各种金属元素对焊接质量的影响

对于焊丝中含有Si、Mn、S、P、Cr、AI、Ti、Mo、V等合金元素。这些合金元素对焊接性能有何影响，下面分别说明：



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硅（Si）


硅是焊丝中最常用的脱氧元素，它可以防止铁与氧化合，并可在熔池中还原FeO。但是单独用硅脱氧，生成的SiO2熔点高（约1710℃），且生成物的颗粒小，难以从熔池中浮出，易造成焊缝金属夹渣。



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锰（Mn）


锰的作用与硅相似，但脱氧能力比硅稍差一些。单独用锰脱氧，生成的MnO密度较大（15．11g／cm3），也不易从溶池中浮出。在焊丝中含锰，除了脱氧作用外，还能和硫化合生成了硫化锰（MnS），并被除去（脱硫），故可降低由硫引起的热裂纹的倾向。 由于单独用硅和锰脱氧，都难以除去脱氧的生成物。故目前多采用硅锰联合脱氧，使生成的SiO2和MnO复合成硅酸盐（MnO·SiO2）。MnO·SiO2的熔点低（约1270℃）且密度小（约3．6g / cm3），在熔池中能凝聚成大块熔渣而浮出，达到良好的脱氧效果。锰也是钢材中的重要合金元素，也是重要的淬透性元素，它对焊缝金属的韧性有很大影响。当Mn含量＜0．05％时焊缝金属的韧性很高；当Mn含量＞3％后又很脆；当Mn含量 = 0．6～1．8％时，焊缝金属有较高的强度和韧性。



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硫（S）


硫在钢中常以硫化铁的形式存在，并呈网状分布在晶粒边界，因而显著地降低钢的韧性。铁加硫化铁的共晶温度较低（985℃），因此，在进行热加工时，由于加工开始温度一般为1150～1200℃，而铁和硫化铁共晶已经熔化，从而导致加工时开裂，这种现象就是所谓“硫的热脆性”。硫的这种性质使钢在焊接时产生热裂纹。因此，一般在钢中对硫的含量都严格加以控制。普通碳素钢、优质碳素钢以及高级优质钢的主要区别就在于硫、磷含量的多少。前面提到，锰有脱硫作用，这是因为锰可与硫形成高熔点（1600℃）的硫化锰（MnS），它呈粒状分布于晶粒内。在热加工时，硫化锰有足够的塑性，因而消除了硫的有害作用。因此钢中保持一定的含锰量是有益的。



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磷（P）


磷在钢中能全部溶于铁素体内。它对钢的强化作用仅次于碳，使钢的强度和硬度增加，磷能提高钢的抗腐蚀性能，而塑性和韧性则显著降低。特别在低温时影响更为严重，这称为磷的冷跪倾向。故它对焊接不利，增加钢的裂缝敏感性。作为杂质，磷在钢中的含量也要加以限制。

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铬（Cr）


铬能提高钢的强度和硬度而塑性和韧性降低不大。铬具有很强的耐蚀、耐酸的能力，所以奥氏体不锈钢中一般都含有较多的铬（13%以上）。铬还具有很强的抗氧化能力和耐热性。因此，铬在耐热钢中应用也很广，如12CrMo、15CrMo 5CrMo 等。钢中都含有一定量的铬[7]。铬是奥氏体钢的重要组成元素和铁素体化的元素，它在合金钢中能提高在高温时的抗氧化能力和机械性能。在奥氏体不锈钢中，当铬镍的总量为40％，Cr／Ni = 1时，有热裂缝倾向；当Cr／Ni = 2．7时，就没有热裂缝倾向。所以一般18－8型钢中Cr／Ni = 2．2～2．3左右时，铬在合金钢中就容易产生碳化物，使合金钢导热变差，容易产生氧化铬，使焊接造成困难。



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铝（AI）


铝是强烈的脱氧元素之一，故用铝作脱氧剂，不仅可少产生FeO，且易于使FeO还原，有效地抑制在熔池中产生的CO气体的化学反应，提高抗CO气孔的能力。另外，铝还能和氮化合而起固氮作用，故也能减少氮气孔。但是用铝脱氧，生成的AI2O3熔点很高（约2050℃），以固态存在熔池中，容易引起焊缝夹渣。同时，含铝的焊丝容易引起飞溅，铝的含量过高还会降低焊缝金属抗热裂能力， 因而焊丝中含铝量必须严格控制，不宜过多。若在焊丝中含铝量控制适当，则在焊缝金属的硬度、屈服点、抗拉强度均稍有提高。



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钛（Ti）


钛也是一种强烈的脱氧元素，且也能和氮化合成TiN而起固氮作用，提高焊缝金属抗氮气孔的能力。 若Ti和B（硼）在焊缝组织中含量适当，可以使焊缝组织得到细化。





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钼（Mo）


钼在合金钢中能提高钢的强度、硬度，细化晶粒，防止回火脆性和过热倾向，提高高温强度、蠕变强度及持久强度、含 钼小于0．6％时，可以提高塑性，减少产生裂纹的倾向，提高冲击韧性。钼有促进石墨化的倾向。故一般含钼的耐热钢如16Mo、12CrMo、15CrMo等含钼量约在0．5％左右。钼在合金钢中的含量在0．6 ～1．0％时，钼会使合金钢的塑性和韧性下降，增加合金钢的淬火倾向。





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钒（V）


钒可提高钢的强度，细化晶粒，降低晶粒长大倾向，提高淬硬性。钒是较强烈的碳化物形成元素，所形成的碳化物在650℃以下都是稳定的。有时效硬化作用。钒的碳化物具有高温稳定性，因而能提高钢的高温硬度。钒能够改变碳化物在钢中的分布状况，但是钒容易生成难熔的氧化物，增加了气焊和气割的困难。一般焊缝中含钒量在0．11％左右时，可以起到固氮作用，变不利为有利。

焊接过程中，焊丝中的合金元素可以显著影响焊缝金属的力学性能和化学性能。不同的元素有不同的作用机制和影响。以下分别介绍Si、Mn、S、P、Cr、Al、Ti、Mo、V等元素对焊接质量的影响：

- 硅 (Si)：作为脱氧剂，在焊接过程中能够减少氧的影响。但是，产生的SiO2熔点较高，如果不与其他元素如锰配合使用，可导致焊缝中夹渣。

- 锰 (Mn)：与硅类似，也具有脱氧作用，且能够脱硫，减少硫引起的热裂纹倾向。锰能够增加焊缝金属的韧性和强度，在某些范围内提高焊缝质量。

- 硫 (S)：硫通常是一种有害元素，它降低钢的韧性，并在焊接过程中容易造成热裂纹。通常需要严格控制硫的含量以获得好的焊接质量。

- 磷 (P)：作为杂质，磷能够提高钢的抗腐蚀性，但同时显著降低塑性和韧性，特别是在低温下。在焊接中要控制磷含量，避免引起焊缝脆化。

- 铬 (Cr)：铬可以提高钢的抗氧化能力、耐热性和耐腐蚀性，但过多的铬可能导致碳化物沉积和焊接困难，需要适量控制。

- 铝 (Al)：铝是一个有效的脱氧元素，可以减少焊缝金属中的气孔，但过多的铝可能会引起焊接夹渣和飞溅，需要严格控制含量。

- 钛 (Ti)：钛是一个很强的脱氧剂和固氮剂，可以减少氮气孔，适量的钛还可以细化焊缝组织，提高焊缝质量。

- 钼 (Mo)：钼可以提高钢的强度和硬度，对于耐热性和抗蠕变能力有很好的提升作用，但超过一定量后会降低塑性和韧性。

- 钒 (V)：钒能提高钢的强度和淬火性，细化晶粒。但钒的氧化物难熔，可能增加焊接时的难度。适当控制钒的含量，可以通过固氮作用改善焊缝性能。

综上，焊接过程中的合金元素对焊接性能影响是复杂且多方面的，合理的元素含量可以优化焊接质量，而不合适的含量则可能导致多种焊接问题。
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