云南焊工培訓(xùn)：焊縫金屬中的氣體及其影響
云南焊工培訓(xùn)：焊縫金屬中的氣體及其影響
在焊接過(guò)程中，熔池周?chē)錆M(mǎn)著各種氣體，它們不斷地與熔池金屬發(fā)生作用，影響焊縫金屬的成分和性能。其主要成分為CO、CO2、H2、02、N2、H20（水蒸氣，下同），以及少量的金屬與熔渣的蒸氣，氣體中以 O2、N2、H2O對(duì)焊縫的質(zhì)量影響最大。
1. 氧對(duì)焊縫金屬的作用
焊接時(shí)，氧主要來(lái)自電弧中 O2、CO2、H2O 等，以及藥皮中的氧化物和焊件表面的鐵銹、水分等。通常氧是以原子氧和氧化亞鐵（FeO）2 種形式溶解在液態(tài)金屬中。
焊縫金屬中含氧量的增加，會(huì)使其強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、塑性和沖擊韌性降低，還會(huì)增加焊縫金屬的熱脆、冷脆傾向，以及降低抗腐性能。溶解在熔池中的氧與碳、氫反應(yīng)，生成不溶于金屬的CO和H20，在熔池結(jié)晶時(shí)來(lái)不及逸出，會(huì)形成氣孔。在熔滴中含氧和碳過(guò)多時(shí)，所產(chǎn)生的CO受熱膨脹，使熔滴爆炸造成飛濺。因此，氧在焊縫金屬中屬于有害的元素。減少焊縫含氧量有效的措施包括∶
（1）冶金處理 從焊條藥皮或焊絲中加入鐵合金（錳、硅、鈦等）對(duì)焊縫金屬進(jìn)行脫氧，這是行之有效的措施之一。
維金屬脫氧的目的是要盡量減少熔池金屬的含氧量（對(duì)低碳鋼和低合金鋼來(lái)說(shuō)，危性最大的主要是 FeO），使焊縫金屬中氧化夾雜物降到最低限度。
在 E4303 型焊條藥皮中用 Mn 脫氧，Mn 的脫氧反應(yīng)是∶
FeO + Mn = MnO+Fe
反應(yīng)式中的 MnO系堿性氧化物，很容易與酸性焊條中的酸性氧化物SiO2、TiO2結(jié)合成穩(wěn)定的熔渣，所以Mn 是E4303 型焊條中較好的脫氧劑。
在 E5015 型焊條藥皮中用Ti、Si 對(duì)熔池中的 FeO 脫氧，脫氧反應(yīng)是∶
2FeO+Ti =TiO2+2Fe
2FeO+Si= SiO2+2Fe
反應(yīng)式中的脫氧產(chǎn)物 TiO2、SiO2，容易與堿性焊條中的堿性氧化物 CaO 結(jié)合成熔渣。
SiO2+Ca0 =Ca0·SiO2（入渣）
TiO2+CaO = CaO. TiO2（入渣）
所以 Ti、Si是 E5015 型焊條中較好的脫氧劑。
（2）加強(qiáng)保護(hù) 如選用合適的氣體流量、短弧焊等，防止空氣進(jìn)入。焊前，清理坡口及兩側(cè)的銹和水，烘干焊條、焊劑。
2. 氫對(duì)焊縫金屬的影響
氫主要來(lái)源于焊條藥皮和焊劑中的水分、焊條藥皮中的有機(jī)物、焊件和焊絲表面上的污物（鐵銹、油污等），以及空氣中的水分等。
（1）氫對(duì)焊縫的危害 氫是焊縫中一種有害的氣體。它的主要危害性有下列幾點(diǎn);
1）氫致裂紋 焊接時(shí)溶解于焊縫中的氫在冷卻過(guò)程中溶解度下降，會(huì)向熱影響區(qū)擴(kuò)散。當(dāng)某區(qū)域氫濃度很高而溫度下降時(shí)，一些氫原子結(jié)合成氫分子，會(huì)在金屬內(nèi)造成很大局部應(yīng)力。對(duì)于淬硬傾向大的材料，在約束應(yīng)力作用下就會(huì)產(chǎn)生冷裂紋。另外，在接頭處還易產(chǎn)生脆硬組織，使塑性嚴(yán)重下降。
2）氣孔 氫是焊縫中產(chǎn)生氣孔的主要因素之一。
3）白點(diǎn) 碳鋼或低合金鋼焊縫，若含氫量較大，常常在其拉伸試件的斷面出現(xiàn)魚(yú)目狀白色圓形斑點(diǎn)，稱(chēng)為白點(diǎn)。白點(diǎn)的直徑一般為0.5~3 mm，白點(diǎn)會(huì)使焊縫金屬的塑性大大下降。
（2）預(yù)防措施 為了減少氫的有害作用，焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制焊縫中的含氫量。首先，限制氫及水分的來(lái)源，如烘干焊條、焊劑;清除銹、水、油污;選用低氫型焊條。其次，應(yīng)該盡量防止氫溶入金屬中。如果氫含量過(guò)高，可進(jìn)行脫氫處理（后熱處理），即在焊后立即將焊件加熱到 250～350℃溫度范圍，保溫2～6 h 后空冷。
3. 氮對(duì)焊縫金屬的影響
焊接區(qū)中的氮主要來(lái)自空氣，它在高溫時(shí)溶入熔池中，并能最終留存在焊縫金屬中。隨著溫度下降溶解度降低，析出的氮與鐵形成化合物，以針狀?yuàn)A雜物形式存在于焊縫金屬中。氮的含量較高會(huì)使焊縫金屬?gòu)?qiáng)度提高，塑性和韌性降低。氮是焊縫中產(chǎn)生氣孔的主要元素之一。為了消除氮的有害作用，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)焊接區(qū)的保護(hù)，隔離空氣與液態(tài)金屬的接觸。此外，采用短弧焊也能控制焊縫中的含氮量。
五、焊縫中有害元素的影響
焊縫金屬中的有害元素除了上述的氫、氧、氮之外，還有硫和磷。
硫以 FeS 和 MnS 夾雜物形式存在于焊縫金屬中，會(huì)導(dǎo)致高溫脆性（稱(chēng)熱脆），產(chǎn)生熱裂紋。磷會(huì)導(dǎo)致低溫脆性（稱(chēng)冷脆），產(chǎn)生冷裂紋。磷在奧氏體不銹鋼中也會(huì)產(chǎn)生低熔點(diǎn)雜質(zhì)，引起熱裂紋。
焊縫中硫、磷的主要來(lái)源是焊條藥皮和焊劑，此外還有母材中的硫和磷。為了減少硫、磷的來(lái)源，應(yīng)限制藥皮、焊劑和母材中硫、磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。這是降低焊縫硫、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)鍵措施。另外，還可以進(jìn)行冶金處理，即脫硫、脫磷。
六、焊縫金屬的滲合金
焊接過(guò)程中，熔池金屬中的合金元素會(huì)由于氧化和蒸發(fā)等造成燒損，因而改變了焊縫金屬的合金成分，使力學(xué)性能變壞。為了使焊縫金屬的成分、性能和組織符合預(yù)定的要求，就必須根據(jù)合金元素?fù)p失的情況向熔池中添加一些合金元素。這種方法稱(chēng)為焊縫金屬的滲 合金。
1. 滲合金的作用
滲合金不但可以獲得成分、組織和性能與母材相同或相近的焊縫金屬，還可以向焊縫金屬中滲入母材不含或少含的合金元素，形成化學(xué)成分、組織和性能與母材完全不同的焊縫金屬，以滿(mǎn)足焊件對(duì)焊縫金屬的特殊要求。例如，用堆焊（是用電焊或氣焊法熔敷耐磨、耐蝕、耐熱等性能金屬層，并堆在工件的表面或邊緣的焊接工藝）的方法來(lái)提高焊件表面耐磨、耐熱、耐蝕等性能，就是通過(guò)滲合金來(lái)達(dá)到的。
2.滲合金的方法
焊條電弧焊時(shí)，向焊縫中滲合金的方式有2 種∶一種是通過(guò)焊芯（合金鋼焊芯）過(guò)渡;另一種是通過(guò)焊條藥皮（即將合金成分加在藥皮里）過(guò)渡。還可以2種方式同時(shí)使用。
（1）通過(guò)焊芯滲合金 焊芯中的合金元素含量應(yīng)高于母材，但制造這樣成分的焊芯，有時(shí)在生產(chǎn)上有一定困難。采用合金鋼焊芯，外面再涂以堿性熔渣的保護(hù)藥皮，滲合金的效果和可靠性都好。
（2）通過(guò)藥皮滲合金 在焊條藥皮中加入各種鐵合金粉末和合金元素，然后在焊接時(shí)把這些元素過(guò)渡到焊縫金屬中去，這種方法在生產(chǎn)上應(yīng)用得較廣泛。通常是采用低碳鋼焊芯（H08、H08A），并且在焊條藥皮中加入合金劑，從而達(dá)到滲合金的目的。通過(guò)藥皮滲合金，一般均采用氧化性極低的堿性熔渣，以減少合金元素的燒損;有時(shí)也采用氧化性不大的酸性鈦鈣型熔渣。
焊條藥皮常用的合金劑有錳鐵、鉻鐵、鉬鐵、鎢鐵、鈦鐵、硼鐵等。
一般焊條藥皮中的合金劑和脫氧劑無(wú)明顯的區(qū)分。即同一種合金元素，既起脫氧劑的作用，又起合金劑的作用。例如，E4303 型焊條藥皮中的錳鐵，雖然主要用作脫氧劑，但也有少部分用作合金劑而滲入焊縫金屬，以彌補(bǔ)焊絲或鋼材中錳元素的燒損，改善焊縫金屬的力學(xué)性能。
學(xué)以致用
在焊接過(guò)程中采取短弧焊接，既可以減少空氣中氧的侵入，又可以減少熔滴過(guò)渡時(shí)與氧接觸的時(shí)間，有利于焊縫金屬的合金化。
七、焊接熱循環(huán)對(duì)焊接接頭的影響
接過(guò)程中熱源沿焊件移動(dòng)，在焊接熱源作用下，焊件上某點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的過(guò)程稱(chēng)為該點(diǎn)的焊接熱循環(huán)。
在焊縫兩側(cè)距焊縫遠(yuǎn)近不同的各點(diǎn)，所經(jīng)歷的熱循環(huán)不同。當(dāng)熱源向該點(diǎn)靠近時(shí)，該點(diǎn)溫度隨之升高，直至達(dá)到最高值;隨著熱源的離開(kāi)，該點(diǎn)溫度又逐漸降低，整個(gè)過(guò)程可以用一條曲線來(lái)表示，稱(chēng)為熱循環(huán)曲線。焊接熱循環(huán)是焊接接頭經(jīng)歷的特殊熱處理過(guò)程，這個(gè)過(guò)程必然會(huì)造成焊接熱影響區(qū)不均勻的組織和性能。
