焊接材料及其选择

项目

含  义、  要  求、  影  响

焊接电弧的稳定性

焊条的工艺性能是指焊条在焊接操作中的性能，它是衡量焊条质量的重要指标之一

电弧稳定性是指电弧容易引燃，并且保持稳定燃烧(不产生断弧、飘移和磁偏吹等)的程度。它直接影响着焊接过程的连续性及焊接质量。焊接电源的特性、焊接工艺参数、焊条药皮类型及组成物等许多因素都影响着电弧的稳定性。焊条药皮中加入电离电位低的物质，可以降低电弧气氛的电离电位，因而就能提高电弧稳定性，由于造渣及压涂工艺的需要，一般在焊条药皮中都含有云母、长石、钛白粉或金红石等成分，所以，电弧稳定性都比较好。然而，低氢焊条由于药皮中萤石的反电离作用，在用交流电源焊接时电弧不能稳定燃烧，只有采用直流电源才能维持电弧连续稳定地燃烧。但在其药皮中加入稳弧剂(例如碳酸钾等)时，也可以在采用交流电源焊接时保持电弧的稳定性。当药皮的熔点过高或药皮太厚时，就容易在焊条端部形成较长的套筒，致使电弧易于熄灭

焊  缝  成  形

良好的焊缝成形要求表面光滑，波纹细密美观，焊缝的几何形状及尺寸正确。焊缝应圆滑地向母材过渡，余高符合标准，无咬边等缺陷。表面成形不仅影响美观，更重要的是影响焊接接头的力学性能。成形不好的焊缝会造成应力集中，引起焊接部件的早期破坏

焊缝成形的影响因素除操作原因以外，主要是熔渣凝固温度、高温熔渣的黏度、表面张力以及密度等。熔渣凝固温度是指由焊条药皮熔化所形成的液态熔渣转变为固态时的温度。熔渣的凝固温度过高，就会产生压铁水的现象，严重影响焊缝成形，甚至产生气孔。凝固温度过低又使熔渣不能均匀地覆盖在焊缝表面，也会造成表面成形很差

高温时熔渣的黏度过大，将使焊接冶金反应缓慢，焊缝表面成形不良，并易产生气孔、夹杂等缺陷。如果熔渣黏度过小，将会造成熔渣对焊缝覆盖不均匀，失去应有的保护作用

液态熔渣的表面张力对于焊缝成形也有很大的影响，一般地，0.3～0.4N/m即可使熔化状态的熔渣均匀覆盖在焊缝表面上。当熔池结晶时，表面张力急剧增加，使焊缝具有良好的成形

各种位置焊接的适应性

工艺性能良好的焊条能适应空间全位置焊接。不同类型的焊条在各种位置上焊接的适应性是不同的。几乎所有的焊条都能进行平焊，而横焊、立焊、仰焊就不是所有焊条都能胜任的。它的主要困难是:在重力的作用下熔滴不易向熔池过渡；熔池金属和熔渣向下淌以致不能形成正常的焊缝。因此，需适当增加电弧和气流吹力，以便把熔滴送向熔池并阻止金属和熔渣下淌。调节熔渣的熔点、黏度及表面张力也是解决焊条全位置焊接的技术措施。因为这不仅可以阻止熔渣及铁水的下淌，而且还能使高温熔渣尽快地凝固

飞  溅

焊接过程中由熔滴或熔池中飞出金属颗粒称为飞溅。飞溅不仅弄脏焊缝及其附近的部位，增加清理工作量，而且过多的飞溅还会破坏正常的焊接过程，降低焊条的熔敷效率。熔渣的黏度较大或焊条含水量过多、焊条偏心率过大等均会造成较大飞溅。增大焊接电流及电弧长度，飞溅也随之增加。此外，电源类型、熔滴过渡形态对于飞溅也有一定的影响。一般钛钙型焊条，电弧燃烧稳定，熔滴为细颗粒过渡，飞溅较小。低氢型焊条的电弧稳定性较差，熔滴多为大颗粒短路过渡，飞溅较大

脱  渣  性

脱渣性是指焊后从焊缝表面清除渣壳的难易程度。它的影响因素有以下几方面：

(1)熔渣的线胀系数 熔渣与焊缝金属的线胀系数相差越大，冷却时熔渣越容易与焊缝金属脱离。不同类型焊条的熔渣具有不同的线胀系数，钛型焊条E4313(J421)熔渣与低碳钢的线胀系数相差最大，脱渣性最好。低氢型焊条E4315(J427)熔渣与低碳钢的线胀系数相差较小，脱渣性较差

(2)熔渣的氧化性 在焊缝金属冷却结晶的开始阶段，尚未凝固的液体熔渣与处于高温状态的焊缝金属间，仍会发生一定的冶金反应。如果熔渣的氧化性很强就会使焊缝表面氧化，生成一层氧化膜，其主要成分是氧化铁(FeO)，它的晶格结构是体心立方晶格。搭建在焊缝金属的α-Fe体心立方晶格上，牢固地粘在焊缝金属表面上，导致脱渣困难

如果熔渣中含有能形成尖晶石型化合物的二价和三价金属氧化物(如Al₂O₃，V₂O₃，Cr₂O₃等)，可以与渣中的FeO、MnO、CaO、MgO等形成体心立方晶格的尖晶石型化合物MeO·Me₂O₃。尖晶石晶格常数与FeO的晶格常数相差不大，它们可以互相联成共同晶格。这样，熔渣与焊缝金属通过FeO薄膜的中介而牢固地联系起来，于是脱渣性恶化，焊缝金属表面出现粘渣现象。因此，含V、Al、Cr的合金钢焊接时脱渣性不好的原因就是这些合金元素在焊接过程中形成了氧化物。加强焊条的脱氧能力就可以明显地改善脱渣性

(3)熔渣的松脆性 熔渣越松脆就越容易清除。在平板表面堆焊时，一般脱渣都比较容易。然而，在角焊缝和深坡口底层焊接时，由于熔渣夹在钢板之间而使脱渣造成困难。钛型焊条熔渣的结构比较密实坚硬，在坡口中的脱渣性较差。低氢型焊条的脱渣性最不理想

焊条熔化速度

焊条熔化速度反映着焊接生产率的高低，它可以用焊条的熔化系数α_P来表示。考虑到飞溅造成的损失，真正反映焊接生产的指标是焊条的熔敷系数α_H，即单位时间内单位电流所能熔敷在焊件上的金属质量。α_P与α_H的关系是：

α_H＝α_P(1-ψ)

式中，ψ为损失系数

表1是几种焊条熔化系数与熔敷系数的实测数据。不同类型焊条的熔化系数是不同的，造成这个差别的主要原因是它们的药皮组成不同。药皮成分影响电弧电压，电弧气氛的电离电位越低，电弧电压就越低，电弧的热量也就越少，因此焊条的熔化系数就越小。药皮成分影响熔滴过渡形态，调整药皮成分可以使熔滴由短路过渡变为颗粒过渡，从而提高了焊条的熔化系数；药皮中含有进行放热反应的物质时，由于化学反应热加速焊条熔化，也提高了焊条的熔化系数，此外，药皮中加入铁粉，可以提高焊条的熔化系数

药皮发红

药皮发红是指焊条在使用到后半段时，由于药皮温升过高而发红、开裂或药皮脱落的现象。这时药皮就失去保护作用及冶金作用。药皮发红引起焊接工艺性能恶化，严重影响焊接质量，也造成了材料的浪费。解决药皮发红的技术关键就是调整焊条药皮配方，改善熔滴过渡形态、提高焊条的熔化系数、减少电阻热以降低焊条的表面温升

焊接烟尘

在焊接电弧的高温作用下，焊条端部的液态金属和熔渣激烈蒸发。同时，在熔滴和熔池的表面上也发生蒸发。由于蒸发而产生的高温蒸气从电弧区被吹出后迅速被氧化和冷凝，变为细小的固态粒子。分散飘浮于空气中，弥散于电弧周围，就形成了焊接烟尘。低碳钢和低合金钢焊条一般均采用低碳钢焊芯，因此焊接烟尘主要取决于药皮成分。不同药皮类型焊条的发尘速度及发尘量范围如表2所示。低氢型焊条的发尘速度和发尘量均高于其他类型的焊条。烟尘中含有各种致毒物质，污染环境，危害焊工健康

几种焊条的α_P与α_H

表1

表2

焊条型号

焊条牌号

α_P/g·(A·h)^-1

α_H/g·(A·h)^-1

发尘速度和发尘量

焊条类别

发尘速度

/mg·min^-1

发尘量

/g·kg^-1

E4303

E4301

E4320

E4315

E5015

J422

J423

J424

J427

J507

9.16

10.1

9.1

9.5

9.06

8.25

9.7

8.2

9.0

8.49

钛钙型焊条

高钛型焊条

钛铁矿型焊条

低氢型焊条

200～280

280～320

300～360

360～450

6～8

7～9

8～10

10～20

项   目

要   求

一

般

要

求

良好的冶金性能

焊接时配以适当的焊丝和合理的焊接工艺，焊缝金属能得到适宜的化学成分、良好的力学性能(与母材相适应的强度和较高的塑性、韧性)和较强的抗冷裂纹和热裂纹的能力

良好的工艺性

电弧燃烧稳定，熔渣具有适宜的熔点、黏度和表面张力。焊道与焊道间及焊道与母材间充分熔合，过渡平滑，没有明显咬边，脱渣容易，焊缝表面成形良好，以及焊接过程中产生的有害气体少

一定的颗粒度和颗粒强度

多次回收使用。焊剂的颗粒度分两种：普通颗粒度为2.5～0.45mm(8～40目)，用于普通埋弧焊和电渣焊；细颗粒度为1.25～0.28mm(14～60目)，适用于半自动或细丝埋弧焊。其中小于规定粒度60目以下的细颗粒不大于5%，规定粒度14目以上的粗颗粒不大于2%

较低的含水量、良好的抗潮性

出厂焊剂含水量的质量分数不得大于0.10%。焊接在温度25℃、相对湿度70%的环境条件下，放置24h，其吸潮率不应大于0.15%

S、P含量较低

一般为S≤006%，P≤0.08%

机械夹杂物(碳粒、生料、铁合金凝珠及其他杂质)的含量

不得大于焊剂质量分数的0.30%

电渣焊用焊剂的要求

熔渣电导率应适宜

若电导率过低，焊接无法进行；若电导率过高，电阻热过低，影响电渣焊过程的顺利进行

熔渣黏度适宜

黏度过小，流动性过大，易造成熔渣和金属流失，使焊接过程中断

黏度过大、熔点过高，易形成咬边和夹渣

熔渣开始蒸发温度适宜

熔渣开始蒸发的温度取决于熔渣中最易蒸发的成分，例如氟化物的沸点低，使熔渣的开始蒸发温度降低，易产生电弧，导致电渣焊过程的稳定性降低，并易产生飞溅

其他要求和说明

通常情况下，焊剂中的SiO₂含量增多时，电导率降低，黏度增大；氟化物和TiO₂增多时，电导率增大，黏度降低

要获得高质量的焊接接头，焊剂除符合以上要求外，还必须针对不同的钢种选用合适牌号的焊剂及配用焊丝。通常主要根据被焊钢材的类别及对焊接接头性能的要求来选择焊丝，并选择适当的焊剂相配合。一般情况下，对低碳钢、低合金高强钢的焊接，应选用与母材强度相匹配的焊丝；对耐热钢、不锈钢的焊接，应选用与母材成分相匹配的焊丝；堆焊时应根据对堆焊层的技术要求、使用性能等，选择合金系统及相近成分的焊丝，并选用合适的焊剂了

还应根据所焊产品的技术要求(如坡口和接头形式、焊后加工工艺等)和生产条件，选择合适的焊剂与焊丝的组合，必要时应进行焊接工艺评定，检测焊缝金属的力学性能、耐腐蚀性、抗裂性以及焊剂的工艺性能，以考核所选焊接材料是否合适

焊剂的焊接工艺性能和化学冶金性能是决定焊缝金属化学成分和性能的主要因素之一，采用同样的焊丝和同样的焊接参数，而配用的焊剂不同，所得焊缝的性能将有很大的差别。一种焊丝可与多种焊剂合理组合，无论是在低碳钢还是在低合金钢上都有这种合理的组合