焊接物理 (Welding Physics)

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1 焊接物理 (Welding Physics)
山东大学材料科学与工程学院 孙俊生

2 第6章 焊剂设计基础 焊剂是焊接时能熔化形成熔渣和气体，对熔化金属起保护和冶金处理作用的颗粒状物质。
第6章 焊剂设计基础 焊剂是焊接时能熔化形成熔渣和气体，对熔化金属起保护和冶金处理作用的颗粒状物质。 焊剂和焊丝是埋弧焊、电渣焊时使用的焊接材料。焊剂相当于焊条药皮，焊丝相当于焊条药芯。焊剂与焊丝配合使用是决定焊缝金属化学成分和性能的重要因素。 埋弧焊、电渣焊多用于焊接钢，少数用于焊接有色金属。

3 焊剂现状 中国熔炼焊剂是20世纪50年代从前苏联引进的技术。在埋弧焊发展初期到80年代末，主要使用熔炼焊剂。
全国生产熔炼焊剂的企业约有60家，主要分布在广西、湖南、河南、山东、上海、安徽、四川、福建等地。产品品种有20多个，主要用于低碳钢、低合金钢焊接及建筑钢筋压力焊。年消费量30余万吨。 在熔炼焊剂中70%以上用于建筑钢筋压力焊。 30%用于造船、锅炉压力容器、桥梁和钢结构的埋弧自动焊。在这30%的埋弧焊剂中，80%以上是高锰型431焊剂，其他用于不锈钢、耐热钢、堆焊的焊剂每年1~2万吨。

4 烧结焊剂的发展有30年历史，品种发展很快，有30多种。
全国生产烧结焊剂的企业约30家，主要分布在河南、辽宁、山东、上海、黑龙江、湖南、安徽、云南等地，年产量约10万吨。 主要用于低碳钢、低合金钢、高合金钢、耐热钢和不锈钢的焊接。 烧结焊剂的需求量逐渐增加，如浦东大桥和芜湖长江大桥，输油、输气、输煤用钢管的焊接均使用大量的烧结焊剂。 随着中国钢结构的快速发展，烧结焊剂的生产和消费也不断增加。

5 中国埋弧焊焊接材料的产量也将维持在整个焊接材料产量的10%左右。
从长远看，由于烧结焊剂与熔炼焊剂相比，具有无污染、易于机械化和自动化生产、焊剂碱度调整范围大、添加合金元素灵活等优点，在工业中的应用将会逐渐增加。 中国烧结焊剂生产企业，大多使用国产或自制设备，搅拌机多采用焊条用的双S搅拌机、造粒设备五花八门、烧结炉多种多样，致使焊剂的外观质量与国外相比存在差距。如颗粒强度低、颗粒圆度不好（有的呈片状或多边形状）、粒度分布不均匀等，给使用造成不便。因此，企业应逐步提高生产自动化程度，以保证产品质量的稳定与提高。

6 焊剂发展方向 熔炼焊剂 烧结焊剂 开发适合中国资源特点的中锰、低锰型熔炼焊剂产品，并推广应用；
生产强度为400 MPa以上的钢筋压力焊焊剂； 开发高强度、低温韧性好的埋弧焊丝-焊剂组合； 开发节能、环保、高效型焊丝-焊剂组合。 烧结焊剂 普通烧结焊剂：进一步稳定焊接工艺性能，提高产品质量，降低焊剂成本，满足市场需求。 高等级管线钢配套焊剂：研究和开发适应X-100及X-120级钢焊接的高强度、高韧性、高焊速的烧结焊剂。

7 低合金高强钢配套焊剂：高强钢焊接用焊剂从提高低温冲击韧性入手，细化晶粒，获得针状铁素体组织，解决埋弧焊时大热输入造成的组织粗大问题。
特种不锈钢配套焊剂：对奥氏体焊缝金属进行合金化和变质处理，使其具有更高的抗裂和抗蚀性能。 特种耐热钢配套焊剂：特种耐热钢广泛应用于锅炉压力容器的焊接，目前国内高效优质的特种耐热钢配套埋弧焊剂有待国产化研发。 低氢型焊剂：烧结焊剂的扩散氢含量与碱性渣系的关系正在研究中，低氢型焊剂满足高强钢抗冷裂的焊接技术要求，具有广泛的应用领域。 高效铁粉型焊剂：研发重点是焊剂渣系、脱氢方式，以及对铁粉的要求。 堆焊焊剂：开发适用于各种用途的系列堆焊焊剂，如堆焊锻模、切削工具、高速耐磨机件、轧辊、连铸辊用的烧结焊剂。特别是改进和开发丝极、带极、药芯焊丝用的烧结型堆焊焊剂，具有较好的应用前景。

8 6.1 焊剂的分类 熔炼焊剂和非熔炼焊剂两类。 焊剂可按焊剂的用途和制造方法、化学成分、化学性质、颗粒结构等进行分类。 １. 按制造方法分类
6.1 焊剂的分类 焊剂可按焊剂的用途和制造方法、化学成分、化学性质、颗粒结构等进行分类。 １. 按制造方法分类 熔炼焊剂和非熔炼焊剂两类。 （1）非熔炼焊剂 （相当于焊条药皮的组成和结构） 特点 可制成酸性、碱性、高碱性；可加脱氧剂、合金剂，抗锈、合金能力强。吸潮性强，不易保存。

9 分类 粘结焊剂和烧结焊剂（烘焙温度不同） 粘结焊剂 烧结焊接 （2）熔炼焊剂 （占焊剂总量的90%） 粉状配料 加水玻璃粘合 成团粒化
分类 粘结焊剂和烧结焊剂（烘焙温度不同） 粉状配料 加水玻璃粘合 成团粒化 约400℃ 低温烘干 约1000℃ 高温烧结 粘结焊剂 烧结焊接 （2）熔炼焊剂 （占焊剂总量的90%） 块状组分 电弧炉熔炼 ℃ 水冷炸裂 烘干粉碎 过筛

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11 特点 多数为MnO、SiO2、CaF2为主的酸性、中性焊剂、工艺性能好； 不能含脱氧剂和合金剂，合金化能力差； 抗潮性极强，可长期保存，用前不烘干。 分类 可按化学成分细分 2. 按焊剂颗粒结构分 (1)玻璃状焊剂 呈透明状颗粒 (2)结晶状焊剂 颗粒具有结晶体特点 (3)浮石状焊剂 泡沫状颗粒，结构松散 结构较致密

12 3. 按熔炼焊剂化学成分分类 (1)按氧化物性质分 酸性、中性、碱性 (2)按SiO2含量分 高硅（SiO2>30%) 中硅 （SiO %) 低硅 （SiO2<10%) (3)按MnO含量分 高Mn（MnO>30%) 中Mn （MnO 15-30%) 低Mn （MnO 2-15%) 无Mn （MnO<2%) (4)按CaF2含量分 高F（CaF2>30%) 中F （CaF %) 低F （CaF2<10%)

13 4.按焊剂化学性质分 (1)氧化性焊剂 对金属有较强的氧化作用。SiO2、MnO、FeO含量大。 (2)弱氧化性焊剂
(3)中性(惰性)焊剂 由Al2O3、CaO、MgO、CaF2等组成，基本不含SiO2、MnO、FeO等氧化物，对金属没有氧化作用。

14 二. 焊剂型号与牌号 （一）焊剂的型号 焊剂型号根据国家标准划分，划分原则是根据埋弧焊焊缝金属的力学性能。
二. 焊剂型号与牌号 （一）焊剂的型号 焊剂型号根据国家标准划分，划分原则是根据埋弧焊焊缝金属的力学性能。 如HJ403-H08MnA HJ X1 X2 X3 —HXXX 埋弧焊用焊剂 焊缝金属的拉伸力学性能 拉伸试样和冲击试样的状态 焊缝金属冲击吸收功不小于27J的最低实验温度 焊丝牌号 3、4、5 0 焊态 1 HT 0 ~ 6

15 焊缝金属的拉伸力学性能X1 X1 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 伸长率/% 3 410~550 ≥ 303 ≥22.0 4 ≥ 330 ≥ 22.0 5 480~650 ≥ 437 拉伸试样和冲击试样的状态X2 0—焊态；1—焊后热处理状态（620℃1h） 最低试验温度X3（℃） X3 1 2 3 4 5 6 试验温度 — -20 -30 -40 -50 -60

16 （二）焊剂牌号 焊剂牌号形式上与焊剂型号相同，但数字含义不同。 1. 熔炼焊剂 (1) 牌号前加“HJ(焊剂)”两字表示埋弧焊及电渣焊用熔炼型焊剂。 (2) 牌号第一数字表示焊剂中MnO含量 HJ１××　　无锰 HJ２××　　低锰 HJ３××　　中锰 HJ４××　　高锰

17 (3) 第二位数字表示焊剂中SiO2、CaF2含量
焊剂×１× 低硅低氟 焊剂×２× 中硅低氟 焊剂×３× 高硅低氟 焊剂×４× 低硅中氟 焊剂×５× 中硅中氟 焊剂×６× 高硅中氟 焊剂×７× 低硅高氟 焊剂×８× 中硅高氟 焊剂×９× 待发展 (4) 第三位数字表示同一类型焊剂的不同牌号 按0、1、2、3、4、5、6、7、8、9顺序排列 (5) 对同一牌号焊剂生产两种粒度时，在细粒产品后加一个细字。

18 例如：HJ431表示埋弧焊及电渣焊所用焊剂，高锰高硅低氟型。
埋弧焊机电渣焊用熔炼焊剂 高锰型 高硅低氟型 牌号编号为1 符合GB HJ401-H08A

19 2. 烧结焊剂 (1) 牌号前“SJ”表示埋弧焊用烧结焊剂 (2) 牌号第一位数字：表示熔渣的渣系 SJ 1 X X 氟碱型 SJ 2 X X 高铝型 SJ 3 X X 硅钙型 SJ 4 X X 硅锰型 SJ 5 X X 铝钛型 SJ 6 X X 其他型 (3) 牌号第二位、第三位数字：表示同一渣系类型焊剂中不同牌号的焊剂，按01、02、…、09顺序编排。

20 6.2 对焊剂的质量要求 良好的冶金性能 适宜的化学成分、良好的力学性能，较强的抗气孔、抗裂能力
6.2 对焊剂的质量要求 良好的冶金性能 适宜的化学成分、良好的力学性能，较强的抗气孔、抗裂能力 良好的工艺性能 电弧稳定，焊缝成形良好，脱渣易，有毒气体少 颗粒粒度 普通颗粒粒度 8-40目(<40目细粒≯ 5%; >8目的粗粒≯ 2%)；细颗粒粒度60-14目(<60目细粒 ≯5%; >14目粗粒≯2%) 含水量≯0.10% 机械夹杂物含量≯0.3% 含S ≯0.06%;P ≯0.08%

21 6.3 焊剂的性能和用途 (一)熔炼焊剂 １.高硅焊剂 以硅酸盐为主的焊剂，SiO2 >30%。 因SiO2 多，有向焊缝过渡硅的作用。 可分为高硅高锰焊剂、高硅中锰焊剂、高硅低焊剂、高硅无锰焊剂 。 含Mn高的焊剂有向焊缝过渡Mn的作用。Mn的过渡与焊丝含Mn量有关。焊丝含Mn量越低，通过焊剂过渡Mn的效果越好。

22 使用高硅焊剂焊接时，焊丝不必再特意加Si。
焊接低碳钢或某些合金钢时，焊剂与焊丝的配合方式为： (1) 高硅低锰或无锰焊剂+高锰焊丝 (Mn=1.5% ~1.9%) (2) 高硅中锰焊剂+含锰焊丝 （Mn=0.8%~1.1%） (3) 高硅高锰焊剂+低碳钢焊丝或含锰焊丝 （应用最广）

23 ２.中硅焊剂 含 SiO2 数量较少，CaO, FeO, MgO量较多，碱度较高，属于弱氧化性焊剂。 中硅焊剂配合适当焊丝可焊接合金结构钢。 弱氧化性中硅焊剂，焊缝金属含氧量较低，韧性要高一些。但焊缝金属含Ｈ量较高，抗冷裂纹能力弱。 在中硅焊剂中加相当数量FeO，氧化性↑, Ｈ↓. 这种焊剂为中硅氧化性焊剂，用于焊接高强钢。

24 焊剂由 MgO-CaF2-Al2O3-CaO 组成，对金属基本无氧化作用，配合相应焊丝可焊接高合金钢，如不锈钢等。
3. 低硅焊剂 焊剂由 MgO-CaF2-Al2O3-CaO 组成，对金属基本无氧化作用，配合相应焊丝可焊接高合金钢，如不锈钢等。 4. 熔炼焊剂的冶金性能 以MnO、SiO2、CaF2为主，配以CaO、MgO、Al2O3形成一系列酸碱性渣。 SiO2与MnO搭配→造渣 （SiO2）+（MnO）=（MnO·SiO2） 高温还原 SiO2+[Fe]=[Si]+FeO →（FeO）[FeO]

25 焊剂 类型 配用焊丝 用途 国产焊剂与配用焊丝 HJ130 无锰高硅低氟 H10Mn2 低碳、低合金钢 如16Mn
焊剂 类型 配用焊丝 用途 HJ 无锰高硅低氟 H10Mn 低碳、低合金钢 如16Mn HJ 低锰高硅低氟 H08MnA,H10Mn 低碳、低合金钢 HJ 低锰高硅中氟 Cr9Ni 不锈钢、轧辊 HJ 中锰高硅低氟 H08MnA、H08Mn2、H10MnSi Q235,20g,16Mn,15MnTi HJ 高锰高硅低氟 H08A、H10Mn2A、H10MnSi 低碳、低合金钢 HJ431 高锰高硅低氟 H08A、H10Mn2A、H10MnSi 低碳、低合金钢

26 高硅高锰焊剂＋低碳钢焊丝（或低Mn钢丝） 高硅中锰低氟焊剂＋低Mn或中Mn焊丝
国产焊剂与配用焊丝 高硅高锰焊剂＋低碳钢焊丝（或低Mn钢丝） HJ431(430,433)+H08A(H08MnA) 焊缝：低C、某些低合金钢结构 高硅中锰低氟焊剂＋低Mn或中Mn焊丝 HJ330+H08MnA(H08Mn2A) 焊接低合金结构钢或C钢重要构件 高硅无锰（或低锰）低氟＋高锰焊丝 HJ130(HJ230)＋H10Mn2 低合金重要结构 中硅弱氧化性焊剂＋合金钢丝 HJ150+H2Cr13 耐磨堆焊 低硅碱性焊剂（高氟）＋高合金钢丝 HJ172+H Cr-Ni不锈钢焊接

27 (二)烧结焊剂 “SJ”系列烧结焊剂是采用硅酸盐、碳酸盐、金属氧化物、氟化物及铁合金、纯金属等粉剂按照焊接冶金要求配成不同酸碱度的焊剂。 烧结型焊剂通过成粒、低温干燥和高温烧结等工艺制成。 烧结型焊剂不但具有优良的焊接工艺，最大优点是可通过焊剂向焊缝金属渗合金，从而降低了对焊丝化学成分的成本，是当前世界上广泛采用的一种新型焊接材料 。

28 烧结焊剂的特点（与熔炼焊剂相比） 1. 烧结焊剂可加脱氧剂，脱氧充分。熔炼焊剂不能加脱氧剂。 2. 烧结焊剂可加合金剂，合金化能力强。 3. 碱度高，冶金效果好，焊缝综合力学性能好。 4. 抗气孔（抗锈）能力强。 5. 生产成本低（1/3~1/2），节能，生产效率高。 6. 焊缝化学成分易随焊接参数变化而波动；吸潮性大，易增加焊缝含氢量，焊前必须烘干。

29 国产烧结焊剂的种类（五种） (1) SJ 101 氟碱型，碱性焊剂，灰色圆形颗粒。
成分：SiO2+TiO2=25%，CaO+MgO=30%，CaF2 = 20%；Al2O3+MnO=25% 配合焊丝：H08MnA、H08MnMoA H10Mn2等 可焊接低合金结构钢，用于锅炉、压力容器等重要构件；焊缝具有较高的低温冲击韧性。 (2) SJ 硅钙型，中性焊剂，黑色圆形颗粒。 成分：SiO2+TiO2=40%，CaO+MgO=25% ，CaF2 =10%，Al2O3+MnO=25% 焊接普通结构钢、锅炉等重要构件；适合双面单道焊。

30 (3) SJ 401 硅锰型，酸性焊剂，灰褐色到黑色圆形颗粒。
成分：SiO2+TiO2=25%，CaO+MgO=10%， Al2O3+ MnO =40% 　 配合焊丝：H08A 焊接低碳、低合金钢；用于矿山机械及机车车辆等构件；工艺性好、抗气孔性强。 (4) SJ 铝钛型，酸性焊剂，深褐色圆形颗粒。 成分：SiO2+TiO2=30%，Al2O3+MnO=55%，CaF2=5% 配合焊丝：H08A、H08MnA 焊接低碳钢、16Mn、15MnV，用于船舶、锅炉等构件，抗气孔性强，对少量铁锈、高温氧化膜不敏感。

31 总之，烧结焊剂具有松装密度较小，熔点较高等特点，适用于大线能量焊接。 此外，焊接特殊钢种时，宜选用烧结焊剂。
(5) SJ 铝钛型，酸性焊剂，灰褐色圆形颗粒。 成分：SiO2+TiO2=45%，Al2O3+MnO=30% ， CaO+ MgO =10%， CaF2=5% 配合焊丝：H08A 焊接低碳钢、低合金结构钢等重要等构件，锅炉、压力容器等、焊接质量好。 总之，烧结焊剂具有松装密度较小，熔点较高等特点，适用于大线能量焊接。 此外，焊接特殊钢种时，宜选用烧结焊剂。

32 熔炼焊剂与烧结焊剂比较 比较项目 熔炼焊剂 烧结焊剂 工艺性能 高速焊接性能 焊道均匀，不易产生气孔和夹渣 焊道无光泽，易产生气孔夹渣
大电流焊接性能 焊道凸凹显著，易粘渣 焊道均匀，易脱渣 吸潮性能 比较小，可不必再烘干 比较大，必须再烘干 抗锈性能 比较敏感 不敏感 焊缝性能 韧性 受焊丝成分和焊剂碱度影响大 较易得到较好韧性 成分波动 焊接参数变化时成分波动小，均匀 成分波动大，不容易均匀 多层焊性能 焊缝金属成分变动小 成分波动较大 合金剂的添加 几乎不可能 容易

33 6.4 熔炼焊剂的设计 1. 常用熔炼焊剂的组成及其配料计算
6.4 熔炼焊剂的设计 1. 常用熔炼焊剂的组成及其配料计算 根据熔炼焊剂设计的成分组成来选择炉料，尽量采用高品位含杂质少的原料。每种矿物岩石一般都含有一种或两种以上主要成分，配方时应首先计算含多种成分的原料，最后是计算化学成分单纯的材料。例如需要用石英砂、白云石、锰矿、长石、萤石材料时，应首先计算白云石，其次为长石、锰矿、萤石，最后才为石英砂。

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35 2．熔炼焊剂的主要成分对熔渣性能的影响 以基本成分为SiO2、CaF2、MgO和Al2O3，附加成分为ZrO2、MnO、CaO和TiO2的焊剂为例，介绍焊剂成分对熔渣密度、表面张力、界面张力及粘度的影响。 （1）焊剂成分对熔渣密度的影响 （2）焊剂成分对熔渣表面张力的影响 （3）焊剂成分对熔渣界面张力的影响 （4）焊剂成分对熔渣粘度的影响

36 图 焊剂成分与熔渣密度的关系 a) 基本成分 b)附加成分

37 图 焊剂成分与熔渣表面张力的关系 a)基本成分 b)附加成分

38 图 焊剂成分对熔渣界面张力的影响 a)基本成分 b)附加成分

39 图 焊剂成分与熔渣粘度的关系

40 6.5 非熔炼焊剂的设计 1.粘接焊剂的设计 粘接焊剂是将一定比例的各种粉状配料加入适量粘接剂（常用水玻璃），经混合搅拌、粒化和低温烘干（一般在400℃以下）而制成的一种焊剂，曾被称为陶质焊剂。它与焊条药皮完全类似，只是呈颖粒状，其设计参见焊条药皮的有关章节。 粘接焊剂的显著特点是在药粉中可以任意加入大量铁合金，使得焊剂具有脱氧、过渡合金元素、对焊缝金属进行变质处理等作用。因此，可以用粘接焊剂和普通焊丝焊接低合金钢，可用于堆焊耐磨、耐腐蚀的零部件，焊缝金属需要的合金元素由粘接焊剂过渡。但是，粘接焊剂质地疏松，吸潮性强，不易保管存放和重复使用，所以其应用范围受到一定限制 。

41 2．烧结焊剂的设计 烧结焊剂是将一定比例的各种粉状配料加入适量粘接剂，混合搅拌后经高温（一般为400~1000℃）烧结成块，然后粉碎、筛选而成的一种焊剂。 烧结焊剂的组成不同于熔炼焊剂，它和焊条药皮的组成极其相似，通常由矿物、铁合金和化工产品三类物质组成。由于生产时需要高温烧结，因此烧结焊剂中不加有机物，这与焊条药皮不同。烧结焊剂与焊条药皮的作用类似，也起稳弧、造渣、脱氧、合金化等作用，其设计可参考焊条的设计。

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