焊接材料的组成及作用

上篇焊接冶金•第1章焊接材料•1.1焊接材料的组成及作用•1.2我国焊接材料生产和消耗的概况及存在的主要问题1.1焊接材料的组成及作用•1.1.1焊条•1.1.2焊丝•1.1.3焊剂1.1.1焊条1、焊条的组成及作用•1）焊芯—焊丝•作用（1）导电、维持电弧燃烧；（2）填充金属•焊芯材料有选择性（P15表1-1）:用量最多的是H08、H08A，还有H08E。A—优质，E—特优：S、P的含量•C、Mn、Si、S、P和其它ME的控制•2）药皮•（1）作用：①机械保护作用•②冶金处理作用•③工艺性能良好（2）组成①稳弧剂:改善引弧性能和提高电弧燃烧的稳定性，原材料为易电离或电离势低的物质。如：K2CO3、CaCO3大理石、长石、钾水玻璃②造渣剂:造成具有一定物理性能、化学性能的熔渣，起到保护作用和改善焊缝成型。如：钛铁矿、金红石、萤石、长石等。③造气剂:造气保护,有机物、碳酸盐.有机物如：木粉、淀粉、析出气体CO、H，碳酸盐析出气体CO2，高温时产生CO。④脱氧剂:降低药皮中或熔渣的氧化性和脱除金属中的氧。铁合金：锰铁、钛铁、硅铁、Re等。⑤合金剂:使焊缝补偿烧损和获得必要的合金成分。一般Mn-Fe、Si-Fe、Ｍｏ－Ｆｅ、镍粉、铬粉。⑥粘结剂:将涂料牢固的粘在焊芯上，参加冶金反应，如钠水玻璃、钾水玻璃与钠水玻璃混合。⑦成型剂:便于用机器压制焊条，额外加入一些能改善涂料塑性或滑润性物质。如云母、白泥、滑石等。2、焊条的种类及型号•1）种类•按用途分：•（１）结构钢焊条；（２）不锈钢焊条•（３）钼和铬钼耐热钢焊条•（４）堆焊焊条•（5）低温钢焊条（6）铸铁焊条•（7）镍及镍合金焊条（8）铜及铜合金焊条•（9）铝及铝合多焊条（10）特殊用途焊条按焊接熔渣的碱度分•（１）酸性焊条•（２）碱性焊条•要求掌握定义•按焊条药皮的类型分：氧化钛型、钛钙型、钛铁矿型、氧化铁型、纤维素型、低氢型等•按药皮重量系数划分：•（１）厚皮焊条：药皮重量系数３０％～５０％•（２）薄皮焊条：药皮重量系数１％～２％•药皮重量系数的概念：药皮重／焊芯重２）焊条的型号与牌号•（１）焊条牌号•以结构钢为例：牌号编制法。ＪXXX,Ｊ：结构钢焊条,第3个数字,代表药皮类型,焊接电流要求,第1、2数:代表焊缝金属抗拉强度。•J507焊条为例J507低氢型药皮、直流熔敷金属抗拉强度不低于490MPa结构钢焊条（２）焊条型号•焊条的型号是按国家有关标准与国际标准确定的。以结构钢为例，型号编制法为字母“E”表示焊条，第一、二位表示熔敷金属最小抗拉强度，第三位数字表示焊条的焊接位置，第三、四位数字表示焊接电流种类及药皮类型。完整的焊条型号举例如下：E4315表示焊条药皮为低氢钠型，并可采用直流反接焊接表示焊条适用于全位置焊接表示熔敷金属抗拉强度的最小值420MPa表示焊条3、焊条的性能•1）工艺性能1（1）焊接电弧的弧定性(稳弧性)影响因素：焊条药皮成份,电源的特性,焊接规范等.药皮成份的影响.若药皮中含低电离势元素,U↓→稳弧性↑某些元素的电离势元素KNaBaCaTiMnFeSiCHOFCO2电离势4.325.125.166.086.817.407.837.9411.2213.5313.5618.614.3碱性焊条:J507,低氢型,电弧稳定性不好原因:药皮中含萤石较多,CaF2氟电离势高18.6伏,与电子亲和力大,夺取电弧中的电子,形成负离子,恶化电弧的稳定性。J506加入了低电离势物质,K.、Na则可用交,直流.但K、Na与F的亲和力大,KF、NaF有毒.酸性焊条:SiO2、TiO2、CaO、云母、长石中含K2O、Na2O等，稳弧性好。判定稳弧性：①测最大的燃烧电弧长度LmaxLmax↑稳↑断弧长度越大,稳弧性越好.②示波器,观察电流,电弧电压波形的变化情况控制低氢型焊条稳弧性方法：a)CaCO3/CaF2比例控制并加入K2CO3和水玻璃。b)添加10～20%纯铁粉和少量Al-Mg合金粉.c)用MgF2代CaF2不仅提高稳弧性,还可改善焊缝成型和脱渣.d)加入少量CsCO3(0.1～1.0%)铯电离势比K小,还可加石墨0.5～3.0%，熔点低，套筒长度小。（2）在各种位置焊接适应性•焊缝位置：•平焊缝、横焊缝、立焊缝、仰焊缝、•一般焊条均可进行平焊,但不是所有焊条均可立、仰、横焊。•立、仰、横焊难点在于:•①重力作用下焊条熔滴不易向熔池过渡;•②熔池金属和熔渣下流.解决方法:1）适当增加电弧吹力,调整药皮熔点和厚度,使焊条端部产生适当长度的套筒,药皮中加入一定数量造气剂.2）熔渣的物理性能适应熔渣的凝固温度焊条类型凝固温度℃凝固温度范围℃纤维素型1200-129090钛型1320-1420100钛铁矿型130-126130氧化铁型1180-1350170凝固温度范围窄,粘度表面张力随温度变化,使熔渣能在较短时间内迅速凝固,才能立、仰横焊,凝固温度范围↑,不易横、仰、立焊.粘度（η）、表面张力（σ）长渣:粘度随温度的降低而缓慢增大的熔渣。短渣:粘度随温度的降低而快速增大的熔渣。氧化铁型药皮凝固温度范围大不适应于横.立.仰焊；长渣也不宜。其它种焊条可进行全位置焊接.（3）焊缝成型与操作技术有关,还取决于熔渣熔点,粘度与表面张力（熔渣的物理性质）。①熔渣的熔点（T）②熔渣的粘度（η）③表面张力（σ）④熔滴过渡T↑η↓η↑,表面成型不良,易产生气孔,夹杂;过低,对焊缝敷盖不均匀,保护作用差。一般T=1500℃，渣η0.1～0.2Pa．s,熔渣的粘度也决定于熔渣的化学成分.表面张力σ↓复盖性好，但不能过小，σ↑熔渣易成球型,复盖性不好.熔渣的表面张力和粘度材料温度℃表面张力(N/m)粘度(泊)铁1575～15901.0～1.20.019碱性渣1400左右0.28～0.352.0～7.0酸性渣1400左右0.35～0.401.2～2.0熔滴过渡低氢型焊条粗滴短路过渡，J423,J424以短路过渡为主,J421,J422以喷射过渡,焊缝成型美观.（4）焊接飞溅与熔敷效率①飞溅：焊接过程中由熔滴或熔池中飞出的金属颗粒。产生原因:a熔池内部气体的熔池中逸出引起b熔滴爆炸c电弧作用力,d短路过渡时,电弧再燃时产生飞溅②熔敷效率•两种表达方式：•a反映焊接生产率高低的指标，可用熔敷系数表示αH：单位时间、单位电流熔敷在工件上的金属量g/A.hαH↑→焊接生产率↑•b“熔敷效率”是指熔敷金属量与熔化的填充金属量的百分比。又叫焊材熔敷率：如焊条熔敷率，焊丝熔敷率。•例：J422—Fe160表示加纯铁粉熔敷效率为160%的J422.（大于100%，？）：熔化的填充金属按焊芯算。•注意与指标“熔敷效率”的关系。影响因素•a药皮成分的影响•药皮成分对电弧电压有影响,电弧电离电位越低,电弧电压越低,产生热量少，αH小。U↑αH↑•药皮成分对熔滴过渡形态有影响,增多硅酸盐减少碳酸盐,细化熔滴,使短路过度U↓,颗粒过渡U↑,射流过渡,αH最大.•焊条熔化与药皮的导电性和导热性有关,以TiO2为主,渣导热性差,导电性好,电阻热作用,导致药皮易于发红,如钛型、钛钙型；若药皮中加入发热剂,氧化铁型加速药皮熔化大,氧化铁型αH↑；药皮成分中含有进行放热反应的物质时,加速焊条熔化αH↑,为了提高生成率,铁粉焊条提高αH↑b电流种类与极性。直流正接:电弧电压和熔化系数变化很大,此时焊条接阴极,药皮成分对阴极压降影响较大,药皮成分的改变直接影响着电弧电压变化,使也发生变化.直流反接:电弧电压和熔化系数变化最小.交流:处于中间状态.（5）脱渣性脱渣性:焊后熔渣从焊缝表面清除的难易程度。影响因素:•①熔渣的线膨胀系数和松脆性：•金属与熔渣的膨胀系数相差越大,收缩不同产生内应力越大,脱渣性好,钛型焊条,脱渣性最好,低氢型焊条脱渣性最差.•疏松度:指渣中孔隙所占的面积的百分数。•对于角焊缝,深坡口底层焊缝,熔渣夹在钢板之间,脱渣困难,渣的硫松度影响很大，渣越松脆,越易脱。钛型焊条疏松度不如氧化铁型及钛铁矿型,在角焊缝及深剖口中脱渣,以氧化铁型,钛铁矿型为好。钛钙型渣松脆。CaO是黄白色质松而不脆，CaF２多,色黑而硬,均不利于脱渣。②熔渣氧化性•熔渣氧化性太强,脱渣难。•原因是:•A氧化性太强,使焊缝表面氧化,生成氧化膜（FeO）。•FeO晶格结构体心立方，焊缝金属：α—Fe体心立方.•BFeO晶格与α—Fe搭接→冶金结合→脱渣难•C熔渣中尖晶石型化合物Al2O3、Cr2O3、等形成体心立方晶格结构的尖晶石型化合物。•D尖晶石化合物与FeO晶格结合，使之很难脱渣，FeO膜相当胶粘剂，连接焊缝金属与熔渣。（6）焊接烟尘气体的毒性分为两种一种是细微的蒸发锰产生的毒性,称为锰中毒.另一种是氟中毒,即当药皮中含有大量莹石时,在焊接过程中会有HF气体析出,这种毒气作用较快,亦有人认为,不是HF而是NaF、KF更易使人中毒致病.改善方法•a减小发尘量•b减小尘中致毒物质数量具体措施:•①减少药皮中萤石的含量•②减小水玻璃•③减少电弧的过热程度.（7）药皮发红问题•指焊条焊列后半段时,由于焊条药皮温升过高而发红,开裂脱落的现象,JXX1、JXX2导热性差,导电性好,不锈钢最为严重.解决办法:提高电弧能量↑,减少熔化时间,减少电阻热.加入发热剂,促进药皮熔化.例JXX4。2）冶金性能•对焊缝金属的净化和合金化•五大害元素如何来的？又如何去的？•N、H、O、S、P•在化学冶金中要重点学习的内容。1.1.2焊丝药芯焊丝1、焊丝的分类1）按照适用的焊接方法埋弧焊焊丝、CO2焊焊丝、钨极氩弧焊焊丝、自保焊焊丝及电渣焊焊丝2）按照焊丝的形状结构实心焊丝、药芯焊丝3）按照适用的金属材料低碳钢、低合金钢焊丝、硬质合金堆焊焊丝，以及铝、铜与铸铁焊丝等2、焊丝的型号和牌号1）焊丝的型号2）焊丝的牌号3、实芯焊丝1)埋弧焊用实心焊丝1.低锰焊丝含Mn0.2%~0.8%2.中锰焊丝含Mn0.8%~1.5%3.高锰焊丝含Mn1.5%~2.2%4.Mn—Mo焊丝含Mn1%以上2)CO2焊实心焊丝C-Mn-Si合金系：Si-Mn联合脱氧3）其他用途的实心焊丝（1）电渣焊焊丝（2）氩弧焊焊丝：TIG与MIG（MAG）焊丝成分的不同：TIG：保护好，可选用与母材同质、同成分MIG（MAG）：氧化性↑，加脱氧剂。TIG：141MIG：131MAG：1354、药芯焊丝1）药芯焊丝的分类（见教材）：P33（1）按其外层结构分（2）按其内部填充材料分（3）按照渣的碱度分（4）按是否使用保护气体要求：了解2)药芯焊丝的特征•（1）焊接飞溅小•（2）焊缝成形美观•（3）熔敷速度高于实心焊丝•（4）可进行全位置焊接•焊接位置：PA、PB、PC、PD、PF、PG1.1.3焊剂1、焊剂的类型和质量要求•焊剂和焊丝都是埋弧焊、电渣焊时使用的焊接材料。焊剂相当于焊条药皮，焊丝相当于焊条药芯。•埋弧焊、电渣焊焊剂多用于焊接钢，少数用于焊接有色金属。钢用焊剂分类1）按制造方法分类(１)熔炼焊剂(２)非熔炼焊剂2）按焊剂化学成分分类(1)按氧化物性质分(2)按SiO2含量分(3)按MnO含量分(4)按CaF2含量分按SiO2含量分a.高硅焊剂：焊剂含SiO230%b.中硅焊剂：焊剂含SiO210～30％c.低硅焊剂：焊剂含SiO210%按MnO含量分•a、高锰焊剂：含氧化锰MnO30%•b、中锰焊剂：含MnO15—30%•c、低锰焊剂：含MnO2—5%•d、无锰焊剂：不加MnO，焊剂中MnO是混入的杂质MnO2%按CaF2含量分a、高氟焊剂：含CaF230%b、中氟焊剂：含CaF210-30%c、低氟焊剂：含CaF210%3）按焊剂化学性质分(1)氧化性焊剂(2)弱氧化性焊剂(3)中性焊剂4）按焊剂熔渣的酸碱度（1）酸性焊剂（2）中性焊剂（3）碱性焊剂5）按焊剂颗粒结构分••(1)玻璃状焊剂•(2)结晶状焊剂•(3)浮石状焊剂6）焊剂的质量要求（P36）•（1）冶金性能•（2）工艺性能•（3）颗粒尺寸和强度•（4）水分和杂质2、焊剂型号和牌号编制方法•F4A0–H08A焊丝牌号熔敷