焊缝金属的合金化及过渡系 数.doc焊接材料（焊条、焊丝、焊剂）的成分对焊缝金属的化学成分、组织与性能 有重要的影响为了使焊缝金属具有所要求的成分与性能，必须保证焊接材料 中有益的合金元素含量和严格控制有害杂质的含量1 焊缝金属的合金化（1）焊缝金属的合金化就是把所需的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金 属（或堆焊金属）中去焊接中合金化的目的是补偿焊接过程中由于蒸发、氧 化等原因造成的合金元素的损失，消除焊接缺陷（裂纹、气孔等）和改善焊缝 金属的组织和力学性能，或者是获得具有特殊性能的堆焊金属对金属焊接性影响较大的合金元素主要有C、Mn、Si、Cr、Ni、Mo、Ti、V、 Nb、Cu、B等；低合金钢焊接中提高热影响区淬硬倾向的元素有C、Mn、Cr、Mo、 V、W、Si等；降低淬硬倾向的元素有Ti、Nb、Ta等还应特别注意一些微量元 素的作用，如B、N、RE等焊接中常用的合金化方式有以下几种① 应用合金焊丝或带极把所需要的合金元素加入焊丝、带极或板极内， 配合碱性药皮或低氧、无氧焊剂进行焊接或堆焊，把合金元素过渡到焊缝或堆 焊层中去这种合金化方式的优点是可靠，焊缝成分均匀、稳定，合金损失少； 缺点是制造工艺复杂，成本高。
对于脆性材料，如硬质合金不能轧制、拔丝， 故不能采用这种方式② 应用合金药皮或非熔炼焊剂把所需要的合金元素以铁合金或纯金属 的形式加入药皮或非熔炼焊剂中，配合普通焊丝使用这种合金化方式的优点 是简单方便，制造容易，成本低；缺点是由于氧化损失较大，并有一部分合金 元素残留在渣中，故合金利用率较低，合金成分不够稳定、均匀③ 应用药芯焊丝或药芯焊条 药芯焊丝的截面形状是各式各样的，最简单 的是具有圆形断面的，外皮可用低碳钢其他合金钢卷制而成，里面填满需要的 铁合金及铁粉等物质用这种药芯焊丝可进行埋弧焊、气体保护焊和自保护焊， 也可以在药芯焊丝表面涂上碱性药皮，制成药芯焊条这种合金过渡方式的优 点是药芯中合金成分的配比可以任意调整，因此可行到任意成分的堆焊金属， 合金的损失较少；缺点是不易制造，成本较高④ 应用合金粉末将需要的合金元素按比例配制成具有一定粒度的合金 粉末，把它输送到焊接区，或直接涂敷在焊件表面或坡口内合金粉末在热源 作用下与母材熔合后就形成合金化的堆焊金属这种合金过渡的优点是合金成 分的比例调配方便，不必经过轧制、拔丝等工序，合金损失小；缺点是合金成 分的均匀性较差，制粉工艺较复杂。
此外，还可通过从金属氧化物中还原金属元素的方式来合金化，如硅、锰 还原反应但这种方式合金化的程度是有限的，还会造成焊缝增氧在实际生产中可根据具体条件和要求选择合金化方式焊接材料中的合金 成分是决定焊缝成分的主要因素改进和研制焊条、焊丝、焊剂时，必须根据焊接接头工作条件设计焊缝金属的最佳化学成分，以保证焊缝性能满足使用要 求2）熔合比及合金过渡系数1）熔合比焊缝金属一般由填充金属和局部熔化的母材组成在焊缝金属中局部熔化 的母材所占的比例称为熔合比，可通过试验的方法测得熔合比取决于焊接方 法、母材性质、接头形式和板厚、工艺参数、焊接材料种类等因素焊接工艺 条件对低碳钢熔合比的影响见表1表1焊接工艺条件对低碳钢熔合比的影响焊接方法接头形式工件厚度/mm熔合比e对接，不开坡口2〜40.4 〜0.5100.5 〜0.640.25 〜0.5对接，开V形坡口60.2 〜0.4手工电弧焊10〜200.2 〜0.3角接及搭接2〜40.3 〜0.45〜200.2 〜0.3堆焊—0.1 〜0.4埋弧焊对接10〜300.45 〜0.75当母材和填充金属的成分不同时,熔合比对焊缝金属的成分有很大的影响 焊缝金属中的合金元素浓度称为原始浓度，它与熔合比e的关系为(1)c°=ecb+(1-e)ce式中c —0—元素在焊缝金属中的原始含量，%；e—熔合比；cb—元素在母材中的含量，%；c —e-兀素在焊条中的含量，％。
实际上,焊条中的合金元素在焊接过程中是有损失的，而母材中的合金元素几乎全部过渡到焊缝金属中这样，焊缝金属中合金元素的实际浓度cw为 c =ecb+ （1-e）cdw b d(2)式中cd -—熔敷金属（焊接得到的没有母材成分的金属）中元素的实际含量，％Cb、cd、e可由技术资料中查得或用化学分析和试验的方法得到式（2）表明，通过改变熔合比可以改变焊缝金属的化学成分因此保证焊缝金属成分和性能的稳定性，必须严格控制焊接工艺条件，使熔合比稳定、合 理在堆焊时，可以调整焊接工艺参数使熔合比尽可能的小，以减少母材成分 对堆焊层性能的影响2）合金过渡系数焊缝中合金元素的过渡系数n等于熔敷金属中的实际含量与它的原始含量之比，即C Cn=——d = d—（3）C C +KCd cw b co式中 Cd——合金元素在熔敷金属中的含量，%；Ce——合金元素的原始含量，%；Ccw—合金元素在焊芯中的含量，%；Kb―药皮重量系数，%;Cco―合金元素在药皮中的含量，％若已知n值及有关数据，则可利用上式计算出合金元素在熔敷金属中的含 量cd根据熔合比可计算出合金元素在焊缝中的含量同样，根据对熔敷金属d成分的要求，可计算出焊条药皮中应具有的合金元素含量Cco,然后再通过试验 加以校正。
式（3）中的合金过渡系数是总的合金过渡系数，它不能说明合金元素由焊 线和药皮每一方面过渡的情况这两种情况下的合金过渡系数是不相等的，尤 其是当药皮氧化性较强时更为明显只有在药皮氧化性很小，而且残留损失不 大的情况下，它们的过渡系数才接近相等一般情况下，通过焊丝过渡时合金 过渡系数大，而通过药皮过渡时合金过渡系数较小不同焊接条件下通过焊丝的合金过渡系数见表2表2不同焊接条件下通过焊丝的合金过渡系数焊接条件过渡系数 nncnsinMnnCrnwnv无保护焊（在空气中）0.540.750.670.990.940.85氩弧焊（工业纯氩）0.800.970.880.990.990.98CO2气体保护焊0.290.720.600.940.960.68埋弧焊（HJ251）0.53—0.590.830.820.78当几种合金元素同时向焊缝中过渡时，其中对氧亲和力大的元素依靠自身的 氧化可减少其他元素的氧化，提高它们的过渡系数例如，在碱性药皮中加入 Al和Ti，可提高Si和血的过渡系数在1600°C各种合金元素对氧亲和力由小到大的顺序为：Cu、Ni、Co、Fe、W、 Mo、 Cr、 Mn、 V、 Si、 Ti、 Zr、 Ti、 Al。
随着药皮或焊剂中合金元素的增加，其过渡系数逐渐增加，最后趋于一个定 值药皮的氧化性和元素对氧的亲和力越大，合金元素含量过渡系数的影响越 大合金剂粒度与过渡系数的关系见表3nMn<560.37过渡系数nnsi0.44ncr0.59nc0.4956〜1250.400.510.620.57125〜2000.470.510.640.57200〜2500.530.580.670.61粒度/um250〜355355〜500500〜700n Mn0.540.570.71过渡系数nnsi0.640.660.70ncr0.710.82nc0.620.680.742 合金元素对焊接性能的影响① 碳（C） 对焊接性及焊缝金属组织性能的影响主要表现在提高强度和硬度，但随着强度和硬度的提高，焊缝金属的塑、韧性下降② 锰（Mn） 来自生铁及脱愧疚剂Mn有很好的脱氧能力，能清除钢中的FeO,还能与S形成MnS,以消除S的有害作用这些反应产物大部分进入炉渣 而被除去，小部分残留于钢中成为非金属夹杂物因此，Mn能改善钢的品质， 降低钢的脆性，提高钢的热加工性能Mn除了形成MnO和MnS作为杂质存在于 钢中以外，在室温下Mn能溶于铁素体中，对钢有一定的强化作用。
③ 硅（Si）也来自生铁与脱氧剂Si脱氧能力比Mn强，是主要的脱氧剂, 能消除FeO夹杂对钢的不良影响Si能与FeO作用而形成SiO，然后进入炉渣2而被排除Si除了形成SiO作为杂质存在于钢中以外，在室温下Si大部分溶于2铁素体中，因此Si对钢有强化作用④ 铬（Cr）是不锈钢中的主加元素，Cr与氧生成Cr O保护膜，防止氧化;2 3但Cr与C能形成Cr C，是导致不锈钢晶闸腐蚀的主要原因在低合金钢中Cr23 6含量小于1・6%，提高钢的淬透性，不降低冲击韧性⑤ 镍（Ni） 在钢中加入镍，可以提高钢的强度和冲击韧性，Ni与Cr配合 加入效果更佳一般增加低合金钢中的Ni含量会提高钢的屈服强度，但钢中Ni 含量较高时热裂纹（主要是液化裂纹）倾向明显增加⑥ 钛（Ti）与O的亲和力很大，以微小颗粒氧化物的形式弥散分布于焊缝 中，可以促进焊缝金属晶粒细化Ti与C形成的TiC粒子对焊缝起弥散强化作 用Ti与B同时加入的焊缝性能的影响最佳，低合金钢焊缝中Ti、B含量的最 佳范围为 Ti=0・ 01%〜0.02%，B=0.002%〜0. 006%⑦ 钼（Mo） 低合金钢焊缝中加入少量的Mo不仅提高强度，同时也能改善韧性。
向焊缝中再加入微量Ti，更能发挥Mo的有益作用，使焊缝金属的组织更 加均匀，冲击韧性显著提高对于 Mo-Ti系焊缝金属，当Mo=0.20%〜0. 35%， Ti-0.03%〜0.05%时，可得到均匀的细晶粒铁素体组织，焊缝具有良好的韧性⑧ 钒（V）、铌（Nb） 适量的Nb和V可以提高焊缝的冲击韧性Nb=0・03%〜 0.04%,V=0.05%〜0・1%可使焊缝金属具有良好的韧性但采用Nb、V来韧化焊缝， 当焊后不再进行正火处理时，Nb和V的氮化物以微细区格沉淀相存在，焊缝的 强度大幅度提高，致使焊缝的韧性下降合金元素在钢以及在焊缝中主要以固溶体和化合物两种形态存在部分合金 元素在Y-Fe和a -Fe中的最大溶解度、对焊接性的影响以及形成碳化物的倾向见表4该表列出的仅是一般性的作用，实际应用中还应考虑合金元素之间存在 的交互作用表4合金元素在钢中的作用及对焊接性的影响元素溶解度形成碳化物情况Y-Fea -Fe对焊接性能的影响生成倾向在回火中作用主要作用Mn全部固溶3%CW0.2% 时,M n=1% 〜 2%对焊接性能影响 不大比Fe稍强，比Cr 小一般含量作用很小强化，改善塑性,Si2%（C 0.35%时,可溶 9%）18.5%降低焊接性能石墨化形成固溶体可保持 硬度强化，抗氧化,P0.5%2.8%（与含碳量无关）增加裂纹敏感性无—强化低碳钢，抗大cU8.5%700C时可溶中%，室温 可溶0.2%）CuW0.5% 〜0.6% 时， 对焊接性影响不大石墨化弱的二次硬化抗大气腐蚀,弓Ti0.75%（C 0.25% 时，可溶1%）约6%（低温时减少）降低淬硬倾向,改善 焊接性最大稍有二次硬化作用细化晶粒,能固定 （TiC、 TiN）,强 抗腐蚀Al1.1%36%焊接性较差，在HAZ 出现白带组织石墨化—强脱氧，细化晶粒 定氮，抗氧化Mo3% （C 0.3%时，可溶8%）37.5%（低温时减少）恶化焊接性，易产 生裂纹很强，比Cr大有二次硬化作用细化晶粒，提高 性，抗回火脆性, 硬性V8.5%（C 0.20% 时可 溶4%）全部固溶增加淬硬性，降低 焊接性很强，比Ti、Nb 小二次硬化作用最 大提高奥氏体晶粒 温度，淬硬性增力1 溶氮Cr12.8%（C 0.5% 时可溶20%全部固溶增加淬硬性，降低 焊接性比Mn大，比W 小稍可防止软化提高高温强度, 化，抗腐蚀Ni全部固溶10%（与含碳量无关）改善焊接性石墨化无（甚微）提高塑性、韧性 低温韧性、耐热性 蚀B1140°C可溶0.02%,室温时无溶角度910C 可溶 0.081%, 室温时，极微量恶化焊接性很强—提高淬透性、强 化晶粒，脱氧、定Re——改善焊接性很强—细化晶粒，脱硫N全部固溶590C时可溶0.1%, 室温时只溶0.001%降低焊接性无二次硬化作用大, 有蓝脆现象强化，细化晶Nb2.0%1.8%改善焊接性仅次于Ti当 Nb/CM20,二 次硬化作用大强化，细化晶各种合金元素的交互影响是十分复杂的，为了获得综合性能优良的焊缝金 属，在焊接材料研制过程中应注意合金元素在焊缝金属中的存在形态、强化作 用和对组织转变的影响等，通过计算、综合考查和试验来调整焊缝的合金成分。
3 有害元素及含量控制 杂质对焊缝金属的性能和金属焊接性有十分重要的影响，其中影响较大的有 害元素主要有S、P、N、H、0等① 硫（S）是由生铁及燃料带入钢中的杂质S在钢中几乎不能溶解，而与 铁形成化合物，在钢中以FeS形式存在，FeS与Fe形成熔点较低的共晶体（熔 点为985°C）当钢在1200°C左右进行热加工时，分布于晶界的低熔点的共晶 体将因熔化而导致开裂，这种现象称为热脆性为了消除S的有害作用，必须增加钢中的Mn含量Mn与S可优先形成高熔 点的MnS （熔点为1620C），而且MnS呈粒状分布于晶粒内，比钢材热加工温 度高，从而避免了热脆性的发生另外，S还有改善钢材切削加工性能的有利作 用在易切削钢中，特意提高钢中的S含量至0.15%〜0. 3%,同时加入Mn0.6%〜 1. 55%，从而在钢中形成大量的MnS夹杂轧钢时，MnS沿轧制方向伸长，在切 削时MnS夹杂起断屑作用，大大提高了钢的切削性能② 磷（P）是由生铁中带入钢中的P比其他元素具有更强的固溶强化能力, 室温时P在a-Fe中的溶解度大约略小于0.1%在一般情况下,钢中的P能全部 溶于铁素体中，使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性则显著降低，尤其是在低温 时更为严重，这种现象称为冷脆性。
P在结晶过程中有严重的偏析倾向，从而在局部发生冷脆，并使钢材在热轧 后出现带状组织而且Py-Fe及a-Fe中的扩散速度很小，很难用热处理方法消 除P的偏析P也具有断屑性，在易切削钢中，把P含量提高到0.08%〜0・15%, 使铁素体适当脆化，可以提高钢的切削加工性③ 氮（N）是由炉气进入钢中N在奥氏体中的溶解度较大，而在铁素体中 的溶解度很小，且随着温度的下降而减小在590°C时溶解度为0.1%，室温时 则降至0.001%以下当钢材由高温较快冷却时，过剩的N由于来不及析出便过 饱和地溶解在铁素体中随后在200〜250°C加热（或者钢材在室温下静置，随 着时间的延长），将会发生氮化物Fe』的析出，使钢的强度、硬度上升，而塑 性、韧性大大降低，这种现象称为蓝脆（时效脆性）在钢液中加入Al、Ti进行脱N处理，使N固定在AlN及TiN中，可以消除 钢的时效倾向钢中含N还易于形成气泡和疏松手工电弧焊焊接低碳钢时焊 缝中的含N量见表5表5手工电弧焊焊接低碳钢时焊缝的含N量项 目焊缝含N量/%焊接方法焊缝含N量/%光焊丝电弧焊0.08 〜0.228埋弧自动焊0.002 〜0.007纤维素焊条0.013CO2气体保护焊0.008 〜0.015钛型焊条0.015氧-乙炔气焊0.015 〜0.020.020钛铁矿型焊条0.014熔化极氩弧焊0.00680.0068低氢型焊条0.010药芯焊丝明弧焊0.015 〜0.0400.015 〜0.040——实芯焊丝自保护焊<0.12④氢（H）炼钢炉料和浇注系统带有水分或由于空气潮湿，都会使钢中的H 含量增加。
H是钢中有害的元素，钢中含H将使钢材变脆，称为氢脆H还会使 钢中出现白点等缺陷，这种现象在合金钢中尤为严重焊接时H主要来源于焊接材料中的水分、电弧周围空气中的水蒸气、母材坡 口表面的铁锈、油污等各种焊接方法焊接碳钢时冷至室温气相中的含H量和 含H0量见表6、72表6各种焊接方法焊接碳钢时冷至室温气相的成分焊接方法焊条和焊剂类型气相成分（体积分数D /%备COCOnHnHOCN2焊条在1102h手工电弧焊钛钙型50.75.937.75.7—钛铁矿型48.14.836.610.5—纤维素型42.32.941.212.6—钛型46.75.335.513.5—低氢型79.816.91.81.50—氧化铁型55.67.324.013.1—埋弧自动焊HJ330HT43186.289〜93—9.37〜9—4.5V1.5焊剂为玻璃气焊©/•I〜（中性焰）60〜66有34〜40有——表7焊接碳钢时熔敷金属中的含H量焊接方法扩散H/mL • (100g) -1残余H/mL • (100g) -1总H量 /mL • (100g) -1备注手工电弧焊纤维素型35.86.342.1—钛型39.17.146.2钛铁矿型30.16.736.8氧化铁型32.36.538.8低氢型4.22.66.8埋弧自动焊4.401〜1.55.90在40〜50°C停留48〜 定扩散H；真空加热测定CO气体保护焊0.041〜1.51.54氧-乙炔气焊5.001〜1.56.50⑤ 氧（0）在钢中部分溶入铁素体，另一部分以金属氧化物夹杂形式存在于 钢中。
0以金属氧化物形式存在于非金属夹杂物中时,对钢的性能有不良的影响 O含量增加会使钢的强度、塑性降低氧化物夹杂对钢的力学性能（尤其是疲劳 强度）有严重的影响，钢中的FeO与其他夹杂物形成低熔点复合化合物聚集在 晶界上时，会造成钢的热脆性焊缝金属和钢中所含的0几乎全部以氧化物（FeO、SiMnO、吧等）和 硅酸盐夹杂物的形式存在焊缝含O量一般是指总含O量，它既包括溶解的O, 也包括非金属夹杂物中的O焊接低碳及低合金钢时，尽管母材和焊丝的含O量 很低，但是由于金属与气相和熔渣作用的结果，焊缝金属的含O量总是增加的 釆用不同方法焊接时焊缝中的含O量见表8表8采用各种方法焊接时焊缝中的含O量材料及焊接方法平均含O量/%材料及焊接方法平均含O量/%低碳镇静钢0.003 〜0.008纤维素型焊条0.090低碳沸腾钢0.010 〜0.020氧化铁型焊条0.122H08A焊丝0.01 〜0.02铁粉型焊条0.093H08A光焊丝焊接0.15 〜0.30埋弧自动焊0.03 〜0.05低氢型焊条0.02 〜0.03电渣焊0.01 〜0.02钛铁矿型焊条0.101气焊0.045 〜0.050钛钙型焊条0.05 〜0.07CO气体保护焊0.02 〜0.07钛型焊条0.065氩弧焊0.0017N、H、O 元素对焊缝金属的主要影响是导致脆化、产生气孔和裂纹，降低 缝 金属的塑性和韧性。
常用焊接材料熔敷金属中0、N、扩散H的含量见表9表9常用焊接材扌料熔敷金属中O、N、1扩散H的含量类别O含量/%N含量/%扩散H含量/mL ・(100g)-1O含量 类别含%N含量/%扩散H/mL •(]H08A焊丝0.01 〜0.02 0.2 〜0.5低氢型焊条0.02-0.030.0104.光焊丝电 弧焊0.15〜0.300.08 〜0.228—埋弧焊0.03〜).050.002 〜0.0074.4纤维素焊条0.0900.01335.8CO2气体保 护焊0.02〜).070.008 〜0.0150.(钛型焊条0.0650.01539.1惰性气体 保护焊0.00170.0068—钛钙型焊条0.05〜0.07——药芯焊丝CO焊—0.015 〜0.040—钛铁矿型 焊条0.1010.01430.12气焊0.045〜).050.015 〜0.0205.(对于有害杂质（ONHSP）的控制，主要从工艺措施（限制来源）和冶金措施（转 化为溶状态或转移至熔渣中）两方面入手对于N和H的控制，须清除焊件和 焊接材料附着的油、锈、氧化膜及水分，烘干焊接材料（焊条、焊剂）并应加 强保护，防止空气侵入焊接区域。
对于O的控制，可在药皮、药芯或焊剂中添 加脱O铁合金，限制气氛的氧化性（即减少CO或O），还应尽可能创造条件实2 2现Mn-Si联合脱OS、P杂质是在焊缝中极易造成偏析的元素，可形成低熔点共晶，促使焊缝 中形成热裂纹或脆化焊缝金属中P含量的控制主要从限制焊接材料中的S、P 杂质含量入手，一般应分别控制在0・03%以下。