焊接气孔与夹杂形成机理与防止措施

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3、焊缝中的夹杂物
焊缝中的氮化物夹杂多在焊接保护不良时出现，对于低碳钢
和低合金钢，主要的氮化物是 Fe4N，在时效过程中过饱和 析出，并以针状分布在晶粒上或贯穿晶界。 焊缝中的硫化物夹杂主要有 MnS 和 FeS 两种。 FeS 通常沿 晶界析出，并与Fe或FeO形成低熔点共晶。
低碳钢焊缝存在的氧化物夹杂主要是 SiO2 、 MnO 、 TiO2
和Al2O3等，一般以硅酸盐的形式存在。
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防止焊缝产生夹杂物的措施
正确地选择原材料（包括母材和焊接材料），母材、 焊丝中的夹杂物应尽量少，焊条、焊剂应具有良好的脱 氧、脱硫效果； 注意工艺操作，如选择合适的工艺参数；适当摆动焊 条以便于熔渣浮出；加强熔池保护，防止空气侵入；多 层焊时清除前一道焊缝的熔渣等。
析出性气孔
侵入性气孔 反应性气孔
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1、析出性气孔
液态金属在冷却凝固过程中，因气体溶解度下降，
析出的气体来不及逸出而产生的气孔称为析出性气
孔。这类气孔主要是氢气孔和氮气孔。 溶解在液态金属中的气体元素在凝固时也会出现 偏析。一般最后凝固部位的枝晶间气体浓度远高于 平均浓度，且由于此时液态金属中杂质元素的浓度 也很高，便为析出性气体的形核创造了有利条件。
3、反应性气孔
焊缝金属中存在的反应性气孔通常是 CO气孔， 液态金属内部或与铸型之间发生化学反应而产生 是由液态金属中的 [O] 与 [C] 直接反应生成。 的反应性气孔：
金属与铸型间的反应性气孔 金属与熔渣间的反应性气孔
液态金属内元素间的反应性气孔
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夹杂物从液相中析出时尺寸很小（仅有几个微米），数量 却很多（数量级可达108个/cm3）。由于对流或密度差上浮
在对金属进行脱氧、脱硫和孕育处理时，从液态
或下沉，发生高频率的碰撞和机械粘连。夹杂物粗化后运
动速度加快，以更高的速度与其他夹杂物碰撞、聚合长大。
金属中偏晶析出，使金属中杂质元素含量降低：
T 0 L1 L2 Am Bn 熔点较低的夹杂物会重新熔化，尺寸大、密度小的夹杂物
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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2、铸件中的夹杂物
初生夹杂物
二次氧化夹杂物
次生夹杂物
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初生夹杂物
在金属熔炼过程中及炉前处理时形成，经历
偏晶析出和聚合长大两个阶段。
（ ）夹杂物的聚合长大 （ 12 ）夹杂物的偏晶析出
夹杂物对金属性能的影响
夹杂物破坏了金属的连续性，使强度和塑性下降； 尖角形夹杂物易引起应力集中，显著降低冲击韧性和疲 劳强度； 易熔夹杂物分布于晶界，不仅降低强度且能引起热裂； 促进气孔的形成，既能吸附气体，又促使气泡形核； 在某些情况下，也可利用夹杂物改善金属的某些性能， 如提高材料的硬度、增加耐磨性以及细化金属组织等。
当采用石灰石砂型时，若有砂粒进入钢液 会发生：
CaCO 3 CaO CO 2
CO 2 Fe FeO CO
熔渣作为气孔形核的基底，最终形成的气孔内含有白色的 CaO 与 FeO 残渣所以又称为渣气孔。
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液态金属内元素间的反应性气孔
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气体的析出过程
高温下溶解在液态金属中 2
气体元素的析出方式有： r
2 g ( ) r 2 m B 形成化合物析出； 9 聚集成气泡析出。
p
气泡 a) 气泡
扩散析出；
后者析出过程为：
形 核
长 大 上 浮
气泡的半径越小，或液态金属的密度越小、粘度越 气泡内各气体分压的总和大于气泡所受的外 b) 气泡依附于现成表面生核可以降低形核功， 大，气泡上浮速度越小。若气泡上浮速度小于结晶 部压力总和时气泡才能长大。气泡尺寸越小， 图11-11 气泡脱离现成表面示意图 相邻枝晶间的凹陷部位最容易形核。 速度，气泡就会滞留在凝固金属中形成气孔。 由表面张力所产生的附加压力越大。 a）θ＜90° b）θ＞90°
（2）氢-氧反应性气孔
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二、夹杂物的形成及防止措施
夹杂物的来源及分类 铸件中的夹杂物
焊缝中的夹杂物
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1、夹杂物的来源及分类
自身杂质
主要 来源 反应产物
炉料中的杂质
焊材、母材中的杂质
熔炼过程反应产物
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SH/mL.(100g)-1
T/℃ 氢在不同金属中的溶解度
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属内形成孔洞。这种因气体分子聚集而产生的孔洞 则的气孔，则会增加缺口的敏感性，使金属的强度
称为气孔。 下降和抗疲劳能力降低。
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一、气孔的分类及形成机理 二、夹杂物的形成及防止措施
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一、气孔的分类及形成机理
金属与铸型间的反应性气孔
与侵入型气孔的区别在于反应性气孔来源于液态金 属与铸型间的化学冶金作用，而侵入型气孔主要是高温
金属-铸型间反应性气孔常分布在铸件表面皮
下 1～3 mm 处，通称为皮下气孔，其形状有球状
和梨状，孔径约 1～3 mm 。有些皮下气孔呈细长
含氮树脂砂分解 → N2
[ Fe ] + { H2O } → [ FeO ] + H2
则会浮到液态金属表面。
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二次氧化夹杂物
液态金属与大气或氧化性气体接触时，会很快
氧化形成氧化薄膜。在浇注及充型过程中，表面
氧化膜会被卷入液态金属内部，而此时液体的温度
下降较快，卷入的氧化物在凝固前来不及上浮到表
面，便在金属中形成二次氧化夹杂物。这类夹杂物
（1）碳-氧反应性气孔
凝固时来不及浮出的气泡形成 CO 气孔。铸件中的 CO 溶解在液态金属中的[O]和[H] 反应生成 H2O 气 气孔多呈蜂窝状（其周围出现脱碳层），而焊缝中的 （3）碳-氢反应性气孔 泡，产生水气孔。这类气孔主要出现在铜合金铸件中。 CO 气孔为沿结晶方向的条虫状。 铸件最后凝固的液相中，含有较高浓度的 [ H ] 和 [ C ] 时，将生成甲烷（CH4）气孔。 溶解在液态金属中的氧与碳反应，生成CO气泡，
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侵入性气孔的特征
侵入性气孔的特征是数量较少、体积较大、孔
壁光滑、表面有氧化色，常出现在铸件表层或近表
层。形状多呈梨形、椭圆形或圆形，梨尖一般指向
气体侵入的方向。侵入的气体一般是水蒸气、一氧
化碳、二氧化碳、氢、氮和碳氢化合物等。
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液态金属对铸型的物理作用。
状，垂直于铸件表面，深度可达 10 mm 左右。 金属(或铸型)中的 C 氧化 → CO
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金属与熔渣间的反应性气孔
当液态金属中含有混入的熔渣（ FeO）时，会和液态金属 （或铸型）中的 C 反应：
FeO C Fe CO
与周围介质（气、固、液态） 间的反应产物
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按夹杂物化学成分
夹 杂 物 的 分 类
氧化物 硫化物 硅酸盐 初生夹杂物 次生夹杂物 二次氧化夹杂物
按夹杂物形成时间
按夹杂物形状
球形 多面体 不规则多角形 条状
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般成堆出现，形似蜂窝。
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2、侵入性气孔
将液态金属浇入砂型时，砂型或砂芯在金属液的
高温作用下会产生大量气体，随着温度的升高和气
体量的增加，金属 - 铸型界面处气体的压力不断增 大。当界面上局部气体的压力高于外界阻力时，气 体就会侵入液态金属，在型壁上形成气泡。气泡形 成后将脱离型壁，浮入型腔液态金属中。当气泡来 不及上浮逸出时，就会在金属中形成侵入性气孔。
常出现在铸件上表面、型芯下表面或死角处。
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次生夹杂物
次生夹杂物是指 合金凝固过程中 ，由于偏析， 溶质元素及杂质元素将富集于枝晶间尚未凝固的
液相内，处于过饱和状态而发生偏晶反应：
L1→β ＋ L2 ，析出非金属夹杂物 β 。由于夹杂物 是从偏析液相中产生的，因此又称为偏析夹杂物。
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第二节 气孔与夹杂
气体在金属中的含量超过其溶解度，或侵入的 气孔是铸件或焊件最常见的缺陷之一。气孔的存
气体不被金属溶解时，会以分子状态的气泡存在于 在不仅减小金属的有效承载面积，而且使局部造成
液态金属中。若凝固前气泡来不及排除，就会在金 应力集中，成为零件断裂的裂纹源。一些形状不规
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析出性气孔的特征
析出性气孔通常分布在铸件的整个断面或冒口、热节等 温度较高的区域。当金属含气量较少时，呈裂纹多角形状； 而含气量较多时，气孔较大，呈团球形。
焊缝金属产生的析出性气孔
多数出现在焊缝表面。氢气孔 的断面形状如同螺钉状，从焊 缝表面上看呈喇叭口形，气孔 四周有光滑的内壁。氮气孔一