钛钙型药皮焊条的设计优化方案

钛钙型药皮是应用最为普遍的一种药皮类型，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，在我国焊条产品中占主导地位，约占我国焊条总产量的80％。这类焊条具有优良的工艺性能和力学性能，适于平焊、立焊、仰焊。在焊条制造工艺上，不但可用油压机生产，也能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。

（1）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％（质量分数，主要以氧化物夹杂形式存在），含氮0.02％～0.03％（质量分数），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，表现出良好的“短渣”特性，适于全位置焊接。

钛钙型药皮现已推广应用在不锈钢、堆焊和耐热钢等焊条中。

（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中的C、Mn、Si、S和P等元素。焊芯多选用H08A。

①碳。熔敷金属的含碳量增加，使焊缝的裂纹倾向增大，韧性降低，故一般控制C的质量分数不超过0.10％。如焊芯含碳量较高时，则应设法减少药皮的含碳量（如以低碳锰铁代替中碳锰铁）或适当提高药皮中的氧化铁含量，增加氧化性，如用钛铁矿代替部分金红石。控制盘条、中碳锰铁等原材料的含碳量是降低熔敷金属含碳量的主要措施。

②锰与硅。适量增加熔敷金属的含锰量，不仅可以提高焊缝的强度，提高常温和低温韧性，而且还可以抑制S的有害作用。Mn的质量分数一般控制在0.3％～0.6％。硅含量增加，将提高强度，降低韧性，一般控制Si的质量分数不超过0.20％，且使Mn／Si＞2.5。

③硫和磷。E4303焊条熔渣的脱硫和脱磷能力较弱，为减少熔敷金属中的硫、磷含量，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。

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（质量分数）为：SiO₂25.1％、TiO₂30.2％、Al₂O₃3.5％、FeO9.5％、MnO13.7％、CaO8.8％、MgO5.2％、Na₂O1.7％、K₂O2.3％。熔渣的碱度B₁＝0.74，属于酸性渣系。焊接时的气体成分（体积分数）为：CO50.7％、H₂37.7％、CO₂5.9％、H₂O5.7％，气保护作用主要靠CO及H₂。

E4303焊条药皮中一般含有30％（质量分数，余同）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。我国以TiO₂为主要成分的原料有天然金红石、人造金红石、钛白粉、还原钛铁矿、钛铁矿、高钛渣等。国外的同类产品多以天然金红石为主（如瑞典），我国最早的同类焊条也有以钛白粉和天然金红石为主的，由于资源、价格等问题，现已不用。E4303焊条的药皮配方根据我国资源情况，由于加入的TiO₂所使用的主要原料不同，基本上有4种体系，即人造金红石体系、还原钛铁矿体系、钛铁矿＋钛白粉体系和钛铁矿＋金红石体系。配方特点也各不相同，4种体系的典型E4303药皮配方范围见表4-5。

①人造金红石体系。该体系加入TiO₂的原料以人造金红石、钛白粉为主，原料含TiO₂品位高，在配方中TiO₂的质量分数—般为上限的37％。这是我国E4303焊条较早采用的一个体系。由于TiO₂稳定，焊接过程中很难分解出氧，所以氧化性很小。其他原料的质量分数为碳酸盐20％左右，脱氧剂12％左右，硅酸盐30％左右。

②还原钛铁矿体系。该体系加入TiO₂的原料以还原钛铁矿为主，辅以钛白粉。还原钛铁矿仅含质量分数为55％左右的TiO₂，其余主要是Fe，其氧化性不大，而且还有一定的还原性（相当于铁粉的作用）。由于受药皮重量系数的限制，这种配方TiO₂的质量分数通常只能调在下限30％左右（即还原钛铁矿＋钛白粉为50％左右）。其他原料的质量分数为中碳锰铁约10％，碳酸盐约19％，硅酸盐约21％。该体系是目前该类焊条中应用最广的。(www.xing528.com)

表4-54种体系的典型E4303药皮配方范围（质量分数，％）

③钛铁矿＋人造金红石体系。该体系TiO₂的加入主要以钛铁矿、人造金红石为主，钛白粉为辅，TiO₂的质量分数位于中限33％左右。钛铁矿中TiO₂约占50％（质量分数，下同），其余为FeO、Fe₂O₃，焊条药皮具有较大的氧化性。因为FeO是碱性氧化物，所以配方中碱性造渣剂碳酸盐应适当降低至15％左右；而还原剂（锰铁和钛铁）则需增加至16％左右；其余约25％为硅酸盐。这种体系使用Ti-Mn脱氧，不仅脱氧效果好，脱氧产物TiO₂也进入熔渣。这种体系配方调配时，大体上每加入6％的钛铁矿，则需相应增加1％的脱氧剂，减少1％的碳酸盐。

④钛铁矿＋钛白粉体系。这种体系中的TiO₂以钛铁矿＋钛白粉为主。脱氧剂为中碳锰铁，熔渣流动较大，不利于立、仰焊。钛铁矿加入量为22％左右时，中碳锰铁可降到15％左右，碳酸盐为14％左右，其余27％为硅酸盐。配方调配中一般每增加6％的钛铁矿，需增加0.5％的脱氧剂，相应减少1.5％的碳酸盐。该体系的配方目前已很少应用。

在E4303焊条药皮配方中，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。CO₂具有氧化性，菱苦土的氧化性最大，大理石最小，白云石居中。碳酸盐分解出的CO₂可以烧损有益的合金元素，所以当配方中含碳酸盐多时，脱氧剂也需增加，否则不能保证熔敷金属中足够的含锰量。另一方面，CaO或MgO属于碱性氧化物，在酸性渣中，碱性氧化物越多，熔渣越稀。因此，调整碳酸盐也可以改变E4303焊条熔渣的流动性，碳酸盐加入量的确定，还必须注意熔渣中其他碱性氧化物的数量（钛铁矿中FeO等），其他碱性氧化物含量多，碳酸盐则应适当减少，以使熔渣具有适宜的流动性。

E4303焊条的脱氧剂主要是中碳锰铁，其加入量随着配方中碳酸盐、钛铁矿等氧化性组成物的增加而提高。E4303熔渣为酸性渣，其SiO₂含量较多，所以不用硅铁脱氧，一是由于脱氧效果差，增大了熔渣粘度；二是由于硅的过渡会使焊缝金属的强度增加，塑性降低。一般也不采用钛铁脱氧，只有当药皮配方中加入了较多的钛铁矿，由于氧化性增大，需增强脱氧能力时，才用钛铁代替部分中碳锰铁，因为此时如果全部用中碳锰铁脱氧，由于锰铁的增加，熔渣中因MnO过多而使熔渣过稀，有损于该类焊条的工艺性能。若用Ti-Mn联合脱氧不仅脱氧效果好，而且仍保持E4303焊条熔渣的成分和特性。钛铁的加入量一般为钛铁矿量的1／5～1／3。

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％（质量分数）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。从螺旋机压涂工艺来看，白泥、云母（或白土子）不可缺，因为白泥有很好的黏性和塑性，而云母、白土子有很好的弹性、滑性和吸水性，在焊条干燥过程中又有良好的透气性，这都是螺旋机压涂生产工艺的需要。为此，在需加硅酸盐的总量中，优先满足白泥10％～15％（质量分数）和云母或白土子5％～8％（质量分数）的加入量，不足部分再添加长石。

我国天然金红石资源缺乏；钛白粉属于化工产品，易使焊条药皮发红，增大飞溅；人造金红石生产需消耗大量电能。因此，上述三种原料价格较贵，生产焊条的成本较高。还原钛铁矿不仅价格较低，在加入TiO₂的同时，又相当于加入了铁粉，对改善焊条的工艺性能、提高产品质量有利，因此，还原钛铁矿系E4303焊条得到广泛应用。随着研究的深入和生产经验的积累，与还原钛铁矿配合使用的钛白粉用量也日趋减少，以利于生产成本的进一步降低。根据生产经验，采用减少药皮中细粉数量，平衡涂料塑性、弹性、滑性和流动性之间关系，适当地加大螺旋涂粉机内涂层的厚度，并适当地降低螺旋轴的转速等，不用钛白粉也可以顺利地生产出表皮质量优良的E4303焊条，这种焊条药皮配方与用人造金红石和钛白粉体系的相比可降低成本15％以上。

采用还原钛铁矿，不用钛白粉的E4303焊条药皮配方的示例见表4-6。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。

表4-6不用钛白粉的E4303焊条药皮配方（质量分数，％）