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焊剂的分类、特点和应用 |
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分 类 |
特 点 和 应 用 |
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含 义 |
焊剂是焊接时能够熔化形成熔渣和气体，对熔化金属起保护、冶金处理作用并改善焊接工艺性能，具有一定粒度的颗粒状物质。烧结焊剂还具有渗合金作用。焊剂与焊丝的正确配合使用是决定焊缝金属化学成分和力学性能的重要因素 |
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按 用 途 分 类 |
(1)按使用用途分类 |
有埋弧焊焊剂、电渣焊焊剂、堆焊焊剂 |
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(2)按所焊材料分类 |
有低碳钢用焊剂、低合金钢用焊剂、不锈钢用焊剂、镍及镍合金用焊剂、钛及钛合金用焊剂、有色金属用焊剂 |
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(3)按焊接工艺特点分类 |
① 单道焊或多道焊焊剂，仅适用于单面单道焊、双面单道焊 ② 高速焊焊剂，用于焊接速度大于60m/h的焊接场合 ③ 超低氢焊剂，熔敷金属中的扩散金属小于或等于2mL/100g，有利于消除焊接延迟裂纹 ④ 抗锈焊剂，对铁锈不敏感，有良好的抗气孔性能 ⑤ 高韧性焊剂，焊缝金属的韧性高，适于焊接低温下工作的压力容器 ⑥ 单面焊双面成形焊剂，使焊缝背面根部成形满足需要，主要在造船业使用 |
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按 制 造 方 法 分 类 |
(1)熔炼焊剂 |
将各种矿物性原料，主要有锰矿、硅砂、铝矾土、镁矿、萤石、生石灰、钛铁矿等及冰晶石、硼砂等化工产品，按配方比例混合配成炉料，然后在电炉或火焰炉中加热到1300℃以上熔化均匀后，出炉经过水冷粒化、烘干筛选得到的焊剂称为熔炼焊剂 |
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(2)非熔炼焊剂 |
将各种粉料按配方混合后加入黏结剂，制成一定粒度的小颗粒，经烘焙或烧结后得到的焊剂，称为非熔炼焊剂 根据烘焙温度的不同，非熔炼焊剂又分为:黏结焊剂和烧结焊剂 |
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①黏结焊剂 又称陶质焊剂或低温烧结焊剂，通常以水玻璃作黏结剂，经350～500℃低温烘焙或烧结得到的焊剂。由于烧结温度低，黏结焊剂有吸潮倾向大，颗粒强度低等缺点。目前国内产品供应量不多 |
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②烧结焊剂 通常在较高的温度(700～1000℃)烧结，烧结后，粉碎成一定尺寸的颗粒即可使用。经高温烧结后，颗粒强度明显提高，吸潮性大大降低。与熔炼焊剂相比，烧结焊剂熔点较高，松装密度较小，故这类焊剂适于大线能量焊接。烧结焊剂的碱度可以在较大范围内调节，能保持良好的工艺性能，可以根据施焊钢种的需要通过焊剂向焊缝过渡合金元素，烧结焊剂适用性强，制造简便，近年来发展很快 |
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按焊剂的化学成分或渣系分类 |
(1) 按 焊 剂 主 要 成 分 分 类 |
①按SiO2含量分类 |
有高硅焊剂(SiO2＞30%)、中硅焊剂(SiO2＝10%～30%)、低硅焊剂(SiO2＜10%)、无硅焊剂 |
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②按MnO含量分类 |
有高锰焊剂(MnO＞30%)、中锰焊剂(MnO＝15%～30%)、低锰焊剂(MnO＝2%～15%)、无锰焊剂(MnO＜2%) |
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③按CaF2含量分类 |
有高氟焊剂(CaF2＞30%)、中氟焊剂(CaF2＝10%～30%)、低氟焊剂(CaF2＜10%) |
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④按MnO、SiO2、CaF2含量组合分类 |
高锰高硅低氟焊剂，是酸性焊剂，焊接工艺性能好，适于交直流电源，主要用于焊接低碳钢及对韧性要求不高的低合金钢 中锰中硅中氟焊剂，是中性焊剂，焊接工艺性和焊缝韧性均可，多用于低合金钢焊接 低锰中硅中氟焊剂，是碱性焊剂，焊接工艺性较差，仅适用于直流电源，焊剂氧化性小，焊缝韧性高，可焊接不锈钢等高合金钢 |
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⑤按焊剂的主要成分与特点分类 |
是国际焊接学会推荐的焊剂分类方法，我国的烧结焊剂采用此法。此方法直观性强，易于分辨焊剂的主要成分为特性 |
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焊剂类型 |
焊剂类型代号 |
主 要 成 分 |
焊 剂 特 点 |
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锰-硅型 |
MS |
(MnO+SiO2)＞50% |
与含锰量少的焊丝配合，可以向焊缝过渡适量的锰与硅 |
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钙-硅型 |
CS |
(CaO+MgO+SiO2)＞60% |
由于焊剂中含有较多的SiO2，即使采用含硅量低的焊丝仍可得到含硅量较高的焊缝金属，适于大电流焊接 |
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铝-钛型 |
AR |
(Al2O3+TiO2)＞45% |
适于多丝焊接和高速焊接 |
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氟-碱型 |
FB |
(CaO+MgO+MnO+CaF2)＞50%，其中SiO2≤20%，CaF2≥15% |
SiO2含量低，减少了硅的过渡，可得到高冲击韧性的焊缝金属 |
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铝-碱型 |
AB |
(Al2O3+CaO+MgO)＞45% 其中Al2O3≈20% |
性能介于铝-钛型和氟-碱型焊剂之间 |
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特殊型 |
ST |
不规定 |
— |
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(2) 按 焊 剂 的 渣 系 分 类 |
①硅酸盐型 |
氧化锰-二氧化硅型(MnO+SiO2)＞50%、氧化钙-二氧化硅型(CaO+MgO+SiO2)＞60%、氧化锆-二氧化硅型(ZrO2+SiO2)＞35% |
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②铝酸盐型 |
氧化铝-二氧化钛型(Al2O3+TiO2)＞45%、碱性氧化铝型(Al2O3+CaO+MgO)＞45%，其中Al2O3≥20% |
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③碱性氟化物型 |
如氟化物的焊剂(CaO+MgO+MnO+CaF2)＞50%，其中SiO2≤20%，CaF2＞15% |
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按焊剂的化学性质分类 |
按焊剂氧化性的强弱分类 |
①氧化性焊剂 |
焊剂对焊缝金属有较强的氧化作用。一种是含有大量SiO2、MnO的焊剂，另一种是含有FeO较多的焊剂 |
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②弱氧化性焊剂 |
焊剂含SiO2、MnO、FeO等活性氧化物等较少。焊剂对焊缝金属有较弱的氧化作用，焊缝金属含氧量较低 |
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③惰性焊剂 |
又称中性焊剂，焊剂里基本不含SiO2、MnO、FeO等氧化物。焊剂对焊缝金属基本没有氧化作用；焊剂由Al2O3、CaO、MgO及CaF2等组成 |
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按 熔 渣 的 碱 度 分 类 |
碱度是熔渣的最重要的冶金特征之一，对熔渣-金属相界面处冶金反应、焊接工艺性能和焊缝金属的力学性能有很大影响。目前，有关焊剂碱度的计算公式应用较广泛的是国际焊接学会(IIW)推荐的公式，即
式中，各组分的含量按质量分数计算，根据计算结果分类如下： |
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①酸性焊剂 |
碱度B＜1.0，具有良好的焊接工艺性能，焊缝成形美观，但可使焊缝金属增硅，焊缝金属含氧量高，低温冲击韧性低 |
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②中性焊剂 |
碱度B＝1.0～1.5，熔敷金属的化学成分与焊丝的化学成分相近，焊缝含氧量有所降低 |
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③碱性焊剂 |
碱度B＞1.5，采用碱性焊剂得到的熔敷金属含氧量低，可以获得较高的焊缝冲击韧性，抗裂性好，但焊接工艺性能较差。B＞2.0的焊剂为高碱度焊剂，有除硫及降硅的作用，焊缝金属的氧含量很低，低温冲击韧性值高，但是，随着碱度的提高，焊道形状变得窄而高，并容易产生咬边、夹渣等缺陷。部分国产焊剂的碱度值(按上式算得)如下 |
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焊剂牌号 |
130 |
131 |
150 |
172 |
230 |
250 |
251 |
260 |
330 |
350 |
360 |
430 |
431 |
433 |
|
|
碱度值 |
0.78 |
1.40 |
1.30 |
2.68 |
0.80 |
1.75 |
1.68 |
1.11 |
0.81 |
1.0 |
0.94 |
0.78 |
0.79 |
0.67 |
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比 较 |
特 点 和 应 用 |
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熔炼焊剂的化学成分见下表1。熔炼焊剂可以分为以下三类： (1)高硅焊剂 是以硅酸盐为主的焊剂，焊剂中ω(SiO)2＞30%。由于SiO2含量高，焊剂有向焊缝中过渡硅的作用 根据焊剂含MnO数量的不同，高硅焊剂又可分为：高硅高锰焊剂、高硅中锰焊剂、高硅低锰焊剂和高硅无锰焊剂四种。使用高硅焊剂焊接，由于通过焊剂向焊缝中过渡硅，所以焊丝就不必再特意加硅。高硅焊剂应按下列配合方式焊接低碳钢或某些合金钢： ①高硅无锰或低锰焊剂应配合高锰焊丝[ω(Mn)＝1.5%～2.9%] ②高硅中锰焊剂应配合含锰焊丝[ω(Mn)＝0.8%～1.1%] ③高硅高锰焊剂应配合低碳钢焊丝或含锰焊丝。这是国内目前应用最广泛的一种配合方式，多用于焊接低碳钢或某些低合金钢。由于采用高硅高锰焊剂的焊缝金属含氧量及含磷量较高，韧脆转变温度高，不宜用于焊接对于低温韧性要求较高的结构 (2)中硅焊剂 由于焊剂中含SiO2的数量较少，碱性氧化物CaO或MgO的含量较多，所以焊剂的碱度较高。大多数中硅焊剂属于弱氧化性焊剂，焊缝金属含氧量较低，所以焊缝的韧性更高一些。因此，这类焊剂配合适当的焊丝可用于焊接合金结构钢。但是中硅焊剂的焊缝金属含氢量较高，对于提高焊缝金属抗冷裂纹的能力是很不利的。在中硅焊剂中，如加入相当数量的FeO，由于提高了焊剂的氧化性就能减少焊缝金属的含氢量。这种焊剂属于中硅氧化性焊剂，是焊接高强度钢的一种新型焊剂 (3)低硅焊剂 这类焊剂由CaO、Al2O3、MgO、CaF2等组成。焊剂对于金属基本上没有氧化作用。HJ172属于这种类型的焊剂，配合相应焊丝可用来焊接高合金钢，如不锈钢、热强钢等 熔炼焊剂的配用焊丝及用途列于表2，可供选用埋弧焊焊接材料时参考 表1 熔炼焊剂的化学成分(质量分数) % |
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熔
炼
焊
剂 |
焊剂类型 |
焊剂牌号 |
SiO2 |
Al2O3 |
MnO |
CaO |
MgO |
TiO2 |
CaF2 |
NaF |
ZrO2 |
FeO |
S |
P |
R2O |
|
无锰高硅低氟 |
HJ130 |
35～40 |
12～16 |
— |
10～18 |
14～19 |
7～11 |
4～7 |
— |
— |
2 |
≤0.05 |
≤0.05 |
— |
|
|
无锰高硅低氟 |
HJ131 |
34～38 |
6～9 |
— |
48～55 |
— |
— |
2～5 |
— |
— |
≤1 |
≤0.05 |
≤0.08 |
≤3 |
|
|
无锰中硅中氟 |
HJ150 |
21～23 |
28～32 |
— |
3～7 |
9～13 |
— |
25～33 |
— |
— |
≤1 |
≤0.08 |
≤0.08 |
≤3 |
|
|
无锰低硅高氟 |
HJ172 |
3～6 |
28～35 |
1～2 |
2～5 |
— |
— |
45～55 |
2～3 |
2～4 |
≤0.8 |
≤0.05 |
≤0.05 |
≤3 |
|
|
低锰高硅低氟 |
HJ230 |
40～46 |
10～17 |
5～10 |
8～14 |
10～14 |
— |
7～11 |
— |
— |
≤1.5 |
≤0.05 |
≤0.05 |
— |
|
|
低锰中硅中氟 |
HJ250 |
18～22 |
18～23 |
5～8 |
4～8 |
12～16 |
— |
23～30 |
— |
— |
≤1.5 |
≤0.05 |
≤0.05 |
≤3 |
|
|
低锰中硅中氟 |
HJ251 |
18～22 |
18～23 |
7～10 |
3～6 |
14～17 |
— |
23～30 |
— |
— |
≤1.0 |
≤0.08 |
≤0.05 |
— |
|
|
低锰高硅中氟 |
HJ260 |
29～34 |
19～24 |
2～4 |
4～7 |
15～18 |
— |
20～25 |
— |
— |
≤1.0 |
≤0.07 |
≤0.07 |
— |
|
|
中锰高硅低氟 |
HJ330 |
44～48 |
≤4 |
22～26 |
≤3 |
16～20 |
— |
3～6 |
— |
— |
≤1.5 |
≤0.08 |
≤0.08 |
≤1 |
|
|
中锰中硅中氟 |
HJ350 |
30～35 |
13～18 |
14～19 |
10～18 |
— |
— |
14～20 |
— |
— |
— |
≤0.06 |
≤0.07 |
— |
|
|
中锰高硅中氟 |
HJ360 |
33～37 |
11～15 |
20～26 |
4～7 |
5～9 |
— |
10～19 |
— |
— |
≤1.5 |
≤0.10 |
≤0.10 |
— |
|
|
高锰高硅低氟 |
HJ430 |
38～45 |
≤5 |
38～47 |
≤6 |
— |
— |
5～9 |
— |
— |
≤1.8 |
≤0.10 |
≤0.10 |
— |
|
|
高锰高硅低氟 |
HJ431 |
40～44 |
≤4 |
34～38 |
≤6 |
5～8 |
— |
3～7 |
— |
— |
≤1.8 |
≤0.10 |
≤0.10 |
— |
|
|
高锰高硅低氟 |
HJ433 |
42～45 |
≤3 |
44～47 |
≤4 |
— |
— |
2～4 |
— |
— |
≤1.8 |
≤0.15 |
≤0.10 |
≤0.5 |
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表2 国产焊剂配用焊丝及用途 |
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焊剂牌号 |
焊剂类型 |
配用焊丝 |
焊剂用途 |
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|
HJ130 |
无锰高硅低氟 |
H10Mn2 |
焊接低碳结构钢、低合金钢，如16Mn等 |
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|
HJ131 |
无锰高硅低氟 |
配Ni基焊丝 |
焊接镍基合金薄板结构 |
||
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HJ230 |
低锰高硅低氟 |
H08MnA，H10Mn2 |
焊接低碳结构钢及低合金结构钢 |
||
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HJ260 |
低锰高硅中氟 |
Cr19Ni9型焊丝 |
焊接不锈钢及轧辊堆焊 |
||
|
HJ330 |
中锰高硅低氟 |
H08MnA，H08Mn2，H08MnSi |
焊接重要的低碳钢结构和低合金钢，如Q235A、15g、20g、16Mn、15MnVTi等 |
||
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HJ430 |
高锰高硅低氟 |
H08A、H10Mn2A、H10MnSiA |
焊接低碳结构钢及低合金钢 |
||
|
HJ431 |
高锰高硅低氟 |
H08A、H08MnA、H10MnSiA |
焊接低碳结构钢及低合金钢 |
||
|
HJ433 |
高锰高硅低氟 |
H08A |
焊接低碳结构钢 |
||
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HJ150 |
无锰中硅中氟 |
配2Cr13或3Cr2W8、配铜焊丝 |
堆焊轧辊，焊铜 |
||
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HJ250 |
低锰中硅中氟 |
H08MnMoA、H08Mn2MoA、H08Mn2MoVA |
焊接15MnV、14MnMoV、18MnMoNb等 |
||
|
HJ350 |
中锰中硅中氟 |
配相应焊丝 |
焊接锰钼、锰硅及含镍低合金高强钢 |
||
|
HJ172 |
无锰低硅高氟 |
配相应焊丝 |
焊接高铬铁素体热强钢(15Cr11CuNiWV)或其他高合金钢 |
||
|
烧
结
焊
剂 |
烧结焊剂是继熔炼焊剂之后发展起来的新型焊剂。国外已广泛采用烧结焊剂焊接碳钢、高强度钢和高合金钢 黏结焊剂与烧结焊剂都属于非熔炼焊剂。黏结焊剂又称为低温烧结焊剂，烧结焊剂又称为高温烧结焊剂。由于黏结焊剂与烧结焊剂并无本质不同，因此可以将它们归为一类 烧结焊剂的主要优点是可以灵活地调整焊剂的合金成分。其特点如下： (1)可以连续生产，劳动条件较好。成本低，一般为熔炼焊剂的1/3～1/2 (2)焊剂碱度可在较大范围内调节。熔炼焊剂的碱度最高为2.5左右。烧结焊剂当其碱度高达3.5时，仍具有良好的稳弧性及脱渣性，并可交直流两用，烟尘量也很小。目前各国研究与开发的窄间隙埋弧焊接都是采用高碱度烧结焊剂 (3)由于烧结焊剂碱度高，冶金效果好，所以能获得较好的强度、塑性和韧性的配合 (4)焊剂中可加入脱氧剂及其他合金成分，具有比熔炼焊剂更好的抗锈能力 (5)焊剂的松装密度较小，一般为0.9～1.2g/cm3，焊接时焊剂的消耗量较少。可以采用大的焊接电流值(可达2000A)，焊接速度可高达150m/h，适用于多丝大电流高速自动埋弧焊工艺 (6)烧结焊剂颗粒圆滑，在管道中输送和回收焊剂时阻力较小 (7)缺点是吸潮性较大。焊缝成分易随焊接工艺参数变化而波动 国产的烧结焊剂有以下几种： (1)SJ101 是氟碱型烧结焊剂，属于碱性焊剂。为灰色圆形颗粒状。焊剂成分为：ω(SiO2+TiO2)＝25%，ω(CaO+MgO)＝30%，ω(Al2O3+MnO)＝25%，ω(CaF2)＝20%。配合H08MnA、H08MnMoA、H08Mn2MoA、H10Mn2等焊丝可焊接多种低合金结构钢。焊接产品为锅炉、压力容器以及管道等重要结构，其焊缝金属具有较高的低温冲击韧度。它可用于多丝埋弧焊，特别适用于大直径容器的双面单道焊 (2)SJ301 是硅钙型烧结焊剂，属于中性焊剂，呈黑色圆形颗粒状。焊剂成分(质量分数)为：ω(SiO2+TiO2)＝40%，(CaO+MgO)＝25%，ω(Al2O3+MnO)＝25%，ω(CaF2)＝10%。配合H08MnA、H08MnMoA、H10Mn2等焊丝可焊接普通结构钢、锅炉钢及管线钢等。这种焊丝可用于多丝快速焊接，特别适用于双面单道焊。由于它属于短渣，可以焊接小直径的管线 (3)SJ401 是硅锰型烧结焊剂，属于酸性焊剂，为灰褐色到黑色圆形颗粒状。焊剂成分(质量分数)为：ω(SiO2+TiO2)＝25%，ω(CaO+MgO)＝10%，ω(Al2O3+MnO)＝40%。配合H08A焊丝可以焊接低碳钢及某些低合金钢，多应用于矿山机械及机车车辆等金属结构的焊接。其焊接工艺性能良好，具有较高的抗气孔性能 (4)SJ501 是铝钛型烧结焊剂，属于酸性焊剂，为深褐色圆形颗粒。焊剂成分(质量分数)为：ω(SiO2+TiO2)＝30%，ω(Al2O3+MnO)＝55%，ω(CaF2)＝5%。配合H08A、H08MnA等焊丝可焊接低碳钢及Q345(16Mn)、Q390(15MnV)等低合金钢，多应用于船舶、锅炉、压力容器的焊接施工中。该焊剂具有较强的抗气孔能力，对少量铁锈及高温氧化膜不敏感 (5)SJ502 是铝钛型烧结焊剂，属于酸性焊剂，为灰褐色圆形颗粒状。焊剂成分(质量分数)为：ω(MnO+Al2O3)＝30%，ω(TiO2+SiO2)＝45%，ω(CaO+MgO)＝10%，ω(CaF2)＝5%。配合H08A焊丝可以焊接重要的低碳钢及某些低合金钢的重要结构，例如锅炉、压力容器等。当焊接锅炉膜式水冷壁时，焊接速度可达70m/h以上，焊接质量良好 总之，烧结焊剂由于具有松装密度比较小，熔点比较高等特点，适用于大热量输入焊接。此外，烧结焊剂较容易向焊缝中过渡合金元素。因此，在焊接特殊钢种时宜选用烧结焊剂。熔炼焊剂与烧结焊剂的比较列于表3，可供选择焊剂时参考 |
||||
|
熔炼焊剂与烧结焊剂的特点比较 |
表3 |
||||
|
比 较 项 目 |
熔 炼 焊 剂 |
烧 结 焊 剂 |
|||
|
一般特点 |
熔点较低，松装密度较大，颗粒不规则，但强度较高。焊剂的生产中耗电量大，成本较高 |
熔点较高，松装密度较小，颗粒圆滑较规则，但强度低，可连续生产，成本较低 |
|||
|
焊接 工艺 性能 |
高速焊接性能 |
焊道均匀，不易产生气孔和夹渣 |
焊道无光泽，易产生气孔、夹渣 |
||
|
大规范焊接性能 |
焊道凸凹显着，易粘渣 |
焊道均匀，容易脱渣 |
|||
|
吸潮性能 |
比较小，可不必再烘干 |
比较大，必须烘干 |
|||
|
抗锈性能 |
比较敏感 |
不敏感 |
|||
|
焊缝 性能 |
韧性 |
受焊丝成分和焊剂碱度影响大 |
比较容易得到高韧性 |
||
|
成分波动 |
焊接规范变化时成分波动较小 |
成分波动较大 |
|||
|
多层焊性能 |
焊缝金属的成分变动小 |
焊缝成分变动较大 |
|||
|
脱氧性能 |
较差 |
较好 |
|||
|
合金剂的添加 |
十分困难 |
可以添加 |
|||