焊接区内的气体对焊接质量的影响

焊接区内的气体对焊接质量的影响姓名：徐志刚学号：1006031029指导老师：邢文静气焊过程中焊接区内的大量气体是由一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽、氧气、氮气以及由它们分解的产物和金属、熔渣的蒸气等组成的混合气体。其中对焊接质量影响最大的是氧气(O2)、氢气(H2)和氮气(N2)。一、氧的影响(一)氧的来源气焊过程中不可避免地有氧气侵入，如气体火焰中自由状态的氧常常进入内焰而侵入熔池．外焰中的二氧化碳和水蒸汽中的氧，也常和熔池内液体金属及其附近的热态金属化合；当气焊火焰因风吹歪斜偏离熔池、焊炬过早离开熔池，都使气体火焰不能很好地保护熔池而造成空气中的氧侵入焊接区；再者，焊丝、熔剂和母材中溶解的氧或氧化物，金属表面的油脂、铁锈、油漆等污物及熔剂内部的结晶水等均构成了氧的来源。(二)氧对焊接和焊接质量的影响由于金属本身在加热到很高温度时非常容易氧化，致使焊缝金属及其合金元素迅速被氧化而形成氧化物。氧对焊接和焊接质量的主要影响有：1．使焊缝金属及合金元素被烧损，造成焊缝的力学性能下降。在熔滴和熔池表面，铁被氧化成氧化亚铁(FeO)，当钢中存在过量的氧时便生成三氧化二铁(Fe2O3)，这些铁的氧化物以不规则的点状凝集物或在晶界成不完整的褐色细网的形式存在，在碳钢和合金钢中除了基体铁被氧化，其它元素，例如碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、钛(Ti)和铬(Cr)等也会被氧化。氧化的结果使熔池中有益的元素烧损，使焊缝金属的强度、硬度和塑性等发生明显的下降。如图2—10所示为氧对低碳钢力学性能的影响。焊接有色金属时的氧化反应，如焊接紫铜时，当温度接近铜的熔点(1083℃)时，铜很容易被氧化生成氧化亚铜(CuO2)，在焊缝结晶时，氧化亚铜又会和铜形成低熔点共晶(Cu2O·Cu)分布在铜的晶界上，使焊缝容易产生热裂纹，降低其接头性能。焊接黄铜时，黄铜所含的锌(Zn)很容易在焊接火焰温度下气化、蒸发和氧化，从而改变黄铜的化学成分，使焊接接头的力学性能和抗腐蚀性能降低。2．飞溅严重、易形成气孔、夹渣。焊接碳钢和合金钢时，碳(C)烧损所产生的一氧化碳气体，导致焊接时飞溅的增加；同时又产生了溶于熔池的氧化亚铁(FeO)，这时，熔池中的氧化亚铁与熔池中的其它元素会继续发生氧化反应。在氧化反应中产生的气体，不仅使焊接时飞溅增加，而且当焊缝金属的冷凝速度大于气体逸出的速度时，就会形成气孔。氧化后产生的合金元素的氧化物(如SiO2、MnO等)均不熔于钢中，一般都将浮到熔池表面或进入熔渣中，但有时来不及浮出时，就会在焊缝中形成夹渣。焊接有色金属及其合金时，如焊接锡青铜和铝青铜，合金元素锡(Sn)和铝(Al)很容易被氧化。生成的二氧化锡(SnO2)硬而脆，在焊缝中以夹杂物的形式存在。而生成的三氧化二铝(Al2O3)为高熔点氧化物，阻碍焊缝的熔合，同时使熔渣粘度增加，使熔池中的气体来不及逸出而产生气孔。3．造成焊接困难。焊接某些合金时，在熔池表面生成的难熔氧化物(如Al203、Cr2O3等)将阻碍焊接冶金反应的正常进行和熔渣的浮出，造成焊接困难。如焊接铝及其合金时，不仅铝表面原有的氧化膜阻碍焊接，而且在焊接熔池表面还会生成新的氧化铝膜，妨碍焊接过程的正常进行。此外，熔池中的氧可能使晶界严重氧化、晶粒粗大及形成热裂纹，还可能使焊缝金属的导电性、耐腐蚀性或其它特殊性能降低。总之，氧在焊缝金属中的危害性是相当大的。因此，在焊接过程中应严格控制氧的来源和选用适当的熔剂，以尽量避免和减少氧对焊缝金属的影响。(三)脱氧的方法在气焊时，可根据焊件材料的性能来选择脱氧的方法，脱氧的方法有：1．通过还原气氛脱氧。在气焊低碳钢和低合金钢时，由于使用的火焰中有大量的一氧化碳(CO)和氢气起着还原作用。这样不仅能够保护熔池表面不被氧化，而且还能与焊缝金属中的氧化亚铁(FeO)发生还原反应。因而，气焊低碳钢和低合金钢，可以不用熔剂进行焊接，就能得到满意的接头。但在施焊时，火焰应当为严格的中性焰或轻微的碳化焰，并有效地保护熔池及近缝区。如果火焰带有氧化性质，不仅使焊缝金属中的元素氧化，而且能使熔合区和靠近熔合区的热影响区晶界氧化。2．由焊丝成分中的脱氧元素来脱氧。按金属元素与氧的亲合力的强弱，可将金属元素排列如下：铝(Al)、钛(Ti)、硅(Si)、钒(V)、锰(Mn)、铬(D)、钼(Mo)、铁(Fe)。在焊接钢铁时，位于铁前面的各元素均可作为焊缝金属的脱氧元素即脱氧剂。如在气焊碳钢和合金钢时，常选用含锰(Mn)、硅(Si)的焊丝。采用硅(Si)、锰(Mn)联合脱氧时，生成的氧化锰(MnO)与二氧化硅(SiO2)形成硅酸盐，其熔点、密度都较低，易浮于熔池表面而形成熔渣。用铝(Al)脱氧时，由于生成高熔点的Al2O3(熔点为2050℃)，故气焊时不采用，主要用在氧乙炔火焰金属喷涂时脱氧；钛(Ti)不仅是很好的脱氧剂，而且还能很好地脱氮。在气焊含氧量较高的沸腾钢时，选用含锰(Mn)的焊丝，不但可以减少碳(c)、锰(Mn)、硅(si)元素的烧损，提高焊接质量，而且可以减少焊接时的飞溅。3．通过熔剂脱氧。在焊接高合金钢、铸铁、不锈钢和有色金属及其合金时，都要加入熔剂，主要目的是为了保护熔池和脱氧。例如，气焊铜及其合金时，常用熔剂硼砂(Na2B4O7·10H2O)和硼酸(H3BO4)去除熔池中氧化物(如氧化铜CuO、氧化锌ZnO)，反应的生成物都是易熔的硼酸盐，其在焊接过程中浮在熔池表面起到保护熔池的作用。二、氢的影响(一)氢的来源在气焊时，氢来源于乙炔的分解和燃烧、焊接材料(焊丝和熔剂)和母材表面的铁锈及水分、油污、油漆等污物。氢通常不与焊缝金属发生化学反应，但能溶解于铁(Fe)、镍(Ni)、铜(cu)、铬(Cr)、钼(Mo)等金属中。在气焊时，由于气焊火焰中含有大量的氢(H2)和一氧化碳(CO)，不仅能保护熔池表面不被氧化和氮化，而且能使焊缝金属中的金属氧化物还原。但是，在焊缝金属中若存在1／100000的氢，就会对焊接接头质量产生严重的有害影响。(二)氢对焊接接头的影响在焊接高温的作用下，氢气能激烈地分解成原子态的氢([H])，分解的原子态的氢大量地溶解在熔滴和熔池中。当热源移去，熔池冷却，金属开始相变时，氢的溶解度将急剧降低。对于碳钢，在发生同素异构转变时氢的溶解度还会有突变。由于熔池的冷却速度较快，使溶解的氢来不及逸出，残存在固体焊缝中，因而引起焊接接头有以下缺陷：1．在焊缝金属内部形成氢气孔。气焊低碳钢时，氢气孔大多分布在焊缝的表面，气孔四周光滑，断面呈铁钉状，从焊缝表面看，呈圆喇叭口形。个别情况下，在焊缝内部也会呈光滑的球状。焊接其它碳钢、合金钢和不锈钢时在焊缝内部出现的气孔，主要也是氢气孔。气焊有色金属时，氢气孔常出现在焊缝内部。2．在熔合区和热影响区形成冷裂纹。焊接中碳钢、高碳钢、低合金和合金钢等易淬火钢时，在焊缝的冷却过程中，当焊缝金属发生由奥氏体向铁素体转变时，氢的溶解度突然降低，同时氢在铁素体中的扩散速度比较快，此时氢就会从焊缝穿过熔合区向热影响区扩散，而氢在奥氏体中的扩散速度较慢，结果在熔合区附近就形成了富氢带。氢扩散到熔合区、热影响区聚集起来，由原子状态变为分子状态，形成较大的压应力，这就可能使原有的微观缺陷不断扩大，最后形成冷裂纹。由于氢引起的冷裂纹，是通过扩散、聚集产生应力直至形成裂纹，故具有延迟特性，因而称为延迟裂纹。通常把氢引起的延迟裂纹又称为“氢致裂纹”。一般来说，易淬火钢钢材的淬硬倾向越大，在焊缝的近缝区得到的淬硬组织——马氏体的数量越多，这样就使得硬度增高而且脆化严重，因而就容易在一定条件下产生冷裂纹。3．产生白点、引起氢脆性。碳钢或低合金钢焊缝，如含氢量多，则常在其破断面出现光亮圆形的局部脆性断裂点，称之为白点。白点的直径一般为0.5～3mm，其周围为韧性断口，在多数情况下，白点的中心有裂纹、气孔或小的夹杂物。白点使焊缝金属的塑性下降。(三)去氢的措施氢引起钢的塑性严重下降的现象称为氢脆性。焊缝含氢量越高，塑性下降就越严重。焊缝经去氢处理后，由于氢的逸出，其塑性可以恢复。由于氢对焊接接头具有严重的有害作用，应在焊接前、焊接中、焊接后采取相应的去氢措施，以使焊接接头中的含氢量尽量减少。1．焊接前采取的措施有：焊丝和待焊处20mm范围内的铁锈、油污等脏物应清除干净；熔剂要保持干燥，避免受潮；根据母材，选择合适的焊丝。2．焊接中采取的措旋：尽量选择中性焰进行焊接；采用合适的焊接工艺参数，并在焊接过程中保持稳定；掌握合理、正确的焊接方法；焊前预热。3．焊后应进行消氢处理。由于气焊焊缝金属的冷却速度比手工电弧焊要慢一些，这样，有利于氢和其它气体从熔池中逸出，从而获得无气孔焊缝和避免在热影响区产生氢致裂纹。三、氮的影响(一)氮的来源焊接时，焊接区周围的空气是焊缝金属中氮的主要来源。焊缝金属的含氮量，随着焊嘴离焊件距离的增加而增加，并随气焊火焰中氧与乙炔混合比值的增高而增加。这是因为混合比值增高使火焰中的氧过剩，使火焰紊乱，引起空气的卷入和熔池的搅拌，故使焊缝金属的含氮量增加。此外，焊接材料(焊丝、熔剂)和母材中所含的氮，在气焊时会熔入焊缝金属中形成氮化物；焊接气体纯度不高，例如氧气纯度不高或乙炔中有空气，在气焊时也会使氮进入熔池中。(二)氮对焊缝金属的影响1．对力学性能的影响。氮是提高焊缝金属强度、降低其塑性和韧性的元素。氮对低碳钢常温力学性能的影响详见图2—11。2．容易形成气孔。气焊时，当焊接区保护不良，就会使空气中的氮进入焊缝金属熔池中。由于氮在铁中的溶解度随着温度的降低而降低，从液相向固相转变时，溶解度急剧下降。在焊接时，由于熔池的冷却速度很快，且迅速结晶，这样，焊缝金属中过饱和的氮来不及逸出熔池，结果会形成氮气孔。因为氮不溶于液态铝，所以在焊接铝时不会出现氮气孔。3．引起焊缝时效脆化。进入焊缝金属熔池中的氮，其中一部分在高温作用下，能和锰(Mn)、硅(Si)、铝(A1)、钛(Ti)、铁(Fe)等元素化合成为氮化物。在以上元素的氮化物中，除钛的氮化物不溶于熔池金属外，其它的氮化物均能溶于熔池中。这些氮化物在熔池结晶过程中一部分分布在固熔体内和晶界上，另一部分则以过饱和的形式存在于固熔体中，随着时间的延长，能在晶界处形成稳定的针状Fe4N，使焊缝金属的塑性和韧性大大下降，这种现象称为时效脆化。(三)防止方法氮在焊缝金属中也属于有害元素。在气焊时，要使火焰始终罩住熔池，不使空气中的氮与熔池接触；在焊前应选用含氮量很低的母材和焊丝；使用的氧气纯度高一些；乙炔中不要含有空气等。同时，应给熔池创造缓慢冷却的条件，以便在熔池凝固之前，使氮气有充分的时间逸出，不易产生氮气孔，从而获得优良的焊缝。