焊接气体与金属的相互作用

关于焊接气体与金属的相互作用第三章焊接气体与金属的相互作用1第一页，共五十六页，2022年，8月28日2第一节气体的来源与产生第二节气体在金属中的溶解第三节氧化性气体对金属的氧化第四节气体的控制措施第二页，共五十六页，2022年，8月28日3第一节

气体的来源与产生第三页，共五十六页，2022年，8月28日4一、焊接区内的气体来源**N2、H2、O2CO2

和H2O

焊接区的气体①焊条药皮、焊剂、焊芯的造气剂;②高价氧化物及有机物的分解气体;③母材坡口的油污、油漆、铁锈、水分;④空气中的气体、水分;⑤保护气体及其杂质气体.直接进入间接分解第四页，共五十六页，2022年，8月28日51．有机物的分解和燃烧2．碳酸盐和高价氧化物的分解3．材料的蒸发4、气体的分解二、焊接区内的气体产生**第五页，共五十六页，2022年，8月28日61．有机物的分解和燃烧焊条药皮中的淀粉、纤维素、糊精等有机物（造气、粘接、增塑剂）热氧化分解反应220~250℃以上发生，

800℃左右完全分解CO2、CO、H2、烃和水气如纤维素的热氧化分解反应：(C6H10O5)m＋7/2mO2（气）＝6mCO2(气)＋5mH2（气）酸性焊条药皮中有机物的含量较高。第六页，共五十六页，2022年，8月28日72．碳酸盐和高价氧化物的分解

碳酸盐（CaCO3、MgCO3等）的分解

CaCO3=CaO+CO2↑MgCO3=MgO+CO2↑（545℃～910℃）（325℃～650℃）碱性焊条药皮中碳酸盐的含量较高。高价氧化物（Fe2O3

和MnO2）的分解

6Fe2O3=4Fe3O4+O22Fe3O4=6FeO+O24MnO2=2Mn2O3+O26Mn2O3=4Mn3O4+O2第七页，共五十六页，2022年，8月28日83．材料的蒸发焊接过程中，除了焊接材料和母材表面的水分发生蒸发外，金属元素和熔渣的各种成分在电弧高温作用下也会发生蒸发，形成相当多的蒸气。金属材料中Zn、Mg、Pb、Mn

氟化物中AlF3、KF、LiF、NaF

极易蒸发

第八页，共五十六页，2022年，8月28日9后果：①合金元素的损失；

②产生焊接缺陷；③增加焊接烟尘，污染环境，影响焊工身体健康。第九页，共五十六页，2022年，8月28日10表3-1碳钢焊条电弧焊焊接区室温时的气相成分低氢型焊条焊接时，气相中H2和H2O的含量很少，故称“低氢型”；酸性焊条焊接时氢含量均较高，其中纤维素型焊条的最大。第十页，共五十六页，2022年，8月28日114、气体的分解简单气体（指

F2、H2、O2、N2等双原子气体）的分解；复杂气体（指CO2和H2O等）的分解，分解产物在高温下还可进一步分解和电离。第十一页，共五十六页，2022年，8月28日12分解度α温度T/KCO2分解时气相的平衡成分与温度的关系气相体积分数Φ/%温度T/K

双原子气体分解度α与温度的关系（P0＝0.1MPa）第十二页，共五十六页，2022年，8月28日13第十三页，共五十六页，2022年，8月28日14第二节气体在金属中的溶解在焊接过程中，与液态金属接触的气体可分为简单气体和复杂气体两大类。前者如H2、N2、O2等，后者如CO2、H2O、CO等。

一、气体的溶解过程二、气体的溶解度第十四页，共五十六页，2022年，8月28日15一、气体的溶解过程

原子或离子状态

→直接溶入液态金属；

分子状态的气体→先分解为原子或离子之后再溶解到液态金属中。

双原子气体溶入金属液的两种方式**：吸附—分解—溶入分解—吸附—溶入第十五页，共五十六页，2022年，8月28日16双原子气体溶入金属液的两种方式氮溶解过程第十六页，共五十六页，2022年，8月28日17双原子气体溶入金属液的两种方式焊接温度下氢、氧等气体的溶解过程第十七页，共五十六页，2022年，8月28日18双原子气体溶入金属液的两种方式氮溶解过程氢、氧等气体的溶解过程第十八页，共五十六页，2022年，8月28日19二、气体的溶解度**溶解度——

在一定压力和温度条件下，气体溶入金属的饱和浓度。溶解度S的影响因素

气体种类合金成分压力与温度第十九页，共五十六页，2022年，8月28日201．压力和温度的影响理想气体溶解度的平方根定律：Px为气体分压，Px↑→溶解度↑Kx为常数，取决于温度和金属的种类。第二十页，共五十六页，2022年，8月28日21金属吸收气体为吸热反应，溶解度随温度的升高而增加；金属吸收气体为放热反应，溶解度随温度的上升而降低。气体溶解度与热效应和温度的关系溶解度温度12金属发生相变时，由于金属组织结构的变化，气体的溶解度将发生突变。液相比固相更有利于气体的溶解。当金属由液相转变为固相时，溶解度的突然下降将对焊件中气孔的形成产生直接的影响。第二十一页，共五十六页，2022年，8月28日22氮和氢在金属或合金中的溶解反应类型及形成化合物倾向2、氮、氢、氧在金属中的溶解度第二十二页，共五十六页，2022年，8月28日23氮、氢在铁中的溶解度（PN2＝PH2=0.1MPa）氮、氢在金属凝固时溶解度陡降。氮、氢在奥氏体中的溶解度大于铁素体。氮、氢在液态铁中的溶解度随温度升高而增大。在铁的气化温度附近，气体溶解度陡降。第二十三页，共五十六页，2022年，8月28日24温度T/℃溶解度SO/%氧在铁中的溶解度与温度的关系氧在液态铁中的溶解度随温度升高而增大第二十四页，共五十六页，2022年，8月28日25SH/mL.(100g)-1T/℃图氢在不同金属中的溶解度随温度的变化（pH2＝0.1MPa）a）I类金属(氢的溶解是吸热反应)b）II类金属a）SH/mL.(100g)-1T/℃b）3、合金成分对溶解度的影响第II类金属吸氢过程是放热反应，因此随着温度的升高，氢的溶解度减小。第二十五页，共五十六页，2022年，8月28日263、合金成分对溶解度的影响

氢在二元系铁合金中的溶解度（1600℃）氢溶解度SH/ml.(100g)-1合金元素含量wMe/%

氮在二元系铁合金中的溶解度（1600℃）合金元素含量wMe/%氮溶解度SN/％液态金属中加入能提高气体含量的合金元素，可提高气体的溶解度；若加入的合金元素能与气体形成稳定的化合物（即氮、氢、氧化合物），则降低气体的溶解度。第二十六页，共五十六页，2022年，8月28日27第三节气体对金属的氧化

主要讨论O2、CO2、H2O等气体对金属的氧化。

一、金属氧化还原方向的判据二、氧化性气体对金属的氧化第二十七页，共五十六页，2022年，8月28日28一、金属氧化还原方向的判据

在一个由金属、金属氧化物和氧化性气体组成的系统中，采用金属氧化物的分解压

Po2作为金属是否被氧化的判据。

2MeO2Me+O2

若氧在金属－氧－氧化物系统中的实际分压为{Po2}，则:

{Po2}>Po2时，金属被氧化；

{Po2}=Po2时，处于平衡状态；

{Po2}<Po2时，金属被还原。第二十八页，共五十六页，2022年，8月28日29金属氧化物的分解压是温度的函数，它随温度的升高而增加。除了Cu2O和NiO外，在同样温度下，FeO的分解压最大，即最不稳定。FeO为纯凝聚相时，其分解压为：图

自由氧化物分解压与温度的关系T/℃LgpO2/×101.3kPaMoO第二十九页，共五十六页，2022年，8月28日30式中

P'o2是液态铁中FeO的分解压；[FeO]是溶解在液态铁中的FeO浓度；[FeO]max是液态铁中FeO的饱和浓度。由上式可以看出，由于FeO溶于液态铁中，使其分解压减小，致使Fe更容易氧化。计算得知，在高于铁熔点的温度下P'o2

很小，例如温度为1800℃，液态铁中[FeO]的质量分数为1％时，P'o2

=1.5×10-8MPa，说明气相中只要存在微量的氧，即可使铁氧化。通常情况下FeO溶于液态铁中，这时其分解压为：

第三十页，共五十六页，2022年，8月28日31二、氧化性气体对金属的氧化1、自由氧对金属的氧化2、CO2对金属的氧化3、H2O对金属的氧化4、混合气体对金属的氧化第三十一页，共五十六页，2022年，8月28日321、自由氧对金属的氧化气相中O2的分压超过P'o2时，将使Fe氧化：

[Fe]+½O2=FeO+26.97kJ/mol[Fe]+O=FeO+515.76

kJ/mol

由反应的热效应看，原子氧对铁的氧化比分子氧更激烈。除了铁以外，其它对氧亲和力比铁大的元素也会发生氧化，如：

[C]+½O2=CO↑[Si]+O2=（SiO2）

[Mn]+½O2=（MnO）第三十二页，共五十六页，2022年，8月28日33纯CO2高温分解得到的平衡气相成分和气相中氧的分压{Po2}随温度升高，气相的氧化性增加。2、CO2对金属的氧化当温度高于3000K时，CO2的氧化性超过了空气。温度高于铁的熔点以后，{Po2}远大于P'o2高温下CO2对液态铁和其他许多金属来说均为活泼的氧化剂。第三十三页，共五十六页，2022年，8月28日34CO2与液态铁的反应式和平衡常数为：

CO2＋[Fe]＝CO＋[FeO]温度升高时，平衡常数K增大，反应向右进行，促使铁氧化。计算表明，即使气相中只有少量的CO2，对铁也有很大的氧化性。因此，用CO2作保护气体只能防止空气中氮的侵入，不能避免金属的氧化。

用CO2作为保护气体焊接时，应该在焊丝中增加脱氧元素。第三十四页，共五十六页，2022年，8月28日353、H2O对金属的氧化H2O气与Fe的反应式和平衡常数为：

H2O气＋[Fe]＝[FeO]＋H2

可见，温度越高，H2O的氧化性越强。

H2O气除了使金属氧化外，还会提高气相中H2的分压，导致金属增氢。第三十五页，共五十六页，2022年，8月28日364、混合气体对金属的氧化焊接电弧空间的气相是由多种气相成分混和而成。对于不同的焊接材料，焊接区气相会有不同的组成。∑O/g.(100g)-1，wO/%ArCO2ΦCO2，ΦO2/%ΦO2/%不同气体保护焊对于熔敷金属中含氧量的影响见下图。

熔敷金属中∑O与保护气体成分的关系实线－∑O虚线－wO(焊丝－H08Mn2SiΦ1.6mm母材－低碳钢)第三十六页，共五十六页，2022年，8月28日37表3-2碳钢焊条电弧焊焊接区室温时的气相成分低氢型焊条焊接时，气相中H2和H2O的含量很少，故称“低氢型”；酸性焊条焊接时氢含量均较高，其中纤维素型焊条的最大。酸性焊条电弧焊电弧空间的氧化性远大于碱性。第三十七页，共五十六页，2022年，8月28日38第四节气体的影响与控制一、气体对金属质量的影响二、气体的控制措施第三十八页，共五十六页，2022年，8月28日39一、气体对金属质量的影响残留在金属内部的气体元素对金属性能的影响取决于气体元素在金属中的存在状态。

室温下N、H、O在金属中的溶解度极低，残留在接头中的[H]R易导致延迟裂纹和氢脆。固溶态化合物独立气相弥散状（氮化物）块状（氧化物、氮化物）强化、脆化夹杂气孔（氢气孔，氮气孔，CO气孔）第三十九页，共五十六页，2022年，8月28日40二、气体的控制措施

1．限制气体的来源2．控制工艺参数3．冶金处理第四十页，共五十六页，2022年，8月28日411．限制气体的来源①氮主要来源于空气，它一旦进入液态金属，去除就比较困难。因此，控制氮的首要措施是加强对金属的保护，防止空气与金属接触。焊接时，惰性气体或气渣联合保护。第四十一页，共五十六页，2022年，8月28日42②氢主要来源于水分，包括原材料本身含有的水分、材料表面吸附的水分以及铁锈或氧化膜中的结晶水、化合水等。材料内的碳氢化合物和材料表面的油污等也是氢的重要来源。限制措施为焊材存放中防吸潮、焊前烘干和去油污。第四十二页，共五十六页，2022年，8月28日43

③氧主要来源于焊材，在焊接要求比较高的合金钢和活泼金属时，应尽量选用不含氧或氧含量少的焊接材料。如采用高纯度的惰性保护气体，采用低氧或无氧的焊条、焊剂等。第四十三页，共五十六页，2022年，8月28日442．控制工艺参数增大电弧电压时，保护效果变差，液态金属与空气的接触机会增多，使焊缝中氮、氧的含量增加。因此，应尽量采用短弧焊。焊接电流增加时，熔滴过渡频率增加，气体与熔滴作用时间缩短，焊缝中氮、氧含量减少。此外，焊接方法、熔滴过渡特性、电流种类等也有一定的影响。第四十四页，共五十六页，2022年，8月28日453．冶金处理采用冶金方法对液态金属进行脱氢、脱氮、脱氧等除气处理，是降低金属中气体含量的有效方法。第四十五页，共五十六页，2022年，8月28日46

焊接过程中的脱氢（1）在焊条药皮和焊剂中加入氟化物（2）控制焊接材料的氧化势（3）在药皮或焊芯中加入微量稀土元素（4）焊后消氢处理第四十六页，共五十六页，2022年，8月28日47（1）在焊条药皮和焊剂中加入氟化物主要是CaF2，焊条药皮中加入7％～8％，即可急剧减少焊缝的氢含量。氟化物的去氢机理主要有以下两种：

在酸性渣中：

CaF2和SiO2共存时能发生如下化学反应：

2CaF2+3SiO2=2CaSiO3+SiF4

生成的气体SiF4沸点很低，它以气态形式存在。第四十七页，共五十六页，2022年，8月28日48

SiF4与气相中的原子氢和水蒸气发生反应：

SiF4+3H=SiF+3HFSiF4+2H2O=SiO2+4HF

反应生成的HF在高温下比较稳定，故能降低焊缝的氢含量。第四十八页，共五十六页，2022年，8月28日49

在碱性焊条药皮

中，

CaF2首先与药皮中的水玻璃发生反应：Na2O.nSiO2+mH2O=2NaOH+nSiO2(m-1)H2O2NaOH+CaF2=2NaF

+Ca(OH)2

K2O.nSiO2+mH2O=2KOH+nSiO2(m-1)H2O2KOH+CaF2=2KF+Ca(OH)2

第四十九页，共五十六页，2022年，8月28日50与此同时，CaF2与水蒸气和氢发生如下反应：

CaF2+H2O=CaO+2HFCaF2+2