焊接材料选择基本原则

 一． 定义

焊接材料：焊接时所消耗材料（包括焊条、焊丝、焊剂、保护气体、电极、熔剂等）的通称。

焊条：涂有药皮的供电弧焊用的熔化电极。

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。

保护气体：焊接过程中用于保护金属熔滴、焊接熔池和焊接区高温金属，防止外界有害气体进入焊接区的气体。

电极：熔焊时，用以传导电流并使填充材料和母材熔化或本身也作为填充材料而熔化的金属丝（焊丝、焊条）、棒（石墨棒、钨棒）、管、板等。电阻焊时，指用以传导电路和传递压力的金属极。

熔剂：气焊时用以去除焊接过程中形成的氧化物、改善熔池的润湿性的粉状物质。

焊接材料选用的一般原则

1. 焊条

对焊条的基本要求：

（1） 焊条的熔敷金属应具有良好的力学性能

（2） 焊条的熔敷金属应具有规定的化学成分，以保证其使用性能的要求

（3） 焊条应具有良好的工艺性能

（4） 要求焊条具有良好的抗气孔、抗裂纹能力

（5） 焊条应具有良好的外观（表皮）质量 

焊条的组成：

焊条由焊芯和药皮两部分组成。焊条中被药皮包覆的金属芯是焊芯，其主要作用是导电，在焊条端部形成电弧，同时焊芯靠电弧热熔化后，冷却形成具有一定成分的熔敷金属。焊条中涂在焊芯表面上的涂料称为药皮。其主要作用是机械保护作用、冶金处理作用和改善焊接工艺性能。

焊条的分类：

按熔渣的碱度分为酸性焊条和碱性焊条；按药皮的主要成分分为钛型、钛钙型、钛铁矿型、氧化铁型；按用途分类分为结构钢焊条（J）、钼及铬钼耐热钢焊条（R）、不锈钢焊条（铬不锈钢G,铬镍不锈钢A）、堆焊焊条（D）、低温焊条（W）、铸铁焊条（Z）、镍及镍合金焊条（Ni）、铜及铜合金焊条（T）、铝及铝合金焊条（L）、特殊用途焊条（Ts）。

焊条的型号和牌号：

焊条的牌号应包括以下含义：焊条、焊条类别、焊条特点（如熔敷金属的抗拉强度、使用温度、焊芯金属类型、熔敷金属化学组成类型等）、药皮类型及焊接电源。

根据GB/T 5117-1995《碳钢焊条》和GB/T 5118-1995《的合金钢焊条》的规定，焊条型号的主体结构由字母“E”和四位数字组成，其结构和含义如下：

E X1X2X3X4 E：表示焊条

X1X2：焊条系列，即熔敷金属抗拉强度最小值

X3：焊条的焊接位置

X4：焊条药皮类型及焊接电源种类

例如：E 5015 E:焊条

50：熔敷金属抗拉强度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、立向下焊仅对碳钢焊条适用）

低合金钢焊条：

E X1X2 X3 X4-□-□

E：焊条

X1X2：熔敷金属抗拉强度最小值

X3：焊条的焊接位置（0、1全位置；2用于平焊及平角焊）

X4：焊接电流种类及药皮类型以数字表示

□1：熔敷金属化学成分分类代号，以字母表示

□2：附加化学成分，以化学元素符号表示

不锈钢焊条：

E 308L-16

E:表示焊条

308L：熔敷金属的化学成分，L表示超低碳，

308表示焊条熔敷金属化学成分类型

其他种类焊条不再赘述。

2．焊丝

对焊丝的基本要求：

焊丝在焊接过程中起传导电流、填充金属、过渡合金的作用，自保护药芯焊丝在焊接过程中还起保护或脱氧和去氮作用。因此，要求焊丝要具有要求的化学成分，力学性能，而且还应对其尺寸和表面质量提出明确的技术要求。

焊丝的分类：

按结构形式分为药芯焊丝和实芯焊丝，药芯焊丝按结构和填料的不同又分为好多种类型；按钢种分为低碳钢焊丝、低合金钢焊丝（高强度钢用焊丝、Cr-Mo耐热钢焊丝、低温钢用焊丝）、不锈钢焊丝、硬质合金堆焊焊丝、铜及铜合金焊丝、铝及铝合金焊丝、铸铁焊丝等；按焊接方法分为埋弧焊焊丝、电渣焊焊丝、CO2气体保护焊焊丝、氩弧焊焊丝、（TIG焊用焊丝、MIG焊用焊丝、MAG焊用焊丝）、自保护焊焊丝、堆焊焊丝、气焊焊丝。

焊丝的型号或牌号

（1）焊接用碳钢低合金钢不锈钢焊丝

除GB/T8110-95外，焊丝的型号或牌号均以字母H表示焊丝，气牌号的编制方法为：以字母H表示焊丝；H之后的一位或两位数字表示含碳量（平均约数）；化学元素符号及其后的数字表示该元素的大约质量分数，当主要合金元素的质量分数≤1％时，可省略数字只标记元素符号；焊丝牌号尾部标有A或E时，表示为优质品或高级优质品，表明有更低的S、P等杂质含量。

例如：H08Mn2SiA

H:焊丝 08：含碳量，质量分数约0.08％

Mn2:含Mn量质量分数约2％ Si:含Si量质量分数为≤1％

A：优质品，S、P的质量分数约≤0.03％

（2）气体保护焊用碳钢、低合金钢焊丝

根据GB/T8110-95规定，焊丝型号的表示方法为ERXX-X：字母ER表示焊丝，ER后面的两位数字表示熔敷金属的最低抗拉强度，－后面的字母或数字，表示焊丝化学成分的分类代号。还附加其他化学成分时，可直接用元素符号表示，并以短划－与前面数字分开。

例如：ER55-B2-Mn

ER：焊丝 55：熔敷金属抗拉强度最小值为550Mpa

B2：焊丝化学成分分类代号 Mn：表示焊丝中含有Mn元素

2. 焊剂

对焊剂的基本要求：

（1） 具有良好的冶金性能

（2） 具有良好的焊接工艺性能

（3） 具有较低的含水量和良好的抗潮性

（4） 焊剂中机械夹杂物的质量分数不应大于0.3％

（5） 焊剂应具有较低的S、P含量，S≤0.06％；≤0.08％

（6） 焊剂应有一定的颗粒度，普通的8-40目，细粒度为14-60目

（7） 电渣焊焊剂，为了得到良好的焊接接头，对焊剂有如下要求

熔渣的导电率应在合适的范围内；熔渣的粘度应适宜；控制焊剂的蒸发温度。

另外，焊剂还应具有良好的脱渣性、抗裂性和抗气孔能力。

焊剂的分类：

焊剂常分为熔炼型焊剂和非熔炼型焊剂（粘结焊剂、烧结焊剂）等。

例如：HJ431

HJ:埋弧焊及电渣焊用熔炼焊剂

4：焊剂类型为高锰

3：焊剂类型为高硅低氟

1：牌号编号，相同类型中的不同编号，按0，1…9排列

二．焊接材料的选择

为得到高质量的焊接接头，首先要合理选择焊接材料。

1.满足焊接接头使用性能的要求

包括常温、高温短时强度、弯曲性能、冲击韧性、硬度、化学成分等，以及一些技术标准和设计图纸中对接头性能的特殊要求，诸如持久强度、蠕变极限、高温抗氧化性能、抗腐蚀性能等。

2.焊接接头制造工艺性能和焊接工艺性能的要求

经焊接组成的构件，在制造过程中不可避免要进行各种成型和切削加工，例如，冲压、卷、弯、车、刨等加工工序，这就要求焊接接头具有一定的塑性变形能力和切削性能、高温综合性能等。焊接工艺则根据母材的焊接性差异，要求焊接材料的工艺性能良好，并具有相应的抗裂纹等缺陷的能力。

3.合理的经济性

在满足上述各种使用性能、制造性能的最低要求的同时，应选择价格便宜的焊接材料，以降低制造成本，提高经济效益。例如，重要部件的低碳钢焊条电弧焊时，应优先选用碱性药皮焊条，因为碱性焊条脱氧、脱硫充分，且氢含量低，具有良好的焊缝金属抗裂性能及冲击韧性。而对于一些非重要部件，可选用酸性焊条，因为酸性焊条既具有良好的工艺性，又满足非重要部件的性能要求，而且价格便宜，可降低制造成本。

三． 素钢、低合金钢焊接材料的选择

(1) 等强性原则

焊接接头作为部件的一部分，其焊缝抗拉强度应不小于母材标准抗拉强度规定值的下限。同时，应注意焊接材料熔敷金属的抗拉强度不能高于母材抗拉强度太多，否则将导致焊缝塑性降低，硬度增大，不利于随后的制造成型。

选择高温运行下焊接接头的焊接材料时，也应考虑其高温短时抗拉强度或持久强度不低于母材的对应值。

一般碳素钢和普通低合金钢焊接时，选择焊接材料主要考虑焊接材料的抗拉强度，可不考虑熔敷金属的化学成分与母材匹配；但Cr-Mo耐热钢材料焊接时，选择焊接材料不仅要考虑熔敷金属的化学成分与母材匹配，还应考虑合金元素的匹配，以保证焊接接头的综合性能与母材一致。

在特殊情况下部件按材料的屈服强度计算许用应力进行设计时，就必须以屈服强度的等强性为重要考虑因素。

(2) 等韧性原则

选择焊接材料时，应保证焊缝的冲击韧性满足有关标准的要求。由于部件的运行工况不同，在运行中常常会由于韧性不足而产生脆性破坏，尤其是低温工作的部件或高强厚壁部件更容易发生脆性破坏。所以，有关标准对焊接接头的冲击韧性指标都提出明确要求。然而标准不同对接头冲击韧性的要求也各不相同。《蒸汽锅炉安全监察规程》中规定，焊接接头的冲击韧性，不得低于母材冲击韧性规定值的下限，当母材没有冲击韧性要求时，则不得低于27J。GB 150《钢制压力容器》中规定，接头冲击韧性值要求按钢材最低抗拉强度而确定。对于碳素钢和低合金钢其接头最低冲击韧性要求见表3-40。

低温容器其冲击韧性值应不低于母材的规定值下限，而ASME法规Ⅷ-1则根据材料的强度级别、厚度、工作温度、设计应力与许用应力之比的值，来确定接头是否要保证冲击韧性性能。如果接头有冲击韧性要求，则又根据材料的强度级别和厚度规定冲击韧性的最低保证值。

(3) 考虑制造工艺的要求和影响

部件在焊接以后，往往还要经过各种成型加工工序，诸如卷、压、弯、校等工艺，因此，焊接接头和母材都要具有一定加工变形能力，其中最主要的冷变形能力，衡量其方法为接头的弯曲试验

四．奥氏体不锈钢的焊接材料选择

焊接材料与母材等强性原则对奥氏体不锈钢并不完全适用。奥氏体不锈钢如用于耐蚀工况，对强度无具体要求，主要考虑焊缝的抗腐蚀性能。如用于高温高压工况，短时工作则要求具有一定的高温短时强度，长期工作则要保证焊缝金属有足够的持久强度和蠕变极限，例如：SA213-TP304H管子用于高温高压工况，电弧焊时，则需选用含碳量较高的E308H焊条。

a) 考虑熔敷金属的化学成分

奥氏体不锈钢焊接，选择焊接材料时，更主要的是考虑熔敷金属的化学成分应与母材成分相当，只要焊接材料的熔覆金属的化学成分与母材相当，此焊缝金属的使用性能就能与母材相当，包括力学性能、抗蚀性能等，此外，还要特别注意制造技术条件或图纸对抗腐蚀性能的特殊要求。为防止焊接过程中产生晶间裂纹，最好选用低碳（超低碳），含Ti、Nb的不锈钢焊接材料。焊条药皮中或焊剂中，如SO2含量过高，就不适用于含镍高的奥氏体钢的焊接。为防止焊缝热裂纹（凝固裂纹），应控制P、S、Sb、Sn杂质的含量，尽可能避免焊缝金属生成单相奥氏体组织。

b) 考虑焊缝中的铁素体含量

尽管许多资料介绍，奥氏体不锈钢焊缝中的铁素体含量对降低焊缝金属裂纹倾向有利，但是生产应用中大量的纯奥氏体焊缝金属已使用多年，而且接头运行也良好。另外，在某些介质中适当的铁素体含量对耐蚀性有利，但是对低温工况下焊缝金属的冲击韧性有害。综合考虑，一般奥氏体不锈钢中的铁素体含量为4-12％为适宜，因为5％的铁素体含量就可获得满意的抗晶间腐蚀性。

c) 考虑焊接方法的影响

选择奥氏体不锈钢焊接材料时，应注意焊接方法对熔敷金属化学成分的影响。钨极氩弧焊对焊缝金属化学成分变化的影响最小，未受稀释的焊缝金属中除C、N外，其它变化不大，其中C损失，含C量为0.06％的焊丝，氩弧焊未受稀释的熔敷金属中含C量为0.04％，而焊缝金属中N的含量则增加0.02％左右。熔化极气体保护焊Mn、Si、Cr、Ni、Mo含量可能发生轻微变化，而C的损失仅为氩弧焊的1／4，而N的含量增加较多，焊接工艺不同则增加量不同，最高可达0.15％。在焊条电弧焊和埋弧焊时，焊缝金属的合金元素受药皮、焊剂与焊芯、焊丝共同影响，尤其那些通过药皮或焊剂进行合金元素过渡的焊接材料，无法用焊芯、焊丝的化学成分估算焊缝金属的化学。当然通过焊缝金属中的合金含量可估算出焊缝中铁素体含量，但是这种估算值与实际值有一定偏差，因为焊接过程的冷却速度也影响铁素体含量，一致认为如果焊缝金属中合金元素含量完全相同，焊接方法不同，则铁素体含量也不相同。以带极堆焊最高，依次是埋弧焊、焊条电弧焊、CO2气保焊、MAG焊、MIG焊、氩弧焊焊缝铁素体含量最低。但即使同样的带极堆焊，不同部位焊缝铁素体含量也不相同。在测量中发现，收弧和起弧处铁素体含量比中见段低2-3％左右。随着不锈钢材料和焊接材料的标准化，使奥氏体不锈钢焊材选择变得简单，可以通过不锈钢的牌号选择对应焊接材料牌号，例如：SA-240-316不锈钢焊接时可直接选择E316焊条。

五．锈钢焊接材料的选择

马氏体不锈钢焊接时最好采用与母材同质的焊接材料，例如，1Cr13钢焊接时应选择E410系列的焊接材料，焊条电弧焊焊材牌号为G217。但是普通的1Cr13对应的焊接材料，其焊缝金属组织为粗大的马氏体与铁素体，该组织硬而脆，易形成裂纹，而且焊件必须预热250-350℃，为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来细化晶粒，降低淬硬性，有资料表明，焊接材料中增加Nb含量（达0.8％左右），可获得单相铁素体组织。在CO2气体保护焊时，焊丝要增加Ti、Mn元素含量，已达到脱氧目的。

马氏体不锈钢也可采用奥氏体不锈钢焊接材料，此时必须考虑母材稀释对焊缝金属成分的影响，通过适当的Cr、Ni含量，避免在焊缝金属中形成马氏体组织，例如焊条电弧焊时，采用A312（E309Mo）焊条焊接1Cr13马氏体钢。

六．素体不锈钢焊接材料的选择

铁素体不锈钢通常也采用与母材同质的焊接材料，但是焊缝的铁素体组织粗大而且韧性很差，可以通过焊接材料中增加Nb含量来改善钢化铁素体组织，同时，通过热处理来改善焊缝金属的韧性。

七．异种材钢的焊接材料的选择

低碳钢与低合金钢之间的焊接以及不同材质的低合金钢之间的焊接属于同种异材钢的焊接。这类钢之间的焊接，可按低档材质，及强度级别或合金元素含量低的材质选择焊接材料。选择低档材料比高档材料焊接性能好，价格也较为便宜，有利于降低制造成本。