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《电弧焊基础》第七章埋弧自动焊SAW•7.5.1SAW焊接材料•焊剂埋弧焊用焊剂对焊接操作性能、焊缝金属的性质有很大的影响，其作用有如下几点：1）产生气和渣，保护电弧和熔池，防止焊缝金属的氧化、氮化；2）稳定电弧；3）脱氧、补充合金元素并防止烧损；4）焊缝整形；5）减少气孔和裂纹等缺陷。焊剂的基本要求：1.杂质元素P、S要少；2.对油、锈、水等不敏感；3.要有合适的熔点和粘度（流动性）；4.要有良好的脱渣性；5.不应析出有害气体；6.要有合适的粒度，颗粒具有合适的强度便于回收利用；7.吸湿性要小。7.5SAW焊接材料及冶金原理•焊剂通常是根据制造方法、成分体系、焊缝金属性能或根据用途等进行分类。按制造方法分：熔炼焊剂、非熔炼焊剂（烧结焊剂、粘接焊剂）熔渣化学特性分：碱性、中性、酸性焊剂成分分类：无锰型、低锰型、中锰型、高锰型•熔炼焊剂：原料在炉中熔化（1500-1600℃），经过碳酸盐分解、高价Mn还原成MnO并与SiO2形成硅酸盐以及硫酸烧损等系列化学反应后，迅速倒入室温水中使焊剂成为颗粒状（水化处理，湿法）或用压缩空气将熔融的焊剂吹成小颗粒（干法）。也可干湿法混用，但水化后应烘干，水份不超过0.1%。熔炼焊剂在熔化后急速冷却，通常呈玻璃状。其特征有如下几点：(1)焊缝外表美观；(2)不易吸湿，通常在使用前可以不干燥；(3)未熔化的焊剂可以重复使用；(4)电流不同，采用的焊剂粒度不一样。•粘接焊剂、烧结焊剂：在焊剂中加入大量的合金元素和变质剂，通过接合剂制成颗粒状（粘接焊剂），进行烘烤或烧结（烧结焊剂）。有利于改善焊缝的组织和性能，克服熔炼焊剂脱氧不完全、不能大量渗合金的缺点。其特征有如下几点：(1)大电流下的焊接操作性良好，适合于厚板高生产率焊接；(2)焊缝金属的性能特别是冲击韧性优良；(3)容易填加合金元素，比如采用低碳钢焊丝，通过改变焊剂即可对低合金钢进行焊接；(4)与熔炼焊剂相比，消耗量少，经济性好；(5)从小电流到大电流，可以采用同一粒度的焊剂进行焊接。•机械混合焊剂•粘接焊剂制造简单、成本便宜、节省能源，国外大量使用，国内使用很少，个别企业自用自配。国内大多使用熔炼焊剂。•焊剂的种类、焊剂的成分对焊缝形状有影响，最为明显的是熔炼焊剂与烧结焊剂的差别，通常熔炼焊剂熔深更大。•熔炼焊剂有各种粒度，对粒度的选择应与焊接电流相适应。如果大电流下使用粗粒度焊剂，后方的波纹会很粗，外观不好。如果小电流下使用细粒度焊剂，气体的放出不顺利，焊缝尺寸不均，容易产生气孔。通常使用粗粒度焊剂可以得到熔深大、熔宽窄的焊缝；使用细粒度焊剂，可以得到熔深浅、熔宽大的焊缝。(a)熔炼焊剂(b)烧结焊剂•按酸碱性分类：通常用碱性度作为衡量熔渣碱性、酸性的尺度：碱性度B1＝碱性成分的重量总和(CaO,MgO,MnO,FeO,Na2O的重量％)/酸性成分的重量总和(SiO2,TiO2,Al2O3的质量％)碱性度B2＝碱性成分摩尔率的总和/酸性成分摩尔率总和碱性度B3＝(各成分的摩尔率×碱性系数)的总和B3是过碱性表示法，通常用BL作记号，计算式如下：BL＝6.05nCaO―6.31nSiO2―4.97nTiO2―0.2nAl2O3＋4.8nMnO＋4.0nMgO＋3.4nFeO式中：n代表各成分的摩尔率。当BL0时呈碱性，当BL0时呈酸性。酸性焊剂工艺性好，但氧化性强，合金元素烧损大，去除有害元素能力较差；碱性焊剂氧化性弱，能去除部分杂质元素，焊缝力学性能好，一般用于高强、高韧钢的焊接，但工艺性差、易吸潮。一般焊剂使用前必须250℃烘干，并保温1-2h；直流焊剂，需300-400℃烘干，并保温2h，烘干后立即使用。•(1)SiO2-CaO-MgO系：组成为SiO2：50%，CaO：30%，MgO：10%，是典型的酸性焊剂。与高锰焊丝组合，用于低碳钢的焊接。大电流下的操作性良好，对铁锈不敏感。向焊缝金属中过渡的Si较多，但不适合多层焊。•(2)SiO2-MnO系：组成为SiO2：40%～45%，MnO：40%～45%，与低锰焊丝到高锰焊丝组合，用于低碳钢、50公斤级高强钢的焊接。该焊剂熔化温度低、流动性好，适合于高速焊及角缝焊接。MnO/SiO2比小于1的组成，对锈铁不敏感，不易产生气孔。该体系中成轻石状、比重小的用在水平角焊缝的焊接中，操作性及熔渣剥离性良好，焊剂的消耗量也少。•(3)SiO2-MnO-CaO-CaF2系：组成为SiO2：40％，MnO：20％，CaO：20％，与各种焊丝组配，用于从低碳钢到80公斤级高强钢、低温用钢、耐热钢的焊接，焊缝性能特别是冲击值优良。•(4)SiO2-CaO-MgO-Al2O3系：组成为SiO2：30％，CaO：30％，MgO：15％，Al2O3：15％，用于低合金耐热钢厚板的焊接。典型的碱性焊剂，进行厚板焊接时，抗裂纹性能优良，焊缝金属的强度、韧性较高。•(5)MnO-SiO2-TiO2系：与高锰焊丝组配，用于板厚1.2～3.2mm的薄板高速焊接。熔渣的剥离性及焊缝外观良好。•焊剂的散布方法•焊剂散布方式有散布到电弧的前方和与焊丝同轴散布两种，小电流焊接、熔池较小情况下，两种散布方法都是可以的，焊接上不会产生问题。但在厚板大电流焊接时，以把焊剂散布到电弧的前方为好，如果采用与焊丝同轴散布方式，落下来的焊剂直接压到熔池上面，所形成的焊缝不均匀，不能得到良好的结果。•如果焊剂散布量过多，气体的放出是间断的，也容易形成不均匀焊缝、气孔等。•焊丝埋弧焊用的焊丝，应根据所焊钢材的类别及对接头性能的要求加以选择，并与适当的焊剂配合使用。低碳钢和低合金高强钢焊接应选用与母材强度相匹配的焊丝；耐热钢和不锈钢的焊接应选用与钢材成分相近的焊丝。焊丝直径及使用电流范围(低碳钢、低合金钢焊丝）焊丝直径/mm1.21.62.02.43.24.04.86.47.9电流范围/A200～350250～400250～500300～600350～800450～900500～1400700～18001000～•焊丝与焊剂的组配焊丝与焊剂的组配对埋弧焊焊缝金属的性能有着决定作用：低碳钢的焊接可选用高锰高硅型焊剂，配用H08MnA焊丝，或选用低锰低硅型焊剂配用H08MnA、H10Mn2焊丝。低合金高强钢的焊接可选用中锰中硅型焊剂，配用适当的低合金高强钢焊丝。耐热钢、低锰钢、耐蚀钢的焊接可选用中硅过低硅型焊剂，配用相应的合金钢焊丝。铁素体、奥氏体钢一般选用碱度较高的焊剂，以降低合金元素的烧损及掺加较多的合金元素。7.5.2SAW焊接冶金•SAW一般冶金特点：1.焊缝韧性高（与MAW相比）：埋弧焊隔绝空气效果要优于焊条，焊缝金属含氮量为0.002％，约为MAW1/10，尽管焊缝铸造组织更加明显，但韧性仍然较高；2.冶金反应更充分，熔池存在时间是MAW的几倍，加强了液态金属与熔渣之间的反应，气孔、夹渣更容易浮出；3.SAW单位时间内熔化的焊剂和金属的数量比较固定，其焊缝化学成分更加稳定。焊缝化学成分与熔池中熔渣与金属的的比例有关。•SAW冶金主要是四方面的问题：1.向焊缝补充合金元素，主要是Si、Mn还原反应及向焊缝金属的过渡；2.保证一部分C的氧化；3.减少S、P含量，防止热裂和冷裂；4.脱H，防止H气孔。•1.Si、Mn还原反应及向焊缝金属的过渡•1）.化学平衡理论:假设熔渣处于电中性分子状态,主要考察Si、Mn的氧化反应和还原反应。Si的反应(SiO2)＋[Fe]＝[Si]＋2(FeO)K’SiO2＝[%Si]·(%FeO)2/(%SiO2)[..]表示熔化金属中的成分；(..)表示熔渣中的成分。K’SiO2:平衡常数，与温度、熔渣的碱性度有关,温度越高数值越大；碱性度越大，数值越小，在一定温度下是恒定数。熔渣中的SiO2越多，上式的反应越向右边进行，促使一部分SiO2被还原，Si进入熔化金属。•Mn的反应(MnO)＋[Fe]＝[Mn]＋(FeO)K’Mn＝[%Mn]·(%FeO)/(%MnO)在一定温度下，K’Mn也是恒定数，但受熔渣的碱性影响不大。当熔化金属中的Mn含量较少、熔渣中的MnO较多时，反应向右进行，促使Mn从熔渣中还原出来进入熔化金属。•2.离子理论：假设熔渣解离成离子2(SiO2)＝(SiO44-)＋(Si4+)(Si4+)＋2[Fe]＝[Si]＋2(Fe2+)Si从SiO2还原出来，并进入熔化金属中，而铁(Fe)被氧化进入熔渣。当熔渣中含有的O2-离子不足时，Si就向熔化金属中过渡。(Mn2+)＋[Fe]＝[Mn]＋(Fe2+)Si和Mn的反应是同时进行的，带有高价电荷的阳离子Si4+的反应更为强烈。类似：化合价降低的为还原，化合价升高的为氧化焊剂430及渣的化学成分化学成分％SiO2MnOCaOMgOAl2O3FeOCaF2焊剂43042.445.01.90.51.50.68.2渣38.543.01.70.451.34.76.05焊剂变成熔渣后化学成分起了变化，SiO2、MnO含量都降低，FeO增加，说明焊剂中的SiO2、MnO在焊接时被还原，并以Si、Mn形式过渡到焊缝中去。•熔滴过渡过程中，弧柱中Si、Mn还原反应最为剧烈，其次是焊丝端部，再次是熔池前部。•在熔池的后部，接近结晶温度时，Si、Mn还原反应向左进行，已经还原出来的Si、Mn由于残留在熔池中的FeO反应，重新生成SiO2、MnO并最终以硅酸锰的形式进入熔渣，同时使熔池脱氧，但这种低温反应比较缓慢，且熔池中的FeO仅仅是高温反应残留的一小部分，因此综合效果是Si、Mn从焊接中向焊缝中过渡。•影响Si、Mn过渡的因素•焊剂成份：采用SiO2含量为15-20％的焊剂和不含Si的低碳钢焊丝焊接时Si不过渡，当含量增加到40-50％时，过渡率增加到0.1-0.12％；MnO含量10％时（SiO2含量为42-48％）Mn会烧损，增加到25-30％，过渡量显著增加，继续增加MnO含量意义不大。注意：MnO含量相同的两种焊丝，SiO2含量高的焊丝，Mn的过渡量小，下列反应易向右进行：SiO2+2Mn＝Si+2MnO同时SiO2含量增高，渣的粘度增大，MnO向熔池界面扩散的速度降低，妨碍其还原。•焊丝和母材中Si、Mn原始浓度：熔池中Si、Mn原始浓度越低越能促进其过渡，反之则阻碍过渡甚至造成烧损。熔滴中的Si、Mn还原反应远比母材金属激烈，同等质量下比母材金属过渡的量高。因而焊缝中焊丝金属的质量分数越大，过渡的Si、Mn越多。•焊剂碱度：碱度的提高促进Mn的过渡而抑制Si的过渡。碱度的提高既CaO、MgO等强碱性氧化物增加，替换出MnSiO3（MnO-SiO2）一部分MnO。使自由的MnO增多而自由的SiO2减少。•焊接规范：小电流时，大滴过渡，熔滴存在时间长，加之母材稀释率低，Si、Mn过渡多；适当提高电弧电压，焊剂熔化的多，Si、Mn过渡多。•2.C的氧化•焊剂不含碳，只能从焊丝和母材中进入熔滴和熔池，高温时C与O的亲和力比Mn还大，焊丝中的C在熔滴形成与过渡过程中，也发生非常剧烈的氧化反应，当熔滴进入熔池之后，还与母材中的C一起继续氧化生成CO，适当提高液态金属中Si的含量能抑制C的氧化，但Mn与O亲和力小于C没有这种作用。•适当提高C的含量，可以生成大量CO，反应剧烈，对熔池的搅拌作用加强，熔池中的气体容易析出，有利于防止H气孔。如果焊剂粒度选择不当，可能产生CO气孔，但SAW氢气孔是主要问题。•3.S、P的限制S会引起热裂纹，P会造成冷脆，焊剂中S、P要限制在0.1％以内。•4.脱H，防止H气孔H气孔是SAW焊接一种主要缺陷，防止途径主要有两条：•杜绝H的来源，焊前注意清理，去除油、水、锈等；•化学反应脱H。CaF2和SiO2脱H：CaF2+SiO2＝2CaSiO3+SiF4CaF2＝CaF+FSiF4电弧高温分解：SiF4＝SiF3+3FH+F＝HFH、O反应脱H：生成不溶于液态金属的OHMnO+H＝Mn+OHMgO+H＝Mg+OHCO2+H＝CO+OHSiO2+H＝SiO+OH7.6SAW焊接现象•7.6.1SAW是电弧焊而不是电阻焊的证