第2讲: 焊接区内气体与金属的作用

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第二节 焊接区内气体与金属的作用

焊接过程中，液态金属与各种气体发生相互作用――对焊件的性能产生影响。 深入了解气体的来源及其与金属的相互作用机制，对于控制金属中气体的含量，提高焊件的质量至关重要。 一、焊接区内的气体 （一）气体的种类和来源

1、种类：影响最大的气体包括――氮、氢、氧、水蒸气、二氧化碳。 2、来源：――焊接材料（主要）、母材和焊接环境气氛。 3、产生途径

1）直接侵入或输入；

2）物化反应产生： ①有机物的分解和燃烧：

淀粉、纤维素、糊精等受热（220～250℃）氧化分解，产物主要是CO 2。 试验表明，含有机物的焊条加热温度应控制在150℃，不能超过200℃。 ②碳酸盐和高价氧化物的分解：

CaCO3 = CaO + CO2↑， MgCO3 = MgO + CO2↑

6Fe 2O 3 = 4Fe3O 4 + O2↑ 2 Fe3O 4 = 6 FeO + O2↑

4MnO2 = 2 Mn2O 3 + O2↑ 6 Mn2O 3 = 4 Mn3O 4 + O2↑ ③物质的蒸发及冶金反应：

焊材中的水分； 金属元素（Zn 、Mg 、Pb 、Mn) ；

熔渣(氟化物中AlF 3、KF 、LiF 、NaF) ； 某些冶金反应――气态产物；

4、结果：

合元损失；产生缺陷；增加焊接烟尘，影响焊工身体。 （二）气体分解和气相的组分 1、气体分解

简单气体（指N 2、H 2、O 2等双原子气体）的分解 ；

复杂气体（指CO 2和H 2O 等）的分解，分解产物在高温下还可进一步分解和电离。

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2、气相的组分

二、气体与金属的作用 （一）气体在金属中的溶解 1、溶解反应热力学

一般，气体分子→ 分解为原子－溶解到液态金属中。 双原子气体溶入金属液的两种方式：

1） 温度不够高或气体难以分解时：吸附 — 分解 — 溶入； X在金属中的溶解度

S (X ) =K (X 2)[p (X 2)]

2）焊接温度下氢、氧等气体的溶解：分解 — 吸附 — 溶入； X在金属中的溶解度

S (X ) =K (X ) p (X ) 2、氮在金属中的溶解 1）氮与金属的作用方式

不发生作用―Cu 、Ni ―不溶+不反应；

发生作用―Fe 、Ti ―溶+形成氮化物；

2）理论上，氮在铁中的溶解度如图所示：

a ）气化温度附近，溶解度↓↓。

b ）氮、氢在液态铁中，温度↑，溶解度↑ c ）氮、氢在金属凝固时溶解度↓↓。 d ） 氮、氢的溶解度：奥氏体>铁素体。 3）实际上

a ）电弧焊中熔池的溶氮量比计算的标准溶氮量高，图2-8。

b）氮在金属凝固时溶解度陡降－－部分残留在焊缝中(固溶氮、分子氮和氮

化物) －－影响性能。

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c）氮与铜、镍不发生作用，可以作焊接保护气体。

3、氢在金属中的溶解 1）氢与金属的作用特点：

形成稳定氢化物――放热反应――Nb 、Ti 、V 、Zr 等――焊接此类金属时要防

止较低固态时吸收大量的氢。

不形成稳定氢化物――吸热反应――Cu 、Al 、Fe 、Ni 等――以下作分析。 2）两种溶解方式：

a ）通过熔渣向金属中溶解：――以OH －形式存在。

溶解度取决于：

①气相中氢和水蒸气的分压；

②渣中的自由氧离子浓度越大（即熔渣的碱度越大），水的溶解度越大；

③氟化物的含量：氟化物↑，溶解度↓；

b）通过气相向金属中过渡：――以分子、质子或原子形式存在。 ①氢以分子存在：符合平方根定律，如图2-9； 特点：与氮的溶解规律相似。

合金元素：对氢在铁中的溶解度有影响，图2-11 。 晶体结构：面心晶格的溶氢量>体心晶格的溶氢量。

②氢以原子或质子存在：溶解度比平方根定律计算的值高，图2－10； 3）氢在焊缝中的扩散

扩散氢－－原子或离子形式－形成间隙固溶体－占总含氢量的80％～90％

－随时间变化，或变为残余氢或逸出－扩散氢量减少；.

残余氢－分子形式－聚集在晶格缺陷、裂纹和非金属夹杂物的边缘－随时间

变化，残余氢量会增加――获得足够的能量可变扩散氢。

焊缝中的含氢量与时间的关系：总氢量随时间减少， 图2-12. 氢在不同组织中的扩散速度不同：A 中扩散系数最大，表2-8. 4、氧在金属中的溶解

液态铁中氧的形式――原子氧+FeO；

溶解度――随着温度的升高而增大，图2-14； 固态焊缝中――氧化物+硅酸盐；

合金元素对溶解度的影响如图2-15所示。

（二）氧化性气体对金属的氧化 1、氧化还原反应的判据

1） 金属氧化物的分解压p(O2//MenOm)―氧化物分解反应达到平衡状态时氧的分压。

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若某一金属+氧+金属氧化物系统中，氧的实际分压p(O2) ，那么： p (O2) >p （O 2／MenOm ）---- 金属被氧化；

p (O2)=p （O 2／MenOm ）----- 处于平衡状态；

p (O2)

即p （O 2／MenOm ）↑，金属氧化物越不稳定，易被还原。 2） 金属氧化物分解压与温度的关系见下图：

a) 金属氧化物的分解压：随温度↑而↑； b) 在同样温度下，除 Ni 、 Cu 外，

FeO 的分解压最大，最不稳定， 即Fe 不宜氧化。

CaO 、MgO 、Al 2O 3的分解压最小， 最稳定，即这三种金属易氧化。 c) 通常情况下FeO 溶于液态铁中，

使其分解压减小，致使 Fe 更容易 氧化。

2、自由氧对金属的氧化

气相中 O2 的分压超过 p （O 2/FeO）时，将使 Fe 氧化： [ Fe ] + ½ O2 = FeO + 26.97 kJ/mol [ Fe ] + O = FeO + 515.76 kJ/mol

原子氧比分子氧对铁的氧化更激烈；

同时： [ C ] + ½ O2 = CO↑, [ Si ] + O2 =（SiO 2），

[ Mn ] + ½ O2 =（MnO ）

3、CO 2对金属的氧化

氧化物分解压与温度的关系T /℃

L g p （O 2/M e n O m )

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特点：

1）温度升高，气相的氧化性增加； lg K =-11576+6. 855

T 2） 3000K

时，CO 2的分解压等于空气中氧的分压；

高于3000K 时，CO 2的氧化性高于空气。

即：用CO 2作保护气体，只能防止空气中氮的侵入，不能防止金属的氧化； 氧化―――气孔+合元烧损―――焊丝中加入含锰、硅较高的焊丝。 4、H 2O 气对金属的氧化 1）温度越高，氧化性越强。 10200 lg K =-+5. 5T

2）在液态铁存在的温度CO 2的氧化性比H 2O 大；

3）若气相中含有较多的水分时，脱氧+去氢―――保证焊接质量； 5、混合气体对金属的氧化

当混合气体具有氧化性时，应当在焊丝或药皮中加入脱氧剂。

图2-16 熔敷金属中∑O 与保护气体成分的关系

由图可得：CO 2和O 2↑－－ 混合气体氧化性↑－熔敷金属的含氧量↑。

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