金属保护技术在焊接区的应用

1.金属保护的必要性

用低碳钢光焊丝在空气中进行无保护焊接时，焊缝金属的成分及性能与母材和焊丝比较，发生了很大的变化。由于焊接过程中熔化金属与周围的空气激烈地相互作用，使焊缝金属中的氧、氮含量显著增加。焊缝金属中氧的质量分数为0.14％～0.72％，比焊丝高7～35倍；氮的质量分数可达0.105％～0.218％，比焊丝中的含氮量高20～45倍。同时，锰、碳等元素因烧损和蒸发而减少，致使焊缝金属的塑性和韧性急剧下降。但是由于氮的强化作用，最终使焊缝强度变化比较小（见表3-1）。应说明的是，用光焊丝焊接时，电弧不稳定，焊缝易产生气孔。因此，光焊丝无保护焊接在工程中没有实用价值。

表3-1低碳钢无保护焊时母材及焊缝的性能比较

为了提高焊缝金属的质量，须尽量减少焊缝中有害杂质的含量，减少有益合金元素的烧损，使焊缝金属得到合适的化学成分。因此，焊接化学冶金的首要任务就是对焊接区的金属加强保护，使它们不受到氧化、氮化等空气的有害作用。

2.金属保护的形式与效果

多数熔焊方法是基于对金属进行保护的考虑而发展起来的。焊接实践中已经找到多种保护方式，例如采用焊条药皮、焊剂、药芯焊丝和各种保护气体等不同的焊接材料和保护手段。熔焊方法的保护方式见表3-2。

表3-2熔焊方法的保护方式

各种保护方式的保护效果是不同的。例如，焊条药皮和药芯焊丝内填充的药粉一般是由造渣剂、造气剂及铁合金等组成的，这些物质在焊接过程中能形成气体和熔渣联合保护。造渣剂熔化后形成熔渣，覆盖在熔滴和熔池的表面上，将空气隔离。熔渣凝固以后，在焊缝上面形成渣壳，可以防止处于高温的焊缝金属与空气接触。同时，造气剂（如有机物、碳酸盐等）受热后分解，析出大量气体。据计算，熔化100g焊芯时，焊条可以析出2500～5080mL的气体，这些气体在焊条药皮的套筒中被电弧加热而膨胀，并形成定向气流吹向熔池，从而使焊接区与空气隔离。使用焊条和药芯焊丝焊接时的保护效果，取决于它们的保护材料含量、熔渣的性质和焊接参数等。熔敷金属中的含氮量可以说明保护的效果，随着药芯中保护材料含量的增加，熔敷金属中的含氮量减少，表明保护的效果好。焊条熔化时析出的气体数量越多，熔敷金属中的含氮量越少。工业生产中使用的焊条和药芯焊丝，其焊缝中氮的质量分数为0.010％～0.014％（低碳钢为0.004％），证明这种保护基本上是可靠的。(www.xing528.com)

埋弧焊是利用焊剂熔化后形成的熔渣隔离空气而保护金属的。它的保护效果取决于焊剂的结构和颗粒度。例如，多孔型的浮石状焊剂比玻璃状焊剂具有更大的表面积，吸附的空气更多，因此保护效果较差。试验表明，焊剂的颗粒度越大，其松装密度（单位体积内焊剂的质量）越小，透气性越大，焊缝金属中含氮量越多，说明保护效果越差（见表3-3）。然而并不是焊剂的松装密度越大越好，因为当熔池中有大量气体析出时，如果焊剂的松装密度过大，则透气性减小，这将阻碍气体外逸，促使焊缝中形成气孔，或在焊缝金属表面出现压坑等缺欠，所以焊剂应当具有适当的透气性。埋弧焊焊缝中氮的质量分数一般为0.002％～0.007％，比焊条电弧焊的保护效果好。

表3-3高硅中锰低氟焊剂的松装密度与焊缝含氮量的关系

①利用测定混合物透气性的方法测定，以无因次系数K作为指标。

气体保护焊的保护效果取决于保护气体的性质与纯度、焊枪的结构以及气流特性等因素。通常情况下，氩、氦等惰性气体的保护效果比较好。因此，它适用于焊接合金钢和化学活泼性强的金属及其合金。

电子束焊是在真空度高于1.33×10^－2Pa的真空室内进行的，所以保护效果最理想。这时虽然不能把空气完全排除，但是随着真空度的提高，可以把氧和氮的有害作用减到最小的程度。

自保护焊是利用自保护焊丝在空气中焊接的一种工艺方法。自保护焊丝不需要外加气体或焊剂保护，仅依靠焊丝自身的合金元素及在高温时的反应，以防止空气中氧、氮等气体侵入和补充合金成分。由于自保护焊不是采用隔离空气的方法来保护金属，而是在焊丝中加入脱氧剂和脱氮剂，把从空气进入熔化金属中的氧和氮脱出来，故称为自保护。采用药芯焊丝的自保护焊，其保护形式及效果与采用焊条、焊剂的情况类似。

目前的焊接技术水平已成功地解决了隔离空气的技术难点，但是仅依靠保护熔化金属，在有些情况下仍然得不到合格的焊缝成分。例如，在较多情况下药皮或焊剂对金属具有程度不同的氧化性，从而使焊缝金属的含氧量增加。因此，焊接化学冶金的重要任务就是对熔化金属进行冶金处理，通过调整焊接材料的成分和性能，控制冶金反应的方向及速度，从而获得理想的焊缝成分。