氫對焊縫金屬有什麼危害?如何預防?

焊縫金屬中的氫主要來自焊條藥皮、焊劑、焊件或空氣中的溼氣、油類、鐵鏽等。在高溫下氫分解為原子氫,並大量熔於液態金屬中。冷卻時,氫在鋼中的溶解度急速下降,由於焊縫冷卻很快,氫來不及逸出,保留在焊縫金屬中。以過飽和狀態存在於焊縫中的氫,大多為原子狀態,在常溫下能在晶格中自由擴散,稱擴散氫;少量氫在晶格缺陷、夾雜物等空隙處結合成氫分子,形成氫化物,不能在常溫下自由擴散的稱殘餘氫。

溶解在焊縫中的氫,過一段時間會在焊縫局部或熔合線附近聚集,這是由於焊接應力和焊縫中微觀缺陷的存在而造成的。氫聚集到一定程度,就會導致焊縫或熱影響區產生冷裂紋,這種裂紋也叫氫致裂紋,即所謂的延遲裂紋。焊縫中的氫還會產生氣孔。裂紋和氣孔的特點是永久性,是絕對不允許的。

其中延遲裂紋主要有三種形態:

(1)焊趾裂紋:裂紋起源於被焊金屬和焊縫交界的應力集中處裂紋走向與焊道相平行,由焊趾表面的應力集中處開始向被焊金屬的深處擴展。

(2)焊道下裂紋:一般情況下裂紋走向與熔合線平行,但是,也有的裂紋是垂直熔合線的,這種裂紋經常發生在淬硬傾向較大、含氫量較高的焊接熱影響區。

(3)根部裂紋:這是延遲裂紋中比較常見的裂紋形態,與焊趾裂紋相似,起源於焊縫根部應力集中最大的部位,可能出現在焊接熱影響區的粗晶段,也可能出現在焊縫金屬內。主要發生在含氫量較高、預熱溫度不足的情況下。

氫對焊縫金屬和母材的危害還有氫脆,即塑性、韌性大幅度降低。氫還會在焊縫中形成白點等。其特點是:焊縫經過時效或熱處理後,焊縫中的氫從焊接接頭中向外逸出,氫脆和白點基本可消除。所以,一直以來,人們從焊件母材、焊接材料、焊接方法和焊接工藝等方面採取種種措施來減少氫的來源及危害。

控制氫的措施

(1)嚴格限制焊接材料的含氫量選用低氫焊條,同時,焊接材料在使用前,必須進行再烘乾,這是生產過程去氫的最好的方法。實驗表明,升高烘乾溫度可大大降低焊縫金屬的含氫量,但是,烘乾焊條的溫度也不可過高,否則,焊條藥皮內的鐵合金將被氧化造氣劑被過早地分解,從而喪失它本身在焊接過程中的保護作用。

焊接用的保護氣體如Ar和CO2等也常含有水分,通常用露點作為衡量氣體中含水量的尺度,露點越低,保護氣體的含水量越少。所以,應該選用露點低的保護氣體焊接,必要時,可以採取對保護氣體進行去水、乾燥等措施。

(2)清除焊件和焊絲表面的雜質焊件坡口和焊絲表面上的鐵鏽、油汙依附的水分以及其他含氫物質,都是增加焊縫含氫量的主要原因之一。因此,焊前應該仔細進行清理。

(3)進行冶金處理在高溫下比較穩定的氫化物是HF和OH。它們不溶於液態金屬中,所以,降低氣相中氫的分壓,可以減少氫在液體金屬中的溶解度。要降低氫的分壓,應該調整焊接材料的成分,使氣相中的氫,生成穩定的HF和OH。具體措施如下:

1)在焊條藥皮和焊劑加入氟化劑:實驗證明,在焊條藥皮中加入7%-8%的CaF2,可以急劇減少焊縫含氫量。

2)控制焊接材料的氧化還原勢:增加焊縫熔池的含氧量或增加氣相的氧化性,可以減少焊縫溶池中的氫的濃度,因為,氧化性的氣體可以奪取氫生成穩定的OH。低氫型焊條藥皮中含有很多碳酸鹽,它們受熱分解析出CO2,通過反應達到去氫的目的。CO2氣體保護焊時,儘管焊接環境有水分,但是,焊縫中含氫量很低,也是通過反應達到去氫的目的。

弧焊焊接不鏽鋼、鋁及鋁合金、銅及銅合金、鎳及鎳合金時,為了消除氫氣孔,改進工藝性能,常在氬氣中加入體積分數為5%左右的氧氣,就是依據以上道理。

3)在焊條藥皮或焊芯中加入微量的稀土元素:試驗表明,在焊條藥皮或焊芯中加入微量的稀土元素碲或硒,可以大幅度降低熔敷金屬中的擴散氫。

4)控制焊接參數:焊接參數對焊縫金屬含氫量有一定的影響。焊條電弧焊時,增大焊接電流,焊接熔滴含氫量增加。氣體保護焊時,噴射過渡的熔滴比滴狀過渡的熔滴含氫量低。電弧焊時,電流的種類和極性對焊縫的含氫量有影響,應當指出,通過控制焊接參數來限制焊縫中的含氫量，是有很大的局限性的。

5)焊後脫氫處理:焊後對焊件進行加熱，促使氫擴散外逸，從而減少焊接接頭中的氫含量的工藝稱為焊後脫氫處理。對於容易產生冷裂紋的焊件，在生產上常要求進行焊後脫氫處理。但要指出的是，對奧氏體不鏽鋼焊接接頭進行脫氫處理意義不大，沒有必要進行。