焊接气孔和夹杂

3014.1焊接气孔气孔和夹杂是焊缝中经常遇到的两种缺陷，他们都是在熔池金属结晶过程中产生的。气孔和夹杂不仅削弱焊缝的有效工作断面，而且也带来应力集中，显著降低焊缝金属的强度和韧性，对动载强度和疲劳强度更为不利，有时会引起裂纹或影响焊缝气密性。3024.1.1气孔的类型及其分布特征从碳钢到低合金钢、有色金属几乎都有可能产生气孔。一些可能产生气孔的原因：1.焊条、焊剂烘干不足2.被焊金属和焊丝表面有锈、油污或其他杂质3.焊接工艺不稳定（电弧电压偏高、焊速太大和电流太小等）4.焊接区保护不良等5.电渣焊焊低碳钢时，由于脱氧不足，在焊缝中出现气孔6.手弧焊时如有锈，则可能在焊缝表面出现气孔3031、气孔的类型⑴按其所在位置分：①表面气孔②内部气孔（需通过无损探伤发现）⑵按其分布分：①单个存在②密集成堆③贯穿整个焊缝④弥散于焊缝内部⑶按形成气孔的气体分：①H气孔②N气孔③CO气孔3042、气孔的来源⑴高温时某些气体溶解于熔池金属中，当凝固和相变时，气体的溶解度降低而来不及逸出，残留在焊缝内部的气体，如H和N；⑵由于冶金反应产生的不溶于金属的气体，如CO和H2O。形成气孔的各种气体的来源各不相同，但都是在焊缝凝固过程中来不及逸出而形成的。3053、气孔的形态和特征⑴H气孔对于低碳钢和低合金钢，H气孔大多数出现在焊缝表面，气孔断面呈螺旋状，内壁光滑，在焊缝表面呈喇叭状开口。个别情况下，H气孔也会出现在焊缝内部，如：焊条药皮中含有较多的结晶水，使焊缝中的含氢量过高，焊缝凝固时来不及上浮而残留在焊缝内部。Al、Mg合金焊接时，H气孔常出现在焊缝内部。H气孔是在结晶过程中形成的，在相邻树枝晶的凹陷最深处产生，浮出困难。但氢又具有较大的扩散能力，极力挣脱现成表面，上浮逸出，两者综合作用的结果是形成了喇叭口型的表面气孔。⑵N气孔一般认为其机理与H气孔相似，多在焊缝表面，多数情况下成堆出现。焊接生产中由N引起的气孔较少。306⑶CO气孔各种结构钢中均含有碳，焊接时将引起如下冶金反应而产生大量CO：[C]+[O]=CO[FeO]+[C]=CO+Fe[MnO]+[C]=CO+Mn[SiO2]+[C]=2CO+SiCO气体不溶于钢，在熔池处于高温时，可以以气泡形式从熔池中逸出，不会形成气孔。但在熔池凝固阶段一方面由于成分偏析使液相中局部区域[FeO]和[C]含量提高，促使CO生成。另一方面，温度降低，金属熔池粘度加大，在快速结晶下CO来不及逸出变成气孔。CO气孔沿结晶方向分布，象条虫状卧伏在焊缝内部。307注意：上述气孔特征只是在正常情况下形成的。在某些特殊情况下，也会出现反常情况。例如：CO2气体保护焊时，当焊丝的脱氧能力不足的情况下，CO气孔可能有内部转至焊缝表面。因此，在判断气孔的类型时，不应只看气孔的存在形式（一般特征），还应考虑形成气孔的具体条件。3084.12焊缝中形成气孔的机理研究表明，气孔的形成大致经历形核、长大和上浮三个阶段。1、气泡的生核气泡形核必须具备两个条件：①液态金属中由过饱和气体；②形核时需有能量（有现成表面存在时，可降低能量消耗）。焊接时熔池金属可以获得大量的气体（H、N、CO），所以这①条件较易满足。309在焊接熔池中有现成表面存在的条件下，形成气泡核所需的能量如下式：Ep=-（ph-pL）V+σA[1-Aa/A(1-cosθ）]式中，Ep——形成气泡核所需的能量；ph——气泡内的气体压力；pL——液体压力；V——气泡核的体积；σ——相间张力；A——气泡核的表面积；Aa——吸附力的作用面积；θ——气泡核和现成表面的沁润角。由上式可看出，气泡依附在现成表面时，由于降低σ和提高Aa/A比值，使能量减少。3010可以认为，Aa/A的比值最大的地方就是最有可能产生气泡的地方，树枝晶相邻的凹陷处和母材金属尚未熔化晶粒的界面上Aa/A的比值最大，因此，在这些部位最易产生气泡核。此外，当Aa/A比值一定时，θ角越大，形成气泡核所需的能量越小。30112、气泡长大气泡核形成后，要继续长大，应满足以下条件：ph＞po式中，ph——气泡内部压力；ph=pH2+pN2+pCO+pH2O+…po——阻碍气泡长大的外部压力。在具体条件下，只有一种气体起主要作用，而其它气体起辅助作用。外部压力包括：大气压力、液态金属、熔渣的压力和表面张力引起的附加压力。若气泡核附着在液固相表面时，表面张力引起的附加压力将减小，气泡便易于长大。30123、气泡上浮当气泡长大到一定程度，便会脱离所附着的表面上浮。气泡脱离现成表面的能力取决于液态金属、气相、现成表面之间的张力，即：cosθ=(σ1.g-σ1.2)/σ2.g式中，θ——气泡与现成表面的浸润角；σ1.g——现成表面与气泡间的表面张力；σ1.2——现成表面与熔池金属间的表面张力；σ2.g——熔池金属与气泡间的表面张力。3013当θ＜90°时，有利于气泡逸出；当θ＞90°时，若结晶速度较大，气泡来不及逸出而形成气孔。凡是能减小σ2.g和σ1.2，以及增大σ1.g的因素都有利于气泡快速逸出，因为这可以减小θ值。3014当结晶速度较小时，气泡可以有充分的时间逸出，易于得到无气孔的焊缝；当结晶速度较大时，气泡有可能来不及逸出而形成气孔；在结晶过程中，如果气泡逸出速度比结晶速度更大，焊缝不会产生气孔。气泡的半径越大，熔池中液态金属的密度越大，粘度越小时，气泡的上浮速度就越大，焊缝就不易产生气孔。综上所述，气孔形成过程与结晶过程有些类似，也是由生核、核长大组成，当气泡长大到一定程度便开始上浮，在不利条件下（当气泡的浮出速度小于结晶速度时）就有可能残留在焊缝中形成气孔。30154.1.3影响因素及防治措施1、冶金因素的影响主要是指焊接材料的成分及冶金反应、熔渣的氧化性、药皮或焊剂的冶金反应、保护气体的气氛、铁锈和水分等因素对产生气孔的影响。⑴熔渣氧化性的影响①当熔渣氧化性增大时，由CO引起气孔的倾向是增加的；②熔渣的还原性增大时，H气孔的倾向增加。因此，适当调整熔渣的氧化性，可以有效地防止焊缝中这两种类型的气孔。3016焊条类型焊缝中含量氧化性气孔倾向[O]%[C]×[O]×10-4％[H]ml/100g)J424-10.00464.378.80增加较多气孔（H）J424-2————6.82个别气孔（H）J424-30.027123.035.24无气孔J424-40.044831.364.53无气孔J424-50.074346.073.47较多气孔（CO）J424-60.111357.882.70更多气孔（CO）J507-10.00353.323.90增加个别气孔（H）J507-20.00242.163.17无气孔J507-30.00474.042.80无气孔J507-40.016012.162.61无气孔J507-50.039027.301.99更多气孔（CO）J507-60.168094.080.80密集大量气孔（CO）表不同类型焊条的氧化性对气孔的影响3017从上表可看出，无论是酸性还是碱性焊条焊缝中，产生气孔的倾向都随氧化性的增加而出现CO气孔，并随氧化性的减小（或还原性增加），CO气孔减少，到达到一定程度时，出现H气孔。3018⑵药皮和焊剂冶金反应的影响以低碳钢和低合金钢焊接用的焊条和焊剂为例。一般碱性焊条的药皮中均含有一定量的莹石（CaF2），焊接时直接与H发生反应：CaF2+H2O=CaO+2HFCaF2+H=CaF+HFCaF2+2H=Ca+2HF埋弧焊用HJ431中也含有一定量的莹石和较多的SiO2，焊接时将发生以下反应：2CaF2+3SiO2=SiF4+2CaSiO3SiF4+2H2O=SiO2+4HFSiF4+3H=SiF+3HFSiF4+4H+O=SiO+4HF3019在药皮和焊剂中适当增加氧化物含量，如FeO、SiO2、MnO等，对于消除H气孔也有利。FeO+H=Fe+OHMn+H=Mn+OHSiO2+H=SiO+OH生成的OH不溶于液体金属，占据大量的H而消除气孔。酸性焊条药皮（如J422、J423、J424）中不含CaF2，控制H主要依靠药皮中有较强氧化性的组成物，以防H气孔的产生。碱性焊条药皮（如J506、J507）中除含CaF2外，常加入一定量的碳酸盐（如CaCO3，MgCO3等），焊接时分解大量CO2，高温下与H反应生成OH和H2O，同样具有防止H气孔的作用。但CO2氧化性过强，还原不足时，会导致生成CO气孔。3020⑶铁锈及水分的影响焊件表面的铁锈、油污和水分，以及焊接材料不洁常是导致焊缝中气孔的重要因素。铁锈的成分是mFe2O3.nH2O,含有较多的Fe2O3和结晶水，对熔池即起氧化作用，又析出大量的H，加热时反应如下：3Fe2O3=2Fe3O4+O2Fe3O4+H2O=3Fe2O3+H2Fe+H2O=FeO+H2由于增加氧化作用，在焊缝结晶时会促成CO气孔；结晶水在高温时分解出H2，增加生成H气孔的可能。3021钢板表面的氧化铁（主要是Fe3O4，Fe2O3少量）虽无结晶水，但对生成CO气孔有影响。焊条焊剂受潮或烘干不足而残存水分，及空气潮湿都会增加气孔倾向。因此，焊接材料焊前必须烘干，碱性焊条烘干温度为350-400℃，酸性焊条为200℃。30222、工艺因素主要指焊接工艺参数和操作技巧等方面对产生气孔的影响。⑴焊接工艺参数的影响增大焊接热输入会延长熔池存在时间，有利于气体逸出而减少气孔。通常是靠降低焊接速度而不是过分地增大焊接电流和电弧电压来增大热输入。因为增大焊接电流会使电弧温度增高，H的分解度增大；另外熔滴变细，其比表面积增大，高温下有利于吸收更多的H，反而增大气孔倾向。当焊接电流过大时，焊条芯电阻热增大，造成药皮发红、造气剂提前分解，气孔倾向更大。所以，应采用较小的焊接电流焊接。3023埋弧焊时，增大焊接电流，熔深加大，气泡逸出路径长，故其气孔倾向比手工电弧焊时大；手工电弧焊时，随着电弧电压的升高或电弧长度拉长，熔滴过渡时间增长，容氢量增大，H气孔倾向增大；另外，电弧拉长，空气中的N将侵入而出现N气孔。提高焊接速度，往往因结晶速度加快，使气体来不及逸出而出现气孔。⑵电流种类及极性的影响一般来讲，交流焊时较直流焊时气孔倾向大；直流反接较正接时气孔倾向大。3024⑶工艺操作的影响主要注意以下几个方面：焊前仔细清除焊件、焊丝上的铁锈、油污等杂质焊条、焊剂用前应按规定烘干，最好烘后放在保温桶内，随时取用；焊接工艺参数要保持稳定，用低氢型焊条时应尽量采取短弧焊，适当摆动配合，以利气体逸出；直流焊接时，应防止磁偏吹，磁偏吹破坏电弧的稳定性，也是保护效果变坏；定位焊时，常因冷却过快或保护不良，而产生气孔。3025二、焊缝中的夹杂夹杂：由焊接冶金反应产生的、焊后残留在焊缝金属中的微粒、非金属杂质，如氧化物、硫化物等。焊缝或母材中有夹杂物存在时，不仅降低焊缝金属的韧性，增加低温脆性，同时也增加了热裂纹和层状撕裂的倾向。3026⑴夹杂物的种类及危害①氧化物在手工电弧焊和埋弧焊焊接钢材时氧化物夹杂主要是SiO2，其次是MnO，TiO2和Al2O3等，多以硅酸盐形式存在；由于这些氧化物主要是在冶金反应中产生，如果熔池中的脱氧反应越充分，则焊缝中的氧化物夹杂就越少；在焊接过程中由于操作不当，也能使熔渣混入焊缝造成夹杂氧化夹杂如果以密集的块状或片状分布时，常引起热裂纹。3027②氮化物焊接碳钢和低合金钢时，若保护不良，大气中的N会溶解到液态金属熔滴和熔池中，当结晶速度很快时，N来不及析出而呈过饱和状态，固溶于焊缝金属中。在时效过程中以Fe4N的形式析出，并以针状分布在晶粒上或贯穿晶界。Fe4N是一种脆硬化合物，其含量高时，使焊缝硬度提高塑性、韧性急剧下降。氮化物具有强化作用，可作为合金元素加入钢中。例如：钢中含有Mo、V、Nb、Ti等合金元素时，若能与氮形成弥散状的氮化物，就可以在不过多损失韧性的条件下，大幅度地提高强度。经正火处理后，可使钢材具有良好的综合力学性能。3028③硫化物来源于焊条药皮或焊剂，经冶金反应进入熔池的