基礎(chǔ)知識(shí)

焊接過(guò)程中的有害元素主要是氧（O）、氫（H）、氮（N）、硫（S）、磷（P）。其中氧、氫和氮主要來(lái)自焊條、焊絲、焊劑等焊接材料，周?chē)諝庖约拔辞謇淼哪覆谋砻妫涣?、磷主要?lái)自母材、焊條、焊絲及焊劑等。它們將嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量，所以，焊接時(shí)必須對(duì)這些有害元素進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

任務(wù)實(shí)施

一、氧對(duì)焊縫金屬的作用

1.氧對(duì)焊接質(zhì)量的影響

（1）焊縫金屬中的氧不僅會(huì)使焊縫中有益元素大量燒損，而且會(huì)使焊縫的強(qiáng)度、塑性、硬度和沖擊韌性降低，其中沖擊韌性降低尤為明顯；

（2）降低焊縫金屬的物理性能和化學(xué)性能；

（3）氧與碳、氫反應(yīng)生成不溶于金屬的氣體CO和H2O，若結(jié)晶時(shí)來(lái)不及逸出，則會(huì)在焊縫內(nèi)形成氣孔；

（4）產(chǎn)生飛濺影響焊接過(guò)程穩(wěn)定。

2.氧的來(lái)源

（1）電弧中的氧化性氣體，如CO2、O2和H2O等；

（2）空氣中氧的侵入；

（3）焊劑、藥皮中的高價(jià)氧化物；

（4）焊件表面的鐵銹、水分等的分解物。

氧在電弧高溫作用下分解為原子，原子氧非?；顫?，能使鐵和其他元素氧化，其中氧化生成的Fe O能溶解于液態(tài)金屬，所以氧在焊縫金屬中主要以Fe O形式存在。焊縫中的Fe O還會(huì)使其他元素進(jìn)一步氧化。

3.控制氧的措施

（1）加強(qiáng)保護(hù)，如采用短弧焊，選用合適的氣體流量等；防止空氣入侵還可以在惰性氣體或真空保護(hù)下焊接；

（2）清理焊件及焊絲表面的水分、油污、銹跡。按規(guī)定溫度烘干焊劑、焊條等焊接材料；

（3）對(duì)焊縫進(jìn)行脫氧。

4.焊縫金屬脫氧

焊縫金屬脫氧的目的是盡量減少熔池金屬的含氧量，使焊縫金屬中氧化物夾雜物減少到最低限度。焊縫金屬的脫氧主要有兩個(gè)途徑：脫氧劑脫氧及擴(kuò)散脫氧。脫氧劑脫氧按脫氧的時(shí)間可分為先期脫氧和沉淀脫氧，表5-6列出了各種脫氧途徑的對(duì)比。

表5-6?各種脫氧途徑對(duì)比

使用脫氧劑脫氧要求脫氧劑在焊接溫度下對(duì)氧的親和力應(yīng)比被焊金屬的親和力大。常用元素對(duì)氧的親和力如下：

在實(shí)際生產(chǎn)中，常用它們的鐵合金或金屬粉，如錳鐵、硅鐵、鈦鐵、鋁粉等作為脫氧劑。元素對(duì)氧的親和力越大，脫氧能力越強(qiáng)。另外，脫氧后的產(chǎn)物應(yīng)不溶于金屬，且熔點(diǎn)較低，密度比金屬小，容易從熔池中上浮入渣。

酸性焊條和堿性焊條的藥皮類(lèi)型不同，它們采用的脫氧途徑及脫氧劑選用的元素也有所區(qū)別，表5-7列出了兩種焊條脫氧的對(duì)比。

表5-7?酸性焊條和堿性焊條脫氧對(duì)比

二、氫對(duì)焊縫金屬的作用

1.氫對(duì)焊接質(zhì)量的影響

（1）形成氣孔 熔池的結(jié)晶使氫的溶解度突然降低，容易造成過(guò)飽和的氫殘留在焊縫金屬中，當(dāng)焊縫金屬的結(jié)晶速度大于它的逸出速度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生氣孔，如圖5-6所示。

圖5-6? 焊縫中的氫氣孔

（2）白點(diǎn) 對(duì)于碳鋼或低合金鋼焊縫，如含氫量較高，則常常在其拉伸或彎曲試件的斷面上，出現(xiàn)銀白色圓形局部脆短點(diǎn)，稱(chēng)為白點(diǎn)。白點(diǎn)的直徑一般為0.5～3 mm，好像魚(yú)眼一樣，故又稱(chēng)魚(yú)眼。如焊縫產(chǎn)生白點(diǎn)，則其塑性大大降低。

（3）氫脆 金屬中因吸收氫而導(dǎo)致塑性嚴(yán)重下降的現(xiàn)象稱(chēng)為氫脆，會(huì)使焊縫金屬塑性嚴(yán)重下降。

（4）產(chǎn)生冷裂紋 氫是產(chǎn)生冷裂紋的因素之一，焊縫含氫量高時(shí)容易產(chǎn)生冷裂紋。

2.氫的來(lái)源

焊接區(qū)的氫主要來(lái)自受潮的藥皮或焊劑中的水分、焊條藥皮或焊劑中的有機(jī)物、空氣中的水分、焊件表面的鐵銹、油脂及油漆等。

3.控制氫的措施

（1）焊前清理干凈焊件及焊絲表面的鐵銹、油污、水分等污物。

（2）焊前按規(guī)定溫度烘干焊劑、焊條，對(duì)氣體保護(hù)焊的保護(hù)氣體進(jìn)行去水、干燥處理。

（3）盡量選用低氫型焊條，焊接時(shí)采用直流反接，短弧操作。

（4）焊后消氫處理，焊后立即將焊件加熱到250℃～350℃，保溫2～6 h，使焊縫金屬中的擴(kuò)散氫加速逸出，降低焊縫和熱影響區(qū)中的氫含量。

三、氮對(duì)焊縫金屬的作用

1.氮對(duì)焊接質(zhì)量的影響

（1）形成氣孔 與氫一樣，在熔池結(jié)晶時(shí)溶解度突然降低，此時(shí)有大量的氮?dú)鈺?huì)析出，當(dāng)來(lái)不及析出時(shí)就會(huì)形成氣孔。

（2）影響焊縫力學(xué)性能 氮與鐵等形成化合物，并以針狀?yuàn)A雜物形式存在于焊縫金屬中，使焊縫的硬度和強(qiáng)度提高，塑性、韌性降低，影響其力學(xué)性能。

2.氮的來(lái)源

焊接區(qū)中的氮主要來(lái)自周?chē)諝狻５栽?、NO及離子形式溶入鐵及其合金中，氮在鐵中的溶解度隨溫度升高而增大。氮既不溶解于銅等金屬，又不與其形成化合物，故焊接這類(lèi)金屬時(shí)，可用氮作為保護(hù)氣體。

3.控制氮的措施

（1）加強(qiáng)對(duì)焊接區(qū)液態(tài)金屬的保護(hù)，防止空氣中的氮侵入，是控制焊縫中氮含量的主要措施。

（2）采取正確的焊接工藝措施，如盡量采用短弧焊接，因?yàn)殡娀≡介L(zhǎng)，氮侵入熔池越多，焊縫中氮的含量越高。此外，采用直流反接比直流正接可減少焊縫中氮的含量。

四、焊縫金屬中硫、磷的危害及控制

1.硫、磷的危害與存在形式

硫通常以Mn S和Fe S兩種形式存在于焊縫中。當(dāng)硫以Fe S形式存在時(shí)危害性最大，因?yàn)樗梢詿o(wú)限地溶解于液態(tài)鐵中，而在固態(tài)鐵中的溶解度只有0.015%～0.020%。因此，在熔池凝固時(shí)Fe S析出，并與α-Fe、Fe O等形成低熔點(diǎn)共晶，尤其在焊接高鎳合金鋼時(shí)，硫與鎳形成的Ni S與Ni共晶的熔點(diǎn)更低。這些低熔點(diǎn)共晶呈液態(tài)薄膜狀聚集于晶界，導(dǎo)致晶界處開(kāi)裂，產(chǎn)生所謂的熱裂紋。此外，還會(huì)降低焊縫金屬的沖擊韌性和耐腐蝕性能。

磷在焊縫中主要以鐵的磷化物Fe2P、Fe3P的形式存在，與硫一樣可以與鐵形成低熔點(diǎn)共晶Fe3P+P，聚集于晶界，易產(chǎn)生熱裂紋。此外，這些磷化物還削弱了晶粒間的結(jié)合力，且它本身硬而脆，增加了焊縫金屬的冷脆性，使沖擊韌性降低，造成冷裂，表5-8列出了共晶時(shí)的熔點(diǎn)。

表5-8?硫化物共晶、磷化物共晶的熔點(diǎn)

2.硫、磷的來(lái)源

焊縫中的硫、磷主要來(lái)自母材、焊絲、藥皮、焊劑等材料。

3.控制硫、磷的措施

（1）脫硫的措施 焊接過(guò)程中脫硫的主要措施有元素脫硫和熔渣脫硫兩種。

①元素脫硫：元素脫硫就是在液態(tài)金屬中加入一些對(duì)硫親和力比鐵大的元素，把鐵從Fe S中還原出來(lái)，形成硫化物不溶于金屬而進(jìn)入熔渣，從而達(dá)到脫硫的目的。在焊接中最常用的是利用Mn元素脫硫，因?yàn)镸n的脫硫產(chǎn)物Mn S幾乎不溶于金屬而進(jìn)入熔渣，其反應(yīng)式為：Fe S+Mn Fe+Mn S

②熔渣脫硫：熔渣脫硫是利用熔渣中的堿性氧化物，如Ca O、Mn O及Ca F2等進(jìn)行脫硫。脫硫產(chǎn)物Ca S、Mn S進(jìn)入熔渣被排除，從而達(dá)到脫硫的目的。其反應(yīng)式如下：

Fe S+Mn O Fe O+Mn S

Fe S+Ca O Fe O+Ca S

Ca比Mn對(duì)硫的親和力強(qiáng)，并且Ca S完全不溶于金屬，所以Ca O脫硫效果比Mn O要好。Ca F2脫硫主要是利用氟與硫化合生成揮發(fā)性氟硫化合物及Ca F2與Si O2作用產(chǎn)生的Ca O進(jìn)行的。

（2）脫磷的措施 焊接過(guò)程中脫磷的措施分為兩步：

①將磷氧化成P2O5；

②利用堿性氧化物與P2O5形成磷酸鹽進(jìn)入熔渣。

從上述論述中可知，熔渣中若同時(shí)有足夠的自由Fe O和自由的Ca O，則脫磷效果好。但實(shí)際上在堿性焊條或酸性焊條中，要同時(shí)具有上述兩個(gè)條件是很困難的。

4.酸性焊條和堿性焊條的脫硫和脫磷

（1）酸性焊條 酸性焊條熔渣中堿性氧化物Ca O及Mn O較少，熔渣脫硫能力弱，僅靠Mn元素脫硫。同時(shí)堿性氧化物Ca O較少，脫磷能力差。所以酸性焊條脫硫、脫磷效果較差。

（2）堿性焊條 堿性焊條藥皮中含有大量的大理石、螢石和鐵合金，熔渣中有大量的堿性氧化物Ca O、Mn O等，既能進(jìn)行熔渣脫硫和脫磷，同時(shí)又可進(jìn)行元素脫硫。所以堿性焊條的脫硫、脫磷能力比酸性焊條強(qiáng)，這是堿性焊條的力學(xué)性能、抗裂性能比酸性焊條強(qiáng)的重要原因。

五、焊縫金屬合金化

焊縫金屬合金化就是將所需的合金元素由焊接材料通過(guò)焊接冶金過(guò)程過(guò)渡到焊縫金屬中去的反應(yīng)，也稱(chēng)焊縫金屬的滲合金。

1.焊縫金屬合金化的目的

（1）補(bǔ)償焊接過(guò)程中由于合金元素氧化和蒸發(fā)造成的損失，以保證焊縫金屬的成分、組織和性能符合預(yù)定的要求。

（2）通過(guò)向焊縫金屬中滲入母材中不含或少含的合金元素，以滿(mǎn)足焊件對(duì)焊縫金屬的特殊要求。如用堆焊方法來(lái)提高焊件表面耐磨、耐熱、耐蝕性能等。

（3）消除焊接工藝的缺欠，改善焊縫金屬的組織和性能。如向焊縫金屬中加入錳以消除硫引起的熱裂紋等。

2.焊縫金屬合金化的方式

焊條電弧焊時(shí)，焊縫金屬合金化的方式有兩種：一種是通過(guò)焊芯過(guò)渡；另一種是通過(guò)焊條藥皮過(guò)渡。這兩種方式還可以同時(shí)兼有。

通過(guò)焊芯過(guò)渡，即利用合金鋼焊芯過(guò)渡。焊芯合金化，外面再涂以堿性熔渣的保護(hù)藥皮，焊縫金屬合金化的效果與可靠性最好。通過(guò)藥皮實(shí)現(xiàn)合金化，是在焊條藥皮中加入各種鐵合金粉末和合金元素，然后在焊接時(shí)，把這些元素過(guò)渡到焊縫金屬中去。這種方法在生產(chǎn)上應(yīng)用較廣，通常是采用在低碳鋼（H08、H08A）焊條藥皮中加入合金劑，從而達(dá)到合金化的目的。焊條藥皮常用的合金劑有：錳鐵、硅鐵、鎳鐵、鉬鐵、鎢鐵、硼鐵等。

拓展提高

雖然冶金反應(yīng)脫硫、脫磷能降低焊縫中的含硫含磷量，且堿性焊條的脫硫、脫磷能力比酸性焊條強(qiáng)。但由于焊接冶金時(shí)間短，脫硫、脫磷反應(yīng)來(lái)不及充分進(jìn)行，總的來(lái)說(shuō)，酸性焊條和堿性焊條的脫硫和脫磷效果仍較差。因此，嚴(yán)格控制母材和焊接材料中的硫、磷的來(lái)源是控制焊縫金屬中含硫含磷量的主要措施。