手工电弧焊焊缝近表面氢气孔形成分析

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1、手工电弧焊焊缝近表面氢气孔形成分析　　摘要：低碳钢焊缝近表面气孔的存在，直接影响焊接结构的安全使用，本文对其进行机理分析，提出有效的防止措施和无损检测，探讨有利于减少和避免焊缝近表面氢气孔的形成，提高焊缝质量的措施。　　关键词：手工电弧焊焊缝近表面氢气孔无损检测防止措施　　焊缝近表面气孔的存在，直接影响焊接结构的安全，笔者以手工电弧焊为例，着重分析熔池金属在逐渐冷却结晶、凝固过程中易形成的焊缝近表面氢气孔缺陷的机理，并提出有效的防止措施和无损检测的应用。　　一、概念　　1.焊缝　　焊缝是指两个连接件之间的熔敷金属。　　2.近表面　　接近材料表

2、面，并与材料表面平行的一层均匀厚度的材料。（全国科学技术名词审定委员会审定公布）　　3.气孔　　在焊接过程中，焊缝金属中的气体在金属冷却以前未能逸出，而残留下来形成的空穴。　　二、焊缝近表面气孔形成机理分析　　1.气孔形成条件　　焊缝是否形成气孔决定于气泡浮出外逸速度（Ve=K（ρl-ρc）gr2/4η）与焊缝凝固速度（R）的对比关系。凝固速度R对气孔的产生有很大影响，在其他条件一定的情况下，凝固速度R越快，越不利于气泡浮出，越易产生气孔。　　2.气孔的形成　　气孔的形成大致经历形核、长大和上浮三个阶段。　　气泡长大的条件是气泡内部压力大于其

3、外部压力。外部压力包括大气压力、液态金属和熔渣的压力以及表面张力引起的附加压力。在常温固态金属中，气体的溶解度只有高温液态金属中气体溶解度的几十分之一至几百分之一。熔池金属在凝固过程中，黏度η急剧增大，气体浮出困难；气泡密度ρc远小于液体金属密度ρl，尤其是气泡浮至焊缝近表面处难以逸出，形成焊缝近表面气孔。　　3.氢气孔的产生机理　　对于手工电弧焊来说，氢主要来自焊条、焊剂中的有机物、结晶水或吸附水，以及母材、焊丝表面的油污和空气中的水蒸气等。氢溶入金属中的方式：在熔渣保护的条件下，熔渣本身具有一定溶解氢的能力，溶解在渣中的氢大都以OH?的形

4、式存在，OH?与Fe+通过交换电子产生氢原子进入液体金属。在气体保护焊时，气体中的氢与金属接触后直接以原子或质子形式溶入。氢溶入的多少与温度和金属的状态有关。氢的溶解度与温度的关系是，在固态铁中溶解度小于0.6mL/100g，1350℃为10.1mL/100g，在固态转变为液态时，氢的溶解度骤然上升，2400℃时最大为43mL/100g。　　氢在不同晶格类型的金属中溶解度也不相同，氢在面心立方晶格的金属中的溶解度大于体心立方晶格。液态铁转变为δ4-Fe时，溶解度突然下降，从32mL/100g降至10mL/100g。如果熔池中已吸收了较多的氢，

5、同时冷却速度又比较快，在凝固过程中必然伴随着氢由固相向液相扩散，而使液相中的氢达到过饱和状态，从而为氢气孔的产生创造了必要条件。在熔池的结晶过程中，当固液两相并存时，由于固液两相溶解度的差异，氢在结晶前沿会发生聚集，特别是在相邻树枝晶之间的凹谷部位，随液相的减小熔池底部的浓度不断增加，当浓度达到不能维持过饱和状态时，气泡就会产生。　　由此可知，氢气孔是在结晶过程中形成的，其在树枝晶之间的凹谷部位成核，在该部位长大、上浮都会受到树枝晶的阻碍和黏度的阻力，形成喇叭口形的气孔，呈现在焊缝的近表面。　　4.防止措施　　（1）尽可能减小低碳钢吸收气体的

6、数量和降低熔池金属中的气体过饱和度，以使气孔难以形成。　　（2）不论是酸性焊条，还是碱性焊条，均推荐采用直流反接法进行焊接。直流反接时，工件接负极，熔池表面的电子过剩，不利于产生氢质子的反应，阻碍了氢向熔池金属中溶解，因而气孔倾向最小。当直流正接时，工件接正极，在溶池表面容易发生氢形成质子的反应，这时一部分氢质子溶入熔池，另一部分在电场作用下移向负极，所以其气孔形成倾向比直流反接时要大。当用交流焊接时，在电流通过零点瞬间无电场作用，氢质子可以顺利地溶入熔池，故其气孔的倾向增加。　　三、焊缝近表面气孔的无损检测　　我国常规无损检测方法适用于焊缝

7、近表面气孔的检测如下。4　　一是磁粉检测（MT），它是利用铁磁性材料或工件在磁化后，如果在表面和近表面存在材料的不连续性（材料的均质状态或致密性受到破坏），则在不连续性处磁场方向将发生改变，在磁力线离开和进入工件表面的地方产生磁极形成漏场，用磁粉作为漏磁场的检测介质，利用磁化后工件缺陷处漏磁场吸引磁粉形成的磁痕显示，从而确定缺陷存在的一种检测方法。　　二是涡流检测（ET）基于电磁感应的原理，可以用于揭示导电材料表面和近表面缺陷，但对未延伸到表面或仅延伸到近表面层的缺陷相当不敏感。　　（作者单位：张家港市工贸职业高级中学）4