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1、30,1,第三章 焊接冶金学,第10讲,30,2,上讲回顾,焊接熔渣的作用熔渣的结构熔渣的碱度熔渣的物理性能：粘度、表面张力、熔点、导电性,30,3,3.3 氮、氢对金属的作用,焊接时，焊接区内气相成分重要有CO、CO2、H2O、N2、H2、O2、金属和熔渣的蒸气以及它们的分解物和电离物等。其中对焊接质量影响最大的是N2、H2、O2、CO2和H2O等，必须加以控制。,30,4,1.气体的来源与产生 气体的来源 焊接区内气体来源于：焊接材料：如焊条的药皮、焊剂和药芯中的造气剂、高价氧化物和水分等 热源周围的空气 焊条（丝）和焊件表面存在铁皮、铁锈、油漆和吸附水等 母材和填充金属自身因冶炼而残留的
2、气体,30,5,气体的产生 焊接区内的气体除了外界侵入或人为直接输入气体外，一般都是通过如下物化反应产生：有机物的分解和燃烧 如焊条药皮中常用的淀粉、纤维素、糊精等有机物作通气剂和增塑剂，受热后将发生热氧化分解反应，产生CO、CO2、H2和水气等气体。,30,6,碳酸盐和高阶氧化物的分解 在焊接冶金中常使用碳酸盐，如CaCO3、MgCO3等，用来造气和造渣，也有利于稳定电弧。当加热超过一定温度时，就开始发生分解，产上CO2气体。例如：CaCO3CaOCO2,30,7,高阶氧化物主要有Fe2O3和MnO2等，在焊接过程中将产生逐级分解，也成大量的氧气和低价氧化物。例如：6Fe 2O34Fe3O4
3、O22Fe3O46FeOO24MnO2=Mn2O3O26Mn2O3=4Mn3O4O22Mn3O4=6MnOO2,30,8,材料的蒸发 焊接过程中，除焊材中水分蒸发外，金属元素和熔渣中各种成分在电弧高温下也会蒸发成为蒸气。沸点越低的物质越容易蒸发，从下表中看出：金属元素Zn、Mg、Pb、Mn的沸点较低，在熔滴形成和过渡过程中最易蒸发。氟化物也因沸点低而易于蒸发。,30,9,在焊接过程中，有用元素蒸发不仅造成合金元素损失，甚至产生焊接缺陷，影响焊接质量，还增加焊接烟尘，污染环境，影响焊工健康。,30,10,2.气体分解 焊接区内的气体是以分子、原子及离子等状态存在，一般以分子状态存在的气体须先分解
4、成原子或离子后才能溶解到金属中。,30,11,在焊接冶金中常见的气体有简单气体和复杂气体两类：简单气体：由同种原子组成分子的气体，如N2、H2和O2等，多为双原子气体；复杂气体：由不同原子组成分子的气体，如CO2和H2O等。,30,12,气体受热后其原子获得足够高的能量后就会分解为单个原子或离子及电子。下表列出一些常见气体分解的反应式，它们均为吸热反应。,表 气体分解反应式,30,13,从上表的数字反映出各种气体分解的难易程度，在焊接温度(5000K)下：H2和O2的分解大都以原子状态存在；N2分解很小，基本上以分子状态存在；CO2气体的分解随温度升高而增加，在焊接温度下几乎完全分解；水蒸气分
5、解比较复杂、在不同温度下可按上表中的反应式分解成H2、O2、H、O等。,30,14,3.分布 焊接时，焊接区内气相的成分和数量与焊接方法、工艺参数、焊接材料种类有关。焊条电弧焊时，气相的氧化性较大。用碱性焊条焊接，气相中H2和H2O的含量很少，故称低氢型焊条；埋弧焊和中性焰气焊时，气相中CO2和H2O含量很少，因而气相的氧化性也很小。,30,15,各种气体的分子、原子和离子在焊接区内的分布与温度有关。电弧的温度无论是轴向或径向分布都不均匀，所以它们在电弧中的分布也是不个均匀的。由于测试上的困难，日前尚未了解其分布规律。,30,16,3.3.1 氮对金属的作用 1.氮在金属中的溶解 空气是氮的主
6、要来源，空气一旦侵入焊接区，便会发生氮与金属作用。,30,17,与氮不发生作用的金属 如铜、镍、银等，即使在高温熔化状态也不溶解氮或与氮生成氮化物。因此焊接这类金属时，可用氮作保护气体。既能溶解氮，又能与氮形成稳定的氮化物的金属 如铁、锰、钛、铬等，焊接这类金属及其合金时，必须防止焊缝金属的氮化。,30,18,氮在金属中的溶解反应为：N22N 氮在金属中的溶解度与平衡时该气体的分压平方根成比例。在气相中氮的分压越大，其溶解度越大。因此，降低气相中氮的分压可有效地减少氮在金属中的含量。,30,19,氮在纯铁中的溶解度与温度的关系如右图所示，从图中看出，除铁外，氮在铁中的溶解度随温度升高而增大，因
7、这种溶解属吸热反应。在2200时溶解度最大，达473100g。升至铁的沸点附近则溶解度急剧降低，真正为零。,这是由于金属大量蒸发，使气相中氮的分压显著下降所致。铁从液态转变为固态时，氮的溶解度突然下降70-80%，析出的氮是形成焊缝小气孔的重要原因之一。,图 氮在铁中的溶解度与温度的关系,30,20,在铁熔液中加入C、Si、Ni会降低氮的溶解度，而加入V、Mn、Cr会增加氮的溶解度，见右图。,图 合金元素1600下对氮在铁中的溶解度的 影响,30,21,2.氮对焊接质量的影响 在碳钢焊缝中，氮是有害杂质，其不利影响有：形成气孔 由于液态金属在高温时可溶解大量氮，凝固结晶时氮的溶解度突然下降，过
8、饱和的氮以气泡形式从熔池中逸出，当焊缝金属结晶速度大于氮逸出的速度时，就形成气孔。,30,22,使焊缝金属时效脆化 焊缝金属中过饱和的氮处于不稳定状态，随着时间的延长，过饱和的氮逐渐析出，形成稳定的针状氮化物Fe4N，因而使焊缝金属的强度增高，塑性和韧性下降，特别是低温韧性急剧下降，见右图。,图 氮对焊缝金属常温力学性能的影响,在焊缝中加入Ti、Al、Zr等能够形成稳定氮化物的元素，可有效抑制或消除失效现象。,30,23,氮的控制 加强焊接区的保护 氮来自空气，故控制氮的主要措施是加强对焊接区的保护，防止空气与液态金属发生接触。目前生产上对焊接区的保护措施主要有：气体保护、熔渣保护、气渣联合保
9、护和抽真空等。,30,24,下表为用不同焊接方范焊接低碳钢时焊缝的含氮量，说明了各自氮的保护效果。焊条药皮的保护作用，在很大程度上取决于药皮的成分和数量。,30,25,控制焊接工艺参数 电弧电压（U）焊条电弧焊时，电弧电压增大，说明电弧被拉长，空气侵入焊接区并与熔摘的接触机会加大，从而使焊缝金属含氮量增大，如右图。因此，采用短弧焊对减少氮含量有利。,图 手工焊时U对焊缝O和N的影响,30,26,焊接电流（I）增大焊接电流，可增加熔滴过渡频率，缩短了熔滴与空气作用时间，因而焊缝中含氮量可减少。极性 用直流反接时，可减少焊缝含氮量，这与减少氮离子的熔滴溶解有关。,30,27,焊丝直径（）在相同工艺
10、条件下，增大焊丝直径可使焊缝含氮量减少，这和焙滴变粗与空气接触面减少有关。焊接速度（v）试验表明，焊接速度对焊缝含氮量影响不大。,30,28,冶金处理 对已侵入焊缝中的氮，若能使其转化为稳定的氮化物，就可以降低其有害作用。Ti、Al、Zr和稀土元素对氮有较大的亲和力，易形成稳定的氮化物，而且这些氮化物不溶于铁液而进入熔渣中。,30,29,从右图中看出：碳可降低氮在铁中的溶解度。故可以在焊丝或药皮中增加碳含量、以减少焊缝中的含氮量。此外：碳氧化生成的CO和CO2，可加强焊接区的保护作用和降低氮的分压。碳氧化时引起熔池沸腾，也有利于氮的逸出。,图 合金元素1600下对氮在铁中的溶解度的 影响,30,30,本讲小结,气体的来源与产生气体分解氮在金属中的溶解氮对焊接质量的影响氮的控制,
