化學(xué)元素對(duì)ER70S-6焊接性的影響及控制要求探析

金培元，王 興，支旭波，成澤強(qiáng)

（陜鋼集團(tuán)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究院有限公司，陜西 漢中 723000）

1 氣保焊絲鋼ER70S-6概述

ER70S-6是一種美國(guó)鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)，采用美國(guó)焊接學(xué)會(huì)AWS A5.18《氣體保護(hù)焊用碳鋼焊絲和填充絲》質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其對(duì)應(yīng)的中國(guó)牌號(hào)為H11Mn2Si。以ER70S-6為原材料制作的氣體保護(hù)焊絲適用于低碳鋼及低碳低合金鋼材料，因其優(yōu)良的焊接工藝性能，廣泛應(yīng)用于重型機(jī)械、船舶、鍋爐及車輛等諸多領(lǐng)域。近年來，隨著我國(guó)氣體保護(hù)焊的快速發(fā)展，氣體保護(hù)焊絲的需求量也呈現(xiàn)出逐年增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，用于加工氣體保護(hù)焊絲的ER70S-6盤條，其需求量隨之也迅速增加。

為更好地滿足市場(chǎng)需求及社會(huì)各行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，必須進(jìn)一步提升氣保焊絲鋼ER70S-6的質(zhì)量，而其核心就是鋼中化學(xué)成分的控制。因此，對(duì)于鋼鐵企業(yè)來講，掌握化學(xué)元素對(duì)焊接性的影響及其含量的控制要求顯得尤為重要。

2 化學(xué)成分對(duì)焊接性的影響

2.1 碳對(duì)焊接性的影響

碳（C）元素對(duì)焊接性及焊縫金屬組織的影響最大，其主要表現(xiàn)為可保證焊接接頭具有一定的強(qiáng)度和硬度，但由于焊接時(shí)熱影響區(qū)被加熱至A3溫度以上，冷卻時(shí)由于周圍金屬基體溫度較低而造成冷卻速度較快，容易產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，焊接接頭塑性和韌性嚴(yán)重降低，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)跓嵊绊憛^(qū)出現(xiàn)裂紋，影響焊接質(zhì)量。

同時(shí)，根據(jù)焊接碳當(dāng)量的概念，碳是影響焊接碳當(dāng)量的主要原因，實(shí)踐證明，焊接碳當(dāng)量＞0.4%～0.5%時(shí)，鋼就不具有良好的焊接性[1]。因此焊接材料的碳含量必須在窄區(qū)間控制，以保證焊接接頭的強(qiáng)度和焊接質(zhì)量。

對(duì)于CO2氣體保護(hù)焊，影響其推廣及應(yīng)用的主要問題就是飛濺。產(chǎn)生飛濺的原因與焊接工藝有密切關(guān)系，焊接過程中由C形成的CO若不能及時(shí)逸出熔池，便會(huì)形成氣孔，熔滴中的CO氣體在電弧高溫作用下急劇膨脹，發(fā)生劇烈爆炸而形成飛濺，這是產(chǎn)生飛濺問題的主要原因[2]。

基于合理的焊縫強(qiáng)度及降低焊接飛濺兩方面的要求，ER70S-6鋼種的碳含量應(yīng)盡量降低，通常，w（C）＜0.08%。

2.2 硅、錳元素對(duì)焊接性的影響

硅（Si）、錳（Mn）元素對(duì)焊接性的影響主要有兩方面。

硅、錳元素是ER70S-6冶煉過程中重要的脫氧劑，在焊接過程中，硅優(yōu)先與氧發(fā)生反應(yīng)，防止鐵與氧結(jié)合，并可在熔池中還原生產(chǎn)FeO。但是，如果單獨(dú)用硅脫氧，會(huì)生成高熔點(diǎn)的硅酸鹽，其所產(chǎn)生物質(zhì)的粒度較小，不易從熔池中浮出，容易在焊縫中產(chǎn)生夾渣而影響焊接質(zhì)量。在焊接冶金過程中，錳的脫氧能力較差，只使用錳脫氧時(shí)，脫氧產(chǎn)物MnO密度較大，在熔池中難于上浮。因此，目前多采用硅錳聯(lián)合脫氧，生成熔點(diǎn)低且密度小的MnO·SiO2，在焊接熔池中凝聚成大塊熔渣而浮出，從而達(dá)到良好的脫氧效果[3]。

脫氧后，剩余的硅、錳作為合金元素留在焊縫中，彌補(bǔ)焊接過程中的硅、錳氧化燒損，保證焊縫的化學(xué)成分要求、強(qiáng)度和低溫沖擊韌性等力學(xué)性能。另外，錳還能和硫化合，生成在軋制過程中易變形的MnS，明顯降低甚至消除硫的有害作用，達(dá)到了降低焊縫熱裂紋傾向的目的。

因此，綜合考慮拉拔性能和焊接性能，將ER70S-6鋼中w（Si）控制在0.85%～0.90%，w（Mn）控制在1.45%～1.50%。

2.3 硫、磷元素對(duì)焊接性的影響

硫（S）、磷（P）元素在ER70S-6鋼中屬有害元素。

硫在鋼中多數(shù)以化合物形式存在，形成強(qiáng)度較低、塑性較差的低熔點(diǎn)夾雜物，ER70S-6熱軋盤條在拉拔過程中容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成斷絲。另外，在焊接過程中，硫元素容易在焊縫中心偏聚，這是造成焊縫中心裂紋的主要原因。

磷在鋼中能全部溶于鐵素體內(nèi)，對(duì)鋼的強(qiáng)化作用僅次于C，能增加鋼的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)會(huì)降低鋼的低溫韌性，特別是在低溫時(shí)，影響更為嚴(yán)重。故磷的存在對(duì)焊接非常不利，會(huì)影響焊縫的低溫沖擊韌性，增加焊縫的裂縫敏感性。

因此，ER70S-6鋼中w（S）、w（P）必須≤0.015%。

2.4 氧、氮、氫對(duì)焊接性的影響

有效控制O2、N2和H2在ER70S-6鋼中的含量，是提高焊接性的關(guān)鍵。

鋼中過高的氧含量會(huì)導(dǎo)致夾雜物較多，一方面在拉拔制絲過程中極容易發(fā)生脆斷，另一方面也易造成焊接過程飛濺、熔池表面渣多、氣孔等缺陷，過高的氧含量會(huì)消耗更多的Si、Mn等合金元素，造成熔敷金屬力學(xué)性能下降。

氮的化合物會(huì)彌散分布在晶粒中，或是在晶界處析出沉淀，在拉拔變形過程中可提高鋼的抗拉強(qiáng)度，增強(qiáng)冷變形過程的加硬化效果。氮的化合物同時(shí)也會(huì)增強(qiáng)應(yīng)變時(shí)效，對(duì)于焊接材料的拉拔均會(huì)產(chǎn)生不利影響，其主要原因是由于氮的化合物晶粒較大，并使Fe4N沉積在晶粒界面上。氮與氧類似，在焊接過程中，形成的氣體也易造成飛濺或氣孔等缺陷。

一般情況下，焊接材料受潮、生銹、油漬污染后，表面物質(zhì)在電弧高溫下分解出的氫原子可溶入液態(tài)金屬中，導(dǎo)致焊接接頭塑性和韌度降低（氫脆），嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)裂紋。

因此，將ER70S-6鋼中w（O）、w（N）控制在＜50×10-6。氫含量的控制主要是為了防止在焊接過程中焊絲及接頭位置出現(xiàn)受潮、生銹、油漬污染等問題。

2.5 微量元素對(duì)焊接性的影響

鋁（Al）屬于強(qiáng)脫氧劑，使用鋁脫氧易于還原FeO，焊接過程中可有效地抑制在熔池中產(chǎn)生CO氣體，提高抗CO氣孔的能力。另外，鋁與氮反應(yīng)產(chǎn)生的化合物也會(huì)起到固氮作用，從而減少焊接接頭中氮?dú)饪住５怯娩X脫氧也會(huì)產(chǎn)生不利影響，一方面在焊接過程中會(huì)生成熔點(diǎn)達(dá)2 050℃的Al2O3化合物，在熔池中以固體形態(tài)存在時(shí)，容易在焊縫中形成夾渣。另一方面，焊絲中鋁的含量過高時(shí)，焊接過程中容易引起飛濺而影響焊接接頭外觀質(zhì)量，同時(shí)焊縫金屬的熱裂能力也會(huì)明顯降低。

鈣（Ca）在鋼中極易與氧結(jié)合，形成的CaO會(huì)增加熔滴表面張力，在溶滴表面聚集性高，且容易在熔滴尖部聚集。由于電弧具有親氧化物特性，使熔滴受力面積減少且受力不均勻，從而使熔滴不穩(wěn)定，在焊接過程容易出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象[4]。

因此，一般將ER70S-6鋼中w（Al）控制在＜60×10-6，w（Ca）控制在＜10×10-6。

3 結(jié)論

1）焊接接頭質(zhì)量的影響因素包括焊接材料、焊接工藝、操作方法等，其中焊接材料的化學(xué)成分（包括雜質(zhì)的含量及分布）是主要的影響因素。

2）陜鋼集團(tuán)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究院通過對(duì)影響焊接性的材料成分因素進(jìn)行深入分析研究，明確了ER70S-6鋼種冶煉過程的控制目標(biāo)及方法，有效實(shí)現(xiàn)了碳元素的精準(zhǔn)控制，降低了鋼中硫、磷元素含量，明確了常見微量元素鋁、鈣的低含量控制要求及冶煉方法。

3）經(jīng)對(duì)相關(guān)成分控制后，成品焊絲在焊接過程中具備了飛濺率低、熔敷金屬流動(dòng)性好、焊縫綜合力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)。