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1、第三章第三章 焊接冶金学焊接冶金学 第11讲125上讲回顾上讲回顾v气体的来源与产生气体的来源与产生v气体分解气体分解v氮在金属中的溶解氮在金属中的溶解v氮对焊接质量的影响氮对焊接质量的影响v氮的控制氮的控制2253.3.2氢对金属的作用氢对金属的作用1.氢在金属中的溶解氢在金属中的溶解 氢几乎可与所有金属发生作用氢几乎可与所有金属发生作用，按其作用特点可将金，按其作用特点可将金属划分为两类：属划分为两类：能形成稳定氢化物的金属能形成稳定氢化物的金属 如如Zr、Ti、V、Ta、Nb等。这些金属吸收氢的特点是等。这些金属吸收氢的特点是放热反应放热反应，随温度的升高吸氢量减少。当吸氢量较多，随温度
2、的升高吸氢量减少。当吸氢量较多时，形成时，形成稳定氢化物稳定氢化物。325 当温度超过氢化物保持稳定的临界温度当温度超过氢化物保持稳定的临界温度时，氢化物发生分解，氢则扩散逸出；时，氢化物发生分解，氢则扩散逸出；当吸氢量少时，这些金属可与氢形成固当吸氢量少时，这些金属可与氢形成固溶体。溶体。焊接这类金属时，要注意防止在固态时焊接这类金属时，要注意防止在固态时吸入大量的氢，否则将严重影响焊接质吸入大量的氢，否则将严重影响焊接质量。量。425如如Al、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等。但它能溶于这类金属等。但它能溶于这类金属及其合金中，其溶解反应属及其合金中，其溶解反应属吸热反应吸热反应，故溶解量随
3、温度，故溶解量随温度的升高而增大。的升高而增大。下图下图为氢在金属（为氢在金属（Fe、A1、Cu、Ni 等）等）中的溶解度与温度的关系，它们的溶解曲线具有相类似中的溶解度与温度的关系，它们的溶解曲线具有相类似的特征：的特征：随着温度是升高，溶解度增加，并在一定的温随着温度是升高，溶解度增加，并在一定的温度下达到最大值，后迅速下降，并在接近金属沸点时溶度下达到最大值，后迅速下降，并在接近金属沸点时溶解度为零。解度为零。不能形成稳定氢化物的金属不能形成稳定氢化物的金属525 氢在氢在Fe中的溶解度随温度升高而增大中的溶解度随温度升高而增大v当温度约当温度约2400时，溶解度达时，溶解度达最大值最大
4、值（43mL100g）。）。熔滴阶段吸收的氢比熔池阶段多。熔滴阶段吸收的氢比熔池阶段多。v继续增加温度，金属的蒸气压急剧增加，使氢溶解继续增加温度，金属的蒸气压急剧增加，使氢溶解度迅速下降。度迅速下降。v在金属沸点温度时，氢的溶解度为零。在金属沸点温度时，氢的溶解度为零。625 从图中注意到，从图中注意到，在钢的相变点氢的溶解度发生突变在钢的相变点氢的溶解度发生突变，因为氢在固态钢中的溶解度和组织结构有关。氢在因为氢在固态钢中的溶解度和组织结构有关。氢在面心立方晶格（面心立方晶格（fcc）的奥氏体中）的奥氏体中溶解度大，而在溶解度大，而在体体心立方晶格（心立方晶格（bcc）的珠光体）的珠光体中
5、溶解度小。发生相变中溶解度小。发生相变时，出现溶解度的突变，时，出现溶解度的突变，这是引起气孔、裂纹等焊这是引起气孔、裂纹等焊接缺陷的重要原因。接缺陷的重要原因。725 氢可通过氢可通过气相气相和和熔渣熔渣向金属中溶解向金属中溶解v当氢通过当氢通过气相气相向金属中溶解时，分子状态的氢向金属中溶解时，分子状态的氢必必须分解为原子或离子状态（主要是须分解为原子或离子状态（主要是H+）才能向金才能向金属中溶解；属中溶解；v当通过当通过熔渣熔渣向金属中溶解时，氢或水蒸气首先溶向金属中溶解时，氢或水蒸气首先溶于熔渣中，于熔渣中，主要以主要以OH离子形式存在，离子形式存在，其溶解度其溶解度取决于气相中水蒸
6、气的分压、熔渣的碱度、氟化取决于气相中水蒸气的分压、熔渣的碱度、氟化物的含量和金属中的含氧量等因素。物的含量和金属中的含氧量等因素。825 合金元素合金元素(Me)对原子氢在对原子氢在1600铁铁水中的溶解度影响如图所示。水中的溶解度影响如图所示。vC和和B会引起氢溶解度急剧下降；会引起氢溶解度急剧下降；vO可减少金属对氢的吸附，降低氢可减少金属对氢的吸附，降低氢在液态铁中的溶解度；在液态铁中的溶解度；vTi、Zr、Nb及某些稀土元素可以及某些稀土元素可以提高氢的溶解度；提高氢的溶解度；vMn、Ni、Cr和和Mo等影响不大。等影响不大。925 2.焊缝金属中的氢及其扩散焊缝金属中的氢及其扩散
7、焊接熔池处于液态时吸收的氢，因凝固结晶速度焊接熔池处于液态时吸收的氢，因凝固结晶速度很快，来不及逸出而被留在固态的焊缝金属中。很快，来不及逸出而被留在固态的焊缝金属中。在钢焊缝中的氢是以在钢焊缝中的氢是以H、H形式存在，它们与焊形式存在，它们与焊缝金属形成缝金属形成间隙固溶体间隙固溶体。由于氢原子及离子的半。由于氢原子及离子的半径很小，它们可以在焊缝金属的晶格中自由扩散，径很小，它们可以在焊缝金属的晶格中自由扩散，这一部分氢被称为这一部分氢被称为扩散氢扩散氢。1025 如果氢扩散到金属的晶格缺陷、显微裂纹如果氢扩散到金属的晶格缺陷、显微裂纹或非金属夹杂物边缘的微小空隙中时，可以或非金属夹杂物边
8、缘的微小空隙中时，可以结合成氢分子，由于氢分子的半径大而不能结合成氢分子，由于氢分子的半径大而不能自由扩散，故称这部分氢为自由扩散，故称这部分氢为残余氢残余氢。因铁与氢不形成稳定氢化物，所以因铁与氢不形成稳定氢化物，所以铁内铁内扩散氢约占总氢量的扩散氢约占总氢量的8090%，它对接头性，它对接头性能的影响比残余氢大。能的影响比残余氢大。1125 焊缝金属的含氢量是随焊后放置时间而变化的：焊缝金属的含氢量是随焊后放置时间而变化的：焊后放置时间越长，扩散氢越少，残余氢越多，焊后放置时间越长，扩散氢越少，残余氢越多，而焊缝中总氢量在下降。而焊缝中总氢量在下降。这是因为氢的扩散运动，这是因为氢的扩散运
9、动，使一部分扩散氢从焊缝中逸出，而另一部分转变为使一部分扩散氢从焊缝中逸出，而另一部分转变为残余氢。残余氢。熔敷金属的扩散氢可以用熔敷金属的扩散氢可以用甘油法甘油法、气相色谱法气相色谱法、水银法水银法测定。测定。1225不同焊接方法熔敷金属的含氢量并不相同。下表为不同焊接方法熔敷金属的含氢量并不相同。下表为焊接碳钢时熔敷金属中的含氢量。焊接碳钢时熔敷金属中的含氢量。表表 焊接碳钢时熔敷金属中的含氢量焊接碳钢时熔敷金属中的含氢量焊接方法焊接方法扩散氢扩散氢（3/100g）残余氢残余氢（3/100g）总氢量总氢量（3/100g）手手弧弧焊焊纤维素型纤维素型钛型钛型钛铁矿型钛铁矿型氧化铁型氧化铁型低
10、氢型低氢型35.839.130.132.34.26.37.16.76.52.642.146.236.838.86.8埋弧焊埋弧焊4.4011.55.90CO2保护焊保护焊0.0411.51.54氧乙炔焊氧乙炔焊5.0011.56.501325 从上表中看出：从上表中看出：v所有焊接方法都使熔敷金属增氢。所有焊接方法都使熔敷金属增氢。v焊条电弧焊时只有用低氢型焊条的扩散氢含量最少。焊条电弧焊时只有用低氢型焊条的扩散氢含量最少。v埋弧焊和氧乙炔气焊扩散氢含量较低埋弧焊和氧乙炔气焊扩散氢含量较低vCO2保护焊的扩散氢含量极少，是一种超低氢的焊接保护焊的扩散氢含量极少，是一种超低氢的焊接方法。方法。1
11、425 氢在焊接接头中的扩散和分布很复杂。从图中氢在焊接接头中的扩散和分布很复杂。从图中氢在氢在接头横断面上接头横断面上的分布特点看出，它与母材成分，组的分布特点看出，它与母材成分，组织和焊缝金属的类型等因素有关。织和焊缝金属的类型等因素有关。值得注意的是，氢向近缝区扩散，并且扩散深度较值得注意的是，氢向近缝区扩散，并且扩散深度较大，这是热影响区产生延迟裂纹的主要原因。大，这是热影响区产生延迟裂纹的主要原因。15253.氢对焊接质量的影响氢对焊接质量的影响 氢对许多金属及其合金的焊接质量是有害的。对结氢对许多金属及其合金的焊接质量是有害的。对结构钢焊接的有害作用有：构钢焊接的有害作用有：形成气
12、孔形成气孔 熔池高温时吸收了大量的氢，结晶时氢的溶解度突熔池高温时吸收了大量的氢，结晶时氢的溶解度突然下降，使氢在焊缝中处于过饱和状态，并发生然下降，使氢在焊缝中处于过饱和状态，并发生2HH2的反应。当氢来不及逸出时，残留在焊缝的反应。当氢来不及逸出时，残留在焊缝金属中而形成金属中而形成气孔气孔。1625 产生冷裂纹产生冷裂纹 冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度下产生的一种裂冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度下产生的一种裂纹，氢是促使这种裂纹形成原因之一。纹，氢是促使这种裂纹形成原因之一。形成氢脆形成氢脆 在室温附近使钢的塑性发生严重下降的现象。在室温附近使钢的塑性发生严重下降的现象。v产生原因：产生
13、原因：一般认为是原子氢扩散聚集在金属晶格缺陷内（如一般认为是原子氢扩散聚集在金属晶格缺陷内（如位错、空位等），结合成分子氢，造成局部高压区，位错、空位等），结合成分子氢，造成局部高压区，阻碍塑性变形而造成氢脆。阻碍塑性变形而造成氢脆。1725v在较高温时，氢扩散速度大，可以迅速逸出；在很在较高温时，氢扩散速度大，可以迅速逸出；在很低温度时，氢的扩散速度小，氢聚集不起来，这两低温度时，氢的扩散速度小，氢聚集不起来，这两种情况下都不会引起氢脆。种情况下都不会引起氢脆。v只有在室温或稍低于室温的情况下才发生氢脆，只有在室温或稍低于室温的情况下才发生氢脆，金金属中晶格缺陷越多，氢脆倾向越大。属中晶格缺
14、陷越多，氢脆倾向越大。1825 形成白点形成白点 碳碳钢钢和和低低合合金金钢钢焊焊缝缝中中，如如含含氢氢量量高高，则则常常常常在在其其拉拉伸伸或或弯弯曲曲断断口口上上出出现现银银白白色色圆圆形形局局部部脆脆断断点点，称称为为白点白点，其直径约，其直径约0.12。白白点点中中心心含含有有微微细细气气孔孔或或夹夹杂杂物物。碳碳钢钢及及用用Cr、Ni、Mo合金化的焊缝，较容易出现白点。合金化的焊缝，较容易出现白点。1925v形成原因形成原因 白点产生于金属塑性变形过程，其白点产生于金属塑性变形过程，其成因：成因：是是氢氢的的存存在在及及其其扩扩散散运运动动。当当外外力力作作用用下下金金属属产产生生塑
15、塑性性变变形形时时，促促使使氢氢扩扩散散并并聚聚集集于于小小气气孔孔或或小夹杂物等缺陷处。小夹杂物等缺陷处。v对焊缝质量影响对焊缝质量影响 白白点点对对焊焊缝缝强强度度影影响响不不大大，但但对对塑塑性性、韧韧性性有有较较大的影响。大的影响。2025v碳碳钢钢及及用用Cr、Ni、Mo合合金金化化的的焊焊缝缝，较较容容易易出出现现白点。这些合金元素含量较高时，对白点很敏感。白点。这些合金元素含量较高时，对白点很敏感。v试件含氢量越多，出现白点的可能性越大。试件含氢量越多，出现白点的可能性越大。v预先经过去氢处理，则可以消除白点。预先经过去氢处理，则可以消除白点。21254.氢的控制氢的控制 氢对焊
16、缝金属有不利影响，必须加以消除和控制。氢对焊缝金属有不利影响，必须加以消除和控制。首先要减少氢的来源；首先要减少氢的来源；其次在焊接过程中利用冶金手段加以去除；其次在焊接过程中利用冶金手段加以去除；根据需要作焊后消氢处理。根据需要作焊后消氢处理。2225 限制氢的来源限制氢的来源 主要措施有：主要措施有：限制焊接材料中的含氢量限制焊接材料中的含氢量 在在制制造造焊焊条条、焊焊剂剂及及药药芯芯焊焊丝丝中中使使用用的的各各种种原原材材料料都都在在不不同同程程度度上上含含有有吸吸附附水水、结结晶晶水水、化化合合水水或或溶溶解解氢氢等等，设设计计配配方方时时应应尽尽量量选选用用不不含含或或少少含含氢氢
17、的的原原材材料料。制制造造焊焊接接材材料料时时，应应按按技技术术要要求求进进行行烘烘焙焙以以降低成品的含水量。降低成品的含水量。2325 焊焊条条、焊焊剂剂成成品品长长期期存存放放会会吸吸潮潮。因因此此，用用前前应应进行烘干：进行烘干：v一般含有机物的焊条其烘干温度为一般含有机物的焊条其烘干温度为150200；v低氢型焊条为低氢型焊条为350450。烘干时间不小于。烘干时间不小于2h；v烘干后应立即使用，或放在保温筒内随用随取。烘干后应立即使用，或放在保温筒内随用随取。2425 清除气体介质中的水分清除气体介质中的水分 气体保护电弧焊时，保护气体气体保护电弧焊时，保护气体Ar、CO2中常含水分，中常含水分，用前应有去水或干燥等措施。用前应有去水或干燥等措施。清除焊件及焊丝表面上的油污、杂质清除焊件及焊丝表面上的油污、杂质 焊件待焊面和焊丝表面的铁锈、油污、吸附水分及焊件待焊面和焊丝表面的铁锈、油污、吸附水分及其他含氢物质都是使焊缝增氢的主要原因之一，焊其他含氢物质都是使焊缝增氢的主要原因之一，焊前应认真清除。前应认真清除。2525