焊条设计步骤详解

根据焊接冶金理论和实践经验，并参照有关技术资料，提出解决焊条设计难点的技术路线。因此，“目标制订明确、难点分析准确、技术路线正确”是研制焊条的关键。在上述基础上制订焊条的试制方案，拟定熔敷金属的合金系统，选定焊芯、药皮类型，并考虑设备条件、原料来源和经济合理性。通过调整试验完成焊条设计工作。

1.焊芯的设计与选定

焊芯的化学成分和性能直接影响焊缝金属的性能与质量，常用的焊芯有低碳钢和不锈钢两类。

碳钢焊芯设计主要是设计焊芯的化学成分，包括C、Si、Mn、S、P的含量。

焊芯的含碳量越高，则焊缝出现气孔和裂纹的倾向越大，当碳的质量分数大于0.1％时，就可能引起碳的严重偏析，并易产生结晶裂纹，使焊缝的韧性和塑性急剧下降，同时在液态金属中由于碳氧化形成的大量CO，还会增大飞溅，或在焊缝中形成气孔。所以，焊芯的含碳量愈低愈好，如“H08A”焊芯要求碳的质量分数小于0.10％。对于耐磨堆焊焊条和铸铁焊条来说，由于其熔敷金属要求较高的含碳量，焊芯的含碳量就可以很高。

锰是很好的脱氧剂和合金剂，具有脱硫作用。试验证明，在焊接低碳钢时，锰的质量分数为0.5％左右时脱氧效果最佳。因此“H08A”焊芯中锰的质量分数控制在0.30％～0.55％之间。

硅是一种强还原剂，在焊接过程中被氧化生成SiO₂，增加熔渣的酸度与粘度，易使焊缝产生气孔和夹渣。焊芯中硅含量增高可增加电阻率，使焊条焊接时易发红，影响焊接质量。因此，焊丝的含硅量愈低愈好。“H08A”焊芯中硅的质量分数控制在0.03％以下。

硫、磷都是有害杂质，它会降低焊缝的韧性和塑性，增加焊缝产生裂纹的敏感性。因此，焊芯中的硫、磷含量须严加限制，“H08”和“H08A”焊芯硫、磷的质量分数分别控制在0.04％和0.03％以下。

对于熔敷金属合金含量要求较高的焊条，可以在焊芯中加入合金元素，通过焊芯过渡合金元素。

生产焊芯的盘条已列入国家标准，可根据所设计焊条熔敷金属的化学成分选用。我国除不锈钢、镍基合金、有色金属和少数堆焊焊条外，大多数品种的焊条选用H08A焊芯，通过药皮过渡合金元素，实现合金化，获得不同类型或不同用途的焊条。

2.药皮类型选定及其特性

焊条药皮配方的设计，除了探索新渣系创新产品外，一般是沿用或发展已有的药皮类型，通过试验来完成新焊条的配方设计。常用药皮类型的成分范围见表4-1。

药皮类型主要根据焊条设计的技术要求选定，焊条设计的技术要求包括力学性能、化学成分、工艺性能指标及其他特殊性能等。

（1）钛型 钛型焊条药皮在碳钢焊条中应用颇多，焊接熔渣在高温时，具有良好的流动性，凝固温度区间较小，一般为1320～1420℃，具有短渣特性。

表4-1常用药皮类型的成分范围（质量分数，％）

高钛钠型药皮约含质量分数为50％的氧化钛，并含有一定量的硅酸盐、锰铁、纤维素等，用钠水玻璃做粘结剂，典型焊条为E4312型。该类焊条的电弧稳定，再引弧容易，熔深较浅，渣覆盖良好，脱渣容易，焊波整齐、美观，适用于全位置焊接，可交、直流两用，但熔敷金属的塑性及抗裂性较差，主要用于碳钢薄板结构的焊接，也可用于盖面焊。

高钛钾型药皮的组成与E4312相似，但采用钾水玻璃作粘结剂，典型焊条为E4313型，电弧更为稳定，工艺性能、焊缝成形比E4312好，主要用于焊接碳钢薄板结构或盖面焊。

铁粉钛型焊条（E5014、E4324、E5024）是在E4313焊条药皮配方的基础上，添加铁粉设计而成的，提高了熔敷效率。E5014焊条适用于全位置焊接，焊波整齐，表面均匀光滑、脱渣容易，可交、直流两用，主要用于焊接一般的低碳钢结构。E4324、E5024含有较多铁粉，药皮较厚，熔敷效率更高，适于平焊和横角焊，飞溅少，熔深浅，焊缝表面光滑，可交、直流两用。

（2）钛钙型 碳钢钛钙型焊条（如E4303、E5003）的药皮中，含有质量分数为30％以上的氧化钛和20％以下的钙或镁的碳酸盐矿。熔渣流动性良好，脱渣容易，电弧稳定，熔深适中，飞溅少，焊波整齐。适用于全位置焊接，可交、直流两用。该类型焊条主要用来焊接重要的低碳钢结构。

铁粉钛钙型药皮焊条（如E4322）是以钛钙型药皮组成为基础，加入较多铁粉设计而成的，从而提高焊条的熔敷效率，其主要工艺性能与普通钛钙型焊条相似。适用于平焊和横角焊，主要用于焊接较重要的低碳钢结构。

（3）钛铁矿型 钛铁矿型药皮的焊接熔渣凝固温度区间为1130～1260℃。主要用于碳钢焊条，如E4301、E5001。在这类焊条药皮中，钛铁矿的质量分数一般在30％以上，熔渣的流动性较好，电弧稍强，熔深较大，熔渣覆盖良好，脱渣容易，飞溅一般，焊波整齐。药皮组成物可调范围较大。在药皮配方中一般应增加其脱氧能力。该焊条适用于全位置焊接，可交、直流两用，主要用来焊接较重要的低碳钢结构。

（4）氧化铁型 氧化铁型焊条药皮的焊接熔渣凝固温度区间为1180～1350℃，主要用于低碳钢焊条（如E4320）。药皮中含有较多的氧化铁，以较多的锰铁作脱氧剂。电弧吹力大，熔深较深，电弧稳定，再引弧容易，熔化速度快，熔渣覆盖好，脱渣容易，焊缝致密，略带凹度，飞溅稍大，对水、锈、油污不敏感，适用于平焊及横角焊。焊接电源为交流或直流正接。主要用于焊接较重要的低碳钢结构。

E4322焊条也为氧化铁型药皮，工艺性能与E4320相似，但焊缝较凸，不均匀。适于单道焊，高速焊接，可交、直流两用，主要用于焊接低碳钢薄板结构。

（5）纤维素型 纤维素型焊条的焊接熔渣凝固温度区间为1200～1290℃。

高纤维素钠型（如E4310）焊条药皮中约含有质量分数为30％左右的纤维素或其他有机物材料，并加有氧化钛、锰铁等，以钠水玻璃作粘结剂。焊接时有机物在电弧区分解产生大量的气体，保护熔敷金属。电弧吹力大，熔深较深，熔化速度快，熔渣少，脱渣容易，飞溅一般。不能用大电流焊接，以防有机物过早烧损。采用直流反接，主要用于焊接一般的低碳钢结构，如管道的焊接等，也可用于打底焊接。

E4311、E5011为高纤维素钾型焊条，其药皮是在E4310的基础上，添加少量的钙和钾的化合物组成的，电弧稳定，采用交流或直流反接。当采用直流反接时，熔深较浅，其他性能与E4310相似，适用于全位置焊接，主要用于焊接一般的低碳钢结构。

（6）低氢型 低氢型焊条药皮应用广泛，在碳钢、低合金钢、高合金钢（如不锈钢）、堆焊、铸铁等焊条中有较多的应用。低氢型药皮的熔渣碱度较高，有利于合金元素的过渡和去除有害杂质。

低氢钠型焊条如E××15（碳钢或低合金钢）、ED××25（堆焊）、E×-××-×-15（不锈钢）等，其药皮的主要组成物是碳酸盐和氟化物，碱度较高，合金元素的过渡系数高，熔渣流动性好，焊接工艺一般，焊波较粗，熔深适中，脱渣性较好。要求焊条烘干，直流反接，短弧操作。对结构钢焊条，可全位置焊接，熔敷金属具有良好的塑性、韧性和抗裂性能，扩散氢含量低，主要用于焊接重要的碳钢结构或强度等级相当的低合金钢结构。

低氢钾型焊条如E××16、ED××-16（堆焊）等，焊条药皮是在低氢钠型E××15的基础上添加稳弧剂组成的，如用钾水玻璃作粘结剂等。焊接电源极性可使用交流或直流反接，操作特点及使用范围与低氢钠型焊条基本相同。

E5018为铁粉低氢型焊条，其药皮在E5016的基础上添加质量分数为25％～40％的铁粉，药皮稍厚，焊接电源极性可使用交流或直流反接，宜短弧操作，适于全位置焊接。角焊缝较凸，焊缝表面平滑，飞溅较少，熔深适中，熔敷效率较高，主要用于焊接重要的低碳钢结构，也可焊接与焊条强度等级相当的低合金钢结构。(www.xing528.com)

E4328、E5028为铁粉低氢型焊条，其药皮与E5018相似，但添加了大量的铁粉，药皮很厚，熔敷效率很高，只适用于平焊、横角焊。焊接电源可为交流或直流反接，主要用于焊接重要的低碳钢结构，也可焊接与焊条强度相当的低合金钢结构。

E5048型焊条药皮中加有更多的碳酸盐，熔渣性能好，具有良好的向下立焊性能。

（7）石墨型 石墨型焊条一般除含有与碱性药皮相近似的成分或钛的矿物外，在药皮中还加入了较多的石墨，使焊缝金属获得较高的游离碳或碳化物。这类药皮的焊条焊接时烟雾较大，其他工艺性能较好，飞溅少，熔深较浅，引弧容易，可交、直流两用。

该类焊条的药皮极易吸潮、强度较差。施焊时一般以小热输入为宜。主要用于铸铁焊条、堆焊焊条。

（8）盐基型 盐基型焊条的药皮主要由氯盐（如氯化钠、氮化钾、氯化锂等）和氟盐（如氟化钠、氟化钾、冰晶石等）组成。其特点是药皮熔点低、熔化速度快、焊接工艺性能差。宜采用直流反接、短弧操作，主要用于铝及铝合金焊条。由于熔渣具有一定的腐蚀性，因此焊后应仔细清理焊件。

3.药皮原材料的选用

药皮原材料的选用一般是依照焊条的设计要求（如化学成分、力学性能、工艺性能、制造条件、经济效益等），根据选定的焊芯确定。正确、合理地选用药皮原材料直接影响焊条设计的成败、制造工艺的可行性或难易程度、产品质量等。设计者应依照以下原则进行选用。

1）所选用的药皮原材科必须符合原材料标准或技术条件，这是确保产品质量和制造工艺稳定性的根本原则。

2）同一类原料有品级（如优级、一级、二级等）、纯度（如工业纯、化学纯）差别以及金属或铁合金（也有品级不同）之分，这些差异在价格上有很大不同。正确的选用是以满足焊条设计要求为基点。一般来说，设计技术要求高的产品宜选用较为高级优质的原料，而设计技术指标要求较低时，可选用普通的原材料。碳钢焊条与不锈钢焊条相比，同是用金红石造渣，就品级来讲前者品级宜低（如选用二级），也可用还原钛铁矿代替；后者品级宜高（可选用一级或优级）。同用锰脱氧和补充锰的烧损，前者宜用中碳锰铁，后者宜用金属锰或电解锰。

3）药皮原材料选用应全面考虑其性能，合理利用。如钛白粉和金红石的化学成分虽然基本相同（TiO₂），但晶体结构完全不同，因而电阻率、热导率均有很大差异，且两者的粒度差别也很大，对焊条压涂性能的影响各不相同。在焊条设计和选用原材料时不可互相取代，否则会直接影响焊条的工艺性能和压涂性能。

4）焊条配方设计和原材料选用时，在满足设计要求的条件下，应力求简化组分品种，选用焊条生产中的通用材料，达到方便生产、简化管理的目的。

5）在焊条配方设计和原材料选用上应敢于创新，不断地开发探索新材料，改造旧渣系，创建新渣系，推动焊条技术的不断发展和提高。

近几年，我国焊条制造业开发利用了不少新的原材料，如海泡石、硅泥、绢云母、绢英岩、竹粉等，部分取代了价格昂贵的钛白粉和金红石，对改善焊条的压涂性能、提高焊条质量、降低生产成本，取得了良好效果。

4.焊条药皮外径的设计

焊条的焊接工艺性能及焊缝金属的内在质量，不仅与焊条药皮配方有关，还与焊条药皮的厚度密切相关。实践证明，过厚的药皮会使药皮套筒增长，引起断弧，有时还会造成药皮成块脱落，焊缝内部易形成夹杂物；药皮过薄时，造渣、造气不足，保护不良以及电弧不稳，严重地恶化焊条的工艺性能。药皮厚度的变化，也会直接影响到合金元素的过渡、焊缝金属的合金化和内在质量，对采用药皮过渡合金的焊条尤为重要。焊条药皮的外径是焊条设计的一个组成部分，在焊条调试和生产中必须严格控制。

通常采用药皮重量系数进行药皮组成成分或合金元素过渡和焊缝金属合金化的计算，生产中有时也用药皮重量系数来检查焊条药皮外径尺寸的合理性。药皮重量系数系指焊条药皮与焊芯（不包括夹持端）重量的百分比。一般焊条药皮的重量系数多在40％～60％。对要靠药皮过渡大量合金元素的高合金焊条、堆焊焊条、高效铁粉焊条等，药皮重量系数可达100％以上，但有一定的限度，因为焊条药皮外径必须限制在某一范围内，否则会给焊条制造和使用带来很大困难，一般为

D／d≤2.1

式中D——焊条药皮外径（mm）；

d——焊芯直径（mm）。

酸性焊条的药皮重量系数比碱性焊条的稍大，这是因为酸性焊条的气体保护效果不如碱性焊条。镍基石墨型铸铁焊条、铝及铝合金盐基型焊条的药皮重量系数较小，造气、脱氧和稳弧是这类焊条药皮的主要作用。

通常情况下，根据所设计焊条的技术要求、药皮类型和采用药皮过渡合金元素的数量，来选定药皮重量系数，并根据药皮重量系数，参照相近似的焊条确定药皮外径尺寸，最后通过试验确定焊条药皮的外径尺寸。

焊条药皮外径尺寸通常以一种规格（如ϕ4mm）作为突破口，然后再调试其他规格的焊条，此时可借助经验公式确定其他规格焊条药皮的外径。

式中D_n——需求规格焊条的药皮外径（mm）；

D₀——已知规格焊条的药皮外径（mm）；

d₀——已知规格焊条的焊芯直径（mm）；

d_n——需求规格焊条的焊芯直径（mm）；

±0.1——由大规格求较小规格焊条时为“＋”，反之为“－”。

生产过程中，焊条药皮外径尺寸靠涂粉模来控制。