焊接冶金学(基本原理)

焊接冶金学(基本原理)

绪论一、焊接过程的物理本质焊接:被焊工件的材质同种或异种,通过加热或加压或二者并用,并且用或不用填充材料,使工件的材质到达原子问的结合而形成永久性连接的工艺过程称为焊接。

物理本质:1〕宏观:焊接接头破坏需要外加能量和焊接的的不行拆卸性〔永久性〕2〕微观:焊接是在焊件之间实现原子间结合。

怎样才能实现焊接,应有什么外界条件从理论来讲,就是当两个被焊好的固体金属外表接近到相距原子平衡距离时,就可以在接触外表上进展集中、再结晶等物理化学过程,从而形成金属键,到达焊接的目的。

然而,这只是理论上的条件,事实上即使是经过精细加工的外表,在微观上也会存在凹凸不平之处,更何况在一般金属的外表上还经常带有氮化膜、油污和水分等吸附层。

这样,就会阻碍金属外表的严密接触。

为了抑制阻碍金属外表严密接触的各种因素,在焊接工艺上实行以下两种措施:对被焊接的材质施加压力目的是破坏接触外表的氧化膜,使结合处增加有效的接触面积,从而到达严密接触。

对被焊材料加热局部或整体对金属来讲,使结合处到达塑性或熔化状态,此时接触面的氧化膜快速破坏,降低金属变形的阻力,加热也会增加原于的振动能,促进集中、再结晶、化学反响和结晶过程的进展。

二、焊接热源的种类及其特征电弧热:利用气体介质放电过程所产生的热能作为焊接热源。

化学热:利用可燃和助燃气体或铝、镁热剂进展化学反响时所产生的热能作为热源。

电阻热:利用电流通过导体时产生的电阻热作为热源。

高频感应热:对于有磁性的金属材料可利用高频感应所产生的二次电流作为热源,在局部集中加热,实现高速焊接。

如高频焊管等。

摩擦热:由机械摩擦而产生的热能作为热源。

等离子焰:电弧放电或高频放电产生高度电离的离子流,它本身携带大量的热能和动能,利用这种能量进展焊接。

电子束:利用高压高速运动的电子在真空中猛烈轰击金属局部外表,使这种动能转化为热能作为热源。

激光束:通过受激辐射而使放射增加的光即激光,经过聚焦产生能量高度集中的激光束作为热源。

三、熔焊加热特点及焊接接头的形成〔一〕焊件上加热区的能量分布热源把热能传给焊件是通过焊件上确定的作用面积进展的。

对于电弧焊来讲,这个作用面积称为加热区,加热区又可分为加热斑点区和活性斑点区;活性斑点区活性斑点区是带电质点电子和离于集中轰击的部位,并把电能转为热能;加热斑点区在加热斑点区焊件受热是通过电弧的辐射和四周介质的对流进展的。

在该区内热量的分布是不匀称的,中心高,边缘低,犹如立体高斯锥体.〔二〕焊接接头的形成:熔焊时焊接接头的形成,一般都要经受加热、熔化、冶金反响、凝固结晶、固态相变,直至形成焊接接头。

〔〕焊接热过程:熔焊时被焊金属在热源作用下发生局部受热和熔化,使整个焊接过程自始至终都是在焊接热过程中发生和进展的。

它与冶金反响、凝固结晶和固态相变、焊接温度场和应力变形等均有亲热的关系。

焊接化学冶金过程:熔焊时,金属、熔渣与气相之间进展一系列的化学冶金反响,如金属氧化、复原、脱硫、脱磷、掺合金等。

这些冶金反响可直接影响到焊缝的成分、组织和性能。

〔提高焊缝的强韧性:1通过焊接材料向焊缝中参与微量合金元素〔如、、、、、和稀土等〕进展变质处理,从而提高焊缝的韧性;2适当降低焊缝中的碳,并最大限度排解焊缝中的硫、磷、氧、氮、氢等杂质进展净化焊缝,也可提高焊缝的韧性〕焊接时的金属凝固结晶和相变过程:随着热源离开,经过化学冶金反响的熔池金属就开头凝固结晶,金属原子由近程有序排列转变为远程有序排列,即由液态转变为固态。

对于具有同素异构转变的金属,随温度下降,将发生固态相变。

因焊接条件下是快速连续冷却,并受局部拘束应力的作用,因此,可能产生偏析、夹杂、气孔、热裂纹、冷裂纹、脆化等缺陷。

故而把握和调整焊缝金属的凝固和相变过程,就成为保证焊接质量的关键。

由此看来,焊接接头是由两局部所组成,即焊缝和热影响区,其间有过渡区,称为熔合区。

焊接时除必需保证焊缝金属的性能之外,还必需保证焊接热影响区的性能。

四、焊接温度场:〔一〕焊接传热的根本形式:在熔焊的条件下,由热源传热给焊件的热量,主要是以辐射和对流为主,而母材和焊条〔焊丝〕获得热能之后,热的传播则是以热传导为主。

焊接传热过程所争辩的内容主要是焊件上的温度分布及其随时间的温度变化何题,因争辩焊接温度场,是以热传导为主,适当考虑辐射和对流的作用。

〔二〕焊接温度场的一般特征:焊接时焊件上各点的温度每一瞬时都在变化,而且是有规律地变化。

焊件上〔包括内部〕某瞬时的温度分布称为“温度场。

焊接温度场的分布状况可以用等温线或等温面表示。

所谓等温线或等温面,就是把焊件上瞬时温度一样的各点连接在一起,成为一条线或一个面。

各个等温线或等温面彼此之间不能相交,而存在确定的温度差,这个温度差的大小可以用温度梯度来表示。

焊接温度场各点的温度不随时间而变动时,称为稳定温度场;随时间而变动时,称为非稳定温度场。

在绝大多数状况下,焊件上各点的温度是随时间变动的,因此焊接温度场应属非稳定温度场。

恒定热功率的热源固定作用在焊件上时〔相当于补焊缺陷的状况〕,开头一段时间内,,形成了临时稳定的温度场〔即各点的温度不随时间而变〕,把这种状况称为准稳定温度场。

对于正常焊接条件下的移动热源,经过确定时间之后,焊件上同样会形成准稳定温度场,这时焊件上各点温度虽然随时间而变化,但各点以固定的温度跟随热源一起移动,也就是说,这个温度场与热源以同样的速度跟踪。

假设承受移动坐标系,坐标原点与热源中心重合,则焊件上各点的温度只取决于这个系统的空间坐标,而与热源的移动距离和速度无关。

〔三〕影响温度场的因素:〔〕热源的性质:一般电弧焊的条件下,25以上的钢板就可以认为是点状热源,而100以上的厚钢板电渣焊时却是线状热源。

电子束和激光焊接时,热能极其集中,所以温度场的范围很小;而气焊时,热源作用的面积较大,因此温度场的范围也大。

〔2〕焊接线能量〔3〕被焊金属的热物理性质〔热导率:表示金属导热的力气,它的物理意义是在单位时间内,沿法线方向单位距离相差℃时经过单位面积所传递的热能。

2比热容:1克物质每上升1℃所需的热谓之比热容。

3容积比热容:单位体积物质每上升℃所需的热量称为容积比热容,用ρ表示。

4〕热集中率:热集中率是表示温度传播的速度。

5热焓〔〕单位物质所具有的全部热能,它与温度有关。

6外表散热系数:外表散热系数的物理意义是散热体外表与四周介质每相差1℃时,在单位时间内单位面积所散失的热量。

依据试验,在焊接过程中所散失的热能,在静止的空气中主要是通过辐射,而对流的作用很小。

因此,当焊接不锈钢和耐热钢时,所选用的焊接线能量〔的比值〕应比焊接低碳钢时要小。

相反,焊接铜和铝时,由于导热性能良好,因此应选用比焊接低碳钢更大的线能量。

〕4〕焊件的板厚及形状:〔厚板焊接构造2薄板焊接构造〕第一章焊接化学冶金:在熔焊过程中,焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程,称为焊接化学冶金过程。

它主要争辩在各种焊接工艺条件下,冶金反响与焊缝金属成分、性能之间的关系及其变化规律。

争辩的目的在于运用这些规律合理地选择焊接材料,把握焊缝金属的成分和性能使之符合使用要求,设计制造的焊接材料。

第一节焊接化学冶金过程的特点一、焊条熔化及熔池形成:〔一〕焊条的加热及熔化::电弧焊时用于加热和熔化焊条〔或焊丝〕的热能有:电阻热、电弧热和化学反响热。

在使用大电流密度焊接时,由于电阻热过大,焊芯和药皮的温升过高,将引起许多不良的后果。

如飞溅增加,药皮开裂或脱落,药皮丢失冶金作用,焊缝成形变坏,,,手工电弧焊时,应严格限制焊芯和药皮的加热温度。

焊条金属的平均熔化速度:在单位时间内熔化的焊芯质量或长度称为焊条金属的平均熔化速度。

试验说明,在正常的焊接工艺参数范围内,焊条金属的平均熔化速度与焊接电流成正比。

在焊接过程中并非全部熔化的焊条金属都进入了熔池形成焊缝,而是有一局部损失。

通常把单位时间内真正进入焊缝金属的那一局部金属的质量叫平均熔敷速度。

在焊接过程中由于飞溅、氧化和蒸发损失的那一局部金属质量与熔化的焊芯质量之比,称为损失系数。

熔敷系数是真正反映焊接生产率的指标。

焊条金属熔滴及其过渡特性:在电弧热的作用下,焊条端部熔化形成的滴状液态金属称为熔滴。

〔〕熔滴过渡的形式:用药皮焊条焊接时,主要有三种过渡形式:短路过渡、颗粒状过渡和附壁过渡。

短路过渡的过程是:在短弧焊时焊条端部的熔滴长大到确定的尺寸就与熔池发生接触,形成短路,,,形成稳定的短路过渡过程。

颗粒状过渡过程是;当电弧的长度足够长时,焊条端部的熔滴长大到较大的尺寸,然后在各种力的作用下,以颗粒状落入熔池,此时不发生短路,接着进展下一个过渡周期。

附壁过渡是指熔滴沿着焊条端部的药皮套简壁向熔池过渡的形式。

溶滴的过渡形式、尺寸和过渡频率取决于药皮的成分与厚度、焊芯直径、焊接电流和极性等因素。

一般讲,碱性焊条在较大的焊接电流范围内主要是短路过渡和大颗粒状过渡。

用酸性焊条焊接时为细颗粒状过渡和附壁过渡。

熔滴的比外表积和相互作用时间:焊接时金属与熔渣和气体的相互作用属于高温多相反响,因此熔滴的比外表积和它与四周介质相互作用的时间,对熔滴阶段的冶金反响有很大的影响。

熔滴越细其比外表积越大。

因此,但凡能使熔滴变细的因素,如增大焊接电流或在药皮中参与外表活性物质等,都能使熔滴的比外表积增大,从而有利于加强冶金反响。

熔滴的温度:熔滴的温度是争辩熔滴阶段各种物理化学反响时不行缺少的重要参数。

试验说明,熔滴的平均温度随焊接电流的增加而上升,随焊丝直径的增加而降低。

最终应指出,药皮熔化后形成的熔渣也向熔池过渡,有两种过渡形式:一是以薄膜的形式包在熔滴外面或夹在熔滴内同熔滴一起落入熔池;二是直接从焊条端部流入熔池或以滴状落入熔池。

当药皮厚度大时才会毁灭其次种过渡形式。

〔二〕熔池的形成:熔焊时,在热源的作用下焊条熔化的同时被焊金属也发生局部熔化。

母材上由熔化的焊条金属与局部熔化的母材所组成的具有确定几何形状的液体金属叫熔池。

如焊接时不填充金属,则熔池仅由局部熔化的母材组成。

:熔池的形成需要确定的时间,这段时间叫作过渡时期。

经过过渡时期以后就进入准稳定时期,这时熔池的形状、尺寸和质量不再变化,只取决子母材的种类和焊接工艺条件,并随热源作同步运动。

,随着电流的增加熔池的最大宽度减小,而最大深度增大;随着电弧电压的增加,增大,减小。

熔池的上外表积取决于焊接方法和焊接工艺参数,比熔滴的比外表积小。

:溶池在液态存在的最大时间取决于溶池的长度和焊速。

熔池中各种物化反响的时间是短暂的,然而比熔滴阶段长。

熔池的温度:在熔池内的温度分布是不匀称的,在熔池的前部,输入的热量大于散失的热量,所以随热源的移动,母材不断熔化。

处于电弧下面的熔池表而〔熔池中部〕温度最高。

熔池后部的温度慢慢下降,由于此处输入的热量小于散失的热量,所以不断发生金属的凝固。

熔池的平均温度主要取决于母材的性质和散热的条件。

熔池中流体的运动状态:熔池中的液体金属在各种力的作用下,将发生猛烈的运动,正是这种运动使得熔池中的热量和质量的传输过程得以进展。

熔化的母材由熔池前部沿结晶前沿的弯曲外表对熔池的后部运动。

而在熔池的外表上,液态金属由熔池的后部向中心运动。

争辩说明,焊接工艺参数、焊接材料的成分、电极直径及其倾斜角度、馈电位置等都对熔池中的运动状态有很大的影响。

熔池的作用:熔池中液态金属的猛烈适动,使熔化的母材和焊条金属能够很好的混合,形成成分匀称的焊缝金属。

其次,熔池中的运动有利于气体和非金属夹杂物的外逸,加速冶金反响,消退焊接缺陷〔如气孔〕,提高焊接质量。

二、焊接过程中对金属的爱护:〔一〕爱护的必要性:为了提高焊缝金属的质量,把熔焊方法用于制造重要构造,就必需尽量削减焊缝金属中有害杂质的含量和有益合金元素的损失,使焊缝金属得到相宜的化学成分。

因此,焊接化学冶金的首要任务就是对焊接区内的金属加强爱护,以免受空气的有害作用。

〔二〕爱护的方式和效果:各种爱护方式的爱护效果是不同的。

例如,埋弧焊是利用焊剂及其熔化以后形成的熔渣隔离空气爱护金属的,焊剂的爱护效果取决于焊剂的粒度和构造。

多孔性的浮石状焊剂比玻璃状的焊剂具有更大的外表积,吸附的空气更多,因此爱护效果较差。

试验说明,焊剂的粒度越大,其松装密度〔单位体积内焊剂的质量〕越小,透气性越大,焊缝金属中含氮量越多,说明爱护效果越差。

但是不应当认为焊剂的松装密度越大越好。

由于当熔池中有大量气体析出时,假设松装密度过大,则透气性过小,将阻碍气体外逸,促使焊缝中形成气孔,使焊缝外表毁灭压坑等缺陷,所以焊剂应当有适当的透气性。

埋弧焊比手工电弧焊的爱护效果好。

气体爱护焊的爱护效果取决于爱护气的性质与纯度、焊炬的构造、气流的特性等因素。

一般来说,惰性气体〔氢、氦等〕的爱护效果是比较好的,因此适用于焊接合金钢和化学活性金属及其合金。

焊条药皮和焊丝药芯一般是由造气剂、。

造渣剂熔化以后形成熔渣,掩盖在熔滴和熔池的外表上将空气隔开。

熔渣凝固以后,在焊缝上面形成渣壳,可以防止处于高温的焊缝金属与空气接触。

同时造气剂〔主要是有机物和碳酸盐等〕受热以后分解,析出大量气体。

这些气体在药皮套简中被电弧加热膨胀,从而形成定向气流吹向熔池,将焊接区与空气离开。

用焊条和药芯焊丝焊接时的爱护效果,取决于其中爱护材料的含量、熔渣的性质和焊接工艺参数等,并用熔敷金属中的含氮量多少衡量爱护的好坏。

随着药芯焊丝中爱护材料含量的增加,熔敷金属中的含氮量削减。

过分增加其含量,则药芯的熔化将落后于金属外皮,从而使爱护效果变坏。

焊条熔化时析出的气体数量越多,熔敷金属中的含氮量越少。

自爱护焊是利用特制的实心或药芯光焊丝在空气中焊接的一种方法。

它不是利用机械隔离空气的方法来爱护金属,而是在焊丝或药芯中参与脱氧和脱氮剂,使由空气进入熔化金属中的氧和氮进入熔渣中,故称自爱护。

三、焊接化学冶金反响区及其反响条件:不同焊接方法有不同的反响区。

手工电弧焊时有三个反响区药皮反响区、熔滴反响区和熔池反响区;熔化极气体爱护焊时,只有熔滴和熔池地带反响区;不填充金属的气焊、钨极氩弧焊和电子束焊接只有一个熔池反响区。

现以手工电弧焊为例加以争辩。

〔一〕药皮反响区:在该区内的主要物化反响有:水分的蒸发、某些物质的分解和铁合金的氧化。

当药皮加热到确定温度时,其中的有机物,如木粉、纤维素和淀粉等则开头分解和燃烧,形成、2、,形成2、2等气体。

上述物化反响产生的大量气体,一方面对熔化金属有机械爱护作用,另一方面对被焊金属和药皮中的铁合金〔如锰铁、硅铁和钛铁等〕,温度高于600℃就会发生铁合金的明显氧化,结果使气相的氧化性大大下降。

这个过程即所谓“先期脱氧”。

药皮反响阶段可视为预备阶段。

由于这一阶段反响的产物可作为熔滴和熔池阶段的反响物,所以它对整个焊接化学冶金过程和焊接质量有确定的影响。

〔二〕熔滴反响区:从熔滴形成、长大到过渡至熔池中都属于熔滴反响区。

从反响条件看,这个区有以下特点:〔接触时间〕短〔熔滴阶段的反响主要是在焊条末端进展的〕。

由上述特点可知,在该区的反响时间虽短,但因温度高,相接触面积大,并有猛烈的混合作用,所以冶金反响最猛烈,许多反响可到达接近终了的程度,因而对焊缝成分影响最大。

在熔滴反响区进展的主要物化反响有:气体的分解和溶解、金属的蒸发、金属及其合金成分的氧化和复原,以及焊缝金属的合金化等。

〔三〕熔池反响区:熔滴和熔渣落入熔池后,各相之间进一步发生物化反响,直至金属凝固,形成焊缝金属。

:与熔滴相比,熔池的平均温度较低,比外表积较小,反响时间稍长些。

熔池的突出特点之一是温度分布极不匀称,因此在熔池的前部和后部反响可以同时向相反的方向进展。

例如在熔池的前部发生金属的熔化、气体的吸取,并有利于进展吸热反响;而在溶池的后部却发生金属的凝固、气体的逸出,并有利于进展放热反响。

此外,熔池中的猛烈运动,有助于加快反响速度,:熔池反响区的化学条件与熔滴反响区也有所不同。

首先,熔池阶段系统中反响物的浓度与平衡浓度之差比熔滴阶段小,所以在其余条件一样的状况下熔池中的反响速度比熔滴中要小。

其次,当药皮重量系数〔单位长度上药皮与焊芯的质量比〕较大时,参加和熔池金属作用的熔渣数量比参加和熔滴金属作用的数量多。

由于。

大时有一局部熔渣直接流入熔池,而不与熔滴发生作用,,用具有氧化型药皮的焊条焊接时,随着的增加硅在熔滴和熔敷金属中的含量开头时都快速削减〔即硅的氧化损失增加〕。

但当=18〔相当药皮厚度为1〕时,熔滴中硅的氧化损失趋于稳定,面熔池中依靠没有与熔滴接触的那一局部溶渣使硅连续氧化。

因此可以认为存在一个临界药皮厚度。

,在。

以外的药皮所形成的熔渣不与熔滴接触,。

。

取决于药皮的成分和焊接工艺参数。

最终熔池反响区的反响物质是不断更的。

熔化的母材、焊芯和药皮不断进入熔池的前部,凝固的金属和熔渣不断从熔池后部退出反响区。

在焊接标准恒定的状况下,这种物质的更替过程可以到达相对稳定状态,从而得到成分匀称的焊缝金属。

由上述熔池反响区的物理、化学条件可以得出结论:熔池阶段的反响速度比熔滴阶段小,并且在整个反响过程中的奉献也较小。

〔如大厚度药皮〕,熔池中的反响也有相当大的奉献。

总之,焊接化学冶金过程是分区域连续进展的。

在熔滴阶段进展的反响多数在熔池阶段将连续进行,但也有的停顿反响甚至转变反响方向。

各阶段冶金反响的综合结果,准备了焊缝金属的最终化学成分。

四、焊接工艺条件与化学冶金反响的关系:焊接化学冶金过程与焊接工艺条件有亲热的联系。

转变焊接工艺条件〔如焊接方法、焊接工艺参数等〕必定引起冶金反响条件〔反响物的种类、数量、浓度、温度、反响时间等〕的变化,。

〔一〕熔合比的影响:一般熔焊时,焊缝金属是由填充金属和局部熔化的母材组成的。

在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比。

熔合比取决于焊接方法、标准、接头形式和板厚、坡口角度和形式、母材性质、焊接材料种类以及焊条〔焊丝〕的倾角等因素。

当母材和填充金属的成分不同时,熔合比对焊缝金属的成分有很大的影响。

假设焊接时合金元素没有任何损失,则这时焊缝金属中的合金元素浓度称为原始浓度。

通过转变熔合比可以转变焊缝金属的化学成分。

,要保证焊缝金属成分和性能的稳定性,必需严格把握焊接工艺条件,使熔合比稳定、合理。

在堆焊时,总是调整焊接标准使熔合比尽可能的小,以削减母材成分对堆焊层性能的影响。

在焊接异种钢时,熔合比对焊缝金属成分和性能的影响甚大,因此要依据熔合比选择焊接材料。

〔二〕熔滴过渡特性的影响:焊接工艺参数对熔滴过渡恃性有很大影响,因此对冶金反响也必定发生影响。

试验说明,熔滴阶段的反响时间〔或熔滴存在的时间〕随着焊接电流的增加而变短,,可以断定反响进展的程度将随电流的增加而减小,随电压的增加而增大。

2爱护焊时,焊丝中硅的氧化损失也有类似的状况。

增大焊接电流,熔滴过渡频率增加,氧化反响的时间变短,,氧化反响的时间增长,硅的损失率增大。

此外,短路过渡比大颗粒过渡时硅的损失小,缘由是短路过渡时熔滴与2,的反响时间较短。

五、焊接化学冶金系统及其不平衡性:焊接化学冶金系统是一个简洁的高温多相反响系统。

依据焊接方法不同,组成系统的相也不同。

例如,手工电弧焊和埋弧焊时,系统内有三个相互作用的相,即液态金属、熔渣和电弧气氛,气体爱护焊时,主要是气相与金属相之间的相互作用;而电渣焊时,主要是熔渣与金属之间的作用。

由物理化学可知,多相反响是在相界面上进展的,并与传质、传热和动量传输过程亲热相关。

其次节气相对金属的作用一、焊接区内的气体:〔一〕气体的来源和产生:焊接区内气体的主要来源是什么他们是怎样产生的焊接区内的气体主要来源于焊接材料。

气电焊时,焊接区内的气体主要来自所承受的爱护气体及其杂质〔氧、氮、水气等〕。

:1有机物的分解和燃烧:制造焊条时常用淀粉、纤维素等有机物作为造气剂和涂料增塑剂,焊丝和母材外表上也可能存在油污等有机物,这些物质受热以后将发生简洁的分解和燃烧反映,统称为热氧化分解反响。

2碳酸盐和高价氧化物的分解:焊接冶金中常用的碳酸盐有白云石、碳酸钙等。

这些碳酸盐在加热超过确定温度时开头分解,生成气体2。

3材料的蒸发:在焊接过程中,除焊接材料中的水分发生蒸发外,金属元素熔渣的各种成分也在电弧的高温作用下发生蒸发,形成相当多的蒸气。

除上述物化反响产生气体外,还有一些冶金反响也会产生气态产物。

〔二〕气体分解:简洁气体的分解:焊接区气相中常见的简洁气体有2、2、2等双原子气体。

,将使原子健断开,分解为单个原子或离子和电子。

.简洁气体的分解:2和20是焊接冶金中常见的简洁气体。

〔三〕气相的成分及其分布:气相的成分和数量随焊接方法、标准、焊条或焊剂的种类不同而变化。

可以看出,用低氢型焊条焊接时,气相中含2和2很少,故称‘低氢型”。

埋弧焊和中性焰气焊时,气相中含2和2很少,因而气相的氧化性很小;相反,手弧焊时气相的氧化性相对较大。

综上所述,焊接区内的气体是由2、2、2、2、2、金属和熔渣的蒸气以及它们分解和电离的产物组成的混合物。

其中对焊接质量影响最大的是2、2、02、2、20。

二、氮对金属的作用:焊接区四周的空气是气相中氮的主要来源。

依据氮与金属作用的特点,大致可分为两种状况。

一种是不与氮发生作用的金属,如铜和镍等,它们既不溶解氮,又不形成氮化物,因此焊接这一类金属可用氮作为爱护气体,另一种是与氮发生作用的金属,如铁、钛等既能溶解氮,又能与氮形成稳定的氮化物,焊接这一类金属及合金时,防止焊缝金属的氮化是一个重要问题。

〔一〕氮在金属中的溶解:气体的溶解过程可分为如下阶段:气体分子向气体与金属界面上运动;气体被金属外表吸附。

在金属外表上分解为原子;气体原子穿过金属外表层,并向金属深处集中。

这个过程不受电场影响,属于纯化学溶解。

降低气相中氮的分压可以削减金属中的含氮量。

电弧焊时的气体溶解过程比一般的气体溶解过程要简洁得多。

其特点是,熔化金属过热度大;在熔池外表上通过局部活性局部和熔滴吸取气体;电弧气氛中有受激的分子、原子和离子,这增加了气体的活性,使其在金属中的溶解度增加。

所以电弧焊时熔化金属吸取的气体量经常要超过它的平衡含量〔溶解度〕。

电弧焊时熔化金属的含氮量高于溶解度的主要缘由在于:电弧中受激的氮分子,特殊是氮原子的溶解速度比没受激的氮分子要快得多;电弧中的氮离子可在阴极溶解;在氧化性电弧气氛中形成,遇到温度较低的液态金属它分解为和0,快速溶于金属。

〔二〕氮对焊接质量的影响:在碳钢焊缝中氮是有害的杂质。

氮是促使焊缝产生气孔的主要缘由之一。

氮是提凹凸碳钢和低合金钢焊缝金属强度、降低塑性和韧性的元素。

氮是促使焊缝金属时效脆化的元素。

〔三〕影响焊缝含氮量的因素及把握措施:焊接区爱护的影响:液态金属脱氮比较困难,所以把握氮的主要措施是加强爱护,防止空气与金属作用。

焊接工艺参数的影响:增加电弧电压〔即增加电弧长度〕,导致爱护变坏,氮与熔滴的作用时间增长,故使焊缝金属含氮量增加。

在熔渣爱护不良的状况下,电弧长度对焊缝含氮量的影响尤其重要。

为削减焊缝中的气体含量应尽量承受短弧焊。

增加焊接电流,熔滴过渡频率增加,氮与熔滴的作用时间缩短,焊缝含氮量下降。

合金元素的影响:增加焊丝或药皮中的含碳量可降低焊缝中的含氮量。

这是由于碳能降低氮在铁中的溶解度;碳氧化生成、2加强了爱护,降低了气相中氮的分压;碳氧化引起的熔池沸腾有利干氮的逸出。

三、氢对金属的作用:焊接时,氢主要来源于焊接材料中的水分、含氢物质及电弧四周空气中的水蒸气等。

〔一〕氢在金属中的溶解依据氢与金属作用的特点可把金属分为两类:第一类是能形成稳定氢化物的金属,如、、、、等。

这类金属吸取氢的反响是放热反响,因此在较低温度下吸氢量大,在高温时吸氢量少。

焊接这类金属及合金时,必需防止在固态下吸取大量的氢,否则将严峻影响接头质量。

其次类是不形成稳定氢化物的金属,如、、、、、等。

但氢能够溶于这类金属及其合金中,溶解反响是吸热反响。

焊接方法不同,氢向金属中溶解的途径也不同。

气体爱护焊时,氢是通过气相与液态金属的界面以原子或质子的形式溶入金属的;电渣焊和电渣熔炼时,氢是通过渣层溶入金属的,而手工电弧焊和埋弧焊时,似上述两种途径兼而有之。

氢通过熔渣向金属中溶解时,氢或者水蒸气首先溶于熔渣。

溶解在渣中的氢主要以-离子的形式存在。

渣中自由氧离子浓度越大〔即熔渣的碱度越大〕,水在渣中的溶解度越大。

氧离子活度是准备水在渣中溶解度的主要因素。

此外,在焊接熔渣中还有少量的质子,它可以通过集中或搅拌作用到达熔渣与金属的界面上,直接溶入金属。

总之,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、***化物的含量和金属中的含氧量等因素。

当氮通过气相向金属中过渡时,其溶解度取决于氢的状态。

这就是说,熔滴阶段吸取的氢比熔池阶段多,连续升温,由于金属蒸