焊接气孔形成因素分析及分类

所谓气孔，是指焊缝中气体形成的孔洞。气孔是焊缝中常见的一种缺陷。它的存在减少了焊缝的有效截面积，集中了应力，破坏了焊缝的致密性，使焊件失效。

焊缝中有表面气孔、内部气孔或根部气孔，如电渣焊焊缝中的内部气孔和穿透气孔。从分布来看，有单个孔隙，也有成堆的致密孔隙。

形成孔隙的气体包括氢气、氮气、一氧化碳和水蒸气。氢气和氮气在高温下溶解在金属中。在凝固过程中，液固阶段氢气和氮气的溶解度突然下降，来不及逃逸，留在金属中。一氧化碳和水蒸汽是金属冶金反应形成的气体，但不溶于金属。

气泡漂浮过程

熔池的结晶速率，当结晶速率较小时，气泡可以有足够的时间逸出。

a)结晶速度小

b)大的结晶速度

不同结晶速率对孔隙形成的影响

1.氢空穴

在低碳钢和低合金钢的焊缝中，氢孔的横截面呈螺旋状，大部分出现在焊缝表面(在某些情况下也出现在内部)，呈喇叭状，内壁上有4个周有光孔滑动。铝镁合金经常出现在焊缝内部。

对于手工电弧焊，氢主要来源于焊条药皮中的有机物、结晶水或吸附水、母材和焊丝表面的油污、空气中的水分等。

氢溶入金属的方式:在渣保护条件下，渣本身具有一定的溶氢能力，溶于渣中的氢大部分以OH-的形式存在，OH-与Fe2 ++交换电子生成氢原子进入液态金属；在气体保护焊中，气体中的氢在与金属接触后直接以原子或质子的形式溶解。

溶解的氢量与金属的温度和状态有关。

氢气的溶解度与温度的关系是在固体铁中的溶解度小于0.6mL/100g，1350℃时为10.1mL/100g。当它从固体变成液体时，氢气的溶解度突然上升，在2400℃时达到最大值43mL/100g。氢在不同晶格类型的金属中的溶解度也不同，氢在面心立方晶格的金属中的溶解度大于体心立方晶格。

当液态铁转变为δ-Fe时，溶解度突然从32mL/100g下降到10 ml/100 g，如果熔池中已经吸收了较多的氢，且冷却速度较快，在凝固过程中，氢必然从固相扩散到液相，液相中的氢就会过饱和，从而为氢孔的产生创造了必要的条件。

在熔池结晶过程中，固液相共存时，由于固液相溶解度的差异，氢会聚集在结晶前沿，特别是相邻枝晶之间的谷中。随着液相的减少，熔池底部的浓度会不断增加，当浓度不能保持过饱和时，就会产生气泡。

可以看出，氢孔是在结晶过程中形成的，形核发生在枝晶之间的谷中，在这里生长和漂浮会受到枝晶和粘性的阻力的阻碍。因此形成大小喇叭口的气孔，经常出现在焊缝表面。

2.氮气孔

氮空穴的形成过程一般被认为与氢空穴的形成过程相似。这些孔洞也分布在焊缝表面，且大多呈堆状出现，类似蜂窝状。断口分析表明，孔隙内表面呈凹凸状。但正常焊接时，焊缝中很少出现氮孔，只有在电弧较长、保护不好的情况下才会出现氮孔。

3.一氧化碳气孔

CO主要是FeO或其他氧化物在高温下与C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孔隙在冶金反应后期形成，随着结晶的进行，产生一定量的CO。由于温度的降低，液体粘度的增加，以及CO生成的吸热反应，生成的CO无法逃逸，而是被困在树枝和颗粒之间。

由于CO气泡比氢气气泡飘出的速度慢，所以大多形成在焊缝中，呈条状，内壁有氧化色。例如，高碳工具钢SK5的电子束焊接焊缝中的一氧化碳孔隙形态。

需要指出的是，各种气泡中的气体并不是单一的，而是几种气体同时存在。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，在多种气体的共同作用下，气泡可以迅速发育和生长。