各種常用材料的焊接的焊接材料選擇原則

1、各種常用材料焊接的焊接材料選擇原則第一節(jié)焊材選用的一般原則為得到高質(zhì)量的焊接接頭，首先耍合理選擇焊接材料。由丁焊接部件在運(yùn)行中的工況有很大差異，母材的材質(zhì)性能、成份千差萬別，部件的制造工藝錯(cuò)綜復(fù)雜，因此需耍從各方面綜合考慮確定對(duì)應(yīng)的焊接材料。選擇焊接材料應(yīng)遵循以下原則：1）滿足焊接接頭使用性能的耍求。包括常溫、高溫短時(shí)強(qiáng)度、彎曲性能、沖擊韌性、硬度、化學(xué)成份等，以及一些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)圖紙中對(duì)接頭性能的特殊耍求，諸如持久強(qiáng)度、蠕變極限、高溫抗氧化性能、抗腐蝕性能等。2）滿足焊接接頭制造工藝性能和焊接工藝性能的要求。焊接接頭組成的構(gòu)件，在制造過程中不可避免耍進(jìn)行各種成型和切削加工，例如沖壓、卷、彎

2、、車、刨等加工工序，要求焊接接頭具有一定的塑性變形能力和切削性能、高溫綜合性能等。焊接工藝則耍焊接材料工藝性能良好，根據(jù)母材的焊接性差異，具有對(duì)應(yīng)的抗裂紋等缺陷的能力。3）合理的經(jīng)濟(jì)性。在滿足上述各種使用性能、制造性能的最低耍求的同時(shí)，應(yīng)選擇價(jià)格便宜的焊接材料，以降低制造成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。例如重耍部件的低碳鋼手工電弧焊時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用堿性藥皮焊條，因?yàn)閴A性焊條脫氧、脫硫充分，且氫含量低,焊縫金屈抗裂性能及沖擊韌性性能好。而對(duì)丁一些非重要部件，可選用酸性焊條，因?yàn)樗嵝院笚l仍能滿足非重要部件的性能要求，而且工藝性良好，價(jià)格便宜，可降低制造成本。第二節(jié)碳素鋼、低合金鋼焊接材料的選擇碳素鋼、低合金鋼（

3、包括低合金耐熱鋼、低合金高強(qiáng)鋼）焊接材料的選擇，應(yīng)考慮下列因素：1）等強(qiáng)性和等韌性原則承壓承載的部件，通常根據(jù)材料的拉伸許用應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，拉伸許用應(yīng)力與材料的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值有關(guān)，即許用應(yīng)力（0）=ob/nb（各種標(biāo)準(zhǔn)Db的取值不同）,其中）為材料的拉伸許用應(yīng)力，0b為材料的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值，嘰為安全系數(shù)（各種標(biāo)準(zhǔn)嘰的取值不同），所以焊接接頭作為部件的一部分，其焊縫抗拉強(qiáng)度應(yīng)不小丁母材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度規(guī)定值的下限。同時(shí)應(yīng)注意焊接材料熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度不能大大高丁母材的抗拉強(qiáng)度，而導(dǎo)致焊縫塑性性能降低，硬度增大，不利丁隨后的制造成型。盡管強(qiáng)度計(jì)算僅考慮材料的抗拉強(qiáng)度，各種工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫的

4、屈服強(qiáng)度均無耍求，但選擇焊接材料時(shí)也應(yīng)考慮焊接材料熔敷金屈的屈服強(qiáng)度不應(yīng)低丁母材的屈服強(qiáng)度，并注意保證一定的屈強(qiáng)比。當(dāng)接頭在高溫運(yùn)行通常用工作溫度（或設(shè)計(jì)溫度）下材料的高溫短時(shí)抗拉強(qiáng)度規(guī)定值下限進(jìn)行許用應(yīng)力計(jì)算即。t=ob7nb其中X為材料t溫度下，短時(shí)抗拉強(qiáng)度規(guī)定值下限計(jì)算的高溫許用應(yīng)力0為材料t溫度下，短時(shí)抗拉強(qiáng)度規(guī)定值下限或工作溫度下材料的持久強(qiáng)度蠕變極限進(jìn)行許用應(yīng)力計(jì)算。門=oD7nD其中為材料t溫度下持久強(qiáng)度計(jì)算的許用應(yīng)力0；為材料t溫度下的持久強(qiáng)度no為安全系數(shù)（各種標(biāo)準(zhǔn)no的取值不同）因此，選擇高溫運(yùn)行焊接接頭的焊接材料時(shí)也應(yīng)考慮其高溫短時(shí)抗拉強(qiáng)度或持久強(qiáng)度不得低丁母材的對(duì)應(yīng)值。

5、一般碳素鋼和普通低合金鋼選擇焊接材料主要考慮焊接材料的抗拉強(qiáng)度，可不考慮熔敷金屈的化學(xué)成份與母材匹配，但對(duì)TCr-Mo耐熱鋼材料焊接選擇其焊接材料不僅考慮其等強(qiáng)性還應(yīng)考慮合金元素的匹配以保證焊接接頭的綜合性能與母材一致。在特殊情況下部件按材料的屈服強(qiáng)度計(jì)算許用應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)就必須以屈服強(qiáng)度的等強(qiáng)性為重要考慮因素。由丁部件的運(yùn)行工況不同，在運(yùn)行中常常會(huì)由于韌性不足而產(chǎn)生脆性破壞，尤其是低溫工作的部件或高強(qiáng)厚壁部件更容易發(fā)生脆性破壞。所以有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊接接頭的沖擊韌性指標(biāo)都提出明確耍求。選擇焊接材料時(shí)應(yīng)保證焊縫的沖擊韌性滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。然而標(biāo)準(zhǔn)不同對(duì)接頭沖擊韌性的要求也各不相同。蒸汽鍋爐安全監(jiān)察

6、規(guī)程中規(guī)定焊接接頭的沖擊韌性不得低丁母材沖擊韌性規(guī)定值的下限。當(dāng)母材沒有沖擊韌性指數(shù)時(shí)則不得低于27J。鋼制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)GB150中規(guī)定接頭沖擊韌性值要求按鋼最低抗拉強(qiáng)度而確定。對(duì)丁碳素鋼和低合金鋼其接頭最低沖擊韌性為：鋼材最低抗拉強(qiáng)度W450MPa時(shí)為18J450-515MPa時(shí)為20J515-655NIPa時(shí)為27J低溫容器其沖擊韌性值應(yīng)不低丁母材的規(guī)定值下限。而ASME法規(guī)VI卜1則根據(jù)材料的強(qiáng)度級(jí)別、厚度、工作溫度、設(shè)計(jì)應(yīng)力與許用應(yīng)力之比值來確定接頭是否要保證沖擊韌性性能。如果接頭有沖擊韌性耍求，則乂根據(jù)材料的強(qiáng)度級(jí)別和厚度規(guī)定沖擊韌性的最低保證值。綜上所述，我們選擇焊接材料時(shí)，應(yīng)按照

7、產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，確定對(duì)接頭沖擊韌性的耍求后，選擇合適的焊接材料滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，也就是使用性能的耍求。在考慮沖擊韌性要求時(shí)，應(yīng)注意結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)溫度和使用溫度。當(dāng)使用溫度等丁或大丁常溫時(shí)，則只要保持接頭的常溫沖擊韌性；如低丁常溫時(shí)，則應(yīng)保證標(biāo)準(zhǔn)或圖紙所規(guī)定溫度下的沖擊韌性值。當(dāng)然焊接接頭的性能不僅與焊接材料有關(guān)，而且與具體的焊接工藝有關(guān)。所以選擇接頭的焊接材料是比較復(fù)雜的問題。2）考慮制造工藝的耍求和影響在部件焊接以后，往往還耍經(jīng)過各種成型加工工序，諸如卷、壓、彎、校等工藝，因此焊接接頭和母材耍具一定加工變形能力，其中最主要的冷變形能力，其衡量方法為接頭的彎曲試驗(yàn)。很多標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各種材料焊接接

8、頭的彎曲試驗(yàn)耍求作了明確規(guī)定。蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程規(guī)定：彎曲試驗(yàn)時(shí)彎軸冇徑D二3a（a為試件厚度），碳素鋼彎曲角度180合格，低合金鋼100合格oGB150-99鋼制壓力容器和ASME第IX篇中規(guī)定:任何材料彎曲試驗(yàn)時(shí)，彎軸直徑D=4a,彎曲角度180。合格。因此選擇焊接材料時(shí)，應(yīng)考慮焊縫金屬的彎曲性能應(yīng)滿足上訴標(biāo)準(zhǔn)的耍求。另外，選擇焊接材料還應(yīng)考慮焊后的熱過程（諸如焊后退火處理、正火處理、調(diào)質(zhì)處理等）對(duì)焊縫金屬性能的影響。應(yīng)注意到焊后退火熱處理，特別是焊后正火處理，焊縫金屈性能發(fā)生的較大變化。當(dāng)焊接件較薄時(shí)，焊后不必作消除應(yīng)力熱處理，焊縫金屈在焊態(tài)下的性能滿足有關(guān)要求就可以。焊接件壁厚較

9、厚，超過一定界限，按有關(guān)制造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)做消除應(yīng)力退火處理，熱處理加熱溫度和保溫時(shí)間不同，則性能變化不同。工程上用Larson-Miller（萊塞一米勒）參數(shù)，乂稱回火參數(shù)來討論消除應(yīng)力退火的加熱溫度與保溫時(shí)間共同對(duì)焊縫金屬性能的影響，回火參數(shù)公式為：P=T（20+logt）X103其中T為絕對(duì)溫度，單位K,t為時(shí)間，單位小時(shí)。18418819219620.020.420821.221.(P)=T(20+Logt)XIQ3JP0CCLM圖1CMA96焊條的熔敷金屬回火參數(shù)與沖擊韌性的關(guān)系11111丄1118.418.819.219620.020.420.821.2回火參數(shù)(P)=T(20+Log

10、t)X103圖2.CMA-106焊條的熔敷金屬回火參數(shù)與強(qiáng)度性能之間的關(guān)系一般說來，隨著P值增大，焊縫金屬抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度下降，延伸率上升，沖擊韌性時(shí)升時(shí)降。圖1,圖2為CMA96,CMA106焊條的熔敷金屬回火參數(shù)與力學(xué)性能之間的關(guān)系。因此選擇焊后退火處理焊接材料時(shí)應(yīng)考慮該材料的熔敷金屈在對(duì)應(yīng)P值下的力學(xué)性能是否滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。特別注意的是，當(dāng)焊接接頭焊后耍經(jīng)過熱沖壓、熱校園、熱卷制等熱成形加工時(shí)，其加熱溫度達(dá)到材料的AG溫度以上，保溫一段時(shí)間后，在靜止空氣中冷卻，正火過程的冷卻速度比焊接過程的冷卻速度慢的多，正火過程焊縫金屈在800-500C停留時(shí)間比焊接過程長(zhǎng)的多。鋼材正火加熱在A

11、G以上全部奧氏體化，冷卻過程重結(jié)晶，破壞了原來焊縫金屬的過冷組織，使焊縫強(qiáng)度大大降低，最嚴(yán)重的降低在lOOMPa以上。因此，凡經(jīng)過熱加工成型的焊接接頭，選擇的焊接材料應(yīng)比焊態(tài)或消除應(yīng)力處理下焊接材料的強(qiáng)度級(jí)別高50-100Mpa以上，例如19Mn6正常情況下埋弧焊焊絲為HOSMnMO,而接頭如正火處理應(yīng)選H08Mn2Moo30萬千瓦汽包巾?xiàng)U材料SA675,其抗拉強(qiáng)度規(guī)定值下限為485MPa,正常情況下，手工電弧焊應(yīng)選J507焊條，但彎頭部分的接頭在經(jīng)過熱彎正火處理，經(jīng)過試驗(yàn)應(yīng)選J607為宜。正火處理的焊接接頭選擇焊接材料時(shí)，不僅?？紤]強(qiáng)度比通常情況提高50-100MPa以上，還應(yīng)考慮焊縫金屈的

12、化學(xué)成份應(yīng)與母材的化學(xué)成份相當(dāng)。因?yàn)椴牧系暮辖鸬慕M成和含量決定了該材料的AG溫度高低，如果焊縫金屬和母材化學(xué)成份相差較大，AG溫度也會(huì)相差較大，母材和焊縫一同正火處理，無法確定合適的正火溫度。另外，焊接接頭如果耍淬火+回火的調(diào)質(zhì)處理，也考慮調(diào)質(zhì)處理對(duì)接頭性能的影響。調(diào)質(zhì)處理接頭的焊接材料其強(qiáng)度可比正火處理接頭的焊接材料低一些，例如BHW35電渣焊后正火處理選用H10Mn2NiMo,而調(diào)質(zhì)處理時(shí)，可選H10Mn2Mo即可。3）考慮材料的焊接性和焊接方法的冶金特點(diǎn)材料的焊接性各不相同對(duì)某些關(guān)鍵元素含量耍求也不一樣，選擇焊接材料時(shí)，應(yīng)考慮材料的焊接性，例如2.25Cr-lMo耐熱鋼其焊縫金屈在332

13、-432C溫度范圍內(nèi)保溫或緩慢冷卻可能產(chǎn)生所謂回火脆性現(xiàn)象造成焊縫金屬的脆性轉(zhuǎn)變溫度明顯提高。研究表明，這種焊縫金屈的回火脆性敏感性是P、As、Sb、Sn雜質(zhì)在晶界上偏折引起的。一致認(rèn)為焊縫金屬的低溫回火脆性與P、Si含量有關(guān)，必須使焊縫金屈的P,Si含量降低，PW0.015%SiWO.15%。所以Cr-Mo耐熱鋼埋弧焊應(yīng)選擇中猛中硅焊劑HJ350而不應(yīng)選用HJ431與H08Cr3MnMoA焊絲匹配。焊縫金屈回火脆性的敏感性取決丁焊縫金屈的合金系列，同樣C-Mo.Mn-Mo.Mn-Ni-Mo系列的焊縫金屈也存在回火脆性問題，上述系列的焊接材料的埋弧焊絲應(yīng)與町350焊劑匹配，以降低焊縫金屬中的S

14、i含量，例如埋弧焊焊接BHW35采用H08Mn2Mo焊絲應(yīng)與町350焊劑匹配。如果耍求焊縫金屈的沖擊韌性更高些，焊劑還應(yīng)選用町250或HJ250+HJ350混合焊劑。而對(duì)THOSMnA.H10Mn2等低硅焊絲其焊縫金屬不存在回火脆性現(xiàn)象，用這兩種焊絲焊接20#或16Mn時(shí)應(yīng)選用高硅、高猛焊劑町431。通過高猛高硅與金屈的冶金反應(yīng)，使焊接熔池增硅，焊縫金屬中一定量的硅含量，有利焊縫金屈脫氧過程防止氣孔產(chǎn)生。選擇焊接材料還應(yīng)考慮不同焊接方法的冶金特點(diǎn)，例如熔化極氣體保護(hù)焊，保護(hù)氣體為C0：或C0:+Aro焊接過程不存在藥皮或焊劑與金屈間的冶金反應(yīng)，會(huì)存在C0：與金屈元素反應(yīng)形成金屈氧化物FeO,這

15、樣焊絲中必須含有適當(dāng)?shù)墓?、猛進(jìn)行還原反應(yīng)達(dá)到脫氧目的以保證獲得致密的焊縫組織。而鐲極氟弧焊過程，不存在氧化還原反應(yīng)，填充焊絲和母材實(shí)際上是重熔過程，因此氟弧焊絲必須充分脫氧，不宜采用沸騰鋼材料，否則在焊縫中會(huì)產(chǎn)生氣孔，應(yīng)采取鎮(zhèn)靜鋼，這樣也不需耍焊絲中有一定的Si.Mn含量。例如15CrM。耐熱鋼采用氟弧焊應(yīng)選擇HOSCrMo焊絲，而熔化極氣體保護(hù)焊應(yīng)選用HOSCrMnSiMo焊絲。第三節(jié)奧氏體不銹鋼的焊接材料選擇焊接材料與母材等強(qiáng)原則對(duì)奧氏體不銹鋼并不完全適用，奧氏體不銹鋼如用丁耐蝕工況，對(duì)強(qiáng)度無具體耍求，主?？紤]焊縫的抗腐蝕性能。如用丁高溫高壓工況，短時(shí)工作則耍求具有一定的高溫短時(shí)強(qiáng)度，長(zhǎng)期

16、工作則要保證焊縫金屈有足夠的持久強(qiáng)度和蠕變極限，例如：SA213-TP304H管子用丁高壓高溫工況，則需選用E308H焊接材料。奧氏體不銹鋼焊接，選擇焊接材料更主?？紤]熔敷金屈的化學(xué)成份應(yīng)與母材成份相當(dāng)，只要焊接材料的熔敷金屈的化學(xué)成份與母材相當(dāng)，此焊縫金屈的使用性能就能與母材相當(dāng)，包括力學(xué)性能抗蝕性等，特別曳注意制造技術(shù)條件或圖紙對(duì)抗腐蝕性能的特殊耍求。為防止焊接過程產(chǎn)生晶間裂紋最好選用低碳（超低碳），含Ti、Nb的不銹鋼焊接材料。焊條藥皮中或焊劑中如S0：含量過高就不適用含銀高的奧氏體鋼的焊接。為防止焊縫熱裂紋（凝固裂紋），應(yīng)控制P、S、Sb、Sn雜質(zhì)的含量，盡可能避免焊縫金屈生成單相奧氏

17、體組織。盡管許多資料介紹，奧氏體不銹鋼焊縫中的鐵素體含量對(duì)降低焊縫金屬裂紋傾向有利，但是過去大量的純奧氏體焊縫金屬己使用多年，而且接頭運(yùn)行良好。在某些介質(zhì)中適當(dāng)?shù)蔫F素體含量對(duì)耐蝕性有利，但是對(duì)低溫工況下焊縫金屈的沖擊有害。綜合考慮，一般希望奧氏體不銹鋼中的鐵素體含量為4-12%為宜，因?yàn)?%的鐵素體含量就可獲得滿意的抗晶間腐蝕性。焊縫中的鐵素體含量可用焊縫金屈中化學(xué)成份，折算成Cr當(dāng)量和Ni當(dāng)量，通過組織圖進(jìn)行估計(jì)，常用的組織圖有WRC-1988圖，愛斯派圖和徳龍圖，其中WRC-1988圖適用于300系列不銹鋼和雙相不銹鋼，對(duì)TN0.2%Mn10%的材料不適用。愛斯派圖適用于Mnl.5%N19

18、Mn615MnMoV.BHW35等低合金鋼的同種異材鋼的焊接，焊接材料與低碳鋼本身相焊的焊接材料完全相同。即手工電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)焊對(duì)應(yīng)的焊接材料分別為J507,H08MnA+HJ431,H08Mn2Sio低合金鋼耐熱鋼與中合金鋼耐熱鋼的焊接由丁同種異材鋼焊縫化學(xué)成份的不連續(xù)性，會(huì)產(chǎn)生性能的不連續(xù)性。如果這種不連續(xù)性對(duì)使用性能產(chǎn)生較大影響，就不能按低檔原則選擇焊接材料。例如SA213-T91與SA213-T22材料的焊接，如果按通常的低檔原則，選擇2.25Cr-lM0的焊接材料進(jìn)行焊接,那么在T91一側(cè)的熔合線附近的T91母材會(huì)嚴(yán)重增碳，產(chǎn)生脫增層，同時(shí)T91一側(cè)的熔合線附近的焊縫嚴(yán)重脫

19、碳，產(chǎn)生脫碳層。這是由TT91含珞量9%左右，2.25Cr-lMo焊絲含碳量2.25%左右，那么在焊后退火處理后，T91一側(cè)的熱影響區(qū)珞的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于焊縫一側(cè)銘的含量，大量的碳會(huì)向母材偏移產(chǎn)生增碳層，造成硬度增加，組織更加淬硬,而焊縫一側(cè)嚴(yán)重脫碳，硬度偏低，組織軟化，使接頭性能惡化。如果選用9Cr-lMo焊接材料，在T22熔合線一側(cè)乂會(huì)產(chǎn)生焊縫增碳，母材脫碳現(xiàn)象。特別指出的是，當(dāng)這樣接頭的部件在高溫下運(yùn)行時(shí)，這種化學(xué)成分嚴(yán)重不連續(xù)性，會(huì)使碳的遷移長(zhǎng)時(shí)間地不斷進(jìn)行，導(dǎo)致接頭性能嚴(yán)重惡化，發(fā)生運(yùn)行故障。為避免和減少上述現(xiàn)象發(fā)生，有關(guān)研究表明，可選用中間化學(xué)成份5Cr-lMo的焊接材料進(jìn)行焊接，或則

20、在焊接材料中添加碳化物穩(wěn)定元素Nb、V來固化碳元素，減少碳偏移現(xiàn)象發(fā)生。國(guó)內(nèi)一公司通過初步試驗(yàn)，選用含Nb、V的T91焊接材料，例如CM-9cb、TGS-9cbMGS-9cb來焊接上述同種異材鋼,也能取得較好的效果。第六節(jié)碳素鋼、低合金鋼與奧氏體不銹鋼異種鋼焊接的焊接材料選擇碳素鋼、低合金鋼與奧氏體不銹鋼異種鋼焊接，應(yīng)根據(jù)接頭的工作溫度，接頭的受力工況來選擇焊接材料。當(dāng)承載承壓的這類異種鋼接頭工作溫度在315C以下，可選用高Cr、Ni合金含量的奧氏體不銹鋼焊接材料。按照碳素鋼（合金鋼）與奧氏體鋼的化學(xué)成份多少和焊接的熔合比大小，根據(jù)某種銀當(dāng)量、箔當(dāng)量組織圖選擇合適Cr、Ni含量的奧氏體不銹鋼焊接材料，以避免焊縫產(chǎn)生大量的馬氏體組織。當(dāng)然在碳素鋼或低合金鋼熔合線附近會(huì)產(chǎn)生狹小的馬氏體帶，通過減少焊接材料的碳含量，使馬氏體組織為塑性較好的低碳馬氏體,也能保證接頭具有良好的性能。當(dāng)承載承壓的異種鋼接頭，在溫度315C以上工作時(shí)，應(yīng)選用線基焊接材料。例如ECrNiFe-2,ERCrNiFe-3等。主要原因?yàn)槿绻x用普通的奧氏體不銹鋼焊接