焊接材料選擇基本原則

一． 定義

焊接材料：焊接時(shí)所消耗材料（包括焊條、焊絲、焊劑、保護(hù)氣體、電極、熔劑等）的通稱。

焊條：涂有藥皮的供電弧焊用的熔化電極。

焊絲：焊接時(shí)作為填充金屬，或同時(shí)用來導(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)。

保護(hù)氣體：焊接過程中用于保護(hù)金屬熔滴、焊接熔池和焊接區(qū)高溫金屬，防止外界有害氣體進(jìn)入焊接區(qū)的氣體。

電極：熔焊時(shí)，用以傳導(dǎo)電流并使填充材料和母材熔化或本身也作為填充材料而熔化的金屬絲（焊絲、焊條）、棒（石墨棒、鎢棒）、管、板等。電阻焊時(shí)，指用以傳導(dǎo)電路和傳遞壓力的金屬極。

熔劑：氣焊時(shí)用以去除焊接過程中形成的氧化物、改善熔池的潤濕性的粉狀物質(zhì)。

焊接材料選用的一般原則

1. 焊條

對(duì)焊條的基本要求：

（1） 焊條的熔敷金屬應(yīng)具有良好的力學(xué)性能

（2） 焊條的熔敷金屬應(yīng)具有規(guī)定的化學(xué)成分，以保證其使用性能的要求

（3） 焊條應(yīng)具有良好的工藝性能

（4） 要求焊條具有良好的抗氣孔、抗裂紋能力

（5） 焊條應(yīng)具有良好的外觀（表皮）質(zhì)量

焊條的組成：

焊條由焊芯和藥皮兩部分組成。焊條中被藥皮包覆的金屬芯是焊芯，其主要作用是導(dǎo)電，在焊條端部形成電弧，同時(shí)焊芯靠電弧熱熔化后，冷卻形成具有一定成分的熔敷金屬。焊條中涂在焊芯表面上的涂料稱為藥皮。其主要作用是機(jī)械保護(hù)作用、冶金處理作用和改善焊接工藝性能。

焊條的分類：

按熔渣的堿度分為酸性焊條和堿性焊條；按藥皮的主要成分分為鈦型、鈦鈣型、鈦鐵礦型、氧化鐵型；按用途分類分為結(jié)構(gòu)鋼焊條（J）、鉬及鉻鉬耐熱鋼焊條（R）、不銹鋼焊條（鉻不銹鋼G,鉻鎳不銹鋼A）、堆焊焊條（D）、低溫焊條（W）、鑄鐵焊條（Z）、鎳及鎳合金焊條（Ni）、銅及銅合金焊條（T）、鋁及鋁合金焊條（L）、特殊用途焊條（Ts）。

焊條的型號(hào)和牌號(hào)：

焊條的牌號(hào)應(yīng)包括以下含義：焊條、焊條類別、焊條特點(diǎn)（如熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度、使用溫度、焊芯金屬類型、熔敷金屬化學(xué)組成類型等）、藥皮類型及焊接電源。

根據(jù)GB/T 5117-1995《碳鋼焊條》和GB/T 5118-1995《的合金鋼焊條》的規(guī)定，焊條型號(hào)的主體結(jié)構(gòu)由字母“E”和四位數(shù)字組成，其結(jié)構(gòu)和含義如下：

E X1X2X3X4 E：表示焊條

X1X2：焊條系列，即熔敷金屬抗拉強(qiáng)度最小值

X3：焊條的焊接位置

X4：焊條藥皮類型及焊接電源種類

例如：E 5015 E:焊條

50：熔敷金屬抗拉強(qiáng)度σb≥409Mpa

1：全位置（0、1全位置；2平焊及平角焊；4：平焊、立焊、仰焊、立向下焊僅對(duì)碳鋼焊條適用）

低合金鋼焊條：

E X1X2 X3 X4-□-□

E：焊條

X1X2：熔敷金屬抗拉強(qiáng)度最小值

X3：焊條的焊接位置（0、1全位置；2用于平焊及平角焊）

X4：焊接電流種類及藥皮類型以數(shù)字表示

□1：熔敷金屬化學(xué)成分分類代號(hào)，以字母表示

□2：附加化學(xué)成分，以化學(xué)元素符號(hào)表示

不銹鋼焊條：

E 308L-16

E:表示焊條

308L：熔敷金屬的化學(xué)成分，L表示超低碳，

308表示焊條熔敷金屬化學(xué)成分類型

其他種類焊條不再贅述。

2．焊絲

對(duì)焊絲的基本要求：

焊絲在焊接過程中起傳導(dǎo)電流、填充金屬、過渡合金的作用，自保護(hù)藥芯焊絲在焊接過程中還起保護(hù)或脫氧和去氮作用。因此，要求焊絲要具有要求的化學(xué)成分，力學(xué)性能，而且還應(yīng)對(duì)其尺寸和表面質(zhì)量提出明確的技術(shù)要求。

焊絲的分類：

按結(jié)構(gòu)形式分為藥芯焊絲和實(shí)芯焊絲，藥芯焊絲按結(jié)構(gòu)和填料的不同又分為好多種類型；按鋼種分為低碳鋼焊絲、低合金鋼焊絲（高強(qiáng)度鋼用焊絲、Cr-Mo耐熱鋼焊絲、低溫鋼用焊絲）、不銹鋼焊絲、硬質(zhì)合金堆焊焊絲、銅及銅合金焊絲、鋁及鋁合金焊絲、鑄鐵焊絲等；按焊接方法分為埋弧焊焊絲、電渣焊焊絲、CO2氣體保護(hù)焊焊絲、氬弧焊焊絲、（TIG焊用焊絲、MIG焊用焊絲、MAG焊用焊絲）、自保護(hù)焊焊絲、堆焊焊絲、氣焊焊絲。

焊絲的型號(hào)或牌號(hào)

（1）焊接用碳鋼低合金鋼不銹鋼焊絲

除GB/T8110-95外，焊絲的型號(hào)或牌號(hào)均以字母H表示焊絲，氣牌號(hào)的編制方法為：以字母H表示焊絲；H之后的一位或兩位數(shù)字表示含碳量（平均約數(shù)）；化學(xué)元素符號(hào)及其后的數(shù)字表示該元素的大約質(zhì)量分?jǐn)?shù)，當(dāng)主要合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤1％時(shí)，可省略數(shù)字只標(biāo)記元素符號(hào)；焊絲牌號(hào)尾部標(biāo)有A或E時(shí)，表示為優(yōu)質(zhì)品或高級(jí)優(yōu)質(zhì)品，表明有更低的S、P等雜質(zhì)含量。

例如：H08Mn2SiA

H:焊絲 08：含碳量，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.08％

Mn2:含Mn量質(zhì)量分?jǐn)?shù)約2％ Si:含Si量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為≤1％

A：優(yōu)質(zhì)品，S、P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約≤0.03％

（2）氣體保護(hù)焊用碳鋼、低合金鋼焊絲

根據(jù)GB/T8110-95規(guī)定，焊絲型號(hào)的表示方法為ERXX-X：字母ER表示焊絲，ER后面的兩位數(shù)字表示熔敷金屬的最低抗拉強(qiáng)度，－后面的字母或數(shù)字，表示焊絲化學(xué)成分的分類代號(hào)。還附加其他化學(xué)成分時(shí)，可直接用元素符號(hào)表示，并以短劃－與前面數(shù)字分開。

例如：ER55-B2-Mn

ER：焊絲 55：熔敷金屬抗拉強(qiáng)度最小值為550Mpa

B2：焊絲化學(xué)成分分類代號(hào) Mn：表示焊絲中含有Mn元素

2. 焊劑

對(duì)焊劑的基本要求：

（1） 具有良好的冶金性能

（2） 具有良好的焊接工藝性能

（3） 具有較低的含水量和良好的抗潮性

（4） 焊劑中機(jī)械夾雜物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)大于0.3％

（5） 焊劑應(yīng)具有較低的S、P含量，S≤0.06％；≤0.08％

（6） 焊劑應(yīng)有一定的顆粒度，普通的8-40目，細(xì)粒度為14-60目

（7） 電渣焊焊劑，為了得到良好的焊接接頭，對(duì)焊劑有如下要求

熔渣的導(dǎo)電率應(yīng)在合適的范圍內(nèi)；熔渣的粘度應(yīng)適宜；控制焊劑的蒸發(fā)溫度。

另外，焊劑還應(yīng)具有良好的脫渣性、抗裂性和抗氣孔能力。

焊劑的分類：

焊劑常分為熔煉型焊劑和非熔煉型焊劑（粘結(jié)焊劑、燒結(jié)焊劑）等。

例如：HJ431

HJ:埋弧焊及電渣焊用熔煉焊劑

4：焊劑類型為高錳

3：焊劑類型為高硅低氟

1：牌號(hào)編號(hào)，相同類型中的不同編號(hào)，按0，1…9排列

二．焊接材料的選擇

為得到高質(zhì)量的焊接接頭，首先要合理選擇焊接材料。

1.滿足焊接接頭使用性能的要求

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)成分等，以及一些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)圖紙中對(duì)接頭性能的特殊要求，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.焊接接頭制造工藝性能和焊接工藝性能的要求

經(jīng)焊接組成的構(gòu)件，在制造過程中不可避免要進(jìn)行各種成型和切削加工，例如，沖壓、卷、彎、車、刨等加工工序，這就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。焊接工藝則根據(jù)母材的焊接性差異，要求焊接材料的工藝性能良好，并具有相應(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、制造性能的最低要求的同時(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，重要部件的低碳鋼焊條電弧焊時(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，具有良好的焊縫金屬抗裂性能及沖擊韌性。而對(duì)于一些非重要部件，可選用酸性焊條，因?yàn)樗嵝院笚l既具有良好的工藝性，又滿足非重要部件的性能要求，而且價(jià)格便宜，可降低制造成本。

三． 素鋼、低合金鋼焊接材料的選擇

(1) 等強(qiáng)性原則

焊接接頭作為部件的一部分，其焊縫抗拉強(qiáng)度應(yīng)不小于母材標(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)度不能高于母材抗拉強(qiáng)度太多，否則將導(dǎo)致焊縫塑性降低，硬度增大，不利于隨后的制造成型。

選擇高溫運(yùn)行下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)度不低于母材的對(duì)應(yīng)值。

一般碳素鋼和普通低合金鋼焊接時(shí)，選擇焊接材料主要考慮焊接材料的抗拉強(qiáng)度，可不考慮熔敷金屬的化學(xué)成分與母材匹配；但Cr-Mo耐熱鋼材料焊接時(shí)，選擇焊接材料不僅要考慮熔敷金屬的化學(xué)成分與母材匹配，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。

(2) 等韌性原則

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。由于部件的運(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)察規(guī)程》中規(guī)定，焊接接頭的沖擊韌性，不得低于母材沖擊韌性規(guī)定值的下限，當(dāng)母材沒有沖擊韌性要求時(shí)，則不得低于27J。GB 150《鋼制壓力容器》中規(guī)定，接頭沖擊韌性值要求按鋼材最低抗拉強(qiáng)度而確定。對(duì)于碳素鋼和低合金鋼其接頭最低沖擊韌性要求見表3-40。

低溫容器其沖擊韌性值應(yīng)不低于母材的規(guī)定值下限，而ASME法規(guī)Ⅷ-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)力之比的值，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要求，則又根據(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。

(3) 考慮制造工藝的要求和影響

部件在焊接以后，往往還要經(jīng)過各種成型加工工序，諸如卷、壓、彎、校等工藝，因此，焊接接頭和母材都要具有一定加工變形能力，其中最主要的冷變形能力，衡量其方法為接頭的彎曲試驗(yàn)

四．奧氏體不銹鋼的焊接材料選擇

焊接材料與母材等強(qiáng)性原則對(duì)奧氏體不銹鋼并不完全適用。奧氏體不銹鋼如用于耐蝕工況，對(duì)強(qiáng)度無具體要求，主要考慮焊縫的抗腐蝕性能。如用于高溫高壓工況，短時(shí)工作則要求具有一定的高溫短時(shí)強(qiáng)度，長期工作則要保證焊縫金屬有足夠的持久強(qiáng)度和蠕變極限，例如：SA213-TP304H管子用于高溫高壓工況，電弧焊時(shí)，則需選用含碳量較高的E308H焊條。

a) 考慮熔敷金屬的化學(xué)成分

奧氏體不銹鋼焊接，選擇焊接材料時(shí)，更主要的是考慮熔敷金屬的化學(xué)成分應(yīng)與母材成分相當(dāng)，只要焊接材料的熔覆金屬的化學(xué)成分與母材相當(dāng)，此焊縫金屬的使用性能就能與母材相當(dāng)，包括力學(xué)性能、抗蝕性能等，此外，還要特別注意制造技術(shù)條件或圖紙對(duì)抗腐蝕性能的特殊要求。為防止焊接過程中產(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SO2含量過高，就不適用于含鎳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，盡可能避免焊縫金屬生成單相奧氏體組織。

b) 考慮焊縫中的鐵素體含量

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，但是生產(chǎn)應(yīng)用中大量的純奧氏體焊縫金屬已使用多年，而且接頭運(yùn)行也良好。另外，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)低溫工況下焊縫金屬的沖擊韌性有害。綜合考慮，一般奧氏體不銹鋼中的鐵素體含量為4-12％為適宜，因?yàn)?％的鐵素體含量就可獲得滿意的抗晶間腐蝕性。

c) 考慮焊接方法的影響

選擇奧氏體不銹鋼焊接材料時(shí)，應(yīng)注意焊接方法對(duì)熔敷金屬化學(xué)成分的影響。鎢極氬弧焊對(duì)焊縫金屬化學(xué)成分變化的影響最小，未受稀釋的焊縫金屬中除C、N外，其它變化不大，其中C損失******，含C量為0.06％的焊絲，氬弧焊未受稀釋的熔敷金屬中含C量為0.04％，而焊縫金屬中N的含量則增加0.02％左右。熔化極氣體保護(hù)焊Mn、Si、Cr、Ni、Mo含量可能發(fā)生輕微變化，而C的損失僅為氬弧焊的1／4，而N的含量增加較多，焊接工藝不同則增加量不同，最高可達(dá)0.15％。在焊條電弧焊和埋弧焊時(shí)，焊縫金屬的合金元素受藥皮、焊劑與焊芯、焊絲共同影響，尤其那些通過藥皮或焊劑進(jìn)行合金元素過渡的焊接材料，無法用焊芯、焊絲的化學(xué)成分估算焊縫金屬的化學(xué)。當(dāng)然通過焊縫金屬中的合金含量可估算出焊縫中鐵素體含量，但是這種估算值與實(shí)際值有一定偏差，因?yàn)楹附舆^程的冷卻速度也影響鐵素體含量，一致認(rèn)為如果焊縫金屬中合金元素含量完全相同，焊接方法不同，則鐵素體含量也不相同。以帶極堆焊最高，依次是埋弧焊、焊條電弧焊、CO2氣保焊、MAG焊、MIG焊、氬弧焊焊縫鐵素體含量最低。但即使同樣的帶極堆焊，不同部位焊縫鐵素體含量也不相同。在測量中發(fā)現(xiàn)，收弧和起弧處鐵素體含量比中見段低2-3％左右。隨著不銹鋼材料和焊接材料的標(biāo)準(zhǔn)化，使奧氏體不銹鋼焊材選擇變得簡單，可以通過不銹鋼的牌號(hào)選擇對(duì)應(yīng)焊接材料牌號(hào)，例如：SA-240-316不銹鋼焊接時(shí)可直接選擇E316焊條。

五．銹鋼焊接材料的選擇

馬氏體不銹鋼焊接時(shí)最好采用與母材同質(zhì)的焊接材料，例如，1Cr13鋼焊接時(shí)應(yīng)選擇E410系列的焊接材料，焊條電弧焊焊材牌號(hào)為G217。但是普通的1Cr13對(duì)應(yīng)的焊接材料，其焊縫金屬組織為粗大的馬氏體與鐵素體，該組織硬而脆，易形成裂紋，而且焊件必須預(yù)熱250-350℃，為改善性能要限制焊接材料中S、P含量和控制Si含量（≤0.30％），并降低C含量，增加少量的Ti、Al、Ni來細(xì)化晶粒，降低淬硬性，有資料表明，焊接材料中增加Nb含量（達(dá)0.8％左右），可獲得單相鐵素體組織。在CO2氣體保護(hù)焊時(shí)，焊絲要增加Ti、Mn元素含量，已達(dá)到脫氧目的。

馬氏體不銹鋼也可采用奧氏體不銹鋼焊接材料，此時(shí)必須考慮母材稀釋對(duì)焊縫金屬成分的影響，通過適當(dāng)?shù)腃r、Ni含量，避免在焊縫金屬中形成馬氏體組織，例如焊條電弧焊時(shí)，采用A312（E309Mo）焊條焊接1Cr13馬氏體鋼。

六．素體不銹鋼焊接材料的選擇

鐵素體不銹鋼通常也采用與母材同質(zhì)的焊接材料，但是焊縫的鐵素體組織粗大而且韌性很差，可以通過焊接材料中增加Nb含量來改善鋼化鐵素體組織，同時(shí)，通過熱處理來改善焊縫金屬的韌性。

七．異種材鋼的焊接材料的選擇

低碳鋼與低合金鋼之間的焊接以及不同材質(zhì)的低合金鋼之間的焊接屬于同種異材鋼的焊接。這類鋼之間的焊接，可按低檔材質(zhì)，及強(qiáng)度級(jí)別或合金元素含量低的材質(zhì)選擇焊接材料。選擇低檔材料比高檔材料焊接性能好，價(jià)格也較為便宜，有利于降低制造成本。