焊缝金属的合金化

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39页（2935字）

焊缝金属的合金化就是把所需要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的过程。

1．合金化的目的及方式

(1)合金化的目的：首先在于补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成的熔池金属中的合金元素的损失，使焊缝金属的成分符合预定要求；此外，通过合金化可以消除工艺缺陷，改善焊缝金属的组织和性能，例如，为了消除硫引起的热裂纹，需要向焊缝中添加锰；合金化过渡Ti、Al、B、Mo等元素，可细化晶粒，提高焊缝金属的塑性及韧性；在生产应用上常采用堆焊的方法过渡Cr、Mo、W、Mn等合金元素，使工件表面获得耐磨、耐热、红硬、耐蚀等特殊要求的性能。

(2)合金化的方式：

1)合金焊丝：把所需要的合金元素加入焊丝内，即冶炼成特殊的合金焊丝，再配合碱性焊条药皮或低氧、无氧焊剂进行焊接或堆焊，从而使合金元素过渡到焊缝中去。这种方法的优点是可靠，焊缝成分稳定、均匀，合金元素损失少，但有些硬质合金不宜轧制和拉拔。

2)药芯焊丝或药芯焊条：药芯中各种合金成分的比例可以任意调整，从而可以得到任意成分的堆焊熔敷金属，合金元素损失较少。

3)合金药皮或陶质焊剂：将所需要的合金元素以纯金属或铁合金的形式加入焊条药皮或陶质焊剂中，配合普通焊丝使用，其优点是简单方便，制造容易，但由于氧化损失较大并有一部分残留在渣中，合金利用率低。因陶质焊剂埋弧焊时，焊缝成分受焊接规范，尤其是电弧电压的影响较大，规范的波动易造成焊缝成分的不均匀性。

4)合金粉末：把所需要的合金元素按比例配制成一定颗粒度的粉末，将合金粉末输送到焊接区，或直接撒在被焊件表面上或坡口内，在热源的作用下，合金粉末与金属熔合后形成合金化的焊缝金属。其优点是合金比例可以任意配制，不受加工工艺限制，合金的损失不大，但焊缝成分的均匀性较差。

5)置换反应：在药皮和焊剂中加入金属氧化物，如氧化锰、二氧化硅等，在焊接过程中，通过熔渣与液态金属之间的还原反应，使硅锰合金元素被还原，从而使焊缝中的硅锰含量得到提高。例如，采用高硅高锰焊剂配合低碳钢焊丝进行埋弧焊时，主要就是靠这种方式进行合金化。这种方式的合金化程度是有限的，并且还伴随着焊缝金属中含氧量的增加。

2．合金过渡系数

合金元素在焊接过程的高温作用下，常伴随有氧化和蒸发损失，此外在熔渣中还可能残留一部分，因而并非全能过渡到熔敷金属中去。为了说明合金元素利用率的高低，常用合金过渡系数的概念加以衡量。合金过渡系数η，就是指某合金元素在熔敷金属中的实际含量与其原始含量之比，即

式中Cd——某元素在熔敷金属中的浓度；

Ce——某元素的原始浓度。

过渡系数大，表示该合金元素的利用率高，采用不同的焊接方法时，合金元素的过渡系数见表2－5。

表2－5 合金元素的过渡系数

3．影响合金过渡系数的因素

在合金化过程中，合金元素主要损失于氧化、蒸发和残留在渣中。因此，凡能减少合金元素损失的因素，都可提高过渡系数。影响合金过渡系数的主要因素有：

(1)合金元素的物理化学性质：合金元素的物理化学性质是影响过渡系数的主要因素，它主要指合金元素对氧的亲和力大小及沸点高低的影响。

合金元素对氧的亲和力越大，则越易氧化而损失，过渡系数就越小，例如，Ti、Al等元素对氧的亲和力很大，焊接时的氧化损失很严重，过渡系数极小，因而除非采用低氧或无氧的焊接条件，否则很难过渡到焊缝金属中去；而W、Mo、Cr等元素对氧的亲和力较弱，氧化损失较小，故过渡系数一般较大。合金元素的沸点越低，在焊接高温下因蒸发造成的损失越大，过渡系数越小。

(2)合金元素的浓度：提高合金元素在焊条药皮或焊剂中的浓度，会产生两个不同的结果。一方面，某些合金元素浓度的增加，会使其他成分(包括氧化剂)的含量相对减少，减弱了药皮或焊剂的氧化性，而使合金过渡系数提高；另一方面，当使合金元素在渣中的残留损失增加，使药皮或焊剂的保护效果下降，则合金过渡系数减小。当合金元素的浓度较小时，前者的作用大一些，随着合金元素浓度的增加，后者的影响逐渐增大。

(3)合金元素的粒度：合金元素的氧化损失取决于其比表面积，即取决于其粒度，粒度越小，比表面积越大，与氧作用的机会越多，损失就越大。因而适当提高合金元素的粒度，可减少因氧化造成的损失，增大过渡系数。但是，合金元素的粒度不宜过大，否则会因其不易熔化而使残留损失增大，过渡系数反而减小。

(4)药皮或焊剂的成分：氧化损失是导致合金过渡系数下降的主要原因之一，所以合金的过渡系数与气相及熔渣的氧化性、熔渣的碱度有关，因此必然与焊条药皮或焊剂的成分有关。增加高价氧化物和碳酸盐在药皮或焊剂中的含量，不仅使气相的氧化性增大，而且也使熔渣的氧化性增大，势必造成合金元素的氧化损失增大，过渡系数减小。在焊芯和药皮质量系数相同的情况下，赤铁矿和大理石的氧化性强，合金过渡系数较小；CaF₂和CaO－BaO－A1₂O₃渣系的氧化性很小，则合金过渡系数就比较大。熔渣的碱度对过渡系数也有影响，当合金元素的氧化物与熔渣的酸碱性一致时，就有利于合金元素的过渡，使过渡系数提高；性质相反时，则降低过渡系数。例如，MnO是碱性的，锰的过渡系数随熔渣的碱度增加而提高，SiO₂是酸性的，硅的过渡系数则随熔渣碱度的增加而降低。

(5)药皮或焊剂的相对数量：手工电弧焊时，焊条药皮的相对数量用药皮重量系数K_b来衡量，而埋弧焊时则用焊剂熔化率K_f来表征焊剂的相对数量。实验表明，在合金元素含量不变的情况下，合金过渡系数随药皮或焊剂相对数量的增加而减小。因为药皮或焊剂相对数量的增加，会使合金元素往金属中过渡所需通过的路径增加，因而会增大氧化损失和残留损失。

此外，合金过渡系数还与焊接方法及焊接规范等因素有关。