各种常用材料焊接的焊接材料选择原则.docx

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1、各种常用材料焊接的焊接材料选择原则为得到高质量的焊接接头， 首先要合理选择焊接材料。 由于焊接部件在运行中的工况有很大差异， 母材的材质性能、 成分千差万别， 部件的制造工艺错综复杂，因此需要从各方面综合考虑确定对应的焊接材料。选择焊接材料应遵循以下原则：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街头性能的特殊要求，诸如持久强度，入编极限、高温抗氧化强度、抗腐蚀性能等。满足焊接接头制造工艺性能和焊接工艺性能的要求。焊接接头组成的构件，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、车、刨等，要求焊接接头具

2、有一定的塑性变形能力和切削性能、高温综合性能等。合理的经济性。在满足上述性能外，应选择价格便宜的焊接材料，降低制造成本。 例如重要部件的低碳钢手工电弧焊时， 应优先选择碱性药皮焊条， 因为碱性焊条脱硫、 脱氧充分，且氢含量低， 焊缝金属抗裂性能及冲击韧性性能好。 而对于一些非重要不见，可选用酸性焊条，因为酸性焊条仍能满足费重要部件的性能要求， 而且工艺性良好，价格便宜，可降低制造成本。第二节 碳素钢、低合金钢焊接材料的选择碳素钢、 低合金钢 （包括低合金耐热钢、 低合金高强钢） 焊接材料的选择， 应考虑下列因素：等强性和等韧性原则承压承载的部件，通常根据材料的拉伸应力进行强度计算，拉伸需用应力

3、与材料的标准抗拉强度下限值有关，即许用应力（T）= o- b/nb （各种标准nb的取值同）（Q为材料的拉伸许用应力（7b为材料的标准抗拉强度下限值nb 为安全系数（各种标准nb 的取值不同）所以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的下限。同时应注意焊接材料熔敷金属的抗拉强度不能大大高于母材的抗拉强度， 而导致焊缝塑性性能降低，硬度增大， 不利于随后的制造成型。 尽管强度计算仅考虑材料的抗拉强度，各种工艺评定标准对焊缝的屈服强度均无要求， 但选择焊接材料时也应考虑焊接材料熔敷金属的屈服强度不应低于母材的屈服强度， 并注意保证一定的屈强比。 当接头在高温运行通常用

4、工作温度（或设计温度）下材料的高温短时抗拉强度规定下限进行需用应力计算即0-1=0- bt/nb其中b用材料t温度下，短时抗拉强度规定值下计算的高温许用应力bb的材料t温度下，短时抗拉强度规定值下限或工作温度下材料的持久强度蠕变极限进行许用应力计算（T Dt= （T Dt/nD其中，bD用材料t温度下持久强度计算的许用应力（T D的材料t温度下的持久强度nD 为安全系数（各种标准的取值不同）因此， 选择高温运行焊接接头的焊接材料时， 应考虑其高温短时抗拉强度或持久强度不得低于母材的对应值。一般碳素钢和普通低合金钢选择焊接材料只要考虑焊接材料的考拉强度，可不考虑熔敷金属的化学成分与母材匹配， 但

5、对于 Cr-Mo 耐热钢材料的焊接， 选择焊接材料不仅考虑其等强性，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。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度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提出明确要求。 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。 然而标准不同对接头冲击韧性的要求也不相同。 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

6、性指数时则不得低于27A钢制压力容器标准GB150 中规定接头冲击韧性值要求按钢最低抗拉强度而确定。 对于碳素钢和低合金钢其最低冲击韧性为：钢材最低抗拉强度 W 450Mpa寸为18J450-515MPa 时为 20J515-655MPa 时为 27J低温容器其冲击韧性值应不低于母材的规定值下限。而ASME法规皿-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值来确定接头是否要保证冲击韧性能。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。 综上所述，我们选择焊接材料时，应按照产品的设计、制造、检验标准，确定对接头冲击韧性的要求后， 选择合适

7、的焊接材料满足标准要求， 也就是使用性能的要求。 再考虑冲击韧性要求时，应注意结构的设计温度和使用温度。 当使用温度等于或者大于常温时， 则只要保持接头的常温冲击韧性； 如低于常温时， 则应保证标准或图纸所规定温度下的冲击韧性值。 当然焊接接头的性能不仅与焊接材料有关， 而且与具体的焊接工艺有关， 所以选择接头的焊接材料是比 较复杂的问题。考虑制造工艺的要求和影响在部件焊接以后，往往还要经过各种成型加工工序，比如卷、压、弯等，因此要求焊接接头和母材要有一定的加工变形能力， 最主要的是冷变形能力， 衡量办法为接头的弯曲试验。很多标准对各种材料焊接接头的弯曲试验要求做了明确规定。 蒸汽锅炉安全技术

8、监察规程规定：弯曲试验时直径D=3a （a为试件厚度），碳素钢弯曲角度180。合格，低合金钢100合格。GB150-99钢制压力容器和 ASME第IX篇中规定：任何材料弯曲试验时， 弯轴直径D=4a,弯曲角度180。合格。因此选择焊接材料时，应考虑焊缝金属的弯曲性能应 满足上述标准要求。另外，选择焊接材料还应考虑焊后的热过程（诸如焊后退火处理、正火处理、调质等）对焊缝金属性能的影响。 应注意到焊后退火热处理， 特别是焊后正火热处理， 焊缝金属性能发生的较大变化。 当焊接件较薄时， 焊后不必作消除应力热处理， 焊缝金属在焊态下的性能满足有关要求就可以。 焊接件壁厚较厚， 超过一定界限， 按有关制

9、造标准规定应做消除应力退火处理，热处理加热温度和保温时间不同，则性能变化不同。工程上用 Larson-Miller（ 莱塞-米勒）参数，又称回火参数来讨论消除应力退火的加热温度与保温时间共同对焊缝金属性能的影响，回火参数公式为：P=T（20+logt）R1 姮人（-3）其中 T 为绝对温度，单位为K， t 为时间，单位为小时。一般来说，随着P值增大，焊缝金属抗拉强度，屈服强度下降，延伸率上升，冲击韧性时升时降。图 1、图 2为 CMA96、 CMA106 焊条的熔敷金属回火参数与力学性能之间的关系。因此选择焊后退火处理焊接材料时应考虑该材料的熔敷金属在对应P值下的力学性能是否满足有关标准的规定

10、。特别注意的是，当焊接接头憨厚要经过热冲压、热卷制等加工时，其加热温度达到材料的AC3温度以上，保温一段时间后，在静止空气中冷却，正火过程的冷却速度比焊接过程的冷却速度慢得多，正火过程焊缝金属在800-500 停留时间比焊接过程长的多。刚才正火加热在 AC3 以上全部奥氏体化，冷却过程重结晶，破坏了原来焊缝金属的过冷组织，使焊缝的强度大大降低，最严重的降低在100MPa 以上。因此，凡经过热加工成型的焊接接头，选择的焊接材料应比焊态或消除应力处理下焊接材料的强度级别高 50-100MPa 以上； 例如 16Mn6正常情况下埋弧焊焊丝为 H08MnMo ，而接头如正火处理应选 H08Mn2Mo

11、。 30 万千瓦汽包吊杆材料SA675,其抗拉强度规定值下限为485MPa,正常情况下，手工电弧焊应选J507焊条，但弯头部分的接头在经过热弯正火处理，经过试验应选 J607 为宜。正火处理的焊接接头选择焊接材料时，不仅要考虑强度比通常情况提高 50-100MPa 以上，还应考虑焊缝金属的化学成分与母材的化学成分相当。因为材料的合金的组成和含量决定了该材料的 AC3 温度高低，如果焊缝金属和母材化学成分相差比较大， AC3 温度也相差比较大，母材和焊缝一同正火处理，无法确定合适的正火温度。另外，焊接接头如果淬火+ 回火的调制处理，也考虑调制处理对接头性能的影响。调制处理接头的焊接材料其强度可比

12、正火处理接头的焊接材料低一些，例如： BHW35 电渣焊后正火处理选用 H10Mn2NiMo ，而调质处理时，可选用 H10Mn2Mo 即可。考虑材料的焊接性和焊接方法的冶金特点材料的焊接性各不相同， 对某些关键元素含量要求也不一样， 选择焊接材料时， 应考虑材料的焊接性， 例如 2.25Cr-1Mo 耐热钢其焊缝金属在332-432温度范围内保温或缓慢冷却可能产生所谓回火脆性现象， 造成焊缝金属的脆性转变温度明显提高。 研究表明， 这种焊缝金属 的回火脆性敏感性是P、As、SbK Sn杂质在晶界上偏析引起的。一致认为，焊缝金属的低温回火脆性与 P、Si含量有关，必须使焊缝金属的P、Si含量降

13、低。P三0.015%, Si三0.15%。所以Cr-Mo耐热钢埋弧焊应选择中镒中硅焊剂HJ350而不选用HJ431与H08Cr3MnMoA焊丝匹配。焊缝金属回火脆性的敏感性取决于焊缝金属的合金系列，同样C-Mo 、 Mn-Mo 、Mn-Ni-Mo 系列的焊缝金属也存在回火脆性问题， 上述系列的焊接材料的埋弧焊丝应与HJ350焊机匹配，以降低焊缝金属中的 Si 含量，例如埋弧焊焊接BHW35 采用 H08Mn2Mo 焊丝应与HJ350焊剂匹配。如果要求焊缝金属的冲击韧性更高些，焊剂还应选用 HJ250或HJ250+350混合焊剂。而对于H08MnA、 H10Mn2 等低硅焊丝，其焊缝金属不存在回

14、火脆性现象，而这两种焊丝焊接20#或16Mn时应选用高硅、高镒焊剂HJ431。通过高镒高硅与金属的冶金反应， 使焊接熔池增硅， 焊缝金属中一定的硅含量， 有利于焊缝金属脱氧过程， 防止产生气孔。选择焊接材料还应考虑不同焊接方法的冶金特点， 例如熔化极气体保护焊， 保护气体为 CO2或CO2+Ar。焊接过程不存在药皮或焊剂与金属间的冶金反应，会存在CO2与金属元素反应形成金属氧化物 FeO,这样焊丝中必须含有适当的硅、镒进行还原反应达到脱氧目的，以保 证获得致密的焊缝组织。 而钨极氩弧焊过程， 不存在氧化还原反应， 填充焊丝和母材实际上是重熔过程，因此氩弧焊必须充分脱氧，不宜采用沸腾钢材料，否则

15、在焊缝中会产生气孔，应采取镇静钢，这样也不需要焊丝中有一定的S、i Mn 含量。例如 15CrMo 耐热钢采用氩弧焊应选择 H08CrMo 焊丝，而熔化极气体保护焊应选用 H08CrMnSiMo 焊丝。第三节 奥氏体不锈钢的焊接材料选择焊接材料与母材等强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-TP304 管子用于高压高温工况，则需选用 E308H 焊接材料。奥氏体不锈钢焊接， 选择焊接材料更主要

16、考虑熔敷金属的化学成分与母材成分相当， 只要焊接材料的熔敷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等， 特别要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含量过高就不适用含馍高的奥氏体钢的焊接。为防止焊接热裂纹（凝固裂纹） 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。尽管很多资料介绍， 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， 但是过去的大量奥氏体焊缝金属已使用多年， 而且街头运

17、行良好。 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有害。 综合考虑， 一般希望奥氏体不锈钢中的铁素体含量为 4-12%为宜，因为5%的铁素体含量就可获得满意的抗晶间腐蚀性。焊缝中的铁素体含量可用焊缝金属中化学成分，折算成Cr 当量和 Ni 当量，通过组织图进行分析，常用的组织图有 WRC-1988图，爱斯派图和德龙图，其中WRC-1988图适用于300系列不锈钢和双向不锈钢， 对于N 0.2%、Mn 10%的材料不适用。爱斯派图适用于 Mn 1.5%、 N 0.25%的200系列氮强化奥氏体不锈钢。选择奥氏体不锈钢焊接材料应注意焊接方法对熔敷金属化学成分的影响

18、。 钨极氩弧焊方法对焊缝金属化学成分变化的影响大小，未受稀释的焊缝金属中除C、N 外，其他变化不大，其中 C 损失最大，含 C 量 0.06%的焊丝，氩弧焊未受稀释的熔敷金属中含量为0.04%，而N 的含量焊缝金属则增加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%。在手工电弧焊和埋弧自动焊时，焊缝金属的合金元素药皮、 焊剂与焊芯、 焊丝共同影响， 尤其那些通过药皮和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中合金元

19、素含量完全相同， 焊接方法不同，则铁素体含量也不同。以带极堆焊最高，依次是埋弧焊、手工电弧焊、 CO2 气体保护焊、MAG 焊、 MIG 焊、氩弧焊焊缝铁素体含量低，即使同样的带极堆焊，在测量中发现，收弧和起弧处铁素体含量比中间段低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， 可以通过不锈钢材料的牌号对应焊接材料牌号， 例如 SA240-316不锈钢直接选 E316 焊条。第四节 马氏体不锈钢、铁素体不锈钢焊接材料的选择马氏体不锈钢最好采用与母材同质的焊接材料， 例如 1Cr13 钢应选择 E410 系列的焊接材料，手工电弧焊焊材牌号G217,但是普通的1C

20、3对应的焊接材料，其焊缝金属组织为粗大的马氏体和铁素体，该组织硬而脆，已形成裂纹，而且焊件必须预热250-350 ，为了改善性能要限制焊接材料中的S、P含量和控制Si含量（三0.30%）并降低C碳含量，增加少量的Ti 、 Al、 Ni 来细化晶粒，降低淬硬性；有资料表明，焊接材料增加Nb 含量（达到0.8%）左右，可获得单相铁素体组织。在CO2焊丝要增加Ti、Mn元素达到脱氧目的。马氏体不锈钢也可以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， 例如采用 A312（E309Mo）焊接材料焊接1Cr13 马

21、氏体钢。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 来改善钢种铁素体组织，同时通过热处理来改善焊缝金属的韧性。 对于不能进行焊后热处理的铁素体不锈钢， 也可以采用纯奥氏体焊接材料以获得综合性能的焊接接头。第五节同种异材钢的焊接材料选择低碳钢与低合金钢同种异材钢的焊接低碳钢与低合金钢都属于普通铁素体钢， 他们之间的焊接以及不同材质的低合金钢的焊接属于同种异材钢的焊接。 这类钢之间的焊接按低档材质， 指强度级别或合金元素含量低的材质选择焊接材料。 以保证焊缝金属性能满足低档材料就可以。 选择低档材料也比高档材料焊接性能好，价格较为便

22、宜，有利于降低成本。例如20#钢、SA106 碳钢与 16Mn 、 19Mn6 、15MnMoV 、 BHW35 等低合金钢的同种异材钢的焊接，焊接材料与低合金钢本身相焊的焊接材料完全相同。即手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊对应的焊接材料分别为 J507 ，H08Mna+HJ431,H08Mn2Si。低合金钢耐热钢与中合金耐热钢的焊接由于同种异材钢焊缝化学成分的不连续性， 会产生性能的不连续性。 如果这种不连续性对使用性能产生较大影响，就不能按低档原则选择焊接材料。例如 SA213-T91与SA213-T22材料的焊接，如果按通常的低档原则，选择2.25Cr-1Mo 的焊接材料进行焊接，那么在T

23、91 一侧的熔合线附近的 T91 母材会严重增碳， 产生增碳层； 同时 T91 一侧的熔合线附近的焊缝严重脱碳，产生脱碳层。这是由于T91 含铬量9%左右，2.25Cr-1Mo 焊丝含碳量2.25%左右，那么在焊后退火处理后， T91 一侧的热影响区的铬含量远远大于焊缝一侧的铬含量，大量的碳会向母材偏移产生增碳层， 造成硬度增加， 组织更加淬硬， 而焊缝一侧严重脱碳， 硬度偏低，组织软化，是街头性能恶化。如果选用 9Cr-1Mo 焊接材料，在T22 熔合线一侧又会产生焊缝增碳，母材脱碳现象。 特别指出的是， 当这样接头的部件在高温下运行时，这种化学成分严重不连续，会使碳的迁移长时间地不断进行，

24、导致接头性能严重恶化，发生运行故障。为避免和减少上述现象的发生，有关研究表明，可选用中间化学成分5Cr-1Mo 的焊接材料进行焊接，或在焊接材料中添加碳化物稳定元素Nb、 V 来固化碳元素，减少碳偏移现象发生。国内一公司通过初步试验，选用含 Nb、V的T91焊接材料，例如 CM-9cb、MGS-9cb来焊接上述同种异质材钢，也能取得较好的效果。第六节 碳素钢、低合金钢与奥氏体不锈钢异种钢间焊接材料选择碳素钢、 低合金钢与奥氏体不锈钢异种钢焊接， 应根据接头的温度， 接头的受力工况来选择焊接材料。当承载承压的这类异种钢接头工作温度在315 一下，可选用高Cr、 Ni 合金含量的奥氏体不锈钢焊接材

25、料。 按照碳素钢（合金钢）与奥氏体钢的化学成分多少和焊接的熔合比大小，根据某种镍当量、铬当量组织图选择合适Cr、 Ni 含量的奥氏体不锈钢焊接材料，以避免焊缝产生大量的马氏体组织。 当然在碳素钢或低合金钢熔合线附近会产生狭小的马氏体带， 通过减少焊接材料的碳含量， 使马氏体组织为塑性较好的低碳马氏体， 也能保证接头具有良好的性能。当承载承压的异种钢接头， 在温度 315 以上工作时， 应选用镍基焊接材料。 例如ECrNiFe-2、ERCrNiFe-3等。主要原因因为如果选用普通的奥氏体不锈钢焊接材料，会产生下列问题：由于铁素体与奥氏体热膨胀系数相差较大，在高温下运行会产生热应力和热疲劳破坏。由

26、于合金元素含量的差异较大，在高温下工作焊接接头会产生严重的脱碳层和增碳层，使高温性能恶话。由于在熔合线附近的马氏体带组织，是焊缝局部组织淬硬。等用镍基焊接材料，可以避免上述现象发生。因为镍基材料的热膨胀系数介于铁素体和奥氏体之间。镍基材料不会使焊接接头产生脱碳和增碳。镍基材料焊接不会产生马氏体组织。这样使接头的高温性能大大改善。但是由于高温工作下的非承载的焊接接头，等用镍基焊条尽管也能满足性能要求，但是制造成本高， 也无使用的必要。 使其他价格便宜的焊接材料也能达到目的。 国外通过大量的试验表明， 对于锅炉制造中的管子与附件非承载角焊缝， 当管子为碳钢与低合金钢材质， 附件为奥氏体不锈钢时，应

27、按低档次材质选择焊接材料。例如 SA210C管与SA240-304附件焊接， 手工电弧焊等用 AWS E7018-A（1 GB E5018-A1） ， 气体保护焊等用 MGS-M 或 TGS-M（KOBE焊材） 而不等用奥氏体不锈钢焊材。 主要的原因是等用奥氏体不锈钢焊材会在管子一侧熔合线产生马氏体带，接头在运行中，如果在管子一侧产生裂纹， 会引起管子泄漏。而等用普通低档焊材， 在附件一侧的熔合线产生马氏体带， 即使产生裂纹， 由于在附件一侧也不会危害管子。反过来，当管子为奥氏体不锈钢，附件为低碳钢或低合金钢时，应选用E309Mo(L)焊接材料、 使马氏体带产生在附件一侧的熔合线附近。 上述原则， 在 30 万千瓦 60 万千瓦受热面管子制