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技术问题

焊接过程合金元素的氧化与脱氧

二氧化碳焊过程中,在电弧的高温作用下,气罩内有40%-60%的二氧化碳进行如下分解:二氧化碳分解为一氧化碳和二分之一氧气。温度越高,分解越强烈。二氧化碳高温分解产生的一氧化碳,一般说来在焊接条件下不溶于熔化的液态金属中,也不与金属发生作用。但是二氧化碳分解的放出的氧气在高温下进一步分解:氧气分解为O和O。 这种分解亦称“解离”。当电弧温度为5 000K时,氧气的解离度高达96.5%。因此,在有电弧时,气罩内不是单一的二氧化碳气体,而是二氧化碳,CO,氧气和O的混合物,越靠近电弧,温度越高,分解产物氧气,O,CO的浓度越高;而越远离电弧中心,越靠近气罩的边缘,则二氧化碳的成分越高。可见二氧化碳气体在电弧高温下有强烈的氧化性。 在低于金属(钢材)熔点温度(1 500℃)时,二氧化碳气体本身对Fe及合金元素Si,Mn等进行氧化,如:二氧化碳+Fe 反应生成FeO+CO ;2个氧气 +Si反应生成二氧化硅+2CO ; 二氧化碳+Mn 反应生成氧化锰+CO。 这种氧化在熔池金属周围未熔化区域或凝固的焊缝表面上发生,属于表面氧化,进行的激烈程度较低,对电弧、熔池和焊缝没有大的影响。 在高温电弧区内,焊丝末端、熔滴和熔池的金属与氧原子或氧气分子发生氧化反应:O+Fe反应生成FeO;2O+Si反应生成二氧化硅;O+Mn反应生成MnO;O+C反应生成CO。 氧化反应的程度则取决于合金元素在焊接区的浓度和它们对氧的亲和力。在二氧化碳电弧中,Ni,Cr,Mo过渡系数最高,烧损最少,Si,Mn的过渡系数则较低,烧损较多,而且它们中的相当一部分要耗于熔池中的脱氧。Al,Ti,Nb等元素的过渡系数更低,烧损比Si,Mn还要多。 通过上述反应,使金属中的合金元素Si,Mn,C等元素受到氧化烧损,特别是焊缝中的合金元素含量减低,必然对焊缝机械性能构成影响。 反应生成物二氧化硅和MnO将以复合物MnO.SiOz(一种硅酸盐,熔点1 270℃,密度3.6 g/cm3)的形式,积成大块漂浮出熔池,薄薄地盖在焊缝表面,成为熔渣。生成的CO气体,因具有表面性质(这时C的氧化反应是在液体金属的表面进行的)而逸出到气箱中,不会引起焊缝气孔,只是使C元素烧损。 生成的FeO一小部分成杂质浮于熔池表面;另一部分熔人液态金属中,进一步与液态金属内部的合金成分发生反应使其氧化。比如与液态金属内部的C元家产生如下反应:FeO+C反应生成Fe+CO。 反应的生成物CO是在液态金属内部形成的,如果不能及时逸出金属表面,就将残留在焊缝中形成气孔。另外,生成的CO电弧高温作用下急剧膨胀,使熔滴爆破而引起金属飞溅。 合金元索烧损、CO气孔、焊接飞溅是COz焊的三个主要问题。其中的焊接飞溅问题还与其他因素有关,必须采取相应解决措施。 本文参考《焊接工艺》一书。 相关链接
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