不锈钢焊条与铸铁焊条的设计比较

1.不锈钢焊条的设计

不锈钢焊条设计的关键是保证熔敷金属的化学成分。熔敷金属的化学成分主要通过不锈钢芯过渡，药皮过渡合金元素为辅助手段。药皮类型一般选用钛型、钛钙型和低氢型。

钛型或钛钙型药皮的电弧穿透力弱，适于薄板平焊。不锈钢焊芯电阻率大，交流弧焊比直流弧焊易使焊条发红，因而在配方设计上，宜采用低氢型的药皮，以适应全位置中厚板以上的焊接。

设计不锈钢焊条要了解和掌握有关元素的特性和作用。

①碳。碳是扩大奥氏体区的元素。在熔敷金属中，碳易形成铬的碳化物，使焊缝金属晶粒边缘贫铬，造成保护膜Cr₂O₃减少，降低金属的耐蚀性，破坏晶粒间的连接作用，导致弯曲、拉伸时易形成腐蚀裂纹。因此，除需要提高焊缝金属的强度、硬度等情况外，一般在焊条设计上，碳控制得越低越好。碳的控制方法主要是选用含碳量低的不锈钢焊芯。其次，在配方设计上，宜用含碳量低、纯度高的金属铬、金属锰等作为脱氧剂和合金剂。

②铬。铬是铁素体形成元素。当熔敷金属中含有一定量的铬时，焊缝金属在氧化性介质中很快生成一层铬的氧化膜，阻止介质对焊缝金属的继续腐蚀破坏。但这种焊缝金属在非氧化性介质中（如硫酸、盐酸等）只靠铬是不能抗腐蚀的，还必须加入在非氧化性介质中能使钢钝化的镍、钼、铜等元素。

③镍。镍是扩大奥氏体区的元素。镍在不锈钢焊缝金属中，通常用于形成并稳定奥氏体组织，以提高对于非氧化性介质（稀硫酸、磷酸等）的耐蚀性。

④钼。钼在某些还原性介质中，能加速不锈钢焊缝金属的钝化，提高对于含有氯离子的溶液及其他非氧化性介质（如热的亚硫酸溶液、沸腾的磷酸及醋酸、亚硫酸盐废液等）的耐蚀性。此外，钼在某些情况下还能提高铬镍不锈钢的抗晶间腐蚀能力。

⑤钛和铌。不锈钢焊缝金属中的钛和铌通常用于固定焊缝中的碳，使其形成稳定的碳化物，减少碳在焊缝中的有害作用。钛和铌多通过药皮过渡，药皮配方中的加入量要适当，焊缝金属中的钛含量应大于碳的5倍，铌含量应大于碳的8倍以上才有显著的效果。

⑥锰。锰能有效地稳定奥氏体不锈钢焊缝组织。但锰的加入会稍微降低含铬量较低的不锈耐酸钢的耐蚀性。

⑦铜。铜在奥氏体不锈钢焊缝中的质量分数为2％～4％时，可提高在硫酸中的耐蚀性。而在铁素体不锈钢焊缝中，则可提高在某些还原性介质中的耐蚀性。

对于不锈钢焊条，当焊芯和药皮类型确定后，可根据熔敷金属的成分设计要求，在药皮中加入适量的合金剂，就能取得满意的效果。

（1）低氢型药皮配方设计 低氢型不锈钢焊条的设计与低氢型低合金钢焊条的设计相似，可以参考低合金钢焊条的设计理念和经验。同时应注意二者之间的两个不同点：一是不锈钢焊条为活化熔池、净化金属，应适当提高CaF₂所占的比例，使大理石与萤石之比为1～1.5；二是不锈钢焊条为减少碳的过渡，降低熔敷金属的含碳量，提高焊缝金属的耐蚀性，脱氧剂与合金剂尽量不采用铁合金，而用纯金属，如铬、锰等。

以Al07（E0-19-10-15）焊条为例，其药皮配方组成范围（质量分数）为：大理石30％～45％、萤石20％～40％、TiO₂0～5％、云母0～6％、铬3％～9％、锰1％～3％、钛铁3％～8％、硅铁2％～7％，粘结剂为钠水玻璃。

（2）钛钙型药皮配方设计 我国生产的钛钙型药皮的不锈钢焊条普遍存在综合工艺性能差，全部为粗熔滴短路过渡，飞溅较大，药皮易发红开裂，每根焊条前、后段工艺性能差异大等问题，与国外同类焊条相比有较大的差距。

E308-16（A102）是典型的钛钙型药皮不锈钢焊条，药皮配方主要组成（质量分数）为：大理石15％～20％、萤石6％～10％、金红石38％～45％、钛白粉5％～10％、硅酸盐3％～10％、脱氧剂和合金剂15％～25％及其他0～3％。焊芯选用H0Cr21Ni10。

H0Cr21Ni10焊芯的导热性差（为碳钢的1／3），线胀系数大（比碳钢大50％左右），药皮温升、发红、开裂等均与焊芯的这些特性有关。合理地设计药皮的配方组成，将熔滴过渡由短路过渡变为渣壁过渡，可以解决药皮易发红、开裂的问题。设计原则如下：

①适当增加药皮中的硅酸盐含量，降低碳酸盐含量，可细化熔滴，变短路过渡为渣壁过渡，提高焊条的熔敷效率，降低焊条药皮发红、开裂倾向，提高不锈钢焊条的综合工艺性能。

试验表明，对ϕ4mm的E308-16焊条，当长石＋云母＞25％（质量分数）、（长石＋云母）／（大理石＋萤石）＞2.5时，即可形成渣壁过渡。(www.xing528.com)

②增加药皮套筒长度是实现渣壁过渡的必要条件，而套筒长度与熔滴颗粒度和焊条药皮外径有关。

③石英具有细化熔滴的作用，提高了焊条的熔敷效率，降低了焊条药皮的发红倾向。但是，配方中采用石英，易使焊缝金属增硅。

④Cr₂O₃具有与长石一样增大药皮高温塑性的作用，适当增加其配比，有利于提高焊条药皮的抗裂性，并可改善焊缝的脱渣性。

⑤当药皮中硅酸盐配比较高时，铌的加入（如E347-16焊条）会使熔渣产生低价铌的化合物，并与Al₂O₃、SiO₂作用产生尖晶石化合物，粘连在焊缝金属的表面上，使脱渣困难。这时可加入适量稀土化合物（如氟化稀土）、冰晶石（氟铝酸钠）粉代替CaF₂。

⑥应严格控制水玻璃加入量和选用较低浓度的水玻璃或改用锂水玻璃，这有利于控制焊缝金属增硅，降低产生气孔的倾向。

2.铸铁焊条设计

（1）铸铁焊条配方设计的基本原则 根据铸铁的种类和特性，铸铁焊条可依下列基本理论进行设计。

1）向焊缝中过渡适量的碳和硅等元素。这是因为碳和硅是促进石墨化的重要元素，可保证在相应的焊接工艺条件下，使焊接接头充分石墨化，避免或者减少出现硬脆的白口组织。

2）尽可能地降低焊缝金属中的含碳量，使焊缝金属在相应的焊接工艺条件下，变成或者近似变成纯铁组织。这是因为纯铁组织的强度低（R_m≈250MPa）、硬度低（≈80HBW）、塑性高（A≈50％），使焊缝金属具有良好的抗裂性。

3）采用塑性好的异种金属作焊接材料，提高焊缝金属的抗裂性。

4）改变焊缝金属中碳的存在形式，防止或减少Fe₃C的产生，提高焊缝金属的塑性、切削加工性和抗裂性。

（2）铸铁焊条药皮配方设计 铸铁焊条根据焊缝金属的不同类型，可分为同质焊缝焊条和异质焊缝焊条两种。铸铁焊条的药皮类型多采用石墨型或低氢型、氧化铁型、钛钙型等。

同质焊缝的铸铁焊条采用石墨型药皮，通过焊芯（如Z248）或药皮（如Z208）向焊缝过渡适量的C和Si等元素，促进石墨化，在一定工艺条件下可避免Fe₃C的生成，从而形成灰铸铁组织。必要时可加入适量的球化剂，形成球墨铸铁组织。

异质焊缝的铸铁焊条，焊缝金属可以为钢或近似纯铁，药皮类型为氧化铁型、低氢型和钛钙型，焊芯可用钢芯（H08A）或纯铁芯，以增加碳的烧损，减少碳的过渡，如EZFe-Z（Z100、Z122Fe），或加入其他合金元素（如V）与C形成碳化物，防止或减少Fe₃C的产生，如EZV（Z116、Z117）等。异质焊缝的焊条也可以形成具有良好塑性的焊缝金属，如EZNi-1（Z308）、EZNiFe-1（Z408）、EZNiCu-1（Z508）、Cu-Fe（Z607、Z612）等，药皮类型为石墨型、低氢型或钛钙型。铸铁焊条的参考配方示例见表4-10和表4-11。

表4-10Z208铸铁焊条参考配方（质量分数，％）

表4-11Z308镍基铸铁焊条参考配方（质量分数，％）