焊缝中气孔的成因及影响因素

气孔是焊接这类钢时最常见的焊接缺陷之一。气孔的存在，不仅影响管道致密性，造成管道泄漏，而且当气孔的尺寸和数量超过一定界限时，会减少焊缝的有效截面积，降低焊缝的强度、塑性和韧性。同时对于暴露在焊缝表面的气孔则有损于焊缝表面质量。

熔焊时，一方面由于焊接熔池处于强烈的过热状态，高温下的液态金属往往溶解了较多的气体（如H₂、N₂）；另一方面，在焊接冶金过程中，由于化学冶金反应也能产生大量的气体（如CO、H₂O）。它们在熔池凝固时，来不及逸出，会残留在焊缝金属中成为气孔。

氢气孔的形成是由于在高温时，氢在焊接熔池液态金属和熔滴中的溶解度很高，吸收了大量的氢，而当冷却凝固时，氢在金属中的溶解度急剧下降，例如铁从液态变为固态时，氢的溶解度可从32mL/100g降为10mL/100g。因此氢将析出成为气泡，如果焊接熔池结晶速度很快，氢气泡来不及上浮到熔池表面残留在焊缝中，则成为内部气孔。

氢气孔主要是在结晶过程中形成的。在相邻树枝晶凹陷处是氢气孔发生源，它的上浮受到很大阻力，但氢的扩散能力强，它一般可以上浮到达焊缝表面，形成旋涡状，喇叭形开口的表面气孔。

氮气孔的形成与氢气孔相似，但它常呈蜂窝状成堆出现。一般情况下，在焊接生产中氮气孔出现的几率较小。

CO气孔主要是由于焊接冶金反应产生大量的CO在结晶过程中来不及逸出而残留在焊缝内部的气孔。CO气孔常以沿结晶方向的长条虫形状出现在焊缝内部，很少能到达焊缝表面。

影响管线钢焊缝中产生气孔的因素很多，而且是多种因素综合作用的结果。

熔渣氧化性对焊缝中气孔倾向有很大影响。随着熔渣氧化性的增加，焊缝中H与O反应生成稳定性很高的OH，焊缝中氢气孔倾向减小，但熔渣氧化性增加到一定程度后，CO气孔倾向加大。一般常用[C]×[O]来表示焊缝中CO气孔倾向。但是，在不同的渣系中，产生CO气孔的[C][O]值却有很大差别，在酸性渣中产生气孔的[C]×[O]值较高，而在碱性渣中[C]×[O]值较低即可产生气孔。这是由于不同渣系中[FeO]的活度不同所致。

焊条药皮或焊剂中加入CaF₂，焊接时可以发生下列反应而生成HF。

如果在焊条药皮或焊剂中加入CaF₂的同时，再加入SiO₂，焊接时可以发生下列反应而生成HF。(www.xing528.com)

通过这些反应可以吸收大量H，生成稳定性很高且不溶于液态金属的HF，从而可以防止氢气孔的形成，特别是SiO₂和CaF₂同时存在时，对防止气孔产生更为有效，如图4-21所示。

此外，在药皮或焊剂中适当增加氧化性组成物（如FeO、MnO等）的含量，对于消除氢气孔也是有利的。因为它们在高温时能与[H]反应生成OH^-，OH-也不溶于液态金属。在酸性焊条药皮中不含CaF₂，主要依赖于这些氧化物来防止氢气孔。

在碱性焊条药皮中的碳酸盐（如CaCO₃、MgCO₃等）焊接时可以分解出大量CO₂，它是一种氧化性气氛，在高温时也能与氢反应生成OH-和H₂O，但如果焊缝金属中还原剂不足时，则会导致产生CO气孔。

图4-21 CaF₂和SiO₂对焊缝气孔倾向的影响

管线钢焊接坡口附近的铁锈、油污、水分等也是导致焊缝中产生气孔的重要原因。铁锈的成分是mFe₂O₃·nH₂O（Fe₂O₃≈83.28%，FeO≈5.7%，H₂O≈10.7%）。它们在焊接高温下将发生下列反应：

因此，存在铁锈时，一方面增加了氧化性，可以导致CO气孔产生。另一方面，由于反应生成大量氢，又可以导致氢气孔产生。所以，铁锈是极为有害的杂质，它大大增加了焊缝对两类气孔的敏感性。尤其在螺旋埋弧焊管时，由于其焊接的特殊性，铁锈极易聚集在内焊缝处，从而增大了内焊缝产生气孔的倾向。

此外，焊接坡口附近的氧化皮（FeO）、焊条或焊剂受潮，或空气潮湿等因素，也会促使焊缝中形成气孔倾向增加，所以，焊前应十分重视焊件表面的清理和焊条、焊剂的烘干。从焊接规范上可以考虑降低焊接速度，这是因为熔池结晶速度与焊接速度成正比，降低焊接速度有利于熔池中气体及气泡的上浮逸出。