焊接脱氧过程

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36页（2278字）

脱氧是一种冶金处理措施，通过在焊接材料中加入某种对氧亲和力较大的元素及合金，使其在焊接过程中夺取气相或氧化物中的氧，从而减少被焊金属的氧化及焊缝的含氧量。这些用于脱氧的元素及合金叫脱氧剂。脱氧剂对焊缝成分、性能及焊接工艺性能均有影响，因此，要求脱氧剂在焊接温度下对氧的亲和力必须比被焊金属大，脱氧剂对氧的亲和力越大，脱氧能力就越强。焊接钢时常采用Mn、Si、Ti、Al等元素的铁合金或金属粉作为脱氧剂。另外，脱氧产物应熔点低，不溶于液态金属，而且其密度也应小于液态金属的密度，使脱氧产物能排出焊缝，尽可能减少脱氧产物夹杂在焊缝中的数量。

焊接脱氧反应过程是分阶段或分区域进行的，按其进行的方式和特点可分为先期脱氧、沉淀脱氧和扩散脱氧。

1．先期脱氧

焊条药皮或药芯在焊接高温作用下，其中的高价氧化物或碳酸盐受热分解，放出氧和二氧化碳，而药皮或药芯中的脱氧剂便与其发生氧化反应，结果使气相的氧化性减弱，这种在药皮或药芯加热阶段发生的脱氧反应，称为先期脱氧。先期脱氧的目的是，争取尽可能早期地把氧控制住，以免金属熔化后有较多的氧与其作用，减少金属的氧化。先期脱氧的效果与许多因素有关，比如，脱氧剂对氧的亲和力、脱氧剂的颗粒度、脱氧剂与渣系的匹配、焊接工艺规范等。由于药剂反应区的温度较低、反应时间短，故先期脱氧是不完全的，有相当一部分氧和脱氧剂将进入熔滴和熔池中继续反应，进一步脱氧。

2．沉淀脱氧

利用溶解在熔滴和熔池中的脱氧剂与〔FeO〕和〔O〕直接反应，使其转化为不溶于金属的氧化物，转入熔渣而清除出去。

碳的脱氧反应：碳在高温下对氧的亲和力很大，当液态金属中有一定浓度的碳时，也可起沉淀脱氧作用：

〔C〕+〔FeO〕=〔Fe〕+CO^/p>

生成的CO不溶于液态金属而成为气泡，受热膨胀发生爆炸，造成飞溅。这种反应如发生在熔池尾部结晶时，则可能产生气孔，因此，焊接钢时，不宜采用碳作脱氧剂。

锰的脱氧反应：锰是常用的一种脱氧剂，其脱氧反应如下：

〔Mn〕+〔FeO〕=〔Fe〕+(MnO)

锰的沉淀脱氧效果不仅与锰在金属中的含量有关，而且与脱氧产物MnO在渣中的活度有关，增加锰的含量及减少MnO的活度，均可使脱氧效果提高。锰的脱氧效果与熔渣的性质有很大关系，在含SiO↓（2和TiO₂较多的酸性渣中，因脱氧产物可转变成MnO·SiO₂和MnO·TiO₂复合物形式，减小了MnO的活度，所以有利于脱氧反应的进行并且脱氧产物不断地进入熔渣。而碱性渣中SiO₂和TiO₂的含量很少，MnO的活度大，因此不利于锰脱氧的进行。由于这个原因，一般酸性焊条多用锰脱氧，而碱性焊条则不单独用锰作脱氧剂。

硅的脱氧反应：硅对氧的亲和力比锰大，其脱氧反应如下：

〔Si〕+2〔FeO〕=2〔Fe〕+(SiO₂)

要提高硅的脱氧效果，除了应增加其在液态金属中的含量，还应提高熔渣的碱度来减小反应产物SiO₂的活度，有利于硅的脱氧进行。但因硅脱氧的生成物SiO₂熔点高、粘度大，既易在焊缝中形成夹杂，又不利于冶金反应的进行，因此，碱性熔渣实际上也不单独用硅脱氧。

硅锰联合脱氧：硅和锰并用时的脱氧产物能结合成熔点较低、密度较小的复合物进入熔渣。因此，按适当比例把硅和锰加入金属中进行联合脱氧，可以得到较好的脱氧效果。硅锰联合脱氧的效果与比值〔Mn／Si〕有很大关系，该比值过大或过小，均可能造成锰或硅单独脱氧的条件，使脱氧效果下降。为使反应生成物均能形成熔点较低的复合物，并考虑到锰对氧的亲和力低于硅，因而锰占的比例应比硅大，实践证明，当〔Mn／Si〕=3～7时，脱氧产物能复合成液态硅酸盐，上浮至熔渣，脱渣效果较好。

3．扩散脱氧

利用氧化物能溶解于熔渣的特点，通过扩散使其自熔池金属进入熔渣，从而降低焊缝含氧量的过程，称为扩散脱氧。只有既能溶解于液态金属又能溶解于熔渣的氧化物，才可能进行扩散脱氧，钢焊接时的FeO就符合这一条件。

扩散脱氧的效果既取决于温度，还取决于FeO在熔渣中的活度。温度下降时，FeO的分配更有利于向熔渣方向进行，即熔池中的FeO含量减少；在温度不变的条件下，FeO在渣中的活度越低，脱氧效果越好。酸性渣中含有较多的SiO₂、TiO₂等，易与FeO形成复合物，使FeO的活度减小，液态金属中的FeO便会不断向熔渣中扩散，从而保持分配平衡关系。因此，酸性渣有利于扩散脱氧的进行，而碱性渣中的FeO活度较大，扩散脱氧的能力就比酸性渣差。