焊接材料设计与应用

1. 焊接材料设计与应用 山东大学材料科学与工程学院 孙俊生

2. 第4章 焊条设计基础 • 电焊条是涂有药皮的供焊条电弧焊用的熔化电极，由药皮和焊芯两部分组成。 • 焊芯是填充金属的主要部分，焊条规格指焊芯的直径，如2、2.5、3.2、4、5等。 • 药皮是由具有不同物理和化学性质的细颗粒物质所组成的紧密的混合物。

3. 4.1 焊条的分类和标记 1. 焊条的分类 电焊条的分类方法很多，可分别按用途、熔渣的碱度、焊条药皮的主要成分、焊条性能特征等不同角度对电焊条进行分类。 （1）按用途分类 • 我国现行的焊条分类方法，焊条型号主要是按国家标准分为8类，根据《焊接材料产品样本》，焊条牌号按用途分为10类。

4. 表 中国电焊条大类的划分 焊条牌号标记

5. （2）按熔渣的酸碱性分类 主要是根据熔渣的碱度，即按熔渣中碱性氧化物与酸性氧化物的比例来划分。 1) 酸性焊条 • 药皮中含有大量的TiO2、SiO2等酸性造渣物及一定数量的碳酸盐等，熔渣氧化性强，熔渣碱度系数小于1。 • 酸性焊条焊接工艺性好，电弧稳定，可交、直流两用，飞溅小、熔渣流动性和脱渣性好，熔渣多呈玻璃状，较疏松、脱渣性能好，焊缝外表美观。 • 酸性焊条的药皮中含有较多的二氧化硅、氧化铁及氧化钛，氧化性较强，焊缝金属中的氧含量较高，合金元素烧损较多，合金过渡系数较小，熔敷金属中含氢量也较高，因而焊缝金属塑性和韧性较低。

6. 2) 碱性(低氢型)焊条 • 药皮中含有大量的碱性造渣物(大理石、萤石等)，并含有一定数量的脱氧剂和渗合金剂。 • 碱性焊条主要靠碳酸盐(如CaCO3等) 分解出CO2作保护气体，弧柱气氛中的氢分压较低，而且萤石中的氟化钙在高温时与氢结合成氟化氢(HF)，降低了焊缝中的含氢量，故碱性焊条又称为低氢型焊条。采用甘油法测定时，每100g熔敷金属中的扩散氢含量，碱性焊条为1~8mL，酸性焊条为17~50mL。 • 碱性渣中CaO数量多，熔渣脱硫的能力强，熔敷金属的抗热裂纹的能力较强。而且，碱性焊条由于焊缝金属中氧和氢含量低，非金属夹杂物较少，具有较高的塑性和冲击韧度。 • 碱性焊条由于药皮中含有较多的萤石，电弧稳定性差，一般多采用直流反接，只有当药皮中含有较多量的稳弧剂时，才可以交、直流两用。 • 碱性焊条一般用于较重要的焊接结构，如承受动载荷或刚性较大的结构。

7. （3）按药皮主要成分分类注意该表的代号是焊条型号的组成部分（3）按药皮主要成分分类注意该表的代号是焊条型号的组成部分

8. 1）药皮类型03 该药皮类型包含二氧化钛和碳酸钙的混合物，同时具有金红石焊条和碱性焊条的某些性能。 2）药皮类型10 该类型药皮含有大量的可燃有机物，尤其是纤维素，由于其强电弧特性特别适用于向下立焊。由于钠影响电弧的稳定性，因而焊条主要适用于直流焊接，通常用直流反接。 3）药皮类型11 该类型药皮含有大量的可燃有机物，尤其是纤维素，由于其强电弧特性特别适用于向下立焊。由于钾影响电弧的稳定性，因而焊条适用于交直流两用焊接。直流焊接时使用直流反接。 4）药皮类型12 该类型药皮含有大量的二氧化钛（金红石）。其柔软电弧特性适合用于在简单装配条件下对大的根部间隙进行焊接。 5）药皮类型13 该类型药皮内含有大量的二氧化钛（金红石）和增加电弧稳定性的钾。与药皮类型12相比，能在低电流条件下稳定电弧，特别适于金属薄板的焊接。 6）药皮类型14 该药皮类型与12和13类似，但是添加了少量铁粉。加入铁粉可以提高电流承载能力和熔敷效率，适于全位置焊接。 7）药皮类型15 该类型药皮碱度较高，含有大量的氧化钙和萤石。由于钠影响电弧的稳定性，只适用于直流反接。此药皮类型的焊条可以得到低氢含量、高冶金性能的焊缝。

9. 8）药皮类型16 该类型药皮碱度较高，含有大量的氧化钙和萤石。由于钾增强电弧的稳定性，适用于交流焊接。此药皮类型的焊条可以得到低氢含量、高冶金性能的焊缝。 9）药皮类型18 该类型药皮除了药皮略厚和含有大量铁粉外，其他与药皮类型16相似。与药皮类型16相比，药皮类型18中的铁粉可以提高电流承载能力和熔敷效率。 10）药皮类型19 该类型药皮包含钛和铁的氧化物，通常在钛铁矿获取。虽然它们不属于碱性药皮类型焊条，但是可以制造出高韧性的焊缝金属。 11）药皮类型20 该类型药皮包含大量的铁氧化物。熔渣流动性好，所以通常只在平焊和横焊中使用。 用于角焊缝和搭接焊缝。 12）药皮类型24 该药皮类型除了药皮略厚和含有大量铁粉外，其他与药皮类型14相似。通常只在平焊和横焊中使用。主要用于角焊缝和搭接焊缝。 13）药皮类型27 该药皮类型除了药皮略厚和含有大量铁粉外，其他与药皮类型20相似，增加了药皮类型20中的铁氧化物，主要用于高速角焊缝和搭接焊缝的焊接。

10. 14）药皮类型28 该药皮类型除了药皮略厚和含有大量铁粉外，其他与药皮类型18相似。通常只在平焊和横焊中使用。能得到低氢含量、高冶金性能的焊缝。 15）药皮类型40 此药皮类型不属于上述任何焊条类型。其制造是为了达到购买商的特定使用要求。焊接位置由供应商和购买商之间协议确定。如要求在圆孔内焊接（塞焊）或者在槽内进行的特殊焊接。由于药皮类型40并无具体指定，此药皮类型可按具体要求有所不同。 16）药皮类型45 除了主要用于向下立焊外，此药皮类型与药皮类型15相似。 17）药皮类型48 除了主要用于向下立焊外，此药皮类型与药皮类型18相似。

11. 2. 常用焊条的型号 （1）非合金钢及细晶粒钢焊条 • GB/T5117《非合金钢及细晶粒钢焊条》标准。 • 焊条型号根据熔敷金属的力学性能、药皮类型、焊接位置、电流类型、熔敷金属化学成分和焊后状态等进行划分。 • 本标准适用于抗拉强度低于570MPa的非合金钢及细晶粒钢焊条。

12. 非合金钢及细晶粒钢焊条型号编制方法为: • 首字母“E”表示焊条。 • 字母E后面的前两位数字表示熔敷金属的最小抗拉强度的代号，代号43、50、55、57分别代表最小抗拉强度430MPa、490MPa、550MPa和570MPa。 • 第三位和第四位数字表示药皮类型、焊接位置和电流种类，是按药皮主要成分分类的代号。 • 第四部分为熔滴金属的化学成分分类代号，可为“无标记”或短划“-”后的字母、数字或字母和数字的组合，见表。 • 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，其中“无标记”表示焊态，“P”表示热处理状态，“AP”表示焊态和焊后热处理两种状态均可。 • 除了上述强制分类代号外，根据供需双方协商，可在型号后面依次附加可选代号：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。 • 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）。

14. 非合金钢及细晶粒钢焊条型号举例:

15. （2） 热强钢焊条 • GB/T5118《热强钢焊条》标准。 • 热强钢焊条型号根据熔敷金属的力学性能、药皮类型、焊接位置、电流类型、熔敷金属化学成分等进行划分。 • 热强钢焊条型号编制： • 字母“E”表示焊条。 • 字母“E”后面紧邻的两位数字表示熔敷金属最小抗拉强度，代号50、52、55、62分别代表最小抗拉强度490MPa、520MPa、550MPa和620MPa。 • 字母“E”后面的第三位和第四位数字表示药皮类型、焊接位置和电流类型，代号为03、10、11、13、15、16、18、19、20、27、40。 • 第四部分为划线“—”后的字母、数字或字母和数字的组合，表示熔敷金属的化学成分分类代号，见表。 • 除了以上强制分类代号外，根据供需双方协商，可在型号后附件扩散氢代号“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）。

17. 热强钢焊条型号举例 ：

18. （3）不锈钢焊条 • GB/T983《不锈钢焊条》标准。 • 不锈钢焊条根据熔敷金属的化学成分、焊接位置和药皮类型等划分。 • 不锈钢焊条型号编制： • 字母“E”表示焊条。 • “E”后面的数字表示熔敷金属化学成分分类，数字后面的“L”表示碳含量较低，“H”表示碳含量较高，如有其他特殊要求的化学成分，该化学成分用元素符号表示放在后面。 • 第三部分为短划“—”后的第一位数字，表示焊接位置； • 第四部分为最后一位数字，表示药皮类型和电源类型，见表。

19. 碱性药皮类型5：此类型药皮含有大量碱性矿物质和化学物质，如石灰石（碳酸钙）、白云石（碳酸钙、碳酸镁）和萤石（氟化钙），焊条通常只是用直流反接。碱性药皮类型5：此类型药皮含有大量碱性矿物质和化学物质，如石灰石（碳酸钙）、白云石（碳酸钙、碳酸镁）和萤石（氟化钙），焊条通常只是用直流反接。 • 金红石药皮类型6：此类型药皮含有大量金红石矿物质，主要是二氧化钛（氧化钛）。这类焊条药皮中含有地点离元素，是用此类焊条可以使用交直流焊接。 • 钛酸型药皮类型7：此类型药皮是已改进的金红石类，使用一部分二氧化硅代替氧化钛。此类药皮特征是熔渣流动性好，引弧性能良好，电弧易喷射过渡，但是不适用于薄板的立向上位置的焊接。

20. 不锈钢焊条型号举例：

21. （4）堆焊焊条 • GB/T984《堆焊焊条》标准。 • 焊条型号根据熔敷金属的化学成分、药皮类型和焊接电流种类划分。 • 堆焊焊条型号标记： • 型号中的第一个字母“E”表示焊条； • 第二个字母“D”表示用于表面耐磨堆焊；后面用一或两位字母、元素符号表示焊条熔敷金属化学成分分类代号（见表）。还可附加一些主要成分的元素符号；在基本型号内可加数字、字母进行细分类，细分类的代号也可用短划“—”与前面符号分开； • 型号中最后两位数字表示药皮类型和焊接电流种类，用短划“—”与前面符号分开，—00、—03、—15、—16、—08分别表示的药皮类型为特殊性、钛钙型、低氢钠型、低氢钾型和石墨型，除了—15为直流外，其他均为交流或直流。

22. 堆焊焊条型号举例 ：

23. （5）铜及铜合金焊条 • GB/T3670《铜及铜合金焊条》标准。 • 焊条型号根据熔敷金属的化学成分分类。 • 焊条型号的字母“E”表示焊条，“E”后面的字母直接用元素符号表示型号分类，同一分类中有不同化学成分要求时，用字母或数字表示，并以短划“—”与前面的元素符号分开。 铜及铜合金焊条型号举例： ECu表示铜焊条。 ECuSi-A表示铜硅焊条（硅青铜）

24. （6）镍及镍合金焊条 • GB/T13814《镍基镍合金焊条》标准。 • 焊条按熔敷金属合金体系分为镍、镍铜、镍铬、镍铬铁、镍钼、镍铬钼和镍铬钴钼等7类。 • 型号按熔敷金属化学成分划分。 • 焊条型号由三部分组成。 • 第1部分为字母“ENi”，表示镍及镍合金焊条。 • 第2部分为四位数字，表示焊条型号；四位数字中的第一位数字表示熔敷金属的类别，其中2表示非合金系列，4表示镍铜合金，6表示含铬、且铁含量不大于25%的NiCrFe和NiCrMo合金，8表示含铬、且铁含量大于25%的NiCrFe合金，10表示不含铬，含钼的NiMo合金。 • 第3部分为可选部分，表示化学成分代号。 • 镍基镍合金焊条型号举例：

25. 3.常用焊条的牌号 • 焊条牌号是根据焊条的主要用途、性能特点及焊条生产厂家对焊条产品的具体命名。 • 我国《焊条材料产品样本》中仍保留了原焊条牌号。 • 电焊条的牌号共分为十大类，焊条牌号通常以一个汉语拼音字母(或汉字)与三位数字表示。拼音字母(或汉字)表示焊条各大类，后面的三位数字中，前面两位数字表示各大类中的若干小类，第三位数字表示各种焊条牌号的药皮类型及焊接电源。 • 三位数字后面的字母符号表示焊条的特殊性能和用途，如Fe13表示熔敷效率130%的铁粉焊条。

27. 焊条牌号后面加注字母符号含义

28. （1）结构钢焊条 • 焊条牌号首字母“J”(或“结”字)表示结构钢焊条。 • 牌号前两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最低值(kgf/mm2)。 • 牌号第三位数字表示药皮类型和焊接电源种类。 • 结构钢焊条有特殊性能和用途的，在牌号后面加注起主要作用的元素或主要用途的拼音字母(一般不超过二个)，如J507MoV、J507CuP。

29. 结 X X X （J X X X ） 药皮类型和焊接电流种类 焊缝金属抗拉强度最低值（kgf/mm2） 结构钢焊条 应符合E5015要求 J 5 0 7 低氢钠型药皮，直流反接 焊缝金属抗拉强度不低于50kgf/mm2 490MPa 结构钢焊条 结构钢焊条牌号编制方法

30. （2）不锈钢焊条 • 焊条牌号首字母“G”(或“铬”字)或“A”(或“奥”字)，分别表示铬不锈钢焊条或奥氏体铬镍不锈钢焊条。 • 牌号第一位数字表示熔敷金属主要化学成分组成，见下表。 • 牌号第二位数字表示同一熔敷金属主要化学成分组成等级中的不同牌号。对同一组成等级的焊条，可有十个序号，按0、1、2、...、9 顺序编排，以区别铬、镍之外的其它成分。 • 牌号第三位数字，表示药皮类型和焊接电源种类，同结构钢焊条。

32. A 0 2 2 钛钙型药皮，交直流两用 牌号分类编号为2 熔敷金属含碳量≤0.04%（超低碳） 奥氏体不锈钢焊条 不锈钢焊条牌号举例： 奥 X X X （A X X X ） 药皮类型和焊接电流种类（同结构钢） 同一熔敷金属成分组成等级中的不同牌号 熔敷金属主要化学成分组成 奥氏体不锈钢焊条

33. 不锈钢焊条牌号举例：

34. （2）钼和铬钼耐热钢焊条 • 焊条牌号首字母“R”(或“热”字)表示钼和铬钼耐热钢焊条。 • 牌号第一位数字表示熔敷金属主要化学成分组成（见表）。 • 牌号第二位数字表示熔敷金属主要化学成分组成等级中的不同牌号，对于同一组成等级的焊条，可有十个序号，按0、1、2、...、9顺序编排，以区别铬钼之外的其它成分。 • 牌号第三位数字表示药皮类型和焊接电源种类，

35. 牌号举例:

36. （3）低温钢焊条 • 焊条牌号首字母“W”(或“温”字)表示低温钢焊条。 • 牌号前两位数字表示低温钢焊条工作温度等级(见表）。 • 牌号第三位数字表示药皮类型和焊接电源种类，同结构钢焊条。

37. （4）铸铁焊条 • 焊条牌号首字母“Z”(或“铸”字)表示铸铁焊条。 • 牌号第一位数字表示熔敷金属主要化学成分组成类型(见表)。 • 牌号第二位数字表示同一熔敷金属主要化学成分组成类型中的不同序号, 对于同一成分组成类型焊条, 可有十个牌号, 按0、1、2、...、9顺序排列。 • 牌号第三位数字表示药皮类型和焊接电源种类，同结构钢焊条

38. ANSI/AWS5.1 碳钢焊条

39. ANSI/AWS5.1 碳钢焊条

40. ANSI/AWS5.1 碳钢焊条 • ANSI(American National Standards Institute)—美国国家标准学会 • AWS(American Welding Society)—美国焊接协会 • AWS 低碳钢焊条标记： • 焊条标记英文字母〝E〞开头。 • 头二位数，例如60表示焊接金属的最低抗拉强度为60ksi。 • 第三位数字表示焊接位置，如E6010中的〝1〞，表示可用全位置焊接（ F,V,OH,H ），E6020中的〝2〞表示适合平焊（ F ）和水平角焊（ H-fillet ）。E7048的〝4〞，焊条适用于立向下焊（ V- down ）及其它位置（F,V,OH,H）。 • 最后两个数字组合表示焊条的电流种类和药皮类型。 F：平焊 H：横焊 V：立焊 OH：仰焊 H-fillet：水平角焊 V- down：立焊下进

41. 分类后加〝-1〞指焊条有低温冲击功要求。本范例如E7024-1焊条，它不但要符合E7024分类的要求，对伸长率有更高要求。分类后加〝-1〞指焊条有低温冲击功要求。本范例如E7024-1焊条，它不但要符合E7024分类的要求，对伸长率有更高要求。 • 字母〝R〞的命名用于低氢焊条，表焊条除符合标准吸潮测试之外，亦做定时曝露于多湿的环境中吸潮性试验。参考16章之吸潮性试验及表10。 • 选择性补充的命名〝HZ〞是接于四位数字之后或接于选择性补充命名〝-1〞之后。若有，表示熔敷金属平均扩散氢含量不超过〝Z〞ml/100g，测试是根据ANSI/AWS A4.3执行。分为H4、H8、H16三个级别。

43. 表1的批注

45. 表2的批注

48. 4.2 电焊条设计的原则和方法 1. 电焊条的设计原则 电焊条设计的依据： （1）依据被焊母材的化学成分、力学性能或其他特殊要求(如高温、低温；高压、低压；耐磨耐腐蚀等等)。 （2）依据被焊工件的工作条件要求。 （3）依据施焊现场设备(如交、直流弧焊机)和施工条件(如室内、室外、高空、水下等)要求。 （4）依据电焊条制造工艺(如手工蘸制，机械涂压)和设备(如螺旋机、油压机)要求。 设计原则：技术上必须可靠，制造上必须可能，经济效益好，卫生指标先进。

49. 2. 电焊条的设计方法 • 同种电焊条的规格不同，其药皮配方也有区别，一般设计上选择4的焊条作为突破口，其他规格的焊条配方以4的为基础进行调整，这有利于提高工作效能。 • 电焊条配方设计的方法很多，常见的有：直观计算法；三角渣系图法；优选法；正交回归设计法；计算机辅助设计法等。

50. 4.3 电焊条的设计步骤 • “目标制订明确、难点分析准确、技术路线正确”是研制焊条的关键 。 • 拟定熔敷金属的合金系统，选定焊芯、药皮类型，并考虑设备条件、原料来源和经济合理性。通过调整试验完成焊条设计工作。