【精品】焊接区气体对焊缝金属的作用

焊接区内气体对焊缝金属的作用和控制措施
潘蛟亮
（宁波技工学校，浙江宁波315030)
[摘要］：焊接过程中,熔池周围充满了大量的气体,这些气体不断与熔池金属发生作用，影响焊缝金属的成分和性能，决定着焊接接头的质量。

本文简述了焊接区内的气体来源，分析了氢、氧、氮三种气相会对焊接质量产生的影响，并提出了相应的措施.
关键词：气相，焊接质量，裂纹
焊接区内，气体成分比较多,在焊接过程中,熔池周围充满着各种气体。

这些气体和熔渣与熔化金属之间不断地进行复杂的冶金反应（氧化与还原、有害杂质去除等）,影响焊缝金属的成分和性能。

所以，首先要知道焊接区气体的来源、成分和数量，并采取有效措施减少和消除气体带来的不利影响。

一、焊接区内的气体
焊接区内的气体主要来源于以下几个方面
1、焊接材料，焊条药皮、焊剂和焊丝药芯中含有造气剂、高价氧化物和水分都是气体的重要来源。

2、热源周围的气体介质,药皮或焊剂中的造气剂所产生的气体并不能完全隔绝热源周围空气的入侵，空气也有可能进入到焊缝金属中.
3、焊丝和母材表面上的杂质，如焊丝表面上和母材坡口附近的铁皮、油污、
铁锈、吸附的水分等，在焊接高温加热时也会析出气体进入电弧区.
4、高温蒸发所产生的气体,电弧区的温度很高，达到了金属和熔渣的沸点，是部分金属和熔渣蒸发，以气体的形态存在于电弧的气相中。

焊接区内的气体主要成分是CO、H2、H2O(水蒸气）、CO2和少量的氮，这些气体在高温时，这些气体在高温时将分解出一定的氧,以及它们分解或电离的产物所组成的混合物。

气体中，以氢、氮、氧三种气体对焊缝金属质量的影响最大。

二、氢对金属的作用及其控制
1、氢在金属中的溶解
对于氢氧氮这样的双原子气体来说，必须分解为原子或离子才能溶于金属。

一定温度下，气体在金属中的最大含量称为此气体的溶解度（氢的溶解度用SH 表示）。

氢在铁中的溶解度与温度的关系见图1。

图1氮、氢在铁中的溶解度与温度的关系
（
kPa
P
P
kPa
P
P
e
e
F
H
F
N
101
101
2
2
=
+
=
+或
）
从图中可以看出：
（1）液态铁中
当T<2400℃时，随温度升高，氢的溶解度增大（T↑→S H↑）。

（2）在液固转变点
氢的溶解度发生突变，急剧下降。

这往往是造成氢气孔的主要原因。

（3）固态组织的相变
氢在不同晶体结构中的溶解度是不同的，一般在面心立方晶格的奥氏体钢中的溶解度要比体心立方晶格的铁素体+珠光体钢中的溶解度要大。

2、氢对焊接质量的影响
氢是还原性气体，焊接时有助于减少金属氧化的倾向.但在多数情况下，氢的有害作用可分为两种类型：一种是是暂态现象，包括氢脆和白点，这种现象通过相应的热处理或时效处理使氢自焊件中逸出，即可消除；另一种是永久现象，它们一经出现就无法消除，如气孔、裂纹等。

（1）氢脆是金属在室温时因吸收氢而导致塑性降低的现象。

实验表明，氢对钢的屈服强度与抗拉强度没有明显影响；而塑性，特别是断面收缩率，则随着氢含量的增加而急剧下降。

氢脆现象是溶解在金属晶格中的氢引起的.在金属拉伸过程中，金属中的位错发生运动和堆积，结果形成显微空腔。

溶解在晶格中的原子氢不断沿着位错运动的方向扩散，最后聚集到显微空腔内,结合为分子氢。

这个过程的发展使空腔内产生很高的压力，导致金属变脆.
（2）冷裂纹，在焊接接头中，冷裂纹是危害性极大的一种焊接缺陷，而氢是促使冷裂纹产生的主要因素之一.焊接时，溶解于焊缝中的氢，在冷却过程中溶解度下降，会向热影响区扩散。

当某区域氢浓度很高而温度下降时，会向热影响区扩散。

当某区域氢浓度很高而温度下降时，一些氢原子结合成氢分子，会在金属内部造成很大局部应力.对于淬硬倾向大的材料,在约束应力作用下就会产生冷裂纹。

（3）白点,是含氢量高的碳钢或低合金钢焊缝，在拉伸或弯曲试件断面上出现的银白色圆形斑点。

许多情况下，白点的中心有小夹杂物或气孔，好象鱼眼一样，所以又称为鱼眼。

白点是在塑性变形过程中产生的，使焊缝塑性严重下降.
“诱捕理论”解释:焊缝中的气孔及非金属夹杂物边缘的空隙,好象“陷阱”一样捕捉氢原子，并在其中结合成氢分子，在拉伸试验中“陷阱"中的氢分子被吸附。

由于塑性变形新产生的微裂纹表面上，分解成原子氢，原子氢扩散到微裂纹金属晶格内,引起金属脆化.
3、限制氢的措施
限制焊接材料中的氢含量，在焊条药皮、焊剂和焊丝药芯的制造材料中，都不同程度含有吸附水、结晶水或溶解的氢,在焊接高温时，这些物质会分解为氢而溶入到焊缝金属中,危害其性能。

清除焊件和焊丝表面的杂质,焊件坡口及焊丝表面的氧化膜、铁锈中的吸附水和化合水，以及油污、水渍是焊缝金属中氢的又一主要来源.
进行冶金处理，通过焊条药皮和焊剂的冶金作用,改变电弧气氛的性质，抑制原子氢的产生，从而达到减低氢在液体金属中的溶解度的目的。

控制焊接参数,焊接参数对于焊缝金属的氢含量有一定的影响，焊条电弧焊时,增大焊接电流使熔滴吸收的氢的含量增加，增加电弧电压使焊缝氢含量减少。

气体保护焊时，射流过渡比滴状过渡时熔滴中氢含量低，因为射流过渡时金属的蒸汽压急剧增大，氢的分压力大大下降，熔滴与氢的接触时间缩短。

焊后脱氢处理，利用氢的扩散能力,焊后加热焊件，促使氢扩散逸出，从而减少接头中氢含量的工艺.在生产上,对于易产生冷裂纹的焊件，常常要求进行脱氢处理，一般是加热到300~400°C，保温若干个小时。

二、氮对金属的作用及其控制
1、氮对焊接质量的影响
气相中的氮主要来源于焊接区周围的空气。

它在高温时溶入熔池中，并能最终留存在焊缝金属中.氮随着温度下降溶解度降低,析出的氮与铁形成化合物，一针状夹杂物形式存在于焊缝金属中。

在碳钢焊缝中，氮对焊接质量有以下几方面的影响：
（1）形成气孔，当焊缝金属结晶速度大于他的速出速度时，氮气在焊缝结晶之前来不及逸出,就留在焊缝金属中形成气孔。

（2）降低焊缝金属的力学性能,氮是提高低碳钢和低合金钢焊缝金属强度、降低塑性和韧性的元素.
（3）时效脆化，焊缝金属中过饱和的氮处于不稳定状态。

经过一段时间,过饱和的氮将以针状的Fe4N析出,导致焊缝金属脆化.
2、控制氮的措施
（1）加强机械保护焊接区的氮主要来源是空气,而且难以采用冶金的办法脱氮，因此加强机械保护是控制焊缝金属氮含量的主要措施
（2）选用合理的焊接参数焊接参数对电弧和液体金属的温度，气体分解的程度及其在气相中的分压，因而也就必然影响金属的氮含量.增加电弧电压导致保护效果变差，氮与熔滴的相互作用时间变长，焊缝金属的氮含量增加。

对于低碳钢而言，氮的溶解是个吸热过程，增加焊接电流使得焊缝中氮含量增加。

（3）控制焊丝金属的成分增加焊丝或药皮中的碳含量可以降低焊缝中氮的含量，这是因为碳能够降低氮在铁中的溶解度
应当指出，上述措施中最有效、最实用的是加强机械保护作用，其他措施都有一定的局限性。

三、氧对金属的作用及其控制
1、氧对焊接质量的影响
通常氧是以原子氧和氧化亚铁两种形式溶解在液态金属中.
（1)随着氧含量的增加，其强度、塑性及韧性指标都要下降，冲击韧性下降尤为明显。

氧还引起热脆性、冷脆性及实效硬化。

（2)导致气孔的产生.溶解在熔池中的氧与熔池金属中的碳反应,生产CO气体，而CO气体与熔池金属是不相容的，如在熔池结晶时CO气泡来不及逸出，则在焊缝中形成CO气孔。

(3)合金元素的烧损，在焊接高温作用下，氧使焊缝金属中有益合金元素烧损，焊缝性能达不到母材的水平。

2、控制氧的措施
在正常的焊接条件下，氧的主要来源不是空气，而是来自焊条药皮、焊剂、保护气体、水分、工件和焊丝表面上的铁锈、氧化膜等。

控制氧的主要措施一是纯化焊接材料和控制焊接参数，二是采用冶金方法进行脱氧。

（1）控制焊接材料的氧含量在焊接某些性能要求比较高的合金钢、合金、活性金属时,尽量少用或不用含氧的焊接材料，杜绝氧的来源。

（2）控制焊接参数焊缝中的氧含量与焊接工艺条件有密切的关系。

增加电弧电压，空气易于侵入焊接区,并增加氧与熔滴接触的时间。

（3）脱氧用控制焊接参数的方法来减少焊缝金属中的氧含量是很瘦限制的,所以必须用冶金的方法进行脱氧，这是实际生产中最有效的方法。

参考文献
[1］张文钺：《焊接冶金学》，机械工业出版社，1999.
[2］王长忠:《焊工工艺与技能训练》,中国劳动社会保障出版社，2001。

[3]周正丰：《焊接冶金学（金属焊接性）》,机械工业出版社，1996.
[4]邓洪军:《金属熔焊原理》,机械工业出版社,2011.。