熔焊技术中的三大要素

要获得良好焊接接头必须有合适的热源、好的熔池保护方法和焊缝填充金属，此称为熔焊的三要素。

1.热源

热源的能量要集中，温度要高，以保证金属快速熔化，减小热影响区。能满足熔焊要求的热源有电弧、等离子弧、电渣、电子束和激光束。

1）电弧

电弧是指两个电极之间强烈而持久的气体放电现象。气体放电不同于金属导电，其电压和电流的关系不遵循欧姆定律，而呈现为几段曲线（图10.3）。一般气体放电区可分为非自持放电区和自持放电区。在非自持放电区，气体放电自身不能维持其放电所需的带电粒子数量，而需外加措施（加热和光照射等）来制造带电粒子，且需要高的外加电压。在自持放电区，当电极间带电粒子达到一定数量时，即使取消外加措施，放电过程也可在极间电场作用下自我保持。自持放电依电流的大小分为暗放电、辉光放电、电弧放电三个阶段，由暗放电、辉光放电到电弧放电电流依次增大。在电弧放电过程中，电极间会呈高温状态而且热量集中，符合焊接的要求，因而电弧成为一种应用最广的焊接热源。

电弧分为三个区（图10.4）：阴极区，即电子发射区；阳极区，即接收电子并产生正离子区；弧柱区，即气体电离区。各区的电离及产热的情况如下。

图10.3　气体放电曲线

图10.4　电弧的三个区

（1）阴极区　阴极材料发射电子的难易程度与其电子逸出功有关。电子逸出功是指材料表面发射出电子所需的最小能量，用Wω表示，单位为电子伏特（eV）。

阴极材料的Wω愈小，电子发射愈容易，电弧愈易稳定。几种典型材料的Wω如表10.1所示，可见含铈（Ce）和钍（Th）的钨基合金的Wω比纯钨要小，电子发射较容易，所以，非熔化极电弧焊一般都用钨-铈合金做阴极。而Al2O3的Wω比纯铝要小，所以焊接铝合金时，常用阴极效应来除去Al2O3膜。

表10.1　几种材料的电子逸出功Wω

当外部能量超过材料的电子逸出功时，电子就可以脱离材料表面，产生电子发射。电子发射的形式有热发射、电场发射和光发射几种。

①热发射　电子受到热作用时，将产生强烈的热运动，产生热电子发射，并从阴极带走能量，使阴极温度下降。高沸点的钨和碳电极易产生热发射。

②电场发射　阴极前端存在高的电场强度，在电场作用下，电子脱离表面而产生电场发射，低熔点的材料（如钢、铜和铝）易产生电场发射。

③光发射　阴极受到一定波长的光辐照时，产生光发射。钾、钠、钙的临界波长在可见光区，铁、铜、钨的临界波长在紫外线区。电弧的光辐射波（包括可见光和紫外线）可引起电子的光发射。产生光发射时，电极表面接收的光辐射能量与电子逸出功相等，对电极无冷却作用。

（2）阳极区　阳极区接收由弧柱来的电子流和向弧柱提供正离子流。受电子的碰撞，阳极获得较高的能量，从而温度升高。

①电场电离　当电弧导电时，阳极表面前方产生电子的堆积，形成阳极电场，强电场使电子加速碰撞中性粒子而产生电离。

②热电离　当阳极达到蒸发的高温时，中性粒子被热电离，形成一个电子和一个正离子，电子奔向阳极，正离子奔向阴极。

（3）弧柱区　中性的气体原子和分子受到电场的作用将产生激励或电离。电子从阴极奔向阳极，与弧柱中的气体粒子产生强烈的碰撞而将大量的热释放给弧柱区，所以弧柱具有很高的温度。

当用钢芯焊条作电极时，电弧中各区的温度为：弧柱区6000～8000 K，阳极区2600 K左右，阴极区2400 K左右。

2）等离子弧

与自由电弧相比，等离子弧是被压缩的电弧，其弧区的能量密度集中，温度高，挺直度好（图10.5）。

等离子弧的温度达24000～50000 K，能量密度达105～106W/cm2，可焊接厚钢板，焊缝和热影响区较小。

图10.5　自由电弧与等离子弧的挺直度

3）电渣

当特制的电渣由一些金属盐和氧化物组成时，其在熔融过程中会形成大量离子，如果接通电源，正、负离子将产生定向移动而导电并释放热量（图10.6），使渣池的温度达到2000～2200 K。这一温度足以使大多数金属熔化。

4）电子束

当钨被加热到2600 K时，能产生大量的电子，而在强电场作用下，电子将被加速到160000 km/s。高速电子撞击在金属表面时将产生106～108 W/cm2的能量密度，比电弧产生的能量密度大1000倍，能使金属瞬间熔化或气化。电子束的穿透能力强（图10.7a），可一次焊接厚度达200 mm的钢板。

5）激光束

激光具有单一波长和单色性，方向性强，能量密度高达105～1013W/cm2，可使金属瞬间熔化或气化。但材料的光热效应通常只发生在表层，因此，激光的穿透能力较差，熔池较浅（图10.7b），只能用来焊接微小件和薄壁件。

图10.6　电渣热源

图10.7　电子束和激光束的热特性

2.熔池保护

熔池金属在高温下与空气作用会产生诸多不良反应，形成气孔、夹杂等缺陷，影响焊缝品质。用渣保护、气体保护或渣气联合保护法，可隔绝空气，防止熔池氧化，并可脱氧、脱硫、脱磷，向熔池过渡合金元素，以改善其性能。

1）渣保护

为了使熔池与空气隔离，可在熔池上覆盖一层熔渣。溶渣的作用是防止金属氧化、吸气和向熔池过渡合金元素，改善焊缝性能；同时，还可以稳定电弧，减少散热，提高生产率（图10.8）。渣保护的材料有焊剂和电渣两类。

图10.8　渣保护

（1）焊剂　焊剂应能保证热源的稳定性，并且硫、磷含量低，熔点和黏度合适，脱渣性好，不析出有害气体，不吸湿。(www.zuozong.com)

焊剂有熔炼焊剂和非熔炼焊剂两类，其中非熔炼焊剂又分为烧结焊剂和黏结焊剂。熔炼焊剂主要起保护作用，非熔炼焊剂除了起保护作用外还可以起渗合金、脱氧、去硫等冶金作用。

焊剂是由SiO2、MnO、MgO及CaF等组成的硅酸盐，根据其中硅、锰、氟的含量不同，焊剂可分为如表10.2所示的几种类型。在焊剂牌号中，“焊剂”二字也可用其汉语拼音首写字母“HJ”来表示。

表10.2　焊剂的牌号名称及其用途

（2）电渣　除应有焊剂的基本性能外，电渣还应有合适的电导率、高的蒸发温度。一般，SiO2含量愈高，电导率愈低，黏度愈高；钙和其他元素的氟化物和钛的氧化物可使电渣的电导率增大，黏度减小。电渣分为高电导率、中等电导率和低电导率的三类。

2）气体保护

用于保护熔池和熔滴的气体应是在高温下不分解的惰性气体（如氩气）或低氧化性的、不溶于金属液的气体（如CO2），也可用混合气体。保护气体还应能稳定热源，密度应比空气大，以便排开空气，在熔池上方形成气罩。喷嘴结构应尽可能使气体以层流状态流出，如图10.9所示。

（1）氩气保护　氩气的密度是空气的1.25倍，不易飘散，在高温下不溶于金属液，也不与金属发生化学反应，是一种理想的保护气体。另外，氩气的热导率小，且为单原子气体，在高温下无分解过程，因此，用氩气保护的电弧温度高。但氩气电离势高，引弧比较困难，需要较高的空载电压。

图10.9　气体保护

由于氩弧温度高，因此一旦引燃电弧，电弧就很稳定。氩弧焊一般要求氩气纯度达99.9%。但是，氩气不像还原性气体或氧化性气体那样有脱氧或去氢作用，所以，氩弧焊对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求严格，以免焊缝品质受到影响。

（2）CO2气体保护　CO2气体无色、无味，密度是空气的1.5倍，在常温下很稳定，但在高温下易分解。

使用液态CO2很经济、方便。容积为40 L的标准钢瓶可以灌入25 kg的液态CO2，约占钢瓶容积的80%，其余20%左右的空间则充满气化了的CO2。钢瓶压力表上所指示的压力值，就是这部分气体的饱和压力。只有当钢瓶内液态CO2已全部挥发成气体时，压力才会随着CO2气体的消耗而逐渐下降。CO2气体纯度对焊缝金属的致密性有较大的影响。CO2气体中的有害杂质主要为水分和氮气，其中水分的危害最大，易导致气孔和焊缝脆性。因此，要求焊接用的CO2纯度不低于99.5%。我国目前还无专用于焊接的CO2气体，市售的CO2气体主要是酿造厂、化工厂的副产品，含水较多而且不稳定。在使用前可先将钢瓶倒置1～2 h，然后打开阀门，把沉积在下部的水排出。根据瓶中水含量的不同，可放水2～3次，每隔30 min左右放一次。放水结束后，仍将钢瓶放正，再放气2～3 min，放掉钢瓶上部的气体，因为这部分气体通常含有较多的空气和水分。在气路系统中设置干燥器，可进一步减少CO2气体中的水分。一般用硅胶或脱水硫酸铜做干燥剂。

CO2气体密度大，受热后体积会膨胀，所以在隔离空气、保护焊接熔池和电弧方面效果良好。

3）渣气联合保护

利用渣气联合保护（图10.10）方法可获得良好的熔池保护效果，其中具体起保护作用的有焊条的药皮和二氧化碳加药芯。

（1）药皮　药皮含有造气剂和造渣剂，涂敷在焊条外。此外，为了使电弧稳定燃烧和过渡合金元素，药皮中还含有稳弧剂、合金剂、脱氧剂、脱硫剂和去氢剂等。

为了保证药皮有一定的强度和压涂性，在药皮中还配有黏结剂、增塑剂等。药皮的原料有矿石、铁合金、有机物和化工产品等四类。各种原料粉末按一定比例配成涂料，加黏结剂压涂在焊芯上即可配制出不同性质的药皮。

常用焊条药皮成分及作用如表10.3所示。药皮配方举例如表10.4所示。

图10.10　渣气联合保护

表10.3　焊条药皮成分及作用

表10.4　药皮配方举例

药皮类型不同，其特性也有很大差别，如酸性药皮与碱性药皮的性质就大不一样。

①酸性药皮工艺性好，碱性药皮工艺性差。酸性药皮中无反电离物氟石（CaF2），因而电弧易引燃，引燃后燃烧稳定，脱渣性好，焊缝成形美观，碱性药皮则正好相反。

②碱性药皮中有益元素多，有害元素（硫、磷、氢、氧、氮）少，所以能给焊缝增加有益合金元素，从而使焊接接头的力学性能得到改善。

③碱性药皮中不含有机物而含有氟石，能够与氢化物化合生成不溶于熔池的HF，有去氢作用，可以降低焊缝中氢含量，提高焊缝金属的抗裂性，所以碱性药皮也称低氢型药皮。

④碱性药皮氧化性强，对锈、油、水的敏感性强，易产生飞溅和CO气孔。

⑤碱性药皮在高温下易生成较多的有毒物质（如HF等），因此操作时应注意通风。

（2）二氧化碳加药芯　单一CO2气体保护因焊接时易产生飞溅、气孔和合金元素的氧化烧损，其应用受到一定限制。为了改善CO2气体保护的效果，采用二氧化碳加药芯的方法，药芯的空心金属筒中心包裹有与药皮成分相同的粉剂，因而可实现渣气联合保护。其优点是：

①由于药芯成分改变了纯CO2电弧气氛的物理、化学性质，因而焊接时飞溅少，且飞溅颗粒细，容易清除。又因熔池表面覆盖有熔渣，所以焊缝成形类似手弧焊，较用单一CO2气体保护时的形状更美观。

②与单一药皮保护相比，CO2气体加药芯保护下电弧的热效率高，焊缝熔深大，因而生产率高，填充金属用量少。

③调整药芯成分可焊接不同的钢材，抗气孔能力比单一CO2气体保护强。

3.焊缝填充金属

焊缝填充金属指的是焊芯与焊丝。当焊缝较宽时，靠母材的熔化不能将焊缝填满，这时，必须外加焊丝进行补充。另外，对于低合金钢焊件，为了提高焊缝性能，使焊缝与母材强度相等，仅靠焊剂、药皮过渡合金元素是不够的，必须用合金焊丝和焊芯（填充金属）过渡合金元素。

常用的焊条钢芯及焊丝材料可为碳素钢、合金钢或不锈钢，其牌号、材料及焊接结构材料分别如表10.5、表10.6所示。其碳、硅含量较低，磷和硫的含量小于0.03%，以保证焊缝有较高的强度和韧度。其牌号中，H代表焊接用钢丝，其后的两位数字代表碳的质量分数的万分之几；A为高级优质钢；E代表特级优质钢。

表10.5　焊条钢芯的牌号、材料及焊接结构材料

续表

表10.6　焊丝的牌号、材料及焊接结构材料