第15讲焊接气孔和夹杂课件.ppt
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- 15 焊接 气孔 夹杂 课件
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1、2021/7/261(最新整理)第15讲焊接气孔和夹杂2021/7/26302第四章第四章 焊接气孔和裂纹焊接气孔和裂纹 第15讲2021/7/263034.1 4.1 焊接气孔焊接气孔v气孔和夹杂是焊缝中经常遇到的两种缺陷,他们都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是在熔池金属结晶结晶过程中产生的。过程中产生的。v气孔和夹杂不仅削弱焊缝的有效工作断面,而且也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,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,有时会引起裂纹对动载强度和疲劳强度更为不利,有时会引起裂
2、纹或影响焊缝气密性。或影响焊缝气密性。2021/7/263044.1.1 气孔的类型及其分布特征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。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:一些可能产生气孔的原因:焊条、焊剂烘干不足焊条、焊剂烘干不足被焊金属和焊丝表面有锈、油污或其他杂质被焊金属和焊丝表面有锈、油污或其他杂质焊接工艺不稳定(电弧电压偏高、焊速太大和电焊接工艺不稳定(电弧电压偏高、焊速太大和电流太小等)流太小等)焊接区保护不良等焊接区保护不良等电渣焊焊低碳钢时,由于脱氧不足,在焊缝中出电渣焊焊低碳钢时,由于脱氧不足,在焊缝中出现气孔
3、现气孔1.手弧焊时如有锈,则可能在焊缝表面出现气孔手弧焊时如有锈,则可能在焊缝表面出现气孔2021/7/263051、气孔的类型、气孔的类型 按其所在位置分:按其所在位置分:表面气孔表面气孔 内部气孔(需通过无损探伤发现)内部气孔(需通过无损探伤发现)按其分布分:按其分布分:单个存在单个存在 密集成堆密集成堆 贯穿整个焊缝贯穿整个焊缝 弥散于焊缝内部弥散于焊缝内部 按形成气孔的气体分按形成气孔的气体分:H气孔气孔 N气孔气孔 CO气孔气孔2021/7/26306 2、气孔的来源、气孔的来源 高温时某些气体溶解于熔池金属中,当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
4、及凝固和相变时,气体的溶解度降低而来不及逸出,残留在焊缝内部的气体,如逸出,残留在焊缝内部的气体,如H和和N;由于冶金反应产生的不溶于金属的气体,由于冶金反应产生的不溶于金属的气体,如如CO和和H2O。形成气孔的各种气体的来源各不相同,但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。都是在焊缝凝固过程中来不及逸出而形成的。2021/7/26307 3、气孔的形态和特征、气孔的形态和特征 H气孔气孔v对于低碳钢和低合金钢,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气孔断面呈螺旋状,内壁
5、光滑,在焊缝表面呈喇叭状开口。口。v个别情况下,个别情况下,H气孔也会出现在焊缝内部,如:焊条药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。凝固时来不及上浮而残留在焊缝内部。Al、Mg合金焊合金焊接时,接时,H气孔常出现在焊缝内部。气孔常出现在焊缝内部。vH气孔是在结晶过程中形成的,气孔是在结晶过程中形成的,在相邻树枝晶的凹陷最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
6、作用的结果是形力挣脱现成表面,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。成了喇叭口型的表面气孔。N气孔气孔 一般认为其机理与一般认为其机理与H气孔相似,多在焊缝表面,气孔相似,多在焊缝表面,多数多数情况下成堆出现。情况下成堆出现。焊接生产中由焊接生产中由N引起的气孔较少。引起的气孔较少。2021/7/26308 CO气孔气孔 各种结构钢中均含有碳,焊接时将引起如下冶金反应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而产生大量CO:C+O=COFeO+C=CO+Fe MnO+C=CO+Mn SiO2+C=2CO+Si CO气体不溶于钢,在熔池处于高温时,可以以气泡形气体
7、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方面由于成分偏析使液相中局部区域FeO和和C含量提含量提高,促使高,促使CO生成。另一方面,温度降低,金属熔池粘生成。另一方面,温度降低,金属熔池粘度加大,在快速结晶下度加大,在快速结晶下CO来不及逸出变成气孔。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。气孔沿结晶方向分布,象条虫状卧伏在焊缝内部。2021/7/26309 注意:注意:上述气孔特征只是在正常情况下形上述气孔特征只是在正常情况下形成的。在某
8、些特殊情况下,也会出现反常情成的。在某些特殊情况下,也会出现反常情况。例如:况。例如:CO2气体保护焊时,当焊丝的脱气体保护焊时,当焊丝的脱氧能力不足的情况下,氧能力不足的情况下,CO气孔可能有内部气孔可能有内部转至焊缝表面。转至焊缝表面。因此,在判断气孔的类型时,不应只看因此,在判断气孔的类型时,不应只看气孔的存在形式(一般特征),还应考虑形气孔的存在形式(一般特征),还应考虑形成气孔的具体条件。成气孔的具体条件。2021/7/2630104.12 焊缝中形成气孔的机理焊缝中形成气孔的机理 研究表明,气孔的形成大致经历研究表明,气孔的形成大致经历形核、长大和形核、长大和上浮上浮三个阶段。三个
9、阶段。1、气泡的生核、气泡的生核 气泡形核必须具备两个条件:气泡形核必须具备两个条件:液态金属中由过饱和气体;液态金属中由过饱和气体;形核时需有能量(有现成表面存在时,可降低形核时需有能量(有现成表面存在时,可降低能量消耗)。能量消耗)。焊接时熔池金属可以获得大量的气体(焊接时熔池金属可以获得大量的气体(H、N、CO),所以这),所以这条件较易满足。条件较易满足。2021/7/263011 在焊接熔池中有现成表面存在的条件下,形成气泡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:核所需的能量如下式:Ep=-(ph-pL)V+A1-Aa/A(1-cos)式中,式中,Ep形成气泡
10、核所需的能量;形成气泡核所需的能量;ph气泡内的气体压力;气泡内的气体压力;pL液体压力;液体压力;V气泡核的体积;气泡核的体积;相间张力;相间张力;A气泡核的表面积;气泡核的表面积;Aa吸附力的作用面积;吸附力的作用面积;气泡核和现成表面的沁润角。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,由于降低由上式可看出,气泡依附在现成表面时,由于降低和提高和提高Aa/A比值,使能量减少。比值,使能量减少。2021/7/263012可以认为可以认为,Aa/A的比值最大的地方就是最有的比值最大的地方就是最有可能产生气泡的地方,树枝晶相邻的凹陷可能产生气泡的地方,树枝晶相邻的凹陷处和母材
11、金属尚未熔化晶粒的界面上处和母材金属尚未熔化晶粒的界面上Aa/A的的比值最大,因此,在这些部位最易产生气比值最大,因此,在这些部位最易产生气泡核。泡核。此外,当此外,当Aa/A比值一定时,比值一定时,角越大,形成角越大,形成气泡核所需的能量越小。气泡核所需的能量越小。2021/7/263013 2、气泡长大、气泡长大 气泡核形成后,要继续长大,应满足以下条件:气泡核形成后,要继续长大,应满足以下条件:phpo 式中,式中,ph气泡内部压力;气泡内部压力;ph=pH2+pN2+pCO+pH2O+po阻碍气泡长大的外部压力。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,而其它在具体
12、条件下,只有一种气体起主要作用,而其它气体起辅助作用。气体起辅助作用。外部压力包括外部压力包括:大气压力、液态金属、熔渣的压力: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。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。加压力将减小,气泡便易于长大。2021/7/263014 3、气泡上浮、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当气泡长大到一定程度,便会脱离所附着的表面上浮。浮。气泡脱离现成表面的能力取决于气泡脱离现成表面的能力取决于液态金属、气相、液态金属、气相、现成表
13、面之间的张力现成表面之间的张力,即:,即:cos=(1.g-1.2)/2.g 式中,式中,气泡与现成表面的浸润角;气泡与现成表面的浸润角;1.g现成表面与气泡间的表面张力;现成表面与气泡间的表面张力;1.2现成表面与熔池金属间的表面张力;现成表面与熔池金属间的表面张力;2.g熔池金属与气泡间的表面张力。熔池金属与气泡间的表面张力。2021/7/263015v当当90时,有利于气泡逸出;时,有利于气泡逸出;v当当90时,若结晶速度较大,气泡来不时,若结晶速度较大,气泡来不及逸出而形成气孔。及逸出而形成气孔。凡是能减小凡是能减小2.g和和1.2,以及增大,以及增大1.g的因素的因素都有利于气泡快速
14、逸出,因为这可以减小都有利于气泡快速逸出,因为这可以减小值。值。2021/7/263016v当结晶速度较小时,气泡可以有充分的时间逸出,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;泡有可能来不及逸出而形成气孔;v在结晶过程中,如果气泡逸出速度比结晶速度更在结晶过程中,如果气泡逸出速度比结晶速度更大,焊缝不会产生气孔。大,焊缝不会产生气孔。v气泡的半径越大,熔池中液态金属的密度越大,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,焊缝就不粘度越小时,气泡的
15、上浮速度就越大,焊缝就不易产生气孔。易产生气孔。综上所述综上所述,气孔形成过程与结晶过程有些类似,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度小于结晶速度时)就有可能残留在焊缝中形成气孔。气孔。2021/7/2630174.1.3 影响因素及防治措施影响因素及防治措施 1、冶金因素的影响、冶金因素的影响 主要是指主要是指焊接材料的成分及冶金反应、熔渣的氧焊接材料的成分及冶金反应、熔渣的氧化性、药皮
16、或焊剂的冶金反应、保护气体的气氛、化性、药皮或焊剂的冶金反应、保护气体的气氛、铁锈和水分铁锈和水分等因素对产生气孔的影响。等因素对产生气孔的影响。熔渣氧化性的影响熔渣氧化性的影响 当熔渣氧化性增大时,由当熔渣氧化性增大时,由CO引起气孔的倾向引起气孔的倾向是增加的;是增加的;熔渣的还原性增大时,熔渣的还原性增大时,H气孔的倾向增加。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。止焊缝中这两种类型的气孔。2021/7/263018焊条类焊条类型型焊缝中含量焊缝中含量氧化性氧化性气孔倾向气孔倾向O%O%C C O O 10
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