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、AI可降低氢在液态铁中的溶解度;Ti、Zr、Nb及一些稀土元素可以提高氢的溶解度;而Mn、Ni、Cr和Mo的影响不大。2焊缝中的氢溶于金属中的氢由于原子半径较小，因而在钢中与a一Fe或Y一Fe形成间隙固溶体并且具有很强的扩散能力。在焊缝中，一部分原子或离子状态存在并可在晶格中自由扩散迁移的氢，这一部分的氢被称为扩散氢。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。在钢焊接的接头中，氢主要是扩散氢。由于氢的扩散运动，随着时间的延长，焊缝中的一部分扩散氢从接头中逸出而使氢的溶解度降低；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。见图1一21所示。为了获得准确的测氢数据，许多国家都制定了熔敷金属扩散氢测定的标准。常用的测氢方法有水银法、甘油法等。由于氢的扩散能力强，焊缝中的氢可向周围近缝区不断扩散，使氢沿焊缝长度方向的分布是不均匀的，如图1一22示。接头中的含氢量最大处位于熔合线附近。氢在接头横断面上的分布特征与母材成分、组织、焊缝金属的类型等因素有关。从图上可以看出，氢不仅在焊缝中存在，而且还向近缝区中扩散，并且扩散深度较大。150poa1(8000-uHd402dB8000)30R14o20310POo10203040506002550O方5tisL/cm图1一21焊缝金属中的含氢量与焊后放置时间的图1一22氢沿焊缝长度L的分布关系1一熔敷金属：2一焊缝金属26
26 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 及一些稀土元素可以提高氢的溶解度;而 Mn ﹑Ni﹑Cr 和 Mo 的影响不大。 2 焊缝中的氢 溶于金属中的氢由于原子半径较小，因而在钢中与α—Fe 或γ—Fe 形成间隙固溶体并 且具有很强的扩散能力。在焊缝中，一部分原子或离子状态存在并可在晶格中自由扩散迁移 的氢，这一部分的氢被称为扩散氢。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。在钢焊接的接头中，氢主要是扩散氢。由于氢的扩散运动，随着时间的延长， 焊缝中的一部分扩散氢从接头中逸出而使氢的溶解度降低；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。见图 1－21 所示。为了获得准确的测氢数据，许多国家都制 定了熔敷金属扩散氢测定的标准。常用的测氢方法有水银法﹑甘油法等。 由于氢的扩散能力强，焊缝中的氢可向周围近缝区不断扩散，使氢沿焊缝长度方向的 分布是不均匀的，如图 1－22 示。接头中的含氢量最大处位于熔合线附近。氢在接头横断面 上的分布特征与母材成分﹑组织﹑焊缝金属的类型等因素有关。从图上可以看出，氢不仅在 焊缝中存在，而且还向近缝区中扩散，并且扩散深度较大。 图1－21 焊缝金属中的含氢量与焊后放置时间的 关系 1－总氢量； 2－扩散氢； 3－残余氢 图1－22 氢沿焊缝长度L的分布 1－熔敷金属； 2－焊缝金属
3、氢对焊接质量的影响氢脆：由氢引起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，但对材料的强度几乎没有影响。白点：碳钢和低合金钢焊缝金属含有许多氢时，可在其抗拉试件的断口上发现呈圆形或椭圆形并在中心有一凹点的银白色斑点，这个斑点称为白点。冷裂纹：焊接接头冷却到较低温度时产生的焊接裂纹称为冷裂纹。气孔：当熔池中溶入大量的氢时，在熔池冷却到熔点时，由于氢的溶解度急剧下降使氢呈现过饱和状态，因此氢大量析出并以气泡的形式向外逸出，如果气泡的逸出速度小于熔池的结晶速度便形成气孔。组织变化：氢是奥氏体稳定化元素，在奥氏体中的溶解度较大。当焊缝中含氢量较大时，含氢奥氏体的稳定性增加，不易形成铁素体和珠光体，而容易转变为马氏体，从而造成氢的局部富集产生氢脆，并在内应力的作用下产生显微裂纹。4、控制含氢量的措施1)限制氢的来源：首先要限制焊接材料中的含氢量。另外，气体保护焊所用的气体，焊丝和工件表面的油污、铁锈和水分等都是氢的重要来源。2)进行冶金处理：通过适当的化学冶金反应，可以在高温下形成稳定且不溶于金属的氢化物（OH，HF），降低了气相中的氢分压，从而降低氢在液态金属中的溶解度。在焊条药皮中加入CaF2、MgF2和BaF2等氟化物，可以不同程度地降低焊接接头的含氢量。控制焊接材料的氧化还原势。熔池中氢的平衡浓度可表示为：Ph.PH.o[H]= [0]从上式可以看出，增加熔池中的含氧量或气相的氧化性可以减少熔池中氢的平衡浓度因为氧原子可夺取氢生成很稳定的OH。碱性焊条中含有较多的碳酸盐，它们受热分解，析出大量的CO2，通过下式可达到去氢的目的:CO2+H=CO+OHCO2气体保护焊即使气体中含有一定的水分，焊缝含氢量仍不很高。氩弧焊时在氩气中加入少量的氧气或CO2，可控制接头的氢气孔，都是以此理论为基础的。27
27 3、 氢对焊接质量的影响 氢脆：由氢引起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，但对材料的强度几乎没有影响。 白点：碳钢和低合金钢焊缝金属含有许多氢时，可在其抗拉试件的断口上发现呈圆形或 椭圆形并在中心有一凹点的银白色斑点，这个斑点称为白点。 冷裂纹：焊接接头冷却到较低温度时产生的焊接裂纹称为冷裂纹。 气孔：当熔池中溶入大量的氢时，在熔池冷却到熔点时，由于氢的溶解度急剧下降使氢 呈现过饱和状态，因此氢大量析出并以气泡的形式向外逸出，如果气泡的逸出速度小于熔池 的结晶速度便形成气孔。 组织变化：氢是奥氏体稳定化元素，在奥氏体中的溶解度较大。当焊缝中含氢量较大时， 含氢奥氏体的稳定性增加，不易形成铁素体和珠光体，而容易转变为马氏体，从而造成氢的 局部富集产生氢脆，并在内应力的作用下产生显微裂纹。 4、 控制含氢量的措施 1)限制氢的来源：首先要限制焊接材料中的含氢量。另外，气体保护焊所用的气体，焊 丝和工件表面的油污﹑铁锈和水分等都是氢的重要来源。 2)进行冶金处理：通过适当的化学冶金反应，可以在高温下形成稳定且不溶于金属的氢 化物（OH，HF），降低了气相中的氢分压，从而降低氢在液态金属中的溶解度。 在焊条药皮中加入 CaF2﹑MgF2 和 BaF2 等氟化物，可以不同程度地降低焊接接头的含 氢量。 控制焊接材料的氧化还原势。熔池中氢的平衡浓度可表示为： 从上式可以看出,增加熔池中的含氧量或气相的氧化性可以减少熔池中氢的平衡浓度， 因为氧原子可夺取氢生成很稳定的 OH。 碱性焊条中含有较多的碳酸盐，它们受热分解，析出大量的 CO2，通过下式可达到去氢的目 的： CO2+H =CO+OH CO2 气体保护焊即使气体中含有一定的水分，焊缝含氢量仍不很高。氩弧焊时在氩气 中加入少量的氧气或 CO2，可控制接头的氢气孔，都是以此理论为基础的。 [ ] [ ] 2 2 O p H pH O H =
药皮中高价的氧化物的分解不但增加了气氛的氧化性，也增加了熔池的氧化性。这时通过[O]+[H]=OH，可以降低熔池中的含氢量，但必须控制氧化性气氛的量，否则焊缝增氧同样会影响焊蜂质量。3)在焊条药皮或焊芯中加入微量的稀土元素或稀散元素。4)控制焊接工艺参数，但调整焊接工艺参数来控制焊缝含氢量有很大的局限性。5)焊后脱氢处理焊后把工件加热到一定温度，促使氢扩散外逸的工艺叫脱氢处理。总之，对氢的控制，首先应限制氢的来源；其次应防止氢溶入金属；最后应对溶入金属的氢进行脱氢处理。三。氮与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，大致可分为两种情况：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，如铁，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氮在铁中的溶解氮在铁中的溶解度与温度的关系如图1-20所示。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在液态铁的，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。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常高于其平衡含量。原因在于：电弧中受激的氮分子，特别是氮原子的溶解速度比没受激的氮分子要快得多：电弧中的氮离子N+可在阴极溶解：在氧化性气氛中形成的NO，遇到温度较低的液态金属分解为N和O原子，并迅速溶入金属中。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造成气孔，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，当熔池金属的结晶速度大于氮的逸出速度时就形成气孔；②引起时效脆化，氮是促进时效脆28
28 药皮中高价的氧化物的分解不但增加了气氛的氧化性，也增加了熔池的氧化性。这时通 过[O]+[H]=OH，可以降低熔池中的含氢量，但必须控制氧化性气氛的量，否则焊缝增氧同 样会影响焊蜂质量。 3)在焊条药皮或焊芯中加入微量的稀土元素或稀散元素 。 4)控制焊接工艺参数,但调整焊接工艺参数来控制焊缝含氢量有很大的局限性。 5)焊后脱氢处理 焊后把工件加热到一定温度，促使氢扩散外逸的工艺叫脱氢处理。 总之，对氢的控制，首先应限制氢的来源；其次应防止氢溶入金属；最后应对溶入金属 的氢进行脱氢处理。 三．氮与金属的作用 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，大致可分为两种 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，如铁﹑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 氮在铁中的溶解 氮在铁中的溶解度与温度的关系如图 1-20 所示。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在液态铁的，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。 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 常高于其平衡含量。原因在于：电弧中受激的氮分子，特别是氮原子的溶解速度比没受激的 氮分子要快得多；电弧中的氮离子 N+可在阴极溶解；在氧化性气氛中形成的 NO，遇到温度 较低的液态金属分解为 N 和 O 原子，并迅速溶入金属中。 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造成气孔，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， 当熔池金属的结晶速度大于氮的逸出速度时就形成气孔；②引起时效脆化，氮是促进时效脆
化的元素，如果熔池中溶入较多的氮，在焊缝凝固后，由于a一Fe中氮的溶解度很小，此时氮在固溶体中呈饱和状态，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，使焊缝金属的塑性和韧性降低：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0.001%以下时，则对接头的力学性能无明显影响。氮对焊缝金属力学性能的影响300600120a250100F500080=400200CtaO二150号P60240100102050100605190.020.040.060.080.100.120.1400.050.100.150.200.25[N]/0%[N]/9%图1－23氮对焊缝金属常温力学性能的影响图1-24氮对低碳钢焊缝金属低温韧度的影响3控制含氮量的措施1)由于焊接区中的氮主要来自空气，因此，必须加强对焊接区机械保护。2)焊接工艺参数对焊缝含氮量有明显影响。3)利用合金元素，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。4)选用含有能够生成稳定氮化物元素（Ti、Zr、AI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，从目前的试验表明：加强保护是控制焊缝含氮量的最有效措施。四氧与金属的作用不同金属与氧的相互作用特点也不同。Al、Mg等金属在焊接时可与氧发生激烈氧化而破坏焊接的工艺性能，但它们无论在固态和液态都不溶解氧；Fe、Cu、Ni、Ti等金属在焊接时也发生氧化，但它既能有限溶解氧，又能够溶解相应的金属氧化物，如FeO可溶于铁29
29 化的元素，如果熔池中溶入较多的氮，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，使焊缝金属的塑性和韧性降低；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 0.001%以下时，则对接头的力学性能无明显 影响。 氮对焊缝金属力学性能的影响 3 控制含氮量的措施 1)由于焊接区中的氮主要来自空气，因此，必须加强对焊接区机械保护。 2)焊接工艺参数对焊缝含氮量有明显影响。 3)利用合金元素，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。 4)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，从目前的试验表明：加强保护是控制焊缝含氮量的最有效措施。 四 氧与金属的作用 不同金属与氧的相互作用特点也不同。Al﹑Mg 等金属在焊接时可与氧发生激烈氧化而 破坏焊接的工艺性能，但它们无论在固态和液态都不溶解氧； Fe﹑Cu﹑Ni﹑Ti 等金属在焊 接时也发生氧化，但它既能有限溶解氧，又能够溶解相应的金属氧化物，如 FeO 可溶于铁 图1－23 氮对焊缝金属常温力学性能的影响 图1－24 氮对低碳钢焊缝金属低温韧度的影响
及其合金中。这里主要介绍氧与铁的作用。1、氧在金属中的溶解氧是以原子氧和氧化亚铁两种形式溶于液态铁中。[O]与温度有关。在室温下，氧几乎不溶于a一Fe中。如果与液态铁平衡的是纯FeO熔渣，则溶于液态铁中的氧达到最大值用[O]max表示。它与温度的关系为：1g0] - 32 + 2734T当液态铁中含有其它合金元素时，随着合金元素含量的增加，氧的溶解度下降。在铁的冷却过程中氧的溶解度急剧下降。焊缝金属和钢中含有的氧绝大部分是以氧化物（FeO、SiO2、MnO、AlO，等）和硅酸盐夹杂物的形式存在。因此焊缝含氧量既包括溶解在金属中的氧量，又包括非金属夹杂物中的氧量。2、氧化性气氛对金属的氧化按照物理化学理论，金属氧化物的分解压Po2可作为金属氧化还原的判据。假设电弧气氛中氧的实际分压为(Po2)。如果(Po2)>Po2，则金属被氧化；若(Po2)<Po2，则金属被还原。若(Po2）Po2，则处于平衡状态。热力学计算表明：在焊接温度下FeO的分解压很小，气相中只要有微量氧，就可使铁氧化。焊接时，不管采用何种保护措施，氧总能或多或少地侵入焊接区，高价氧化物等物质受热分解也会产生氧气。使得气相中的自由氧分压大于FeO的分解压，导致铁氧化。另外，钢中的合金元素对氧的亲和力比铁大时，也会被氧化。(1)自由氧对金属的氧化[Fe]+1/202==Fe0+26.97kJ/mol[Fe]+0 ==FeO +515.76kJ/mol由上式可知，原子氧比分子氧的氧化性强。另外，钢中的合金元素对氧的亲和力比铁的大时，也会被氧化：[C]+1/202 == CO 1[Si]+02=(SiO2[Mn]+1/202==（Mn0)反应的结果，一方面增加合金元素的氧化损失，另一方面减少了焊缝的含氧量。2）CO2对金属的氧化在液态铁的温度范围内，CO2分解所形成的氧分压远大于FeO的分解压，这说明在高30
30 及其合金中。这里主要介绍氧与铁的作用。 1、 氧在金属中的溶解 氧是以原子氧和氧化亚铁两种形式溶于液态铁中。[O]与温度有关。在室温下，氧几乎 不溶于α—Fe 中。如果与液态铁平衡的是纯 FeO 熔渣，则溶于液态铁中的氧达到最大值， 用[O]max表示。它与温度的关系为： 当液态铁中含有其它合金元素时，随着合金元素含量的增加，氧的溶解度下降。 在铁的冷却过程中氧的溶解度急剧下降。焊缝金属和钢中含有的氧绝大部分是以氧化物 （FeO﹑SiO2﹑MnO﹑Al2O3 等）和硅酸盐夹杂物的形式存在。因此焊缝含氧量既包括溶解 在金属中的氧量，又包括非金属夹杂物中的氧量。 2、 氧化性气氛对金属的氧化 按照物理化学理论，金属氧化物的分解压 PO2可作为金属氧化还原的判据。假设电弧气 氛中氧的实际分压为{PO2}。如果{PO2} ＞ PO2 ，则金属被氧化；若{PO2} ＜ PO2 ，则金属 被还原。若{PO2} ＝ PO2，则处于平衡状态。热力学计算表明：在焊接温度下 FeO 的分解压 很小，气相中只要有微量氧，就可使铁氧化。焊接时，不管采用何种保护措施，氧总能或多 或少地侵入焊接区，高价氧化物等物质受热分解也会产生氧气。使得气相中的自由氧分压大 于 FeO 的分解压，导致铁氧化。另外，钢中的合金元素对氧的亲和力比铁大时，也会被氧 化。 (1)自由氧对金属的氧化 [Fe]+1/2O2 == FeO+26.97kJ/mol [Fe]+O == FeO +515.76kJ/mol 由上式可知,原子氧比分子氧的氧化性强。另外，钢中的合金元素对氧的亲和力比铁的 大时，也会被氧化： [C]+1/2O2 == CO↑ [Si]+O2 == （SiO2） [Mn]+1/2O2 == （MnO） 反应的结果，一方面增加合金元素的氧化损失，另一方面减少了焊缝的含氧量。 2）CO2对金属的氧化 在液态铁的温度范围内，CO2 分解所形成的氧分压远大于 FeO 的分解压，这说明在高 2.734 6320 lg[ ]max = − + T O