焊接气孔产生的机理详解

  所谓气孔指的是气体在焊缝中形成的孔洞。气孔是焊缝中常遇到的一种缺陷，它的存在减少了焊缝有效的截面积，使应力集中，破坏了焊缝的致密性，使焊件失效。
    焊缝中有表面气孔，内部或根部气孔，如电渣焊焊缝的内部气孔，也有贯穿性气孔；从分布上看，有单个气孔，也有成堆密集气孔等。
    形成气孔的气体有氢、氮、一氧化碳气体和水蒸气等。氢、氮气体是在高温时溶解于金属中的，在凝固过程中，氢、氮气体在液固阶段溶解度发生突然下降，来不及逸出，残留在了金属中；一氧化碳气体和水蒸气是金属冶金反应形成而又不溶于金属的气体。

熔池结晶速度，当结晶速度较小时，气泡可有充分时间逸出。

1、氢气孔
    低碳钢和低合金钢焊缝中，氢气孔的断面呈螺钉状，多数出现在焊缝表面（个别情况下也会出现在内部），呈喇叭口形，气孔四周有光滑内壁。对于铝镁合金常出现在焊缝的内部。
    对于手弧焊来说，氢主要来自焊条焊剂中的有机物、结晶水或吸附水，母材和焊丝表面的油污和空气中的水气等。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—的形式存在，OH—与Fe2＋通过交换电子产生氢原子进入液体金属；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。
百度百科：又称结合水。结晶水是结合在化合物中的水分子，它们并不是液态水。很多晶体含有结晶水.但并不是所有的晶体都含有结晶水。溶质从溶液里结晶析出时，晶体里结合着一定数目的水分子，这样的水分子叫结晶水。
     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，由固态转变为液态时，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δ－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，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，而使液相中氢达到过饱和状态，从而为氢气孔的产生创造了必要条件。
    熔池结晶过程中，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，特别是相邻树枝晶之间凹谷部位，随液相的减少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，在树枝晶之间凹谷部位成核，在该部位长大、上浮都会受到树枝晶的阻碍和粘度的阻力，因此，形成了上大下小喇叭口形的气孔，而且往往呈现在焊缝的表面。
2、氮气孔
    氮气孔形成的过程一般认为与氢气孔相似，这种气孔也分布在焊缝表面，多数成堆出现，与蜂窝相似。断口分析发现，气孔内表面呈凹凸形貌。但在正常的焊接时焊缝中很少出现氮气孔，只有电弧较长保护不好时才会产生氮气孔。
3、一氧化碳气孔
    CO主要是FeO或其他氧化物与C在高温时作用产生的。反应如下：
    [C]+[O]====CO
    [FeO]+[C]====CO+[Fe]
    [MnO]十[C]====CO+[Mn]
    [SiO2]+2[C]====2CO+[Si]
    CO气孔是在冶金反应后期生成的，随着结晶的进行，生成的CO达到一定数量。由于温度的降低，液体粘度的增加，生成CO是吸热反应等原因，产生的CO来不及逸出，而被围困在树枝晶粒间。由于CO气泡浮出的速度比氢气泡慢，因此多形成于焊缝内部，呈条虫状，内壁有氧化颜色。如高碳工具钢SK5电子束焊焊缝一氧化碳气孔形貌。
    应当指出，各种气泡中的气体并不是单一的，而是几种气体同时存在的。可以认为在一定条件下，其中一种气体对气孔的形成起主导作用，而在各种气体共同作用下，气泡得以迅速发展和长大。

焊接过程中气孔的形成是一个复杂的物理化学过程，主要涉及到氢气孔、氮气孔和一氧化碳气孔等几种类型。这些气孔的产生，通常是因为焊接时金属熔池中溶解的气体在冷却凝固过程中释放而形成的。

### 氢气孔
氢气孔主要来源于焊条焊剂中的有机物、结晶水或吸附水，母材和焊丝表面的油污，以及空气中的水气等。氢在金属熔池中的溶解度与温度有关，在高温下溶解度高，当温度下降时，溶解度降低，氢气便会聚集并形成气泡。特别是在固液两相并存时，氢在结晶前沿聚集，最终导致气泡的产生。氢气孔多呈喇叭口形，上大下小，且气孔内壁光滑。

### 氮气孔
氮气孔的形成过程与氢气孔类似，但在正常焊接条件下很少出现，主要是在电弧较长保护不良时才会形成。氮气孔多集中分布，呈蜂窝状，气孔内表面呈凹凸形。

### 一氧化碳气孔
一氧化碳气孔是由于FeO或其他氧化物与C在高温下反应生成CO气体，由于冷却过程中液体粘度增大和CO生成是吸热反应，CO来不及逸出而形成气孔。CO气孔多发生在焊缝内部，形状呈条虫状，内壁有氧化颜色。

综合来说，焊接气孔的形成与焊接过程中的温度、冷却速度、气体溶解度以及金属的化学反应有关。通过控制焊接参数和使用质量良好的焊材，可以有效减少气孔的产生。
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