對焊縫含氫含量的影響應(yīng)當(dāng)指出，由于氫在奧氏體鋼中的溶解度打=大，擴散速度小，因此對于奧氏體鋼焊縫進行脫氧處理的效果不是很好，也是不必要的。綜上所述，對氫的限制應(yīng)以防為主。首先應(yīng)限制氫及水分的來源；其次應(yīng)盡量防止氫溶入金屬；最后氫一旦進入金屬可進行脫氧處理。能力知識點3 氫對金屬的作用及其控制氣相中的氮的主要來源于焊接區(qū)周圍的空氣，即使在較好的保護條件下焊接，仍有少量的氮侵入焊接區(qū)，與熔化金屬發(fā)生作用。Fe、Ti、Mn、Si、Cr等金屬，既能溶解氮，又能與氮形成氮化物。在焊接這類材料時，必須設(shè)法防止氮的有害作用。1. 氮在金屬中的溶解在電弧高溫作用下，氮分子將分解為氮原子。N2=2N-

43、711.4kJ/mol氮的分解度與溫度有關(guān)，如圖3-10所示。氮分解時需要更高的能量，在5000k時，氮的分解度只有20%左右。因此，在焊接條件下，氮大部分以分子的形式存在。氣相中的分子氮在液態(tài)鐵中的溶解過程和其他氣體一樣，可分為如下階段：分子氮向氣體-金屬相界面上運動；被熔滴和熔池前部分的金屬表面吸附；在金屬表面上分解為原子氮；原子氮過渡到金屬的表面層內(nèi)；并向金屬內(nèi)部擴散。該反應(yīng)也服從化學(xué)平衡法則。其全過程可表示為其平衡常數(shù)(3-3或式中-鐵液中氮原子的溶解度（即平衡濃度）；-氫溶解反應(yīng)的平衡常數(shù)；-平衡時氣相中分子氫的分壓。式（3-3）成為平方根定律，可以看出，降低氣相中氮的分壓可以減少金

44、屬中的氮含量。對于液態(tài)鐵，與溫度的關(guān)系為氮在Fe-1%中的溶解度與溫度的關(guān)系如圖3-3所示?？梢钥闯?，氮在液態(tài)合金中的溶解度隨著溫度的升高而增加；當(dāng)溫度為2200C時，氮的溶解度達到最大值47cm3/100g(0.059%;繼續(xù)升高溫度，氮的溶解度急劇下降，至該合金的沸點（2750C）時溶解度變?yōu)榱?，這是由于金屬的蒸氣壓急劇增加的結(jié)果。電弧焊時氣體溶解的過程比普通的氣體的溶解過程要復(fù)雜得多。其特點是，熔化金屬過熱度大；在熔池表面上通過局部活性部分吸收氣體；電弧氣氛中受激的氣體分子原子和氣態(tài)離子增加了氣體活性，使其在金屬中的溶解量增加。所以電弧焊時融化金屬吸收的氣體量常常超過它的平均含量（溶解度

45、）。電弧焊時熔化金屬的氮含量高于溶解度的主要原因在于：電弧中受激的氮分子，特別是氮原子的溶解度比沒受激分子要快很多；電弧中的氮離子N+可在陰極溶解，在氧化性的電弧氣氛中形成NO，遇溫度較低的液體金屬NO又分解為N和O，N迅速溶于金屬。2. 氮對焊接質(zhì)量的影響在碳鋼焊縫中，氮是有害的元素，它對焊接質(zhì)量有以下幾方面的影響：（1） 形成氣孔 氮在高溫的液態(tài)金屬中有一定的溶解度，而在其凝固時氮的溶解度突然下降。這時過飽和的氮將以氣泡的形式從熔池中向外逸出，當(dāng)焊縫金屬的結(jié)晶速度大于它的逸出速度時，氮氣在焊縫結(jié)晶之前來不及逸出，就留在焊縫金屬中形成氣孔。圖3-11 金屬中氮含量與混合氣體（氬和氮）中d的關(guān)

46、系（）（2）降低焊縫金屬的力學(xué)性能 氮是提高低碳鋼和低合金鋼焊縫金屬強度、降低塑性和韌性的元素。氮在-Fe的溶解度很低，僅為0.001%（質(zhì)量分數(shù)），因此焊縫中少量殘留的氮就會對力學(xué)性能有顯著的影響。當(dāng)焊縫中氮的含量超過溶解度時，其中一部分過飽和的氮就會對力學(xué)性能有顯著的影響。當(dāng)焊縫中氮的含量超過溶解度時，其中一部分過飽和的氮固溶于-Fe中；另一部分則以針狀氮化物（Fe 4N）的形式析出于晶界或固溶體內(nèi)，使焊縫金屬的強度、硬度上升，而韌性、塑性降低，如圖3-12、圖3-13所示。圖3-12 氮對焊縫金屬常溫力學(xué)性能的影響圖3-13 氮對低碳鋼焊縫低溫韌性的影響（3）時效脆化 氮是促使焊縫金屬時

47、效脆化的元素。焊接時，冷卻速度大，氮來不及隨溫度的下降析出，焊縫金屬中過飽和的氮處于不穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)過一段時間，過飽和的氮將以針狀的Fe 4N析出,導(dǎo)致焊縫金屬脆化。在熔池中加入能形成穩(wěn)定物的元素，如鈦、鋯、鋁等，則可顯著降低時效脆化的傾向。氮除了對焊縫的性能有危害作用之外，也有有利的影響。它可以作為合金元素加入鋼中，而改變焊縫金屬的力學(xué)性能。如低合金高強度鋼中加入氮可以起到沉淀強化和細化晶粒的作用；在鉻鎳鋼或鉻鎳錳鋼中，氮是能提高奧氏體穩(wěn)定性的合金元素；氮可以作為與其既不相溶又不形成化合物的金屬焊接時的保護氣體。3. 控制氮的措施為了消除氮的有害作用，一般采取以下的控制措施。（1） 加強機械保

48、護 如前所述，焊接區(qū)氮的主要來源是空氣,而且空氣中的氮一旦進入焊縫，難以采用冶金的辦法進行脫氮，因此加強機械保護是控制焊縫金屬含量的主要措施。成產(chǎn)中常用的保護方法有氣體保護、熔渣保護、氣渣聯(lián)合保護等措施。不同的保護方法有不同的保護效果，表3-7給出了不同的焊接材料和焊接方法時焊縫中氮含量的情況。表3-7 焊接材料和焊接方法對焊縫的氮含量的影響焊接方法及材料N（%）焊接方法及材料N（%）光焊絲電弧焊0.080.228氣焊0.0150.020纖維素焊條0.013熔化及氬弧焊0.0068鈦型焊條0.015藥芯焊絲明弧焊0.0150.04低氫型焊條0.010自保護合金焊絲時，金屬被氧化；時，金屬被還原：=時，處于平衡狀態(tài)。金屬氧化物的分解壓是溫度的函數(shù)，它隨溫度的升價而增加（圖3-16）?？梢钥闯?，除Ni和Cu外，在同樣的溫度下FeO的分解壓最大，即最不穩(wěn)定。圖3-16 自由氧化物的分解與溫度的關(guān)系（3） 氧對金屬的氧化 焊接時金屬的氧化除了由于自由氧直接與金屬發(fā)生作用外，如Co2、H2O等，或活性熔渣與金屬相互作用實現(xiàn)的。熔渣對金屬的氧化將在后面的章節(jié)中介紹。1） 自由氧對金屬的氧化。在焊接低碳鋼和低合金鋼時，主要考慮鐵的氧化。高溫時鐵的氧化物主要是FeO。鐵被自由氧化的可能性取決于電弧氣氛中氧的實際分壓Po2與FeO