焊接材料及性能
出处：按学科分类—工业技术 河南科学技术出版社《钣金技术手册》第723页（3897字）
(一)焊接填充材料及性能
1．电焊条
(1)焊条的组成：焊条电弧焊焊条由焊条芯和药皮两部分组成。焊条芯起导电和填充金属的作用，其化学成分和杂质含量直接影响焊缝质量。因此焊条芯应符合国家有关标准规定(表10－2)。焊芯的成分应既具有低的碳和低的硫、磷含量，又具有一定含量的合金元素，以弥补焊接过程中合金元素的烧损，保证焊缝金属具有良好的塑性、韧性，减少产生焊接裂纹的倾向。
表10－2 几种常见焊丝的牌号和成分(摘自GB／T1495－94)
焊条药皮由矿石、铁合金、有机物和化工产品等组成，并按其组成成分和性质不同分为钛型、钛钙型、钛铁矿型、氧化铁型、纤维素型、低氢钠型、石墨型等。生产中最常用的结构钢焊条的配方如表10－3所示。
表10－3 结构钢焊条配方示例(%)
焊条药皮的主要作用是保证焊接顺利进行并使焊缝具有一定的化学成分和力学性能。药皮中含有一定量的引弧、稳弧、造气、造渣和稀释等物质，有利于引弧和保证电弧连续燃烧。并且可产生气体(CO)，隔绝空气，保护熔滴、熔池和凝固金属不被氧化和氮化。另外，药皮中还含有大量的铁合金等物质，焊接时可进行脱氧、脱氢、脱硫磷和渗合金。特别是碱性焊条药皮中的萤石还可与氢反应生成稳定的HF气体，从而防止氢进入熔池而形成气孔。
(2)焊条分类及型号：焊条按用途分为十大类(表10－4)，按熔渣性质分为两大类，熔渣以酸性氧化物为主的焊条为酸性焊条；熔渣以碱性氧化物和萤石(CaF2)为主的焊条为碱性焊条。
表10－4 焊条国标型号分类与旧牌号分类对照
碳钢焊条型号按GB5117－85规定，是以熔敷金属的抗拉强度、药皮类型、焊接位置及焊接电流种类编制的。如E4303、E5015、E5016等，“E”表示焊条，前两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最低值，单位MPa；第三位数字表示焊条的焊接位置，“0”、“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。
并且，第三位和第四位数字组合表示焊接电流种类及药皮类型，如“03”为钙钛型药皮，交流或直流正反接；“15”为低氢钠型药皮，直流反接；“16”为低氢钾型药皮，交流或直流反接。
(3)碱性焊条与酸性焊条比较：从表10－5可以看出，同一强度等级的结构钢焊条中，碱性焊条焊出的焊缝的塑性和韧性比用酸性焊条高得多，其原因是用碱性焊条焊出的焊缝金属中，有益元素(如Mn)比用酸性焊条多，有害元素(如S、P、H、O、N)比用酸性焊条少。且药皮中有较多的CaO和CaF2，脱硫、磷、氢能力强，抗裂性好。
表10－5 碱性焊条与酸性焊条的焊缝力学性能比较
此外，用碱性焊条焊出的焊缝金属中含有微量钛，焊缝金属组织比较细。但碱性焊条的工艺性较酸性焊条差，焊接时飞溅大，脱渣性稍差，并且对锈、油、水的敏感性大，焊缝容易产生气孔，烟尘中还含氟化氢等较多的有毒物质。
通常，碱性焊条适用于裂纹倾向大、塑性和韧性要求高的重要结构的焊接，如锅炉、压力容器、桥梁和船舶等。使用时一般用直流电源，焊接前必须严格烘干(350～400℃烘干2h)焊条，并清洁工件接头表面。焊接时用小电流、不摆动(或小摆动)、短弧焊，还要通风良好，尤其是在容器内焊接。
(4)焊条的选用：低碳和低合金结构钢焊条的选用方法是根据母材的抗拉强度，按“等强”原则选用相同强度等级的焊条。例如16Mn的σb为520MPa，一般应选用E5003、E5015、E5016焊条。而对于受交变载荷和冲击载荷的重要结构件的焊接，应该选用低氢碱性焊条；对于大刚度结构件或在低温复杂环境下工作的焊接件，也应选用低氢碱性焊条。
焊接不锈钢、耐热钢和有色金属件时，应根据母材化学成分类型选择相同成分的焊条，以保证焊缝金属的主要化学成分与母材相同。
2．焊丝与焊剂
焊丝与焊剂是埋弧焊和电渣焊的焊接材料。焊丝的作用相当于焊条芯，焊剂的作用相当于焊条药皮。在焊接过程中，焊剂能隔离空气，使焊缝金属不受空气侵害，同时对焊缝金属起类似焊条药皮的一系列冶金作用。因此，焊缝金属的化学成分和力学性能主要由焊丝和焊剂来决定。
自动焊剂按制造方法可分为熔炼焊剂和陶质焊剂两大类。常用的熔炼焊剂是将原材料配好后在炉中熔炼而成，呈玻璃状，颗粒强度高，化学成分均匀，不吸收水分，适用于大量生产，其按化学成分可分为高锰、中锰、低锰、无锰几种(表10－6)。而陶质焊剂是由矿石、铁合金及黏结剂按一定比例配制成颗粒状，经300～400℃烘干固结而成。适用于有特殊要求的焊接件。
表10－6 国产焊剂用途及配用焊丝
(二)焊接工件材料及性能
1．低碳钢的焊接性能
低碳钢的含碳量低(≤0．25%)，塑性好，冷裂倾向小，可焊性良好。焊接时一般不需预热，焊后也不需热处理。但在低温(－5℃以下)焊接大刚度焊件时，应适当考虑焊前预热；厚度大于50mm的低碳钢结构，焊后应进行热处理以消除焊接残余应力。
低碳钢工件采用焊条电弧焊时，一般常采用E4303、E4016、E4015等焊条；埋弧焊时，一般采用H08A焊丝配合HJ430焊剂。
2．低合金结构钢的焊接性能
低合金结构钢在我国一般按屈服强度分级(见10．3节)，主要用于制造压力容器、锅炉、桥梁、船舶、车辆、起重设备等，一般采用焊条电弧焊和埋弧焊。
强度级别较低的低合金结构钢(σs＜392MPa)，如09Mn2、16Mn和15MnV等，合金元素含量少，碳当量低(CE＜0．4%)，焊接性能良好，一般不需预热，当板较厚或环境温度较低时，应预热。表10－7为16Mn在不同环境温度下焊接的预热温度。
表10－7 不同环境温度下焊接16Mn钢的预热温度
强度级别较高的低合金钢(σs≥392MPa)，淬硬、冷裂倾向增加，可焊性较差，一般焊前都要预热，预热温度可参考有关资料和生产实践经验或经可焊性试验确定，并对焊件和焊接填充材料进行严格清理和烘干，同时应选用低氢型焊条，采用合理的焊接顺序。
3．铜及铜合金的焊接性能
铜及铜合金的可焊性比低碳钢差得多。首先在焊接过程中因其导热性好、热容量大，母材和填充金属不能很好地熔合，易造成焊接缺陷。例如，由于铜在液态时可溶解大量的氢，凝固时其溶解度急剧下降，氢来不及逸出而生成气孔。其次，铜在高温时易氧化，生成的氧化物与铜形成低熔点的共晶体分布在晶界上，易引起热裂纹。例如，铜和多数铜合金线膨胀系数大，凝固时收缩率大，导致焊接应力与变形比较严重，甚至会使接头开裂。
铜及铜合金通常采用氩弧焊、气焊或钎焊焊接，焊前需预热，焊后要进行热处理。气焊黄铜一般用轻微氧化焰，采用含Si焊丝，焊接时熔池表面可生成氧化硅薄膜，以阻碍锌的蒸发并能防止氢的溶入。
4．铝及铝合金的焊接性能
铝及铝合金的焊接性能差，在焊接过程中铝及铝合金极易氧化生成熔点高(约2050℃)、密度大(3．85g／cm3)的Al2O3覆盖在铝液的表面上，不仅阻碍铝的导电和熔合，还易产生夹渣；铝在液态时溶氢能力强，凝固时其溶氢能力将大大下降，从而导致焊缝形成气孔；铝在高温时强度和塑性很低，焊接时常由于不能支持熔池金属而引起焊缝塌陷或烧穿，因此常需采用垫板。
铝及铝合金的焊接常用方法有氩弧焊、气焊等。焊前必须严格清除焊件的焊接部位和焊丝表面的氧化膜与油污，并在焊接过程中不断用焊丝挑破熔池表面的氧化膜，避免夹渣。气焊时，采用气焊熔剂，焊后应仔细冲洗焊件，以防止熔剂对焊件继续腐蚀。