一.電弧穩(wěn)定性
焊接電弧是兩電極間氣體介質(zhì)產(chǎn)生的強烈而持久的放電現(xiàn)象。電弧氣氛中電離電位低的氣體存在越多，電弧燃燒就越穩(wěn)定。電弧的溫度極高，焊劑成分部分蒸發(fā)，電弧蒸氣中除熔渣外，還有SiF4、CO、[OH]等氣體。熔渣中含有堿性金屬氧化物時，在電弧中這些金屬氧化物就會參與分解和還原反應(yīng)而出現(xiàn)很多電離的鉀、鈉離子。由于K+、Na+的存在，改善了電弧的導(dǎo)電性，從而提高了電弧穩(wěn)定性。
焊劑成分中除了含有堿性金屬氧化物外，還有一些能降低穩(wěn)弧性的成分，電弧燃燒的穩(wěn)定性隨著電弧氣氛中氟離子的增加而降低。氟化物是防止焊縫產(chǎn)生氫氣孔的最有效的物質(zhì)，所以一般焊劑中都含有氟化物。為了保證焊劑的電弧穩(wěn)定性，在含氟化物的焊劑中適當(dāng)加入一些堿性金屬氧化物，但堿性金屬氧化物的增加導(dǎo)致抗氣孔性下降。因此在考慮焊劑電弧穩(wěn)定性時，必須同時考慮氟化物與堿性金屬氧化物的相互影響。
當(dāng)焊劑中含有較多的CaO、MnO、TiO2時，焊劑的電弧穩(wěn)定性一般能滿足焊接的要求，此時不必加入Na2O、K2O等堿性氧化物。TiO2是良好的穩(wěn)弧劑，不僅能提高熔化速度，而且降低熔渣的表面張力，改善焊劑的綜合焊接工藝性能，同時具有提高焊縫金屬低溫沖擊韌性的作用。
二.脫渣性能
脫渣是焊接工藝性能的重要指標(biāo)之一。脫渣性能在多層埋弧自動焊時具有特別重要的意義，因為在連續(xù)焊接過程中，第二道焊縫往往要在被加熱到400℃以上的第一道焊縫上進行焊接，如果此時第一道焊縫的渣殼不能脫落，就很難進行第二道焊縫的焊接。
液態(tài)熔渣與正在結(jié)晶的焊縫金屬表面還要繼續(xù)進行反應(yīng)，直到熔渣凝固時為止。反應(yīng)的產(chǎn)物是在金屬表面上形成一層氧化膜，這層氧化膜在一定條件下對渣殼脫落起著決定性的作用。熔渣的氧化性是渣殼與焊縫金屬表面黏著的主要因素，如果焊縫金屬中存在有對氧具有較大親和力的元素時，由于選擇性的氧化作用，所形成的氧化膜就具有不同的成分和結(jié)構(gòu)。例如焊接含Cr、Ti、Nb和V等元素的鋼材時，氧化膜就會富集這些元素的氧化物。溫度大于800℃，金屬離子的擴散系數(shù)比氧化物中氧的擴散系數(shù)要大?？梢哉J為這層氧化膜是由于金屬中易氧化的金屬離子擴散而形成的。產(chǎn)生這些氧化物的反應(yīng)按下式進行：
R+1/2O2=RO
反應(yīng)的程度與熔渣的氧化性、熔渣-金屬間的界面張力和焊縫上凝固的熔渣在較高的溫度下停留時間有關(guān)。例如，采用H0Cr21Ni10Nb焊絲進行焊接時，脫渣不好的地方，發(fā)現(xiàn)界面鄰近區(qū)和界面上的NB含量增加，而在焊縫測出現(xiàn)厚度為2-3μm的貧Nb層。采用含Ti的焊絲，使用脫渣良好的焊劑時，焊道表面Ti含量分布比較均勻；使用脫渣不好的焊劑時，焊道表面Ti含量分布不均勻，可能形成局部的聚集，造成熔渣與金屬的黏著現(xiàn)象。脫渣不良的渣殼內(nèi)表面Ti的局部集聚尺寸達3.7μm，黏著渣是由Cr、Ni、Fe的集合物組成，包圍在集聚點的外圍還有Mn、Mg、Al和Cr的成分，形成尖晶石型結(jié)構(gòu)。例如，（Cr、Ti、Mg、Mn）O?（Cr、Ti、Mn、Al2O3）在相同界面生成這種Nb化合物就會使脫渣惡化。
由此可見，影響焊劑的脫渣性能的因素主要有以下幾點：
①熔渣的氧化性
焊劑氧化性對脫渣性能有很大的影響。采用氧化性較大的焊劑焊接含Cr、V的鋼材時，脫渣不好，而采用氧化性小的焊劑時，具有良好的脫渣性能，焊縫表面殘留較少的膠質(zhì)點。
焊接含鎢合金鋼時，由于鎢與氧親和力較小，因此不形成中間氧化膜，所以使用氧化性較大的焊劑進行焊接，也可以獲得良好的脫渣性能。
防止在焊縫金屬表面生成氧化膜，可以在焊劑中加入活性脫氧劑，使其與液態(tài)熔渣中的氧結(jié)合，以抑制其氧化作用，防止焊縫表面形成氧化膜，避免熔渣在焊縫表面產(chǎn)生外延共生的礦物體。
如果熔渣中元素的氧化物[MnO]含量較多，則熔池金屬中該元素[Mn]的氧化物就少。對氧親和力強的元素比弱的元素氧化的多。根據(jù)這個原則，可以降低那些與氧親和力很強的元素的氧化強度，其措施就是在焊劑中加入該元素的氧化物。
采用H0Cr19Ni9Ti焊絲配合Al2O3-CaF2-MgO-TiO2渣系焊劑焊接時，具有良好的脫渣性能，但把TiO2成分去掉，脫渣就變壞。采用H08Cr15Ni60Mo15焊絲時，Cr對氧親和力最大，Ni較小，那么就要在焊劑中加入Cr2O3和NiO，這樣即使焊縫在紅熱的狀態(tài)，也具有良好的脫渣性能。
焊縫金屬中含有活性金屬成分時，為了改善脫渣性能，必須根據(jù)金屬成分來選擇合適的焊劑或者在焊劑中加入足夠的該活性金屬氧化物，減少活性金屬的選擇性氧化，才能避免產(chǎn)生氧化膜與熔渣產(chǎn)生外延取向共生。
②熔渣的結(jié)構(gòu)
有人在含有Cr、V和Ni的鋼材上進行堆焊試驗，選用不同氧化性的焊劑來比較，隨著中間層熔渣中Cr2O3和V2O5含量的增加，脫渣性能變壞，在焊縫表面上留下很牢固的膠質(zhì)渣。借助X射線研究發(fā)現(xiàn)，在焊縫金屬上生成的這種中間黏附渣中具有下列的巖石相：CaF2、5CaO?Al2O3、MgO?Al2O3；（Fe?Mn）O?Cr2O3.中間層主要是以尖晶石（Fe?Mn）O?Cr2O3和（Fe?Mn）O?V2O5成分為主。它們的晶格常數(shù)與磁鐵礦（Fe3O4）相似，會與α-Fe晶格相連接。由于這個中間層才使熔渣與金屬間牢固地黏著。
熔渣-焊縫金屬間膠質(zhì)強度與α-Fe或FeO晶格、鋼所含元素的氧化物晶體構(gòu)造有關(guān)。當(dāng)兩種晶格相差很小時，膠質(zhì)強度大，脫渣性能不好。例如，焊接含Nb、Ti元素的鋼材時，由于氧化物TiO、NbO的晶格尺寸與α-Fe的晶格尺寸要比FeO更接近，所以當(dāng)焊絲或母材中含有Ti、Nb時，就會使脫渣性能變壞。
③熔渣-金屬界面的氧化和擴散作用
由于熔渣-金屬界面上合金元素選擇性氧化和擴散作用，就在金屬界面上產(chǎn)生晶格點缺陷（空位）和線缺陷（位錯），這些缺陷處就變成熔渣定向結(jié)晶的中心，在焊縫金屬基礎(chǔ)上給這種中間層化合物的晶體外延取向成長造成了有利條件。所以當(dāng)金屬表面上的空位和位錯密度提高時，渣殼就不易脫落。
由于熔渣-金屬相互反應(yīng)的結(jié)果，比鐵對氧具有更大的親和力的元素向熔渣-金屬間相互摻合，生長結(jié)構(gòu)狀的熔渣層，使脫渣變壞。增加冷卻速度使熔渣的活性下降，避免和減少合金的氧化，或許成為改善此種脫渣不良的方法之一。
④熔渣與金屬表面張力
很多試驗結(jié)果證明，影響脫渣性能的主要元素之一是熔渣與焊縫金屬的化學(xué)反應(yīng)，顯然熔渣和金屬的表面張力以及相間張力對這種化學(xué)反應(yīng)的強弱有很大的影響。因為這兩種物理性能決定了液態(tài)熔渣對金屬的潤濕能力。提高相間張力σ金-渣會使熔渣與金屬的接觸邊緣角增大，相應(yīng)地降低了熔渣對金屬的潤濕能力，也就降低了化學(xué)反應(yīng)能力，使產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)合力（附著力）降低。
W黏=σ金屬+σ熔渣-σ金-渣
式中W黏——熔渣-金屬之間的黏著力，dyn/cm（達因/厘米）；
σ金屬——金屬表面張力；
σ熔渣熔渣的表面張力；
σ金-渣金屬與熔渣的界面張力。
焊縫金屬與熔渣的表面張力越小，以及它們之間的界面張力越大，W黏越小，脫渣越容易。當(dāng)W黏大于900dyn/cm時，渣殼與焊縫金屬表面黏結(jié)牢固，不易脫落。
在研制新焊劑時，應(yīng)該知道各種氧化物的表面張力σi因數(shù)及相間張力σ金-渣和黏著力，計算熔渣和焊縫金屬的結(jié)合強度，獲得良好的熔渣物理性能。
⑤熔渣與金屬的線脹系數(shù)
焊劑的脫渣性能還與熔渣的線脹系數(shù)有關(guān)。焊后冷卻過程中熔渣與金屬的線脹系數(shù)相差愈大，氧化膜中間破裂的機會增加，熔渣愈容易脫落。
硅酸鹽中Si-O鍵強度很大，相鄰的四面體的連接不規(guī)則，各四面體之間幾乎不發(fā)生作用，因而硅酸鹽的線脹系數(shù)較小。
在SiO2中加入TiO2后，其線脹系數(shù)會不斷下降，甚至可達到負值。這是因為[TiO4]四面體進入結(jié)構(gòu)中后，離子鍵增大，因而結(jié)構(gòu)更牢固。當(dāng)TiO2含量增大時，Si與Ti之間的氧可能產(chǎn)生較強烈的橫向振動，會促使正離子相互接近，因而出現(xiàn)負的線脹系數(shù)。
從這一觀點出發(fā)，焊劑中加入TiO2組分，會改善脫渣性能。氧化物鍵強度愈小，離子的場強愈小，對線脹系數(shù)影響愈大。
低碳鋼的線脹系數(shù)為（11.9-13）×10-6，高合金鋼的線脹系數(shù)為（14-18）×10-6.熔渣的線脹系數(shù)與被焊金屬的差別愈大，脫渣性能愈好。
⑥熔渣的相變應(yīng)力
熔渣成分中的相變應(yīng)力對脫渣性能也起到重要作用。SiO2由高溫冷卻到低溫共有四個相變過程，每個過程都發(fā)生原子的重新排列，與此同時伴隨有體積的變化，產(chǎn)生應(yīng)力，使中間層破壞。一般SiO2含量較高時，熔渣是容易脫落的。
ZrO2在1100-1200℃時發(fā)生晶態(tài)的可逆轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生相變過程，使體積變化，有利于脫渣。
三.焊劑成形性能
埋弧焊焊縫成形的質(zhì)量與焊劑的氧化性、穩(wěn)弧性、堆積密度、表面張力和熔渣黏度等因素有關(guān)。焊縫成形質(zhì)量主要是以目測來評價的。良好的焊縫成形應(yīng)該是：焊縫外觀整齊，幾何尺寸均勻一致，與母材過渡平滑，焊縫表面光滑，沒有大的氣體壓痕、氣孔、咬邊等缺陷。
①焊劑顆粒度和堆積密度對焊縫形狀的影響
焊接過程中焊劑的堆積密度對焊縫表面成形具有一定的影響。焊劑按顆粒結(jié)構(gòu)狀態(tài)可分為結(jié)晶狀、玻璃狀、浮石狀和黏結(jié)狀焊劑顆粒比較疏松，內(nèi)部有很多蜂窩孔、空洞。一般評定焊劑堆積密度是以單位容積焊劑的重量來測定，單位為g/cm3或kg/L。
采用堆積密度小的焊劑進行焊接，所得的焊道寬而平，熔深較淺，焊道與母材過渡平滑。采用相同成分的玻璃狀焊劑焊接時，焊縫熔深較大，寬度相對變窄。采用含CaF2的浮石狀焊劑時，較其他焊劑具有較強的抗氣孔性能。
采用堆積密度小的焊劑進行焊接時，由于顆粒較多，空隙多，焊劑的透氣性好，弧腔中氣壓比用堆積密度大的焊劑要小，獲得焊縫比較寬，熔深小，不容易產(chǎn)生壓痕。當(dāng)弧腔氣壓增高時，對焊接熔池加熱強烈，焊劑的分解和蒸發(fā)消耗熱能較大，造成電弧空腔壓力增大，電弧長度減小，所以，采用堆積密度大的焊劑焊接時，焊縫較窄，熔深大，焊縫凸起，外觀不佳。在焊接熱輸入大時，使用細顆粒焊劑比使用粗顆粒焊劑效果好。
堆積密度增加容易產(chǎn)生咬邊，特別是在高速焊接時，應(yīng)選擇堆積密度較小的焊劑，例如焊接鍋爐鰭片管，一般使用SJ501M焊劑，焊速可達70m/h。堆積密度較大的焊劑不宜用于高速焊。
使用細顆粒焊劑，由于具有較小的堆積密度，說明焊劑顆粒間空隙較多，透氣性好，有利于氣體的排出，可改善電弧的穩(wěn)定性，使焊縫表面成形良好，有利于減少焊縫表面的壓痕。
②焊劑化學(xué)成分和黏度對焊縫成形的影響
焊劑化學(xué)成分對焊接過程中的冶金反應(yīng)有很重要的影響。這些反應(yīng)與熔化金屬中析出的氣體聚集和分解緊密聯(lián)系。由于碳的氧化及溶解于金屬中的氣體析出，使焊接熔池“沸騰”，直接影響焊縫金屬的穩(wěn)定。所以，提高焊劑的氧化性就會影響焊縫的成形。焊劑氧化性愈大，金屬中含碳量愈高，其影響愈明顯。
例如采用具有不同氧化性的HJ431焊劑，在低碳鋼板上施焊，焊接規(guī)范相同，經(jīng)測試電弧穩(wěn)定性（斷弧長度）相同。焊劑中Mn2O3含量不同時，焊縫成形不同。
使用2#焊劑焊縫波紋較粗，表面有壓痕，這是由于產(chǎn)生的氣體沒有逸出熔渣，而殘留在熔渣與尚未凝固的金屬表面上，造成圓形壓痕。在熔渣背面可以看到一個對應(yīng)的孔洞（未穿透）。3#焊劑由于具有更大的氧化性，所以焊縫波紋更粗，壓痕更多，直徑也較大。盡管電弧長度相同，但提高焊劑的氧化性，焊縫表面成形變壞。
碳的氧化程度與熔池金屬中的合金元素（Si、Mn）有關(guān)。所以焊接16Mn或采用含有Si、Mn焊絲時，焊縫表面成形會得到改善。當(dāng)焊劑中SiO2含量高時，焊接過程中有助于SiO2的還原，抑制碳的氧化，使焊縫表面波紋細膩光滑。
焊接低碳沸騰鋼時，經(jīng)常出現(xiàn)壓痕，是由于鋼材中的氣體含量過高所致，降低金屬中氣體就會改善焊縫成形。焊接這類鋼材時，應(yīng)選用熔渣黏度較小的焊劑，改善熔渣的流動性，有利于氣體的逸出，減少壓痕，獲得良好的焊縫成形。但使用熔渣黏度特別低的焊劑時，焊劑熔化量較多，焊接熔池表面壓力過大，造成氣體逸出困難，氣體集中在熔渣下面，使焊縫成形變壞，表面出現(xiàn)壓痕。
焊接中等和大厚度的低碳鋼板，采用高黏度“短渣”焊劑時，焊縫成形良好。使用“長渣”焊劑時，熔渣層較厚，氣體集聚時間較長并生成氣泡噴出，造成電弧氣氛不穩(wěn)，容易產(chǎn)生壓痕。因此，提高焊劑中Al2O3含量，熔渣黏度變化較慢，易變成“長渣”，焊縫成形不好，而用MgO提高熔渣黏度，使熔渣變成“短渣”，卻能改善焊縫成形。熔化溫度較高的“短渣”由于黏度急劇上升，熔敷金屬攤開性不好，易造成焊縫中間凸起，也容易產(chǎn)生咬邊。
熔渣表面張力較小的焊劑，液態(tài)金屬容易與母材潤濕，焊縫與母材過渡平滑，特別是窄間隙坡口焊接時，不容易產(chǎn)生咬邊。
③焊縫表面壓痕的影響因素
焊縫金屬表面的氣體壓痕是一種常見的表面缺陷，雖然不影響力學(xué)性能，但使焊縫表面成形不良。由于焊接熔池中排出的氣體呈氣泡狀停留在液態(tài)金屬與液態(tài)熔渣之間的界面上，而不能及時逸出熔渣層。氣泡內(nèi)氣體向四周施以一定的壓力，以求達到平衡，氣泡壓力愈大，留在金屬表面上的壓痕愈深，而對應(yīng)的渣殼背面的氣孔也愈深愈大，當(dāng)金屬凝固后形成一個壓痕。
產(chǎn)生的氣泡不能及時排除熔渣主要取決于熔渣的物理性能和上部的壓力，即液態(tài)熔渣的黏度、表面張力、透氣性，特別是上部焊劑層的壓力（焊劑堆放厚度）和透氣性。產(chǎn)生的氣泡如果沒有壓力或壓力很小就不會使金屬表面產(chǎn)生壓痕。
a．表面張力
對于處在液態(tài)金屬-熔渣界面上的氣泡來說，為使其能較容易地克服熔渣表面張力，而順利地進入熔渣中并通過熔渣層進入大氣，希望熔渣的表面張力愈小愈好。
在SiO2含量較多的焊劑中，加入少量的表面張力因子比SiO2和Al2O3低的TiO2，根據(jù)硅酸鹽具有的加和性地規(guī)律，加入TiO2時，降低了焊劑熔渣的表面張力。因為TiO2也是網(wǎng)絡(luò)形成劑，在熔渣中形成[TiO4]四面體骨架。部分TiO2代替SiO2不會影響焊劑的工藝性能，也不會降低焊劑的抗銹性能。降低了熔渣的黏度和表面張力，有利于氣泡逸出，減少了焊縫表面的壓痕。
b．焊劑的堿度
焊劑的堿度高時，焊縫表面也容易產(chǎn)生壓痕。CaF2含量過高時，使電弧不穩(wěn)定，焊縫表面也會產(chǎn)生壓痕。
c．生產(chǎn)工藝
燒結(jié)焊劑與熔煉焊劑不同，產(chǎn)生壓痕的因素較多，主要有以下幾個方面：
1.材料中化學(xué)成分不穩(wěn)定。
2.材料的顆粒度。
3.粉劑攪拌不均勻。
4.低溫烘干溫度低，時間短。
5.高溫?zé)Y(jié)溫度和時間不能滿足工藝要求。
6.焊劑排潮效果不好等。
試驗證明，焊劑成分對焊縫成形有很大的影響，主要因素是SiO2。SiO2含量低時，焊縫表面不光滑，波紋粗糙，隨著SiO2含量的增加，焊縫表面得到改善。
7.焊劑的堆放高度
焊接熔池的壓力與焊劑的堆放高度成正比。焊劑堆放俞高，處在金屬與熔渣界面上的氣泡受上部焊劑施加的壓力愈大，氣泡愈不能逸出，相對應(yīng)的氣泡內(nèi)部壓力增加，對液態(tài)金屬表面的壓力增大，留下的氣泡壓痕愈深。所以，在不露電弧的條件下，盡量降低焊劑的堆放高度，以減少壓痕。
豫公網(wǎng)安備 ：41018102000154號