第三章 焊接材料2015

1、 第三章 焊接材料 天津大学 杜则裕 2015.10前言一、焊接材料： 焊接时所消耗材料（包括焊条、焊丝、电极、焊剂、气体等）的通称。 焊条：涂有药皮的供焊条电弧焊用的熔化电极。它由药皮和焊芯两部分组成。 焊丝：焊接时作为填充金属，或同时用来导电的金属丝。 焊剂：焊接时能够熔化形成熔渣（有的也有气体），对熔化金属起保护和冶金作用的一种颗粒状物质。实心 二、焊接材料的主要作用：（1)作为填充材料，形成焊缝的主要成分；（2) 熔化金属，冶金处理，获得所要求的焊缝成型;（3)对焊接区域实施保护（4)稳定焊接过程 三、焊接材料应具备的功能：（1)焊接材料经熔化结晶凝固后所形成的熔敷金 属应具有与母材相

2、同或相近的性能；（2)焊接过程能够提供或产生对焊接高温区域具有保护 作用的介质。（3)具有稳弧作用 四、关于焊接材料的国家标准：GB/T5117-2012 非合金钢及细晶粒钢焊条；GB/T5118-2012 热强钢焊条GB/T983-2012 不锈钢焊条GB/T984-2001 堆焊焊条GB10044-1988 铸铁焊条及焊丝GB/T3670-1995 铜及铜合金焊条GB/T5293-1999 埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂GB/T12470-2003 埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂GB/T8110-1995 气体保护焊用碳钢、低合金钢焊丝GB/T13814-2008 镍及镍合金焊条 GB/T2374-1

3、999 铁道机车车辆用耐候钢焊条及焊丝 GB/T3429-2002 焊接用钢盘条 GB/T3965-2012 熔敷金属中扩散氢测定方法 GB/T4242-84 焊接用不锈钢丝 GB/T14957-1994 熔化焊用钢丝 GB/T10045-2001 碳钢药芯焊丝 GB/T17854-1999 埋弧焊用不锈钢焊丝和焊剂 五、全球焊材生产研发动态 全球焊接材料、焊接设备生产状态： 2006年产值：100亿美元 焊接材料/焊接设备：约6:4，即焊材产值约为60亿美元， 其中：林肯公司产值约21亿美元； 已将英国的METRODE（曼彻特焊接材料公司，国际上最大的不锈钢、耐热钢焊接材料生产商）收购。在上

4、海设有中国工厂。 伊莎公司13亿美元，在上海、江苏张家港设有中国工厂。 日本神钢（KOBELCO)，在河北唐山建厂： 韩国(KISWEL)高丽熔接棒：焊丝（实心6万吨，药芯4万吨，其它2万吨），在大连建厂； 韩国现代：实心焊丝产量12000t/a、药芯焊丝产量54000t/a，已在江苏昆山建厂。（t/a=吨/年）。 韩国(KISWEL)高丽熔接棒：实心焊丝6万t，药芯焊丝4万t，其它2万t），已在大连建厂； 六、我国焊接材料的发展动态 1.国内主要生产企业 及2012年产量 全国焊材总产量 474万t，产值约数百亿元人民币； 国内知名厂家的生产规模： 天津金桥 70万t （焊条57万t 、实心

5、焊丝12万t、其它1万t） 产值约35亿元人民币； 天津大桥50万t, 产值约25亿人民币； 四川大西洋 20万t； 株洲湘江 15万t； 锦州锦泰 实心焊丝年产12万t、药芯焊丝年产6万t 。 2.国内较大的焊材生产商及其产品 天津金桥：焊条、实心焊丝、药芯焊丝； 天津大桥：焊条，焊丝； 四川大西洋：焊条，焊丝； 株洲湘江：焊条，焊丝； 台湾广泰：焊条，焊丝； 锦州锦泰：实心焊丝 、药芯焊丝； 江苏：华通、长江：焊丝； 宇宙：焊条为主； 山东：齐鲁焊业、索力得焊业、大亚焊材、飞乐：实心焊丝北京：安泰，金太阳：药芯焊丝。 七、焊接材料对接头性能的影响组成焊缝影响焊缝微观组织及缺欠影响热影响区

6、熔化热（电弧过程） 熔合区性能 第一节 焊 条一、焊条分类一、焊条分类 1.根据用途分 结构钢焊条、耐热钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊 条、低温钢焊条、铸铁焊条、Ni及Ni合金焊条 国标中又将结构钢分为碳钢及低合金钢焊条 2.按焊接熔渣的碱度分 分为酸性焊条、碱性焊条 3.按焊条药皮的类型分 氧化钛型焊条、钛钙型焊条等二、焊条的型号和牌号二、焊条的型号和牌号 （一）焊条的型号（一）焊条的型号 GB51172012非合金钢及细晶粒钢焊条钢焊条中，规中，规定的焊条型号定的焊条型号 编制方法编制方法 ： 第一部分用字母“E”表示焊条 ； 第二部分为E后面第一、二位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值： 43

7、、50、55、57分别表示熔敷金属的最小抗拉强度， 430、490、550、570MPa； 第三部分为E后面第三、四位数字表示药皮类型、焊接位置和电流类型； 第四部分为熔敷金属的化学成分代号： 可为“无标记”或短划“-”后的字母、数字或字母和数字的组合； 第五部分为熔敷金属的化学成分代号之后的焊后状态代号： “无标记”-焊态、“P”-热处理状态、“AP”-以上两种状态均可； 除以上强制分类代号外，根据供需双方协商，可在型号后依次附加可选代号： a) 字母“U”,表示在规定试验温度下，冲击吸收能量可以达到47J以上，见该标准的“4.5.3”条文； b)扩散氢代号“HX”，其中X代表15、10或5

8、，分别表示每100g熔敷金属中扩散氢含量的最大值（mL)，见该标准的“4.7”条文。 型号示例： 例1. E 55 15 - N5 P U H10 E 表示焊条 55 表示熔敷金属抗拉强度最小值为550MPa 15 表示药皮类型为碱性，适用于全位置焊接采用直流反接 N5 - 表示熔敷金属化学成分分类代号 P 表示焊后状态代号，此处表示热处理状态 U 可选附加代号，表示在规定的温度下，冲击吸收能量47J以上H10 可选附加代号，表示熔敷金属扩散氢含量不大于10 mL/100mg 例2. E 43 03 E 表示焊条 43 表示熔敷金属抗拉强度最小值为430MPa 15 表示药皮类型为钛型，适用于

9、全位置焊接，采用交流直流正反接（二）焊条的牌号 1.焊条牌号是由焊条生产厂家制定的 2.编制方法： 牌号最前面的字母表示焊条各大类 J 结构钢焊条 R 耐热钢焊条 W 低温钢焊条 A 奥氏体不锈钢焊条、 G 铁素体不锈钢焊条 D 堆焊焊条 Z 铸铁焊条 Ni 镍及镍合金焊条 T 铜及铜合金焊条 L 铝及铝合金焊条 TS 特殊用途焊条（水下焊接、水下切割、鉄锰铝焊条) 第一、二位数字表示各大类焊条中的若干小类 第三位数字表示焊条药皮类型和焊接电源种类 : 0.不属已规定的类型 5.纤维素型 1.氧化钛型 6.低氢钾型 2.氧化钛钙型 7.低氢钠型（直流） 3.钛铁矿型 8.石墨型 4.氧化铁型

10、9.盐基型（直流）二、焊条的组成 1.焊芯 按照国家标准GB13001977、GB34291982 、 GB42411984等选择相应牌号的焊丝作为焊芯 ， 一般碳钢及低合金钢焊丝用H08、H08A 焊芯中的组成元素 C : 等强条件下越低越好，C含量高易引起气孔、飞 溅、裂纹等 Mn : 用来脱O、S，合金化，含量在0.3-0.55% Si : 生成SiO2，易形成夹杂，产生热裂，应加以限 制，越少越好 Ni、Cr ：对冶金过程不会有太大的影响 S、P ：有害，应加以限制2.药皮 作用 机械保护（气、渣联合保护） 冶金（脱氧、合金化） 改善工艺性能（稳弧） 原材料 稳弧 ：含低电离电位元素(

11、K、Ca、Na盐 类），如碳酸钾、水玻璃、大理石、长石 造气 ：有机物、碳酸盐 造渣 ：形成具有一定理化性能（流动性、粘 度、表面张力、凝固温度、氧化性等)的熔渣，保 护熔滴及熔池，改善成形 脱氧：亲和力比Fe大的金属及合金，如Mn- Fe、Ti-Fe、Si-Fe、Al等 合金化：铁合金或纯金属等 粘度：水玻璃、钾、钠、铝酸钠等 药皮成形：便于压制，提高焊条表面质量，白 泥、云母、钛白粉、糊精等药皮原材料的种类 矿物类 铁合金 化工产品：钛白粉、碳酸钾、水玻璃等 有机物 药皮类型 牌号型号药皮类型TiO2SiO2碳酸盐有机物Mn-FeJ421E4312钛型35%含有含有J422E4303钛钙型

12、30%含有15%含有J426E4315低氢型萤石30%无钛铁J427E4316低氢型萤石无钛铁Z208EZC石墨型石墨等Z308EZNi石墨型石墨等L109盐基型氟化物等三、焊条的工艺性能 1.电弧的稳定性 直接影响焊接过程和焊接质量 影响因素 电源 工艺参数 药皮含有物质： 低电离物质：云母、长石、钛白粉、大理 石、水玻璃等 反电离物质：CaF2 2.焊缝成形 要求：表面光滑、纹细密、过渡圆滑、无咬 边、余高符合要求 影响因素：熔渣熔点和粘度、表面张力等3.全位置焊接性 提高电弧和气体吹力，使溶滴顺利过渡到熔池，阻 止下流 提高熔渣表面张力 提高熔渣熔点，降低凝固时间4.飞溅 需要清理 产生

13、飞溅的原因：水分多，渣粘度大 一般钛钙型焊条飞溅较小，低氢型焊条飞溅较大5.脱渣性（多层焊时尤为重要） 影响因素：熔渣与金属线胀系数的差异（钛型最 大，低氢型最小） 熔渣的氧化性 熔渣的松脆性6.焊条熔化速度 一般用熔敷系数（H)来表示 纤维素型焊条H 较低7.药皮发红 降低措施：提高熔化系数，降低电阻热8.焊条发尘率 可溶性氟化物（KF、NaF）、MnO可致毒 飞溅率飞溅率熔化系数熔化系数熔焊重量熔焊重量飞溅物重量飞溅物重量PPH%1001四、典型焊条的性能分析 （一）钛型及钛钙型焊条 1. 渣系： TiO2-CaO-SiO2， 碱度在0.40.75 2.典型配方：金红石、钛白粉、还原钛铁矿

14、、 Mn-Fe等 3.冶金反应 氧化反应 Fe的氧化)(FeOFeOFeOSiSiOFeFeOMnFeMnOHFeOOHFeCOFeOCOFeFeOOFe）（熔熔渣渣氧氧化化气气体体氧氧化化气气222222221 C的氧化 C+O=CO 易出现气孔，增加Mn可抑制该反应 脱氧反应 先期脱氧 Mn+O2 = MnO Mn+FeO = Fe+MnO Mn+CaCO3 = CaOMnO+CO Mn+(SiO2) = (MnO)+Si Si+2FeO = 2Fe+ (SiO2) C+FeO = Fe+CO 扩散脱氧 FeO (FeO) 还原反应 （SiO2）+2Fe Si+2(FeO) （SiO2）+

15、2Mn Si+2(MnO) 脱P、S（效果较差） 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 焊缝金属合金化 加入碳锰铁的主要作用是脱氧、脱硫 气孔敏感性 造气剂、造渣剂较多，气-渣保护较好，含N较 低，氧化性相对较弱，脱氢能力低，H含量较 高，易出现氢白点及氢气孔 焊接烟尘4.工艺性能 成型好，气孔率小，脱渣性好，适用于全位置焊 接，飞溅小，

16、但随着H增加，性能下降5.力学性能 b420MPa， 0.2330MPa， 522% AKV：0 275 ， -20 47 （二）钛铁矿-氧化铁型 1.渣系 TiO2-MnO-SiO2 碱度1.06 1.30 Fe2O3-SiO2-MnO 碱度1.02 1.4 2.典型配方 钛铁矿、钛白粉 造渣：钛铁矿（TiO2）+Si酸盐 造气：碳酸盐、有机物 脱氧：Mn-Fe 3.冶金反应 氧化反应（置换、扩散） 脱氧反应强烈（合金过渡系数下降） 脱S、P困难，对热裂、冷裂敏感 H较低 4.工艺性能一般（三）纤维型焊条 1.气保护焊条，辅助渣保护 造气：木粉+碳酸盐 造渣：钛铁矿 2.渣氧化性较大 目的：

17、为避氢危害（H+OOH） 脱氧：Mn-Fe 合金化：Mo-Fe 3.特点 产气量大，穿透力大，用于打底或切割 （四）、低氢型焊条 1.渣系：CaO-SiO2-CaF2，碱度：1.6 1.8 2.典型配方：大理石、石英砂、萤石 造渣：萤石 造气：大理石 脱氧：Ti-Fe 3.冶金反应 脱氧反应：2CO2+Si=SiO2+2CO CaO+SiO2=CaOSiO2 2CO2+Ti=TiO2+2CO CaO+TiO2=CaOTiO2 脱氢反应 利用萤石脱氢 CaF2+2H=Ca+2HF CaF2+H2O=CaO+2HF 萤石与石英联合脱氢： 2CaF2+3SiO2=SiF4+2CaSiO3 SiF4+

18、3H=SiF+3HF 萤石与水玻璃作用脱氢 Na2OnSiO2+H2O=2NaOH+nSiO2 2NaOH+CaF2=Ca(OH)2+2NaF 2NaF+H2O+CO2=Na2CO3+2HF 焊接焊缝塑性好，但对进入熔池的H及氧 化物敏感，故要求严格清理，严格烘干 脱硫反应 提高碱度有利于脱S 脱磷反应 合金化：Mn、Si向焊缝中的过渡 焊接烟尘（危害最大的是NaF、KF）4.工艺性（工艺性不太好） MgSMnSCaSMgOMnOCaOFeS)()()(523523OPCaOOPPFePCaOFeO )(五、焊条的配制 1.配方设计 合金系统的设计 渣系设计 实验调整 2.焊条制造 拟定配方拟定配方合金过渡系数合金过渡系数工艺工艺调配方调配方拟订渣系拟订渣系根据性能拟订合金系统根据性能拟订合金系统拟订合金化方式拟订合金化方式 第二节 焊 剂一、焊剂分类（如图）二、焊剂型号 1.表示方法（如图） ”HJ”表示埋弧焊用焊剂 第一位数字1：表示焊缝金属的抗拉强度等拉 伸力学性能（如表2-15） 第二位数字2：表示拉伸试样和冲击试样的状 态（0 焊态，1 焊后热处理状态） 第三位数字3：表示焊缝金属冲击吸收功不小 于27J时的最低试验温度（如表2-16） 二、焊剂性能 1.高硅