焊缝金属中的气孔：成因及处理方法

CO₂气体保护焊发展的初期，由于焊缝中经常出现大量的气孔，使得该方法长期在工业上得不到应用。这时产生气孔的主要原因是焊丝中含有的脱氧元素不足，则熔池中的FeO和C之间的冶金反应生成大量CO，其反应方程式见式（5-15）。在熔池结晶过程中，由于激烈地析出CO而发生熔池的沸腾现象。一些气体逸出熔池表面，另一些气体在结晶过程中来不及逸出而残留在焊缝内部形成气孔，在大多数情况下，这类气孔产生在焊缝内部，气孔沿结晶方向分布，呈条虫状，表面光滑。如果焊丝的脱氧能力很低的时候，CO气孔还可能成为外气孔。

如果在焊缝金属中硅的质量分数大于0.2%时，就可以防止CO气体所引起的气孔。这是由于在焊缝金属的凝固温度时硅具有强烈的脱氧作用[见方程式（5-13）]。硅与氧化亚铁作用而阻止了碳的氧化。除了硅作为脱氧元素以外，还可以加入锰、钛和铝等。在现代工业中由于使用了脱氧焊丝，而使得CO₂气体保护焊可以得到致密的焊缝。

含脱氧元素不同的几种典型焊丝对气孔的影响也不同（见表5-1）。由表5-1可以清楚地看出，随着焊丝中含硅量的增加，焊缝中的外气孔和内气孔的数量逐渐减少。

除了CO气孔以外，在CO₂气体保护焊过程中，焊接熔池还可能溶解了大量的氢或氮，当熔池金属结晶时，由于溶解度的骤然降低，如图5-12及图5-5所示，这些气体来不及析出而出现氢气孔和氮气孔。

表5-1 采用各种实心焊丝时的CO₂气体保护焊焊接低碳钢的试验结果

注：—无气孔，—少量气孔，—较多气孔。

在焊接熔池中氢和氧的含量正比于在电弧空间这些气体的分压。随着CO2气体湿度的增加，焊接区域中氢的分压随之提高，同时氢在焊缝金属中的含量也提高，见表5-2。当CO₂气体中含水量为1.92g/m³时，100g焊缝金属中的含氢量为4.7mL，这时将开始出现单个气孔。如果进一步增加CO₂气体的含水量，则焊缝中气孔的数量也增加。控制氢气孔最有效的办法是减少CO₂气体中的水分（通常用露点来表示），目前大多数国家规定焊接用CO₂气体的纯度（体积分数）不应低于99.5%。其露点为-40℃。

图5-12 氢在铁中的溶解度与温度的关系（1atm）

表5-2 CO₂气体的含水量与焊缝金属中的含氢量的关系

CO₂气体保护焊时，虽然氢或水能引起氢气孔，但与埋弧焊和氩弧焊相比，CO₂焊对油、锈的敏感性较低，氢气孔的产生倾向相对较小，其结果见表5-3。

表5-3 实心焊丝纯CO₂气体保护焊与埋弧焊时锈对形成氢气孔的影响

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注：表中符号解释同表5-1注。

从表5-3可见，在100mm长焊缝中加入0.5g的铁锈时，埋弧焊将生成少量气孔，而CO₂气体保护焊却无气孔。只有当铁锈量达到1g时，CO₂焊才出现少量气孔。这是为什么呢？因为锈是含有结晶水的氧化铁（Fe₂O₃·mH₂O），在电弧热作用下，发生如下反应：

由于含氢量增加，将增加氢气孔的可能性。可是CO₂焊时，在电弧气氛中的二氧化碳和氧的浓度很高，它们将阻止水的分解，其反应方程式如下：

这时，反应都向右进行，其生成物是在液体金属中溶解度很小的水蒸气和羟基，从而减弱了氢的有害作用。此外，CO₂焊时铁锈中含有大部分结晶水被蒸发和被保护气流带走，这对焊接也是十分有利的。

同样道理，CO₂焊对油污和水分也不那么敏感，所以一般认为CO₂焊具有较强的抗潮和抗锈能力。

焊接低碳钢时，氢气孔的特征是它经常出现在焊缝的表面上，气孔的断面形状多为螺钉状，从焊缝表面上看呈圆喇叭口形，并且在气孔的四周有光滑的内壁。

关于氮气引起的气孔（通常称为氮气孔），其产生原因与氢气孔类似。氮气孔的分布除在焊缝表面，还可以在焊缝内部产生，但多数情况下是成堆出现的，与蜂窝类似。产生这类气孔的主要原因是空气进入了保护区，空气对氮气孔的影响见表5-4。可见，混入的空气越多，产生氮气孔倾向越严重。

为避免氮气孔的产生，最主要的是应增强气体保护效果。如合适的CO₂气体流量、喷嘴直径、适宜的喷嘴到焊件间的距离以及焊接场所不要有风等。另外在焊丝中加进固氮元素（如钛和铝），也有助于防止产生氮气孔。

气孔是一种常见缺陷，它能降低焊缝金属的强度、塑性以及其他力学性能。所以必须采取可靠的措施防止。

表5-4 二氧化碳中含有空气时对焊缝金属中形成氮气孔的影响

注：表中表示有很多气孔。