3.2--气孔与夹杂解析

1、五、五、 焊接热循环：焊接热循环：在焊接热源作用下，焊件上某点温度随时间在焊接热源作用下，焊件上某点温度随时间的变化过程。的变化过程。 六、六、 焊接接头组织和性能焊接接头组织和性能焊接接头示意图焊接接头示意图1-焊缝；焊缝；2-熔合区；熔合区；3-HAZ；4-母材母材1 焊缝的组织和性能焊缝的组织和性能焊缝是焊缝是晶粒较粗大的铸态组织，成分不均匀，组织不致密，故塑性较差，晶粒较粗大的铸态组织，成分不均匀，组织不致密，故塑性较差，易产生热裂纹。易产生热裂纹。但由于焊条药皮和焊丝等在焊接过程中的保护和合金化但由于焊条药皮和焊丝等在焊接过程中的保护和合金化作用，使作用，使焊缝金属的力学性能一般不低

2、于母材焊缝金属的力学性能一般不低于母材。 加热温度：加热温度：14901530，液相线和固相线之间，只有部液相线和固相线之间，只有部分金属熔化，故又称半熔化区。分金属熔化，故又称半熔化区。 宽度：宽度：0.10.4 组织：组织：由由部分铸态组织和晶部分铸态组织和晶粒粗大的过热组织粒粗大的过热组织组成。组成。 性能：性能：化学成分、组织和物化学成分、组织和物理性能不均匀，塑性、韧性很理性能不均匀，塑性、韧性很差，是焊接接头的差，是焊接接头的薄弱部位薄弱部位，很容易成为裂纹及局部脆断的很容易成为裂纹及局部脆断的发源地。发源地。2熔合区的组织与性能熔合区的组织与性能3 热影响区的组织和性能（低碳钢）

3、热影响区的组织和性能（低碳钢）（1）过热区）过热区 温度：温度：固相线至固相线至1100 宽度：宽度：13。 组织：组织：由于加热温度高，奥氏由于加热温度高，奥氏体晶粒显著长大，冷却后得到体晶粒显著长大，冷却后得到晶晶粒粗大的过热组织粒粗大的过热组织 性能：性能：塑性、韧性明显下降。塑性、韧性明显下降。焊接刚度大的结构时，易在此区焊接刚度大的结构时，易在此区产生裂纹，是焊接接头的产生裂纹，是焊接接头的薄弱部薄弱部位位。（2）正火区）正火区 温度：温度：在在1100至至Ac3之间，之间， 宽度：宽度：约约1.24.0。 组织：组织：由于母材金属被加热到由于母材金属被加热到AC3以上的部位，铁素体

4、和珠光以上的部位，铁素体和珠光体全部转化为奥氏体，发生重结体全部转化为奥氏体，发生重结晶，随后在空气中冷却得到均匀晶，随后在空气中冷却得到均匀细小的珠光体和铁素体，相当于细小的珠光体和铁素体，相当于热处理时的正火组织热处理时的正火组织。 性能：性能：塑性韧性都比较好，塑性韧性都比较好，力力学性能优于母材学性能优于母材。 温度：温度：在在Ac3至至Ac1之间，之间， 组织：组织：只有部分组织发生了只有部分组织发生了相变重结晶，冷却下来成为相变重结晶，冷却下来成为晶晶粒细小的铁素体和珠光体粒细小的铁素体和珠光体，而，而另一部分始终没能溶入奥氏体另一部分始终没能溶入奥氏体的铁素体就成为的铁素体就成为

5、粗大的铁素体粗大的铁素体，因此因此晶粒大小不均匀晶粒大小不均匀。 性能：性能：组织不均匀导致组织不均匀导致机械机械性能不均匀性能不均匀。（3）部分相变区（不完全重结晶区）部分相变区（不完全重结晶区）七、七、 几个基本概念几个基本概念（1 1）母材金属、（）母材金属、（2 2）填充金属、（）填充金属、（3 3）熔敷金属、（）熔敷金属、（4 4）保护套筒）保护套筒（5 5）熔滴、）熔滴、（6）熔池、（）熔池、（7）溶渣、（）溶渣、（8）渣壳、（）渣壳、（9）焊缝）焊缝一、氢对金属的作用及控制一、氢对金属的作用及控制（一）氢的来源（一）氢的来源1焊材中的水分焊材中的水分2药皮中的有机物药皮中的有机物

6、3焊丝和母材坡口表面上的铁锈、油污焊丝和母材坡口表面上的铁锈、油污4电弧周围空气中的水分电弧周围空气中的水分 对于大多数金属，氢是有害的，它是造成低合金高强钢焊接结构出现氢对于大多数金属，氢是有害的，它是造成低合金高强钢焊接结构出现氢脆、冷裂纹、氢气孔等缺陷的最主要原因。脆、冷裂纹、氢气孔等缺陷的最主要原因。3.2 焊缝金属中的气体杂质焊缝金属中的气体杂质H、N、O （二）氢对焊接质量的影响（二）氢对焊接质量的影响 氢的有害作用可分为两种：氢的有害作用可分为两种：n 暂态现象氢脆、白点，经时效、热处理可消除暂态现象氢脆、白点，经时效、热处理可消除n 永久现象气孔、冷裂纹，不可消除永久现象气孔、

7、冷裂纹，不可消除1氢脆（氢致塑性损失）氢脆（氢致塑性损失）（1）定义：）定义：氢在室温附近使钢的塑性指标（如延伸率和断面收缩率）严重下氢在室温附近使钢的塑性指标（如延伸率和断面收缩率）严重下降的现象。降的现象。（2）产生机理：）产生机理：由溶解在金属晶格中的氢引起由溶解在金属晶格中的氢引起拉伸拉伸位错运动、堆积位错运动、堆积空腔空腔H扩散扩散聚集空腔聚集空腔H+HH2压力压力变脆变脆 （3）影响因素：）影响因素：含氢量、试验温度和变形速度、焊缝金属组织含氢量、试验温度和变形速度、焊缝金属组织氢脆只有在处于室温下、静载拉伸或静载弯曲条件下含氢量较高的焊缝中才会出现。氢脆只有在处于室温下、静载拉伸

8、或静载弯曲条件下含氢量较高的焊缝中才会出现。 焊缝金属经过去氢处理，其塑性可以恢复焊缝金属经过去氢处理，其塑性可以恢复2白点（鱼眼）白点（鱼眼）（1）定义：）定义： 室温下的氢脆现象，在拉伸或弯曲试件断面上出室温下的氢脆现象，在拉伸或弯曲试件断面上出现的银白色圆形斑点现的银白色圆形斑点中心处有气孔或小的夹渣，也称中心处有气孔或小的夹渣，也称“鱼眼鱼眼”。（2 2）产生原因：）产生原因：白点是在塑性变形阶段产生的。白点是在塑性变形阶段产生的。“诱捕理论诱捕理论”解释：解释：焊缝中的气孔及非金属夹杂物边缘的空隙焊缝中的气孔及非金属夹杂物边缘的空隙, ,好象好象“陷阱陷阱”一样捕捉氢原子，并在其中结

9、合成氢分子一样捕捉氢原子，并在其中结合成氢分子，引起引起金属脆化金属脆化。（3）影响因素：）影响因素：含氢量、金属的组织和变形速度。含氢量、金属的组织和变形速度。3氢气孔：氢气孔：金属结晶时氢的溶解度突降所致。金属结晶时氢的溶解度突降所致。4裂纹裂纹（三）控制措施（三）控制措施1限制氢的来源限制氢的来源（1）合理选择药皮原材料；）合理选择药皮原材料；（2）严格烘干焊接材料；）严格烘干焊接材料；（3）气保护焊时，限制保护气中的含水量，必要时采取去水、）气保护焊时，限制保护气中的含水量，必要时采取去水、干燥等措施；干燥等措施；（4）清除焊丝和焊件表面上的油、锈、吸附水等杂质；）清除焊丝和焊件表面上

10、的油、锈、吸附水等杂质； 在药皮和焊剂中加入氟化物在药皮和焊剂中加入氟化物HF夺氢夺氢 控制焊接材料的氧化还原势控制焊接材料的氧化还原势OH夺氢夺氢 （HF和和OH不溶于液态钢中，比不溶于液态钢中，比H2和和H2O稳定，不易分解出稳定，不易分解出H）（1）提高气相的氧化性（）提高气相的氧化性（OH夺夺H） CO2+H=CO+OH O+H=OH O2+H2=2OH （2）氟化物除氢（）氟化物除氢（HF夺夺H） CaF2SiO2联合去氢（针对酸性熔炼焊剂）联合去氢（针对酸性熔炼焊剂） 2CaF2+3SiO2=SiF4气气+2CaSiO3 SiF4+2H2O气气= SiO2气气+4HF SiF4+3

11、H= SiF气气+3HF（3）药芯或药皮中加入微量稀土元素）药芯或药皮中加入微量稀土元素 ：与氢亲和力大与氢亲和力大 CaF2直接去氢直接去氢CaF2+H2O气气=CaO气气+2HF CaF2+2H=Ca气气+2HF 氟化钙、氟化钙、CO2共存，水玻璃参与反应（针对碱性焊条）共存，水玻璃参与反应（针对碱性焊条）Na2O.nSiO2+H2O=2NaOH+nSiO2 2NaOH+ CaF2=Ca(OH)2+2NaF 2NaF+ H2O+ CO2= Na2CO3+2HF3工艺措施工艺措施电流的种类和极性电流的种类和极性见图见图2-7，直流反接（试件接负极，焊把接正极），直流反接（试件接负极，焊把接正

12、极）氢量最少，交流最多。氢量最少，交流最多。电流电流 一般，由于一般，由于I电弧温度高，氢分解度大；熔滴温度高，氢溶解度电弧温度高，氢分解度大；熔滴温度高，氢溶解度大，所以大，所以H气保护焊时，若气保护焊时，若II临，熔滴实现射流过渡，由于熔滴与临，熔滴实现射流过渡，由于熔滴与H作用时间变作用时间变短，所以短，所以H下降。下降。电压电压电压电压U弧长弧长熔滴与熔滴与H作用时间作用时间H应短弧操作应短弧操作4焊后脱氢处理焊后脱氢处理：焊后加热焊件，促使氢扩散外逸焊后加热焊件，促使氢扩散外逸 焊后脱氢处理对焊缝含氢量的影响焊后脱氢处理对焊缝含氢量的影响对氢的控制总原则：对氢的控制总原则：首先首先限

13、制氢和水份的来限制氢和水份的来源；源；其次其次防止氢溶入金属；防止氢溶入金属；最后最后对含氢金属进行脱对含氢金属进行脱氢处理。氢处理。（一）氮对焊接质量的影响（一）氮对焊接质量的影响 1形成氮气孔形成氮气孔u液态金属在高温时可以溶解大量的氮，而在其凝固时氮的溶解度突然液态金属在高温时可以溶解大量的氮，而在其凝固时氮的溶解度突然下降。这时过饱和的氮以气泡的形式从熔池中向外逸出，当焊缝金属下降。这时过饱和的氮以气泡的形式从熔池中向外逸出，当焊缝金属的结晶速度大于外逸速度时，就形成气孔。的结晶速度大于外逸速度时，就形成气孔。 2降低机械性能降低机械性能强度、硬度强度、硬度，塑性和韧性，塑性和韧性，低

14、温韧性低温韧性 u以针状氮化物（以针状氮化物（Fe4N）的形式析出于晶界或晶内，）的形式析出于晶界或晶内， Fe4N本身硬而脆本身硬而脆3产生时效脆化产生时效脆化随时间延长，强度增高而塑韧性下降的现象随时间延长，强度增高而塑韧性下降的现象 u焊缝金属中过饱和的氮处于不稳定状态，随时间延长过饱和的氮逐渐焊缝金属中过饱和的氮处于不稳定状态，随时间延长过饱和的氮逐渐析出，形成稳定针状氮化物析出，形成稳定针状氮化物Fe4N，从而强度上升而塑韧性下降。，从而强度上升而塑韧性下降。二氮对金属的作用及控制二氮对金属的作用及控制（二）控制措施（二）控制措施1加强保护，防止空气与液态金属接触加强保护，防止空气与

15、液态金属接触 （主要措施）（主要措施）2工艺措施工艺措施 采用短弧焊采用短弧焊电弧越短，熔滴在落入熔池过程中与氮的接电弧越短，熔滴在落入熔池过程中与氮的接触时间越短。触时间越短。 增大焊接电流增大焊接电流电流增大，熔滴过渡频率增加，熔滴与氮电流增大，熔滴过渡频率增加，熔滴与氮的接触时间变短。的接触时间变短。 采用直流反接采用直流反接直流反接时，焊接区温度较低，氮的溶解直流反接时，焊接区温度较低，氮的溶解度小。度小。3冶金措施冶金措施 增加焊丝或药皮中的碳含量增加焊丝或药皮中的碳含量u 降低氮在钢中的溶解度降低氮在钢中的溶解度u 碳氧化生成碳氧化生成CO、CO2可加强保护作用可加强保护作用u 碳

16、氧化所引起的熔池沸腾有利于氮的逸出碳氧化所引起的熔池沸腾有利于氮的逸出 加入钛、铝、锆和稀土等与氮亲和力大的合金元素加入钛、铝、锆和稀土等与氮亲和力大的合金元素u 形成稳定的氮化物，而且它们不溶于液态钢而进入熔渣形成稳定的氮化物，而且它们不溶于液态钢而进入熔渣u 对氧的亲和力大，可减少气相中对氧的亲和力大，可减少气相中NO的含量的含量（一）（一） 氧的来源氧的来源（1）弧气中的氧化性气体）弧气中的氧化性气体O2、CO2和水蒸气和水蒸气（2）氧化性熔渣（含）氧化性熔渣（含FeO、MnO、SiO2）；）；（3）焊丝、工件表面的氧化铁（）焊丝、工件表面的氧化铁（Fe3O4）和铁锈（）和铁锈（Fe2O

17、3 ）；）；三氧对金属的作用及控制三氧对金属的作用及控制硅酸盐夹杂对碳钢焊缝冲击韧性的影响硅酸盐夹杂对碳钢焊缝冲击韧性的影响含夹杂物：含夹杂物：10.028-0.030%; 20.034-0.053%; 30.104-0.110%; 40.196% 氧（以氧（以FeO形式存在）对低碳钢焊形式存在）对低碳钢焊缝常温力学性能的影响缝常温力学性能的影响 （二）氧对焊接质量的影响（二）氧对焊接质量的影响 1降低焊缝的力学性能降低焊缝的力学性能 O强度、塑性、韧性强度、塑性、韧性，尤其低温冲击韧性，尤其低温冲击韧性2使焊缝中有益的合金元素烧损，造成飞溅和使焊缝中有益的合金元素烧损，造成飞溅和CO气孔气孔

18、3降低焊缝导电性、导磁性、耐蚀性等物化性能降低焊缝导电性、导磁性、耐蚀性等物化性能（三）氧的控制措施（三）氧的控制措施 1严格限制氧的来源（纯化焊接材料，加强保护，清洁母材）严格限制氧的来源（纯化焊接材料，加强保护，清洁母材）2选择正确的焊接规范选择正确的焊接规范短弧焊短弧焊3冶金脱氧冶金脱氧在焊接材料中加入脱氧剂在焊接材料中加入脱氧剂（1） 锰脱氧：锰脱氧：Mn+FeO=(MnO)+Fe （酸性焊条可用锰铁（酸性焊条可用锰铁作脱氧剂；碱性焊条不能单独使用）作脱氧剂；碱性焊条不能单独使用）（2） 硅脱氧：硅脱氧：Si+2FeO =(SiO2)+2Fe （一般不单独使用）（一般不单独使用）（3）

19、硅锰联合脱氧：）硅锰联合脱氧：广泛采用，产物广泛采用，产物MnOSiO2，熔点低、密度，熔点低、密度小、容易聚合长大进入渣中小、容易聚合长大进入渣中 。3.3 硫硫、磷对焊缝金属的作用和控制、磷对焊缝金属的作用和控制 （2）降低焊缝的韧性，促使冷脆、热脆和层状撕裂，对低）降低焊缝的韧性，促使冷脆、热脆和层状撕裂，对低合金高强钢还可能是造成冷裂的起源。合金高强钢还可能是造成冷裂的起源。Fe+FeS(熔点为熔点为985)；FeS+FeO(熔点为熔点为940)NiS+Ni(熔点熔点644)（一）硫的危害与控制（一）硫的危害与控制 1存在形式：存在形式：主要以主要以和和的形式存在的形式存在 2危害：危

20、害： （1）促使金属热裂；）促使金属热裂； 原因：原因：低熔共晶物呈液态薄膜形式分布于晶界，割裂了晶低熔共晶物呈液态薄膜形式分布于晶界，割裂了晶粒间的联系。粒间的联系。 3控制措施控制措施以以“限限”为主为主（1）限制硫的来源）限制硫的来源母材、焊丝、药皮或焊剂母材、焊丝、药皮或焊剂 （2）冶金脱硫）冶金脱硫 元素脱硫：元素脱硫：FeS+Mn=(MnS)+Fe，放热反应，放热反应，脱硫效果差脱硫效果差 熔渣脱硫熔渣脱硫： FeS+(MnO)=(MnS)+(FeO) FeS+(CaO)=(CaS)+(FeO) FeS+(MgO)=(MgS)+(FeO) 吸热反应，吸热反应，效果比元素脱硫好的多效

21、果比元素脱硫好的多 ，但依然有限，但依然有限 稀土脱硫：稀土脱硫： 1 1）脱硫；脱硫； 2 2）改变硫化物夹杂的尺寸、形态和分布，尺寸大、呈片状层状分布改变硫化物夹杂的尺寸、形态和分布，尺寸大、呈片状层状分布细细小均匀的点状分布小均匀的点状分布 1存在形式：存在形式：以以Fe2P和和Fe3P为主为主 2危害危害 促使金属热裂：促使金属热裂：磷化铁磷化铁与铁和镍形成低熔点与铁和镍形成低熔点共晶共晶 Fe3P+Fe（1050） Ni3P+Fe（880）碳的存在将促使磷的偏析，使热裂趋向加剧。碳的存在将促使磷的偏析，使热裂趋向加剧。 促使金属冷脆：促使金属冷脆：磷化铁本身硬而脆磷化铁本身硬而脆冷脆

22、冷脆（二）磷的危害与控制（二）磷的危害与控制3控制措施控制措施以以“限限”为主为主 焊接时的冶金脱磷措施基本无效，根本措施是严格限制原材料焊接时的冶金脱磷措施基本无效，根本措施是严格限制原材料中的含磷量。中的含磷量。（1）严格限制母材、填充金属、药皮和焊剂中的含磷量。）严格限制母材、填充金属、药皮和焊剂中的含磷量。 （2）冶金脱磷）冶金脱磷2Fe3P+5(FeO)+3(CaO)(CaO)3P2O5)+11Fe （放热反应）（放热反应）3.4 焊缝中的气孔焊缝中的气孔 一、气孔的类型及危害一、气孔的类型及危害1气孔的类型气孔的类型（1）按气孔的分布特点：）按气孔的分布特点：外气孔和内气孔外气孔和

23、内气孔 （2）按气孔生成的气体来源：）按气孔生成的气体来源：氢气孔、氮气孔、氢气孔、氮气孔、CO气孔和金属蒸气孔气孔和金属蒸气孔 2危害危害（1）影响焊缝的致密性）影响焊缝的致密性（2）减小焊缝的有效截面）减小焊缝的有效截面（3）产生应力集中导致裂纹）产生应力集中导致裂纹（4）气孔数量多，会显著降低焊缝的塑韧性和疲劳强度）气孔数量多，会显著降低焊缝的塑韧性和疲劳强度 二、气孔的形貌与形成原因二、气孔的形貌与形成原因1氢气孔氢气孔（1）形貌特征：）形貌特征：多出现在多出现在焊缝表面焊缝表面，气孔断面如螺钉，表面呈喇叭口形气孔断面如螺钉，表面呈喇叭口形，内壁光滑内壁光滑；个别残存在内部，以小圆球状

24、存在；个别残存在内部，以小圆球状存在 （2）原因：）原因：冷却和结晶过程中，氢的溶解度发生了急剧下降，来不及逸冷却和结晶过程中，氢的溶解度发生了急剧下降，来不及逸出而形成出而形成 2氮气孔氮气孔（1）形貌特征：）形貌特征：多出现在多出现在焊缝表面焊缝表面，多数，多数成堆出现成堆出现，和，和蜂窝蜂窝相似相似 （2）原因：）原因：保护不好，有较多的空气侵入熔池造成保护不好，有较多的空气侵入熔池造成 3CO气孔气孔（1）形貌特征：）形貌特征：沿结晶方向分布，象条虫子卧在焊缝内部，内壁沿结晶方向分布，象条虫子卧在焊缝内部，内壁有氧化色彩有氧化色彩 （2）原因：）原因：冶金反应产生大量的冶金反应产生大量

25、的CO，在结晶过程中来不及逸出，在结晶过程中来不及逸出 焊缝中的气孔氢气孔特征氢气孔特征 CO气孔特征气孔特征 四、影响气孔产生的因素及防止措施四、影响气孔产生的因素及防止措施（一）影响因素（一）影响因素1冶金因素的影响冶金因素的影响 （1）熔渣氧化性的影响）熔渣氧化性的影响（2）焊条药皮和焊剂的影响）焊条药皮和焊剂的影响（3）焊丝成分）焊丝成分 气体保护焊时，焊丝必须含一定量的脱氧剂，且脱氧剂与氧的亲和气体保护焊时，焊丝必须含一定量的脱氧剂，且脱氧剂与氧的亲和力还必须大于氢与氧的亲和力，以免形成力还必须大于氢与氧的亲和力，以免形成H2O气孔气孔（4）保护气成分）保护气成分 焊接铝、镁及其合金时焊接铝、镁及其合金时 ，加氧化性气体防氢气孔，加氧化性气体防氢气孔（5）铁锈和水分对产生气孔的影响）铁锈和水分对产生气孔的影响2工艺因素的影响工艺因素的影响（1）焊接规范的影响）焊接规范的影响 电流：电流：电流小，熔池存在的时间短，不利气体外逸；电流大，熔滴电流小，熔池存在的时间短，不利气体外逸；电流大，熔滴变细，比表面积大，吸收的气体多。过大过小均不利。变细，比表面积大，吸收的气体多。过大过小均不利。