焊接过程中的硫、磷控制

出处：按学科分类—工业技术 河南科学技术出版社《焊接技术手册》第38页（2121字）

1．焊缝金属中硫、磷的危害性

硫和磷都是钢中有害的杂质，硫在钢中通常以FeS的形式存在，FeS可无限溶解于液态铁中，而在固态铁中的溶解度只有0．015%～0．02%，熔池凝固时即析出，并与α－Fe或FeO等形成熔点仅985℃或940℃的共晶，这些低熔点共晶体在焊缝结晶过程中聚集于晶界上，呈液态薄膜状，不仅增加了焊缝金属产生结晶裂纹的倾向，同时也降低了焊缝金属的冲击韧性和抗腐蚀性。硫与镍作用产生的Ni₃S₂可与镍形成熔点为645℃的共晶，所以焊接合金钢，尤其是高镍合金钢时，硫的危害更严重。

磷在钢中以多价磷化物(Fe₃P、Fe₂P、FeP)的形式存在，磷在液态铁中的溶解度很大，而在固态铁中的溶解度仅千分之几，磷与铁、镍也可形成低熔点共晶，如Fe+Fe₃P及Ni+NiP共晶的熔点分别为1050℃和880℃。这些低熔点共晶体在熔池快速结晶的情况下在晶界上偏析，削弱了晶粒间的结合力，促进热裂纹的产生；磷化物硬而脆，易使焊缝金属的冷脆性增大，促使冲击韧性降低，脆性转变温度升高。

2．焊缝金属中的硫、磷控制

控制焊缝金属中的硫、磷含量，主要从两方面着手，首先是采取工艺措施严格限制其来源，其次是采取冶金措施的脱硫脱磷反应通过熔渣排除。

(1)限制硫磷的来源：焊缝金属中的硫和磷主要来源于母材和焊接材料。母材中的硫、磷含量一般很低，焊丝的控制标准也很严格，因此，母材和焊丝不是焊缝金属中硫、磷的主要来源。药皮、药芯和焊剂制造中所需要的许多原材料，如钛铁矿、锰矿、赤铁矿、钛白粉、萤石等常常含有一定数量的硫和磷，在焊接冶金过程中部分的硫和磷进入焊缝，成为焊缝增硫增磷的主要原因。由此可见，限制母材和焊丝，尤其是限制焊接辅料部分的硫、磷含量是保证焊接质量的关键措施。根据实际经验，要求低碳钢焊缝：硫含量小于0．035%，磷含量小于0．045%；合金钢焊缝：硫含量小于0．025%，磷含量小于0．035%。

(2)冶金措施脱硫、脱磷：脱硫、脱磷的冶金方法是利用对硫、磷亲和力比铁大的成分将铁还原而自身与硫或磷生成不溶于液态金属的硫化物、磷化物进入熔渣而去除硫和磷。如锰和硫的亲和力比铁大，是焊接化学冶金中常用的脱硫剂，其脱硫反应为：

〔FeS〕+〔Mn〕〕=(MnS)+〔Fe〕+Q

反应产物MnS不溶于钢液，大部分都能进入熔渣，锰的脱硫反应属放热反应，温度下降过程有利于脱硫的进行。因此，锰的脱硫反应多发生在温度较低的熔池尾部，但熔池尾部的冷却速度很快，反应时间短，不利于脱硫反应的充分进行，所以，只有增加锰在熔池中的含量才可能取得较好的脱硫效果。

除锰之外，熔渣中的碱性氧化物，如MnO、CaO、MgO等也能进行脱硫，其反应为：

〔FeS〕+(MnO)=(MnS)+〔FeO〕

〔FeS〕+(CaO)=(CaS)+〔FeO〕

〔FeS〕+(MgO)=(MgS)+〔FeO〕

反应产物CaS、MgS类似于MnS，不溶于钢水而进入熔渣。由于碱性渣中含有较多的碱性氧化物，所以，碱性渣的脱硫能力比酸性渣来得强，因此，增加熔渣的碱度可以提高脱硫能力。但是，目前常用的焊条药皮和焊剂的碱度都不很高，脱硫能力有限。

冶金方法脱磷需分两步进行，第一步将磷氧化生成P₂O₅，第二步使之与渣中的碱性氧化物生成稳定的复合物进入熔渣，其反应为：

由此可见，增加渣中CaO和FeO的含量，可以减少焊缝中的含磷量。含有较多CaO的碱性渣有利于脱磷，同时碱性渣中的CaF₂对脱磷产物有稀释作用，并可生成CaF₂·P₂O₅(CaO)₄，对脱磷有一定的促进作用。但碱性渣中的FeO含量很低，因而，碱性渣的脱磷效果不很理想；酸性渣虽含较多的FeO，有利于磷的氧化，但CaO的含量较少，酸性渣的脱磷能力比碱性渣更差。

从实践应用上来看，焊接过程中的脱硫、脱磷都比较困难，而脱磷比脱硫更难，对于溶解到焊缝中的磷，无论是酸性渣或是碱性渣都很难将其清除，只有严格控制磷在原材料中的含量，才是控制焊缝含磷量的根本措施。