覆层成分的控制-覆层杂质的控制

2018-12-26 19:29 作者:管理员8 来源:未知 浏览: 字号:
2 覆层成分的控制
 
2.1覆层杂质的控制
 
    熔化焊时,焊接区内的各种物质(主要是气体、金属、和渣)在高温下进行着极为复杂的物理变化和化学反应,其结果直接关系到覆层(焊缝)金属的成分、性质和焊接缺陷的产生。为了使覆层具有优异的性能,并防止缺陷的产生,必须严格限制有害杂质和控制有益的合金成分,尽量使有害杂质侵人少,有益成分损失小。常见的有害杂质有氢、氧、氮、硫和磷。

    (1)焊接区内的气体
 
    熔化焊时,焊接区内存在大量气体,其主要来源如下。
 
    1)堆焊材料焊条药皮、焊剂和药芯焊丝中都含有造气剂,它们在加热时发生分解或燃烧,析出大量气体;用潮湿焊条或焊剂堆焊时将析出水气;气体保护焊时焊接区内的气体主要来自由外界通人的保护气体。实验证明,焊接区内的气体主要来源于堆焊材料。
 
    2)热源周围气氛介质如空气,药皮或焊剂中的造气剂所产生的气体并不能完全排除焊接区内的空气。
 
    3)焊丝和基材表面上的杂质铁锈、油污、涂料等杂质会在电弧温度下分解,析出较多的气体。
 
    4)高温下金属、熔渣等蒸发产生的气体。
 
    总之,电弧区内的气体是由CO, CO2,H2O、O2H2、N2和它们分解的产物以及金属、熔渣的蒸气等所组成的混合物。其中对覆层成分和质量影响最大的是N2, H2, O2CO2,  H20。我们将对其加以简要介绍。

    (2)覆层中的氮
 
    1)氮在金属中的溶解和对熔焊质量的影响焊接区周围的空气是气相中氮的主要来源,金属与氮的作用可分两种情况:一种是即不溶解氮,又不形成氮化物,如铜和镍等;另一种是既能溶解氮又能与氮形成稳定的化合物,如铁、锰、钦、铬等。
 
    氮和氢在铁中的溶解度与温度的关系如图3.2-3所示。当温度为2200℃氮的溶解度达到最大值。当液体铁凝固时氮的溶解度突然下降,易引起覆层中氮的过饱和。电弧焊时熔化金属吸收的氮量高于平均含量,这主要因为电弧中受激的氮分子,特别是氮原子的溶解速度比没有受激的氮分子要大得多,以及电弧中的N'可在阴极溶解等原因。氮能以原子、NO和离子三种形式溶人金属,但不同的焊接方法溶人的形式不同。

图3.2-3氮和氮在铁中的溶解度和温度的关系
    氮在碳钢覆层中的有害作用主要有以下两个。
 
    ①氮会造成气孔液态金属在凝固时,过饱和的氮以气泡形式逸出,当熔池金属的结晶速度大于气体的逸出速度时,就形成气孔。
 
    ②氮会造成时效强化如果熔池中溶人较多的氮,在覆层凝固后,由于a-Fe中氮的溶解度很小,氮在固溶体中呈过饱和状态,随着时间的延长过饱和的氮将以针状氮化物(Fe4N)的形式析出,分布在晶界或晶内,使金属的强度、硬度提高,塑性、韧性降低。
 
    氮不总是有害的,氮与Ti, Nb; Zr等合金元素配合可以起到沉淀强化和细化晶粒的作用。
 
    2)氮含量的控制
 
    ①加强对焊接区的保护焊接区与空气的隔离效果越好,氮在金属中的溶解度【N]就越低。不同焊接方法的保护手段和效果如表3.2-1所示。
表3.2-1用不同焊接方法和材料时的覆层含氮量
    ②控制焊接工艺参数增加电弧电压时电弧长度增加,引起覆层氮含量增加,应尽量采用短弧焊;增加焊接电流时熔滴的温度增加。对于低碳钢,由于氮的溶解属吸热反应,使〔N]随着温度升高而增加。若氮的溶解是放热反应(如18-8型不锈钢),则【N〕随着温度的升高而降低。如果熔滴温度过高,由于金属的强烈蒸发使氮分压下降,氮含量又降低;增加焊丝直径时熔滴尺寸增大,比表面积减少,引起[N〕下降。在多道焊时,由于氮的多层积累,使焊缝的最终氮含量高于单道焊。
 
    ③利用合金元素控制焊缝的氮含量增加焊丝或药皮中的碳可以降低〔N〕,因碳的氧化引起熔池沸腾,有利于氮的逸出,同时碳氧化生成CO, Cq,加强了焊接区的保护,降低了氮的分压;A1, Ti, Zr和稀土元素对氮有较大的亲和力,具有一定的脱氮能力;焊丝含Mn量小于4%时可以降低[N].

    比较起来,加强保护是控制覆层氮含量的最有效措施。
 
    (3)覆层中的氢
 
    1)氢在金属中的溶解、扩散及对熔焊质量的影响熔焊时氢几乎可以被所有金属吸收。溶于金属中的氢大部分以原子或质子状态存在,且其半径较小,所以活动能力较强,容易在金属中扩散。
 
    根据氢与金属相互作用的特点,可把金属分成两类:
 
    I类金属—不能形成稳定氢化物的金属,如Fe, Ni,Cu, Cr, Mo等;
 
    II类金属—能形成稳定氢化物的金属,如Ti, zr, v,Nb等。
 
    在第II类金属中氢是以化合物的形式存在的。氢在铁中的溶解度曲线与氮具有同样的特征。氢在钢中的溶解度与钢的化学成分和组织结构有关。Ti, Zr, Nb及某些稀土元素可提高氢在液态铁中的溶解度;Mn, Ni, Cr, Mo的影响不大;而C, Si, Al可降低氢的溶解度。
 
    许多金属和合金熔焊时,氢是有害的。对结构钢而言.氢的有害作用可分为两类,一类是暂态现象,其特点是经过时效或热处理后,由氢自覆层金属中外逸可消除,包括氢脆和白点等;另一类是永久存在的,包括气孔和冷裂纹等。氢的危害主要表现如下。

    ①氢脆由氢引起的钢的塑性严重下降的现象称为氢脆。氢脆的产生,通常认为是氢原子扩散聚集于钢的显微缺陷中,结合成氢分子,引起缺陷内产生很高的压力,阻碍金属塑性变性,引起氢脆。金属的脆化程度取决于氢含量、试验温度及覆层金属组织结构等因素。氢含量越高脆化的倾向越大;一般低碳钢和低合金钢在室温附近氢脆最明显,温度较高时氢可迅速扩散外逸,而温度很低时氢难于扩散聚集;覆层金属组织属于晶格缺陷较多的不平衡组织,其氢脆性比具有平衡组织的金属大。


    ②白点碳钢和低合金钢覆层氢含量高时,常常在其拉伸或弯曲试件的断面上出现银白色圆形局部脆断点,称之为白点。在许多情况下,白点的中心有小夹杂物或气孔。按“诱捕理论”解释,在金属塑性变形过程中,小夹杂物边缘或气孔像%4陷阱”一样可以捕捉原子氢,并在其中结合成分子氢。由于“陷阱”内的压力不断增大,最后导致局部脆断。白点的敏感性与氢含量、金属的组织及变形量等因素有关。覆层氢含量较多时,出现白点的可能性较大。铁素体和奥氏体不锈钢覆层不出现白点。因为氢在铁素体中扩散快,易于逸出;而在奥氏体中溶解度大且扩散慢,所以不易出现白点。

    ③气孔溶有大量氢的熔池冷却到熔点时,由于氢的溶解度急剧下降使氢呈过饱和状态,因此氢大量析出并以气泡的形式外逸,如果气泡的逸出速度小于熔池的结晶速度便会形成气孔。
 
    ④冷裂纹冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度产生的一种裂纹,其危害性很大。氢是促使产生冷裂纹的主要原因之一。冷裂纹的产生与氢含量、热处理时的马氏体相变和结构的刚度等有关。

    2)氢含量的控制
 
    ①限制氢的来源在制造焊条和焊剂时要尽量选用不氢含或少含氢的原材料,如少用有机物和含有结晶水的白泥、云母等。焊条、焊剂在储存中要防潮,焊前要严格烘干。另外,气体保护焊使用的气体,焊丝和工件表面的油污、铁锈、水分等都会是氢的来源,应设法除之。
 
    ②进行冶金处理通过适当的化学冶金反应使弧柱空间气氛发生变化,以抑制原子状态氢的形成。如设法使氢转化为稳定且不溶于金属的氢化物(OH, HF)等。

    CO2气体保护焊时,尽管气体中含有一定的水分,由于Cot的作用(CO2+H—    CO+OH),仍可获得低氢的覆层;碱性焊条中含有较多的碳酸盐,它们受热分解出大量的C仇,可达到去氢目的。
 
    在药皮和焊剂中加人CaF2 , MgF2 , BaF2等氟化物,可降低援层中的氢含量,其中最常用的是CaF2。当熔渣中CaF2和,仇共存时,因能与气相中的原子氢和水蒸气反应生成41-3可降低筱层氢含量;用碱性焊条时,CaF2与水蒸气及氢因反应生成BF可降低氢含量。
 
    ③控制焊接工艺参数手工电弧堆焊时,增大焊接龟流会使熔滴吸收的氢量增加;增加电弧电压覆层氢含量会有某些减少。电弧焊时电流种类和极性对援层氢含量也有影响。但调整焊接工艺参数对控制覆层氢含量有很大局限性。
 
    ④焊后脱氢处理焊后加热工件可促使氢扩散外逸,从而减少覆层氢含量。把焊件加热到350`,保温1 h,可将绝大部分氢扩散去除。由于奥氏体钢中的氢扩散速度较慢,脱氢处理效果不明显。

    (4)覆层中的氧
 
    1)氧在金属中的溶解及对熔焊质量的影响根据金属与氧作用的帐点,可把金属分为两类:一类金属(如Al, Mg等)在焊接时可与氧发生激烈的氧化,但它在固态和液态都不溶解氧;另一类金属(Fe, Ni, Cu, Ti等)在焊接时也发生氧化,但它即能有限溶解氧,又能溶解相应的金属氧化物。
 
    氧以原子氧和氧化亚铁两种形式溶于液态铁中。试验表明,温度升高氧在液态铁中的溶解度增大。在铁冷却过程中,氧的溶解度急剧下降,室温下a-Fe几乎不溶解氧。覆层金属和钢中含有的氧绝大部分是以氧化物(FeO, SiO2、MnO,AL2O3等)和硅酸盐夹杂物的形式存在。

    氧对金属的作用是有害的。随着覆层氧含量的增加,其强度、塑性、韧度明显下降,尤其是低温冲击韧度急剧下降。此外,还引起红脆、冷脆、时效硬化和导电性、导磁性、耐蚀性等物理化学性能的恶化。氧烧损钢中的有益合金元素使覆层性能变坏。熔滴中含氧和碳多时,因其反应生成的co受热膨胀,使熔滴爆炸,造成飞溅。溶解在熔池中的氧可以与碳反应生成co,当其来不及逸出会形成气孔。在焊接有色金属、活性金属和难熔金属时,氧的有害作用则更加突出。
 
    2)氧的控制覆层中的氧的主要来源是熔焊材料、水分、工件和焊丝上的铁锈及氧化膜等。应首先控制熔焊材料的含氧量。在焊接要求比较高的合金钢、合金及活性金属时,应尽量不用含有氧的熔焊材料,而采用低氧或无氧焊条;可采用合理的冶金方法脱氧。通过向焊丝或焊接药皮中加入适当合金元素,使其在焊接中被氧化,达到脱氧目的,如用碱性焊条可以实现Mn-Si联合脱氧;还可选用高纯度的惰性气体作为保护气体,甚至在真空中施焊;其次要控制焊接工艺参数,如采用短弧焊等。

    (5)覆层中的硫和磷
 
    1)硫的危害及控制硫是覆层金属中有害杂质之一。硫以FeS的形式存在时危害性最大,因为它与液态铁可以无限互溶,而在固态铁中的溶解度仅为0.015%一0.02%。当熔池结晶时,它容易发生偏析,以低熔点共晶Fe + FeS或FeS + FeO的形式呈片状或链状分布于晶界,增加了覆层金属产生结晶裂纹的倾向,并降低其冲击韧度和抗腐蚀性。在合金钢,尤其是高镍合金钢堆焊时硫的危害更为严重,因为硫与镍生成NiS,而NiS又与镍形成熔点更低的共晶NiS +Ni,产生结晶裂纹的倾向更大。当填充金属碳含量增加时还会使硫发生偏析,从而增加它的危害性。
 
    硫的控制措施主要有以下两种。

    ①控制熔焊材料中的硫含量应严格按有关标准选择熔焊材料:低碳钢和低合金钢焊丝的硫含量应小于0.03%-0.04%;合金钢焊丝应小于0.025%一0.03%;不绣钢焊丝应小于0.02%。药皮、药芯和焊剂的原材料都含有一定的硫,且变动幅度大,应严格控制。
 
    ②用冶金方法脱硫在焊接冶金中常用锰作为脱硫剂,其脱硫反应(FeS + Mn =MnS + Fe)的生成物MnS大部分进人熔渣,少量残留在覆层中形成硫化物或氧、硫化物夹渣,因夹渣物多呈点状弥散分布,故危害较小;熔渣中的碱性氧化物MnO, CaO, MgO夕等也能脱硫,其生成物也进人熔渣;增加熔渣的碱度或渣中加人CaF2均可提高脱硫能力。
 
    2)磷的危害及控制在液态铁中磷的溶解量较大,并主要以残P和残P的形式存在,而磷在固态铁中的溶解度只有千分之几。在熔池快速结晶时磷易发生偏析。磷与铁和镍还可以形成低熔点共晶。既硬又脆的磷化铁常分布于晶界处,它不仅减弱了晶粒之间的结合力,也增加了覆层金属的冷脆性,即降低了冲击韧度。焊接奥氏体不锈钢或填充金属碳含量较高时,磷也促使形成结晶裂纹。
 
    为减少覆层金属的磷含量,首先要限制基材、填充金属(堆焊材料)、药皮、焊剂中的磷含量。药皮和焊剂中的锰矿是导致覆层金属增磷的主要来源。磷可由熔渣向熔敷金属过渡或相反。试验表明,当焊剂中磷含量大于0.03%时,磷可由熔渣向熔敷金属过渡,减少焊剂中的磷含量可使覆层磷含量减少。磷一旦进人液态金属就应采用脱磷的方法将其清除。增加渣中的CaO和FeO的浓度有利于熔池脱硫。实际上焊接时脱磷较脱硫更为困难,碱性焊条和酸性焊条的脱硫效果都不理想,目前的主要办法还是严格控制原材料的磷含量。

(责任编辑:laugh521521)
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