第五节 有害元素对焊缝金属的作用及其控制 为使焊缝具有合格的使用性能和防止焊接缺陷，必须对其中有害元素加以控制对一般低碳钢和低合金钢来说，焊缝中的有害元素主要是氢、氮、氧、硫和磷 一、氢对焊缝金属的作用及其控制1.焊缝金属中氢的来源 氢主要来自于焊条药皮和焊剂中的有机物、结晶水或吸附水、母材与焊条表面的油污、铁锈以及空气中的水分等高温时，上述物质将分解产生H2分子，H2进一步分解为氢原子和离子，即 上述反应均为吸热反应从热效应来看，按式(4-20)进行分解的可能性更大氢的分解度随温度升高而增大分解度α与温度的关系如图4-17所示在弧柱区温度大于5000K情况下，分解度可达到90％以上，氢主要以分子的形式存在而在熔池尾部，温度仅有2000K，氢则主要以分子形式存在并可以溶解在液态Fe中 2.氢的作用及对焊接质量的影响(1)氢与熔池中金属的作用 在碳钢与低合金钢中，氢不会形成稳定的化合物，而主要以原子(少量以离子)的形式溶解在熔池中，氢在铁中的溶解度与其在电弧气氛中的浓度(以分压pH表示)、温度及金属的状态等因素有关 含氢量下降，如图4-19所示。
即扩散氢一部分逸出到焊缝外面，一部分变成残余氢通常所说的焊缝中的扩散氢含量是指焊后立即进行测定所得的结果 (2)氢对焊接质量的影响 氢的溶解与扩散给焊接质量带来以下影响1)造成氢脆金属因吸收氢而导致塑性严重降低的现象叫做氢脆(氢脆性)氢脆的特点是使金属的塑性明显下降，而对强度的影响不大氢脆往往会造成结构的整体破坏经过脱氢处理，钢的力学性能可以恢复2)造成白点当碳钢或合金钢焊缝中含氢量较高时，常会在拉伸试样的断面出现光亮的脆性断裂圆点，称为白点3)产生气孔当熔池吸收了大量的氢时，这些氢在结晶过程中就会聚集而成气泡 4)导致冷裂纹氢是导致焊接接头在较低温度(一般300℃以下)开裂的主要因素之一焊接冷裂纹是危害最严重的焊接缺陷 综上所述，氢对焊接质量的影响可以分为两种类型：一类是经过时效或热处理可以消除的，如氢脆，称为暂态现象；另一类则是一旦出现即无法消除的，如气孔、裂纹等，称为永久现象有关气孔与裂纹的问题将在第六章中作详细的介绍 3.控制氢的措施 氢对焊接质量有严重危害，为了保证焊接质量，必须采取措施减少焊缝中的含氢量常用的措施有以下几种。
1)限制焊接材料中氢的来源 限制焊条药皮或焊剂原料中的有机物和水分在使用前按规定的温度和时间进行烘焙；在存放焊接材料时应有必要的防潮措施；不允许焊条或焊剂长时间暴露在大气中等2)焊接前仔细清除母材焊接区和焊丝表面上的铁锈、油漆和吸附水 目前，国内外多采用对焊丝进行镀铜处理的办法，可防止焊丝生锈，又可改善其导电能力3)进行冶金处理 通过化学反应降低电弧气氛中氢的分压，从而降低氢在液体金属中的溶解度 (4)控制焊接参数 焊接参数对焊缝中的含氢量(以［H］表示)有明显的影响一般情况下，电流加大，［H］ 增加5)焊后热处理 焊后对焊件进行加热可使扩散氢排出实验表明，焊后加热到350℃，保温1h，扩散氢几乎可以全部排出生产中的脱氢处理一般加热到300～400℃，保温1h 二、氮对焊缝金属的作用及其控制1.氮的来源及作用 氮主要来自于电弧周围的空气焊接时，即使在正常保护的条件下也总会有少量的氮进入焊接区与熔池金属作用 氮既能溶解在铁中，又可与Fe、Ti、Mn、Cr等元素形成化合物在高温时，氮分子分解为原子但分解所需的能量比氢大，因而在温度相同时，氮的分解度比氢小，5000K时分解度不足10％(图4-17)。
所以在焊接条件下，氮大部分是以分子形式存在的 2.氮对焊接质量有以下的影响(1)形成气孔 与氢相似氮也是形成气孔的重要因素之一由于熔池在凝固时溶解度突然下降，过饱和氮形成气泡，气泡来不及析出而形成气孔2)降低焊接金属的力学性能 氮使钢的强度升高，塑性、韧性下降(图4-20) (3)时效脆化 这里所说的时效是指金属和合金(如低碳钢)从高温快冷或经过一定的冷加工变形后其性能随时间改变的现象一般而言，经过时效，金属的强度有所提高，而塑性、韧性下降 3.消除氮的有害作用的常用措施(1)加强机械保护 氮主要来自于周围的空气，而且一旦进到焊缝金属中，脱氮比较困难因此，加强机械保护是控制氮的主要措施现代熔焊所采用的各种保护方式，虽然效果有区别，但大多可以保证焊缝中的含氮量与母材和焊丝相当2)合理选用焊接参数 提高电弧电压，电弧长度增加，机械保护效果变坏，同时氮与熔滴作用的时间增长，致使焊缝中的含氮量增加因此，焊接时应尽量降低电弧电压，用短弧施焊3)在焊丝中加入一定量的元素形成氮化物 如加入Ti、Al、Zr等元素与氮化合而形成稳定的氮化物进入熔渣，少量残留在焊缝中时，焊缝的力学性还有所改善 三、氧的作用与焊缝金属的脱氧 氧化还原反应是贯穿焊接冶金过程的基本反应。
气相中的氧化性气体、氧化性的熔渣组成物、焊件坡口与焊丝表面的铁锈与水分都对熔池金属有氧化作用可以认为氧化作用发生于化学冶金反应的各个阶段，而且是不能完全避免的因此，抑制氧的不利影响，必须以冶金处理为主要措施 氧既可溶解于铁中，又可与铁和钢中的合金元素形成氧化物氧在铁中的溶解度与温度有关温度降低，溶解度急剧下降如在1600℃以上时，氧的溶解度可达到wO=0.3％；在铁的熔点时，则降为0.16％；由δ-Fe转变为α-Fe时，又降到0.05％；而在室温下，氧几乎不溶于铁中因此，在焊缝中氧主要以氧化物夹杂的形式存在，在低碳钢中则主要是铁的氧化物而固熔于焊缝金属中的氧是极少量的通常所说的焊缝含氧量是指溶解氧与化合氧之和高温时(560℃以上)，铁的氧化物为FeO 1.焊缝金属的氧化(1)气相对焊缝金属的氧化 电弧气氛中的O2、O、CO2、H2O都对Fe及钢中合金元素有不同程度的氧化作用焊接低碳钢及低合金钢时，主要考虑铁的氧化2)熔渣对焊缝金属的氧化 熔渣对焊缝金属的氧化有两种基本形式：扩散氧化和置换氧化 FeO既可溶于熔渣也可溶于液体金属，所以熔渣中的FeO可以直接扩散到焊缝金属中而使之增氧，这就是扩散氧化。
式(4-29)的物理意义是：在一定温度下FeO在熔渣与熔池中的浓度可随FeO的总量而变化，当达到平衡时，两相中FeO的比值是定值这一规律具有普遍性，称为分配定律因此，在温度一定时，如果熔渣中FeO的浓度增加，就会自动向熔池中扩散，以保持L不变，而使焊缝增氧在焊接低碳钢时，焊缝金属的含氧量随熔渣中(FeO)的增加而直线上升(图4-21) 上述分析是以熔渣中FeO的含量相同为前提的而在实际的碱性焊条或焊剂中，一般不使用含有氧化铁的原材料，又加入了较多的脱氧剂，并要求焊前仔细清理母材与焊丝表面的氧化皮和铁锈，保证了用碱性熔渣焊接的焊缝中含氧量大大低于酸性熔渣焊接的焊缝 (3)焊件表面氧化物对焊缝金属的氧化 焊件表面的铁锈及氧化皮对焊缝金属都有氧化作用铁锈在高温下分解为分解产物H2O进入气相后进一步分解，增加了气相的氧化性 因此，焊前必须清理焊件坡口附近及焊丝表面的氧化皮及铁锈 2.氧对焊缝金属质量的影响 焊缝金属中含氧量的增加使焊缝金属的性能与成分发生变化，具体表现如下1)焊缝金属的力学性能下降 随着焊缝中含氧量的增加，其强度、塑性、韧性等各项力学指标都下降，其中冲击韧度下降最为显著(图4-23)。
2)导致气孔产生 熔池中含氧量较高时，在结晶后期与钢中的碳作用而产生CO，CO形成气泡并来不及浮出时就会形成CO气孔3)使焊缝中的有益元素烧损 由于氧几乎可以和各种元素化合，熔池中的氧将钢中的合金元素氧化，而使焊缝的力学性能达不到要求 (4)降低焊缝金属的其他使用性能和加工性能 氧使焊缝金属的导电性、导磁性和耐蚀性降低；还会引起热脆性、冷脆性及时效脆化在焊接时，熔滴区产生的CO使熔滴爆炸，引起飞溅，影响焊接过程的稳定性 3.焊缝金属的脱氧 在正常的焊接条件下，氧主要来自焊条药皮与焊剂原材料及保护气体因此，控制氧的措施除限制其来源外，主要通过冶金反应进行脱氧焊缝金属的脱氧反应从药皮反应区即已开始，其中的先期脱氧就是脱氧反应的组成部分熔渣对焊缝金属的脱氧有两种形式，即沉淀脱氧与扩散脱氧 (1)先期脱氧 对于熔焊过程，药皮和液态熔滴与电弧气氛接触发生氧化反应，降低电弧气氛氧化性的脱氧反应称为先期脱氧其特点是脱氧过程和脱氧产物与高温的液态金属不发生直接关系，脱氧产物直接参与造渣，起到了降低电弧气氛氧化性的作用反应多为合金元素的烧损详见本章第三节药皮反应区部分 (2)沉淀脱氧1)沉淀脱氧的实质。
溶解于液态熔池金属中脱氧剂(合金元素)直接和熔池中的［FeO］起作用，使其转化为不溶于液态金属的化合物，并析出转入熔渣，使焊缝含氧量降低的一种脱氧方式用来进行脱氧的合金元素称为脱氧剂，通常以纯金属或铁合金形式加在焊条药皮或焊剂中 2)脱氧剂的基本要求在焊接温度下，脱氧剂与氧的亲和力应大于被焊金属与氧的亲和力在焊接低碳钢和低合金钢时，主要要求脱氧剂对氧的亲和力比铁大，从而可夺取FeO中的氧使焊缝脱氧在钢中常用的元素中，对氧的亲和力比铁大的元素，按亲和力从大到小的顺序为铝、碳、钛、硅、锰等在其他条件相同时，元素与氧的亲和力越大，脱氧效果越好 3)脱氧过程焊接低碳钢和低合金时，最常用的脱氧剂是锰和硅下面介绍锰、硅的脱氧过程，以及脱氧剂的选用与熔渣酸碱性的关系综上所述，在选用脱氧剂时还应考虑脱氧产物与熔渣酸碱性的关系，即要求脱氧产物的酸碱性与熔渣酸碱性相反 碳虽然具有较强的脱氧能力，但对钢的焊接质量有很多不利影响，一般不专门选作脱氧剂但在焊丝、药皮中的碳在焊接中能起到脱氧作用铝和钛对氧的亲和力很大，它们在药皮反应区就被氧化，很难进到熔池中起沉淀脱氧作用，主要的作用是先期脱氧 (3)扩散脱氧 当温度下降时，原先熔解于熔池中的FeO会不断地向熔渣进行扩散，从而使焊缝中的含氧量下降，这种脱氧方法称为扩散脱氧。
焊缝金属的脱氧过程是由先期脱氧、沉淀脱氧和扩散脱氧几种方式构成，贯穿于焊接化学冶金的全过程酸性熔渣与碱性熔渣的脱氧方式有所不同，前者是扩散脱氧与沉淀脱氧两种方式并存，后者则以沉淀脱氧为主 四、焊缝金属中硫、磷的危害及控制1.硫的危害及控制(1)硫的来源、存在形式及危害 焊缝中的硫主要来自于母材、焊芯(焊丝)、焊剂或焊条药皮原材料实验表明，母材中几乎全部的硫、焊芯中70％～80％的硫以及药皮或焊剂原材料中50％的硫将进入焊缝中2)硫的控制1)限制硫的来源即对母材、焊芯(焊丝)及药皮(焊剂)原材料中的硫加以限制为此，在有关的国家标准中对焊接结构用钢和焊丝、焊条用钢中的含硫量都有更加严格的限制 2)冶金处理脱硫处理的实质是用某种元素(脱硫剂)与溶解在金属中的硫或硫化物作用，生成不溶解于液体金属的产物，使其进入熔渣，降低焊缝中的含硫量在焊接冶金过程中，常用锰作为脱硫剂，其反应为MnS几乎不溶于液态铁而进入熔渣上述反应是放热反应，因此，熔池尾部有利于脱硫的进行但由于冷却速度快，反应难以充分进行，必须加大锰的用量，才能取得较好的效果 2.磷的危害及控制(1)磷的存在形式及危害 磷在低碳钢和大多数的低合金钢中是有害的。
在液态铁中，磷主要以Fe2P和Fe3P的形式存在，它们可与铁形成低熔点共晶Fe3P+Fe(熔点为1050℃)磷加入铁中扩大了固相线与液相线之间的距离，所以含磷的铁合金在从液态转变到固态的过程中，含磷较高(熔点较低)的铁液将聚集在枝晶之间，造成偏析，削弱了晶间结合力 (2)磷的控制 控制焊缝中的含磷量，首先必须严格限制母材、焊丝(焊芯)、焊条药皮(焊剂)原材料中的含磷量药皮和焊剂中的锰矿往往是焊缝中磷的主要来源，其中wP=0.20％～0.22％，以(MnO)3·P2O5的形式存在，焊接时通过如下反应过渡到熔池中 通过冶金处理进行脱磷的方法是首先将磷氧化产生P2O5，然后与碱性氧化物形成稳定的复合盐进入熔渣磷对氧的亲和力比铁大，所以，当熔渣有适量的FeO与CaO时，就可发生如下反应 根据以上反应，适当增加自由FeO与CaO分子的浓度，可以提高脱磷效果但这与熔渣的实际情况是有矛盾的在碱性熔渣中，自由的CaO分子较多，但不允许有较多的FeO，因而脱磷效果不理想。