第11讲 焊接冶金学(4)

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1、第三章焊接冶金学第11讲125上讲回顾气体的来源与产生气体分解氮在金属中的溶解氮对焊接质量的影响氮的控制2253.3.2氢对金属的作用1.氢在金属中的溶解氢几乎可与所有金属发生作用，按其作用特点可将金属划分为两类：⑴能形成稳定氢化物的金属如Zr、Ti、V、Ta、Nb等。这些金属吸收氢的特点是放热反应，随温度的升高吸氢量减少。当吸氢量较多时，形成稳定氢化物。325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；当吸氢量少时，这些金属可与氢形成固溶体。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量。425如Al、Fe、Ni、Cu、Cr

2、、Mo等。但它能溶于这类金属及其合金中，其溶解反应属吸热反应，故溶解量随温度的升高而增大。下图为氢在金属（Fe、A1、Cu、Ni等）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：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解度为零。⑵不能形成稳定氢化物的金属525氢在Fe中的溶解度随温度升高而增大当温度约2400℃时，溶解度达最大值（43mL／100g）。熔滴阶段吸收的氢比熔池阶段多。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。在金属沸点温度时，氢的溶解度为零。625从图中注意到，在钢的相变点氢的溶解度发生突

3、变，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（fcc）的奥氏体中溶解度大，而在体心立方晶格（bcc）的珠光体中溶解度小。发生相变时，出现溶解度的突变，这是引起气孔、裂纹等焊接缺陷的重要原因。725氢可通过气相和熔渣向金属中溶解当氢通过气相向金属中溶解时，分子状态的氢必须分解为原子或离子状态（主要是H+）才能向金属中溶解；当通过熔渣向金属中溶解时，氢或水蒸气首先溶于熔渣中，主要以OH－离子形式存在，其溶解度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。825合金元素(Me)对原子氢在1600℃铁水中的溶解度影响如图所示。C和B会引起

4、氢溶解度急剧下降；O可减少金属对氢的吸附，降低氢在液态铁中的溶解度；Ti、Zr、Nb及某些稀土元素可以提高氢的溶解度；Mn、Ni、Cr和Mo等影响不大。9252.焊缝金属中的氢及其扩散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。在钢焊缝中的氢是以H、H＋形式存在，它们与焊缝金属形成间隙固溶体。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，这一部分氢被称为扩散氢。1025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，故称这部分氢为残余氢。因铁与

5、氢不形成稳定氢化物，所以铁内扩散氢约占总氢量的80~90%，它对接头性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。这是因为氢的扩散运动，使一部分扩散氢从焊缝中逸出，而另一部分转变为残余氢。熔敷金属的扩散氢可以用甘油法、气相色谱法、水银法测定。1225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。表焊接碳钢时熔敷金属中的含氢量焊接方法扩散氢（㎝3/100g）残余氢（㎝3/100g）总氢量（㎝3/100g）手弧焊纤维素型钛型钛铁矿型氧化铁型低氢型35.839.1

6、30.132.34.26.37.16.76.52.642.146.236.838.86.8埋弧焊4.401~1.55.90CO2保护焊0.041~1.51.54氧乙炔焊5.001~1.56.501325从上表中看出：所有焊接方法都使熔敷金属增氢。焊条电弧焊时只有用低氢型焊条的扩散氢含量最少。埋弧焊和氧乙炔气焊扩散氢含量较低CO2保护焊的扩散氢含量极少，是一种超低氢的焊接方法。1425氢在焊接接头中的扩散和分布很复杂。从图中氢在接头横断面上的分布特点看出，它与母材成分，组织和焊缝金属的类型等因素有关。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

7、要原因。15253.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。对结构钢焊接的有害作用有：⑴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然下降，使氢在焊缝中处于过饱和状态，并发生2[H]→H2的反应。当氢来不及逸出时，残留在焊缝金属中而形成气孔。1625⑵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纹，氢是促使这种裂纹形成原因之一。⑶形成氢脆在室温附近使钢的塑性发生严重下降的现象。产生原因：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，阻碍