1.2　焊条电弧焊冶金过程

1-9　何谓焊接电弧的热效率？

在电弧焊时，电弧所产生的热能不能全部被利用，其中有一部分将不可避免地散失于周围介质中，另外由于飞溅等原因也损失一部分热量。真正用于焊接的有效功率P为

P=ηP0=ηUI　　（1-1）

式中，U为电弧电源，V；I为焊接电流，A；P0为电弧功率，即电弧在单位时间内放出的热；η为焊接电弧的热效率。

1-10　何谓焊接热输入？

焊接热输入是指在焊接时由焊接能源输入给单位长度焊缝上的热能，曾称焊接线能量。热输入等于焊接电流、电弧电压、热效率的乘积和焊接速度的比值。

q=ηIU/v　　（1-2）

式中，q为热输入，J·mm-1；η为热效率，与焊接方法等有关；I为焊接电流，A；U为电弧电压，V；v为焊接速度，mm·s-1。

1-11　熔焊时如何正确选择热输入？

生产中，根据不同的材料成分，在保证焊缝成形良好的前提下，适当调节焊接工艺参数，以合适的热输入进行焊接，可以保证焊接接头具有良好的性能。例如，焊件装配定位焊时，由于焊缝长度短，截面积小，冷却速度快，焊缝容易开裂，特别是对于一些淬硬倾向较大的钢种更是如此，此时应该选择较大的热输入进行焊接，以防焊缝开裂。但是对于强度等级较高的低合金钢、低温钢，热输入必须严格控制，因为热输入增大会导致焊接接头塑性和韧性的下降。特别是当焊接奥氏体不锈钢时，为了提高焊接接头的耐蚀性，一定要采用小电流、快速焊的工艺参数，使热输入保持在最低值。

1-12　焊接热输入对焊接接头的组织与性能有何影响？

焊接热输入综合了焊接方法和电弧焊三个对输入能量影响最大的工艺参数。热输入增大时焊接热影响区宽度增加，高温停留时间增长，冷却速度减缓，焊缝金属的晶粒度也会有所增大，这对焊缝的塑形和韧度有不利影响，但却不易产生脆硬组织，对改善焊缝抗冷裂纹敏感性有利。因此，焊接热输入的控制，应从母材、焊接方法、接头细节（接头形式、板厚、散热条件等）、生产率等因素综合考虑，并非一定越小越好。

1-13　何谓焊接材料的熔化系数、熔敷系数、熔敷效率及损失系数？

熔化系数常用αm表示，是指单位时间内，由单位电流所熔化的焊芯长度或质量。单位：g/（A·h）或cm/（A·h），αm=vm/I。

熔敷系数是指单位电流、单位时间内，焊芯熔敷在焊件上的质量，它标志着焊接过程生产率。单位：g/（A·h）。

熔敷效率是指熔敷金属与熔化的填充金属量的百分比。

损失系数是指焊芯在熔敷过程中的损失量与焊芯原有质量的百分比。

1-14　焊条电弧焊焊接区内气体的主要成分有哪些？其来源如何？

焊接过程中，焊接区内充满大量气体。用酸性焊条焊接时，主要气体成分是CO、H2、H2O；用碱性焊条焊接时，主要气体成分是CO、CO2。

焊接区内的气体主要来源于以下几方面：一是为了保护焊接区域不受空气的侵入，人为地在焊接区域添加一层保护气体，如药皮中的造气剂（淀粉、木粉、大理石等）受热分解产生的气体等；二是用潮湿的焊条焊接时，析出的气体、保护不严而侵入的空气、焊丝和母材表面上的杂质（油污、铁锈、油漆等）受热产生的气体，以及金属和熔渣高温蒸发所产生的气体等。

1-15　试述焊条电弧焊过程氧的主要来源及对焊缝金属的危害？如何防止？

焊条电弧焊过程中氧主要来源于空气、药皮中的氧化物、水分及焊件表面的氧化物。

其主要危害有：①引起力学性能显著下降，包括强度、塑形和韧性，尤其是低温冲击性能；②还能引起金属的热脆、冷脆和时效硬化；③是焊缝中形成气孔（CO气孔）的主要原因之一；④使有益合金元素烧损，恶化焊缝性能。

防止措施主要有：①限制氧的来源。清理坡口周边的油污、铁锈、水分以及氧化皮等，以防止这些物质在电弧高温下分解出氧；控制焊接材料的氧化性成分；妥善保护焊接区，防止空气侵入等。

②冶金脱氧。通过焊接材料加入的脱氧元素Si、Mn、Ti、Al等进行脱氧。

③在焊接工艺上采取减缓熔池冷却速度，操作上采取短弧焊等。

1-16　试述焊条电弧焊过程中氢的主要来源及对焊缝金属的危害？如何防止？

氢主要来源于焊条药皮的水分、有机物，焊件和焊丝表面上的污物（铁锈、油污）和空气中的水分等。

氢的主要危害有：①氢导致金属产生氢脆和白点；②氢导致产生冷裂纹，尤其是延迟裂纹的主要原因；③氢使焊缝产生氢气孔。

防止措施主要有：

①严格控制氢的来源。做好坡口及其周边的清理，严格烘干焊条。

②冶金脱氢。通过焊接材料中加入的CaF2、CaCO3等物质产生不溶于熔池的HF或碱基OH，可减少电弧空间的自由态氢，从而降低熔池中氢的含量。

③采用低氢或超低氢的焊条。

④工艺上可采用直流反接、预热及调整焊接工艺参数以延缓焊缝冷却速度，焊后立即进行消氢处理或后热处理等措施，均有利于减少焊缝的扩散氢含量。

1-17　试述焊条电弧焊过程中氮的主要来源及对焊缝金属的影响？如何防止？

氮主要来自焊接区域周围的空气。氮是提高焊缝金属强度、降低塑性和韧性的元素，也是焊缝中产生氮气孔的主要原因之一。

防止措施主要有：①加强保护以杜绝氮源；②采取短弧焊、直流反接，适当加大焊接电流等工艺措施，有助于减少焊缝含氮量；③冶金脱氮，焊条药皮中适当加入与氮具有较大亲和力的Ti、Al、Zr、Re等合金元素也有助于减少焊缝的含氮量。

1-18　硫对焊缝金属有哪些危害？如何防止？

硫是钢焊缝中最有害的杂质。硫在焊缝中以FeS形式存在，FeS在液态铁中能无限溶解，但在固态铁中的溶解度仅为0.015％～0.02％，故熔池凝固时FeS会大量析出，呈膜状分布于晶界，削弱了晶粒之间的联系，故低熔点FeS（熔点985℃）的存在是焊缝产生结晶裂纹（热裂纹的主要形式）的重要原因。一般把硫导致焊缝热裂的现象，称为“热脆”。

“热脆”现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钢中w（S）可高达0.1％～0.33％［如Y12钢中w（S）为0.10％～0.20％、Y15钢中w（S）为0.23％～0.33％、Y40Mo钢中w（S）为0.25％～0.30％］外，其余钢都控制w（S）≤0.07％，优质钢w（S）≤0.035％，高级优质钢w（S）≤0.030％，特级优质钢w（S）≤0.020％，焊丝和焊芯用钢的硫也均在优质钢范围以上。

②冶金脱硫。可在焊接材料中加入Mn或碱性氧化物MnO、CaO等来脱硫，前者生成不溶于铁的MnS，后者同样生成不溶于铁的MnS和CaS均进入熔渣。此外，Al、Si、Mg、Ti、CaF2也有一定的脱硫能力。尤其是CaF2，不仅能与硫结合形成挥发性化合物使之逸出外，还可与熔渣中的SiO2反应生成CaO，更有利于脱硫反应的进行。

熔渣碱度对脱硫效果影响很大。一般来讲，熔渣碱度愈大，则脱硫效果愈好。

1-19　磷对焊缝金属有哪些危害？如何防止？

磷也是焊缝中有害元素之一。磷会增加钢的冷脆性，大幅度地降低焊缝金属的冲击韧度，并使脆性转变温度升高。焊接奥氏体类钢或焊缝中含碳量较高时，磷也会促使焊缝金属产生热裂纹。

磷在液态金属中以Fe2P、Fe3P形式存在。脱磷反应可分为两步进行：第一步是将磷氧化成P2O5；第二步使之与渣中的碱性氧化物CaO生成稳定的复合物进入熔渣。其反应式为

由于碱性熔渣中含有较多的CaO，所以脱磷效果比酸性熔渣要好。但是实际上，不论是碱性熔渣还是酸性熔渣，其最终的脱磷效果仍不理想。这是因为脱磷过程首先是使磷氧化形成P2O5，再使P2O5与熔渣的碱性氧化物结合形成复合磷酸盐排入熔渣中。因此只有熔渣中同时存在较多FeO与CaO时才能有利于生成复合盐（CaO）4·P2O5的反应进行，但实际上酸性渣中CaO含量很少，而碱性渣中又不可能有大量FeO。所以目前控制焊缝中的硫、磷含量，只能采取限制原材料（母材、焊条、焊丝）中硫、磷含量的方法。

1-20　何谓焊接熔渣？其作用是什么？

所谓焊接熔渣是指在焊接过程中，焊条药皮熔化后经过一系列物理化学变化形成的覆盖于焊缝金属表面的非金属物质。

熔渣作用主要有：

①机械保护作用　熔渣的密度一般轻于液态金属，高温下浮在液态金属的表面，使之与空气隔离，可避免液态金属中合金元素氧化而烧损，防止气相中的氢、氮、氧、硫等直接溶入，并减少液态金属的热损失。熔渣凝固后形成的渣壳覆盖在焊缝上，可以继续保护处在高温下的焊缝金属免受空气的有害作用。

②冶金处理作用　熔渣与液态金属之间能够发生一系列物理化学反应，从而对金属与合金成分给予较大影响。适当的熔渣成分，可以去除金属中的有害杂质，如脱氧、脱硫、脱磷和去氢。熔渣还可以起到吸附或溶解液态金属中非金属夹杂物的作用。焊接过程中，可通过熔渣向焊缝中过渡合金。

③改善成形工艺性能作用　适当的熔渣，对于熔焊电弧的引燃、稳定燃烧、减少飞溅，改善脱渣性能及焊缝外观成形等焊接工艺性能的影响至关重要。

熔渣也有不利的作用，如强氧化性熔渣可以使液态金属增氧；密度或熔点与金属接近的熔渣易残留在金属中形成夹渣。

1-21　焊条电弧焊熔渣如何分类？

根据焊接熔渣的成分，可以把焊接熔渣分为以下三大类：

①盐型熔渣　主要由金属的氟盐、氯盐组成，如CaF2·NaF、CaF2·BaCl2·NaF等。这类熔渣的氧化性很小，主要用于焊接铝、钛和其他活性金属及合金。

②盐-氧化物型熔渣　主要由氟化物和强金属氧化物所组成，如CaF2·CaO-Al2O3、CaF2·CaO-Al2O3·SiO2等，这类熔渣的氧化性也不大，主要用于焊接高合金钢及合金。

③氧化物型熔渣　主要由各种金属氧化物所组成，如MnO-SiO2、FeO-MnO-SiO2、CaO-TiO2-SiO2等。这类熔渣的氧化性较强，主要用于焊接低碳钢和低合金结构钢。

1-22　何谓熔渣的碱度？如何判断焊条电弧焊熔渣的酸碱性？

熔渣的酸碱性通常用熔渣的碱度来判断。焊接熔渣中碱性氧化物质量分数的总和与酸性氧化物质量分数总和的比值，叫焊接熔渣的碱度，其表示式为：

碱度=Σ碱性氧化物质量分数（％）÷Σ酸性氧化物质量分数（％）

通常规定，碱度>1的熔渣叫碱性熔渣；碱度<1的熔渣叫酸性熔渣。碱度=1时为中性熔渣。实践上只有当碱度>1.3时才是名副其实的碱性渣。

1-23　焊条电弧焊接过程对熔渣熔点有何要求？

焊接熔渣的熔点应稍低于被焊金属的熔点。焊接钢时，熔渣的熔点为1100～1200℃较为适宜。此时，在焊条端部会形成一小段药皮套管，套管能起稳定电弧燃烧的作用，并可减少金属飞溅，有利于熔滴向熔池过渡。

焊接熔渣熔点不能太高，否则形成的套管太长，会拉断电弧，并且熔渣不易浮出熔池，引起焊缝夹渣；熔点太低则熔渣熔化过早，熔渣的流动性过大，以至流散到焊缝两侧，失去对于液态熔渣的保护作用。施焊过程中，如能保持焊条端部的套管深度为1～2mm，则使熔渣的熔点合适。

1-24　何谓熔渣的脱渣性？熔渣的脱渣性对焊接过程有何影响？

所谓脱渣性是指焊后覆盖在焊缝上的焊接熔渣从焊缝表面分离去除的难易程度。

脱渣困难使得清渣费时、费工，不仅严重降低生产率，一定程度上还污染作业区环境，影响焊工健康。尤其在厚板窄间隙、深坡口、多层焊时，清渣的难度更加突出，一旦清渣不干净，很有可能造成焊接夹渣缺陷，给接头性能带来不利影响。

1-25　何谓焊缝金属的合金化？其目的何在？

焊缝金属的合金化就是把所需的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属中去。

合金化的目的：①补偿焊接过程中由于氧化、蒸发等原因造成的合金元素的损失；②改善焊缝金属的组织和性能；③获得具有特殊性能的堆焊金属。

1-26　焊条电弧焊焊缝金属合金化的方式有哪些？

焊条电弧焊焊缝金属合金化的方式有两种：通过焊芯（利用合金钢作焊芯）过渡合金元素和通过焊条药皮（将合金元素加在药皮里）过渡合金元素，或者这两种方式同时兼有。

1-27　何谓合金元素的过渡系数？其意义是什么？

合金元素的过渡系数（η）是指焊接材料中的合金元素过渡到待焊金属中的数量与其原始含量的百分比。即

η=Cw/Ce×100％　　（1-3）

式中，Cw为不考虑残留和氧化等损失的情况下，对熔敷金属进行理论计算的某元素百分含量；Ce为熔敷金属中对某合金元素实际检测的百分含量。

合金过渡系数的大小，反映了焊缝金属合金化过程中某元素的利用率。合金元素在焊接过程中总有一部分因氧化、蒸发等原因损耗掉，不可能全部过渡到焊缝中去，因此，η肯定小于100％。焊条电弧焊时焊条中主要合金元素的过渡系数见表1-1。可见，碱性焊条的过渡远比酸性焊条高。

1-28　何谓熔合比？熔合比对焊接生产有何作用？

熔合比（θ）是指熔化焊时，被熔化的母材部分在焊道金属中所占的比例。

θ=SB/（SA+SB）　　（1-4）

式中，SA为焊道金属中焊材金属熔化的横截面积；SB为焊道金属中母材金属熔化的横截面积；SA+SB为整个焊道金属横截面积。

熔合比的大小会影响焊道金属的化学成分和力学性能。焊接接头开坡口与I形坡口相比较，会显著地降低熔合比，因此，生产中可以用开坡口和合理选择坡口形式来调节熔合比的大小。

1-29　何谓稀释和稀释率？影响稀释率的因素有哪些？

稀释是指异种金属熔化焊或堆焊时，由于母材或预先堆焊金属的熔入而引起熔敷金属有益成分相对减少。

稀释率是指异种金属熔化焊或堆焊时，熔敷金属被稀释的程度，用母材或预先堆焊层金属在焊道金属中所占的百分比（即熔合比）来表示。

影响稀释率的因素有：

①焊接参数的影响　焊接参数中特别是焊接电流和焊接速度的影响比较明显，焊接电流越大，稀释率越大；焊接速度越小，稀释率越大。

②预热的影响　预热能提高母材焊接时的起始温度，这时母材易熔且熔深增加，则稀释率增大。

③焊接方法的影响　各种焊接方法的稀释率差别很大，如埋弧焊的稀释率较大，而焊条电弧焊的稀释率比埋弧焊小。

④焊接接头形式的影响　在对接焊缝中，随着坡口角度的增大，稀释率则减小。窄坡口的对接焊缝中，稀释率的变化更小，甚至上面几层焊缝，其成分与下面熔敷金属的成分没有明显的区别。

1-30　何谓焊接性？如何分类？

焊接性是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。即材料对焊接加工的适应性及焊接接头的使用可靠性。焊接性受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响。

通常将焊接性分为工艺焊接性和使用焊接性两类。

①工艺焊接性是指在一定焊接工艺条件下，材料能否获得优质、无缺陷焊接接头的能力。就熔化焊而言，工艺焊接性又分为热焊接性和冶金焊接性。

所谓热焊接性是指焊接热过程对热影响区组织性能及产生缺陷的影响程度，用以评定材料对焊接热过程的敏感性，即晶粒长大倾向和组织性能变化。热焊接性与材料性质及焊接工艺条件有关。

冶金焊接性是指冶金反应对焊缝性能和产生缺陷的影响程度，包括合金元素的氧化、还原、蒸发，焊接区气体的溶解与析出，以及对气孔、夹杂、裂纹等缺陷的敏感性。冶金焊接性直接影响焊缝的化学成分和组织。

②使用焊接性是指焊接接头或焊接结构满足其使用要求的程度，包括力学性能，低温和高温性能，耐磨、耐蚀、导电、导热性能等，由于使用要求不同，应按具体情况确定。

1-31　什么是碳当量？如何计算？

碳当量反映了钢中化学成分对热影响区硬化程度的影响，它是将钢铁中各种合金元素（包括碳）的含量，按其作用折合成碳的相当含量，作为粗略地评价钢材焊接性的一种参考指标。

常用的碳当量公式如下

　　

（1-5） 　　

公式主要适用于中等强度的非调质低合金钢（σb=400～700MPa）。其中，w为各元素在钢铁中的质量百分数，单位为％。

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％。计算时，各元素的含量取其最大值，则碳当量为

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

根据经验：

Ceq<0.4％时，钢材的脆硬倾向较小，焊接性较好，焊接时一般不需要预热，特殊情况可采用较低的预热温度。

Ceq=0.4％～0.6％，钢材的脆硬倾向逐渐增大，需要适当预热。

Ceq>0.6％，钢材的脆硬倾向大，较难焊接，需要采取较高的预热温度和严格控制焊接工艺。

由此可知，12CrMoV的碳当量超过0.6％，其焊接难度大，应严格控制焊接工艺和采取较高的预热温度。

1-32　利用碳当量值评价钢材焊接性有何局限性？

碳当量值只能在一定范围内，对钢材概括地、相对地评价其焊接性，这是因为：

①如果两种钢材的碳当量值相等，但是含碳量不等，含碳量较高的钢材在施焊过程中容易产生淬硬组织，其裂纹倾向显然比含碳量较低的钢材来得大，焊接性较差。因此，当钢材的碳当量值相等时，不能看成焊接性就完全相同。

②碳当量计算值只表达了化学成分对焊接性的影响，没有考虑到冷却速度的影响。冷却速度不同，可以得到不同的组织，冷却速度快时，容易产生淬硬组织，焊接性就会变差。

③影响焊缝金属组织从而影响焊接性的因素，除了化学成分和冷却速度外，还有焊接循环中的最高加热温度和在高温停留时间等参数，在碳当量值计算公式中均没有表示出来。

因此，碳当量值的计算公式只能在一定的钢种范围内，概括地、相对地评价钢材的焊接性，不能作为准确的评定指标。

1-33　何谓拘束度？拘束度的影响因素有哪些？

拘束度是用来衡量焊接接头刚性大小的一个定量指标。拘束度有拉伸和弯曲两类：拉伸拘束度是焊接接头根部间隙产生单位长度弹性位移时，焊缝在每单位长度上受力的大小，弯曲拘束度是焊接接头产生单位弹性弯曲角变形时，焊缝每单位长度上所受弯矩的大小。常用单位是N/mm2。

拘束度一般和焊接母材的化学成分、厚度、焊接类型、接头的构造有关。