焊条

焊条（CoveredElectrode）是一种焊接材料^[4]，供手工电弧焊用的熔化电极，由药皮和焊芯两部分组成^[1]。焊条是焊接回路中的一个组成部分，在焊接过程中不仅传导电流，而且作为与焊件产生电弧的一个电极，同时还起着填充金属的作用^[4]。焊条的直径和长度是指焊芯的直径和长度，常用的直径φ有1.6、2.0、2.5、3.2、4.0、5.0、8.0mm等几种，长度范围L为200～550mm^[5]。

在焊接热源作用下，焊条受热熔化，以熔滴的形式进入熔池，并与熔化了的母材共同组成焊缝，焊条药皮是进行必要的冶金反应和保证焊接质量所必需的重要材料^[4]。

焊条电弧焊俗称手工电弧焊（ShieldedMetalArcWelding，SMAW），简称手弧焊^[6]。焊条电弧焊发展于19世纪初叶，1881年的巴黎首届世界电工展览会上俄国人NikolaiBenardos展示了一种碳弧焊接方法，并可向电弧或熔池添加填充金属棒或金属丝；1890年另一位俄国人NicolaiSlavianoff进一步发展了弧焊方法，使用金属棒作为电极代替碳棒。这样电极既是热源，又作为填充金属；1907年，瑞典人OscarKjellberg发明了药皮焊条，使焊条电弧焊在工业生产中得到实际的应用，开创了焊条电弧焊发展的新纪元；1930～1980年漫长的工业发展时期，焊条电弧焊始终是应用最广的焊接方法；从20世纪80年代开始，各种高效的焊接方法相继进入实用阶段，焊条电弧焊应用比率有所下降^[3]。

焊条是涂有药皮供手工电弧焊用的熔化电极，由药皮和焊芯两部分组成。焊条药皮是压涂在焊芯表面上的涂料层，焊芯是焊条中被药皮包覆的金属芯^[4]。根据药皮与焊芯的质量比可分为厚皮焊条和薄皮焊条两大类，目前工业生产中广泛使用的是厚皮焊条^[4]。

焊条药皮是矿石粉末、铁合金粉、有机物和化工制品等原料按一定比例配制后压涂在焊芯表面上的一层涂料。药皮具有良好的保护性和稳弧性，以使焊缝具有良好的工艺性能并使焊缝金属脱氧形成过渡合金元素^[5]。焊接过程中药皮在电弧热作用下熔化形成熔渣，产生气体，熔渣和气体起着保护熔滴、熔池和焊接区、隔离空气的作用，防止氮气等有害气体侵入焊缝。药皮的组成物质也会参与冶金反应，其作用是消除有害杂质（如O、H、N、S、P等），并保护或添加有益元素。此外药皮可以使电弧容易引燃，并能稳定地连续燃烧，易于脱渣，使焊缝金属满足性能要求^[4]。

焊条药皮根据组成成分可以分八种类型，即氧化钛型、氧化钛钙型、钛铁矿型、氧化铁型、纤维素型、低氢型、石墨型、盐基型^[7]。

氧化钛型（简称钛型），药皮中加入35%以上的二氧化钛和相当数量的硅酸盐、锰铁及少量有机物^[8]。

氧化钛钙型（简称钛钙型），药皮中加入30%以上二氧化钛和20%以下碳酸盐，以及硅酸盐和锰铁，一般不加或少加有机物^[9]。

钛铁矿型，药皮中加入30%以上的钛铁矿和一定数量的硅酸盐、锰铁以及少量有机物，不加或少加碳酸盐^[7]。

氧化铁型，药皮中加入大量铁矿石和一定数量的硅酸盐、锰铁及少量有机物^[10]。

纤维素型，药皮中加入15%以上的有机物、一定数量的造渣物质及锰铁等^[11]。

低氢型，药皮中加入大量碳酸盐、萤石、铁合金以及二氧化钛等^[12]。

石墨型，药皮中加入多量石墨，以保证焊缝金属的石墨化作用^[13]。

盐基型，药皮由氟盐、和氯盐组成，如氟化钠、氟化钾、氯化钠、氯化锂、冰晶石等，主要用于铝及铝合金焊条^[14]。

焊芯在焊接回路中起着导电作用，在焊条端部与焊件之间形成电弧；当焊芯受焊接热作用熔化形成熔滴进入熔池，作为填充金属与熔化了的母材液体金属共同组成焊缝^[9]。焊芯的化学成分和性能对焊缝金属的质量有直接影响^[4]。根据被焊材料，按照国家相应标准选择相应牌号的焊丝作为焊芯。如焊接碳钢和低合金钢时，通常选用低碳钢焊丝作为焊芯。焊芯的电阻率和夹杂物（如SiO2、Al2O3等）对焊条性能都有一定的影响，电阻率大的焊芯在焊接时因电阻过大易使焊条药皮发红，失去冶金及保护作用，且易产生气孔缺陷。当焊芯中含有较多夹杂物时能引起飞溅并影响焊接电弧稳定性^[9]。

按焊接熔渣碱度可以分为酸性焊条和碱性焊条^[2]。

酸性焊条是药皮中含有多量酸性氧化物的焊条^[2]，这类焊条工艺性能好，焊缝外观成形美观、波纹细密。由于药皮中含有较多FeO、TiO2、SiO2等成分所以熔渣氧化性强。酸性焊条一般可采用交、直流电源施焊。典型酸性焊条为E4303（J422）^[4]。

碱性焊条是药皮中含有多量碱性氧化物的焊条^[2]，由于焊条药皮中含有较多的大理石、萤石等成分，在焊接冶金反应中生成CO2和HF，降低了焊缝中的含氢量，碱性焊条又称低氢焊条。碱性焊条焊缝具有较高的塑性和冲击韧性，一般承受动载的焊件或刚性较大的重要接头均采用碱性焊条。典型的碱性焊条为E5015（J507）^[4]。

按焊条药皮类型可分为氧化钛型焊条、钛钙型焊条、钛铁矿型焊条、氧化铁型焊条、纤维素型焊条和低氢型焊条等^[4]。

根据焊接不同材料的用途，焊条分类见表1。

焊条型号是国家标准或国际组织（如ISO）的有关法规根据焊条特性指标明确划分规定的^[4]。中国现行有关焊条的主要标准已在表1中列出。在中国国家标准中规定了各类型焊条型号分类、技术要求、试验方法及检验规则等内容^[2]。以国际型号E4303说明焊条型号编制方法，字母“E”表示焊条；第一、二位数字表示熔敷金属抗拉强度最小值；第三位数字表示焊条的焊接位置，“0”或“1”表示焊条适用于全位置焊接（平、立、仰、横），“2”表示焊条适用于平焊或横角焊，“4”表示焊条适用于向下立焊；第四位数字表示焊接电流种类及药皮类型。以酸性焊条E4303（J422）举例说明见右图1^[2]。

焊条牌号是对焊条产品的具体命名，由焊条生产厂家制定，为便于选用不同厂家焊条，中国在1968年起开始采用统一牌号，属于同一类型，符合相同焊条牌号、性能的产品统一命名。其方法是：牌号最前面的字母表示焊条大类；第一、二位数字表示各大类焊条的若干小类，如对于结构钢焊条则表示焊缝金属的不同强度等级；第三位数字表示焊条药皮类型和焊接电源种类。以酸性焊条E4303（J422）举例说明见右图2^[2]。

焊条的工艺性能是指焊条在焊接操作中的性能，是衡量焊条质量的重要指标之一^[14]。焊条工艺性能包括：焊接电弧的稳定性、焊缝成形、在各种位置焊接的适应性、飞溅、脱渣性、焊条的熔化速度、药皮发红的程度及焊条发尘量等^[4]。

电弧稳定性指电弧保持稳定燃烧的程度，电弧稳定性直接影响焊接过程的连续性及焊接质量。除焊接电源特性、工艺参数影响外，焊条药皮类型及组成物等都会影响电弧的稳定性。焊条药皮中加入电离电位低的物质可以降低电弧气氛的电力电位，因此可以提高电弧稳定性。一般在焊条药皮中加入云母、长石、钛白粉或金红石等成分，电弧稳定性都比较好^[14]。

焊缝表面光滑、波纹细密美观是良好的焊缝成形。影响焊缝成形的因素除操作外，主要是熔渣凝固温度、高温熔渣黏度、表面张力及密度等^[26]。熔渣凝固温度由焊条药皮熔化所形成的液态熔渣转变为固态时的温度，熔渣凝固温度过高会影响焊缝成形、产生气孔等；凝固温度过低会使熔渣不能覆盖在焊缝表面、造成表面成形质量差^[14]。

工艺性能良好的焊条能适应空间全位置焊接，几乎所有的焊条都能进行平焊，但横焊、立焊、仰焊就不是所有焊条都能适应的^[4]。其难点在于重力作用下熔滴不易向熔池过渡，熔池金属和熔渣向下流，以致不能形成正常焊缝^[14]。

焊接过程中从熔滴或熔池中飞出的金属颗粒称为飞溅。飞溅不仅弄脏焊缝及附近部位，而且会破坏正常的焊接过程，降低焊条的熔敷效率^[14]。

脱渣性指焊后从焊缝表面清除渣壳的难易程度，脱渣性差的焊条不仅造成清渣困难，降低焊接效率，而且在多层焊时往往产生夹渣缺陷。影响脱渣性的因素有焊条熔渣与焊缝金属的膨胀系数、熔渣的氧化性、熔渣的松脆性等^[14]。

焊条的选用须在确保焊接结构安全的前提下，根据被焊材料的化学成分、力学性能、板厚及接头形式、焊接结构特点、受力状态、结构使用条件对焊缝性能的要求、焊接施工条件和技术经济效益等综合因素，针对性地选用焊条^[27]。

1.按母材的力学性能和化学成分，选用相应的焊条。对结构钢（如低碳钢、中碳钢、普低钢）的焊接，应选用强度等级和母材相同或稍高的焊条，但不能选用强度过高的焊条。对特种钢，如耐热钢、耐腐蚀钢等，为了保证焊缝接头的特殊性能，要求选用主要合金元素相同或相近的焊条。如果母材含碳量较高（如中碳钢）或含硫、含磷较高造成产生焊接裂纹的倾向大，则应选用抗裂性较好的焊条，如碱性低氢型焊条^[28]。

2.考虑焊件的工作条件和使用性能。如承受动载荷的焊件，要求冲击韧度和伸长率较高，最好选用碱性低氢型焊条；耐蚀性高的焊件，应选用相应的耐腐蚀焊条^[10]。

3.考虑焊件形状、刚度大小和焊接部位等。对形状复杂、刚度大的焊件，由于焊缝金属收缩应力大，应选用抗裂性较好的焊条。对焊接部位难以清理干净的焊件，应选用氧化性强的，对铁锈、油污、氧化皮敏感性差的酸性焊条^[11]。

4.考虑工艺条件和焊接设备。应选用工艺性能好的焊条，对重要结构要作焊条的焊接性试验；选用与设备性能相适应的焊条^[5]。