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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 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 P 0 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 P为单位时间内单位电流熔敷在焊件上的金属重量 P g A h 考虑到飞溅损失 真正焊接生产率是熔敷系数 H H P 1 式中 损失系数 7焊条的熔化速度 P 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 1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 J422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 J422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 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 焊剂中含SiO2 MnO FeO等活性氧化物较少 对焊缝金属有弱氧化作用 焊缝的含氧量也较低 如低锰 高硅 中氟HJ260焊剂 3 惰性焊剂 基本不含SiO2 MnO FeO等氧化物 由Al2O3 CaO MgO CaF2等组成 对焊缝没有氧化作用 用于焊接高合金钢 如不锈钢 焊剂的分类 焊剂的分类图 1焊剂型号 焊剂 焊丝HJ H 拉伸性能是否热处理 k27J时的温度与焊剂匹配的焊丝 表2 15 0否 1是例如 HJ403 H08MnA b410 550焊后不处理 30 时 k 27J 二 焊剂型号和牌号 1 1 熔炼焊剂HJ 锰含量硅钙含量顺序号 表2 17 表2 18 例如 HJ260低锰高硅中氟 2 烧结焊剂SJ 渣系同一渣系不同牌号例如 SJ301硅钙系 2焊剂牌号 1 具有良好的冶金性能 根据被焊金属选择焊剂和焊丝 制定合理的焊接工艺 以获得适宜的焊缝化学成分 力学性能 有较强的抗气孔 抗裂纹能力 2 有良好的工艺性能 电弧燃烧稳定 焊缝成形良好 脱渣容易 产生的毒气少 3 粒度适中 过粗保护不好 过细透气性不好 4 含水量低 夹杂物少 思考题 用过的熔炼焊剂是否可粉碎再用 三 对焊剂的质量要求 1熔炼焊剂 1 高硅焊剂SiO2 30 焊剂能向焊缝过渡硅 图2 6 根据焊剂中含的MnO数量的不同 焊剂分高锰 中锰 低锰和无锰 含MnO时有向焊缝过渡Mn的倾向 图2 7 四 焊剂的性能及用途 高硅焊剂配的焊丝根据MnO量多少而定1 高硅无锰或低锰配高锰焊丝 Mn1 5 1 9 如H08M2 2 高硅中锰焊剂配中锰焊丝 Mn1 如H08MA 3 高硅高锰焊剂配低碳钢焊丝 Mn0 4 如HJ431配H08A焊丝 高硅焊剂 SiO2量较少 CaO MgO多 碱度高 属弱氧化焊剂 焊缝的韧性较好 可用于合金钢焊接 由于中硅焊剂焊缝的含氢量高 不利于高强钢焊接 有的中硅焊剂加FeO 虽然提高了焊剂的氧化性 但能降低含氢量 2 中硅焊剂 由CaO Al2O3 MgO CaF2组成 属无氧化焊剂 可配合相应焊丝焊接高合金钢 如不锈钢 热强钢等 3 低硅焊剂 有烧结焊剂和粘结焊剂 陶质焊剂 低温烧结焊剂 可用于焊接碳钢 高强钢和高合金钢或堆焊 烧结焊剂的特点 1 碱度高 易得到高质量焊缝 冲击韧性好 2 抗锈能力强 有一定的氧化气体 掺有合金脱氧剂 3 适合大规范焊接 焊接效率高 4 缺点是易吸潮 易碎 回收率低 重复使用率低 2烧结焊剂 一 分类1按焊接方法和用途分 埋弧焊丝 CO2焊丝 Ar弧焊丝 药芯焊丝 钎焊丝 气焊丝等 2按焊丝形状分 实芯焊丝 药芯焊丝等 3按焊丝成分分 低碳钢焊丝 合金钢焊丝 铝焊丝 铜焊丝等 第三节焊丝 1药芯焊丝型号EF 焊接位置分类代号 b k 27J的温度 k 47J的温度 见表2 23 见表2 24 二 焊丝型号与牌号 1 实芯焊丝牌号H 元素 碳含量元素含量A优质 E高级例 H08Mn2SiA 2 药芯焊丝牌号Y J 同焊条 保护方法 1气保 2自保 3两用 4其它 2焊丝牌号 1埋弧焊用焊丝 1 低锰 Mn1 Mo0 3 0 7 焊接强度较高的低合金钢 三 实芯焊丝 因CO2氧化性强 合金元素烧损严重 必须添加合金 并要脱氧 一般采用Mn Si联合脱氧 2CO2焊丝 CO2焊的飞溅问题 1 CO2是短路过渡 瞬时电流很大 2 焊接设备的动特性不好 为了解决CO2焊飞溅问题 可在CO2气体加Ar或氧组成混合气体 以细化熔滴 药芯焊丝特点 1 药粉不易潮解 2