第十二章焊接冶金缺陷

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当气泡长大到一定程度后， 便会脱离现成表面开始上浮， 如图12-2所示。气泡脱离现成 表面而上浮的能力主要与气泡 和现成表面之间的接触角θ有 关，而接触角θ的大小则取决 于现成表面(S)与气泡(V)之间 的界面张力σSV，现成表面与 熔池金属(M)间的界面张力σSM 和熔池金属与气泡间的界面张 力σMV的大小，即 cosθ = (σSV - σSM)/σMV 如图12-2所示，当θ＜90° 时，气泡容易脱离现成表面， 有利于气泡的逸出；当θ＞ 90°时，气泡要长大到形成颈 缩后才有可能脱离基底。
一、形成气ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的条件
气孔的形成是多种气体(包括CO、H2和N2)共同作用的结果，但通常 其中一种气体是气孔内气体的主要成分。 形成气孔时包括三个阶段：气泡的生核、长大和上浮。如果气泡在 上浮过程中受到阻碍，则将成为气孔保留在焊缝金属中。
1、气泡生核、长大
焊接条件下，气泡的形成需要消耗能量，气泡形核可依附于熔池金 属中的现成表面作为气泡生核的衬底，如相邻枝晶的凹陷处是最易产生 气泡的部位 ，此部位形成气泡所需要的能量最小 。液态金属中气体的 过饱和度越大，越易产生气泡，且气泡稳定存在的临界半径也越小。
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二、气孔类型及其形成原因
形成气孔的气的来源不同，金属中存在的气孔可分为析出型气孔 和反应型气孔两种类型。 1、析出型气孔 析出型气孔是指，高温时熔池金属中溶解了较多的气体，凝固时由 于气体的溶解度突然下降，气体处于过饱和来不及逸出而引起的气孔， 过饱和气体主要是从外部侵入熔池的氢和氮。 凝固温度时，平衡条件下，氢 在铝中溶解度由0.69mL/100g陡降 到0.36mL/100g，凝固前后相差约 18倍，而氢在铁中的溶解度由 25mL/100g陡降到8mL/100g，其 差值仅为固态中的2倍，显然铝比 钢更易产生氢气孔。 氢气孔通常出现在焊缝表面，气孔 的端面形状如同螺钉状，从表面看 呈喇叭口形，内壁光滑，如图12-3 所示。但铝、镁合金的氢气孔也常 常出现在焊缝内部。 UJS--XGF
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式中 K —常数；ρL、ρV —分别为液态金属和气泡的密度； g —重力加速度；r —气泡半径；η —液态金属粘度。 根据以上公式可知： ⑴ R 对产生气孔的影响很大 ⑵ η 液态金属的粘度η也会影响气孔的形成。 ⑶ ρL 由于气泡密度远小于液态金属的密度，因而气泡的浮出速度主要 取决于液态金属的密度。 ⑷ r 气泡半径r越大，越有利于浮出。 ⑸ Vv＞R 通过调整焊接工艺参数，如采用预热或降低焊接速度，增大 或者降低R，使满足Vv＞R的条件，则可以完全消除气孔。 若Vv ≈R，则可形成外表可见到的“外气孔”；若＜R，则将形成外表 难见到的“内气孔”。所以，是否形成“内气孔”或“外气孔”，与气体 种类无关，而主要取决于Vv与R的对比关系。
图12-3氢气孔的特征
2、反应型气孔
熔池中除上述从外部入侵的气体氮和氢外，还有由于冶金反应而 生成的气体。反应型气孔是指由于冶金反应产生的不溶解于金属的气 体，如CO和H2O等引起的气孔。 钢焊接时，钢中的氧或氧化物与碳反应后能生成大量CO，例如
[C]+[O]=C [FeO]+[C]=CO+[Fe] [MnO]+[C]=CO+[Mn] [Cu O]+2[H]=2[Cu]+H O(气) [SiO2]+2[C]=2CO+[Si]
第十二章
焊接冶金缺陷
焊接缺陷可分为两大类： 1）工艺性缺陷：主要是指工艺成型方面的缺陷，如咬边、未焊 透和夹渣等；， 2）冶金缺陷：是指焊接过程中由于物理-化学冶金过程未能满足 一定的要求而产生的缺陷，主要是气孔和各种裂纹(本章主要介绍 焊接热裂纹和冷裂纹)。
第一节 气孔
1. 定义：气孔是指焊缝表面或内部形成的连续的或不连续的孔 洞。气孔的形成是由于熔池金属中的气体在金属结晶凝固前未能 及时逸出，从而以气泡的形式残留在凝固的焊缝金属内部或出现 在焊缝表面。 2. 危害： 1）减少焊缝金属的有效工作断面，降低金属的强度和塑性，同 时可能造成应力集中，引起裂纹，严重地影响到动载强度和疲劳 强度。 2）弥散小气孔虽然对强度影响不显著，但会引起金属组织疏松， 导致塑性、气密性和耐腐蚀性降低。 UJS--XGF
三、气孔的防止
从形成气孔的原因和条件分析，防止焊缝气孔的措施应该是： ⑴限制熔池中气体的溶入或产生；⑵排除熔池中已溶入的气体。
1、消除气体来源
⑴母材表面清理 ，清除工件及焊丝表面的氧化膜、铁锈及油污； ⑵焊接材料防潮与烘干； ⑶加强保护,焊接过程中不能正常的防护条件。
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图12-2气泡脱离衬底表面示意
是否形成气孔就取决于气泡的上浮速度和液态金属凝固速度相对大 小；如果上浮速度小于凝固速度，则气泡仍将残留在金属中。反之则 可能浮出熔池。因此，产生气孔的最后条件为： Vv≤R 式中，R为熔池金属的凝固速度，Vv为气泡的上浮速度。
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图12-1气孔形成过程示意图
一旦形成稳定的气泡后，周围的气体可继续扩散进入气泡 使之长大。设气泡临界半径为rc，气泡成核后要能长大必须满足 下条件： Pn＞P0 式中，Pn为气泡内各种气体分压的总和。Pn=P02 +PN2 + PH2+∙∙∙∙∙∙∙ P0为阻碍气泡长大的外界压力总和 P0=Pa+Pm+ Ps+ Pc 其中Pa、Pm、 Ps和 Pc分别为大气压、金属、熔渣的静压 力和表面张力所构成的附加压力。 一般情况Pm和Ps的数值相对不大，可忽略不计， 故气泡长大条件应为： Pn＞Pa+Pc= 1+2σ/r 其中Pc= 2σ/r。 式中σ为金属与气体间的界面张力，r为气泡半径。
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CO气孔通常沿结晶方向分布， 就像条虫似地卧在焊缝内部，如图12-4。
当铜在高温下溶解较多的Cu2O和 氢时，在冷却过程中会发生下列反 应： [Cu2O]+2[H]=2[Cu]+H2O(气) 此时反应生成的水蒸气不溶于铜， 在快速凝固的条件下很容易生成水 蒸气的反应气孔。
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图12-4 CO气孔的特征