本篇是《材料成形基本原理》的第一篇，焊接部分。

笔记继续做，但是不再面面俱到了，太浪费时间了，简单记一下要点吧

9.1气体的来源与产生

气体的来源

焊接区的气体主要来源于焊接材料。整体来源于

  • 焊条药皮、焊剂及药芯焊丝
  • 气体保护焊时的保护气体及其中杂质
  • 热源周围的空气
  • 焊材表面和母材坡口的氧化皮等

除了直接进入焊接区的气体，还有一些物理化学反应产生的气体

  • 有机物的分解和燃烧 $CO_2、H_2$
  • 碳酸盐和高价氧化物的分解 碳酸盐产生$CO_2$，高价氧化物分解产生低价氧化物和$O_2$
  • 材料的蒸发

气体的分解

进入焊接区的气体在电弧高温的作用下将进一步分解或电离。
对于简单气体，如$O_2、N_2、H_2、F_2$等双原子气体，会分解成单原子或离子和电子。在电弧热的作用下，绝大部分$H_2、O_2$以原子状态存在，而$N_2$的分解度很小，基本上以分子状态存在。
对于复杂气体，如$CO_2、H_2O$将分解出$O_2、O$，水蒸气还会有$H_2、H、OH$，不仅增加气相氧化性，还会增加气相的氢分压。

气相的成分

酸性焊条焊接时的氢含量较高，其中纤维素型焊条的氢含量最高。

9.2气体在金属中的溶解

分子状态的气体必须分解为原子或离子后，才能溶解到液态金属中。气体无论以何种方式向金属中溶解，都要先趋近金属表面并吸附于表面上。对于$N_2$这种会先吸附于金属表面，然后分解成原子氮。在电弧气氛中，氮除了以分子状态存在外，还可能以原子和离子$N^+$形式存在。

对于带电粒子，焊接时电流极性就会影响粒子运动和溶解。直流正接时融滴为阴极，温度高、比表面积大，溶解更多的氮／氢。

气体的溶解度

影响因素：压力、温度、组织结构、合金成分、电流极性、气氛
温度的影响取决于溶解反应的类型，$\Delta H$为正值时为吸热反应，溶解度随温度的提升而提升。
液相比固相更有利于气体的溶解。氮和氢在面心立方晶格的$\gamma-Fe$中的溶解度大于$\delta-Fe$和$\alpha-Fe$。BTW，氮在$\gamma-Fe$中的溶解度随温度升高而减小，是因为$Fe_4N$随温度升高而分解，使氮的溶解度变低。因此还要考虑化合物的倾向。氮在铝铜中的溶解度很低，氮与铜镍不发生作用。

氧通常以原子氧和$FeO$的形式溶入液态铁。室温下$\alpha-Fe$几乎不溶解氧。铁基金属中绝大多数氧以氧化物和硅酸盐夹杂物的形式存在。

合金成分对溶解度的影响

氢和氮的溶解度随碳的升高而降低，因此铸铁的吸气能力比钢低。当铁液中存在第二种合金元素时，随着合金元素含量的增加，氧的溶解度下降。

一般来说，加入的合金元素与气体能生成稳定化合物，则可降低气体的溶解度。此外，合金元素还会改变金属表面膜的性质及金属蒸汽压，从而影响气体的溶解度。

在氧化性气氛中，氮还可以$NO^-$的形式进入液态金属。电弧气氛中存在少量氧时，可以提高阴极电压，促进氮的溶解。氧的存在可以减少液态金属对氢的吸附，有效降低氢的溶解度。

9.3气体对金属的氧化

原子氧对铁的氧化比分子氧更激烈。

高温下$CO_2$对液态铁和其他金属表现为活跃的氧化剂。有
$$\begin{aligned}CO_2+[Fe]=CO+[FeO]\\\lg K=-\frac{11576}{T}+6.855\end{aligned}$$
用$CO_2$作为保护气体只能防止空气中的氮侵入，而不能避免金属氧化。

$H_2O$与$Fe$的反应：

$$ \begin{aligned} H_2O_{(gas)}+[Fe]=[FeO]+H_2\\ \lg K=-\frac{10200}{T}+5.5 \end{aligned} $$

因此$H_2O$不仅会使金属氧化，还会提高气相中$H_2$的分压，导致金属增氢。

9.4气体的影响与控制

焊接材料有氧化性并不都是有害的，有时故意加入一定量的氧化剂，以减少焊缝的氢含量、改善电弧的特性、获得必要的熔渣物化性能。

氮的危害

  • 气孔
  • 焊缝脆化（$Fe_4N$）

氢的危害

  • 氢脆
  • 白点
  • 气孔
  • 冷裂纹

氧的危害

  • 合金元素烧损
  • 飞溅
  • 气孔($CO$)
  • 氧化物夹杂

气体的控制措施

(1)限制气体的来源

氮：

  • 根据不同的冶炼期配置不同组成和足够数量的熔渣
  • 在浇包的液面上用覆盖剂覆盖
  • 真空熔炼和浇注
  • 药皮加入造气剂形成气－渣联合保护
  • 气体保护焊采用惰性气体

氢：

  • 原材料使用前烘干、去油、除锈
  • 工具和环境应充分干燥，低氢型焊条烘干后应立即使用

氧：
选用不含或少含氧的焊接材料

  • 选用高纯度惰性保护气体
  • 采用低氧无氧焊条焊剂

(2)控制工艺参数
增大电压会导致保护效果变差，应尽量采用短弧焊。
增加电流时，融滴过渡频率增加，气体与融滴作用时间缩短。

(3)冶金处理

  • 加入$Ti$、$Al$和稀土等对氮较亲和的元素，形成不溶于液态金属的稳定氮化物进入熔渣。要严格控制加铝量。
  • 通入$Cl_2$去除铝液中的氢。
  • 加$CaF_2$去氢生成$HF$气体在高温下比较稳定。
  • 适当提高气相的氧化性，减少焊缝的氢含量。
  • 药皮药芯加稀土元素
  • 脱氢处理，焊后把工件加热到一定温度，促使氢扩散外逸。对奥氏体作用不大。