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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： E4303 43 kg 级钛钙型，交直流两用，全位置焊。 E5015 50kg 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）422 42 kg 级，钛钙焊条； J（结）507 50 kg 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3050%。 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0.30.55%。,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（Na2OSiO2、K2OSiO2）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CaCO3CaO + 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（Na2OSiO2、K2OSiO2）。 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21）。,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/(Ah) 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 + MnS FeS + 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27）。,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B11.86，属碱性渣。 焊接时气相成分见表112。,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Ti CO2 + Si SiO2 + CO CO2 + 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 + CaSiO3 SiF4 + H SiF + HF CaF2和水玻璃脱氢： Na2O nSiO2 + H2O NaOH + nSiO2 NaOH + CaF2 Ca(OH)2 + NaF NaF + 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4001000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 k 27J 时的温度 与焊剂匹配的焊丝 （表215） 0否，1是 例如：HJ 4 0 3 H08 MnA b410550 焊后不处理 30时k27J,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217） （表218） 例如： HJ 2 6 0 低锰 高硅中氟 （2）烧结焊剂 SJ 渣系 同一渣系不同牌号 例如： SJ 3 01 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26）。 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27）。,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：Mn 1.5% 1.9%，如H08M2； 2）高硅中锰焊剂配中锰焊丝：Mn 1%，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 k27J的温度 k47J的温度 （见表22