2.5 焊条工艺性设计

2.5.1 焊条熔滴过渡的主导力与P′-P″关系图

由于焊条的工艺性取决于焊条熔滴过渡形态，因此焊条的工艺性设计实际上是对某种熔滴过渡形态的设计，其目标是通过一定的技术途径得到焊条预想的熔滴过渡形态，实现预期的焊条工艺性。

从两个主导力的观点出发，并根据主导力对焊条熔滴过渡形态影响的试验结果，由主导力的估算公式可以定量地确定主导力与熔滴过渡形态的关系，这一关系可以用 P′ - P″ 关系图来描述。

决定熔滴过渡形态的两个主导力可以分别用如前所述的第一主导力作用指数和第二主导力作用指数的经验表达式（2-8）和式（2-16）描述：第一主导力作用指数 P′ 反映表面张力的作用，而第二主导力作用指数 P″ 则反映气体动力的作用。

图2-43是焊条主导力与熔滴过渡形态关系图。横坐标与纵坐标分别表示第一主导力作用指数 P′ 与第二主导力作用指数 P″ ，图中分八个区，A、B、C和D+C+B4个区分别占据图的四个角，过渡形态分别为A——渣壁过渡区，B——粗熔滴过渡区，C——喷射过渡区，D+C+B——爆炸过渡、喷射过渡和粗熔滴过渡的混合区，其余不占据四个角的B+A、A+B+C+D、D+C、B+D四个区，它们均为两种或两种以上的混合过渡形态的区域。由图看出，当第一主导力作用指数 P′ ＜20（表面张力很大）、第二主导力作用指数 P″ ＜-4时，处在 P′ - P″ 关系图中B区，焊条为粗熔滴过渡；当第一主导力作用指数 P′ ＞35、第二主导力作用指数 P″ ＜-4时，在 P′ - P″ 关系图中处于A区，熔滴为渣壁过渡；当 P′ ＞20， P″ ＞0，在 P′ - P″ 关系图中处于C区，熔滴为喷射过渡；而当 P′ ＞20， P″ =-4.0～0时，在 P′ - P″ 关系图中处于A+B+C+D混合过渡形态区。图中各区内标注了代表性的焊条型号或牌号。

焊条电弧焊熔滴过渡时的主导力与熔滴过渡形态的 P′ - P″ 关系图有其重要的理论意义和实用意义。它不仅在理论上说明了焊条所具有的粗熔滴过渡、渣壁过渡、爆炸过渡和喷射过渡四种典型的熔滴过渡形态和它们的形成规律，而且在实际应用方面可以对焊条的工艺性进行预测和设计。当已知焊条规格、药皮外径、药皮造渣成分、焊芯和药皮组分中碳含量时，就可以计算出 P′ 和 P″ 的值，并可以确定该种焊条在 P′ - P″ 关系图中的区位，近而预测焊条熔滴过渡形态和焊条工艺性。

图2-44是预测焊条熔滴过渡形态的程序图。当已知某焊条的原始条件（焊芯的碳含量、焊条药皮成分、焊芯直径和药皮外径）时，可以确定第一主导力 P Ⅰ和第二主导力 P Ⅱ，进一步确定第一主导力作用指数 P′ 和第二主导力作用指数 P″ ，然后在 P′ - P″ 关系图找到该焊条相应的区位，预测出焊条熔滴过渡形态和该焊条的工艺性。

下面举两个实际例子看如何按照图2-44所示的程序来预测焊条的熔滴过渡形态。

设计两种试验焊条。第一种为钛钙型结构钢焊条，编号为J422-33，焊芯为H08A，规格为4mm，焊条外径为6.4mm药皮质量系数为0.35。药皮成分的质量分数为：钛白粉4%，金红石37%，大理石+白云石12%，长石14%，白泥3%，云母6%，中碳锰铁9%，微晶纤维1%，锆英石5%，铁粉9%。

已知表面张力系数：钛白粉 K =0.1，金红石 K =0.09，钛铁矿 K =0.2，大理石 K =-0.1，白云石 K =-0.1，萤石 K =0.1，长石 K =1，云母 K =0.9，白泥 K =0.8，长石 K =1。

第二种为钛钙型不锈钢焊条，编号为A102-9，焊芯为H0Cr21Ni10，直径4mm，焊条外径为6.5mm，药皮质量系数为0.4，药皮成分的质量分数为：钛白粉5%，金红石45%，大理石16%，萤石6%，云母5%，白泥6%，金属铬11%，金属锰6%。

（1）J422-33钛钙型结构钢焊条熔滴过渡形态的预测

1）第一主导力指数的计算

P Ⅰ=∑ K _i P _i =0.1×4+0.09×37-0.1×12+1×14+0.8×3+0.9×6=24.33

α =（ D/d -0.6）2.5=（6.4/4-0.6）2.5=1

P′ = αP Ⅰ=1×24.33=24.33

2）第二主导力指数的计算

设焊芯 w （C）=0.08%，中碳锰铁中 w （C）=1.5%，铁合金的利用系数 η =0.9，药皮质量系数为0.35，则

C _d = C _x + C _p + C _m =0.08+0.09×0.35×0.9×1.5+0=0.08+0.043≈0.123

P _Ⅱ =1.55 C _d =1.55×0.123≈0.191

P ″=-10 P ² _Ⅱ +17.2 P _Ⅱ -6.5

=-10×0.191 ² +17.2×0.191-6.5≈-3.58

计算结果： P′ =24.33， P″ =-3.58。

J422-33焊条处于 P′ - P″ 关系图中的A+B+C+D区，预测该焊条为粗熔滴过渡、渣壁过渡、爆炸过渡和喷射过渡共存的混合过渡形态。

（2）不锈钢A102-9焊条熔滴过渡形态的预测

1）第一主导力的计算

P ₁ =∑ K _i P _i =0.1×5+0.09×45-0.1×16+0.1×6+0.9×5+0.8×6=12.85

α =（ D/d -0.6） ^2.5 =（6.5/4-0.6） ^2.5 ≈1.063

P′ = αP ₁ =1.063×12.85≈13.66

2）第二主导力的计算

设焊芯中碳的质量分数为0.060%

C _d =0.060

P _Ⅱ =1.55 C _d =0.093

P″ =-10 P _Ⅱ ² +17.2 P _Ⅱ -6.5=-10×0.093 ² +17.2×0.093-6.5=-4.986

A102-9焊条计算结果： P′ =13.66， P″ =-4.986，处于 P′ - P″ 关系图中的B区，预测该焊条熔滴为粗熔滴短路过渡形态。

2.5.2 焊条工艺性设计原则

既然熔滴的渣壁过渡是最理想的熔滴过渡形态，那么人们很自然会将实现渣壁过渡形态作为焊条工艺性设计的目标。但事实上为了适应不同的使用条件，必须首先满足相应的物理化学性能的要求，满足焊条焊接条件下具有良好的冶金性能（净化焊缝金属，防止焊接缺陷）的要求，因此焊条的设计实际上是理化性能、焊接冶金性能和工艺性能的综合优化设计。正因为如此，不同渣系不同类型的焊条只能根据其本身的渣系、焊条类型特点，提出相适合的工艺性设计原则，以实现工艺性的优化。

表2-7归纳了常用焊条的工艺性设计一般原则。