焊接冶金学 第1章 焊条

1.1焊条

焊条的性能     焊条的性能包含工艺性能和冶金性能。

 1.1.1焊条的工艺性能

基本含义     指焊条在使用操作过程中表现出来的性能，是衡量焊条质量的一个重要指标。

涉及内容     

• 焊接电弧是否稳定燃烧
• 焊接位置的适应性
• 焊缝成形是否良好
• 焊接飞溅与熔敷效率
• 焊接渣壳的脱除性
• 焊接烟尘以及焊条药皮的发红

1）焊接电弧的稳定性     指电弧维持稳定燃烧的程度，如是否产生断弧、飘逸以及偏吹等

• 电离电位低的物质     如长石、钛白粉或金红石等，能提高带电粒子密度，增强电弧导电能力，使电弧能够稳定燃烧
• 具有反电离作用的氟石     可降低电弧的导电能力，使交流电弧不能稳定燃烧，只有采用直流电源才能稳定工作
• 在药皮中加入碳酸钾和水玻璃     为稳弧作用的物质，有利于交流电弧燃烧的稳定性
• 焊条药皮的熔点过高或药皮太厚     会导致焊条端部形成较长套筒，导致电弧过长而易于熄灭

2）焊接位置的适应性     指焊条对不同空间位置焊接难易程度的适应能力，由于重力作用，平焊较易，而横焊、立焊和仰焊较难。

• 不同类型的焊条对焊接位置的适应性是不同的，有些焊条能适应全位置的焊接，而有些焊条只能平焊。
• 合理设计焊条药皮的组成，通过调节熔渣的熔点、粘度和表面张力，可以防止熔渣和熔池下流，使高温熔渣尽快凝固以适应全位置焊接。
• 适当增加电弧和气流的吹力，有利于将熔渣滴推向熔池并阻止熔池和熔渣下流，有利于全位置焊接。

3）焊缝成形及影响因素     描述焊缝表面光滑程度、表面是否存在缺陷以及几何形状和尺寸是否正确的宏观指标，主要受到熔渣物理性质的影响

• 熔渣的凝固温度    过高会产生挤压液态熔池的作用，严重影响焊缝成形；过低时会使熔渣不能均匀覆盖熔池表面，导致焊缝成形变差。要求焊接熔渣的凝固温度必须合适，应略低于母材的熔点。
• 熔渣的粘度    高温粘度过大会减缓冶金反应，使焊缝成形不良；过小时会降低熔渣覆盖熔池的均匀性，弱化熔渣的保护作用。焊接熔渣的粘度必须适中，一般在1500℃时介于0.1~0.2Pa·s之间为宜。
• 熔渣的表面张力    过大或过小都不利于焊缝成形。液态熔渣的表面张力介于0.3~0.4N/m之间时，可使熔渣均匀覆盖熔池表面，熔池结晶时因表面张力的急剧增加而使焊缝具有良好的成形。

4）焊接飞溅    指焊接过程中从熔滴或熔池中飞出的金属颗粒，不仅会影响焊缝表面质量，而且会降低焊条的熔覆效率。过多的飞溅还会破坏正常的焊接过程，同时也会增加焊后清理的工作量。

• 钛钙型焊条的电弧较为稳定，熔滴过渡形式为细颗粒过渡，飞溅较小。
• 低氢型焊条的电弧稳定性较差，熔滴过渡形式多为大颗粒短路过渡，飞溅较大。
• 焊条偏心率过大或焊条含水量过多以及熔渣粘度较大等，均会造成较大的飞溅。

5）熔敷效率    反映焊接生产率高低的指标，一般用熔敷系数来表示。

      熔敷系数    指单位电流在单位时间内所能熔敷在工件上的金属量。数值越大，熔敷效率越高。

• 药皮组成直接影响电弧电压及产热，也影响熔滴过渡形式，因而会影响焊接飞溅和熔敷效率。当药皮中含有放热反应的物质或加入铁粉时，能提高熔敷效率。
• 凡是影响焊接飞溅大小的因素，均会因焊接飞溅造成的熔化金属不能有效的进入焊缝，从而影响熔敷效率。

6）脱渣性     指焊后从焊缝表面清除焊接渣壳的难易程度，脱渣性不仅影响焊接生产效率，还会造成多层焊中产生夹渣的缺陷。

• 焊接熔渣的线胀系数、氧化性和松脆性等
• 线胀系数    熔渣与焊缝金属的线胀系数相差越大，冷却时二者之间产生的界面应力越大，熔渣越容易与焊缝金属脱离，脱渣性越好。
• 氧化性    合金结构钢焊接时，熔渣的氧化性越强，脱渣越困难，增加焊条的脱氧能力可以显著提高脱渣性。
• 松脆性    熔渣越疏松，脆性越大，越容易被清除，脱渣性越好。

7）焊接烟尘    指在电弧高温作用下产生的高温金属和非金属蒸汽，在电弧周围空间中被氧化和冷凝而形成的细小颗粒。

焊接烟尘常常含有各种毒性物质，不仅污染工作环境，而且危害焊工健康。

低氢型焊条的发尘速度、发尘量和烟尘毒性均高于其他类型的焊条。

8）焊条发红    指焊条在使用到后半段时，由于温升过高而使药皮发红，开裂甚至脱落的现象。

• 危害    丧失其应有的保护作用和冶金处理作用，造成工艺性能变差，焊接质量变低，同时也浪费材料，降低焊接生产效率。
• 成因     由不锈钢焊芯的物理性质引起，不锈钢焊芯电阻率高，比热容小，导热性差，焊接过程中产生的电阻热较多，温度上升高，从而使药皮温度升高，甚至发红脱落。
• 解决办法    实践证明，通过调整焊条药皮配方及熔滴过渡形式，可成功解决这一问题。

1.1.2 焊条的冶金性能   

指其对焊缝金属的净化和合金化作用，作用的结果反映在焊缝金属的化学成分、力学性能及防止缺陷形成的能力等方面。

净化是指通过各种冶金反应去除氧、氢、硫、磷等有害元素，而合金化是指通过药皮向焊缝填加有益的合金元素。

冶金效果    以酸性和碱性两种典型焊条为例介绍对氧、氢、硫、磷的控制。

1）对氧的控制   

• 酸性焊条熔渣中的SiO₂和焊接气氛中的含氧气体将铁氧化成FeO而使焊缝增氧，在酸性渣的环境下采用锰铁进行脱氧能取得较好的脱氧效果。
• 碱性焊条焊接气氛中的CO2和其他含氧气体将铁氧化成FeO而使焊缝增氧，在碱性渣的环境下采用硅锰和硅钛联合脱氧的效果很好，焊缝金属的含氧量很低。

2）对氢的控制

• 酸性焊条熔渣中的强氧化物SiO2、MnO和FeO等具有一定的脱氢能力，但焊缝金属中的含氢量还是相对较高。
• 碱性焊条焊接气氛中的CO2具有较强的脱氢性，药皮中的氟石脱氢能力更强，故碱性焊条的脱氢能力。

3）对氮的控制

• 酸性焊条含有大量的造渣剂和相当数量的造气剂，形成以渣为主的渣气联合保护，焊缝氮含量较低。
• 碱性焊条中含有大量碳酸盐作为造气剂和造渣剂，还有相当数量的其他造渣剂，隔离空气的效果更好，焊缝含氮量更低。

4）对硫的控制

• 酸性焊条里的锰铁有较好的脱硫效果，MnO和CaO也能起到脱硫的作用，但是酸性渣的碱度较低并含有较多FeO,脱硫效果因此会减弱。
• 碱性焊条焊渣中含有较高的CaO，FeO含量低，熔渣碱度较大，药皮中含有氟石，都有利于脱硫，但脱硫效果与酸性焊条没有明显的区别。

5）对磷的控制

• 酸性焊条熔渣中的CaO和FeO能共同起到脱磷作用，但是酸性渣碱度低且CaO含量较少脱磷作用变差。
• 碱性焊条熔渣中的CaO和FeO能共同起到脱磷作用，且熔渣碱度高、CaO含量高、药皮中大量氟石起到辅助作用，因而脱磷效果好于酸性焊条，但是脱磷效果仍然受到限制。

综上所述：碱性焊条的冶金性能优于酸性焊条，焊缝具有良好的冶金性能和抗裂性能，适用于重要结构的焊接；

但是碱性焊条的工艺性能较差，且熔渣不具有氧化性对铁锈、油污、水非常敏感，所以必须严格防止含氢物质直接侵入熔池