焊接成型原理

焊接成型原理内容摘要：

在气相中铁的蒸气也是相当多的。 总之，焊接过程中的蒸发现象使气相中的成分和冶金反应复杂化，并且造成合金元素的损失，甚至产生缺陷。 由于蒸发也增加了焊接烟尘和环境污染，影响焊接操作人员的身体健康，因此在实际工作中应注意解决蒸发问题。 表 纯金属和氟化物的沸点 （ 3）气体的分解 ① 简单气体的分解 焊接中，气相中的双原子气体 (N H O2)受热后，增加了其原子的振动和旋转能。 当原子获得的能量足够高时，原子键断开，分解为单个原子或离子和电子。 常见气体分解反应在标准状态下的热效应见表。 表 气体分解反应 若气体的分解反应的平衡常数为 Kp，分解后混合气体的总压力为 p0，则气体的分解度 α为 （ 2 31） 由式（ 2 31）可计算出双原子气体的分解度。 与温度的变化关系曲线 ,如图。 在焊接温度 (5 000 K )下，氢和氧的分解度很大，大部分以原子状态存在。 而氮的分解度很小，基本上以分子状态存在。 04 pKKpp 图 双原子气体的分解度 α与温度 T的关系 ② 复杂气体的分解 焊接时气相中常见的复杂气体有 CO2和 H2O。 在电弧区的热作用下， CO2可按表 6号反应式进行分解。 分解反应的产物是 CO和 O2。 在焊接温度下CO2几乎完全分解，而水蒸气的分解是比较复杂的。 热力学计算表明，当温度低于 4 500K时，按反应式7分解的可能性最大；而当温度高于 4 500K时，按反应式 10分解的可能性最大。 由表 ， H2O气的分解产物有 H O OH、 H及 O等。 这不仅增加了气相的氧化性，而且增加了气相中氢的分压，其最终结果使焊缝金属增氧和增氢。 （ 4）气相成分及分布 焊接区内气相的成分和数量与焊接方法、工艺参数、焊接材料种类有关。 焊条电弧焊时，气相的氧化性较大。 用碱性焊条焊接，由于气相中 H2和 H2O的含量较少，所以称为 低氢型焊条 ；埋弧焊和中性气焰焊时，气相中 CO2和 H2O含量较少，因而气相氧化性也很小；相反，手弧焊时气相的氧化性相对较大。 各种气体的分子、原子和离子在焊接区内的分布与温度有关。 由于沿焊接电弧的轴向何径向温度分布的不均匀的，所以各种气体的分子、原子和离子在电弧中的分布也是不均匀的。 表 焊接碳钢时气相冷至室温的成分 . 氮对金属的作用 焊接区的氮主要来源于焊接区周围的空气。 根据氮与金属作用的特点，大致可分两种情况：一种不与氮发生作用的金属，如 Cu和 Ni等，它们既不溶解氮，又不形成氮化物，因此可用氮作为焊接这类金属的保护气体；另一种是与氮发生作用的金属，如 Fe、 Ti、 Mn、 Cr等，它们既能溶解氮，又能与氮形成稳定的氮化物。 焊接这类金属时，必须防止焊缝金属的氮化。 1. 氮在金属中的溶解 气体的溶解反应可分为四个阶段：①气体分子向气体与金属界面上运动；②气体分子被金属表面吸附：③在金属表面分解为原子；④气体原子穿国金属表面层，向金属深处扩散。 在焊接温度下， N2在金属中的溶解反应为 N2=2[N] （ 232） 平衡时，它在纯铁中的溶解度符合平方根关系 （ 233） 22][ NN pKN  式中 [N]为氮在金属中的溶解度； KN2 为氮溶解反映的平衡常数，取决于温度和金属的种类； PN2 为气相中分子氮的分压。 试验表明，式（ 233）只在 PN2 很小的范围内有效。 当 PN2 大于某个值后，[N]为一常数。 氮在铁中的溶解度与温度的关系如图。 随着温 度的升高，氮在液态铁中的溶解度增加。 但温度达到 2200℃ 左右后，温度升高将使气相中铁的分压增加，而氮的分压下降，这将引起氮在铁中的溶解度下降。 由于氮在固态铁中的溶解度远小于液态铁，当液态铁凝固时，氮的溶解度突降，易引起焊缝中氮的过饱和。 图 氮和氢在铁中溶解度与温度的关系 电弧焊时的气体溶解过程比普通的气体溶解过程要复杂的多，此时熔化金属吸收的氮量高于平衡含量。 因为在氧化性气氛中形成的 NO，在金属表面分解出 N和 O原子，并迅速溶入金属中。 另外，焊接条件下部分氮原子也可电离为氮离子 N+，在电场的作用下向阴极运动，并在阴极表面与电子中和还原成氮原子而溶入金属中。 这时的溶解过程属电化学过程而不符合平方根定律。 氮以这种形式对金属的溶入量受阴极压降和电源极性的影响。 阴极压降越大，阴极吸收的氮也越多。 直流正接比直流反接熔滴含氮多。 总之，氮能以原子、 NO和离子三种形式溶入金属中，但不同的焊接方法，溶入形式不同，需要根据具体情况具体分析。 2．氮对焊接质量的影响 氮是沉淀强化元素，在合金钢中加入适量氮，与其它合金元素 (如 Ti、 Nb、 Zr等 )配合，可以起到沉淀强化和细化晶粒的作用。 但更多的是对焊接质量的损害，主要表现为以下几点： ①形成气孔，高温时大量的氮溶解在液态金属中，由于氮的溶解度随着温度的下降而降低，在液态金属凝固时氮的溶解度突然下降，引起过饱和的氮以气泡的形式从熔池中逸出，当接头金属的结晶速度大于氮的逸出速度时就形成气孔； ②使焊缝金属时效脆化，氮是促进时效脆化的元素，如果熔池中溶人较多的氮，在焊缝凝固后，由于 α—Fe中氮的溶解度很小，此时氮在固溶体中呈过饱和状态，随着时间的延长，过饱和的氮将以针状氮化物(Fe4N)的形式析出，分布在晶界或晶内，使焊缝金属的强度增高，塑性和韧性降低，特别是低温韧性急剧下降，见图 ； ③氮可以降低焊缝的塑性、韧性而使强度提高，但如果把氮的溶解度限制在 ％以下时，则对接头的力学性能无明显影响。 图 氮对焊缝金属常温力学性能的影响 氮对低碳钢焊缝金属低温冲击韧度的影响 (1)加强焊接区的保护：由于焊接区中的氮主要来自空气，因此焊接区与空气的隔离效果越好，焊缝的含氮量就越低。 目前对焊接区通常的保护措施有：气体保护、熔渣保护、气渣联合保护及真空保护等。 (2)控制焊接工艺参数：在其它条件不变时，增加焊接电流时，熔滴的温度增加。 对于低碳钢，由于氮的溶解属吸热反应，使 [N]随着温度升高而增加。 若氮的溶解是放热反应 (如 188型不锈钢 )，则 [N]随着温度的升高而降低。 如果熔滴温度过高，使 PFe 显著增加，引起 [N]的降低。 其它条件不变时，增加电弧电压时，由于弧长增加使保护 效果下降，同时熔滴存在时间增长，导致焊缝 [N]提高。 因此应尽量压低电弧来防止氮的侵入。 若增加焊丝直径，则熔滴尺寸增大，使其比表面积减少，引起 [N]下降。 在多道焊时，由于氮的多层积累，使焊缝的最终含氮量高于单道焊。 (3)合金处理，控制焊缝的含氮量：碳的氧化引起熔池沸腾，有利于氮的逸出，同时碳氧化生成 CO、 CO2，加强焊接区的保护，降低了氮的分压，因此碳可以降低氮在金属中的溶解度。 选用含有能够生成稳定氮化物元素（ Ti、 Zr、Al和稀土元素）的焊丝进行焊接。 这些元素 与氮有很大的亲和力，易形成稳定的氮化 物，并可通过熔渣排出这些氮化物，因此能有效地控制焊缝中的含氮量。 综上所述，加强预防和保护作用是控制焊缝含氮量的最有效措施。 . 氢与金属的作用 电弧气氛中的氢主要来源于焊接材料中的水分及有机物、吸附水及结晶水、表面杂质及空气中的水分等。 焊接区中的氢可因被焊金属的种类不同而程度不同地与被焊金属作用，一部分金属可与氢形成稳定的化合物，这些金属有 Zr、 Ti、 V、 Nb等，它们可以在 300～ 700℃ 的固态下大量吸收氢，但若再升高温度，氢化物分解，由金属中析出，含氢量反而下降。 因此，焊接这些金属时要注意防止接头在固态下对氢的吸收，否则将严重影响焊接接头的性能。 另一部分金属，如 Fe、 Cu、 Ni等，它们不与氢发生化合反应，但氢可以溶解在这些金属中而使焊接质量受到影响。 1．氢在金属中的溶解 焊接方法不同，氢向金属中溶解的途径也不同。 电渣焊时，氢通过渣层熔入金属；而气体保护焊时，氢通过气相和液态金属的界面以原子或质子的形式溶入金属。 在电熔渣保护的条件下，氢首先溶入熔渣中，以OH－ 的形式存在，然后在熔渣与金属的相界面上通过交换电子生成氢原子，以原子氢的形式溶入金属中。 氢从熔渣向金属中过渡的反应是 （ Fe2+） + 2(OH－ ) = [Fe] + 2[O] + 2[H] (234) [Fe]+2(OH－ ) = (Fe2+) + 2(O－ ) + 2[H] (235) 2(OH－ ) = (O2－ ) + [O] + 2[H] (236) 式中， ( )表示渣中成分； [ ]表示金属中成分。 因此，氢通过熔渣溶入金属时。 其溶解度取决于气相中水蒸气的分压、熔渣的碱度和金属中的含氧量等的因素。 当氢通过气相向金属中溶解时，起溶解度取决于氢的状态。 若氢以分子状态存在，那么它在金属中的溶解度符合平方根规律 (237) 式中 , [H]— 氢在金属中的溶解度； KH2 — 氢溶解的平衡常数； PH2 — 气相中分子氢的分压。 如果气相中氢以分子及原子状态存在时，氢的溶解 度为 (238) 式中 , K— 氢溶解的平衡常数； α — 在给定温度下氢的分解度； PH2， H — 分子和原子氢的分压。 22][ HH pKH  1 ,2][ HHpKH 氢在铁水中的溶解度与温度有关，即随着温度的升高，氢的溶解度增加。 但温度接近沸点时，由于金属的蒸发，氢的溶解度急剧下降。 当温度降到金属的变态点时，氢的溶解度下降，在接头中易产生气孔和裂纹等缺陷。 由于氢在面心立方晶格中的溶解度大于在体心立方晶格中的溶解度，当铁发生固态相变时，氢的溶解度将发生突变。 由于氧能减少金属对氢的吸附，若焊接气氛中存在氧，可以有效地降低液态铁中氢的溶解度。 另外，合金元素对氢在铁中的溶解度有较大的影响。 C、 Si、 Al可降低氢在液态铁中的溶解度； Ti、 Zr、Nb及一些稀土元素可提高氢的溶解度；而 Mn、 Ni、 Cr和 Mo的影响不大。 溶于金属中的氢由于原子半径较小，因而在钢中与 α—Fe或 ɣ— Fe形成间隙固溶体并且具有很强的扩散能力。 在焊缝中，一部分氢以原子或离子状态存在并可在晶格中自由扩散迁移，这部分氢被称为 扩散氢。 如果氢扩散到金属的晶格缺陷、显微裂纹和非金属类杂质等非连续缺陷中时，可以结合成氢分子，由于氢分子的半径大而不能扩散，因此这部分氢称为 残余氢。 对于铁等不形成稳定氢化物的金属，扩散氢约占总氢量的 80％ ～ 90％。 在钛、铌等金属及其合金的焊缝中，氢主要是以氢化物的形式存在。 在刚焊接的接头中，氢主要是扩散氢。 由于氢的扩散运动，随着时间的延长，焊缝中的部分扩散氢从接头中逸出而使氢的溶解量降低；另一部分扩散氢转变为残余氢，使残余氢随着时间延长而增加。 3．氢对焊接质量的影响 （ 1）氢脆：氢在室温附近使钢的塑性严重下降的现象称为 氢脆。 钢中含氢易造成材料的塑性明显下降，但对。