常用焊接材料

第三章　常用焊接材料

焊接操作时，为了获得合格的焊接接头质量，常要采用一些材料来填充焊缝或起保护作用，这些材料称为焊接材料，常用的焊接材料有焊条，焊丝，焊剂、保护气体等。本章分四节来说明这些焊接材料。

一、焊条

焊条是焊条电弧焊时采用的填充材料。

(一)焊条的组成

作为一种最常见的焊接材料，焊条由焊芯和药皮两部分组成，如图3－1。

图3－1　焊条的组成
1－药皮;2－焊芯;3－夹持端

1．焊芯

焊芯是一根具有一定直径、一定长度的金属丝。它有两个作用，一是传导焊接电流，产生电弧把电能转换成热能;二是在焊点熔化后作为填充金属与母材金属熔合形成焊缝。

按照国家标准，用来制造焊芯的钢丝分为碳素结构钢、合金结构钢、不锈钢钢丝三种，采用这三种不同钢丝作为焊芯可做成相对应的焊条。

焊条的规格以焊芯的直径来表示，焊条的长度与焊芯的直径相匹配。表3－1列出了其二者之间的关系。

表3－1　碳素钢焊条焊芯的尺寸　　单位:mm

2．药皮

1)药皮的作用

药皮是压涤在焊芯表面的由多种化学物质组成的混合物，起的作用有:

(1)稳弧。焊条药皮中含有一些含K、Na容易电离的化合物。高温下电离可能提供大量的导电用的带电粒子，从而来保证电弧的稳定性。

(2)保护熔池和焊缝金属。空气中的氧和氮等气体对焊接熔池的冶金反应有不良影响，药皮熔化后产生的气体能阻止空气中的氧和氮进入熔池。且药皮熔化后形成熔渣，覆盖在焊缝表面，防止了焊缝的氧化，且使焊缝金属冷却速度下降、有助于气体的逸出，从而改善了焊缝的组织和性能。

(3)参与冶金反应。通过药皮将所需要的合金元素过渡到焊缝金属中，可以控制焊缝的化学成分，以获得希望的焊缝金属性能。

(4)改善焊接工艺性能。药皮中含有合适的造渣、稀渣成分，使焊接熔渣可获得良好的流动性。

2)药皮的组成及类型

焊条药皮由多种原材料按一定的配比组成。起到稳弧、造渣、造气、脱氧、合金化、粘结、成形等作用。

不同成分的药皮组合在一起，具有不同的工艺性能，能起到不同的作用。为了反映出药皮的成分不同，我们用不同的代号来表示。表3－2列出了按不同的药皮系列设计出的焊条的药皮类型名称和代号。

表3－2　碳素钢和低合金钢焊条的药皮类型

(二)焊条的分类和型号

1．分类

(1)按焊条的用途分:可分为碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、镍及镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条、特殊用途焊条，其代号如表3－3所示。

表3－3　不同用途焊条的代号

(2)按药皮熔化后的熔渣特性分:可分为酸性焊条和碱性焊条。

焊条的药皮经过一系列复杂的物理化学反应之后，生成熔渣覆盖在焊缝表面。

钢焊条熔渣主要由氧化物组成，当熔渣的主要成分为TiO2、Fe2O3、SiO2等酸性氧化物时，产生这些熔渣的焊条就称为酸性焊条。如碳钢和低合金钢焊条中的Exx13、Exx03、Exx01、Exx02、Exx20类焊条都是酸性焊条。

当熔渣的主要成分为碱性氧化物时，产生这些熔渣的焊条就称为碱性焊条，例如碳钢和低合金钢焊条中的Exx15、Exx16、Exx18等。

酸性焊条和碱性焊条由于药皮的组成物不同，因此，其工艺性能、适用场合、焊缝金属力学性能有较大的区别，表3－4列出了他们之间的差别。

由以上的比较可知，当焊接重要结构时，均应采用碱性焊条。

2．焊条型号的编制

焊条型号一般由焊条类别的代号、其他表征焊条熔敷金属的性能、药皮类型、焊接位置和电流种类的分类代号组成。

表3－4　酸性焊条和碱性焊条的比较

在这里，先着重介绍低碳钢、低合金钢焊条型号的编制方法。按GB/T5117－1995规定，碳素钢焊条型号的编制方法如下:

需要特别说明的是:焊条型号中前两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值，单位为kgf/mm2，非国际单位，与国际单位MPa的换算关系为1kgf/mm2=9．8MPa;第三位数字表示焊条的焊接位置，“0”和“1”表示焊条适用于全位置焊接，“2”表示焊条适用于平焊及平角焊，“4”表示焊条适用于向下立焊。当第三和第四位数字组合使用时，还表示焊接电流种类及药皮类型。

此外，在第四位数字后附加“R”，表示耐吸潮焊条;

在第四位数字后附加“M”，表示耐吸潮和力学性能有特殊规定的焊条;

在第四位数字后附加“－1”，表示冲击性能有特殊规定的焊条;

碳素钢焊条有两个强度等级，E43系列和E50系列。

低合金钢焊条型号的编制在碳钢焊条的编制基础上增加了部分内容，以E5515－B3－VWB为例说明。

从上面可以看出，低合金钢焊条中的金属元素可通过化学成分分类代号及化学元素符号直接表示出来，这是它区别于碳素钢焊条的地方。

(三)碳素钢焊条的选择和使用

1．选择

低碳钢在选择焊条时，选用抗拉强度与母材相同或稍高于母材的结构钢焊条。对于厚度大、刚性大、施焊环境温度低的结构件，焊接时应选用碱性焊条。此外，还要注意的一点是焊条工艺性能要满足施焊操作需要。

表3－5列出了焊接碳素钢常选用的焊条。

表3－5　碳素钢焊接时焊条的选用

2．碳素钢焊条的使用

焊条由于药皮成分及其他因素的影响，易因吸潮而使工艺性能变坏，造成电弧不稳、飞溅大，且易产生气孔、裂纹等缺陷，因此，焊前必须烘干。

烘干温度是:酸性焊条为:75～150℃，烘干1～2h;

碱性焊条为:350～400℃，烘干1～2h。且应放入100～150℃保温箱(筒)内，随用随取。

二、焊丝

除焊条外，焊丝作为另一种焊接材料也得到了广泛的应用。主要应用在埋弧焊、氩弧焊和CO2气体保护焊等焊接方法中。

(一)焊丝的分类

焊丝按其结构可分为实芯焊丝和药芯焊丝。实芯焊丝多为冷拔钢丝;而药芯焊丝则是由薄钢带纵向析叠并加入药粉后，再行拉拔而成。

1．实芯焊丝

(1)实芯焊丝的分类:实芯焊丝分气体保护焊用碳素钢、低合金钢焊丝(钢丝)，熔化焊用焊丝，铜及铜合金焊丝，铝及铝合金焊丝，镍及镍合金焊丝等。

防止焊丝生锈，保持焊丝的光洁，焊丝表面一般都镀有一层铜，镀铜焊丝不影响焊丝的使用性能。

(2)气体保护焊焊丝:GB/T8110－1995对该种焊丝做了规定。该焊丝包括碳素钢、低合金熔化极气体保护焊用的实芯焊丝，也可作为T1G焊、等离子弧焊的填充焊丝。其型号表示方法为: ER××－×。

字母ER表示焊丝。

ER后面的两位数字表示熔敷金属的最低抗拉强度。

短横线“－”后面的数字或字母表示焊丝化学成分分类代号。

附加其他化学成分时，直接用元素符号表示，并以“－”隔开。

例如:

表3－6列出了部分常用气体保护焊焊丝的牌号、型号对照以及他们的用途。

表3－6　气体保护焊焊丝的牌号、型号对照及用途

2．药芯焊丝

1)药芯焊丝的结构

药芯焊丝外观如普通焊丝，内装焊剂，可分为加气体保护的气保护型药芯焊丝和不加气体保护的自保护药芯焊丝以及埋弧焊药芯焊丝。焊丝直径有φ1．2mm、φ1．4mm、φ1．6mm、φ2．0mm、φ2．4mm、φ2．8mm、φ3．2mm、φ4．0mm。一般把直径小于2mm的焊丝称为细径焊丝。

2)药芯焊丝的型号及牌号

按GB10045－88规定，药芯焊丝中第一部分“EF”表示药芯焊丝代号。

代号后面的第一位数字表示主要适用的焊接位置，“0”表示平焊和横焊，“1”表示全位置焊。

代号后面的第二位数字或英文字母为分类代号。

第二部分在短横线后用四位数字表示焊缝金属的力学性能。

实际生产中还经常用牌号表示药芯焊丝的类型。药芯焊丝生产牌号用如下符号表示:

首字母“Y”表示药芯焊丝;

第二位字母表示药芯焊丝种类见表3－7所示。

表3－7　药芯焊丝的种类

第一、二位数字表示焊丝特点;第三位数字表示熔渣类型(或第三位以后之数字及元素符号表示焊缝金属化学成分);最后一位数字为“1”或“2”，分别表示气体保护或自保护。

(二)焊丝的使用

(1)焊丝一般以焊丝盘、焊丝卷或焊丝筒的形式供货。焊丝表面生锈，除锈后方可使用。

(2)对同一型号的焊丝，使用Ar－O2为保护气体焊接时，熔敷金属化学成分与焊丝化学成分相差不大，但当使用CO2为保护气体焊接时，熔敷金属中Mn、Si和其他脱氧元素的含量会大大减少。

(3)一般情况下，焊丝对水分不敏感，可不作干燥处理。

(4)焊丝尽量存放于专用焊材库，如已开包，最好在半年内使用。

(5)配合焊剂使用前，应对焊剂作烘干处理，气体保护焊时，应控制气体中的含水量。

三、焊剂

焊条电弧焊时，对高温下熔池和熔滴的保护是依靠药皮分解产生的气体和熔渣。而在埋弧焊和电渣焊时，能够熔化形成熔渣和气体，对熔化金属起保护并进行复杂的冶金反应的一种颗粒状物质叫焊剂。

(一)焊剂的作用

(1)焊接时覆盖焊接区，防止空气中O2、N2的侵入，减缓冷却速度，改善结晶状况及气体逸出条件，减少气孔。

(2)对焊缝渗合金、改善焊缝的化学成分，提高力学性能。

(3)防止焊缝中产生裂纹。焊剂中含有一定的萤石，有去氢作用，含有的氧化锰有去硫作用，可防止热裂纹的产生。

(二)焊剂的分类和型号

1)焊剂按制造方法可分为

熔炼焊剂、烧结焊剂和粘结焊剂。按碱度分为碱性焊剂、酸性焊剂、中性焊剂。

2)焊剂的型号

(1)碳钢埋弧焊焊剂。按GB5293－85规定，碳钢埋弧焊用焊剂型号的表示方法如下:

(2)低合金钢埋弧焊用焊剂。按GB12470－90规定，其型号的表示方法如下:

(三)焊剂牌号

焊剂牌号的表示方法与型号的表示方法相似。

对于熔炼型焊剂，由HJ表示熔炼焊剂，后加3个阿拉伯数字组成。

(1)第一位数字表示焊剂中氧化锰含量，其系列按表3－8规定编排。

表3－8　熔炼焊剂牌号第一位数字系列

(2)第二位数字表示焊剂中SiO2、CaF2的含量，其系列按表3－9排列。

表3－9　熔炼焊剂牌号第二位数字系列

(3)第三位数字表示同一类型焊剂的不同牌号，按0、1、2、…9顺序排列。同一牌号焊剂生产两种颗粒度时，在细颗粒牌号后面加“×”字，如:

(四)焊剂的使用

高硅高锰焊剂属酸性焊剂，配合低碳钢焊丝或含锰焊丝，多用于焊接低碳钢和某些低合金钢，不宜用来焊接低温韧性较好的结构。

中硅焊剂碱度偏高，配合适当的焊丝可焊合金结构钢。

低硅焊剂对金属基本没有氧化作用，配合相应焊丝可焊高合金钢。

为保证焊接质量，焊剂在保存时，应注意防潮。焊剂使用前，应按规定烘干，烘干后立即使用。

酸性焊剂:烘干温度250℃，保温1～2h。

碱性焊剂:烘干温度300～400℃，保温2h。

回收使用的焊剂要筛去渣壳。

四、焊接用气体

在金属的焊接与切割作业中，常常要使用一些气体，起到提供热源或保护作用。这些气体有氧气、乙炔、液化石油气、氩气、CO2等。本节简要介绍这些气体的性质。

(一)氧气

氧气是气焊和气割中的助燃气体。工业上常用空气分离法来制取氧气。用于气焊和气割的氧气按纯度分为两级:一级纯度ψ(O2)不低于99．2%，二级纯度ψ(O2)不低于98．5%。氧气可装入氧气瓶提供，也可通过管道输送。

(二)乙炔

乙炔是由电石(CaC2)和水相互作用分解得到的，分子式为C2H2。是一种无色有特殊臭味的气体。在标准状态下的密度为1．179kg/m3。乙炔是可燃气体，它与氧气混合燃烧所产生的火焰温度为3000～3300℃。能大量溶解于丙酮，乙炔瓶内装有大量的丙酮和活性炭后，就可以非常安全地贮运和使用了。但是，乙炔是一种具爆炸性危险的气体。当乙炔压力达0．15～0．2MPa，温度在580 ～680℃的情况下，乙炔会自行爆炸。乙炔与氧气及空气的混合气体也具有爆炸性。当乙炔与空气混合，乙炔按体积占2．2%～81%时，混合气体中任何部分达到305℃或遇火星时，会发生爆炸;乙炔与氧气混合，乙炔按体积占2．8%～93%时，当温度达到300℃或遇火星时，也会发生爆炸。

(三)液化石油气

液化石油气的主要成分是丙烷。分子式为C3H8，比空气重，丙烷的火焰温度为2000～2700℃。采用丙烷切割时，可以有效地提高切口的质量。丙烷也具有一定的爆炸性，但它在空气中能引起爆炸的范围很小，故稍安全。由于丙烷价格低廉，如用于代替乙炔进行气焊气割，具有一定的经济意义。

(四)氩气

氩气是惰性气体保护焊时常用的保护气体，是一种化学性质不活泼的气体。比空气重，工业上采用空气分离法来制取，工作时，依靠从喷嘴中连续送出的气流，在电弧周围造成局部的气体保护层，将空气与焊接区隔开，从而保证焊接质量。除了单独使用外，还可与其他气体组成混合气体来进行保护。例如可以混入一定比例的氦气来焊接铝合金和钛合金，混入一定量的氮气来焊接铜及铜合金，加入一定比例的氧气或二氧化碳来焊接碳钢、低合金钢和不锈钢等。

(五)二氧化碳

CO2是一种比空气重的氧化性气体。焊接用CO2是被压缩成液体贮存于钢瓶内，钢瓶表面涂色为铝白色，并标有“液态二氧化碳”的字样。气瓶容积为40升，可装约25千克的液态CO2，满瓶压力为5～7MPa。焊接用CO2对纯度有要求，应大于99．5%，含水量和含氮量均不超过0．1%，否则会降低保护效果。

使用时，液态CO2汽化，输出CO2气体，但有一部分水分随之汽化，含水量的多少，与瓶内压力有关，随着使用时间的延长，瓶内压力降低，水汽增加，当压力降低到0．98MPa时，CO2气体中的含水量大为增加，此瓶气体不能再使用。