焊接材料

第三章焊接材料指焊条、焊丝、焊剂、气体等焊接用料。焊条电弧焊过程药皮燃烧：电弧周围气体：CO2、CO、H2熔池中熔渣，冷却形成渣壳保护熔池中的熔化金属一、焊条分类1按用途分：分10大类（1）结构钢焊条：主要用于焊接碳钢和低合金高强钢。（2）耐热钢焊条：用于焊接珠光体和马氏体耐热钢。（3）不锈钢焊条：用于焊接奥氏体和马氏体不锈钢。（4）堆焊焊条：用于获得耐磨、耐蚀性能的堆焊层。第一节焊条（5）低温钢焊条：用于焊接在低温下工作的焊缝。（6）铸铁焊条：用于焊补铸铁构件。（7）镍及其合金焊条：用于焊接镍及其合金。（8）铜及其合金焊条：用于焊接铜及其合金。（9）铝及其合金焊条：用于焊接铝及其合金。（10）特殊用焊条：如水下焊接、切割用焊条。焊条分类（1）2按熔渣的碱度（1）酸性焊条（J422）：药皮中含有较多SiO2、FeO等。这类焊条工艺性能好，焊缝成形美观，但焊缝的性能不高（尤其是塑性和韧性）。焊接可用交直流电源。（2）碱性焊条（J507）：药皮中含有CaCO3、CaF2等。焊缝的含氢量低，所以又称低氢焊条，碱性焊条的焊缝有较高的塑性和韧性，可用于焊接较重的焊接结构。焊条分类（2）3按焊条药皮类型分：钛型（TiO2金红石）、钛-钙型（TiO2-CaO）、钛铁矿型（TiO2-FeO）、氧化铁型（Fe2O3）、纤维素型、低氢型（CaCO3-CaF2）。焊条分类（3）1焊条型号国际ISO标准：E××××（字母E：Electrode）第一、二位数字：抗拉强度（kgf/mm2）第三位数字：表示适合焊接位置（0、1表示全位置，2表示为平焊，4为向下焊）。第四位数字：表示焊接电源极性及药皮类型例如：E430343kg级钛钙型，交直流两用，全位置焊。E501550kg级低氢型，直流反接，全位置焊。二、焊条的型号和牌号我国常用的牌号：字母（汉字）×××字母含义：结构钢J（结）、不锈钢A（奥）、堆焊D（堆）等。第一、二位数字：抗拉强度（kg/mm2）第三位数字：药皮类型，如1－氧化钛型、2－钛钙型、7－低氢钠型（直流）例如：J（结）42242kg级，钛－钙焊条；J（结）50750kg级，低氢焊条，直流。2焊条牌号焊条是由焊芯和药皮组成，药皮占整个焊条重量的30~50%。药皮重量系数Kb式中：WS－药皮重量；WM－焊芯重量。MSb三、焊条的组成焊条用钢：牌号前加H，如H08A。最后字母A表示优质钢，E表示特级钢，其含硫、磷量比较低。焊芯中的元素：（1）碳：提高钢的硬度、强度，但会产生气孔、飞溅、裂纹等问题。一般焊芯的含碳量小于0.1%。（2）锰：有益元素，起脱氧、脱硫和强化焊缝金属的作用。焊芯一般含锰0.3~0.55%。1焊芯（1）设计结构钢焊条时，要保证焊缝金属与母材等强度，不必强调母材等成分。（3）硅：起脱氧和强化焊缝金属作用，但会增加焊缝中的SiO2夹杂物，所以焊芯中的含硅量比较低（0.03％）。（4）硫、磷：有害元素，容易引起焊缝裂纹和冷脆性。焊芯中的S、P0.03。焊芯（2）（1）药皮作用1）保护作用：采用气－渣联合保护焊缝金属，以隔离空气。2）冶金作用：去除焊缝金属中有害杂质（O、H、S、P等），补充焊缝烧损的合金元素，改善焊缝力学性能。3）保证焊接工艺性能：容易引弧，电弧稳定燃烧，飞溅少，焊缝成形美观，易于脱渣，适合各种位置焊接。2焊条药皮（1）（2）焊条药皮类型分为八大类，常用的有：1）钛型：（35%TiO2（金红石）+SiO2）；2）钛钙型：（30%TiO2+(Ca,Mg)CO3）；3）低氢型：（CaCO3+CaF2）;4）石墨型：主要用于铸铁焊条，以保证焊缝金属石墨化。2焊条药皮（2）1）矿物类：如大理石、白云石（CaCO3+MgCO3）、金红石（TiO2）、锰矿（MnO2）、钛铁矿等。2）铁合金类：如纯铬、镍、Mn-Fe、Si-Fe、Ti-Fe等。3）化工产品类：如钛白粉（TiO2）碳酸钡（BaCO3）、水玻璃（Na2O·SiO2、K2O·SiO2）等。（3）药皮的原材料1）稳弧：如大理石、水玻璃、长石（K2O+Na2O+SiO2+Al2O3）中的低电离位元素。2）造渣：保护熔滴和熔池金属，改善焊缝成形，如CaO、SiO2、MgO等。3）造气：焊接时，有机物和碳酸盐分解产生气体，用于隔离空气，保护焊接区域。如CaCO3→CaO+CO2。4）脱氧：用一些对氧亲和力比铁大的金属或合金元素脱除焊缝中的氧。（4）药皮原材料的作用5）合金化：补偿焊缝金属中烧损的合金元素，使焊缝达到所需的物化性能和机械性能。6）粘结：将药皮牢固粘结在焊芯上，如水玻璃（Na2O·SiO2、K2O·SiO2）。7）成形：便于焊条的压制，如云母、钛白粉、滑石粉。药皮原材料的作用（2）1电弧的稳定性焊条药皮中加入电离电位低的物质，如Na、K、Ca等，在焊接过程中可以保持电弧稳定燃烧。若焊条中有氟化物（CaF2），由于电负性强的F的消电离作用，在交流焊中电弧就不稳定，只能用直流电源焊接。若在这类焊条中加入稳定剂（碳酸钾等）时，也可以用交流焊接（J506）。电弧稳定性不仅取决于焊条，还和焊接设备、焊工水平等因素有关。四、焊条的工艺性能（1）成形不好的焊缝不仅影响外观质量，而且会造成应力集中，造成焊缝破坏。影响焊缝成形因素除操作者的水平外，还有熔渣的凝固温度、粘度等。2焊接成形（1）凝固温度过高，容易造成渣压铁水，气孔不易逸出；凝固温度过低，熔渣不能均匀覆盖在焊缝表面。2焊接成形（2）研究熔渣的物化状态可以用渣的相图（图2－1）。熔渣粘度过大，使焊接冶金反应缓慢，易产生气孔、夹杂等缺陷；粘度过小造成熔渣不能均匀复盖在焊缝表面，保护不好。焊条能否适合各种位置的焊接（平焊、立焊、仰焊、横焊）。取决于渣的粘度、熔点、表面张力等，也取决于焊工的水平。3各种位置焊接的适用性降低焊条的熔敷效率，增加清理工作量。焊条的飞溅与焊条的含水量、焊条偏心、焊接工艺参数、电源类型、焊条类型（钛钙比低氢飞溅小）等有关。4飞溅焊条的脱渣性主要与渣的物化性能有关。5脱渣性（2）渣的氧化性：氧化性强的渣比较难脱落（图2-3）。（3）渣的松脆性：熔渣越松脆越容易脱渣。（1）熔渣膨胀系数：渣与金属的膨胀系数相差越大，越容易脱渣（图2-2）。αP为单位时间内单位电流熔敷在焊件上的金属重量。αP=g/(A·h)考虑到飞溅损失，真正焊接生产率是熔敷系数αHαH=αP(1－ψ)式中ψ-损失系数。7焊条的熔化速度αP液态金属和熔渣在电弧高温下造成激烈蒸发，尤其是低氢焊条发生量大，烟尘中含有有毒物质，危害焊工健康。8焊接烟尘表2-6不同类型焊条的烟尘焊条类别发尘速度(mg／min)发尘量(g/㎏)钛钙型焊条低氢型焊条200～280360～4506～810～20表2-8焊条烟尘的化学成分焊条型号焊条牌号Fe203Si02MnO2TiO2CaONa２0K20CaF2KFNaFE4303E5015J422J50748.1224.9317.935.627.186.302.6l1.220.9510.346.036.396.81－－19.92－7.95－13.711钛钙型焊条E4303（J422）熔渣的碱度B1=0.76，属酸性渣。气相主要成分为CO、H2、CO2、H2O。五、典型焊条的冶金性能分析P21表2-10焊芯及焊缝金属化学成分化学成分CMnSiSPNOH(总)ML／100g焊芯焊缝金属0.10≤0.120.30~0.550.3~0.60.030≤0.25≤0.030≤0.035≤0.030≤0.040－0.02~0.03－0.06~0.1－46.2表2-11焊缝金属力学性能AKV(J)试验项目σb(MPa)σ0.2(MPa)δ5(％)0℃－20℃保证值一般结果≥420430～490≥330≥330≥2222～32≥2770～115≥47J422焊条焊缝的化学成分及力学性能（1）氧化反应:气相中的O、O2、CO2、H2O等都能使焊接金属发生氧化[Fe]+O→FeO[Fe]+O2→FeO[Fe]+CO2→FeO+CO[Fe]+H2O→FeO+H2其中氧原子的氧化性最强。J422钛钙型焊条焊接时的冶金反应（1）熔渣的氧化作用主要是渣中的氧化物与液态金属之间发生的置换氧化。氧化反应J422属于酸性渣，应以锰脱氧为主，而不是采用Si、Ti脱氧[Mn]+[FeO]→(MnO)+[Fe]（沉淀脱氧）生成的MnO进入熔渣，与SiO2等酸性氧化物生成复合化合物(MnO)+(SiO2)→(MnO·SiO2)(MnO)+(TiO2)→(MnO·TiO2)复合氧化物降低了熔渣的氧化性。（2）脱氧反应由于熔渣中有大量的SiO2等酸性氧化物和Mn-Fe，所以发生置换反应(SiO2)+[Fe]→[Si]+FeO和还原反应[Mn]+(SiO2)→[Si]+(MnO)结果焊缝金属中含有一定数量的Si。（3）还原反应主要靠Mn或MnO脱硫FeS+Mn→Fe+MnSFeS+MnO→FeO+MnS（5）脱磷反应J422焊条脱磷效果不佳，主要以限制焊接材料中的磷为主。（4）脱硫反应（6）合金化：药皮中的锰铁除了脱氧、脱硫外，还可增加焊缝中的Mn；焊缝中的Si主要靠SiO2的还原所得。J422钛钙型焊条焊接时的冶金反应（7）气孔敏感性：用J422焊条焊接产生的气孔大多是因操作不当造成的。（8）焊接烟尘：因药皮中(Mg,Ca)CO3比较少，烟尘量较少，有害成分也比J507焊条少（表2－7）。此类焊条焊接工艺性好，用量最大，主要用于焊接低碳钢和强度较低的低合金钢。表2-7焊条烟尘中所含化学元素及可溶性物质焊条型号焊条牌号多量元素中等量元素少量元素可溶性物质总量(％)可溶性氟含量(％)E4303J422FeS1、Mn、Na、CaA1、K、MS20.50E5015J507Fe、F、NaCa、KMn、Si、Ti49.39.1J422钛钙型焊条焊接时的烟尘成分属CaO-SiO2-CaF2渣系，熔渣的碱度B1＝1.86，属碱性渣。焊接时气相成分见表1－12。2低氢焊条E5015（J507）表1－12焊接碳钢时冷至室温起相的成分气相成分(%体积)焊条和焊剂类型COCO2H2H20备注钛钙型低氢型50.779.85.916.937.71.85.71.5焊条在110℃烘干2h（1）脱氧反应因是碱性渣，所以脱氧主要靠Si和TiCO2+Si→SiO2+COCO2+Ti→TiO2+CO反应产物和CaO生成复合化合物CaO·SiO2、CaO·TiO2，降低了渣的氧化性。J507钛钙型焊条焊接时的冶金反应（1）利用CaF2脱氢：CaF2+H2O→CaO+HF↑CaF2和SiO2脱氢：CaF2+SiO2→SiF4+CaSiO3SiF4+H→SiF+HF↑CaF2和水玻璃脱氢：Na2O·nSiO2+H2O→NaOH+nSiO2NaOH+CaF2→Ca(OH)2+NaFNaF+H2O+CO2→Na2CO3+HF↑（2）脱氢反应（3）脱硫反应：主要靠碱性渣脱硫，碱度越高，脱硫效果越好。[FeS]+(CaO)→(CaS)+(FeO)（3）脱硫反应（4）合金化：在锰硅联合脱氧同时，Mn、Si也过渡到焊缝金属中。（5）焊接烟尘：焊接时产生大量CO2，烟尘中含KF、NaF、HF等有害气体。J507焊条焊缝力学性能好（韧性高），多用于焊接比较重要的结构钢和合金钢的焊接，焊接工艺性不及J422，对焊件的焊前清理要求比较高。六、焊条的设计与制造焊条配方以试验为主。主要用于埋弧自动焊或钎焊时的冶金和保护作用。一、焊剂的分类1按制造方法分:（1）熔炼焊剂（HJ）：将矿物在电弧炉中熔炼，然后用水激冷粉碎，烘干使用。（2）烧结焊剂（SJ）：将原材料粉碎，按一定比例和粘结剂一起混合，制成细粒状，然后在400～1000℃高温烘干。第二节焊剂2按化学成分分类（1）SiO2含量：高硅、中硅、低硅；（2）MnO含量：高锰、中锰、低锰；（3）CaF2含量：高氟、中氟、低氟。焊剂的分类3按焊剂化学性质分（1）氧化性焊剂：对焊缝有较强的氧化性，如高锰、高硅的HJ431焊剂。（2）弱氧化性：焊剂中