焊缝金属脱氧技术优化探析

脱氧就是在焊丝、焊剂或焊条药皮中加入某种元素或铁合金，使它在焊接过程中夺取FeO中的氧，而自身被氧化，从而使被焊金属不被氧化或减少氧化。用于脱氧的元素或铁合金称为脱氧剂。

尽量减少焊缝中的含氧量是脱氧的目的。这就要求一方面应减少液态金属中溶解的氧，另一方面要排除脱氧产物，因为它是焊缝中夹杂物的主要来源，这类夹杂物会使焊缝含氧量增加。为了满足上述要求，选择脱氧剂须遵循下列原则：

①在焊接温度下脱氧剂对氧的亲和力应大于母材对氧的亲和力。由图3-12可知，焊接铁基合金时，Al、Ti、Si、Mn等可作为脱氧剂。生产中常用它们的铁合金或金属粉末来脱氧，如钛铁、硅铁、锰铁、铝粉等。

②脱氧产物应不溶于液态金属，其密度也应小于液态金属的密度。应尽量使脱氧产物处于液态，使它们容易在液态金属中聚集成大的质点，从而使脱氧产物尽快上浮到渣中去，以减少夹杂物的数量，改善脱氧效果。

③须综合考虑脱氧剂对焊缝成分、力学性能及焊接工艺性能的影响。

④在满足技术要求的前提下，应注意经济性。

在焊接条件下，化学冶金反应是分区域、连续进行的。同样，焊缝金属的脱氧反应也是分区域、连续进行的，按照脱氧反应进行的方式及特点，可以分为以下三种。

1.先期脱氧

在药皮加热阶段，固态药皮中所进行的脱氧反应称为先期脱氧，其特点是脱氧过程和脱氧产物与熔滴不发生直接关系。先期脱氧反应主要发生在焊条端部反应区。

含有脱氧剂的药皮被加热时，其中的高价氧化物或碳酸盐分解出的氧和CO₂与脱氧剂发生反应，例如：

Fe₂O₃＋Mn==MnO＋2FeO

FeO＋Mn==MnO＋Fe

MnO₂＋Mn==2MnO

2CaCO₃＋Ti==2CaO＋TiO₂＋2CO

3CaCO₃＋2Al==3CaO＋Al₂O₃＋3CO

2CaCO₃＋Si==2CaO＋SiO₂＋2CO

CaCO₃＋Mn==CaO＋MnO＋CO反应的结果是使气相的氧化性减弱，起到先期脱氧的作用。

先期脱氧的效果取决于脱氧剂对氧的亲和力、脱氧剂的粒度和数量以及焊接参数等因素。碳在先期脱氧中的作用是比较复杂的。虽然碳在高温下对氧的亲和力很大，但是在生产中并不用碳作为脱氧剂，否则熔池中的含碳量增加，容易产生气孔、裂纹等缺欠。

应指出，由于药皮加热阶段温度低，先期脱氧是不完全的，仍然有一部分氧进入熔池，所以必须进一步脱氧。

2.沉淀脱氧

沉淀脱氧是在熔滴和熔池内进行的，原理是脱氧剂和FeO直接反应而把铁还原，脱氧产物浮出液态金属。按照质量作用定律进行的沉淀脱氧对于减少焊缝含氧量起着重要的作用。常用的沉淀脱氧反应有以下几种。

（1）Mn脱氧反应 在焊条药皮中加入适量的锰铁或焊丝中含有较多的Mn，可进行如下脱氧反应：

式中γ_MnO——渣中MnO的活度系数；

α_MnO——渣中MnO的活度；

α_Mn——金属中Mn的活度；

α_FeO——金属中FeO的活度。(www.xing528.com)

当金属中含Mn和FeO量少时，则α_Mn≈［Mn％］、α_FeO≈［FeO％］，于是得到

由式（3-17）可知，增加金属中的含锰量，减少渣中的MnO可以提高脱氧效果。

熔渣的性质对Mn脱氧效果有很大的影响。酸性渣中含有较多的SiO₂和TiO₂，它们与脱氧产物MnO生成复合物MnO·SiO₂和MnO·TiO₂，从而使γ_MnO减小，因此脱氧效果较好。相反，在碱性渣中γ_MnO大，不利于Mn脱氧。所以酸性焊条一般用锰铁作脱氧剂，而碱性焊条不单独用锰铁作脱氧剂。

（2）Si脱氧反应Si脱氧反应式如下：

显然，提高熔渣的碱度和金属中的含硅量，可以改善Si脱氧效果。

Si脱氧能力比Mn大，但脱氧产物SiO₂的熔点比较高（见表3-15），通常认为它处于固态并且不容易聚合为大的质点，所以容易造成夹杂。SiO₂与钢液的界面张力小，润湿性好。因此，SiO₂不容易从钢液中分离而造成夹杂。一般不单独用Si进行脱氧。

（3）Mn-Si联合脱氧 将Mn、Si按适当比例加入金属中进行联合脱氧，可以得到较好的脱氧效果。实践证明，当［Mn］／［Si］＝3～7时，脱氧产物可形成硅酸盐MnO·SiO₂，它的熔点低（见表3-15），密度小，在钢液中处于液态（见图3-16）。因此容易聚合为半径大的质点（见表3-16），浮到熔渣中去，可以减少焊缝中的夹杂物，从而降低焊缝中的含氧量。

表3-15几种化合物的熔点和密度

表3-16金属中［Mn］／［Si］对脱氧产物质点半径的影响

根据Mn-Si联合脱氧的原则，常在CO₂气体保护焊焊丝中加入适当比例的Mn和Si。通常焊丝中［Mn］／［Si］＝1.5～3。用Mn-Si焊丝所形成的熔渣主要是由MnO和SiO₂组成的（见表3-17）。焊缝中的［Mn］／［Si］不同，脱氧产物的形态也不同。当［Mn］／［Si］＝3.1时，形成的脱氧产物是液态硅酸盐（见图3-16中Ⅳ点），所以焊缝中夹杂物较少。而［Mn］／［Si］小时，脱氧产物出现固态SiO₂，使焊缝夹杂物增多。

其他焊接材料也可利用Mn-Si联合脱氧的原则。例如，在碱性焊条药皮中一般加入锰铁和硅铁进行联合脱氧，脱氧效果也比较好。

图3-16 脱氧产物形态与［Mn］／［Si］的关系

A、B—固体＋液态硅酸盐区，1600℃

表3-17CO₂气体保护焊焊接低碳钢时焊缝成分与夹杂物的关系

3.扩散脱氧

扩散脱氧是以分配定律为基础的，是在液态金属与熔渣的两相界面上进行的脱氧反应。由式（3-13）和式（3-14）可知，当温度下降时，FeO的分配系数L增大，即发生如下扩散过程：

FeO→(FeO)这就是在熔池后部低温区进行的扩散脱氧。

在酸性渣中，由于SiO₂和TiO₂能与FeO生成复合物FeO·SiO₂和FeO·TiO₂，而使FeO的活度减小。因此，酸性渣有利于扩散脱氧，而碱性渣的扩散脱氧能力比酸性渣差。

焊接时熔池和熔渣的强烈搅拌作用，在吹力的作用下熔渣不断地向熔池后部运动，这些都有利于沉淀脱氧与扩散脱氧的进行。但是，在焊接条件下冷却速度比较大，扩散时间短，因此扩散脱氧是不充分的。