有害元素对焊缝金属的作用

基础知识

焊接过程中的有害元素主要是氧（O）、氢（H）、氮（N）、硫（S）、磷（P）。其中氧、氢和氮主要来自焊条、焊丝、焊剂等焊接材料，周围空气以及未清理的母材表面；硫、磷主要来自母材、焊条、焊丝及焊剂等。它们将严重影响焊接质量，所以，焊接时必须对这些有害元素进行严格的控制。

任务实施

一、氧对焊缝金属的作用

1.氧对焊接质量的影响

（1）焊缝金属中的氧不仅会使焊缝中有益元素大量烧损，而且会使焊缝的强度、塑性、硬度和冲击韧性降低，其中冲击韧性降低尤为明显；

（2）降低焊缝金属的物理性能和化学性能；

（3）氧与碳、氢反应生成不溶于金属的气体CO和H2O，若结晶时来不及逸出，则会在焊缝内形成气孔；

（4）产生飞溅影响焊接过程稳定。

2.氧的来源

（1）电弧中的氧化性气体，如CO2、O2和H2O等；

（2）空气中氧的侵入；

（3）焊剂、药皮中的高价氧化物；

（4）焊件表面的铁锈、水分等的分解物。

氧在电弧高温作用下分解为原子，原子氧非常活泼，能使铁和其他元素氧化，其中氧化生成的Fe O能溶解于液态金属，所以氧在焊缝金属中主要以Fe O形式存在。焊缝中的Fe O还会使其他元素进一步氧化。

3.控制氧的措施

（1）加强保护，如采用短弧焊，选用合适的气体流量等；防止空气入侵还可以在惰性气体或真空保护下焊接；

（2）清理焊件及焊丝表面的水分、油污、锈迹。按规定温度烘干焊剂、焊条等焊接材料；

（3）对焊缝进行脱氧。

4.焊缝金属脱氧

焊缝金属脱氧的目的是尽量减少熔池金属的含氧量，使焊缝金属中氧化物夹杂物减少到最低限度。焊缝金属的脱氧主要有两个途径：脱氧剂脱氧及扩散脱氧。脱氧剂脱氧按脱氧的时间可分为先期脱氧和沉淀脱氧，表5-6列出了各种脱氧途径的对比。

表5-6 各种脱氧途径对比

使用脱氧剂脱氧要求脱氧剂在焊接温度下对氧的亲和力应比被焊金属的亲和力大。常用元素对氧的亲和力如下：

在实际生产中，常用它们的铁合金或金属粉，如锰铁、硅铁、钛铁、铝粉等作为脱氧剂。元素对氧的亲和力越大，脱氧能力越强。另外，脱氧后的产物应不溶于金属，且熔点较低，密度比金属小，容易从熔池中上浮入渣。

酸性焊条和碱性焊条的药皮类型不同，它们采用的脱氧途径及脱氧剂选用的元素也有所区别，表5-7列出了两种焊条脱氧的对比。

表5-7 酸性焊条和碱性焊条脱氧对比

二、氢对焊缝金属的作用

1.氢对焊接质量的影响

（1）形成气孔 熔池的结晶使氢的溶解度突然降低，容易造成过饱和的氢残留在焊缝金属中，当焊缝金属的结晶速度大于它的逸出速度时，就会产生气孔，如图5-6所示。

图5-6  焊缝中的氢气孔

（2）白点 对于碳钢或低合金钢焊缝，如含氢量较高，则常常在其拉伸或弯曲试件的断面上，出现银白色圆形局部脆短点，称为白点。白点的直径一般为0.5～3 mm，好像鱼眼一样，故又称鱼眼。如焊缝产生白点，则其塑性大大降低。

（3）氢脆 金属中因吸收氢而导致塑性严重下降的现象称为氢脆，会使焊缝金属塑性严重下降。

（4）产生冷裂纹 氢是产生冷裂纹的因素之一，焊缝含氢量高时容易产生冷裂纹。

2.氢的来源

焊接区的氢主要来自受潮的药皮或焊剂中的水分、焊条药皮或焊剂中的有机物、空气中的水分、焊件表面的铁锈、油脂及油漆等。

3.控制氢的措施

（1）焊前清理干净焊件及焊丝表面的铁锈、油污、水分等污物。

（2）焊前按规定温度烘干焊剂、焊条，对气体保护焊的保护气体进行去水、干燥处理。

（3）尽量选用低氢型焊条，焊接时采用直流反接，短弧操作。

（4）焊后消氢处理，焊后立即将焊件加热到250℃～350℃，保温2～6 h，使焊缝金属中的扩散氢加速逸出，降低焊缝和热影响区中的氢含量。

三、氮对焊缝金属的作用

1.氮对焊接质量的影响

（1）形成气孔 与氢一样，在熔池结晶时溶解度突然降低，此时有大量的氮气会析出，当来不及析出时就会形成气孔。

（2）影响焊缝力学性能 氮与铁等形成化合物，并以针状夹杂物形式存在于焊缝金属中，使焊缝的硬度和强度提高，塑性、韧性降低，影响其力学性能。

2.氮的来源

焊接区中的氮主要来自周围空气。氮以原子、NO及离子形式溶入铁及其合金中，氮在铁中的溶解度随温度升高而增大。氮既不溶解于铜等金属，又不与其形成化合物，故焊接这类金属时，可用氮作为保护气体。

3.控制氮的措施

（1）加强对焊接区液态金属的保护，防止空气中的氮侵入，是控制焊缝中氮含量的主要措施。

（2）采取正确的焊接工艺措施，如尽量采用短弧焊接，因为电弧越长，氮侵入熔池越多，焊缝中氮的含量越高。此外，采用直流反接比直流正接可减少焊缝中氮的含量。

四、焊缝金属中硫、磷的危害及控制

1.硫、磷的危害与存在形式

硫通常以Mn S和Fe S两种形式存在于焊缝中。当硫以Fe S形式存在时危害性最大，因为它可以无限地溶解于液态铁中，而在固态铁中的溶解度只有0.015%～0.020%。因此，在熔池凝固时Fe S析出，并与α-Fe、Fe O等形成低熔点共晶，尤其在焊接高镍合金钢时，硫与镍形成的Ni S与Ni共晶的熔点更低。这些低熔点共晶呈液态薄膜状聚集于晶界，导致晶界处开裂，产生所谓的热裂纹。此外，还会降低焊缝金属的冲击韧性和耐腐蚀性能。

磷在焊缝中主要以铁的磷化物Fe2P、Fe3P的形式存在，与硫一样可以与铁形成低熔点共晶Fe3P+P，聚集于晶界，易产生热裂纹。此外，这些磷化物还削弱了晶粒间的结合力，且它本身硬而脆，增加了焊缝金属的冷脆性，使冲击韧性降低，造成冷裂，表5-8列出了共晶时的熔点。

表5-8 硫化物共晶、磷化物共晶的熔点

2.硫、磷的来源

焊缝中的硫、磷主要来自母材、焊丝、药皮、焊剂等材料。

3.控制硫、磷的措施

（1）脱硫的措施 焊接过程中脱硫的主要措施有元素脱硫和熔渣脱硫两种。

①元素脱硫：元素脱硫就是在液态金属中加入一些对硫亲和力比铁大的元素，把铁从Fe S中还原出来，形成硫化物不溶于金属而进入熔渣，从而达到脱硫的目的。在焊接中最常用的是利用Mn元素脱硫，因为Mn的脱硫产物Mn S几乎不溶于金属而进入熔渣，其反应式为：Fe S+Mn Fe+Mn S

②熔渣脱硫：熔渣脱硫是利用熔渣中的碱性氧化物，如Ca O、Mn O及Ca F2等进行脱硫。脱硫产物Ca S、Mn S进入熔渣被排除，从而达到脱硫的目的。其反应式如下：

Fe S+Mn O Fe O+Mn S

Fe S+Ca O Fe O+Ca S

Ca比Mn对硫的亲和力强，并且Ca S完全不溶于金属，所以Ca O脱硫效果比Mn O要好。Ca F2脱硫主要是利用氟与硫化合生成挥发性氟硫化合物及Ca F2与Si O2作用产生的Ca O进行的。

（2）脱磷的措施 焊接过程中脱磷的措施分为两步：

①将磷氧化成P2O5；

②利用碱性氧化物与P2O5形成磷酸盐进入熔渣。

从上述论述中可知，熔渣中若同时有足够的自由Fe O和自由的Ca O，则脱磷效果好。但实际上在碱性焊条或酸性焊条中，要同时具有上述两个条件是很困难的。

4.酸性焊条和碱性焊条的脱硫和脱磷

（1）酸性焊条 酸性焊条熔渣中碱性氧化物Ca O及Mn O较少，熔渣脱硫能力弱，仅靠Mn元素脱硫。同时碱性氧化物Ca O较少，脱磷能力差。所以酸性焊条脱硫、脱磷效果较差。

（2）碱性焊条 碱性焊条药皮中含有大量的大理石、萤石和铁合金，熔渣中有大量的碱性氧化物Ca O、Mn O等，既能进行熔渣脱硫和脱磷，同时又可进行元素脱硫。所以碱性焊条的脱硫、脱磷能力比酸性焊条强，这是碱性焊条的力学性能、抗裂性能比酸性焊条强的重要原因。

五、焊缝金属合金化

焊缝金属合金化就是将所需的合金元素由焊接材料通过焊接冶金过程过渡到焊缝金属中去的反应，也称焊缝金属的渗合金。

1.焊缝金属合金化的目的

（1）补偿焊接过程中由于合金元素氧化和蒸发造成的损失，以保证焊缝金属的成分、组织和性能符合预定的要求。

（2）通过向焊缝金属中渗入母材中不含或少含的合金元素，以满足焊件对焊缝金属的特殊要求。如用堆焊方法来提高焊件表面耐磨、耐热、耐蚀性能等。

（3）消除焊接工艺的缺欠，改善焊缝金属的组织和性能。如向焊缝金属中加入锰以消除硫引起的热裂纹等。

2.焊缝金属合金化的方式

焊条电弧焊时，焊缝金属合金化的方式有两种：一种是通过焊芯过渡；另一种是通过焊条药皮过渡。这两种方式还可以同时兼有。

通过焊芯过渡，即利用合金钢焊芯过渡。焊芯合金化，外面再涂以碱性熔渣的保护药皮，焊缝金属合金化的效果与可靠性最好。通过药皮实现合金化，是在焊条药皮中加入各种铁合金粉末和合金元素，然后在焊接时，把这些元素过渡到焊缝金属中去。这种方法在生产上应用较广，通常是采用在低碳钢（H08、H08A）焊条药皮中加入合金剂，从而达到合金化的目的。焊条药皮常用的合金剂有：锰铁、硅铁、镍铁、钼铁、钨铁、硼铁等。

拓展提高

虽然冶金反应脱硫、脱磷能降低焊缝中的含硫含磷量，且碱性焊条的脱硫、脱磷能力比酸性焊条强。但由于焊接冶金时间短，脱硫、脱磷反应来不及充分进行，总的来说，酸性焊条和碱性焊条的脱硫和脱磷效果仍较差。因此，严格控制母材和焊接材料中的硫、磷的来源是控制焊缝金属中含硫含磷量的主要措施。