焊条中被药皮包覆的金属芯称为焊芯。焊芯一般是一根具有一定长度及直径的钢丝。焊接时,焊芯有两个作用:一是传导焊接电流,产生电弧把电能转换成热能,二是焊芯本身熔化作为填充金属与液体母材金属熔合形成焊缝。
焊条焊接时,焊芯金属占整个焊缝金属的一部分。所以焊芯的化学成分,直接影响焊缝的质量。因此,作为焊条芯用的钢丝都单独规定了它的牌号与成分。如果用于埋弧自动焊、电渣焊、气体保护焊、气焊等熔焊方法作填充金属时,则称为焊丝。
焊条药皮是指涂在焊芯表面的涂料层。药皮在焊接过程中分解熔化后形成气体和熔渣,起到机械保护、冶金处理、改善工艺性能的作用。药皮的组成物有:矿物类(如大理石、氟石等)、铁合金和金属粉类(如锰铁、钛铁等)、有机物类(如木粉、淀粉等)、化工产品类(如钛白粉、水玻璃等)。焊条药皮是决定焊缝质量的重要因素,在焊接过程中有以下几方面的作用:
一、提高电弧燃烧的稳定性。无药皮的光焊条不容易引燃电弧。即使引燃了也不能稳定地燃烧。在焊条药皮中,一般含有钾、钠、钙等电离电位低的物质,这可以提高电弧的稳定性,保证焊接过程持续进行。
二、保护焊接熔池。焊接过程中,空气中的氧、氮及水蒸气浸入焊缝,会给焊缝带来不利的影响。不仅形成气孔,而且还会降低焊缝的机械性能,甚至导致裂纹。而焊条药皮熔化后,产生的大量气体笼罩着电弧和熔池,会减少熔化的金属和空气的相互作用。焊缝冷却时,熔化后的药皮形成一层熔渣,覆盖在焊缝表面,保护焊缝金属并使之缓慢冷却、减少产生气孔的可能性。
三、保证焊缝脱氧、去硫磷杂质。焊接过程中虽然进行了保护,但仍难免有少量氧进入熔池,使金属及合金元素氧化,烧损合金元素,降低焊缝质量。因此,需要在焊条药皮中加入还原剂(如锰、硅、钛、铝等),使已进入熔池的氧化物还原。
四、为焊缝补充合金元素。由于电弧的高温作用,焊缝金属的合金元素会被蒸发烧损,使焊缝的机械性能降低。因此,必须通过药皮向焊缝加入适当的合金元素,以弥补合金元素的烧损,保证或提高焊缝的机械性能。对有些合金钢的焊接,也需要通过药皮向焊缝渗入合金,使焊缝金属能与母材金属成分相接近,机械性能赶上甚至超过基本金属。
五、提高焊接生产率,减少飞溅。焊条药皮具有使熔滴增加而减少飞溅的作用。焊条药皮的熔点稍低于焊芯的焊点,但因焊芯处于电弧的中心区,温度较高,所以焊芯先熔化,药皮稍迟一点熔化。这样,在焊条端头形成一短段药皮套管,加上电弧吹力的作用,使熔滴径直射到熔池上,使之有利于仰焊和立焊。另外,在焊芯涂了药皮后,电弧热量更集中。同时,由于减少了由飞溅引起的金属损失,提高了熔敷系数,也就提高了焊接生产率。另外,焊接过程中发尘量也会减少。
(1)焊芯中各合金元素对焊接的影响
1)碳(C)碳是钢中的主要合金元素,当含碳量增加时,钢的强度、硬度明显提高,而塑性降低。在焊接过程中,碳起到一定的脱氧作用,在电弧高温作用下与氧发生化合作用,生成一氧化碳和二氧化碳气体,将电弧区和熔池周围空气排除,防止空气中的氧、氮有害气体对熔池产生的不良影响,减少焊缝金属中氧和氮的含量。若含碳量过高,还原作用剧烈,会引起较大的飞溅和气孔。考虑到碳对钢的淬硬性及其对裂纹敏感性增加的影响,低碳钢焊芯的含碳量一般为0. 1%。
2)锰(Mn)锰在钢中是一种较好的合金剂,随着锰含量的增加,其强度和韧性会有所提高。在焊接过程中,锰也是一种较好的脱氧剂,能减少焊缝中氧的含量。锰与硫化合形成硫化锰浮于熔渣中,从而减少焊缝热裂纹倾向。因此一般碳素结构钢焊芯的含锰量为0. 30%~0. 55%,焊接某些特殊用途的钢丝,其含锰量高达1 .70%一2. 10%。
3)硅(Si )硅也是一种较好的合金剂,在钢中加入适量的硅能提高钢的屈服强度、弹性及抗酸性能;若含量过高,则降低塑性和韧性。在焊接过程中,硅也具有较好的脱氧能力,与氧形成二氧化硅,但它会提高渣的粘度,易促进非金属夹杂物生成。
4)铬(Cr)铬能够提高钢的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。对于低碳钢来说,铬便是一种偶然的杂质。铬的主要冶金特征是易于急剧氧化,形成难熔的氧化物三氧化二铬(Cr203),从而增加了焊缝金属夹杂物的可能性。三氧化二铬过渡到熔渣后,能使熔渣粘度提高,流动性降低。
5)镍(Ni)镍对钢的韧性有比较显著的效果,一般低温冲击值要求较高时,适当掺入一些镍。
6)硫(S)硫是一种有害杂质,随着硫含量的增加,将增大焊缝的热裂纹倾向,因此焊芯中硫的含量不得大于0. 04%。在焊接重要结构时,硫含量不得大于0. 03%。
7)磷(P)
(2)焊芯的分类
焊芯是根据国家标准“焊接用钢丝”(GB 1300-77)的规定分类的,用于焊接的专用钢丝可分为碳素结构钢、合金结构钢、不锈钢三类。