第三章焊接材料。2015.

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/T2374-1999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①组成焊缝②影响焊缝微观组织及缺欠③影响热影响区熔化热（电弧过程）熔合区性能第一节焊条一、焊条分类1.根据用途分①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②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（一）焊条的型号GB5117—2012《非合金钢及细晶粒钢焊条钢焊条》中，规定的焊条型号编制方法：①第一部分用字母“E”表示焊条；②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、50、55、57分别表示熔敷金属的最小抗拉强度，430、490、550、570MPa；③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；④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；⑤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，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.E5515-N5PUH10•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10mL/100mg•例2.E4303•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：①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…)②第一、二位数字表示各大类焊条中的若干小类③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9.盐基型（直流）二、焊条的组成1.焊芯①按照国家标准GB1300—1977、GB3429—1982、GB4241—1984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、H08A②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①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）②原材料稳弧：含低电离电位元素(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③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④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≥30%含有20%含有J423E4301钛铁矿型≥30%含有含有含有J424E4320氧化铁型≥30%含有含有含有J425E4310纤维素型含有含有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①直接影响焊接过程和焊接质量②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：CaF22.焊缝成形①要求：表面光滑、纹细密、过渡圆滑、无咬边、余高符合要求②影响因素：熔渣熔点和粘度、表面张力等3.全位置焊接性①提高电弧和气体吹力，使溶滴顺利过渡到熔池，阻止下流②提高熔渣表面张力③提高熔渣熔点，降低凝固时间4.飞溅①需要清理②产生飞溅的原因：水分多，渣粘度大③一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：①熔渣与金属线胀系数的差异（钛型最大，低氢型最小）②熔渣的氧化性③熔渣的松脆性6.焊条熔化速度一般用熔敷系数（αH)来表示纤维素型焊条αH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—熔化系数—熔焊重量飞溅物重量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0.4~0.752.典型配方：金红石、钛白粉、还原钛铁矿、Mn-Fe等3.冶金反应①氧化反应Fe的氧化][][][][][)(][][][][][][FeOFeOFeOSiSiOFeFeOMnFeMnOHFeOOHFeCOFeOCOFeFeOOFe）（熔渣氧化气体氧化气222222221C的氧化[C]+[O]=CO易出现气孔，增加Mn可抑制该反应②脱氧反应先期脱氧[Mn]+O2=MnO[Mn]+[FeO]=Fe+MnO[Mn]+CaCO3=CaO·MnO+CO[Mn]+(SiO2)=(MnO)+[Si][Si]+2[FeO]=2[Fe]+(SiO2)[C]+[FeO]=[Fe]+CO扩散脱氧[FeO](FeO)③还原反应（SiO2）+2[Fe][Si]+2(FeO)（SiO2）+2[Mn][Si]+2(MnO)④脱P、S（效果较差）[Mn]+(FeS)=(MnS)+Fe[MnO]+(FeS)=(MnS)+FeO2P+5FeO=P2O5+5Fe2Fe2P+5FeO=P2O5+9Fe2Fe3P+5FeO=P2O5+11FeP2O5+3CaO=(CaO)3·P2O5P2O5+4CaO=(CaO)4·P2O5⑤焊缝金属合金化加入碳锰铁的主要作用是脱氧、脱硫⑥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⑦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，但随着[H]增加，性能下降5.力学性能σb≥420MPa，σ0.2≥330MPa，δ5≥22%AKV：0℃≥275，-20℃≥47（二）钛铁矿-氧化铁型1.渣系TiO2-MnO-SiO2碱度1.06~1.30Fe2O3-SiO2-MnO碱度1.02~1.42.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-Fe3.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①造气：木粉+碳酸盐②造渣：钛铁矿2.渣氧化性较大①目的：为避氢危害（H+OOH）②脱氧：Mn-Fe③合金化：Mo-Fe3.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：1.6~1.82.典型配方：大理石、石英砂、萤石①造渣：萤石②造气：大理石③脱氧：Ti-Fe3.冶金反应①脱氧反应：2CO2+Si=SiO2+2COCaO+SiO2=CaO·SiO22CO2+Ti=TiO2+2COCaO+TiO2=CaO·TiO2②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+3Si