粘结焊剂的化学成分分类及特征分析

1.焊剂的定义

焊剂是指焊接时，能够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一种物质。

焊剂由大理石、石英、萤石等矿石和钛白粉、纤维素等化学物质组成。焊剂主要用于埋弧焊和电渣焊，用以焊接各种钢材和有色金属时，必须与相应的焊丝合理配合使用，才能得到满意的焊缝。

2.焊剂的分类

焊剂的分类方法很多，有按照用途、制造方法、化学成分及性质、颗粒结构、焊接冶金性能等分类的，也有按照焊剂的酸碱度、焊剂的颗粒度分类的。

（1）按焊剂用途分类 根据被焊材料，焊剂可分为钢用焊剂和有色金属用焊剂。钢用焊剂又可分为碳钢、合金结构钢及高合金钢用焊剂。

根据焊接工艺方法，焊剂可分为埋弧焊焊剂和电渣焊焊剂。

（2）按焊剂制造方法分类

1）熔炼焊剂。熔炼焊剂是将各种矿物的原料按照给定的比例混合后，加热到1300℃以上，熔化搅拌均匀后出炉，再在水中急冷以使其粒化。再经过烘干、粉碎、过筛、包装使用。国产熔炼焊剂牌号采用“HJ”表示，其后面第一位数字表示MnO的含量，第二位数字表示SiO₂和CaF₂的含量，第三位数字表示同一类型焊剂的不同牌号。

熔炼焊剂的特点是：成分均匀、颗粒强度高、吸水性小、易储存，目前是国内应用最多的焊剂。其缺点是：焊剂中无法加入脱氧剂和铁合金，因为熔炼过程中烧损十分严重。

2）非熔炼焊剂。非熔炼焊剂又可分为烧结焊剂及粘结焊剂。

①烧结焊剂。烧结焊剂是指按照给定的比例配料后进行干混合，然后加入粘结剂（水玻璃）进行湿混合，然后造粒，再送入干燥炉固化、干燥，最后经500℃左右烧结而成的焊剂。国产烧结焊剂的牌号用“SJ”表示，其后的第一位数字表示渣系，第二位和第三位数字表示同一渣系焊剂的不同牌号。

烧结焊剂的特点是：因设有高温熔炼过程，焊剂中可以加入脱氧剂和铁合金，向焊缝过渡大量合金成分，补充焊丝中合金元素的烧损，常用来焊接高合金钢或进行堆焊。另外，烧结焊剂脱渣性能好，所以大厚度焊件窄间隙埋弧焊时均用烧结焊剂。

②粘结焊剂。粘结焊剂通常是指以水玻璃作为粘结剂，经过350～500℃低温烘焙或烧结后得到的焊剂。

粘结焊剂的特点是：烧结温度低，具有吸潮倾向大、颗粒强度低的缺点，目前在我国作为产品供应使用较少。

（3）按焊剂化学成分分类

1）根据所含主要氧化物性质分为酸性焊剂、中性焊剂和碱性焊剂。

根据国际焊接学会推荐的公式

式中，各氧化物及氟化物的含量是按质量百分数计算的，根据计算结果做如下分类：

①B＜1.0为酸性焊剂，具有良好的工艺性能，焊缝成形美观，但焊缝金属含氧量高，冲击韧度较高。

②B=1.0～1.5为中性焊剂，熔敷金属的化学成分与焊丝的化学成分相近，焊缝含氧量较低。

③B＞1.5为碱性焊剂，采用碱性焊剂得到的熔敷金属含氧量低，可以获得较高的焊缝冲击韧度，抗裂性能好，但焊接工艺较差。随碱度的提高，焊缝形状变得窄而高，并容易产生咬边、夹渣等缺陷。

按照国际焊接学会推荐公式计算的部分国产焊剂碱度值见表3-18。

表3-18 国产焊剂的碱度值

2）根据SiO₂含量（质量分数）分为高硅焊剂（SiO₂＞30%）、中硅焊剂（SiO₂=10%～30%）、低硅焊剂（SiO₂＜10%）。

高硅焊剂在焊接碳钢方面有重要的地位，在焊接合金钢方面仅用于对冷脆性无特殊要求的结构。这类钢具有良好的焊接性，适用于交流电源，电弧稳定，容易脱渣，焊缝美观，对铁锈敏感性小，焊缝扩散氢含量低。与高硅焊剂相比较，低硅焊剂的焊缝金属的低温韧性较好，焊接过程中合金元素烧损较少，而且具有良好的脱渣性能。

①高硅型熔炼焊剂。由于SiO₂含量高大于30%（质量分数），可通过焊剂向焊缝中过渡硅，其中含MnO高的焊剂有向焊缝金属过渡锰的作用。当焊剂中的SiO₂和MnO含量（质量分数）加大时，硅、锰的过渡量增加。硅的过渡与焊丝的含硅量有关。当焊剂中含MnO＜10%（含SiO₂为42%～48%）时，锰会烧损。当MnO从10%增加到25%～35%时，锰的过渡量显著增大。但当MnO＞25%～30%后，再增加的MnO对锰的过渡影响不大。锰的过渡量不但与焊剂中SiO₂含量有关，而且与焊丝的含锰量也有很大关系。焊丝含锰量越低，通过焊剂过渡锰的效果越好。因此，要根据高硅焊剂含MnO量的多少选择不同含锰量的焊丝。

②中硅型熔炼焊剂。由于这类焊剂含酸性氧化物SiO₂数量较低，而碱性氧化物CaO或MgO数量较多，故碱度较高。大多数中硅焊剂属弱氧化性焊剂，焊缝金属含氧量较低，因而韧性较高。这类焊剂配合适当焊丝可焊接合金结构钢。为了减少焊缝金属的含氢量，以提高焊缝金属的抗冷裂的能力，可在这类焊剂中加入一定数量的FeO。这样的焊剂成为中硅氧化性焊剂，是焊接高强钢的一种新型焊剂。

③低硅型熔炼焊剂。它由CaO、Al₂O₃、MgO、CaF₂等组成。这种焊剂对焊缝金属基本上没有氧化作用，配合相应焊丝可焊接高合金钢，如不锈钢、热强钢等。(www.xing528.com)

3）根据MnO含量（质量分数）分为高锰焊剂（MnO＞30%）、中锰焊剂（MnO=15%～30%）、低锰焊剂（MnO=2%～15%）、无锰焊剂（MnO≤2%）。

4）根据CaF₂含量（质量分数）分为高氟焊剂（CaF₂＞30%）、中氟焊剂（CaF₂=10%～30%）、低氟焊剂（CaF₂≤10%）。

（4）按焊剂化学性质分类

1）氧化性焊剂：焊剂对焊缝金属有较强的氧化作用。有两种类型的氧化性焊剂，一种是含有大量SiO₂、MnO的焊剂，另一种是含有FeO较多的焊剂。

2）弱氧化性焊剂：焊剂含SiO₂、MnO、FeO等活性氧化物较少。焊剂对焊缝金属有较弱的氧化作用，焊缝金属含氧量较低。

3）惰性焊剂：焊剂中基本上不含SiO₂、MnO、FeO等活性氧化物，焊剂对焊缝金属基本上没有氧化作用。惰性焊剂由CaO、Al₂O₃、MgO及CaF₂等组成。

（5）按焊剂中添加脱氧剂、合金剂分类 按焊剂中添加脱氧剂、合金剂可分为中性焊剂、活性焊剂和合金焊剂。

1）中性焊剂。中性焊剂是指在焊接后，熔敷金属化学成分与焊丝化学成分不产生明显变化的焊剂。中性焊剂用于多道焊，特别适用于焊接厚度大于25mm的母材。中性焊剂有以下特点：

①焊剂里基本不含SiO₂、MnO、FeO等氧化物。

②焊剂对焊缝金属基本没有氧化作用。

③焊接氧化严重的母材时，会产生气孔和焊道裂纹。

2）活性焊剂。活性焊剂指加入少量的Mn、Si脱氧剂的焊剂。活性焊剂能提高抗气孔能力和抗裂纹能力。活性焊剂有以下特点：

①由于含有脱氧剂，熔敷金属中Mn、Si含量将随电弧电压的变化而变化。由于Mn、Si含量增加将提高熔敷金属的强度，降低冲击韧性，因此，多道焊时，应严格控制电弧电压。

②活性焊剂具有较强的抗气孔能力。

3）合金焊剂。合金焊剂中添加较多的合金成分，用于过渡合金元素，多数合金焊剂为烧结焊剂。合金焊剂主要用于低合金钢和耐磨堆焊的焊接。

（6）按焊剂颗粒结构分类 按焊剂颗粒结构可分为玻璃状焊剂（呈透明状颗粒）、结晶状焊剂和浮石状焊剂三种。

3.焊剂的作用

（1）机械保护 焊剂在电弧作用下熔化为表层的熔渣，保护焊缝金属在液态时不受周围大气中气体侵入熔池，从而避免焊缝出现气孔夹杂。

（2）向熔池过渡必要的金属元素 利用焊剂中的铁合金（非熔炼焊剂）或金属氧化物（熔炼焊剂）可以直接或通过置换反应向熔池金属过渡所需的合金元素。

（3）改善焊缝表面成形 焊剂熔化后成为熔渣覆盖在熔池表面，熔池即在熔渣的内表面进行凝固，使焊缝表面成形光滑美观。

（4）促进焊缝表面光洁平直 成形良好钎剂的熔点应该低于钎料熔点10～30℃，特殊情况下也可使钎剂的熔点高于钎料。钎剂的熔点若过度低于钎料的熔点，则钎剂会过早熔化，钎剂的成分由于蒸发、与母材作用等原因使钎料熔化时钎剂已经失去活性。

此外，焊剂还具有防止飞溅、提高熔敷系数等作用。

4.焊剂的质量要求

1）焊剂应具有良好的冶金性能。焊剂应配以适宜的焊丝，选用合理的焊接规范。焊缝金属应具有适宜的化学成分和良好的力学性能，在满足焊接产品设计要求的同时还应具有较强的抗气孔和抗裂纹能力。

2）焊剂应具有良好的工艺性能。熔渣应具有适宜的熔点、黏度和表面张力，在规定工艺参数下焊接时，能保证焊接过程中电弧燃烧稳定，熔合良好，过渡平滑，焊缝成形良好，脱渣容易等，焊接过程中产生的有害气体较少。

3）焊剂颗粒度应符合要求。焊剂应有一定的颗粒度，并且应有一定的颗粒强度，以利于多次回收使用。焊剂的颗粒一般分为两种：一种是普通颗粒度为0.45～2.5mm（40～8目），主要用于普通埋弧焊和电渣焊；另一种是细粒度为0.28～1.25mm（60～14目），主要用于半自动或细丝埋弧焊。小于规定粒度的细粉一般不大于5%，大于规定的粗粉不大于2%。

4）焊剂应具有较低的含水量和良好的抗潮性。出厂焊剂含水的质量分数不得大于0.20%；焊剂在温度为25℃、相对湿度为70%的环境条件下，放置24h，吸潮率不应大于0.15%。

5）焊剂中机械夹杂物（铁屑、碳粒、原料颗粒及其他杂物）的质量分数不应大于0.3%。

6）焊剂应有较低的S、P含量，含硫量一般不得大于0.06%（质量分数），含磷量一般不得大于0.08%（质量分数）。