焊接材料设计与应用 山东大学材料科学与工程学院 孙俊生.

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1 焊接材料设计与应用 山东大学材料科学与工程学院 孙俊生

2 第4章 焊条设计基础 电焊条是涂有药皮的供焊条电弧焊用的熔化电极，由药皮和焊芯两部分组成。
第4章 焊条设计基础 电焊条是涂有药皮的供焊条电弧焊用的熔化电极，由药皮和焊芯两部分组成。 焊芯是填充金属的主要部分，焊条规格指焊芯的直径，如2、2.5、3.2、4、5等。 药皮是由具有不同物理和化学性质的细颗粒物质所组成的紧密的混合物。

3 4.1 焊条的分类和标记 1. 焊条的分类 电焊条的分类方法很多，可分别按用途、熔渣的碱度、焊条药皮的主要成分、焊条性能特征等不同角度对电焊条进行分类。 （1） 按用途分类 我国现行的焊条分类方法，焊条型号主要是按国家标准分为8类，根据《焊接材料产品样本》，焊条牌号按用途分为10类。

4 表 中国电焊条大类的划分 焊条牌号标记

5 主要是根据熔渣的碱度，即按熔渣中碱性氧化物与酸性氧化物的比例来划分。
（2）按熔渣的酸碱性分类 主要是根据熔渣的碱度，即按熔渣中碱性氧化物与酸性氧化物的比例来划分。 1) 酸性焊条 药皮中含有大量的TiO2、SiO2等酸性造渣物及一定数量的碳酸盐等，熔渣氧化性强，熔渣碱度系数小于1。 酸性焊条焊接工艺性好，电弧稳定，可交、直流两用，飞溅小、熔渣流动性和脱渣性好，熔渣多呈玻璃状，较疏松、脱渣性能好，焊缝外表美观。 酸性焊条的药皮中含有较多的二氧化硅、氧化铁及氧化钛，氧化性较强，焊缝金属中的氧含量较高，合金元素烧损较多，合金过渡系数较小，熔敷金属中含氢量也较高，因而焊缝金属塑性和韧性较低。

6 2) 碱性(低氢型)焊条 药皮中含有大量的碱性造渣物(大理石、萤石等)，并含有一定数量的脱氧剂和渗合金剂。
碱性焊条主要靠碳酸盐(如CaCO3等) 分解出CO2作保护气体，弧柱气氛中的氢分压较低，而且萤石中的氟化钙在高温时与氢结合成氟化氢(HF)，降低了焊缝中的含氢量，故碱性焊条又称为低氢型焊条。采用甘油法测定时，每100g熔敷金属中的扩散氢含量，碱性焊条为1~8mL，酸性焊条为17~50mL。 碱性渣中CaO数量多，熔渣脱硫的能力强，熔敷金属的抗热裂纹的能力较强。而且，碱性焊条由于焊缝金属中氧和氢含量低，非金属夹杂物较少，具有较高的塑性和冲击韧度。 碱性焊条由于药皮中含有较多的萤石，电弧稳定性差，一般多采用直流反接，只有当药皮中含有较多量的稳弧剂时，才可以交、直流两用。 碱性焊条一般用于较重要的焊接结构，如承受动载荷或刚性较大的结构。

7 （3）按药皮主要成分分类 注意该表的代号是焊条型号的组成部分

8 1）药皮类型03 该药皮类型包含二氧化钛和碳酸钙的混合物，同时具有金红石焊条和碱性焊条的某些性能。 2）药皮类型10 该类型药皮含有大量的可燃有机物，尤其是纤维素，由于其强电弧特性特别适用于向下立焊。由于钠影响电弧的稳定性，因而焊条主要适用于直流焊接，通常用直流反接。 3）药皮类型11 该类型药皮含有大量的可燃有机物，尤其是纤维素，由于其强电弧特性特别适用于向下立焊。由于钾影响电弧的稳定性，因而焊条适用于交直流两用焊接。直流焊接时使用直流反接。 4）药皮类型12 该类型药皮含有大量的二氧化钛（金红石）。其柔软电弧特性适合用于在简单装配条件下对大的根部间隙进行焊接。 5）药皮类型13 该类型药皮内含有大量的二氧化钛（金红石）和增加电弧稳定性的钾。与药皮类型12相比，能在低电流条件下稳定电弧，特别适于金属薄板的焊接。 6）药皮类型14 该药皮类型与12和13类似，但是添加了少量铁粉。加入铁粉可以提高电流承载能力和熔敷效率，适于全位置焊接。 7）药皮类型15 该类型药皮碱度较高，含有大量的氧化钙和萤石。由于钠影响电弧的稳定性，只适用于直流反接。此药皮类型的焊条可以得到低氢含量、高冶金性能的焊缝。

9 8）药皮类型16 该类型药皮碱度较高，含有大量的氧化钙和萤石。由于钾增强电弧的稳定性，适用于交流焊接。此药皮类型的焊条可以得到低氢含量、高冶金性能的焊缝。 9）药皮类型18 该类型药皮除了药皮略厚和含有大量铁粉外，其他与药皮类型16相似。与药皮类型16相比，药皮类型18中的铁粉可以提高电流承载能力和熔敷效率。 10）药皮类型19 该类型药皮包含钛和铁的氧化物，通常在钛铁矿获取。虽然它们不属于碱性药皮类型焊条，但是可以制造出高韧性的焊缝金属。 11）药皮类型20 该类型药皮包含大量的铁氧化物。熔渣流动性好，所以通常只在平焊和横焊中使用。 用于角焊缝和搭接焊缝。 12）药皮类型24 该药皮类型除了药皮略厚和含有大量铁粉外，其他与药皮类型14相似。通常只在平焊和横焊中使用。主要用于角焊缝和搭接焊缝。 13）药皮类型27 该药皮类型除了药皮略厚和含有大量铁粉外，其他与药皮类型20相似，增加了药皮类型20中的铁氧化物，主要用于高速角焊缝和搭接焊缝的焊接。

10 14）药皮类型28 该药皮类型除了药皮略厚和含有大量铁粉外，其他与药皮类型18相似。通常只在平焊和横焊中使用。能得到低氢含量、高冶金性能的焊缝。 15）药皮类型40 此药皮类型不属于上述任何焊条类型。其制造是为了达到购买商的特定使用要求。焊接位置由供应商和购买商之间协议确定。如要求在圆孔内焊接（塞焊）或者在槽内进行的特殊焊接。由于药皮类型40并无具体指定，此药皮类型可按具体要求有所不同。 16）药皮类型45 除了主要用于向下立焊外，此药皮类型与药皮类型15相似。 17）药皮类型48 除了主要用于向下立焊外，此药皮类型与药皮类型18相似。

11 2. 常用焊条的型号 （1） 非合金钢及细晶粒钢焊条 GB/T5117《非合金钢及细晶粒钢焊条》标准。
焊条型号根据熔敷金属的力学性能、药皮类型、焊接位置、电流类型、熔敷金属化学成分和焊后状态等进行划分。 本标准适用于抗拉强度低于570MPa的非合金钢及细晶粒钢焊条。

12 非合金钢及细晶粒钢焊条型号编制方法为: 首字母“E”表示焊条。
字母E后面的前两位数字表示熔敷金属的最小抗拉强度的代号，代号43、50、55、57分别代表最小抗拉强度430MPa、490MPa、550MPa和570MPa。 第三位和第四位数字表示药皮类型、焊接位置和电流种类，是按药皮主要成分分类的代号。 第四部分为熔滴金属的化学成分分类代号，可为“无标记”或短划“-”后的字母、数字或字母和数字的组合，见表。 第五部分为熔敷金属的化学成分代号之后的焊后状态代号，其中“无标记”表示焊态，“P”表示热处理状态，“AP”表示焊态和焊后热处理两种状态均可。 除了上述强制分类代号外，根据供需双方协商，可在型号后面依次附加可选代号：字母“U”表示在规定试验温度下，冲击吸收能量可以达到47J以上。 扩散氢代号“HX”，其中X代表15、10或5，分别表示每100g熔敷金属中扩散氢含量的最大值（mL）。

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14 非合金钢及细晶粒钢焊条型号举例:

15 （2） 热强钢焊条 GB/T5118《热强钢焊条》标准。
热强钢焊条型号根据熔敷金属的力学性能、药皮类型、焊接位置、电流类型、熔敷金属化学成分等进行划分。 热强钢焊条型号编制： 字母“E”表示焊条。 字母“E”后面紧邻的两位数字表示熔敷金属最小抗拉强度，代号50、52、55、62分别代表最小抗拉强度490MPa、520MPa、550MPa和620MPa。 字母“E”后面的第三位和第四位数字表示药皮类型、焊接位置和电流类型，代号为03、10、11、13、15、16、18、19、20、27、40。 第四部分为划线“—”后的字母、数字或字母和数字的组合，表示熔敷金属的化学成分分类代号，见表。 除了以上强制分类代号外，根据供需双方协商，可在型号后附件扩散氢代号“HX”，其中X代表15、10或5，分别表示每100g熔敷金属中扩散氢含量的最大值（mL）。

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17 热强钢焊条型号举例 ：

18 （3）不锈钢焊条 GB/T983《不锈钢焊条》标准。 不锈钢焊条根据熔敷金属的化学成分、焊接位置和药皮类型等划分。 不锈钢焊条型号编制：
字母“E”表示焊条。 “E”后面的数字表示熔敷金属化学成分分类，数字后面的“L”表示碳含量较低，“H”表示碳含量较高，如有其他特殊要求的化学成分，该化学成分用元素符号表示放在后面。 第三部分为短划“—”后的第一位数字，表示焊接位置； 第四部分为最后一位数字，表示药皮类型和电源类型，见表。

19 碱性药皮类型5：此类型药皮含有大量碱性矿物质和化学物质，如石灰石（碳酸钙）、白云石（碳酸钙、碳酸镁）和萤石（氟化钙），焊条通常只是用直流反接。
金红石药皮类型6：此类型药皮含有大量金红石矿物质，主要是二氧化钛（氧化钛）。这类焊条药皮中含有地点离元素，是用此类焊条可以使用交直流焊接。 钛酸型药皮类型7：此类型药皮是已改进的金红石类，使用一部分二氧化硅代替氧化钛。此类药皮特征是熔渣流动性好，引弧性能良好，电弧易喷射过渡，但是不适用于薄板的立向上位置的焊接。

20 不锈钢焊条型号举例：

21 （4）堆焊焊条 GB/T984《堆焊焊条》标准。 焊条型号根据熔敷金属的化学成分、药皮类型和焊接电流种类划分。 堆焊焊条型号标记：
型号中的第一个字母“E”表示焊条； 第二个字母“D”表示用于表面耐磨堆焊；后面用一或两位字母、元素符号表示焊条熔敷金属化学成分分类代号（见表）。还可附加一些主要成分的元素符号；在基本型号内可加数字、字母进行细分类，细分类的代号也可用短划“—”与前面符号分开； 型号中最后两位数字表示药皮类型和焊接电流种类，用短划“—”与前面符号分开，—00、—03、—15、—16、—08分别表示的药皮类型为特殊性、钛钙型、低氢钠型、低氢钾型和石墨型，除了—15为直流外，其他均为交流或直流。

22 堆焊焊条型号举例 ：

23 （5）铜及铜合金焊条 GB/T3670《铜及铜合金焊条》标准。 焊条型号根据熔敷金属的化学成分分类。
焊条型号的字母“E”表示焊条，“E”后面的字母直接用元素符号表示型号分类，同一分类中有不同化学成分要求时，用字母或数字表示，并以短划“—”与前面的元素符号分开。 铜及铜合金焊条型号举例： ECu表示铜焊条。 ECuSi-A表示铜硅焊条（硅青铜）

24 （6）镍及镍合金焊条 GB/T13814《镍基镍合金焊条》标准。
焊条按熔敷金属合金体系分为镍、镍铜、镍铬、镍铬铁、镍钼、镍铬钼和镍铬钴钼等7类。 型号按熔敷金属化学成分划分。 焊条型号由三部分组成。 第1部分为字母“ENi”，表示镍及镍合金焊条。 第2部分为四位数字，表示焊条型号；四位数字中的第一位数字表示熔敷金属的类别，其中2表示非合金系列，4表示镍铜合金，6表示含铬、且铁含量不大于25%的NiCrFe和NiCrMo合金，8表示含铬、且铁含量大于25%的NiCrFe合金，10表示不含铬，含钼的NiMo合金。 第3部分为可选部分，表示化学成分代号。 镍基镍合金焊条型号举例：

25 3.常用焊条的牌号 焊条牌号是根据焊条的主要用途、性能特点及焊条生产厂家对焊条产品的具体命名。
我国《焊条材料产品样本》中仍保留了原焊条牌号。 电焊条的牌号共分为十大类，焊条牌号通常以一个汉语拼音字母(或汉字)与三位数字表示。拼音字母(或汉字)表示焊条各大类，后面的三位数字中，前面两位数字表示各大类中的若干小类，第三位数字表示各种焊条牌号的药皮类型及焊接电源。 三位数字后面的字母符号表示焊条的特殊性能和用途，如Fe13表示熔敷效率130%的铁粉焊条。

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27 焊条牌号后面加注字母符号含义 字母符号 含义 D 底层焊条 DF 低尘低毒（低氟）焊条 Fe 铁粉焊条 Fe13
铁粉焊条，其名义熔敷率130% Fe18 铁粉焊条，其名义熔敷率180% G 高韧性焊条 GM 盖面焊条 GR 高韧性压力用焊条 H 超低氢焊条 LMA 低吸潮焊条 字母符号 含义 R 压力容器用焊条 RH 高韧性低氢焊条 SL 渗铝钢焊条 X 立向下焊用焊条 XG 管子用向下立焊用焊条 Z 重力焊条 Z15 重力焊条，其名义熔敷率150% CuP 含Cu和P的耐大气腐蚀焊条 CrNi 含Cr和Ni的耐海水腐蚀焊条

28 焊条牌号首字母“J”(或“结”字)表示结构钢焊条。
（1）结构钢焊条 焊条牌号首字母“J”(或“结”字)表示结构钢焊条。 牌号前两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最低值(kgf/mm2)。 牌号第三位数字表示药皮类型和焊接电源种类。 结构钢焊条有特殊性能和用途的，在牌号后面加注起主要作用的元素或主要用途的拼音字母(一般不超过二个)，如J507MoV、J507CuP。

29 结构钢焊条牌号编制方法 结 X X X （J X X X ） J 5 0 7 应符合E5015要求 药皮类型和焊接电流种类
焊缝金属抗拉强度最低值（kgf/mm2） 结构钢焊条 J 低氢钠型药皮，直流反接 焊缝金属抗拉强度不低于50kgf/mm2 结构钢焊条 490MPa 应符合E5015要求

30 焊条牌号首字母“G”(或“铬”字)或“A”(或“奥”字)，分别表示铬不锈钢焊条或奥氏体铬镍不锈钢焊条。
（2）不锈钢焊条 焊条牌号首字母“G”(或“铬”字)或“A”(或“奥”字)，分别表示铬不锈钢焊条或奥氏体铬镍不锈钢焊条。 牌号第一位数字表示熔敷金属主要化学成分组成，见下表。 牌号第二位数字表示同一熔敷金属主要化学成分组成等级中的不同牌号。对同一组成等级的焊条，可有十个序号，按0、1、2、...、9 顺序编排，以区别铬、镍之外的其它成分。 牌号第三位数字，表示药皮类型和焊接电源种类，同结构钢焊条。

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32 不锈钢焊条牌号举例： 奥 X X X （A X X X ） A 0 2 2 药皮类型和焊接电流种类（同结构钢）
同一熔敷金属成分组成等级中的不同牌号 熔敷金属主要化学成分组成 奥氏体不锈钢焊条 A 熔敷金属含碳量≤0.04%（超低碳） 奥氏体不锈钢焊条 钛钙型药皮，交直流两用 牌号分类编号为2

33 不锈钢焊条牌号举例：

34 （2）钼和铬钼耐热钢焊条 焊条牌号首字母“R”(或“热”字)表示钼和铬钼耐热钢焊条。 牌号第一位数字表示熔敷金属主要化学成分组成（见表）。
牌号第二位数字表示熔敷金属主要化学成分组成等级中的不同牌号，对于同一组成等级的焊条，可有十个序号，按0、1、2、...、9顺序编排，以区别铬钼之外的其它成分。 牌号第三位数字表示药皮类型和焊接电源种类，

35 牌号举例:

36 焊条牌号首字母“W”(或“温”字)表示低温钢焊条。
（3）低温钢焊条 焊条牌号首字母“W”(或“温”字)表示低温钢焊条。 牌号前两位数字表示低温钢焊条工作温度等级(见表）。 牌号第三位数字表示药皮类型和焊接电源种类，同结构钢焊条。

37 焊条牌号首字母“Z”(或“铸”字)表示铸铁焊条。
（4）铸铁焊条 焊条牌号首字母“Z”(或“铸”字)表示铸铁焊条。 牌号第一位数字表示熔敷金属主要化学成分组成类型(见表)。 牌号第二位数字表示同一熔敷金属主要化学成分组成类型中的不同序号, 对于同一成分组成类型焊条, 可有十个牌号, 按0、1、2、...、9顺序排列。 牌号第三位数字表示药皮类型和焊接电源种类，同结构钢焊条

38 ANSI/AWS5.1 碳钢焊条

39 ANSI/AWS5.1 碳钢焊条

40 ANSI/AWS5.1 碳钢焊条 ANSI(American National Standards Institute)—美国国家标准学会
AWS(American Welding Society)—美国焊接协会 AWS 低碳钢焊条标记： 焊条标记英文字母〝E〞开头。 头二位数，例如60表示焊接金属的最低抗拉强度为60ksi。 第三位数字表示焊接位置，如E6010中的〝1〞，表示可用全位置焊接（ F,V,OH,H ），E6020中的〝2〞表示适合平焊（ F ）和水平角焊（ H-fillet ）。E7048的〝4〞，焊条适用于立向下焊（ V- down ）及其它位置（F,V,OH,H）。 最后两个数字组合表示焊条的电流种类和药皮类型。 F：平焊 H：横焊 V：立焊 OH：仰焊 H-fillet：水平角焊 V- down：立焊下进

41 分类后加〝-1〞指焊条有低温冲击功要求。本范例如E7024-1焊条，它不但要符合E7024分类的要求，对伸长率有更高要求。
字母〝R〞的命名用于低氢焊条，表焊条除符合标准吸潮测试之外，亦做定时曝露于多湿的环境中吸潮性试验。参考16章之吸潮性试验及表10。 选择性补充的命名〝HZ〞是接于四位数字之后或接于选择性补充命名〝-1〞之后。若有，表示熔敷金属平均扩散氢含量不超过〝Z〞ml/100g，测试是根据ANSI/AWS A4.3执行。分为H4、H8、H16三个级别。

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43 表1的批注

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45 表2的批注

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48 4.2 电焊条设计的原则和方法 1. 电焊条的设计原则 电焊条设计的依据：
4.2 电焊条设计的原则和方法 1. 电焊条的设计原则 电焊条设计的依据： （1）依据被焊母材的化学成分、力学性能或其他特殊要求(如高温、低温；高压、低压；耐磨耐腐蚀等等)。 （2）依据被焊工件的工作条件要求。 （3）依据施焊现场设备(如交、直流弧焊机)和施工条件(如室内、室外、高空、水下等)要求。 （4）依据电焊条制造工艺(如手工蘸制，机械涂压)和设备(如螺旋机、油压机)要求。 设计原则：技术上必须可靠，制造上必须可能，经济效益好，卫生指标先进。

49 2. 电焊条的设计方法 同种电焊条的规格不同，其药皮配方也有区别，一般设计上选择4的焊条作为突破口，其他规格的焊条配方以4的为基础进行调整，这有利于提高工作效能。 电焊条配方设计的方法很多，常见的有：直观计算法；三角渣系图法；优选法；正交回归设计法；计算机辅助设计法等。

50 4.3 电焊条的设计步骤 “目标制订明确、难点分析准确、技术路线正确”是研制焊条的关键 。
4.3 电焊条的设计步骤 “目标制订明确、难点分析准确、技术路线正确”是研制焊条的关键 。 拟定熔敷金属的合金系统，选定焊芯、药皮类型，并考虑设备条件、原料来源和经济合理性。通过调整试验完成焊条设计工作。

51 1.焊芯的设计与选定 焊芯的化学成分利性能直接影响焊缝金属的性能与质量，常用的焊芯有低碳钢和不锈钢两类。
低碳钢焊芯用于碳钢焊条、低合金钢焊条、耐热钢焊条、堆焊焊条、 铸铁焊条等， 不锈钢焊芯则主要用于不锈钢焊条和堆焊焊条。 碳钢焊芯设计主要是化学成分，包括C、Si、Mn、S、P。 碳钢焊芯H08A应用最为广泛，对于熔敷金属合金含量要求较高焊条，可以在焊芯中加入合金元素，通过焊芯过渡合金元素，其合金元素的过渡系数高于通过药皮过渡的。

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53 焊芯的制备 工艺流程：（1）除锈→（2）酸洗→（3）烘干→（4）冷拔→（5）成品  

54 2.药皮类型选定及其特性 药皮 类型 SiO2 TiO2 Mn MgO Al2O3 CaO FeO CaF2 石墨 挥发成分 钛型
各种药皮类型的成分范围（单位 /%） 药皮 类型 SiO2 TiO2 Mn MgO Al2O3 CaO FeO CaF2 石墨 挥发成分 钛型 15~31 24~48 5~7 ≈5 4~6 ≤12 4~22 — ＜12 钛钙型 10~30 20~35 6~9 1~5 5~8 8~12 5~25 ＜10 钛铁矿型 23~38 10~18 10~19 1~8 3~9 4~8 7~25 2~10 氧化铁型 35~40 ＜1 16~18 ＜5 ＜4 ＜3 30~35 ＜2 低氢型 ＜22 2~7 8~26 2~20 10~23 ＜20 纤维素型 20~26 11~15 6~8 3~5 9~10 2~12 石墨型 8~25 BaO 5~20 8~20 15~30

55 1）钛型 钛型焊条药皮在碳钢焊条中应用颇多。焊接熔渣在高温时，具有良好的流动性，凝固温度区间较小，一般为1320~1420℃，具有短渣特性。
高钛钠型药皮约含50%氧化钛，并含有一定量的硅酸盐、锰铁、纤维素等，用钠水玻璃做粘结剂，典型焊条为E4312型。 钛型焊条的电弧稳定，再引弧容易，熔深较浅，渣覆盖良好，脱渣容易，焊波继齐，美观，适用于全位置焊接，可交、直流两用，但熔敷金属塑性及抗裂性能较差，主要用于碳钢薄板结构，也可用于盖面焊。

56 2）钛钙型 3）钛铁矿型 碳钢钛钙型焊条（如E4303、E5003），药皮中含30%以上的氧化钛和20%以下的钙或镁的碳酸盐矿。
熔渣流动性良好，脱碴容易，电弧稳定，熔深适中，飞溅少、焊波整齐。适用于全位置焊接，可交、直流两用。该类型焊条主要用来焊接重要的低碳钢结构。 3）钛铁矿型 钛铁矿型药皮焊条熔渣凝固温度区间为1130~1260℃。主要用于碳钢焊条，如E4301、E5001。 铁铁矿的含量一般在30％以上，熔渣的流动性较好，电弧稍强，熔深较大，熔渣覆盖良好，脱渣容易，飞溅一般，焊波整齐。药皮组成物可调范围较大。在药皮配方中一般应增加其脱氧能力。该焊条适用于全位置焊接。可交、直流两用，主要用来焊接较重要的低碳钢结构。

57 4）氧化铁型 5）纤维素型 氧化铁型焊条熔渣凝固温度区间为1180~1350℃，主要用于低碳钢焊条（如E4320）。
药皮中含有较多的氧化铁，以较多的锰铁作脱氧剂。电弧吹力大，熔深较深，电弧稳定，再引弧容易，熔化速度快，熔渣覆盖好，脱渣容易，焊缝致密，略带凹度，飞溅稍大，对水、锈、油污不敏感，适用于平焊及横角焊。焊接电源为交流或直流正接。主要用于焊接较重要的低碳钢结构。 5）纤维素型 纤维素型焊条熔渣凝固温度区间为1200~1290℃。 高纤维素钠型（如E4310）焊条药皮中约含有30%左右的纤维素或其它有机物材料，并加有氧化钛、锰铁等，以钠水玻璃作粘结剂。焊接时有机物在电弧区分解产生大量的气体，保护熔敷金属。电弧吹力大，熔深较深，熔化速度快，熔渣少，脱渣容易，飞溅一般。不能用大电流焊接，以防有机物过早烧损。采用直流反接，主要用于焊接一般的低碳钢结构，如管道的焊接等，也可用于打底焊接。

58 6）低氢型 低氢型药皮应用广泛，在碳钢、低合金钢（如高强钢、低温钢、耐热钢等）、高合金钢（如不锈钢）、堆焊、铸铁和有色金属（如铜及铜合金）等焊条中均有较多的应用。低氢型药皮的熔渣碱度较高，有利于合金元素的过渡和去除有害杂质。 低氢钠型焊条如E××15（碳钢或低合金钢），ED××25(堆焊)，E×-××-×-l5（不锈钢）等焊条，其药皮的主要组成物是碳酸盐和氟化物，碱度较高，合金元素的过渡系数高，熔渣流动件好，焊接工艺一段，焊波较粗，熔深适中，脱渣性较好。要求焊条烘干，直流反接，短弧操作。 低氢钾型焊条如E××16、ED××-16(堆焊)等，焊条药皮是在低氢钠型E××15的基础上添加稳弧剂组成的，如用钾水玻璃作粘结剂等。该类焊条电弧稳定，其工艺性能、焊接位置与E××15相似。焊接可使用交流或直流反接，操作特点及使用范围与低氢钠型基本相同。

59 7）石墨型 石墨型焊条一般除含有与碱性药皮相近似的成分或钛的矿物外，在药皮中还加入了较多的石墨，使焊缝金属获得较高的游离碳或碳化物，这类药皮的焊条烟雾较大，其它工艺性能较好，飞溅少，熔深较浅，引弧极易，可交、直流两用。 这类焊条的药皮极易吸潮、强度较差。因此，在包装、运输、贮存及使用中应予注意。施焊时一般以小热输入为宜。主要用于铸铁焊条，堆焊焊条。 8）盐基型 焊条的药皮主要由氯盐（如氯化钠、氮化钾、氯化锂等）和氟盐（如氟化钠、氟化钾钾、冰晶石等）组成。其特点是：药皮熔点低，熔化速度快，焊接工艺性能差。宜采用直流反接、短弧操作，主要用于铝及铝合金焊条。由于熔渣具有一定的腐蚀性，因此焊后应仔细清洗干净焊件。

60 3. 药皮原材料的选用 1）所选用的药皮原材科必须符合原材料标准或技术条件，这是确保产品质量和制造工艺稳定性的根本原则。
2）药皮原材料的选用在满足焊条设计要求的基础上，注重经济效益。设计技术要求高的高档产品宜选用较为高级优质的原料，而设计技术指标要求较低时，可选用较为普通的原材料。 3）药皮原材料选用应全面考虑其性能，合理利用。 4）焊条配方设计和原材料选用时，在满足设计要求的条件下，应力求简化组分品种，选用焊条生产中的通用材料，达到方便生产，简化管理的目的。 5）在焊条配方设计和原材料选用上应提倡敢于创新，不断地开发探索新材料，新用途。改造旧渣系，创建新渣系、推动焊条技术的不断发展和提高。

61 4. 焊条药皮外径的设计 D/d≤2.1 式中 D—焊条药皮外径（mm）； d—焊芯直径（mm）。
式中，Dn—需求规格焊条的药皮外径(mm)； D0—已知规格焊条的药皮外径(mm)； d0—已知规格焊条的焊芯直径(mm)； dn—需求规格焊条的焊芯直径(mm)； ±0.1—由大规格求较小规格焊条时为“+”，反之为“－”。 生产过程中，焊条药皮外径尺寸靠涂粉模来控制。

62 4.4 电焊条的药皮设计 电焊条的焊芯多选用H08A，焊条药皮设计是电焊条设计的核心内容。
焊条药皮与焊芯重量之比称为药皮重量系数。一般酸性焊条的药皮重量系数约为35%，碱性药皮略低于此值，而堆焊焊条则较高，可达160%左右。利用厚的药皮可过渡大量合金元素，也有重量系数为1%~20%的薄皮焊条，药皮仅起引弧、稳弧作用。 粘接在焊芯上各种粉料和粘接剂的混合物称为药皮，未涂挂之前的混合物称为涂料，涂料是由多种原材料组成的。 焊条药皮中原材料的作用归纳起来有七个方面，即稳弧、造渣、造气、脱氧、合金化、粘接和成形。

63 1. 稳弧剂 电焊条的稳弧性取决于其化学成分，在焊条药皮中加入的具有稳定电弧作用的组分，称为稳弧剂。 含有易电离元素及其化合物的物质常用作稳弧剂，药皮中稳弧剂含量愈多，则电弧稳定性愈好。元素的电离势可以作为选择稳弧剂的依据，元素的电离势越小则越易电离 。 Li、K、Na、Cs等碱金属元素和Ba、Ca、Mg等碱土金属元素的电离势较低。因此，含有碱金属和碱土金属元素的化合物和金属矿物可以作为稳弧剂。 考虑到经济性、焊条抗潮性等，目前常用的是含有K、Na易电离碱金属元素的碳酸钾、纯碱、长石、云母等，以及含有碱土金属元素的菱苦土、大理石、碳酸钡等。

64 常见元素及化合物的电离势 元素 电离势 /eV Cs 3.86 Yb 6.20 Si 8.15 K 4.34 Y 6.38 C 11.26
Na 5.14 Cr 6.76 H 13.60 Ba 5.21 Ti 6.82 O 13.61 Li 5.39 Mo 7.10 CO 14.01 Nd 5.51 Mn 7.43 N 14.53 Ce 5.60 Ni 7.63 Ar 15.76 Sm Mg 7.64 F 17.42 Al 5.95 Cu 7.72 He 24.58 Ca 6.11 Fe 7.87 Er 6.08 W 7.98

65 卤族元素不仅电离势高，而且与电子亲和力很大，能夺取电子形成质量大的负离子而恶化电弧燃烧的稳定性。如碱性低氢焊条药皮中加入的萤石(CaF2)，使电弧稳定性变得很差。
除元素的电离势影响电弧稳定性外，药皮的熔化状态也影响电弧的稳定性。如药皮中加入能产生CO和H2的有机物，虽然CO和H2的电离势很高，但可使药皮疏松易熔，不形成长的套筒，所以电弧的稳定性也很好。

66 2. 造渣剂 （1）熔渣的形成 药皮中加入造渣剂，焊接时熔化形成一定数量、具有一定物理化学性能的熔渣，覆盖着熔化金属，保护熔滴和熔池免受大气中氧、氮的不良影响，并降低焊缝的冷却速度，改善焊缝成型。 焊条药皮中常用的造渣剂包括大理石、菱苦土、白云石、碳酸钡等碳酸盐，形成SiO2的石英砂、白泥、云母、白土子、长石等，形成TiO2的钛白粉、金红石、钛铁矿、还原钛铁矿等，含有高价氧化物的赤铁矿、锰矿等矿物，以及氟化物萤石等。 碳酸盐和高价氧化物在焊接冶金过程中需要通过分解反应造渣，其他的无需反应直接造渣。

67 大理石的主要成分是CaCO3，菱苦土的主要成分是MgCO3
CaCO3==CaO+CO2 MgCO3==MgO+CO2 白云石 第一步：CaMg(CO3)2==CaCO3+MgO+CO2 第二步：CaCO3==CaO+CO2 赤铁矿、锰矿的的主要成分分别为Fe2O3、MnO2 6Fe2O3==4Fe3O4+O2 2Fe3O4==6FeO+O2 4MnO2==2Mn2O3+O2 6Mn2O3=4Mn3O4+O2 2Mn3O4=6MnO+O2

68 （2）药皮的熔化状态与熔渣的凝固温度对焊缝成型的影响
药皮熔点是指药皮开始熔化的温度（即造渣温度），而熔渣的凝固温度则是指熔渣转变为固态的温度（是一个温度区间）。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℃。 药皮熔点过高，焊条末端形成的“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，熔渣很稀、易流失，失去对焊缝的保护作用。同时，熔点过低，形成“套简”太短或不形成“套筒”，则使电弧吹力小而分散，立焊时极易与铁板粘连。 熔渣的凝固温度过高，则其很快凝固，影响冶金反应的充分进行，甚至造成渣压铁水、焊缝成型不良、气孔等缺陷，难以脱渣。焊缝表面产生的“麻点”也与熔渣的凝固温度有关。 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。

69 药皮中常见化合物的熔点 化合物 熔化温度 /℃ TiN 2900 Fe2O3 1600 MgO 2800 MnO 1585 CaO 2600
CaOSiO2 1540 Cr2O3 2277 CaF2 1478 2CaOSiO2 2130 FeO 1369 Al2O3 2050 2MnOSiO2 1365 TiO2 1825 2FeOSiO2 1320 SiO2 1728 MnOSiO2 1285 MnS 1620 FeS 1193

70 图 CaO-SiO2-TiO2三元渣系平衡图

71 （3）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，使渣不能全部覆盖于焊缝上，减弱冶金反应的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。 焊接熔渣粘度通常要求在1500℃时为0.15Pas左右，立焊、仰焊时可略高一些。 图 熔渣粘度与温度的关系曲线 1-短渣 2-长渣

72 图 CaO-SiO2-TiO2系熔渣等粘度曲线（1600℃，P） 图 CaO-SiO2-CaF2系熔渣等粘度曲线（P）
a) 温度1200℃，加15%Al2O b）温度1500℃，加5%Al2O3 图 CaO-SiO2-CaF2系熔渣等粘度曲线（P）

73 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的影响。液态熔渣的表面张力以0. 3~0
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的影响。液态熔渣的表面张力以0.3~0.4N/m为好，并希望温度下降时能迅速增大，以保证熔渣在液态时能均匀覆盖于熔池表面，而在熔池冷却结晶时，又能急剧增大表面张力，约束焊缝成型。 图 氧化物对CaF2基熔渣表面张力的影响 图 氧化物对FeO基熔渣表面张力的影响

74 液态TiO2的表面张力较小，冷却过程中其表面张力迅速增大，因此以TiO2为主的钛型和钛钙型渣的焊缝成型最为理想。
钛铁矿型渣含TiO2不多，全位置焊接性能较差；氧化铁型焊条中，SiO2和FeO虽能降低熔渣的表面张力，却增大了渣的凝固温度范围（形成长渣），它只适于平焊和平角焊，不适于全位置焊接。 在低氢焊条药皮中，SiO2虽能降低熔渣表面张力，但却提高熔渣的熔点，焊缝增氧、增硅，也不可多用。适量的CaO能改善钛铁矿型熔渣的性质，但含量大于15%则有害。Al2O3对熔渣性质是不好的，故选用硅酸盐时应尽可能选其中含Al2O3少的。

75 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。
（4）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。

76 ①熔渣的氧化性 对于低碳钢和低合金钢焊缝，焊缝表面有一层氧化膜，它起着焊缝金属与熔渣之间的联结作用。这层氧化膜主要是FeO，它的晶格结构是体心立方晶格，FeO搭建在焊缝金属-Fe的体心立方晶格上，使这层氧化膜牢固地粘接在焊缝金属表面，造成脱渣困难。 熔渣中含有形成尖晶石型化合物的二价和三价金属氧化物，如Al2O3、V2O3、Cr2O3等，它们的尖晶石型化合物MeOMe2O3搭建在焊缝金属表面氧化物的晶格上。这样，熔渣与焊缝金属牢固地粘接在一起，熔渣更难清除。此时，若增强焊条的脱氧能力，可以明显地改善脱渣性。 ②熔渣的线膨胀系数 熔渣与金属的线膨胀系数相差越大，冷却时两者之间产生的内应力越大，脱渣性越好。

77 图 焊条熔渣和低碳钢的线膨胀系数与温度的关系
图 焊条熔渣和低碳钢的线膨胀系数与温度的关系 钛型和钛钙型焊条熔渣与低碳钢的线膨胀系数相差最大。这类焊条在平板上堆焊或薄板对接焊时非常容易脱渣，几乎整条熔渣可以自动翘起脱落。

78 ③熔渣的疏松度和脆性 熔渣越松脆就越容易脱渣。
熔渣中的TiO2、MnO、FeO等氧化物能使熔渣密实坚硬不脆，而且通常钛型焊条熔渣疏松度(指渣中孔隙所占面积)只有15%左右，焊后熔渣被挤在缝隙中不易脱落。 在氧化铁型焊条熔渣中，由于有MnO和FeO，如配方调整不当，渣壳也较密实坚硬，但如果有TiO2时(钛铁矿型)，减少FeO含量并适当调整CaO、MnO、TiO2及SiO2的比例，能使渣内部成蜂窝状，且质松脆。钛铁矿型焊条熔渣疏松度达50%左右，因此它的脱渣性甚至要优于钛型焊条。 低氢型焊条熔渣的CaO增多时，熔渣呈黄白色，质松而不脆；而CaF2增多时，熔渣呈黑色，质坚硬。低氢焊条熔渣疏松度仅17%左右，故脱渣性不好。

79 （5）焊条焊接时的飞溅 飞溅不仅损失金属，而且落在焊缝两侧的飞溅颗粒粘在工件上不易清除，飞溅的程度可以用收集飞溅金属粒的数量和尺寸予以评定。
焊条的焊接飞溅与气体爆炸力、电弧力及熔渣表面张力有关。大理石CaCO3在600℃开始分解并释放出CO2气体，若分解过程急剧便会产生爆炸飞溅。 熔滴过渡时表面生成氧化膜，而熔滴内部金属过热产生的蒸气压力足够大时，也会引起爆炸飞溅。 药皮水分多，熔渣粘度过大，碳被氧化生成CO，电流过大，电弧过长、不稳，熔滴过大等都会影响飞溅程度，此外由于制造时药粉搅拌不均，也往往会引起飞溅。

80 3.造气剂 焊接时用以形成一定量的气体，起到隔绝空气，保护焊接区的作用，药皮中的这类物质通常称为造气剂。 常用的造气剂为木粉、竹粉、淀粉、纤维素等有机物和大理石、菱苦土、白云石等碳酸盐。 碳酸盐在焊接过程中分解出碱性氧化物和CO2，CO2在高温下进一步分解为CO，作为焊接的保护气体。

81 4.脱氧脱硫剂与合金剂 脱氧剂主要是降低药皮或熔渣的氧化性，减少焊缝金属的氧含量。 合金剂的作用是补偿合金元素的烧损，使焊缝获得必要的合金成分。常用的脱氧剂、合金剂有锰铁、硅铁、钛铁、钼铁、铝粉等。脱氧剂、合金剂在药皮中多以铁合金的形式加入，有时也采用加入金属粉末的形式。 焊条药皮中加入铁合金和纯金属的目的和作用有两点：其一是在焊接过程中进行脱氧、脱硫、脱氮等化学反应，净化焊缝金属；其二是对焊缝金属进行合金化，改善焊缝金属的组织和力学性能。

82 （1）脱氧 焊缝金属的脱氧方法，一般是将作为脱氧剂的铁合金和纯金属加在焊条药皮中，焊接时将脱氧剂熔融在熔渣里，通过熔渣与熔化金属间（包括熔滴和熔池阶段）进行的系列脱氧反应，达到脱氧的目的。 常见元素对氧的亲和力依次减小的顺序如下，可做为选用脱氧剂或分析焊接化学冶金反应的参考。

83 焊条药皮脱氧剂的选用原则： 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。

84 使用碳脱氧时，必须慎重。CO若不能从熔池中逸出，将会形成CO气孔。焊缝增碳会提高焊缝金属的硬度，降低塑性、韧性，故一般只在堆焊焊条、铸铁焊条中用碳脱氧。
铝是强脱氧剂，但生成的Al2O3熔点较高，易形成夹杂，且易增大飞溅，应尽量少用。 钛的脱氧能力较高，药皮刚一熔化其大部分就被烧损，主要进行先期脱氧，能进入熔池脱氧的仅为一小部分，钛还能与氮结合形成氮化钛，起到脱氮作用，消除氮的有害影响。钛能细化晶粒，改善焊缝韧性，但其含量不宜过高，否则会降低焊缝的韧性。在低氢焊条中常用钛脱氧，但不宜过多使用。 硅、锰均有良好的脱氧效果，价格便宜，是常用的脱氧剂。

85 （2）脱硫 硫在焊缝金属中以FeS的形式存在，是有害杂质，容易引发多种焊接缺陷。药皮中加入的脱氧剂有的还具有脱硫作用。 硫是活泼的非金属元素之一，在焊接温度下能与很多金属或非金属元素生成气态或液态化合物。脱硫的实质是将液态金属中的硫转变为不溶于液态金属的化合物，使其进入熔渣或经熔渣逸出。 常用的脱硫方法是元素脱硫或熔渣脱硫，对酸性焊条以元素脱硫为主，对碱性焊条可同时采用元素和熔渣脱硫。 [Mn]+[FeS]==[Fe]+(MnS) [FeS]+[MnO]==（FeO）+(MnS) [FeS]+[CaO]==（FeO）+(CaS) [FeS]+[MgO]==（FeO）+(MgS)

86 （3）焊缝金属的合金化 焊缝金属的合金化就是将某些需要的合金元素通过一定的方式过渡到焊缝金属中。
焊缝金属合金化的目的主要有两个：一是补偿合金元素在焊接过程中的烧损及蒸发；二是满足焊缝金属成分设计的要求，以改善焊缝的组织和性能。 焊条的种类不同，对焊缝金属合金化的要求也不同。 利用药皮过渡合金元素是将所需要的合金元素以纯金属或合金的形式加入焊条药皮中，通常多采用碳钢焊芯（如H08A等），通过焊接冶金使焊缝金属合金化。这种方法简单、灵活、方便、制造容易，广泛应用于焊条生产。

87 熔渣中的SiO2等氧化物也能通过与液态铁的置换反应向焊缝金属过渡合金元素，如：
(SiO2)+2[Fe]==[Si]+2(FeO) (MnO)+[Fe]==[Mn]+(FeO) 反应的结果是向焊缝过渡合金元素Si、Mn，Fe则被氧化成FeO，FeO大部分进入熔渣，少部分溶于液态铁中，使焊缝增氧，这对焊缝的力学性能不利。

88 焊条中的合金元素（包括药皮和焊芯）在焊接过程中有三个去向，氧化损失、残留损失和过渡到焊缝金属中去。
常用合金元素过渡系数说明或评价合金剂的利用率。 合金元素的过渡系数，是指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，可用下式表示： 式中 —合金元素过渡系数 Cd—合金元素在熔敷金属中的浓度 Cx—合金元素在焊芯中的浓度 Cy—合金元素在药皮中的浓度 Kb—药皮重量系数，指药皮质量与焊芯质量的比值。

89 影响过渡系数的因素如下： ① 合金元素的物理化学性质 合金元素的沸点越低，饱和蒸汽压越大，越易蒸发损失，其过渡系数越小；
合金元素对氧的亲和力越大，则越易氧化，其过渡系数越小。 当几个合金元素同时合金化时，其中对氧亲和力较大的元素，将对其他元素起到保护作用，即依靠自身的氧化而减少其他合金元素的氧化损失，从而提高其他合金元素的过渡系数。如碱性药皮中，加入Ti、Al时，可提高Si、Mn的过渡系数。

90 试验表明，随着药皮中合金元素含量的增加，其过渡系数逐渐增加，当其浓度超过某一个值时，其过渡系数趋于一个定值 。
②合金元素的含量 试验表明，随着药皮中合金元素含量的增加，其过渡系数逐渐增加，当其浓度超过某一个值时，其过渡系数趋于一个定值 。 图 锰的过渡系数与其在焊条中含量的关系 1—碱性渣 2—酸性渣 Cx+KbCy Mn

91 ③合金剂的粒度 增大合金剂的粒度，可减小表面积，可减少氧化损失，提高合金元素过渡系数。合金剂的粒度过大，则难以熔化，会使残留损失增大，不利于合金过渡和化学成分的均匀性。在焊条药皮中，常用的合金剂一般为100%过40目，对不易氧化的合金，粒度影响较小，反之，影响较大。 ④药皮的成分 药皮的成分决定了气相和熔渣的氧化性、熔渣的碱度、表面张力、界面张力等，对合金过渡系数影响很大。 ⑤药皮重量系数和焊接工艺参数 在药皮中合金剂含量不变的条件下，随着药皮重量系数的增加，合金过渡系数减小。因为，药皮厚度的增加，使残留损失和氧化损失增大。

92 常见合金元素的过渡系数 注：①药皮重量系数Kb≈0.65（H0Cr21Ni10） ②CaCO3/CaF2=2~3 Kb≈0.45
类型 合金元素过渡系数  /% Mn Si Cr Ni Mo Cu Nb V W Ti 钛钙型① 38 71 77 96 60 80 52 — 12.5 氧化铁型 8~12 14~17 64 低氢型② 45~55 35~50 72~82 85~95 83~86 95 59~？ ≈95 ≈0 低氢型③ 75 91 93 注：①药皮重量系数Kb≈0.65（H0Cr21Ni10） ②CaCO3/CaF2=2~3 Kb≈0.45 ③CaCO3/CaF2＜1 Kb≈0.45

93 5.粘接剂 为了把药皮材料涂覆到焊芯上，并使药皮具有一定的强度，必须在药皮中加入粘接力强的物质，这类物质即为粘接剂。
常用的粘接剂是水玻璃，分为钾水玻璃、钠水玻璃或钾钠混合水玻璃。 一般来说，酸性焊条常用钾钠混合水玻璃，碱性焊条常用钠水玻璃。 由于水玻璃中含有钾、钠等低电离电位元素，所以除起粘结作用外，还可以起到稳弧作用。 由于粘接剂在焊接过程中也参与冶金反应，所以应注意水玻璃对焊缝化学成分的影响。如焊接含铝的低温钢、耐蚀钢时，为了防止SiO2的渗硅现象，应采用铝酸钠水玻璃。

94 反应水玻璃性能的指标是模数、浓度及粘度。
（1）模数 水玻璃的模数表示其SiO2与R2O摩尔数的比值，即 式中，a—R2O与SiO2分子量的比值，对钠水玻璃a=1.032，对钾水玻璃a=1.566 模数表示水玻璃的分子组成，它决定着水玻璃的粘结性能。焊条用钠水玻璃的模数一般为2.8~3.0，钾钠混合水玻璃为2.5~2.7与2.8~3.0。模数大于或等于3的水玻璃为中性，模数小于3的水玻璃为碱性，即模数越小碱性越强。

95 （2）浓度 液体水玻璃的浓度是表示水玻璃中含水量多少的指标，含水量越多，则液体水玻璃的浓度越低，粘性也相应降低。浓度过低的水玻璃，可采用煮熬、浓缩的办法使其中部分水分蒸发，以提高液体水玻璃的浓度。 在螺旋式焊条压涂机压涂酸性药皮焊条时，用模数2.5~2.7的钾钠水玻璃，其“波美”浓度为39°左右；在油压式焊条压涂机压涂碱性药皮焊条时，用模数2.8~3.0钠水玻璃，其“波美”浓度为50°左右；当用模数2.8~3.0的钾钠混合水玻璃，其“波美”浓度为50°左右。 使用多大模数与浓度的水玻璃应视焊条配方和生产工艺而定。生产经验表明，采用高模数低浓度(如46~48°)的水玻璃作碱性药皮焊条涂料的粘结剂，在解决焊条药皮开裂、起泡、偏心和提高焊条涂料压涂性能方面，取得良好效果。

96 （3）粘度 粘度与液体水玻璃的模数、浓度和温度有关。用粘度不同的水玻璃配制的焊条涂料，其塑性显著不同，对焊条的压涂性能、焊条的烘干、焊条药皮外观质量、耐潮性和强度都有影响。实践表明：配制焊条涂料用粘度高(粘性大)的水玻璃、易使涂料粘在搅拌机上，难以得到搅拌均匀的涂料，或需延长搅拌时间；若水玻璃粘性较差．则涂料粘性、塑性差，压涂焊条时易造成两端裸露的焊条。 有资料表明，用粘度为0.74~0.8Pas的液体水玻璃配制的焊条涂料压涂时，无论在焊条外观和生产效率方面部得到了良好的效果。 水玻璃在空气中二氧化碳的作用下形成表面膜，影响焊条的风干和烘干效果。粘度愈高的水玻璃形成表面膜的时间愈短，而焊条药皮风干的速度随着水玻璃液体粘度的降低而增加。

97 6.成形剂 在焊条药粉中加入某些物质使药皮具有一定的塑性、弹性和流动性，以便于压制焊条时使焊条表面光滑而不开裂。常用的成形剂有白泥、云母、钛白粉、糊精等。

98 4.5 合金元素对焊缝性能的影响 合金元素在碳钢和低合金钢焊缝中主要是形成化合物或固溶体。
4.5 合金元素对焊缝性能的影响 合金元素在碳钢和低合金钢焊缝中主要是形成化合物或固溶体。 化合物主要是碳化物、氮化物、氧化物、硫化物或金属间化合物。 Ti、V、Nb、Mo易形成碳化物。 Ti、Zr、V、Nb、Al、B易形成氮化物。 合金元素对碳钢和低合金高强钢焊缝的强化方式有固溶强化、析出强化和细化晶粒强化三种形式。

99 细化晶粒强化是指在焊缝中加入Ti、Zr、A1、V、B、Mo及稀土元素，通过细化晶粒，提高焊缝金属的强度和韧性。
图 合金元素对铁素体硬度的影响 图 合金元素对铁素体冲击韧度的影响 析出强化是利用在铁素体中有限固溶的元素，如C、B、Cu、Mo、Ti、Nb、V、N等，在熔池结晶和冷却过程中析出碳化物、氮化物及金属间化合物，来提高焊缝金属的硬度和强度。 细化晶粒强化是指在焊缝中加入Ti、Zr、A1、V、B、Mo及稀土元素，通过细化晶粒，提高焊缝金属的强度和韧性。

100 Mn-Si系焊缝: C在提高强度的同时，会使塑性、韧性明显下降，且过多的C易形成CO气孔，裂纹倾向也会增大。因此，应严格控制焊缝的含碳量。
Si一方面可以提高强度，又能降低焊缝中的氧含量，但Si含量不宜过高，否则将引起焊缝金属塑性和韧性的下降。 在低氢型焊条中合理控制Mn/Si比，可以提高Mn、Si的联合脱氧效果，使焊缝金属达到较高纯度，在提高强度的同时，也能获得良好的塑性和韧性，一般Mn/Si应大于2~3.5。对于强度等级较高的焊缝，应相应提高Mn/Si比，使其大于3.0~3.5，以减少S的有害影响。

101 低合金钢焊缝： 在低合金钢焊条设计中，一般应严格控制C，适量加入Mn、Si，并加入其它强化元素，采用多元微量元素强化的设计原则，这种焊缝成分设计理念可在较大范围内调整焊缝金属的强度等级，并可获得良好塑性、韧性和抗裂性能。 Mn-Ti-B系高韧性焊条就是加入微量Ti、B，使焊缝金属强度略有提高的同时，焊缝金属亦具有优良的冲击韧性。 有的焊条加入少量Ni和稀土，也可达到提高焊缝金属韧性和抗裂性能的目的。在低合金钢焊缝金属中加入0.3%~2%Ni，可以改善抗冷裂性能、提高低温冲击韧性。这主要是由于Ni可提高铁素体的韧性、促进针状铁素体AF的形成。

102 Nb对低合金高强钢焊缝金属的韧性有不利影响，主要是由于Nb的析出硬化导致Mn-Si系焊缝金属韧性下降，Nb还会增大结晶纹倾向。因此，一般不在低合金钢焊条中加入Nb。
焊缝金属中含有一定量的Ti，对改善塑性和韧性有利。 B在熔池金属凝固过程中与N结合为BN，降低固溶N的含量，B还可细化晶粒。固溶B能抑制晶间的先共析铁素体的析出，提高抗裂性、减少氢脆，B、Ti共存时效果更佳。 低碳钢和低合金高强钢焊缝金属中加入少量的Cu(0.20%~0.55%)、Cr(0.30%~1.25％)、P(0.06%~0.15%)或Ni、Mo、A1、Ti、Zr等，可有效地提高耐大气腐蚀能力。

103 4.6 典型焊条设计 1. 钛钙型药皮焊条设计 钛钙型药皮是应用最为普遍的一种典型药皮类型，广泛应用于碳钢、低合金钢、不锈钢、堆焊等焊条，其中钛钙型碳钢焊条和低合金钢焊条所占比例最大，我国的E4303（J422）焊条属于钛钙型碳钢焊条。 E4303焊条1945年左右起源于西欧各国及瑞典等国，1949年日本仿制成功并投入批量止产。我国于1957年仿制成功并投产，从1959年起至今在我国焊条产品中占主导地位，约占我国焊条总产量的80%。 E4303焊条具有优良的工艺性能和力学性能，适应于平焊、立焊、仰焊。在焊条制造工艺上，不但可用油压机生产，而且能够采用我国广泛使用的螺旋机生产。 我国多家企业生产的E4303焊条已达到国际先进水平。

104 （1） E4303性能特点 E4303焊条属钛钙型药皮的碳钢焊条，具有电弧稳定、飞溅小、熔渣覆盖均匀、脱渣容易、焊缝成形好，焊缝金属的强度、塑性、韧性良好等特点。 熔敷金属中一般含氧0.05%~0.07%（主要以氧化物夹杂形式存在)，含氮0.02%~0.03%，扩散氢含量为20~30mL/100g，通常情况下抗气孔性能良好。 熔渣熔点为1200~1250℃，高温时粘度较小，当降至约1380℃时，粘度急剧增大，表明出良好的“短渣”特性，适于全位置焊接。

105 E4303焊条主要是控制熔敷金属的C、Mn、Si、S和P元素。
（2）药皮配方调整的一般规律 1）熔敷金属化学成分的控制 E4303焊条主要是控制熔敷金属的C、Mn、Si、S和P元素。 碳 一般控制C不超过0.10%。熔敷金属的含碳量增加，使焊缝的裂纹倾向增大，韧性降低。 锰与硅 适量增加熔敷金属的含锰量，不仅可以提高强度，提高常温和低温冲击韧性，而且还可以抑制S的有害作用。Mn含量一般控制在0.3%~0.6%。硅含量增加，将提高强度，降低冲击韧性，一般控制Si不超过0.20%，且使Mn/Si＞2.5。 硫和磷 脱硫和脱磷能力较弱，必须严格控制原材料的硫、磷含量。为消除硫的有害作用，可适当提高Mn/S的比值，一般控制Mn/S＞13。

106 2）药皮配方的分析及调整 典型钛钙型碳钢焊条，焊接熔渣的化学成分为： 25.1% SiO2 、 30.2% TiO2 、 3.5% Al2O3 、9.5%FeO、 13.7% MnO 、 8.8% CaO 、 5.2% MgO 、 1.7% Na2O 、 2.3% K2O 。熔渣的碱度B1=0.74，属于酸性渣系。 焊接时的气体成分为： 50.7% CO 、 37.7% H2 、5.9%CO2、 5.7% H2O ，气保护作用主要靠CO及H2气体。

107 E4303焊条药皮中一般含有30%以上的TiO2，20%以下的碳酸盐，30%左右的硅酸盐，4%以下的有机物和9%~15%的锰铁等。

108

109 E4303焊条碳酸盐的加入原料多为大理石、菱苦土、白云石三种。三种碳酸盐均可分解出碱性氧化物（CaO或MgO）和CO2，起到气渣联合保护的作用。
有机物的主要作用是造气，并可改善焊条的压涂性、引弧性和稳弧性，也有一定的脱氧作用，其脱氧效果约为中碳锰铁的1/2。有机物的加入量一般为4%以下，小规格焊条宜多加，大规格焊条宜少加或不加 。 E4303焊条药皮常用的硅酸盐原料有：白泥、长石、云母和白土子等。在需加硅酸盐的总量中，优先满足白泥10%~15%和云母或白土子5%~8%的加入量，不足部分再添加长石。

110 我国焊条行业不断开发、应用新的原料，如海泡石，绢云母等，对提高产品质量，降低成本，取得了可喜的成绩。
表 不用钛白粉的E4303焊条药皮配方（质量份） 名称 还原 钛铁矿 白泥 长石 云母 大理石 碱云母 中碳锰铁 木粉 淀粉 配比 53 8 10 6 5 9 2 1 不断地提高和稳定还原钛铁矿的质量，如大幅度降低氧化铁的含量，对进一步提高和稳定该类焊条的质量，有着重要的作用。 我国焊条行业不断开发、应用新的原料，如海泡石，绢云母等，对提高产品质量，降低成本，取得了可喜的成绩。

111 2. 低氢药皮焊条设计 低氢药皮以大理石、氟化物为基础，采用钛、硅、锰联合脱氧。
熔渣碱度较高，有利于合金元素的过渡和去除有害杂质，已广泛应用于低合金高强钢、耐热钢、不锈钢、低温钢、堆焊等焊条。 E5015低氢钠型和E5016低氢钾型药皮焊条，是该药皮类型焊条的典型代表。 E5015由于配方设计选材简单，气渣联合保护好，熔敷金属中的H、O、N、S、P等杂质含量低，塑性、韧性等力学性能优良，抗裂性好，广泛用于碳钢、低合金钢等重要结构的焊接。

112 （1）E5015焊条的设计 1）性能特点 E5015焊条以H08A作焊芯，造渣、造气剂选用大理石、氟化物等，以钛铁、硅铁、锰铁做脱氧剂，属于低氢钠型碳钢焊条。熔渣为碱性，碱度值一般在1.4以上。保护气体主要是CO、CO2。 采用直流反接，可进行全位置焊接，由于气渣保护作用好，脱氧、去氢、脱硫磷能力强，熔敷金属具有良好的塑性、韧性和抗裂性能，适用于低合金钢的焊接。 焊条使用前应烘干，操作时须采用短弧焊接。

113 2）药皮配方的设计 E5015焊条药皮主要由碳酸盐、氟化物、硅酸盐(可用TiO2代替部分硅酸盐)和铁合金4类物质组成。其中碳酸盐与氟化物的总量约为60%~70%，硅酸盐一般小于12%，铁合金约为15%~25%。 ①焊条工艺性能的调整 大理石、氟化物的总量 宜控制在60%~70%。 大理石/氟化物=1.6~2.5为宜。 硅酸盐的影响 对碱性熔渣有一定的稀渣作用，硅酸盐的加入量为5%~10%。 当配比小于3%时，熔渣流动性不良，成形变差； 当大于12%时，渣成黑色玻璃状，脱渣困难。 当用钛白粉代替部分硅酸盐时，一般钛白粉小于5%，硅酸盐小于7%。

114 大理石、萤石和石英是E5015焊条主要的造渣、造气剂，三者的配比对焊条的工艺性能有显著影响。
电弧稳定性最佳配比为：大理石45：萤石15：石英6或大理石45：黄石22，石英8； 脱渣性最佳配比为：大理石36：萤石24：石英6； 焊缝成型最佳配比为：大理石30，萤石30：石英6或大理石36：萤石16：石英14或大理石45：萤石15：石英15； 熔化系数、熔敷系数、焊接飞溅最佳配比为：大理石44：萤石15：石英6或大理石40：萤石16：石英10或大理石45：萤石22：石英8； 扩散氢含量最佳配比为：大理石36：萤石24：石英6或大理石45：萤石22：石英8。

115 脱氧剂的影响 钛铁是主要的脱氧剂，般常用量为8%~12%。脱氧产物TiO2有较强的稀渣作用，钛铁对改善焊条的工艺性能有利。当用量增大到15%~20%时，渣的流动性能特别好，熔滴过渡呈细雾状，焊缝成型美观。 低度硅铁的主要作用除脱氧外，还向焊缝过渡硅。一般常用量小于4%。 锰铁主要是起脱氧并向焊缝金属过渡合金的作用，用量以4%~8%为宜。 过量的锰铁，往往会造成MnO的增多，使熔渣碱度增大，导致流动性变差，焊缝成形不良，脱渣困难。

116 满足低氢要求的药皮配方设计 用人工合成云母代替天然云母 人工合成云母具有与天然云母相近似的化学成分和性能，但不含结晶水。这样可以改善焊条压涂性能，同时又不会使焊缝金属增氢，但价格较贵。 加入0.5%~1%的纯碱（Na2CO3） 可增加涂料滑性，改善压涂性能。但不宜大于1%，否则极易使药皮吸潮，增大飞溅。 加入在300℃左右能挥发碳化的有机物，可有效地改善焊条压涂性能，常用的有机物为羧甲基纤维素。 改用高模数M3.0~3.3，低浓度（42°~44°Be 波美度）水玻璃能有效地改善焊条的压涂性能。

117 ③保证熔敷金属具有良好的塑性和韧性 提高脱氧能力、控制熔渣碱度 熔敷金属化学成分的合理匹配
E5015焊条配方设计在确保满足焊条理化性能和低氢要求的前提下，应综合平衡各项焊接工艺性能指标、制造工艺等。 表 E5015焊条药皮配方示例 序号 大理石 萤石 钛铁 低度硅铁 中碳锰铁 石英 钛白粉 云母 纯碱 1 54 15 12 5 9 — 2 44 24 12.5 2.5 4

118 （2）E5016焊条的设计 E5016焊条多以E5015配方为基础，加入适量的稳弧剂演变而来，稳弧剂常用云母、白土子、钛白粉、长石、碳酸钾等。粘结剂改钠水玻璃为钾或钾钠混合水玻璃。 表 E5016焊条配方示例 大理石 萤石 石英 钛铁 低度硅铁 中碳锰铁 钛白粉 云母 白土子 碳酸钾 钾钠水玻璃 40 24 2 12 3 5.5 5 3.5 1.5 ≈23

119 （3）提高低氢型焊条性能的方向及其主要途径
1）提高交流稳弧性的途径 用钾水玻璃作粘结剂或在药皮中加入K2CO3 在配方中加入10%~20%的铁粉或少量铝镁合金 用MgF2代替CaF2 加入少量CsCO3或铝粉 降低药皮熔点 采用双层药皮

120 对焊芯端部进行特殊加工，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方法。
2）改进脱渣性的途径 提高熔渣的线膨胀系数 形成松脆的多孔熔渣 3）提高引弧性的途径 对焊芯端部进行特殊加工，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方法。 行之有效、使用最为广泛的方法是，在焊条引弧端涂敷引弧剂。 一般引弧剂由以下4类物质组成： ①导电物质，如石墨、铁粉、锰铁等。 ②不使焊缝金属增加碳的氧化剂，如氧化锰、氧比铁、高氯酸钾等。 ③可燃性有机物，如淀粉，糊精等。 ④粘结剂，如水玻璃等。

121 4）降氢的途径 5）低氢型焊条降尘、降毒的途径 控制药皮的含水量 提高焊接冶金去氢能力的途径 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

122 4.7 焊条的制造 焊条制造：把按照配方比例要求混合均匀的药皮材料涂敷到规定长度的焊芯上去。制造工艺过程： 焊芯盘条 矿石类 铁合金
4.7 焊条的制造 焊条制造：把按照配方比例要求混合均匀的药皮材料涂敷到规定长度的焊芯上去。制造工艺过程： 焊芯盘条 矿石类 铁合金 化工产品 水玻璃 原材料检验分析 去锈拉拔 洗选烘干 淬火破碎 粉碎 配料混合 校直切断 粉碎筛分 筛分钝化 筛分 处理配制 压涂药皮，磨头磨尾 配料、搅拌成涂料 晾干烘焙 检验包装

123 将药皮材料制成一定粒度的粉状；硅铁、锰铁等铁合金应进行钝化处理。
（一）焊芯制备 焊芯盘条 去锈 拉拔 校直-切断 除油锈 碳钢焊芯长度一般为400~450mm。 （二）焊条药皮材料制备 将药皮材料制成一定粒度的粉状；硅铁、锰铁等铁合金应进行钝化处理。 钝化处理：采用焙烧或用高锰酸钾浸泡等方法，使铁合金颗粒表面产生一薄层氧化膜，以防止其与水玻璃接触时发生化学反应（药皮发泡）。

124 （三）水玻璃的制备 水玻璃在焊条制造中用来作粘结剂。它是碱金属硅酸盐，俗称泡花碱。焊条工业用水玻璃为液态. 水玻璃还有造渣稳弧作用。 种类：钾水玻璃、钠水玻璃、钾钠水玻璃等。 化学式：R2O.nSiO2。 R2O为碱金属氧化物Na2O、K2O，n值可在较大范围变化。 特性指标：模数、浓度及粘度

125 （四）配料、混拌及压涂 干涂料：各种粉料按配方比例放在一起混拌均匀的材料。 湿涂料：干涂料加入适量水玻璃混拌而成。 压涂：将湿涂料送往压涂机，并以一定的压力并涂敷在焊芯表面上。 （五）焊条烘焙 高纤维素 <120 ºC 酸性焊条 ºC 有机物(少量) <250 ºC 碱性焊条 ºC （六）经检验，质量合格的焊条可包装入库出厂

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127 电焊条的进展 国内焊接材料生产企业围绕国家资源节约和环境友好发展战略，积极开展电焊条产品技术创新和产品替代进口的国产化研究，电焊条新产品发展迅速，基本满足了国民经济发展、国家重大工程建设和国防军事工程对电焊条产品的需求，缩小了国内电焊条产品与国外的差距，提高了产业配套能力，高性能电焊条产品占主导地位。 1）高强高韧性焊条 随着控轧、控冷和炉外精炼技术的应用，使钢铁材料的强度、韧性和纯洁度有了很大提升，相应对焊接材料的强度、韧性及抗裂性能也提出了更高的要求。 中国已开发研制了强度为600~1000 MPa级的超低氢高韧性焊条系列产品。其熔敷金属的塑韧性水平、扩散氢含量和纯净度基本达到与国外同类产品相当。 成功应用于重大建筑工程，如奥运“鸟巢”工程；重大水利工程，如三峡工程；重大军事工程及机械工程等。

128 2）新型耐热钢焊条 随着电力工业迅速发展，火电机组高参数、大型化已成为重要趋势。
超临界、超超临界机组工况条件对材料抗高温氧化性能的要求越来越高，传统耐热钢焊条的热强性能已不能满足技术要求。 目前国内在高温抗蠕变钢焊条研究方面已取得重要技术成果，开发出与T／P23、T／P24、T／P91、T／P92钢配套的电焊条产品，其熔敷金属高温抗蠕变性能及焊接工艺性能与国外产品相当，完全具备大型机组建造的配套能力。

129 3）新型不锈钢焊条 国内在双相不锈钢、超级双相不锈钢、控氮不锈钢、高温耐热不锈钢、超低碳(硫、磷)不锈钢和高温耐热不锈钢等新型焊接材料产品的研究方面获得新的进展。 产品已实现商业化生产。 4）耐火耐候高性能焊条 美国9.11事件的发生，引起人们对高层建筑用钢耐火性能的关注。 目前国内已开发成功了具有国际领先水平的高性能耐火耐候钢及其配套电焊条，并应用于大型高层建筑钢结构工程建造，填补了国内空白。 5）管线钢焊条 管道运输业的兴旺，使国内管道工程建设获得发展空间。“西气东输”工程及其复线工程极大地推动了国内高钢级管线钢焊条的开发。 目前国内已具备X80低氢焊条和X70纤维素焊条的产品生产能力，并批量出口。

130 6）大型原油储罐高强钢焊条 7) 抗氢钢焊条 8) 深冷工程焊接材料
为改变大型原油储罐用高强钢板及配套焊接材料完全依靠进口的局面，国家发改委组织国内主要钢铁企业和焊接材料企业进行国产化技术攻关。 目前，10万立方米及以上大型原油储罐建造用高强钢焊条已实现国产化，并批量出口。 7) 抗氢钢焊条 炼油装置、天然气集输及脱硫工程结构对抗硫化氢和应力腐蚀提出了较高要求，因此对焊接材料熔敷金属的化学成分及力学性能也提出相应要求，尤其是S、P含量必须严格控制，同时要求有较低的屈服强度。 国内开发的抗氢钢焊条大量用于高硫气田开发、石油化工装置建造。 8) 深冷工程焊接材料 乙烯及燃气储运工程，气体分离等深冷装备的快速发展，使深冷工程焊接材料需求迅速增加。 目前国内-196℃的深冷工程焊条已具备镍-铬-钼，镍-铬-铁和奥氏体合金系焊条产品配套能力。 镍-铬-钼系列主要产品技术水平与国外同类产品相当。

131 9)铁道车辆用焊接材料 铁路运输业的高速发展为采用新技术创造了条件，铁道车辆用钢经历了从普通碳钢到高强耐候钢再到TCS不锈钢的变化过程，其抗大气腐蚀及抗特种物料腐蚀的性能逐步增强； 焊接方法也从手工焊到半自动焊再到自动焊的快速发展过程。目前国内已具备500、550、600MPa的各级铁道车辆用钢配套电焊条和TCS不锈钢配套电焊条。 TCS345 不锈钢是太钢针对铁路行业对货车车辆用钢的要求，性能基本与0Cr13一致，在铬铁中加入了微量的镍，耐腐蚀性能与0Cr13相比有所改善，但价格与0Cr13相比便宜不少。

132 电焊条产业的发展方向 电焊条产品将由普通碳钢型向高强高韧低氢环保和特色化需求方向发展。如低氢立向下焊条、抗回火脆性耐热钢焊条、优质不锈钢焊条、大热输入高韧低氢焊条等。超级奥氏体不锈钢焊条、高温耐热不锈钢焊条等特殊产品在一定时期内仍依赖进口。国内低端焊条产品在国际市场仍具有价格竞争优势，占有较大份额。 中国电焊条将向强度高，韧性好，抗裂优，效率高，操作简便，用途细化及节能环保方向发展。 低烟尘低毒环保型电焊条将有较大增长； 400 MPa级普通碳钢电焊条将逐步减少，但仍会保留一定比例； 500 MPa级以上低合金钢电焊条会有较大发展，在产品适应性研发和产品技术服务方面需要加强，这也将成为国内焊接材料企业的重要工作方向。