焊条药皮设计的优化方法

焊条的焊芯多选用H08A。一般酸性焊条的药皮重量系数约为35％，碱性药皮略低于此值，而堆焊焊条则较高，可达160％左右。厚药皮可过渡大量合金元素，也有药皮重量系数为1％～20％的薄药皮焊条，药皮仅起引弧、稳弧作用。

粘接在焊芯上的各种粉料和粘结剂的混合物称为药皮，未涂挂之前的混合物称为涂料，涂料是由多种原材料组成的。焊条药皮中原材料的作用归纳起来有七个方面，即稳弧、造渣、造气、脱氧、合金化、粘结和成形。

1.稳弧剂

焊条的稳弧性取决于其化学成分，在焊条药皮中加入的具有稳定电弧作用的组分，称为稳弧剂。含有易电离元素及其化合物的物质常用做稳弧剂，药皮中稳弧剂含量越多，电弧稳定性越好。元素的电离势可以作为选择稳弧剂的依据，元素的电离势越小则越易电离，常见元素及化合物的电离势见表4-2。

表4-2常见元素及化合物的电离势

由表4-2可见，Li、K、Na、Cs等碱金属元素和Ba、Ca、Mg等碱土金属元素的电离势较低。因此，含有碱金属和碱土金属元素的化合物和金属矿物可以作为稳弧剂。考虑到经济性、焊条抗潮性等，目前常用的是含有K、Na易电离碱金属元素的碳酸钾、纯碱、长石、云母等，以及含有碱土金属元素的菱苦土、大理石、碳酸钡等。

卤族元素不仅电离势高，而且与电子亲和力很大，能夺取电子形成质量大的负离子而恶化电弧燃烧的稳定性。如碱性低氢焊条药皮中加入的萤石（CaF₂），使电弧稳定性变得很差。

除元素的电离势影响电弧稳定性外，药皮的熔化状态也影响电弧的稳定性。如药皮中加入能产生CO和H₂的有机物，虽然CO和H₂的电离势很高，但可使药皮疏松易熔，不形成长的套筒，所以电弧的稳定性也很好。

2.造渣剂

（1）熔渣的形成 药皮中加入造渣剂，焊接时熔化形成一定数量、具有一定物理、化学性能的熔渣，覆盖着熔化金属，保护熔滴和熔池免受大气中氧、氮的不良影响，并降低焊缝的冷却速度，改善焊缝成形。焊条药皮中常用的造渣剂包括大理石、菱苦土、白云石、碳酸钡等碳酸盐，形成SiO₂的石英砂、白泥、云母、白土子、长石等，形成TiO₂的钛白粉、金红石、钛铁矿、还原钛铁矿等，含有高价氧化物的赤铁矿、锰矿等矿物，以及氟化物萤石等。碳酸盐和高价氧化物在焊接冶金过程中需要通过分解反应造渣，其他的无需反应直接造渣。

药皮中的碳酸盐和赤铁矿、锰矿，在焊接冶金过程中分解形成熔渣。大理石的主要成分是CaCO₃，菱苦土的主要成分是MgCO₃，其分解反应如下：

CaCO₃==CaO＋CO₂

MgCO₃==MgO＋CO₂

理论计算表明，在空气中CaCO₃开始分解的温度是533℃，而MgCO₃开始分解的温度是318℃。加热速度提高，碳酸盐的分解温度升高。药皮中碳酸盐与CaF₂、SiO₂、TiO₂、Na₂CO₃等共存时，会使碳酸盐的分解温度降低。另外，碳酸盐的粒度越小，越易分解。大理石分解产生的CaO是碱性氧化物，能提高熔渣的碱度，增加熔渣的表面张力和熔渣与熔化金属之间的界面张力，粗化熔滴，影响熔滴的过渡形态，具有脱硫、脱磷能力。同时，大理石分解出的CO₂气体，对焊接区起到气保护的作用。菱苦土的作用类似于大理石。

白云石的化学式是CaMg（CO₃）2，其分解反应分为以下两步。

第一步：CaMg（CO₃）2==CaCO₃＋MgO＋CO₂

第二步：CaCO₃==CaO＋CO₂

赤铁矿、锰矿的主要成分分别为Fe₂O₃、MnO₂，焊接过程中将逐级分解出低价氧化物作为造渣成分，同时生成大量的氧气，增加电弧气氛的氧化性，分解反应如下：

6Fe₂O₃==4Fe₃O₄＋O₂

2Fe₃O₄==6FeO＋O₂

4MnO₂==2Mn₂O₃＋O₂

6Mn₂O₃==4Mn₃O₄＋O₂

2Mn₃O₄==6MnO＋O₂

药皮的熔化状态与熔渣的凝固温度范围、粘度、表面张力等是影响焊缝成形的重要因素。

（2）药皮的熔化状态与熔渣的凝固温度对焊缝成形的影响 药皮是多种物质的机械混合物，它们在熔化形成熔渣时，各组成物之间发生相互作用，形成复合化合物、共晶体等多元体系，所以药皮或熔渣的熔化和凝固是在一个温度范围内进行的。药皮熔点是指药皮开始熔化的温度（即造渣温度），而熔渣的凝固温度则是指熔渣转变为固态的温度（是一个温度区间）。通常药皮的熔点总是高于熔渣的凝固温度。

一般要求药皮熔点比焊芯熔点低150～250℃。药皮熔点过高，焊条末端形成的“套筒”较长，焊接时易断弧，或药皮成块脱落，失去保护作用或落入熔池形成夹渣。相反，药皮熔点过低，则熔化过早，熔渣很稀、易流失，失去对焊缝的保护作用。同时，药皮熔点过低，形成“套筒”太短或不形成“套筒”，则使电弧吹力小而分散，立焊时极易与焊件发生粘连。

熔渣的凝固温度过高，则其凝固时间短，影响冶金反应的充分进行，甚至造成渣压熔池、焊缝成形不良、气孔等缺欠，难以脱渣。焊缝表面产生的“麻点”也与熔渣的凝固温度有关。当熔渣凝固温度较高时，则焊缝结晶过程中，液态金属中过饱和气体析出时，熔渣粘度已经很大，气体不能顺利由渣内逸出而留在熔池与熔渣的界面上，聚集达到一定压力，压迫熔池，就会使焊缝在凝固后存在压痕，即“麻点”。

熔渣凝固温度过低，则熔渣对焊缝起不到限制成形的作用，使焊缝成形不良，同时还延长了熔渣与已凝固焊缝金属的作用时间，使脱渣性能变坏。

药皮熔点的高低取决于药皮组成物的种类及其粒度，药皮组成物的熔点越高、粒度越大，药皮的熔点也越高。药皮中常见化合物的熔点见表4-3。

表4-3药皮中常见化合物的熔点

熔渣的凝固温度取决于其成分，从表4-3可见，大多数氧化物的熔点都比钢铁材料的熔点（1500℃左右）高。但多种一定比例的氧化物混合组成药皮，相互作用后就可以得到合适的熔渣凝固温度，满足焊接要求。例如在实际生产中，对于钛钙型的酸性焊条药皮配方，为了得到适合焊接要求的药皮熔点和熔渣凝固温度，主要是调整二氧化钛、碳酸盐和硅酸盐三者之间的比例，碳酸盐用量过高则使药皮熔点显著增高。对于碱性低氢型焊条，主要是调整大理石和萤石的比例，大理石含量增加时，药皮熔点也相应提高。

渣系平衡图是确定熔渣成分组成的重要依据，图4-1为CaO-SiO₂-TiO₂三元渣系平衡图，可见，当三者配比恰当时，中间有一个熔点较低的区间。通常生产中用质量分数为6％～10％的CaO、18％～23％的SiO₂、31％～34％的TiO₂，再配以适量的其他组元，如FeO、MgO、MnO等，就可以获得凝固温度为1300℃左右的熔渣，这就是生产中广泛采用的钛钙型渣系。在焊条配方设计时，往往是首先根据实际需要，大致选定一个已经应用的渣系配比，然后再在实践中反复地试验调整，直至合乎要求。

（3）熔渣的粘度和表面张力对焊缝成形的影响 熔渣的粘度与熔渣的化学成分和温度有关。在熔渣的化学成分一定时，熔渣的粘度随着温度的升高而下降。熔渣的化学成分不同，其粘度随温度变化的速率是不同的。通常碱度小的熔渣，粘度随温度的提高逐渐变小，即粘度随温度变化的速率较小，如图3-13所示的曲线2，这类渣称为“长渣”。而碱度大的熔渣随着温度的升高，粘度急剧下降，即粘度随温度变化的速率较大，这类渣称为“短渣”。低氢焊条和钛钙型焊条的熔渣均属于短渣，短渣对防止液态金属流失非常有利，适于立焊、仰焊。

图4-1 CaO-SiO₂-TiO₂三元渣系平衡图

在焊接温度下，熔渣粘度越小，流动性越大，熔渣也越活泼，冶金反应进行得越充分。但粘度过小，则会造成淌渣，使渣不能全部覆盖于焊缝上，减弱冶金反应的进行并失去对金属的保护作用。相反，若渣的粘度过大，会使冶金反应缓慢，焊缝成形变差。焊接熔渣粘度μ通常要求在1500℃时为0.15Pa·s左右，立焊、仰焊时可略高一些。

熔渣的粘度主要与熔渣中复杂阴离子的结构有关。阴离子的聚合程度越高，结构越复杂，质点越大，熔渣的粘度就越大。酸性渣中SiO₂的含量较高，聚合的Si-O离子较多，粘度较大。如向酸性渣中加入碱性氧化物，发生如下反应：

结果使Si-O聚合离子变小，粘度下降。

CaF2既能促进CaO熔化，降低碱性渣的粘度，又能在渣中产生阴离子F－，破坏Si-O键，降低酸性渣的粘度。Al₂O₃加入碱性渣中可降低粘度，加入酸性渣中可增大粘度，其影响与SiO₂类似。但TiO₂对熔渣粘度的影响与SiO₂不同，而与CaO类似。

各种复合物对熔渣粘度的影响是按下列顺序增加的：FeO·SiO₂＜MnO·SiO₂＜MgO·SiO₂＜CaO·SiO₂＜Fe₂O₃·SiO₂＜Al₂O₃·SiO₂。CaO-SiO₂-TiO₂系、CaO-SiO₂-CaF₂系熔渣的等粘度曲线分别示于图4-2和图4-3。

图4-2 CaO-SiO₂-TiO₂系熔渣等粘度曲线（1600℃）

图4-3 CaO-SiO₂-CaF₂系熔渣等粘度曲线

a）温度1200℃，加质量分数为15％的Al₂O₃b）温度1500℃，加质量分数为5％的Al₂O₃

熔渣表面张力及其与温度的关系，对焊缝表面成形也有很大的影响。液态熔渣的表面张力以0.3～0.4N／m为好，并希望温度下降时能迅速增大，以保证熔渣在液态时能均匀覆盖于熔池表面，而在熔池冷却结晶时，又能急剧增大表面张力，约束焊缝成形。

常见氧化物对熔渣表面张力的影响如图4-4和图4-5所示。

图4-4 氧化物对CaF₂基熔渣表面张力的影响

图4-5 氧化物对FeO基熔渣表面张力的影响

液态TiO₂的表面张力较小，冷却过程中其表面张力迅速增大，因此以TiO₂为主的钛型和钛钙型渣的焊缝成形最为理想。钛铁矿型渣含TiO₂不多，全位置焊接性较差；氧化铁型焊条中，SiO₂和FeO虽能降低熔渣的表面张力，却增大了熔渣的凝固温度范围（形成长渣），它只适于平焊和平角焊，不适于全位置焊接。在低氢型焊条药皮中，SiO₂虽能降低熔渣的表面张力，但却提高熔渣的熔点，使焊缝增氧、增硅，也不可多用。适量的CaO能改善钛铁矿型熔渣的性质，但其质量分数大于15％则有害。Al₂O₃对熔渣性能不好，故选用硅酸盐时应尽可能选含Al₂O₃少的。

（4）焊条的脱渣性焊缝表面的熔渣焊后是否容易除去，是评定焊条（或焊剂）质量的主要指标之一。脱渣困难会显著降低生产率，尤其是多层焊和连续自动堆焊更为明显。脱渣不净还容易造成焊缝夹渣等缺欠。影响脱渣性的主要因素有：熔渣的线胀系数、熔渣的氧化性、熔渣的疏松度与脆性，以及焊接工艺条件等。

1）熔渣的氧化性。对于低碳钢和低合金钢焊缝，焊缝表面有一层氧化膜存在，它起着焊缝金属与熔渣之间的联结作用。这层氧化膜主要是FeO，它的晶格结构是体心立方晶格，FeO搭建在焊缝金属α-Fe的体心立方晶格上，使这层氧化膜牢固地粘接在焊缝金属表面，造成脱渣困难。

如果熔渣中含有形成尖晶石型化合物的金属氧化物，如Al₂O₃、V₂O₃、Cr₂O₃等，它们的尖晶石型化合物MeO·Me₂O₃搭建在焊缝金属表面氧化物的晶格上。这样，熔渣与焊缝金属牢固地粘结在一起，使熔渣更难清除。此时，若增强焊条的脱氧能力，可以明显地改善脱渣性。

2）熔渣的线胀系数。熔渣与金属的线胀系数相差越大，冷却时两者之间产生的内应力越大，脱渣性越好。图4-6为不同焊条熔渣和低碳钢的线胀系数与温度的关系。可见，高钛型和钛铁矿型焊条熔渣与低碳钢的线胀系数相差最大，所以这类焊条在平板上堆焊或薄板对接焊时非常容易脱渣，几乎整条焊缝的熔渣都可以自动翘起脱落。

图4-6 焊条熔渣和低碳钢的线胀系数与温度的关系

3）熔渣的疏松度和脆性。对于角接和深坡口底层焊缝，由于熔渣夹在钢板之间会造成脱渣困难。显然，熔渣越疏松就越容易脱渣。熔渣中的TiO₂、MnO、FeO等氧化物能使熔渣密实坚硬不脆，而且通常钛型焊条熔渣疏松度（指渣中孔隙所占面积）只有15％左右，焊后熔渣被挤在缝隙中不易脱落。在氧化铁型焊条熔渣中，由于含有MnO和FeO，如配方调整不当，渣壳也较密实坚硬，但如果有TiO₂时（钛铁矿型），减少FeO含量并适当调整CaO、MnO、TiO₂及SiO₂的比例，能使渣内部成蜂窝状，且质松脆。钛铁矿型焊条熔渣的疏松度达50％左右，因此它的脱渣性要优于钛型焊条。低氢型焊条熔渣的CaO增多时，熔渣呈黄白色，质松而不脆；而CaF₂增多时，熔渣呈黑色，质坚硬。低氢型焊条熔渣的疏松度仅为17％左右，故脱渣性不好。

（5）焊条焊接时的飞溅 飞溅不仅损失金属，而且落在焊缝两侧的飞溅颗粒粘在工件上不易清除，飞溅的程度可以用收集的飞溅金属粒的数量和尺寸予以评定。

焊条的焊接飞溅与气体爆炸力、电弧力及熔渣表面张力有关。大理石CaCO₃在600℃开始分解并释放出CO₂气体，若分解过程急剧便会产生爆炸飞溅。熔滴过渡时表面生成氧化膜，而熔滴内部金属过热产生的蒸气压力足够大时，也会引起爆炸飞溅。药皮水分多，熔渣粘度过大，碳被氧化生成CO，焊接电流过大、电弧过长、熔滴过大等都会影响飞溅程度，此外由于制造时药粉搅拌不均，也会引起飞溅。

3.造气剂

造气剂在焊接时用以形成一定量的气体，起到隔绝空气、保护焊接区的作用。常用的造气剂为木粉、竹粉、淀粉、纤维素等有机物和大理石、菱苦土、白云石等碳酸盐。

碳酸盐在焊接过程中分解出碱性氧化物和CO₂，CO₂在高温下进一步分解为CO，作为焊接的保护气体。碳酸盐分解出的碱性氧化物则作为熔渣，对液态金属起到渣保护作用。

有机物受热后将发生复杂的分解和燃烧反应，生成CO₂和H₂。如纤维素的反应如下：

有机物受热分解出H₂，会使焊缝金属增氢，因此在设计低氢型焊条配方时，不能加入有机物作为造气剂。

4.脱氧剂、脱硫剂与合金剂

脱氧剂的作用主要是降低药皮或熔渣的氧化性，减少焊缝金属的氧含量。合金剂的作用是补偿合金元素的烧损，使焊缝获得必要的合金成分。常用的脱氧剂、合金剂有锰铁、硅铁、钛铁、钼铁、铝粉等。脱氧剂、合金剂在药皮中多以铁合金的形式加入，有时也采用加入金属粉末的形式。

焊条药皮中加入铁合金和纯金属的作用有两点：一是在焊接过程中进行脱氧、脱硫、脱氮等化学反应，净化焊缝金属；二是对焊缝金属进行合金化，改善焊缝金属的组织和力学性能。

（1）脱氧 焊缝金属的脱氧方法，一般是将作为脱氧剂的铁合金和纯金属加在焊条药皮中，焊接时脱氧剂熔融在熔渣中，通过熔渣与熔化金属间（包括熔滴和熔池阶段）进行的系列脱氧反应，达到脱氧的目的。

通过比较各元素对氧的亲和力及其氧化物的稳定程度，可以确定作为脱氧剂的元素。对脱氧剂的要求是其对氧的亲和力必须大于Fe，才能从熔渣、熔池或熔滴中夺取氧，从而使FeO还原成Fe，而脱氧剂被氧化成新的化合物进入熔渣，从而达到脱氧的目的。

由于化学冶金在不同反应区的温度不同，各元素与氧的亲和力排列顺序也有差异。常见元素对氧的亲和力依次减小的顺序如下，可作为选用脱氧剂或分析焊接化学冶金反应的参考。

熔滴阶段（2400～2800K）：

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熔池阶段（1800～2000K）：

焊缝金属的凝固阶段（1500～1800K）：

焊条药皮脱氧剂的选用原则是：脱氧剂与氧的亲和力大于Fe；脱氧产物稳定且易上浮进入熔渣，不形成夹杂；有利于提高焊缝金属的综合力学性能；价格便宜；简化焊条制造工艺，压涂方便。此外，还应考虑熔渣组元对脱氧反应的影响，例如，含SiO₂、TiO₂高的熔渣不宜采用硅铁和钛铁脱氧，而采用锰铁脱氧，可形成碱性氧化物MnO，易与酸性氧化物SiO₂等形成复合化合物进入熔渣，取得良好的脱氧效果。

常用的脱氧剂有Mn、Si、Ti、Al、C和稀土等，其主要的脱氧反应为

［FeO］＋［C］==［Fe］＋CO↑

2［FeO］＋［Si］==2［Fe］＋（SiO₂）

2［FeO］＋［Ti］==2［Fe］＋（TiO₂）

［FeO］＋［Mn］==［Fe］＋（MnO）

3［FeO］＋2［Al］==3［Fe］＋（Al₂O₃）

在使用碳脱氧时，必须慎重。CO若不能从熔池中逸出，将会形成CO气孔。焊缝增碳会提高焊缝金属的硬度，降低塑性、韧性，故一般只在堆焊焊条、铸铁焊条中用碳脱氧。

铝是强脱氧剂，但生成的Al₂O₃熔点较高，易形成夹杂，且易增大飞溅，应尽量少用。

钛的脱氧能力较强，药皮刚一熔化其大部分就被烧损，主要进行先期脱氧，能进入熔池脱氧的仅为一小部分，钛还能与氮结合形成氮化钛，起到脱氮作用，消除氮的有害影响。钛能细化晶粒，改善焊缝韧性，但其含量不宜过高，否则会降低焊缝的韧性。在低氢型焊条中常用钛脱氧，但不宜过多使用。

硅、锰有良好的脱氧效果，价格便宜，是常用的脱氧剂。

（2）脱硫 硫在焊缝金属中以FeS的形式存在，是有害杂质，容易引发多种焊接缺欠。药皮中加入的脱氧剂有的还具有脱硫作用。

硫是活泼的非金属元素之一，在焊接温度下能与很多金属或非金属元素生成气态或液态化合物。脱硫的实质是将液态金属中的硫转变为不溶于液态金属的化合物，使其进入熔渣或经熔渣逸出。常用的脱硫方法是元素脱硫或熔渣脱硫，对酸性焊条以元素脱硫为主，对碱性焊条可同时采用元素和熔渣脱硫。

脱硫的元素与硫的亲和力必须大于Fe，Ce、Ca、Mg、Mn等元素满足这个要求。这些元素在焊接温度下，均能夺取FeS中的S，达到脱硫的目的。焊条中常用的脱硫元素是Mn，其反应如下：

［Mn］＋［FeS］==［Fe］＋（MnS）

该反应为放热反应，故在熔池后部有利于反应的进行。但在电弧焊条件下，熔池冷却较快，反应难以充分进行，所以只有提高熔池的含锰量，才能取得较好的脱硫效果。但提高含锰量是有一定限度的，所以酸性焊条的冶金脱硫具有一定的局限性。严格控制原材料的含硫量是有效降低焊缝含硫量的关键措施。

脱硫产物MnS不溶于金属可进入熔渣，由于脱硫在熔池后部进行，有可能来不及浮出而残留在焊缝金属内部形成夹杂物。由于MnS熔点（1620℃）较高，不至于形成结晶裂纹，但会降低焊缝金属的韧性和塑性。采用稀土元素和精炼脱硫剂脱硫取得了良好效果，稀土元素的脱硫产物即使来不及浮出，也会转变为细小的球状夹杂，有利于改善焊缝金属的韧性和塑性。

熔渣中的碱性氧化物，如MnO、CaO、MgO等，也能脱硫：

［FeS］＋［MnO］==（FeO）＋（MnS）

［FeS］＋［CaO］==（FeO）＋（CaS）

［FeS］＋［MgO］==（FeO）＋（MgS）

生成的MnS、CaS、MgS不溶于液态金属而进入熔渣。

（3）焊缝金属的合金化 焊缝金属的合金化就是将某些需要的合金元素通过一定的方式过渡到焊缝金属中。

焊缝金属合金化的目的主要有两个：一是补偿合金元素在焊接过程中的烧损及蒸发；二是满足焊缝金属成分设计的要求，以改善焊缝的组织和性能。

焊条的种类不同，对焊缝金属合金化的要求也不同。例如，对碳钢或低合金钢焊条，主要是提高焊缝金属的性能，以与钢材相匹配，为确保焊接结构的安全性，关键在于使焊缝金属具有相应强度的同时，保证它具有优良的抗裂性和足够的塑性、韧性；对堆焊焊条，主要是满足对堆焊金属硬度、耐磨性、耐蚀性或耐热性的要求，常过渡Cr、Mo、W、Mn等合金元素；对耐热钢、不锈钢等焊条，主要满足化学成分与母材匹配，以及耐热或耐腐蚀等特殊性能的要求等，常过渡Cr、Mn、Ni、Nb等合金元素。

利用药皮过渡合金元素是将所需要的合金元素以纯金属或合金的形式加入焊条药皮中，通常多采用碳钢焊芯（如H08A等），通过焊接冶金使焊缝金属合金化。药皮过渡合金元素的氧化损失较大，合金元素利用率较低，当需要过渡较多合金元素时，大多采用氧化性较低的碱性渣系。利用焊芯过渡合金元素具有焊缝成分均匀、可靠、合金元素损失少等优点，但非标准的焊芯难以获得。

除了通过在药皮或焊芯中加入合金元素的方式对焊缝金属进行合金化外，熔渣中的SiO₂等氧化物也能通过与液态铁的置换反应向焊缝金属过渡合金元素，如

（SiO₂）＋2［Fe］==［Si］＋2（FeO）

（MnO）＋［Fe］==［Mn］＋（FeO）

反应的结果是向焊缝过渡合金元素Si、Mn，Fe则被氧化成FeO，FeO大部分进入熔渣，少部分溶于液态铁中，使焊缝增氧，这对焊缝的力学性能不利。

焊条中的合金元素（包括药皮和焊芯）在焊接过程中有三个去向：氧化损失、残留损失和过渡到焊缝金属中去。常用合金元素过渡系数说明或评价合金剂的利用率。所谓合金元素的过渡系数，是指焊接材料的合金元素过渡到焊缝金属中的数量与其原始含量的百分比。

式中_η——合金元素过渡系数；

C_d——合金元素在熔敷金属中的含量（％）；

C_x——合金元素在焊芯中的含量（％）；

C_y——合金元素在药皮中的含量（％）；

K_b——药皮重量系数。

了解影响过渡系数的因素，对于有效控制焊缝金属的成分，寻求提高过渡系数的途径有着重要意义。影响过渡系数的因素如下：

1）合金元素的物理化学性质。合金元素的沸点越低，饱和蒸汽压越大，越易蒸发损失，过渡系数越小；合金元素对氧的亲和力越大，则越易氧化，过渡系数越小。

当几个合金元素同时合金化时，其中对氧亲和力较大的元素，将对其他元素起到保护作用，即依靠自身的氧化而减少其他合金元素的氧化损失，从而可提高其他合金元素的过渡系数。如在碱性药皮中，加入Ti、Al时，可提高Si、Mn的过渡系数。

图4-7 锰的过渡系数与其在焊条中含量的关系

1—碱性渣 2—酸性渣

2）合金元素的含量。试验表明，随着药皮中合金元素含量的增加，其过渡系数逐渐增加，当其含量超过某一个值时，其过渡系数趋于一个定值，如图4-7所示。这是因为合金剂含量增加，一方面使其他药皮成分（包括氧化剂的含量）相对减少，氧化能力减弱，合金元素的过渡系数增大；另一方面使残留在渣中的损失增加，药皮保护性能变差，故合金元素过渡系数减小。当合金剂含量较低时，第二种因素的作用很小，所以随合金剂含量的增加，过渡系数增大；当合金剂含量继续增加时，第二种因素的作用也随着增大，所以合金元素过渡系数趋于定值，甚至会有下降趋势。

3）合金剂的粒度。增大合金剂的粒度，可减小表面积，从而可减少氧化损失，提高合金元素的过渡系数。合金剂的粒度过大，则难以熔化，会使残留损失增大，不利于合金过渡和化学成分的均匀性。在焊条药皮中，常用的合金剂一般为100％过40目（粒径不超过0.425mm）。对不易氧化的合金，粒度影响较小；反之，粒度影响较大。

4）药皮的成分。药皮的成分决定了气相和熔渣的氧化性、熔渣的碱度、表面张力、界面张力等，对合金元素过渡系数影响很大。

5）药皮重量系数和焊接参数。在药皮中合金剂含量不变的条件下，随着药皮重量系数的增加，合金元素过渡系数减小。因为，药皮厚度增加，使药皮的残留损失和氧化损失增大。

焊条中常见合金元素的过渡系数见表4-4。

表4-4常见合金元素的过渡系数

①药皮重量系数K_b≈0.65（H0Cr21Ni10）。

②CaCO₃／CaF₂＝2～3，K_b≈0.45。

③CaCO₃／CaF₂＜1，K_b≈0.45。

5.粘结剂

为了把药皮材料涂覆到焊芯上，并使药皮具有一定的强度，必须在药皮中加入粘结力强的物质，这类物质即为粘结剂。常用的粘结剂是水玻璃，分为钾水玻璃、钠水玻璃或钾钠混合水玻璃。一般来说，酸性焊条常用钾钠混合水玻璃，碱性焊条常用钠水玻璃，由于水玻璃中含有钾、钠等低电离电位元素，所以除起粘结作用外，还可以起到稳弧作用。由于粘结剂在焊接过程中也参与冶金反应，所以应注意水玻璃对焊缝化学成分的影响。如焊接含铝的低温钢、耐蚀钢时，为了防止SiO₂的渗硅现象，应采用铝酸钠水玻璃。

水玻璃俗称泡花碱，学名碱金属硅酸盐，其化学组成通式为R₂O·nSiO₂，式中R₂O代表碱金属氧化物Na₂O或K₂O。SiO₂与R₂O之间的比值可在很大范围内变化。反应水玻璃性能的指标是模数、浓度及粘度。

（1）模数水玻璃的模数m表示其SiO₂与R₂O摩尔数的比值，即

式中a——R₂O与SiO₂相对分子质量的比值，钠水玻璃a＝1.032，钾水玻璃a＝1.566，

SiO₂％钾钠水玻璃

SiO₂％——水玻璃中SiO₂的质量分数；

R₂O％——水玻璃中Na₂O或K₂O的质量分数。

模数表示水玻璃的分子组成，它决定着水玻璃的粘结性。焊条用钠水玻璃的模数一般为2.8～3.0，钾钠混合水玻璃为2.5～2.7与2.8～3.0。模数大于或等于3的水玻璃为中性，模数小于3的水玻璃为碱性，模数越小，碱性越强。

（2）浓度液体水玻璃的浓度是表示水玻璃中含水量多少的指标，含水量越多，则液体水玻璃的浓度越低，黏性也相应降低。浓度过低的水玻璃，可采用煮熬、浓缩的办法使其中部分水分蒸发，以提高液体水玻璃的浓度。

在螺旋式焊条压涂机压涂酸性药皮焊条时，用模数2.5～2.7的钾钠水玻璃，其波美浓度为39°Be′左右；在油压式焊条压涂机压涂碱性药皮焊条时，用模数2.8～3.0的钠水玻璃，其波美浓度为50°Be′左右；当用模数2.8～3.0的钾钠混合水玻璃时，其波美浓度为50°Be′左右。使用多大模数与浓度的水玻璃应视焊条配方和生产工艺而定。生产经验表明，采用高模数低浓度（如46～48°Be′）的水玻璃作碱性药皮焊条涂料的粘结剂，在解决焊条药皮开裂、起泡、偏心和提高焊条涂料压涂性能方面，有良好的效果。

液体水玻璃的浓度常用波美比重计测定，波美浓度与重度具有如下关系：

重度表示单位体积物质的重力，其单位为N／m³。

（3）粘度粘度与液体水玻璃的模数、浓度和温度有关。用粘度不同的水玻璃配制的焊条涂料，其塑性显著不同，对焊条的压涂性能、焊条的烘干、焊条药皮外观质量、耐潮性和强度都有影响。实践表明，配制焊条涂料用粘度高（黏性大）的水玻璃时，易使涂料粘在搅拌机上，难以得到搅拌均匀的涂料，或需延长搅拌时间；若水玻璃黏性较差，则涂料黏性、塑性差，压涂焊条时易造成两端裸露的焊条。

有资料表明，用粘度为0.74～0.8Pa·s的液体水玻璃配制的焊条涂料压涂时，无论在焊条外观质量和生产效率方面都得到了良好效果。

水玻璃在空气中的二氧化碳作用下形成表面膜，影响焊条的风干和烘干效果。粘度越高的水玻璃形成表面膜的时间越短，而焊条药皮风干的速度随着水玻璃液体粘度的降低而增加。

6.成形剂

在焊条药粉中加入某些物质使药皮具有一定的塑性、弹性和流动性，以便于压制焊条时使焊条表面光滑而不开裂。常用的成形剂有白泥、云母、钛白粉、糊精等。