第三章 焊接材料2015

1、 第三章 焊接材料 天津大學(xué) 杜則裕 2015.10前言一、焊接材料： 焊接時(shí)所消耗材料（包括焊條、焊絲、電極、焊劑、氣體等）的通稱(chēng)。 焊條：涂有藥皮的供焊條電弧焊用的熔化電極。它由藥皮和焊芯兩部分組成。 焊絲：焊接時(shí)作為填充金屬，或同時(shí)用來(lái)導(dǎo)電的金屬絲。 焊劑：焊接時(shí)能夠熔化形成熔渣（有的也有氣體），對(duì)熔化金屬起保護(hù)和冶金作用的一種顆粒狀物質(zhì)。實(shí)心 二、焊接材料的主要作用：（1)作為填充材料，形成焊縫的主要成分；（2) 熔化金屬，冶金處理，獲得所要求的焊縫成型;（3)對(duì)焊接區(qū)域?qū)嵤┍Ｗo(hù)（4)穩(wěn)定焊接過(guò)程 三、焊接材料應(yīng)具備的功能：（1)焊接材料經(jīng)熔化結(jié)晶凝固后所形成的熔敷金 屬應(yīng)具有與母材相

2、同或相近的性能；（2)焊接過(guò)程能夠提供或產(chǎn)生對(duì)焊接高溫區(qū)域具有保護(hù) 作用的介質(zhì)。（3)具有穩(wěn)弧作用 四、關(guān)于焊接材料的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T5117-2012 非合金鋼及細(xì)晶粒鋼焊條；GB/T5118-2012 熱強(qiáng)鋼焊條GB/T983-2012 不銹鋼焊條GB/T984-2001 堆焊焊條GB10044-1988 鑄鐵焊條及焊絲GB/T3670-1995 銅及銅合金焊條GB/T5293-1999 埋弧焊用碳鋼焊絲和焊劑GB/T12470-2003 埋弧焊用低合金鋼焊絲和焊劑GB/T8110-1995 氣體保護(hù)焊用碳鋼、低合金鋼焊絲GB/T13814-2008 鎳及鎳合金焊條 GB/T2374-1

3、999 鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛用耐候鋼焊條及焊絲 GB/T3429-2002 焊接用鋼盤(pán)條 GB/T3965-2012 熔敷金屬中擴(kuò)散氫測(cè)定方法 GB/T4242-84 焊接用不銹鋼絲 GB/T14957-1994 熔化焊用鋼絲 GB/T10045-2001 碳鋼藥芯焊絲 GB/T17854-1999 埋弧焊用不銹鋼焊絲和焊劑 五、全球焊材生產(chǎn)研發(fā)動(dòng)態(tài) 全球焊接材料、焊接設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)： 2006年產(chǎn)值：100億美元 焊接材料/焊接設(shè)備：約6:4，即焊材產(chǎn)值約為60億美元， 其中：林肯公司產(chǎn)值約21億美元； 已將英國(guó)的METRODE（曼徹特焊接材料公司，國(guó)際上最大的不銹鋼、耐熱鋼焊接材料生產(chǎn)商）收購(gòu)。在上

4、海設(shè)有中國(guó)工廠。 伊莎公司13億美元，在上海、江蘇張家港設(shè)有中國(guó)工廠。 日本神鋼（KOBELCO)，在河北唐山建廠： 韓國(guó)(KISWEL)高麗熔接棒：焊絲（實(shí)心6萬(wàn)噸，藥芯4萬(wàn)噸，其它2萬(wàn)噸），在大連建廠； 韓國(guó)現(xiàn)代：實(shí)心焊絲產(chǎn)量12000t/a、藥芯焊絲產(chǎn)量54000t/a，已在江蘇昆山建廠。（t/a=噸/年）。 韓國(guó)(KISWEL)高麗熔接棒：實(shí)心焊絲6萬(wàn)t，藥芯焊絲4萬(wàn)t，其它2萬(wàn)t），已在大連建廠； 六、我國(guó)焊接材料的發(fā)展動(dòng)態(tài) 1.國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)企業(yè) 及2012年產(chǎn)量 全國(guó)焊材總產(chǎn)量 474萬(wàn)t，產(chǎn)值約數(shù)百億元人民幣； 國(guó)內(nèi)知名廠家的生產(chǎn)規(guī)模： 天津金橋 70萬(wàn)t （焊條57萬(wàn)t 、實(shí)心

5、焊絲12萬(wàn)t、其它1萬(wàn)t） 產(chǎn)值約35億元人民幣； 天津大橋50萬(wàn)t, 產(chǎn)值約25億人民幣； 四川大西洋 20萬(wàn)t； 株洲湘江 15萬(wàn)t； 錦州錦泰 實(shí)心焊絲年產(chǎn)12萬(wàn)t、藥芯焊絲年產(chǎn)6萬(wàn)t 。 2.國(guó)內(nèi)較大的焊材生產(chǎn)商及其產(chǎn)品 天津金橋：焊條、實(shí)心焊絲、藥芯焊絲； 天津大橋：焊條，焊絲； 四川大西洋：焊條，焊絲； 株洲湘江：焊條，焊絲； 臺(tái)灣廣泰：焊條，焊絲； 錦州錦泰：實(shí)心焊絲 、藥芯焊絲； 江蘇：華通、長(zhǎng)江：焊絲； 宇宙：焊條為主； 山東：齊魯焊業(yè)、索力得焊業(yè)、大亞焊材、飛樂(lè)：實(shí)心焊絲北京：安泰，金太陽(yáng)：藥芯焊絲。 七、焊接材料對(duì)接頭性能的影響組成焊縫影響焊縫微觀組織及缺欠影響熱影響區(qū)

6、熔化熱（電弧過(guò)程） 熔合區(qū)性能 第一節(jié) 焊 條一、焊條分類(lèi)一、焊條分類(lèi) 1.根據(jù)用途分 結(jié)構(gòu)鋼焊條、耐熱鋼焊條、不銹鋼焊條、堆焊焊 條、低溫鋼焊條、鑄鐵焊條、Ni及Ni合金焊條 國(guó)標(biāo)中又將結(jié)構(gòu)鋼分為碳鋼及低合金鋼焊條 2.按焊接熔渣的堿度分 分為酸性焊條、堿性焊條 3.按焊條藥皮的類(lèi)型分 氧化鈦型焊條、鈦鈣型焊條等二、焊條的型號(hào)和牌號(hào)二、焊條的型號(hào)和牌號(hào) （一）焊條的型號(hào)（一）焊條的型號(hào) GB51172012非合金鋼及細(xì)晶粒鋼焊條鋼焊條中，規(guī)中，規(guī)定的焊條型號(hào)定的焊條型號(hào) 編制方法編制方法 ： 第一部分用字母“E”表示焊條 ； 第二部分為E后面第一、二位數(shù)字表示熔敷金屬抗拉強(qiáng)度的最小值： 43

7、、50、55、57分別表示熔敷金屬的最小抗拉強(qiáng)度， 430、490、550、570MPa； 第三部分為E后面第三、四位數(shù)字表示藥皮類(lèi)型、焊接位置和電流類(lèi)型； 第四部分為熔敷金屬的化學(xué)成分代號(hào)： 可為“無(wú)標(biāo)記”或短劃“-”后的字母、數(shù)字或字母和數(shù)字的組合； 第五部分為熔敷金屬的化學(xué)成分代號(hào)之后的焊后狀態(tài)代號(hào)： “無(wú)標(biāo)記”-焊態(tài)、“P”-熱處理狀態(tài)、“AP”-以上兩種狀態(tài)均可； 除以上強(qiáng)制分類(lèi)代號(hào)外，根據(jù)供需雙方協(xié)商，可在型號(hào)后依次附加可選代號(hào)： a) 字母“U”,表示在規(guī)定試驗(yàn)溫度下，沖擊吸收能量可以達(dá)到47J以上，見(jiàn)該標(biāo)準(zhǔn)的“4.5.3”條文； b)擴(kuò)散氫代號(hào)“HX”，其中X代表15、10或5

8、，分別表示每100g熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量的最大值（mL)，見(jiàn)該標(biāo)準(zhǔn)的“4.7”條文。 型號(hào)示例： 例1. E 55 15 - N5 P U H10 E 表示焊條 55 表示熔敷金屬抗拉強(qiáng)度最小值為550MPa 15 表示藥皮類(lèi)型為堿性，適用于全位置焊接采用直流反接 N5 - 表示熔敷金屬化學(xué)成分分類(lèi)代號(hào) P 表示焊后狀態(tài)代號(hào)，此處表示熱處理狀態(tài) U 可選附加代號(hào)，表示在規(guī)定的溫度下，沖擊吸收能量47J以上H10 可選附加代號(hào)，表示熔敷金屬擴(kuò)散氫含量不大于10 mL/100mg 例2. E 43 03 E 表示焊條 43 表示熔敷金屬抗拉強(qiáng)度最小值為430MPa 15 表示藥皮類(lèi)型為鈦型，適用于

9、全位置焊接，采用交流直流正反接（二）焊條的牌號(hào) 1.焊條牌號(hào)是由焊條生產(chǎn)廠家制定的 2.編制方法： 牌號(hào)最前面的字母表示焊條各大類(lèi) J 結(jié)構(gòu)鋼焊條 R 耐熱鋼焊條 W 低溫鋼焊條 A 奧氏體不銹鋼焊條、 G 鐵素體不銹鋼焊條 D 堆焊焊條 Z 鑄鐵焊條 Ni 鎳及鎳合金焊條 T 銅及銅合金焊條 L 鋁及鋁合金焊條 TS 特殊用途焊條（水下焊接、水下切割、鉄錳鋁焊條) 第一、二位數(shù)字表示各大類(lèi)焊條中的若干小類(lèi) 第三位數(shù)字表示焊條藥皮類(lèi)型和焊接電源種類(lèi) : 0.不屬已規(guī)定的類(lèi)型 5.纖維素型 1.氧化鈦型 6.低氫鉀型 2.氧化鈦鈣型 7.低氫鈉型（直流） 3.鈦鐵礦型 8.石墨型 4.氧化鐵型

10、9.鹽基型（直流）二、焊條的組成 1.焊芯 按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB13001977、GB34291982 、 GB42411984等選擇相應(yīng)牌號(hào)的焊絲作為焊芯 ， 一般碳鋼及低合金鋼焊絲用H08、H08A 焊芯中的組成元素 C : 等強(qiáng)條件下越低越好，C含量高易引起氣孔、飛 濺、裂紋等 Mn : 用來(lái)脫O、S，合金化，含量在0.3-0.55% Si : 生成SiO2，易形成夾雜，產(chǎn)生熱裂，應(yīng)加以限 制，越少越好 Ni、Cr ：對(duì)冶金過(guò)程不會(huì)有太大的影響 S、P ：有害，應(yīng)加以限制2.藥皮 作用 機(jī)械保護(hù)（氣、渣聯(lián)合保護(hù)） 冶金（脫氧、合金化） 改善工藝性能（穩(wěn)?。?原材料 穩(wěn)弧 ：含低電離電位元素(

11、K、Ca、Na鹽 類(lèi)），如碳酸鉀、水玻璃、大理石、長(zhǎng)石 造氣 ：有機(jī)物、碳酸鹽 造渣 ：形成具有一定理化性能（流動(dòng)性、粘 度、表面張力、凝固溫度、氧化性等)的熔渣，保 護(hù)熔滴及熔池，改善成形 脫氧：親和力比Fe大的金屬及合金，如Mn- Fe、Ti-Fe、Si-Fe、Al等 合金化：鐵合金或純金屬等 粘度：水玻璃、鉀、鈉、鋁酸鈉等 藥皮成形：便于壓制，提高焊條表面質(zhì)量，白 泥、云母、鈦白粉、糊精等藥皮原材料的種類(lèi) 礦物類(lèi) 鐵合金 化工產(chǎn)品：鈦白粉、碳酸鉀、水玻璃等 有機(jī)物 藥皮類(lèi)型 牌號(hào)型號(hào)藥皮類(lèi)型TiO2SiO2碳酸鹽有機(jī)物Mn-FeJ421E4312鈦型35%含有含有J422E4303鈦鈣型

12、30%含有15%含有J426E4315低氫型螢石30%無(wú)鈦鐵J427E4316低氫型螢石無(wú)鈦鐵Z208EZC石墨型石墨等Z308EZNi石墨型石墨等L109鹽基型氟化物等三、焊條的工藝性能 1.電弧的穩(wěn)定性 直接影響焊接過(guò)程和焊接質(zhì)量 影響因素 電源 工藝參數(shù) 藥皮含有物質(zhì)： 低電離物質(zhì)：云母、長(zhǎng)石、鈦白粉、大理 石、水玻璃等 反電離物質(zhì)：CaF2 2.焊縫成形 要求：表面光滑、紋細(xì)密、過(guò)渡圓滑、無(wú)咬 邊、余高符合要求 影響因素：熔渣熔點(diǎn)和粘度、表面張力等3.全位置焊接性 提高電弧和氣體吹力，使溶滴順利過(guò)渡到熔池，阻 止下流 提高熔渣表面張力 提高熔渣熔點(diǎn)，降低凝固時(shí)間4.飛濺 需要清理 產(chǎn)生

13、飛濺的原因：水分多，渣粘度大 一般鈦鈣型焊條飛濺較小，低氫型焊條飛濺較大5.脫渣性（多層焊時(shí)尤為重要） 影響因素：熔渣與金屬線脹系數(shù)的差異（鈦型最 大，低氫型最小） 熔渣的氧化性 熔渣的松脆性6.焊條熔化速度 一般用熔敷系數(shù)（H)來(lái)表示 纖維素型焊條H 較低7.藥皮發(fā)紅 降低措施：提高熔化系數(shù)，降低電阻熱8.焊條發(fā)塵率 可溶性氟化物（KF、NaF）、MnO可致毒 飛濺率飛濺率熔化系數(shù)熔化系數(shù)熔焊重量熔焊重量飛濺物重量飛濺物重量PPH%1001四、典型焊條的性能分析 （一）鈦型及鈦鈣型焊條 1. 渣系： TiO2-CaO-SiO2， 堿度在0.40.75 2.典型配方：金紅石、鈦白粉、還原鈦鐵礦

14、、 Mn-Fe等 3.冶金反應(yīng) 氧化反應(yīng) Fe的氧化)(FeOFeOFeOSiSiOFeFeOMnFeMnOHFeOOHFeCOFeOCOFeFeOOFe）（熔熔渣渣氧氧化化氣氣體體氧氧化化氣氣222222221 C的氧化 C+O=CO 易出現(xiàn)氣孔，增加Mn可抑制該反應(yīng) 脫氧反應(yīng) 先期脫氧 Mn+O2 = MnO Mn+FeO = Fe+MnO Mn+CaCO3 = CaOMnO+CO Mn+(SiO2) = (MnO)+Si Si+2FeO = 2Fe+ (SiO2) C+FeO = Fe+CO 擴(kuò)散脫氧 FeO (FeO) 還原反應(yīng) （SiO2）+2Fe Si+2(FeO) （SiO2）+

15、2Mn Si+2(MnO) 脫P(yáng)、S（效果較差） Mn + (FeS)= (MnS) + Fe MnO + (FeS) = (MnS) + FeO 2P+5FeO=P2O5+5Fe 2Fe2P+5FeO=P2O5+9Fe 2Fe3P+5FeO=P2O5+11Fe P2O5+3CaO=(CaO)3P2O5 P2O5+4CaO=(CaO)4P2O5 焊縫金屬合金化 加入碳錳鐵的主要作用是脫氧、脫硫 氣孔敏感性 造氣劑、造渣劑較多，氣-渣保護(hù)較好，含N較 低，氧化性相對(duì)較弱，脫氫能力低，H含量較 高，易出現(xiàn)氫白點(diǎn)及氫氣孔 焊接煙塵4.工藝性能 成型好，氣孔率小，脫渣性好，適用于全位置焊 接，飛濺小，

16、但隨著H增加，性能下降5.力學(xué)性能 b420MPa， 0.2330MPa， 522% AKV：0 275 ， -20 47 （二）鈦鐵礦-氧化鐵型 1.渣系 TiO2-MnO-SiO2 堿度1.06 1.30 Fe2O3-SiO2-MnO 堿度1.02 1.4 2.典型配方 鈦鐵礦、鈦白粉 造渣：鈦鐵礦（TiO2）+Si酸鹽 造氣：碳酸鹽、有機(jī)物 脫氧：Mn-Fe 3.冶金反應(yīng) 氧化反應(yīng)（置換、擴(kuò)散） 脫氧反應(yīng)強(qiáng)烈（合金過(guò)渡系數(shù)下降） 脫S、P困難，對(duì)熱裂、冷裂敏感 H較低 4.工藝性能一般（三）纖維型焊條 1.氣保護(hù)焊條，輔助渣保護(hù) 造氣：木粉+碳酸鹽 造渣：鈦鐵礦 2.渣氧化性較大 目的：

17、為避氫危害（H+OOH） 脫氧：Mn-Fe 合金化：Mo-Fe 3.特點(diǎn) 產(chǎn)氣量大，穿透力大，用于打底或切割 （四）、低氫型焊條 1.渣系：CaO-SiO2-CaF2，堿度：1.6 1.8 2.典型配方：大理石、石英砂、螢石 造渣：螢石 造氣：大理石 脫氧：Ti-Fe 3.冶金反應(yīng) 脫氧反應(yīng)：2CO2+Si=SiO2+2CO CaO+SiO2=CaOSiO2 2CO2+Ti=TiO2+2CO CaO+TiO2=CaOTiO2 脫氫反應(yīng) 利用螢石脫氫 CaF2+2H=Ca+2HF CaF2+H2O=CaO+2HF 螢石與石英聯(lián)合脫氫： 2CaF2+3SiO2=SiF4+2CaSiO3 SiF4+

18、3H=SiF+3HF 螢石與水玻璃作用脫氫 Na2OnSiO2+H2O=2NaOH+nSiO2 2NaOH+CaF2=Ca(OH)2+2NaF 2NaF+H2O+CO2=Na2CO3+2HF 焊接焊縫塑性好，但對(duì)進(jìn)入熔池的H及氧 化物敏感，故要求嚴(yán)格清理，嚴(yán)格烘干 脫硫反應(yīng) 提高堿度有利于脫S 脫磷反應(yīng) 合金化：Mn、Si向焊縫中的過(guò)渡 焊接煙塵（危害最大的是NaF、KF）4.工藝性（工藝性不太好） MgSMnSCaSMgOMnOCaOFeS)()()(523523OPCaOOPPFePCaOFeO )(五、焊條的配制 1.配方設(shè)計(jì) 合金系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 渣系設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)調(diào)整 2.焊條制造 擬定配方擬定配方合金過(guò)渡系數(shù)合金過(guò)渡系數(shù)工藝工藝調(diào)配方調(diào)配方擬訂渣系擬訂渣系根據(jù)性能擬訂合金系統(tǒng)根據(jù)性能擬訂合金系統(tǒng)擬訂合金化方式擬訂合金化方式 第二節(jié) 焊 劑一、焊劑分類(lèi)（如圖）二、焊劑型號(hào) 1.表示方法（如圖） ”HJ”表示埋弧焊用焊劑 第一位數(shù)字1：表示焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度等拉 伸力學(xué)性能（如表2-15） 第二位數(shù)字2：表示拉伸試樣和沖擊試樣的狀 態(tài)（0 焊態(tài)，1 焊后熱處理狀態(tài)） 第三位數(shù)字3：表示焊縫金屬?zèng)_擊吸收功不小 于27J時(shí)的最低試驗(yàn)溫度（如表2-16） 二、焊劑性能 1.高硅