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0 前言
熔炼焊剂在我国广为应用，特别适用于碳钢和强度较低的低合金钢。随着高强度钢的推广和应用，必须开发相适应的熔炼焊剂。对这类焊剂的要求一是要有高的焊缝韧性；二是要有良好的抗裂性能，即要求低的焊缝扩散氢量；三是具备良好的焊接工艺性能。为了焊接屈服强度大于785 MPa级的高强度钢 （5NiCrMoV钢），在大量试验的基础上，中国钢研科技集团和四川大西洋焊材公司成功地研制了一种氧化性的熔炼焊剂。
1焊剂成分及焊缝力学性能试验
11焊剂成分对焊接工艺性能和力学性能的影响
试验用焊丝为H06Mn2Ni3CrMo系专用焊丝，直径4mm ，焊接电流450～500 A，，电弧电压 36～38 V ，焊接速度约16 m/h ，焊接热输入量约40 kJ/cm ，道间温度为100～120 ℃。试验用焊剂的化学成分及工艺性能如表1所示，焊缝金属的力学性能如表2所示。
由表1和表2可知，5号和6号焊剂的焊缝金属力学性能虽然较好，但焊接工艺性能不良，满足不了焊接施工要求，应予放弃。剩余的焊剂中以2号焊剂的韧性最佳，且工艺性能良好，可以作为首选对象，开展进一步的试验工作。
12焊剂中FeO含量对焊缝扩散氢量的影响
试验用焊丝成分和焊接参数等不变，仅在1号和2号焊剂中加入不同含量的FeO，以测定FeO含量对焊缝扩散氢量的影响，如表3所示。
由表3可以看出，在焊剂中加入FeO可以有效地降低焊缝中的扩散氢量。1号焊剂已经吸潮，所以焊缝中扩散氢量高，但加入3%的FeO后扩散氢量减少了40%左右；2号焊剂未吸潮，焊缝中扩散氢量明显减少，且随着FeO加入量的增加，扩散氢量进一步减少。特别是加入3%～4%FeO后，扩散氢量已降至很低，无需进一步增加FeO的量了。
13焊剂中FeO含量对焊缝金属力学性能的影响
试验采用5NiCrMoV钢板，焊丝成分为H06Mn2Ni3CrMo系，直径4 mm ； FeO的加入量分为3%和4%两档；焊接热输入量约40 kJ/cm ，道间温度为120～140 ℃。焊缝的力学性能如表4所示。
2FeO含量与焊缝扩散氢量关系讨论
根据资料报导，随着焊剂中酸性氧化物（SiO2等）的增加，焊缝中的扩散氢量降低；随着焊剂中碱性氧化物（CaO等）的增加，焊缝中的扩散氢量增加。但是，不能依靠增加焊剂中酸性氧化物来降低焊缝中的扩散氢量，因为随着酸性氧化物的增加，焊缝金属的韧性也会受到损害。为此，本研究是通过增加焊剂的氧化性，即在焊剂中加入一定数量的强氧化性物质，如FeO等来达到降低扩散氢的目的。焊接熔池中氢的平衡浓度与焊接气氛中氢的分解压和焊接熔池中氧的含量有密切关系，如图1所示，即随着熔池中氧含量的增加，熔池中氢的平衡浓度要降低。在实际的焊接过程中，在焊接熔池的高温阶段，当温度提高后，氧在液态纯铁中的溶解度也在增大，如图2所示，因此，随着氧浓度的提高，必将降低氢在熔池中的平衡浓度。
游离的自由FeO浓度较低。在碱性渣中，强碱性氧化物CaO与大部分酸性氧化物SiO2结合成为复合物[（CaO）·SiO2]，[2（CaO）·SiO2]，而渣中游离的自由FeO浓度较高，更易于向熔池金属中分配，使得FeO的氧化作用得到充分发挥，具有更强的氧化性和更有效的降氢作用。本研究的焊剂属于弱碱性，有利于FeO作用的发挥。总之，由于FeO的加入，在熔池高温阶段氧的溶解度有明显增加，有效地降低了氢在熔池中的平衡浓度，使焊缝中的扩散氢含量得以降低。
但是，随着焊剂中FeO的加入，势必增加焊缝中氧的含量，进而引起焊缝韧性下降。为此，必须采取措施降低焊缝中的氧含量。首先是尽量减少FeO的加入量，在保证扩散氢量不高的前提下，尽量把FeO的加入量降到最低值。按试验中提供的数据，FeO的加入量在3%～4%时，扩散氢的量已相当低了，再加入更多的FeO已不会起更大的作用，反而招致焊缝中增加氧量及合金元素的烧损，降低了焊缝金属的强度。第二个措施是加强脱氧，即增加焊丝中的脱氧元素Si和Mn等的含量。在焊接冶金过程中，焊接熔池的后部处于降温并开始结晶阶段，由于温度降低有利于吸热反应的进行，故合金元素的脱氧反应主要在低温阶段完成。Si和Mn的脱氧反应一般按下式进行：
只要脱氧剂足够，就可以达到充分脱氧，把焊缝中氧的量控制到一个较低的水平，避免它对焊缝韧性带来重大损失。从表4中可以看出，加入4%的FeO时，焊缝韧性仍是良好的，只是屈服强度有所降低。
3焊剂成分范围的确定
Al2O3是该焊剂中最主要的成分之一，它对提高焊缝韧性是不利的，但它与一定量的CaF2相配合所组成的熔渣对净化焊缝有好处。另外，它在改善焊接工艺性能方面起到重要作用，其加入量宜控制在38%～46%范围内。CaF2也是该焊剂中最主要的成分之一，它属于盐类，但起到碱性物质的作用，对提高焊缝韧性是有利的；它对电弧稳定性起到破坏作用，恶化了焊接工艺性能；另外，它对扩散氢也有影响，当其加入量少时具有降氢作用，当其加入量过高时又有增氢作用。因此，CaF2的加入量要同时考虑到几个方面的影响。在本焊剂中，CaF2的加入量与Al2O3的量要有一个适当的配比，以便得到粘度合适、流动性又好的熔渣，从而起到净化焊接熔池的作用。试验得出，CaF2的含量范围以23%～29%为宜。SiO2是强酸性氧化物，为了提高焊缝韧性，它的含量越低越好。但是，它的量太低了会损害焊接工艺性能。所以，SiO2的加入量以9%～14%为好。CaO是强碱性氧化物，从提高焊缝韧性角度考虑，它的加入量尽可能高些为好。但是，从焊接工艺性能和降低扩散氢方面看，CaO的量又不能太多，希望CaO与SiO2之比控制在1.0左右，故CaO的加入量也定为9%～14%。MnO的量可控制在1%以下，以避免增加焊缝中P的含量。如果焊丝中Mn的烧损严重的话，也可以适当提高它的含量，以5%以下为好，这样有助于提高焊缝中Mn的合金化程度，也有助于提高焊剂的氧化性。在前面的试验中已经得出了FeO的最佳加入量，即3%～4%，关键之处是如何保证把它加入到焊剂之中。为加入FeO，通常采用铁鳞作原料。它的密度小，将其直接投入到熔炉中时，很容易被电弧吹散，难以进到熔化液态渣中。为此，可先将FeO与CaF2烧结成块，粉碎成适当尺寸后作为中间料使用。待炉料全部熔化后再将中间料投入炉内，并迅速将熔化的炉料搅拌均匀，而后即可出炉。由于电弧炉通常采用石墨电极，如果停留的时间过长，FeO中的Fe会被还原出来，即 Fe O + C =Fe + CO↑ ，导致失去其氧化性，起不到脱氢作用。
4小结
（1）氧化性焊剂是一种去氢能力强的新型焊剂，由于加入了一定数量的FeO，增加了高温阶段熔池中氧的含量，相应地降低了氢的平衡浓度， 使焊缝中的扩散氢量明显减少。
（2）为了克服氧化性焊剂带来的焊缝增氧问题，要求配套的焊丝中要有一定含量的脱氧元素，如Si、Mn、Ti等，以保证熔池充分脱氧。
（3）焊剂以 Al2O3CaF2渣系为主，再加入适量的SiO2和CaO， 且要求SiO2 / CaO≈1 ， 以便得到良好的焊接工艺性能，也有利于提高焊缝韧性。
熔炼焊剂在我国广为应用，特别适用于碳钢和强度较低的低合金钢。随着高强度钢的推广和应用，必须开发相适应的熔炼焊剂。对这类焊剂的要求一是要有高的焊缝韧性；二是要有良好的抗裂性能，即要求低的焊缝扩散氢量；三是具备良好的焊接工艺性能。为了焊接屈服强度大于785 MPa级的高强度钢 （5NiCrMoV钢），在大量试验的基础上，中国钢研科技集团和四川大西洋焊材公司成功地研制了一种氧化性的熔炼焊剂。
1焊剂成分及焊缝力学性能试验
11焊剂成分对焊接工艺性能和力学性能的影响
试验用焊丝为H06Mn2Ni3CrMo系专用焊丝，直径4mm ，焊接电流450～500 A，，电弧电压 36～38 V ，焊接速度约16 m/h ，焊接热输入量约40 kJ/cm ，道间温度为100～120 ℃。试验用焊剂的化学成分及工艺性能如表1所示，焊缝金属的力学性能如表2所示。
由表1和表2可知，5号和6号焊剂的焊缝金属力学性能虽然较好，但焊接工艺性能不良，满足不了焊接施工要求，应予放弃。剩余的焊剂中以2号焊剂的韧性最佳，且工艺性能良好，可以作为首选对象，开展进一步的试验工作。
12焊剂中FeO含量对焊缝扩散氢量的影响
试验用焊丝成分和焊接参数等不变，仅在1号和2号焊剂中加入不同含量的FeO，以测定FeO含量对焊缝扩散氢量的影响，如表3所示。
由表3可以看出，在焊剂中加入FeO可以有效地降低焊缝中的扩散氢量。1号焊剂已经吸潮，所以焊缝中扩散氢量高，但加入3%的FeO后扩散氢量减少了40%左右；2号焊剂未吸潮，焊缝中扩散氢量明显减少，且随着FeO加入量的增加，扩散氢量进一步减少。特别是加入3%～4%FeO后，扩散氢量已降至很低，无需进一步增加FeO的量了。
13焊剂中FeO含量对焊缝金属力学性能的影响
试验采用5NiCrMoV钢板，焊丝成分为H06Mn2Ni3CrMo系，直径4 mm ； FeO的加入量分为3%和4%两档；焊接热输入量约40 kJ/cm ，道间温度为120～140 ℃。焊缝的力学性能如表4所示。
2FeO含量与焊缝扩散氢量关系讨论
根据资料报导，随着焊剂中酸性氧化物（SiO2等）的增加，焊缝中的扩散氢量降低；随着焊剂中碱性氧化物（CaO等）的增加，焊缝中的扩散氢量增加。但是，不能依靠增加焊剂中酸性氧化物来降低焊缝中的扩散氢量，因为随着酸性氧化物的增加，焊缝金属的韧性也会受到损害。为此，本研究是通过增加焊剂的氧化性，即在焊剂中加入一定数量的强氧化性物质，如FeO等来达到降低扩散氢的目的。焊接熔池中氢的平衡浓度与焊接气氛中氢的分解压和焊接熔池中氧的含量有密切关系，如图1所示，即随着熔池中氧含量的增加，熔池中氢的平衡浓度要降低。在实际的焊接过程中，在焊接熔池的高温阶段，当温度提高后，氧在液态纯铁中的溶解度也在增大，如图2所示，因此，随着氧浓度的提高，必将降低氢在熔池中的平衡浓度。
游离的自由FeO浓度较低。在碱性渣中，强碱性氧化物CaO与大部分酸性氧化物SiO2结合成为复合物[（CaO）·SiO2]，[2（CaO）·SiO2]，而渣中游离的自由FeO浓度较高，更易于向熔池金属中分配，使得FeO的氧化作用得到充分发挥，具有更强的氧化性和更有效的降氢作用。本研究的焊剂属于弱碱性，有利于FeO作用的发挥。总之，由于FeO的加入，在熔池高温阶段氧的溶解度有明显增加，有效地降低了氢在熔池中的平衡浓度，使焊缝中的扩散氢含量得以降低。
但是，随着焊剂中FeO的加入，势必增加焊缝中氧的含量，进而引起焊缝韧性下降。为此，必须采取措施降低焊缝中的氧含量。首先是尽量减少FeO的加入量，在保证扩散氢量不高的前提下，尽量把FeO的加入量降到最低值。按试验中提供的数据，FeO的加入量在3%～4%时，扩散氢的量已相当低了，再加入更多的FeO已不会起更大的作用，反而招致焊缝中增加氧量及合金元素的烧损，降低了焊缝金属的强度。第二个措施是加强脱氧，即增加焊丝中的脱氧元素Si和Mn等的含量。在焊接冶金过程中，焊接熔池的后部处于降温并开始结晶阶段，由于温度降低有利于吸热反应的进行，故合金元素的脱氧反应主要在低温阶段完成。Si和Mn的脱氧反应一般按下式进行：
只要脱氧剂足够，就可以达到充分脱氧，把焊缝中氧的量控制到一个较低的水平，避免它对焊缝韧性带来重大损失。从表4中可以看出，加入4%的FeO时，焊缝韧性仍是良好的，只是屈服强度有所降低。
3焊剂成分范围的确定
Al2O3是该焊剂中最主要的成分之一，它对提高焊缝韧性是不利的，但它与一定量的CaF2相配合所组成的熔渣对净化焊缝有好处。另外，它在改善焊接工艺性能方面起到重要作用，其加入量宜控制在38%～46%范围内。CaF2也是该焊剂中最主要的成分之一，它属于盐类，但起到碱性物质的作用，对提高焊缝韧性是有利的；它对电弧稳定性起到破坏作用，恶化了焊接工艺性能；另外，它对扩散氢也有影响，当其加入量少时具有降氢作用，当其加入量过高时又有增氢作用。因此，CaF2的加入量要同时考虑到几个方面的影响。在本焊剂中，CaF2的加入量与Al2O3的量要有一个适当的配比，以便得到粘度合适、流动性又好的熔渣，从而起到净化焊接熔池的作用。试验得出，CaF2的含量范围以23%～29%为宜。SiO2是强酸性氧化物，为了提高焊缝韧性，它的含量越低越好。但是，它的量太低了会损害焊接工艺性能。所以，SiO2的加入量以9%～14%为好。CaO是强碱性氧化物，从提高焊缝韧性角度考虑，它的加入量尽可能高些为好。但是，从焊接工艺性能和降低扩散氢方面看，CaO的量又不能太多，希望CaO与SiO2之比控制在1.0左右，故CaO的加入量也定为9%～14%。MnO的量可控制在1%以下，以避免增加焊缝中P的含量。如果焊丝中Mn的烧损严重的话，也可以适当提高它的含量，以5%以下为好，这样有助于提高焊缝中Mn的合金化程度，也有助于提高焊剂的氧化性。在前面的试验中已经得出了FeO的最佳加入量，即3%～4%，关键之处是如何保证把它加入到焊剂之中。为加入FeO，通常采用铁鳞作原料。它的密度小，将其直接投入到熔炉中时，很容易被电弧吹散，难以进到熔化液态渣中。为此，可先将FeO与CaF2烧结成块，粉碎成适当尺寸后作为中间料使用。待炉料全部熔化后再将中间料投入炉内，并迅速将熔化的炉料搅拌均匀，而后即可出炉。由于电弧炉通常采用石墨电极，如果停留的时间过长，FeO中的Fe会被还原出来，即 Fe O + C =Fe + CO↑ ，导致失去其氧化性，起不到脱氢作用。
4小结
（1）氧化性焊剂是一种去氢能力强的新型焊剂，由于加入了一定数量的FeO，增加了高温阶段熔池中氧的含量，相应地降低了氢的平衡浓度， 使焊缝中的扩散氢量明显减少。
（2）为了克服氧化性焊剂带来的焊缝增氧问题，要求配套的焊丝中要有一定含量的脱氧元素，如Si、Mn、Ti等，以保证熔池充分脱氧。
（3）焊剂以 Al2O3CaF2渣系为主，再加入适量的SiO2和CaO， 且要求SiO2 / CaO≈1 ， 以便得到良好的焊接工艺性能，也有利于提高焊缝韧性。