最佳实践：焊接熔渣的性能优化

1.熔渣的碱度

熔渣的碱度是熔渣冶金性能的重要指标之一，它与熔渣的活性、粘度和表面张力等性能有密切的关系。不同的熔渣结构理论对于碱度的定义和计算方法是不同的。

（1）分子理论认为焊接熔渣中的氧化物按其性质可分为三类

1）酸性氧化物。按照其酸性由强变弱的顺序为SiO₂、TiO₂、P₂O₅、V₂O₅等。

2）碱性氧化物。按照其碱性由强变弱的顺序为K₂O、Na₂O、CaO、MgO、BaO、MnO、FeO、PbO等。

3）中性氧化物。主要有Al₂O₃、Fe₂O₃、Cr₂O₃、V₂O₃等，它们在不同性质的熔渣中，可呈酸性，也可呈碱性。例如，在强酸性熔渣中呈弱碱性，而在强碱性熔渣中呈弱酸性。

根据分子理论，熔渣碱度的定义为

式中B——熔渣碱度；

R₂O、RO——熔渣中碱性氧化物的摩尔分数；

RO₂——熔渣中酸性氧化物的摩尔分数。

碱度B的倒数称为酸度。

根据碱度值可将焊接熔渣分为酸性渣和碱性渣。理论上认为：当B＞1时为碱性渣；B＝1时为中性渣；B＜1时为酸性渣。实际上使用式（3-9）计算是不准确的。根据经验，只有当B＞1.3时熔渣才是碱性的。造成不准确的原因是，式（3-9）既没有考虑氧化物酸、碱性的强弱程度，也没有考虑酸、碱性氧化物之间形成中性复合物的情况。因此，对式（3-9）进行了修正，提出了比较精确的计算公式：

式中的CaO、MgO、CaF₂……以质量分数计。

计算结果为，当B₁＞1时为碱性渣；B₁＝1时为中性渣；B₁＜1时为酸性渣。表3-10中的B₁值就是使用式（3-10）计算出来的。从表3-10可以看出，只有低氢型焊条和HJ251的熔渣才是碱性的，这是符合实际情况的。

（2）离子理论关于碱度的定义与计算离子理论把液态熔渣中自由氧离子的浓度（或氧离子的活度）定义为碱度。自由氧离子是指游离状态的氧离子。焊接熔渣中自由氧离子的浓度越大，熔渣的碱度越大。离子理论关于熔渣碱度的计算方法中，最常用的是日本的森氏法，即

式中B₂——熔渣碱度；

a_i——熔渣中第i种氧化物的碱度系数（见表3-13）；

M_i——熔渣中第i种氧化物的摩尔分数。

表3-13氧化物的a_i值及相对分子质量(www.xing528.com)

计算结果为，当B₂＜0时为酸性渣；B₂＝0时为中性渣；B₂＞0时为碱性渣。表3-10中的B₂值就是用式（3-11）计算的结果。表3-10的数据表明，式（3-10）与式（3-11）的计算结果完全一致。

根据熔渣的碱度可以把焊条和焊剂划分为酸性和碱性两类。这两类焊接材料的冶金性能、焊接工艺性能以及焊缝的成分及性能均有显著的不同。

2.熔渣的粘度

熔渣的粘度是熔渣的重要物理性能之一。熔渣的粘度对焊接工艺性能、金属的保护以及焊接冶金反应都有显著的影响。熔渣的粘度取决于熔渣的成分、结构及温度。熔渣结构越复杂，阴离子的尺寸越大，熔渣质点的移动越困难，熔渣的粘度就越大。

（1）温度对粘度的影响 熔渣粘度与温度的关系如图3-13所示。可以看出，随着温度的升高，熔渣粘度下降。酸性渣粘度曲线下降比较缓慢，而碱性渣粘度曲线下降比较迅速。当这两种渣的粘度都变化Δη时，含SiO₂多的酸性渣对应的温度变化ΔT₂较大，即凝固时间长，称为长渣。长渣不适于仰焊。而碱性渣粘度变化Δ_η时，对应的温度变化ΔT₁较小，即凝固时间短，称为短渣。低氢型和氧化钛型焊条的熔渣属于短渣，适用于全位置焊接。

图3-13 熔渣粘度η与温度T的关系

1—碱性渣 2—含SiO₂多的酸性渣

（2）熔渣成分对粘度的影响 在酸性渣中加入SiO₂，使Si-O阴离子的聚合程度增大，其尺寸也增大，因而熔渣粘度迅速升高。如减少SiO₂，同时增加TiO₂，可使复杂的Si-O阴离子减少，即降低高温时熔渣的粘度。所以，含TiO₂多的酸性渣，它的粘度随温度变化急剧，属于短渣。在酸性渣中，加入碱性氧化物能破坏Si-O离子键，减小其尺寸，可降低渣的粘度。

在碱性渣中加入高熔点的碱性氧化物（如CaO）有可能出现未熔化的固体颗粒，由于增大了渣的流动阻力，而使粘度增加。如果在碱性渣中加入少量SiO₂，由于CaO与SiO₂形成低熔点的硅酸盐（如CaO·SiO₂，熔点为1540℃），可使粘度下降。

焊接钢时，适宜的熔渣粘度在1500℃时为0.1～0.2Pa·s。

3.熔渣的表面张力

熔渣的表面张力对熔滴过渡、脱渣性、焊缝成形及许多冶金反应有重要的影响。

熔渣的表面张力就是气相与熔渣之间的界面张力，主要取决于熔渣的结构和温度。原子之间的键能越大，则表面张力也越大，由于金属键的键能最大，所以液体金属的表面张力最大；具有离子键的物质，如FeO、MnO、CaO、MgO等键能比较大，它们的表面张力也较大；具有共价键的物质，如TiO₂、SiO₂、B₂ O₃、P₂ O₅键能较小。

在熔渣中加入酸性氧化物TiO₂、SiO₂、B₂ O₃等，由于它们形成的阴离子综合矩较小，与阳离子的结合力较弱，而使表面张力减小。在熔渣中加入碱性氧化物CaO、MgO、MnO等，可以增加表面张力。此外，加入CaF₂也能降低焊接熔渣的表面张力，因为液态CaF₂的表面张力在1470～1550℃时，仅为0.28N／m。

升高温度可使熔渣的表面张力下降，因为温度升高使离子的半径增大，综合矩减小，同时也增大了离子之间的距离，这样就减弱了离子之间的相互作用力。

4.熔渣的熔点

熔渣的熔点是影响焊接工艺性能和焊接质量的重要因素之一，因此要求熔渣的熔点（或焊条药皮的熔点、焊剂的熔点）与焊丝和母材的熔点相匹配。

焊接熔渣是多元体系，它由固态转变为液态是在一定的温度区间内进行的。通常把固态熔渣开始熔化的温度称为熔渣的熔点。焊条药皮开始熔化的温度称为焊条药皮的熔点，又称为造渣温度。药皮的熔点越高，其熔渣的熔点也越高。熔渣的熔点取决于组成物的种类、数量和颗粒度。焊条药皮中难熔的物质越多、颗粒越大，其熔点也越高。适于焊接钢的熔渣熔点一般为1150～1350℃。