1、第三章 焊接冶金学 第12讲124 冶金方式控制氢 冶金处理的原理 通过焊接材料的冶金作用，使气相中的氢转化为稳定的氢化物、降低氢的分压，以达到减少氢在焊缝金属中的溶解，HF和OH都是高温下较稳定的氢化物，而且不溶于钢中。 只须适当调整焊接材料成分，促使气相中的氢转变成HF和OH，即可减少焊缝中的含氢量。224 方法v氟化物去氢HF在药皮或焊剂中加入氟化物，焊接时在气相中能使氢转变成HF。最常用的氟化物是CaF2在高硅高锰焊剂中加入适当比例的CaF2，可以显著降低焊缝的含氢量。氟化物去氢作用为： CaF2(气)H2O(气)CaO(气)2HF CaF2(气) 2HCa(气)十2HF324vCO2
2、去氢OH如果能增强气相中的氧化性或增加熔池中氧含量，都能使氢转变成OH，达到减少焊缝金属中氢溶解的目的。CO2气体具有氧化性，故CO2气体保护焊时，CO2能减少焊缝中的含氢量；焊条电弧焊时低氢型焊条药皮中碳酸盐受热分解出的CO2也起同样的作用；CO2去氢反应为CO2H COOH424v氧气去氢 氩弧焊时，为了解决气孔问题，常在氩气中加入体积分数5左右的氧气，增加气相中的氧化性，降低氢的分压，使之按下式进行脱氢反应：OH=OHO2H22OHv稀土元素去氢 在药皮或焊芯中加入微量稀土元素如钇、碲、硒等，也可以降低扩散氢含量。524 控制焊接工艺参数 焊接电流 焊条电弧焊时，焊接电流增加使熔滴变细，
3、增大了氢向熔滴金属溶解机会，又由于电流增大，电弧和熔滴温度升高，引起氢和水蒸汽分解度增大，使熔滴吸氢量增加。 气体保护焊时，当电流超过临界值，熔滴转变为射流过渡，这时熔滴温度接近金属沸点，金属蒸汽急剧增大而氢分压显著降低，同时熔滴过渡频率高，速度快，与空气接触时间短，因而可减少熔滴的含氢量。624 电源性质和极性v用交流电焊接时，因弧柱温度周期性变化，引起周围气氛的体积也相应发生周期性胀与缩的变化，增加了熔滴与气氛接触机会，故焊缝含氢量比直流焊接时多。v采用直流正接时，因H向阴极运动，有利于向高温熔滴溶解，故氢在焊缝中含量比直流反接时高。724v 焊后脱氢处理 焊件焊后经过特定的热处理可以使氢
4、扩散外逸，减少接头中的含氢量。右图说明加热温度越高，脱氢所需时间越短。图 焊后脱氢处理温度-时间-焊缝含氢量关系824v 普通钢一般用350，保温1h，就可去除大部分氢。v 奥氏体钢接头进行脱氢处理效果不大，因为氢在奥氏体组织中的溶解度大，而扩散速度小。 9243.4 焊接时的氧化还原 v主要研究在焊接条件下，金属及合金元素的氧化与烧损、金属氧化物的还原等。v掌握焊接时金属氧化还原的规律，对改善焊缝金属的成分及提高焊接质量有重要的意义。 1024氧的来源 焊接区的氧来自周围空气以及焊接材料或焊件中的高价氧化物、水分、铁锈等的分解物。v氧的危害 氧的化学性质很活泼，在焊接高温下可与许多金属元素作
5、用，不仅使焊缝金属中有益合金元素被烧损，而且所形成的氧化物又夹杂在焊缝中，使焊缝金属的力学性能严重下降。1124 根据氧与金属作用的特点，把金属分为两类：v不能溶解氧，但焊接时发生激烈氧化的金属 如Mg、Al等；v能有限地溶解氧，同时焊接时也发生氧化的金属 如Fe、Ni、Cu、Ti等，这类金属氧化后生成的氧化物能溶解于相应的金属中。 下面介绍氧对铁的作用： 1224氧在金属中的溶解 氧是以原子氧和氧化亚铁（FeO）两种形式溶解在液态铁中。这种溶解为吸热过程，其溶解度随温度升高而增大，如图。 图 液态金属中氧的溶解度与温度的关系1324 上图中，当液态铁凝固时氧的溶解度急剧下降，在2000时为0
6、.8%；刚凝固（约1520）时为0.16%；当铁转变为铁时下降到0. 05%以下；室温的铁中几乎不溶解（0. 001）。因此，焊缝金属中的氧几乎全部以氧化物（FeO、SiO2、MnO、Al2O3）和硅酸盐夹杂物的形式存在。 通常所说的焊缝含氧量是指总含氧量，既包括溶解氧也包括非金属夹杂物中的氧。 1424在液态铁中，随着合金元素量增加，氧的溶解度下降，如图。元素与氧的亲和力愈强，氧的溶解度愈小。 氧在焊缝金属中，无论是单独存在还是以氧化物存在都是有害的，使焊缝金属强度、塑性和韧性明显下降。 图 Me含量对液态铁中氧的溶解度的影响15243.4.1 氧化还原方向判据 由物理化学可知，假设在金属-
7、氧-金属氧化物系统中，金属氧化物的分解压为Po2，氧的实际分压为Po2，则Po2 Po2 金 属被氧化Po2 Po2 处于平衡状态Po2 Po2 金属被还原16243.4.2 焊接时金属的氧化 焊接时对金属的氧化除自由氧直接与金属发生作用外，其余都是在各个反应区内通过氧化性气体（如CO2、H2O等），或活性熔渣与金属相互作用实现的。1724 自由氧对金属的氧化 电弧焊时，空气中的氧总是或多或少地侵入电弧内，焊接材料中的高阶氧化物等物质也因受热而分解产生氧气。这样使气相中自由氧的分压大于氧化物的分解压，金属就被氧化。对铁而言，其氧化反应为：Fe1/2O2=FeO26.97(Nmol)FeO=Fe
8、O515.76(Nmol) 从反应的热效应看，原子氧对Fe的氧化比分子氧更激烈。 1824 焊接钢材时，除Fe发生氧化外，钢液中其他对氧亲和力比Fe大的合金元素也发生氧化，如：C1/2O2=COSiO2=（SiO2）Mn1/2O2=（MnO）1924 CO2对金属的氧化 在高温下CO2对液态Fe和其他许多金属来说是活泼的氧化剂。当温度高于3000K时，CO2的氧化性超过了空气。所以在焊接高温条件下，用CO2作保护气体只能防止空气中的氮，而不能防止金属的氧化。焊接钢材时Fe被氧化，其他Me也将被烧损，碳的氧化在焊缝中可能产生气孔。故用CO2气体保护焊时，必须采用含硅、锰高的焊丝(如H08Mn2S
9、i)或药芯焊丝，以利于脱氧气。同理在含碳酸盐的药皮中也须加入脱氧剂。 CO2与液态铁的反应：CO2 Fe CO FeO2024H2O气对金属的氧化 气相中的水蒸气不仅使焊缝增氢，而且使Fe和其他Me氧化，与铁的反应如下：H2O（气） FeFeO H2 温度越高，H2O气的氧化性越强。因此，为了保证焊接质量，当气相中含有较多水分时，在去氢的同时，也须进行脱氧。例如低氢型焊条的药皮中，须含有较多的脱氧剂。2124 混合气体对金属的氧化l焊条电弧焊时，气相不是单一的气体，而是多种气体混合，高温下它们对Fe是氧化性的，故在焊条的药皮中须加入脱氧剂；l气体保护焊时，为了改善电弧的电、热和工艺性能常采用混合气体保护，如ArO2、ArCO2、ArCO2O2和CO2O2等。 2224l在惰性气体（Ar）中随着加入氧化性气体O2和CO2的增多，合金元素的烧损量、焊缝中非金属夹杂物和氧的含量都增加。对焊缝金属的力学性能产生不利影响。特别是低温韧性明显下降，甚至可能产生气孔。l故采用含氧化性混合气体焊接时，应按其氧化能力大小选择含有合适脱氧剂的焊丝。 2324本讲小结2424
