1.2　焊條電弧焊冶金過程

1-9　何謂焊接電弧的熱效率？

在電弧焊時，電弧所產生的熱能不能全部被利用，其中有一部分將不可避免地散失于周圍介質中，另外由于飛濺等原因也損失一部分熱量。真正用于焊接的有效功率P為

P=ηP0=ηUI　　（1-1）

式中，U為電弧電源，V；I為焊接電流，A；P0為電弧功率，即電弧在單位時間內放出的熱；η為焊接電弧的熱效率。

1-10　何謂焊接熱輸入？

焊接熱輸入是指在焊接時由焊接能源輸入給單位長度焊縫上的熱能，曾稱焊接線能量。熱輸入等于焊接電流、電弧電壓、熱效率的乘積和焊接速度的比值。

q=ηIU/v　　（1-2）

式中，q為熱輸入，J·mm-1；η為熱效率，與焊接方法等有關；I為焊接電流，A；U為電弧電壓，V；v為焊接速度，mm·s-1。

1-11　熔焊時如何正確選擇熱輸入？

生產中，根據不同的材料成分，在保證焊縫成形良好的前提下，適當調節焊接工藝參數，以合適的熱輸入進行焊接，可以保證焊接接頭具有良好的性能。例如，焊件裝配定位焊時，由于焊縫長度短，截面積小，冷卻速度快，焊縫容易開裂，特別是對于一些淬硬傾向較大的鋼種更是如此，此時應該選擇較大的熱輸入進行焊接，以防焊縫開裂。但是對于強度等級較高的低合金鋼、低溫鋼，熱輸入必須嚴格控制，因為熱輸入增大會導致焊接接頭塑性和韌性的下降。特別是當焊接奧氏體不銹鋼時，為了提高焊接接頭的耐蝕性，一定要采用小電流、快速焊的工藝參數，使熱輸入保持在最低值。

1-12　焊接熱輸入對焊接接頭的組織與性能有何影響？

焊接熱輸入綜合了焊接方法和電弧焊三個對輸入能量影響最大的工藝參數。熱輸入增大時焊接熱影響區寬度增加，高溫停留時間增長，冷卻速度減緩，焊縫金屬的晶粒度也會有所增大，這對焊縫的塑形和韌度有不利影響，但卻不易產生脆硬組織，對改善焊縫抗冷裂紋敏感性有利。因此，焊接熱輸入的控制，應從母材、焊接方法、接頭細節（接頭形式、板厚、散熱條件等）、生產率等因素綜合考慮，并非一定越小越好。

1-13　何謂焊接材料的熔化系數、熔敷系數、熔敷效率及損失系數？

熔化系數常用αm表示，是指單位時間內，由單位電流所熔化的焊芯長度或質量。單位：g/（A·h）或cm/（A·h），αm=vm/I。

熔敷系數是指單位電流、單位時間內，焊芯熔敷在焊件上的質量，它標志著焊接過程生產率。單位：g/（A·h）。

熔敷效率是指熔敷金屬與熔化的填充金屬量的百分比。

損失系數是指焊芯在熔敷過程中的損失量與焊芯原有質量的百分比。

1-14　焊條電弧焊焊接區內氣體的主要成分有哪些？其來源如何？

焊接過程中，焊接區內充滿大量氣體。用酸性焊條焊接時，主要氣體成分是CO、H2、H2O；用堿性焊條焊接時，主要氣體成分是CO、CO2。

焊接區內的氣體主要來源于以下幾方面：一是為了保護焊接區域不受空氣的侵入，人為地在焊接區域添加一層保護氣體，如藥皮中的造氣劑（淀粉、木粉、大理石等）受熱分解產生的氣體等；二是用潮濕的焊條焊接時，析出的氣體、保護不嚴而侵入的空氣、焊絲和母材表面上的雜質（油污、鐵銹、油漆等）受熱產生的氣體，以及金屬和熔渣高溫蒸發所產生的氣體等。

1-15　試述焊條電弧焊過程氧的主要來源及對焊縫金屬的危害？如何防止？

焊條電弧焊過程中氧主要來源于空氣、藥皮中的氧化物、水分及焊件表面的氧化物。

其主要危害有：①引起力學性能顯著下降，包括強度、塑形和韌性，尤其是低溫沖擊性能；②還能引起金屬的熱脆、冷脆和時效硬化；③是焊縫中形成氣孔（CO氣孔）的主要原因之一；④使有益合金元素燒損，惡化焊縫性能。

防止措施主要有：①限制氧的來源。清理坡口周邊的油污、鐵銹、水分以及氧化皮等，以防止這些物質在電弧高溫下分解出氧；控制焊接材料的氧化性成分；妥善保護焊接區，防止空氣侵入等。

②冶金脫氧。通過焊接材料加入的脫氧元素Si、Mn、Ti、Al等進行脫氧。

③在焊接工藝上采取減緩熔池冷卻速度，操作上采取短弧焊等。

1-16　試述焊條電弧焊過程中氫的主要來源及對焊縫金屬的危害？如何防止？

氫主要來源于焊條藥皮的水分、有機物，焊件和焊絲表面上的污物（鐵銹、油污）和空氣中的水分等。

氫的主要危害有：①氫導致金屬產生氫脆和白點；②氫導致產生冷裂紋，尤其是延遲裂紋的主要原因；③氫使焊縫產生氫氣孔。

防止措施主要有：

①嚴格控制氫的來源。做好坡口及其周邊的清理，嚴格烘干焊條。

②冶金脫氫。通過焊接材料中加入的CaF2、CaCO3等物質產生不溶于熔池的HF或堿基OH，可減少電弧空間的自由態氫，從而降低熔池中氫的含量。

③采用低氫或超低氫的焊條。

④工藝上可采用直流反接、預熱及調整焊接工藝參數以延緩焊縫冷卻速度，焊后立即進行消氫處理或后熱處理等措施，均有利于減少焊縫的擴散氫含量。

1-17　試述焊條電弧焊過程中氮的主要來源及對焊縫金屬的影響？如何防止？

氮主要來自焊接區域周圍的空氣。氮是提高焊縫金屬強度、降低塑性和韌性的元素，也是焊縫中產生氮氣孔的主要原因之一。

防止措施主要有：①加強保護以杜絕氮源；②采取短弧焊、直流反接，適當加大焊接電流等工藝措施，有助于減少焊縫含氮量；③冶金脫氮，焊條藥皮中適當加入與氮具有較大親和力的Ti、Al、Zr、Re等合金元素也有助于減少焊縫的含氮量。

1-18　硫對焊縫金屬有哪些危害？如何防止？

硫是鋼焊縫中最有害的雜質。硫在焊縫中以FeS形式存在，FeS在液態鐵中能無限溶解，但在固態鐵中的溶解度僅為0.015％～0.02％，故熔池凝固時FeS會大量析出，呈膜狀分布于晶界，削弱了晶粒之間的聯系，故低熔點FeS（熔點985℃）的存在是焊縫產生結晶裂紋（熱裂紋的主要形式）的重要原因。一般把硫導致焊縫熱裂的現象，稱為“熱脆”。

“熱脆”現象可用以下手段予以防止：

①限制母材及焊接材料中的硫含量。除了一般不用于焊接的易切削鋼中w（S）可高達0.1％～0.33％［如Y12鋼中w（S）為0.10％～0.20％、Y15鋼中w（S）為0.23％～0.33％、Y40Mo鋼中w（S）為0.25％～0.30％］外，其余鋼都控制w（S）≤0.07％，優質鋼w（S）≤0.035％，高級優質鋼w（S）≤0.030％，特級優質鋼w（S）≤0.020％，焊絲和焊芯用鋼的硫也均在優質鋼范圍以上。

②冶金脫硫。可在焊接材料中加入Mn或堿性氧化物MnO、CaO等來脫硫，前者生成不溶于鐵的MnS，后者同樣生成不溶于鐵的MnS和CaS均進入熔渣。此外，Al、Si、Mg、Ti、CaF2也有一定的脫硫能力。尤其是CaF2，不僅能與硫結合形成揮發性化合物使之逸出外，還可與熔渣中的SiO2反應生成CaO，更有利于脫硫反應的進行。

熔渣堿度對脫硫效果影響很大。一般來講，熔渣堿度愈大，則脫硫效果愈好。

1-19　磷對焊縫金屬有哪些危害？如何防止？

磷也是焊縫中有害元素之一。磷會增加鋼的冷脆性，大幅度地降低焊縫金屬的沖擊韌度，并使脆性轉變溫度升高。焊接奧氏體類鋼或焊縫中含碳量較高時，磷也會促使焊縫金屬產生熱裂紋。

磷在液態金屬中以Fe2P、Fe3P形式存在。脫磷反應可分為兩步進行：第一步是將磷氧化成P2O5；第二步使之與渣中的堿性氧化物CaO生成穩定的復合物進入熔渣。其反應式為

由于堿性熔渣中含有較多的CaO，所以脫磷效果比酸性熔渣要好。但是實際上，不論是堿性熔渣還是酸性熔渣，其最終的脫磷效果仍不理想。這是因為脫磷過程首先是使磷氧化形成P2O5，再使P2O5與熔渣的堿性氧化物結合形成復合磷酸鹽排入熔渣中。因此只有熔渣中同時存在較多FeO與CaO時才能有利于生成復合鹽（CaO）4·P2O5的反應進行，但實際上酸性渣中CaO含量很少，而堿性渣中又不可能有大量FeO。所以目前控制焊縫中的硫、磷含量，只能采取限制原材料（母材、焊條、焊絲）中硫、磷含量的方法。

1-20　何謂焊接熔渣？其作用是什么？

所謂焊接熔渣是指在焊接過程中，焊條藥皮熔化后經過一系列物理化學變化形成的覆蓋于焊縫金屬表面的非金屬物質。

熔渣作用主要有：

①機械保護作用　熔渣的密度一般輕于液態金屬，高溫下浮在液態金屬的表面，使之與空氣隔離，可避免液態金屬中合金元素氧化而燒損，防止氣相中的氫、氮、氧、硫等直接溶入，并減少液態金屬的熱損失。熔渣凝固后形成的渣殼覆蓋在焊縫上，可以繼續保護處在高溫下的焊縫金屬免受空氣的有害作用。

②冶金處理作用　熔渣與液態金屬之間能夠發生一系列物理化學反應，從而對金屬與合金成分給予較大影響。適當的熔渣成分，可以去除金屬中的有害雜質，如脫氧、脫硫、脫磷和去氫。熔渣還可以起到吸附或溶解液態金屬中非金屬夾雜物的作用。焊接過程中，可通過熔渣向焊縫中過渡合金。

③改善成形工藝性能作用　適當的熔渣，對于熔焊電弧的引燃、穩定燃燒、減少飛濺，改善脫渣性能及焊縫外觀成形等焊接工藝性能的影響至關重要。

熔渣也有不利的作用，如強氧化性熔渣可以使液態金屬增氧；密度或熔點與金屬接近的熔渣易殘留在金屬中形成夾渣。

1-21　焊條電弧焊熔渣如何分類？

根據焊接熔渣的成分，可以把焊接熔渣分為以下三大類：

①鹽型熔渣　主要由金屬的氟鹽、氯鹽組成，如CaF2·NaF、CaF2·BaCl2·NaF等。這類熔渣的氧化性很小，主要用于焊接鋁、鈦和其他活性金屬及合金。

②鹽-氧化物型熔渣　主要由氟化物和強金屬氧化物所組成，如CaF2·CaO-Al2O3、CaF2·CaO-Al2O3·SiO2等，這類熔渣的氧化性也不大，主要用于焊接高合金鋼及合金。

③氧化物型熔渣　主要由各種金屬氧化物所組成，如MnO-SiO2、FeO-MnO-SiO2、CaO-TiO2-SiO2等。這類熔渣的氧化性較強，主要用于焊接低碳鋼和低合金結構鋼。

1-22　何謂熔渣的堿度？如何判斷焊條電弧焊熔渣的酸堿性？

熔渣的酸堿性通常用熔渣的堿度來判斷。焊接熔渣中堿性氧化物質量分數的總和與酸性氧化物質量分數總和的比值，叫焊接熔渣的堿度，其表示式為：

堿度=Σ堿性氧化物質量分數（％）÷Σ酸性氧化物質量分數（％）

通常規定，堿度>1的熔渣叫堿性熔渣；堿度<1的熔渣叫酸性熔渣。堿度=1時為中性熔渣。實踐上只有當堿度>1.3時才是名副其實的堿性渣。

1-23　焊條電弧焊接過程對熔渣熔點有何要求？

焊接熔渣的熔點應稍低于被焊金屬的熔點。焊接鋼時，熔渣的熔點為1100～1200℃較為適宜。此時，在焊條端部會形成一小段藥皮套管，套管能起穩定電弧燃燒的作用，并可減少金屬飛濺，有利于熔滴向熔池過渡。

焊接熔渣熔點不能太高，否則形成的套管太長，會拉斷電弧，并且熔渣不易浮出熔池，引起焊縫夾渣；熔點太低則熔渣熔化過早，熔渣的流動性過大，以至流散到焊縫兩側，失去對于液態熔渣的保護作用。施焊過程中，如能保持焊條端部的套管深度為1～2mm，則使熔渣的熔點合適。

1-24　何謂熔渣的脫渣性？熔渣的脫渣性對焊接過程有何影響？

所謂脫渣性是指焊后覆蓋在焊縫上的焊接熔渣從焊縫表面分離去除的難易程度。

脫渣困難使得清渣費時、費工，不僅嚴重降低生產率，一定程度上還污染作業區環境，影響焊工健康。尤其在厚板窄間隙、深坡口、多層焊時，清渣的難度更加突出，一旦清渣不干凈，很有可能造成焊接夾渣缺陷，給接頭性能帶來不利影響。

1-25　何謂焊縫金屬的合金化？其目的何在？

焊縫金屬的合金化就是把所需的合金元素通過焊接材料過渡到焊縫金屬中去。

合金化的目的：①補償焊接過程中由于氧化、蒸發等原因造成的合金元素的損失；②改善焊縫金屬的組織和性能；③獲得具有特殊性能的堆焊金屬。

1-26　焊條電弧焊焊縫金屬合金化的方式有哪些？

焊條電弧焊焊縫金屬合金化的方式有兩種：通過焊芯（利用合金鋼作焊芯）過渡合金元素和通過焊條藥皮（將合金元素加在藥皮里）過渡合金元素，或者這兩種方式同時兼有。

1-27　何謂合金元素的過渡系數？其意義是什么？

合金元素的過渡系數（η）是指焊接材料中的合金元素過渡到待焊金屬中的數量與其原始含量的百分比。即

η=Cw/Ce×100％　　（1-3）

式中，Cw為不考慮殘留和氧化等損失的情況下，對熔敷金屬進行理論計算的某元素百分含量；Ce為熔敷金屬中對某合金元素實際檢測的百分含量。

合金過渡系數的大小，反映了焊縫金屬合金化過程中某元素的利用率。合金元素在焊接過程中總有一部分因氧化、蒸發等原因損耗掉，不可能全部過渡到焊縫中去，因此，η肯定小于100％。焊條電弧焊時焊條中主要合金元素的過渡系數見表1-1。可見，堿性焊條的過渡遠比酸性焊條高。

1-28　何謂熔合比？熔合比對焊接生產有何作用？

熔合比（θ）是指熔化焊時，被熔化的母材部分在焊道金屬中所占的比例。

θ=SB/（SA+SB）　　（1-4）

式中，SA為焊道金屬中焊材金屬熔化的橫截面積；SB為焊道金屬中母材金屬熔化的橫截面積；SA+SB為整個焊道金屬橫截面積。

熔合比的大小會影響焊道金屬的化學成分和力學性能。焊接接頭開坡口與I形坡口相比較，會顯著地降低熔合比，因此，生產中可以用開坡口和合理選擇坡口形式來調節熔合比的大小。

1-29　何謂稀釋和稀釋率？影響稀釋率的因素有哪些？

稀釋是指異種金屬熔化焊或堆焊時，由于母材或預先堆焊金屬的熔入而引起熔敷金屬有益成分相對減少。

稀釋率是指異種金屬熔化焊或堆焊時，熔敷金屬被稀釋的程度，用母材或預先堆焊層金屬在焊道金屬中所占的百分比（即熔合比）來表示。

影響稀釋率的因素有：

①焊接參數的影響　焊接參數中特別是焊接電流和焊接速度的影響比較明顯，焊接電流越大，稀釋率越大；焊接速度越小，稀釋率越大。

②預熱的影響　預熱能提高母材焊接時的起始溫度，這時母材易熔且熔深增加，則稀釋率增大。

③焊接方法的影響　各種焊接方法的稀釋率差別很大，如埋弧焊的稀釋率較大，而焊條電弧焊的稀釋率比埋弧焊小。

④焊接接頭形式的影響　在對接焊縫中，隨著坡口角度的增大，稀釋率則減小。窄坡口的對接焊縫中，稀釋率的變化更小，甚至上面幾層焊縫，其成分與下面熔敷金屬的成分沒有明顯的區別。

1-30　何謂焊接性？如何分類？

焊接性是指材料在限定的施工條件下焊接成按規定設計要求的構件，并滿足預定服役要求的能力。即材料對焊接加工的適應性及焊接接頭的使用可靠性。焊接性受材料、焊接方法、構件類型及使用要求四個因素的影響。

通常將焊接性分為工藝焊接性和使用焊接性兩類。

①工藝焊接性是指在一定焊接工藝條件下，材料能否獲得優質、無缺陷焊接接頭的能力。就熔化焊而言，工藝焊接性又分為熱焊接性和冶金焊接性。

所謂熱焊接性是指焊接熱過程對熱影響區組織性能及產生缺陷的影響程度，用以評定材料對焊接熱過程的敏感性，即晶粒長大傾向和組織性能變化。熱焊接性與材料性質及焊接工藝條件有關。

冶金焊接性是指冶金反應對焊縫性能和產生缺陷的影響程度，包括合金元素的氧化、還原、蒸發，焊接區氣體的溶解與析出，以及對氣孔、夾雜、裂紋等缺陷的敏感性。冶金焊接性直接影響焊縫的化學成分和組織。

②使用焊接性是指焊接接頭或焊接結構滿足其使用要求的程度，包括力學性能，低溫和高溫性能，耐磨、耐蝕、導電、導熱性能等，由于使用要求不同，應按具體情況確定。

1-31　什么是碳當量？如何計算？

碳當量反映了鋼中化學成分對熱影響區硬化程度的影響，它是將鋼鐵中各種合金元素（包括碳）的含量，按其作用折合成碳的相當含量，作為粗略地評價鋼材焊接性的一種參考指標。

常用的碳當量公式如下

　　

（1-5） 　　

公式主要適用于中等強度的非調質低合金鋼（σb=400～700MPa）。其中，w為各元素在鋼鐵中的質量百分數，單位為％。

例如：12CrMoV中C：0.08％～0.15％，Mn：0.40％～0.70％，Cr：0.9％～1.2％，Mo：0.25％～0.35％，V：0.15％～0.30％。計算時，各元素的含量取其最大值，則碳當量為

Ceq=0.15％+0.7％/6+（1.2％+0.35％+0.3％）/5≈0.64％

根據經驗：

Ceq<0.4％時，鋼材的脆硬傾向較小，焊接性較好，焊接時一般不需要預熱，特殊情況可采用較低的預熱溫度。

Ceq=0.4％～0.6％，鋼材的脆硬傾向逐漸增大，需要適當預熱。

Ceq>0.6％，鋼材的脆硬傾向大，較難焊接，需要采取較高的預熱溫度和嚴格控制焊接工藝。

由此可知，12CrMoV的碳當量超過0.6％，其焊接難度大，應嚴格控制焊接工藝和采取較高的預熱溫度。

1-32　利用碳當量值評價鋼材焊接性有何局限性？

碳當量值只能在一定范圍內，對鋼材概括地、相對地評價其焊接性，這是因為：

①如果兩種鋼材的碳當量值相等，但是含碳量不等，含碳量較高的鋼材在施焊過程中容易產生淬硬組織，其裂紋傾向顯然比含碳量較低的鋼材來得大，焊接性較差。因此，當鋼材的碳當量值相等時，不能看成焊接性就完全相同。

②碳當量計算值只表達了化學成分對焊接性的影響，沒有考慮到冷卻速度的影響。冷卻速度不同，可以得到不同的組織，冷卻速度快時，容易產生淬硬組織，焊接性就會變差。

③影響焊縫金屬組織從而影響焊接性的因素，除了化學成分和冷卻速度外，還有焊接循環中的最高加熱溫度和在高溫停留時間等參數，在碳當量值計算公式中均沒有表示出來。

因此，碳當量值的計算公式只能在一定的鋼種范圍內，概括地、相對地評價鋼材的焊接性，不能作為準確的評定指標。

1-33　何謂拘束度？拘束度的影響因素有哪些？

拘束度是用來衡量焊接接頭剛性大小的一個定量指標。拘束度有拉伸和彎曲兩類：拉伸拘束度是焊接接頭根部間隙產生單位長度彈性位移時，焊縫在每單位長度上受力的大小，彎曲拘束度是焊接接頭產生單位彈性彎曲角變形時，焊縫每單位長度上所受彎矩的大小。常用單位是N/mm2。

拘束度一般和焊接母材的化學成分、厚度、焊接類型、接頭的構造有關。