焊接物理 孙俊生

第一章焊接材料：焊接过程中的各种填充金属及为了提高焊接质量而附加的保护物质焊接材料应具有的性质：1.保证电弧稳定燃烧和焊接熔滴顺利过渡。

2.保护液态熔池金属，防止空气入侵。

3.进行冶金反应和过渡合金元素，调整和控制焊缝金属成分和性能。

4.防止气孔等缺陷产生。

5.改善焊接工艺性能，保证质量前提下尽可能提高焊接效率熔渣：焊接过程汇总受热熔化后经过一系列化学冶金变化形成覆盖于焊缝表面的非金属物质熔渣的作用：1.机械保护作用：隔绝空气，防止高温金属氧化，减缓冷却速度。

2.冶金处理作用：去除杂质，保护或渗入有益合金元素，提高焊缝性能。

3.改善焊接工艺性能：稳弧，减少飞溅，焊缝成形美观，易于脱渣。

熔渣按成分分为：1.盐型熔渣2.盐-氧化物型3.氧化物型造渣温度（药皮熔点）：焊条药皮的熔化温度,而熔渣的凝固温度则是指熔渣转变为固态的温度。

通常药皮的熔点总是高于熔渣的凝固温度(一般要求药皮熔点比焊芯熔点低150~250℃。

) 药皮熔点的高低取决于药皮组成物的种类及其粒度，药皮组成物的熔点越高、粒度越大，药皮的熔点也越高。

药皮熔点过高，焊条末端形成“套简”较长，焊接时易断弧，或药皮成块脱落，失去保护作用或落入熔池形成夹渣。

药皮熔点过低则熔化过早熔渣稀易流失，失去保护作用。

同时，熔点过低，形成“套简”太短或不形成，立焊时易与铁板粘连。

熔渣的凝固温度过高，很快凝固，影响冶金反应充分进行，甚至造成焊缝成型不良气孔等缺陷，难脱渣。

焊缝表面麻点。

第三章焊条的原材料包括焊芯和药皮原材料焊条药皮中加入铁合金和纯金属的目的：1.进行脱氧、脱氮、脱硫等反应，净化焊缝金属。

2.对焊缝金属进行合金化，改善其组织和力学性能。

脱氧反应：加入对O亲和度大于铁的元素，Mn,Si,Ti,Al,C和稀土等，与FeO反应，常用硅锰，C慎重（产生CO），铝生产AL2O3熔点高夹杂飞溅，少用，Ti先期脱氧，细化晶粒，改善韧性，不宜过多。

先期脱氧，沉淀脱氧，扩散脱氧脱氮：气-渣联合保护，防止空气中N2入侵，亲和力大元素，Zr,Ti,Ce,Al,B,V,Cr。

脱硫：FeS，酸性焊条元素脱硫，碱性，元素+熔渣脱硫，Ce,Ca,Mg,Mn。

将液态金属中的S转变为不溶于液态金属的物质，随熔渣或经熔渣逸出，提高Mn保证效果，但有限度，MnS可能形成夹杂物。

稀土元素和精炼脱硫剂有良好效果，脱硫产物即使来不及析出也可变为细小夹杂改善韧性和塑性。

严格控制S来源是关键。

合金化：目的：补偿合金元素烧损蒸发+满足成分设计要求，改善组织性能。

方式：通过焊芯或药皮。

机理：焊接熔化，元素溶解过渡；药皮：液态金属与液态熔渣界面过渡。

合金元素过度系数：焊接材料的合金元素过渡到焊缝金属中的数量与其原始含量的百分比。

（P20）过度系数影响因素：1合金元素物理化学性质（合金元素的沸点越低，其蒸发损失越大，过度系数越小。

合金元素对氧的亲和力越大，其氧化损失越大，过度系数越小。

）2含量（随着药皮或焊剂中合金元素含量的增加，其过渡系数逐渐增加，最后趋于一个定值。

）3合金剂颗粒度（增加合金剂的粒度，其表面积和氧化损失减少，而残留损失不变，故过渡系数增大。

但粒度过大，则不易熔化，过度系数减小。

）4药皮成分（药皮或焊剂的氧化势越大，则合金过度系数越小当合金元素及其氧化物在药皮中共存时，能够提高该元素的过渡系数。

）5药皮重量系数和焊接工艺参数（药皮重量系数增加，过度系数减小）焊条药皮重量系数：药皮与焊芯的重量比检验方法：经验法；简易化学方法：盐酸法，茜素红法，蓝墨水法，钼酸铵法，双氧水法，石英只溶于HF，钾长石不溶于盐酸，硝酸，硫酸矿物中水的存在形式：自由水，结晶水，结构水熔合比（稀释率）：焊缝金属中局部熔化的母材质量所占焊缝金属质量的比例。

第四章焊条的规格：焊芯的直径，2,2.5,3.2,4,5，单位mm焊条设计原则：技术上必须可靠，制造上必须可行，经济效益好，卫生指标先进。

设计依据: 1依据被焊母材的化学成分、机械性能或其他特殊要求2依据被焊工件的工作条件要求3依据施焊现场设备和施工条件4依据电焊条制造工艺要求。

焊条药皮作用：稳弧，造渣，造气，脱氧，合金化，粘结剂和成型稳弧剂：焊条药皮中加入的稳定电弧的组分，LiKNaBaCa 等碱金属，碱土金属化合物和金属矿物，碳酸钾，长石，云母，菱苦土，大理石。

造渣剂（P37）：形成，熔化状态与熔渣凝固温度范围（一章）、粘度、表面张力对成型影响（后附），脱渣性（后附），飞溅造气剂：焊接时形成一定量气体隔绝空气保护焊接区的物质脱氧脱硫剂与合金剂：1.脱氧，选用原则（脱氧剂与氧的亲和力大于Fe ；脱氧产物稳定且易上浮进入熔渣，不形成夹杂；有利于提高焊缝金属的综合力学性能；价格便宜；简化焊条制造工艺，压涂方便；还应考虑熔渣组元对脱氧反应的影响，例如，含SiO2、TiO2高的熔渣不宜采用硅铁和钛铁脱氧，而采用锰铁脱氧，可形成碱性氧化物MnO ，易与酸性氧化物SiO2等形成复合化合物进入熔渣，取得良好的脱氧效果。

）2.脱硫3.合金化粘结剂：为把药皮材料涂覆到焊芯上，并使药皮具有一定强度，加入的粘结力强的物质，水玻璃（钾、钠或钾钠混合）指标：模数，浓度，粘度成型剂：焊条药粉中加入的使药皮具有一定塑性、弹性和流动性便于压制时使焊条表面光滑而不开裂的材料，白泥、云母、钛白粉，糊精等。

合金元素的强化方式：固溶强化，析出强化，细化晶粒强化固溶强化：合金元素溶于铁素体，使其硬度和强度升高，Cr,Mn,Ni 一定程度上可同时改善韧性析出强化：利用铁素体中有限固溶元素，CBCuMoTiNbVN 等，熔池结晶和冷却中析出碳化物，氮化物及金属间化合物，提高硬度和强度。

细晶强化：加入Ti,Zr,Al,V,B,Mo 及稀土元素，通过细化晶粒，提高焊缝金属强度和韧性元素作用：Mn-Si 系中，C 提高强度降低塑性韧性，且会有CO 气孔。

Mn 提高强度+脱硫，一定范围内改善韧性和塑性。

Si 提高强度+脱氧。

少量Ni 和稀土改善韧性和抗裂性能。

Nb 对低合金高强钢焊缝韧性不利。

Ti 对改善塑性韧性有利。

B 与N 结合为BN 脱氮，B 细化晶粒，抑制γ晶间先共析铁素体的析出，提高抗裂性，减少氢脆。

低碳钢和低合金高强钢加入少量Cu ，Cr ，P ，Ni,Mo,Al,Ti,Zr 可有效提高耐大气腐蚀能力。

熔渣的粘度和表面张力对焊缝成型的影响：在焊接温度下，熔渣粘度越小，流动性越大，熔渣也愈活泼，冶金反应进行得愈充分。

粘度过小，则会造成淌渣，渣不能全部覆盖，减弱冶金反应进行并失去对金属的保护作用。

若渣过粘，亦会使冶金反应缓慢，焊缝成型变差。

熔渣表面张力及其与温度的关系，对焊缝表面成型也有很大影响。

液态熔渣表面张力以0.3~0.4N/m 为好，温度下降时能迅速增大，保证熔渣在液态时能均匀覆盖熔池表面，而熔池冷却结晶时，急剧增大表面张力，约束焊缝成型。

焊条的脱渣性：焊缝表面的熔渣焊后是否容易除去，是评定焊条(或焊剂)质量的主要指标之一。

脱渣困难，会显著降低生产率，尤其是多层焊和连续自动堆焊更为明显。

脱渣不净还容易造成焊缝夹渣等缺陷。

影响脱渣性的主要因素有：熔渣的线膨胀系数、熔渣的氧化性与松脆性，以及焊接工艺条件等。

长渣：熔渣粘度随温度升高而下降，通常碱度小的熔渣，粘度随温度变化的速率较小短渣：碱度大的熔渣随温度升高粘度急剧下降，即粘度随温度变化的速率较大分子理论：以凝固熔渣的相分析和化学分析结果为依据。

液态熔渣由化合物的分子组成。

酸、碱性氧化物形成符合物时符合质量作用规律。

只有渣中自由氧化物才能参与和金属的反应离子理论：在研究熔渣电化学性质的基础上提出的。

液态熔渣由阴阳离子组成，熔渣溶液呈电中性。

熔渣与金属的作用过程是金属原子与熔渣的离子交换电荷的过程碱度：焊接熔渣中碱性氧化物质量分数的总和与酸性氧化物质量分数总和的比值钛钙型焊条E4303（J422）P49主要控制CMnSiSP 等，酸性渣系。

大理石，菱苦土，白云石分解出碱性氧化物和CO2，气渣联合保护，调节碳酸盐可调节熔渣流动性脱氧剂中碳锰铁，E4303酸性渣，SIO2多，故不用硅铁，只有药皮中加入大量钛铁矿时，氧化性增强，需要提升脱氧能力，改用钛铁。

有机物主要作用造气，并可改善焊条的涂鸦性、引弧性和稳弧性，也有一定脱氧作用。

白泥有很好的粘性和塑性，云母和白土子有很好的弹性、滑性和吸水性，在焊条干燥过程中有良好的透气性。

还原铁矿价格低，加入TIO2)ZrO T iO O Al (005.0SiO 017.0)FeO MnO (007.0)O K O Na (014.0MgO 015.0CaO 018.022322221++++++++=B同时又相当于加入铁粉，改善焊条工艺性能，提高产品质量低氢型焊条E5015（J507）大理石氟化物比例过大则电弧吹力过大，熔渣较粘，飞溅大，成型差，氟化物过小过小，去氢能力不足，比值小则药皮套筒太短，造气不足，电弧吹力不够，电弧不稳，飞溅大。

大理石、萤石和石英为造渣造气剂，钛铁是主要脱氧剂，脱氧产物TIO2有较强稀渣作用，用量较大时成型美观。

低度硅铁除脱氧外还向焊缝过渡硅，两大时飞溅增多，熔渣流动性差，成型变差。

锰铁脱氧+过渡合金元素，过量使熔渣碱度增大，流动性降低，成型不良脱渣困难。

加入纯碱可增加涂料滑性，改善压涂性能，但不宜过多。

加入在300°左右会发碳化有机物（羧甲基纤维素，改善压涂性能。

改用高模数M3.0~3.3低浓度水玻璃改善压涂性能。

稳弧途径：K2CO3，MgF2,CsCo3或铝粉，铁粉+铝镁合金稳弧。

降低药皮熔点，采用双层药皮。

改进脱渣性：提高熔渣线膨胀系数，形成松脆多空的熔渣。

提高引弧性：对焊芯端部特殊加工，减少有效面积，提高电流密度；调整药皮配方；采用管状焊芯制造焊条等。

常用引弧端涂引弧剂：1导电物质2阻止引弧处焊缝金属增加碳的氧化剂3可燃性的有机物4粘结剂降氢途径：严格控制氢的来源，提高焊接冶金的去氢能力1）控制药皮的含水量：尽可能不用或少用焊结晶水的材料，如白泥、云母等。

不得不使用时须经烘焙或化学处理。

对活性较大的铁合金需钝化处理，干法钝化。

粘接剂使用高模数低浓度的钠或钾钠混合水玻璃。

适当提高焊条烘干温度和药皮抗吸潮能力。

2）提高焊接冶金去氢能力：加入CaF2和CaCO3的同时加入少量其他氟化物如Na2SiF6等；用MgCO3代替部分CaCO3；适当加入活性氧化剂如氧化铁等；加入微量元素如Tl,Se,Te及RE等，均可提高焊接冶金去氢能力，有效降低荣福谨慎的扩散氢含量。

降尘、降毒途径：降低萤石配比，以镁代钾，降低钾钠水玻璃用量，控制药皮厚度和药皮成分的配比提高韧性途径（P56）：1提高熔渣碱度2控制合金元素达到最佳含量焊条型号：以国家标准为依据，反应焊条主要特性的一种表示方法。