化学元素对ER70S-6焊接性的影响及控制要求探析

金培元，王 兴，支旭波，成泽强

（陕钢集团产业创新研究院有限公司，陕西 汉中 723000）

1 气保焊丝钢ER70S-6概述

ER70S-6是一种美国钢铁产品牌号，采用美国焊接学会AWS A5.18《气体保护焊用碳钢焊丝和填充丝》质量标准，其对应的中国牌号为H11Mn2Si。以ER70S-6为原材料制作的气体保护焊丝适用于低碳钢及低碳低合金钢材料，因其优良的焊接工艺性能，广泛应用于重型机械、船舶、锅炉及车辆等诸多领域。近年来，随着我国气体保护焊的快速发展，气体保护焊丝的需求量也呈现出逐年增长的态势，用于加工气体保护焊丝的ER70S-6盘条，其需求量随之也迅速增加。

为更好地满足市场需求及社会各行业的高质量发展，必须进一步提升气保焊丝钢ER70S-6的质量，而其核心就是钢中化学成分的控制。因此，对于钢铁企业来讲，掌握化学元素对焊接性的影响及其含量的控制要求显得尤为重要。

2 化学成分对焊接性的影响

2.1 碳对焊接性的影响

碳（C）元素对焊接性及焊缝金属组织的影响最大，其主要表现为可保证焊接接头具有一定的强度和硬度，但由于焊接时热影响区被加热至A3温度以上，冷却时由于周围金属基体温度较低而造成冷却速度较快，容易产生很大的热应力和组织应力，焊接接头塑性和韧性严重降低，严重时甚至会在热影响区出现裂纹，影响焊接质量。

同时，根据焊接碳当量的概念，碳是影响焊接碳当量的主要原因，实践证明，焊接碳当量＞0.4%～0.5%时，钢就不具有良好的焊接性[1]。因此焊接材料的碳含量必须在窄区间控制，以保证焊接接头的强度和焊接质量。

对于CO2气体保护焊，影响其推广及应用的主要问题就是飞溅。产生飞溅的原因与焊接工艺有密切关系，焊接过程中由C形成的CO若不能及时逸出熔池，便会形成气孔，熔滴中的CO气体在电弧高温作用下急剧膨胀，发生剧烈爆炸而形成飞溅，这是产生飞溅问题的主要原因[2]。

基于合理的焊缝强度及降低焊接飞溅两方面的要求，ER70S-6钢种的碳含量应尽量降低，通常，w（C）＜0.08%。

2.2 硅、锰元素对焊接性的影响

硅（Si）、锰（Mn）元素对焊接性的影响主要有两方面。

硅、锰元素是ER70S-6冶炼过程中重要的脱氧剂，在焊接过程中，硅优先与氧发生反应，防止铁与氧结合，并可在熔池中还原生产FeO。但是，如果单独用硅脱氧，会生成高熔点的硅酸盐，其所产生物质的粒度较小，不易从熔池中浮出，容易在焊缝中产生夹渣而影响焊接质量。在焊接冶金过程中，锰的脱氧能力较差，只使用锰脱氧时，脱氧产物MnO密度较大，在熔池中难于上浮。因此，目前多采用硅锰联合脱氧，生成熔点低且密度小的MnO·SiO2，在焊接熔池中凝聚成大块熔渣而浮出，从而达到良好的脱氧效果[3]。

脱氧后，剩余的硅、锰作为合金元素留在焊缝中，弥补焊接过程中的硅、锰氧化烧损，保证焊缝的化学成分要求、强度和低温冲击韧性等力学性能。另外，锰还能和硫化合，生成在轧制过程中易变形的MnS，明显降低甚至消除硫的有害作用，达到了降低焊缝热裂纹倾向的目的。

因此，综合考虑拉拔性能和焊接性能，将ER70S-6钢中w（Si）控制在0.85%～0.90%，w（Mn）控制在1.45%～1.50%。

2.3 硫、磷元素对焊接性的影响

硫（S）、磷（P）元素在ER70S-6钢中属有害元素。

硫在钢中多数以化合物形式存在，形成强度较低、塑性较差的低熔点夹杂物，ER70S-6热轧盘条在拉拔过程中容易发生应力集中现象，造成断丝。另外，在焊接过程中，硫元素容易在焊缝中心偏聚，这是造成焊缝中心裂纹的主要原因。

磷在钢中能全部溶于铁素体内，对钢的强化作用仅次于C，能增加钢的强度和硬度，同时会降低钢的低温韧性，特别是在低温时，影响更为严重。故磷的存在对焊接非常不利，会影响焊缝的低温冲击韧性，增加焊缝的裂缝敏感性。

因此，ER70S-6钢中w（S）、w（P）必须≤0.015%。

2.4 氧、氮、氢对焊接性的影响

有效控制O2、N2和H2在ER70S-6钢中的含量，是提高焊接性的关键。

钢中过高的氧含量会导致夹杂物较多，一方面在拉拔制丝过程中极容易发生脆断，另一方面也易造成焊接过程飞溅、熔池表面渣多、气孔等缺陷，过高的氧含量会消耗更多的Si、Mn等合金元素，造成熔敷金属力学性能下降。

氮的化合物会弥散分布在晶粒中，或是在晶界处析出沉淀，在拉拔变形过程中可提高钢的抗拉强度，增强冷变形过程的加硬化效果。氮的化合物同时也会增强应变时效，对于焊接材料的拉拔均会产生不利影响，其主要原因是由于氮的化合物晶粒较大，并使Fe4N沉积在晶粒界面上。氮与氧类似，在焊接过程中，形成的气体也易造成飞溅或气孔等缺陷。

一般情况下，焊接材料受潮、生锈、油渍污染后，表面物质在电弧高温下分解出的氢原子可溶入液态金属中，导致焊接接头塑性和韧度降低（氢脆），严重时甚至会出现裂纹。

因此，将ER70S-6钢中w（O）、w（N）控制在＜50×10-6。氢含量的控制主要是为了防止在焊接过程中焊丝及接头位置出现受潮、生锈、油渍污染等问题。

2.5 微量元素对焊接性的影响

铝（Al）属于强脱氧剂，使用铝脱氧易于还原FeO，焊接过程中可有效地抑制在熔池中产生CO气体，提高抗CO气孔的能力。另外，铝与氮反应产生的化合物也会起到固氮作用，从而减少焊接接头中氮气孔。但是用铝脱氧也会产生不利影响，一方面在焊接过程中会生成熔点达2 050℃的Al2O3化合物，在熔池中以固体形态存在时，容易在焊缝中形成夹渣。另一方面，焊丝中铝的含量过高时，焊接过程中容易引起飞溅而影响焊接接头外观质量，同时焊缝金属的热裂能力也会明显降低。

钙（Ca）在钢中极易与氧结合，形成的CaO会增加熔滴表面张力，在溶滴表面聚集性高，且容易在熔滴尖部聚集。由于电弧具有亲氧化物特性，使熔滴受力面积减少且受力不均匀，从而使熔滴不稳定，在焊接过程容易出现飞溅现象[4]。

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

3 结论

1）焊接接头质量的影响因素包括焊接材料、焊接工艺、操作方法等，其中焊接材料的化学成分（包括杂质的含量及分布）是主要的影响因素。

2）陕钢集团产业创新研究院通过对影响焊接性的材料成分因素进行深入分析研究，明确了ER70S-6钢种冶炼过程的控制目标及方法，有效实现了碳元素的精准控制，降低了钢中硫、磷元素含量，明确了常见微量元素铝、钙的低含量控制要求及冶炼方法。

3）经对相关成分控制后，成品焊丝在焊接过程中具备了飞溅率低、熔敷金属流动性好、焊缝综合力学性能优异等特点。