合金元素对焊缝性能的影响分析

合金元素在碳钢和低合金钢焊缝中主要是形成化合物或固溶体。化合物主要是碳化物、氮化物、氧化物、硫化物或金属间化合物，Ti、V、Nb、Mo易形成碳化物，而Ti、Zr、V、Nb、Al、B易形成氮化物。常见的化合物有Fe₃C、Mn₂ C、Cr₇ C₃、Mo₂ C、WC、VC、NbC、ZrC、TiC、VN、TiN、AlN、NbN、MnS、FeS、FeO、SiO₂等。

合金元素对碳钢和低合金高强度钢焊缝的强化方式有固溶强化、析出强化和细化晶粒强化三种形式。

固溶强化是指合金元素固溶于铁素体，使铁素体的硬度和强度提高，其中Mn、Cr、Ni在一定含量范围内提高强度的同时还可改善韧性，如图4-8和图4-9所示。

图4-8 合金元素对铁素体硬度的影响

图4-9 合金元素对铁素体冲击韧度的影响

析出强化是利用在铁素体中有限固溶的元素，如C、B、Cu、Mo、Ti、Nb、V、N等，在熔池结晶和冷却过程中析出碳化物、氮化物及金属间化合物，来提高焊缝金属的硬度和强度。

细化晶粒强化是指在焊缝中加入Ti、Zr、Al、V、B、Mo及稀土元素，通过细化晶粒，提高焊缝金属的强度和韧性。(www.xing528.com)

在焊条设计和研究过程中，应注意合金元素在焊缝金属中的存在状态、强化作用和对组织转变的影响。

在Mn-Si系焊缝中，C在提高强度的同时，会使塑性、韧性明显下降，且过多的C易形成CO气孔，裂纹倾向也会增大。因此，应严格控制焊缝的含碳量。Mn具有提高焊缝强度和脱S的双重作用，并且其含量在一定范围时，提高强度的同时还可改善焊缝金属的塑性和韧性。Si一方面可以提高强度，另一方面又能降低焊缝中的氧含量，但Si含量不宜过高，否则将引起焊缝金属塑性和韧性的下降。在低氢型焊条中合理控制Mn／Si比，可以提高Mn、Si的联合脱氧效果，使焊缝金属达到较高纯度，在提高强度的同时，也能获得良好的塑性和韧性，一般Mn／Si应大于2。对于强度等级较高的焊缝，应相应提高Mn／Si比，使其大于3.0，以减少S的有害影响。

在低合金钢焊条设计中，一般应严格控制C，适量加入Mn、Si，并加入其他强化元素，采用多元微量元素强化的设计原则，这种焊缝成分设计理念可在较大范围内调整焊缝金属的强度等级，并可获得良好的塑性、韧性和抗裂性。如Mn-Ti-B系高韧性焊条就是加入微量的Ti、B，使焊缝金属强度略有提高的同时，焊缝金属亦具有优良的韧性。有的焊条加入少量Ni和稀土元素，也可达到提高焊缝金属韧性和抗裂性的目的。在低合金钢焊缝金属中加入质量分数为0.3％～2％的Ni，可以改善焊缝金属的抗冷裂性能、提高低温韧性。这主要是由于Ni可提高铁素体的韧性、促进针状铁素体的形成。

Nb对低合金高强度钢焊缝金属的韧性有不利影响，主要是由于Nb的析出硬化导致Mn-Si系焊缝金属韧性下降，Nb还会增大结晶裂纹倾向。因此，一般不在低合金钢焊条中加入Nb。

焊缝金属中含有一定量的Ti，对改善塑性和韧性有利。主要原因是：Ti与焊缝金属中的氮结合，可减少固溶氮的有害作用；生成TiN作为结晶核心，可以细化晶粒；通过Ti脱氧可减少焊缝金属的含氧量，纯化焊缝金属。Ti也有对焊缝性能的不利影响，主要是，Ti强化铁素体基体，可提高硬度；Ti含量较多时可在晶界析出TiC和TiN；Ti使γ→α的相变温度上升，此时若含Ti量较多，含Mn不足或不含Mo等元素，易形成粗大铁素体或网状组织，含Ti过多时还可能出现马氏体组织。因此，控制焊缝金属中的含Ti量，实际上就是平衡Ti对韧性的有利作用和不利作用，应根据具体情况通过试验确定最佳Ti含量范围。

B在熔池金属凝固过程中与N结合为BN，降低固溶N的含量，B还可细化晶粒。固溶B能抑制γ晶间的先共析铁素体的析出，提高抗裂性、减少氢脆，B、Ti共存时效果更佳。

在低碳钢和低合金高强度钢焊缝金属中加入少量的Cu（0.20％～0.55％）、Cr（0.30％～1.25％）、P（0.06％～0.15％）（均为质量分数）或Ni、Mo、Al、Ti、Zr等可有效地提高焊缝金属耐大气腐蚀的能力。