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焊接氣孔形成因素分析及分類

發(fā)布日期:2022-08-30 09:19:59  點擊次數(shù):4916

所謂氣孔,是指焊縫中氣體形成的孔洞。氣孔是焊縫中常見的一種缺陷。它的存在減少了焊縫的有效截面積,集中了應力,破壞了焊縫的致密性,使焊件失效。


焊縫中有表面氣孔、內(nèi)部氣孔或根部氣孔,如電渣焊焊縫中的內(nèi)部氣孔和穿透氣孔。從分布來看,有單個孔隙,也有成堆的致密孔隙。


形成孔隙的氣體包括氫氣、氮氣、一氧化碳和水蒸氣。氫氣和氮氣在高溫下溶解在金屬中。在凝固過程中,液固階段氫氣和氮氣的溶解度突然下降,來不及逃逸,留在金屬中。一氧化碳和水蒸汽是金屬冶金反應形成的氣體,但不溶于金屬。


氣泡漂浮過程


熔池的結晶速率,當結晶速率較小時,氣泡可以有足夠的時間逸出。


a)結晶速度小


b)大的結晶速度


不同結晶速率對孔隙形成的影響


1.氫空穴


在低碳鋼和低合金鋼的焊縫中,氫孔的橫截面呈螺旋狀,大部分出現(xiàn)在焊縫表面(在某些情況下也出現(xiàn)在內(nèi)部),呈喇叭狀,內(nèi)壁上有4個周有光孔滑動。鋁鎂合金經(jīng)常出現(xiàn)在焊縫內(nèi)部。


對于手工電弧焊,氫主要來源于焊條藥皮中的有機物、結晶水或吸附水、母材和焊絲表面的油污、空氣中的水分等。


氫溶入金屬的方式:在渣保護條件下,渣本身具有一定的溶氫能力,溶于渣中的氫大部分以OH-的形式存在,OH-與Fe2 ++交換電子生成氫原子進入液態(tài)金屬;在氣體保護焊中,氣體中的氫在與金屬接觸后直接以原子或質子的形式溶解。


溶解的氫量與金屬的溫度和狀態(tài)有關。


氫氣的溶解度與溫度的關系是在固體鐵中的溶解度小于0.6mL/100g,1350℃時為10.1mL/100g。當它從固體變成液體時,氫氣的溶解度突然上升,在2400℃時達到最大值43mL/100g。氫在不同晶格類型的金屬中的溶解度也不同,氫在面心立方晶格的金屬中的溶解度大于體心立方晶格。


當液態(tài)鐵轉變?yōu)棣?Fe時,溶解度突然從32mL/100g下降到10 ml/100 g,如果熔池中已經(jīng)吸收了較多的氫,且冷卻速度較快,在凝固過程中,氫必然從固相擴散到液相,液相中的氫就會過飽和,從而為氫孔的產(chǎn)生創(chuàng)造了必要的條件。


在熔池結晶過程中,固液相共存時,由于固液相溶解度的差異,氫會聚集在結晶前沿,特別是相鄰枝晶之間的谷中。隨著液相的減少,熔池底部的濃度會不斷增加,當濃度不能保持過飽和時,就會產(chǎn)生氣泡。


可以看出,氫孔是在結晶過程中形成的,形核發(fā)生在枝晶之間的谷中,在這里生長和漂浮會受到枝晶和粘性的阻力的阻礙。因此形成大小喇叭口的氣孔,經(jīng)常出現(xiàn)在焊縫表面。


2.氮氣孔


氮空穴的形成過程一般被認為與氫空穴的形成過程相似。這些孔洞也分布在焊縫表面,且大多呈堆狀出現(xiàn),類似蜂窩狀。斷口分析表明,孔隙內(nèi)表面呈凹凸狀。但正常焊接時,焊縫中很少出現(xiàn)氮孔,只有在電弧較長、保護不好的情況下才會出現(xiàn)氮孔。


3.一氧化碳氣孔


CO主要是FeO或其他氧化物在高溫下與C作用產(chǎn)生的。反應如下:


[C]+[O]====CO


[FeO]+[C]====CO+[Fe]


[MnO]十[C]====CO+[Mn]


[SiO2]+2[C]====2CO+[Si]


CO孔隙在冶金反應后期形成,隨著結晶的進行,產(chǎn)生一定量的CO。由于溫度的降低,液體粘度的增加,以及CO生成的吸熱反應,生成的CO無法逃逸,而是被困在樹枝和顆粒之間。


由于CO氣泡比氫氣氣泡飄出的速度慢,所以大多形成在焊縫中,呈條狀,內(nèi)壁有氧化色。例如,高碳工具鋼SK5的電子束焊接焊縫中的一氧化碳孔隙形態(tài)。


需要指出的是,各種氣泡中的氣體并不是單一的,而是幾種氣體同時存在。可以認為,在一定條件下,其中一種氣體對氣孔的形成起主導作用,在多種氣體的共同作用下,氣泡可以迅速發(fā)育和生長。


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