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1、焊接物理焊接物理(Welding Physics)山东大学材料科学与工程学院山东大学材料科学与工程学院 孙俊生孙俊生第第5 5章章 焊丝焊丝设计基础药芯焊丝焊丝是焊接时作为填充金属或同时作为导电用的金属丝，它是埋弧焊、气体保护焊、自保护焊、电渣焊和气电立焊等工艺方法的焊接材料。随着焊接技术的发展，焊丝的消耗量不断增加。MIG/MAG焊接耗材焊丝焊丝焊丝焊丝: : 以丝线盘、塑料线盘或线圈方式提供以丝线盘、塑料线盘或线圈方式提供以丝线盘、塑料线盘或线圈方式提供以丝线盘、塑料线盘或线圈方式提供塑料线盘塑料线盘丝线盘丝线盘线圈线圈 随机缠绕或有序缠绕随机缠绕或有序缠绕随机缠绕或有序缠绕随机缠绕或有序
2、缠绕提供提供提供提供 ： Lincoln Electric Lincoln Electric提供：提供：提供：提供：Lincoln ElectricLincoln Electric提供：提供：提供：提供：Lincoln ElectricLincoln Electric 随着自动焊接技术的迅速发展，焊丝的需求量和品种增长很快，尤其是药芯焊丝的发展速度更加突出。目前国产焊丝已达70余种，我国焊丝和焊剂的产量约占焊材总量的10%左右，远远低于工业发达国家的比例。随着社会需求和药芯焊丝制造技术的提高，估计在不远的将来，我国焊丝生产将有一个较大的飞跃，逐步缩小与欧、美等工业发达国家的差距。 实心焊丝现状
3、实心焊丝现状中国现有气体保护焊实心焊丝生产企业200余家，生产品种包括碳钢、低合金高强钢、耐热钢、不锈钢等气体保护焊实心焊丝。年产能在510万吨以上的骨干企业群已初步形成。许多大型生产企业可生产高效桶装实心焊丝，反映了中国焊接技术水平的提高，焊接材料生产技术的逐步完善和成熟且向高效自动化方向发展，并与国际接轨。气体保护焊实心焊丝行业的发展趋势为产能和产量不断增加、产品质量逐步提高、产品品种日渐完善。 10年来实心焊丝产量由1999年的10万吨提高到2008年的116万吨；平均年增长率超过30%； 占全部焊接材料的比例由10%提高到30%，表明中国焊接自动化水平的不断提高。中国部分行业实心焊丝的
4、年使用量见表4，可见气体保护焊实心焊丝的应用面在不断扩大，应用前景十分广阔。在2008年焊接材料出口统计中，气体保护焊实心焊丝ER70S-6等品种出口约15万吨，出口量约占焊接材料总出口量的39.5%。近5年中国气体保护焊实心焊丝出口情况如图5示，可见出口量及其所占焊接材料总出口量的比例逐年上升。在实心焊丝的制造工艺方面，近年国外推出了先进制造工艺，如非镀铜特殊涂层实心焊丝制造工艺，国内已有类似产品推出。目前这种焊丝成本较高，对导电嘴磨损较大和承载大电流能力较弱的问题尚待进一步完善和解决。埋弧焊焊丝现状目前，年产量约20万吨，生产厂商近百家，分布全国各地；生产品种有20多种，大部分以盘状供货，
5、只有少数生产企业可提供桶装埋弧焊丝；低碳钢、低合金钢用埋弧焊丝占80%以上，产品质量基本满足中国低碳钢、低合金钢的焊接技术要求。为了适应钢材高强度、高韧性、微合金化的发展趋势，研制成功了低碳微合金焊丝，用于X70、X80管线钢的埋弧焊接。但一些特殊要求的焊丝，目前仍依赖进口。埋弧焊丝的发展方向，一是与钢厂联合，开发研制各种强度级别的低碳高韧高强钢焊丝；二是发展金属粉芯埋弧焊丝。药芯焊丝的现状中国药芯焊丝的研制始于20世纪60年代中期，但很长时间停留在试验摸索阶段，没有实现工业化生产。2007年中国的药芯焊丝总产量跃居世界第一，达22万吨，2008年超过34万吨，其中结构钢药芯焊丝约32万吨，堆
6、焊药芯焊丝约2万吨，继续保持世界冠军的地位。到2008年，民族品牌的药芯焊丝已经占到中国市场的60%以上，若加上在中国内地生产的外资品牌药芯焊丝，国产药芯焊丝市场份额已超过95%。2008年中国药芯焊丝出口量约为有8.1万吨，其中外资企业占6.6万吨，内资企业占1.5万吨。内资企业的出口主要以贴牌贸易为主，真正以民族品牌出口的药芯焊丝份额很小。中国已有3家内资企业的药芯焊丝年产销量超过3万吨，跻身世界药芯焊丝产销量前十强。中国药芯焊丝生产企业呈现国资控股、外资和民营三足鼎立之势。外资企业主要有美国ITW集团、天泰公司、美国林肯公司、韩国现代、韩国高丽等；国资控股企业主要有天津三英、北京安泰等；
7、民营企业主要有天津金桥和天津大桥等。目前国内已有药芯焊丝生产企业60多家。2008年产销超过3万吨的企业有6家以上，年产1万吨以上的企业有10余家。药芯焊丝产品现状钛型全位置药芯焊丝占世界和中国药芯焊丝市场的90%以上，是市场的主导产品，经过十几年的发展，该类型的国产产品已经达到国际先进水平，完全可以取代进口。以前困扰药芯焊丝企业的三大问题，气孔（凹坑）、裂纹和送丝都得到明显改善。国产自保护药芯焊丝已成功用于西气东输二线的X80钢管道焊接，达到世界先进水平。金属粉芯药芯焊丝的品质提升和推广应用，是药芯焊丝的一个重要发展方向。金属粉芯药芯焊丝与传统金红石型或中性及碱性熔渣型药芯焊丝相比，具有熔敷
8、速度高、焊接熔渣少、焊接烟尘少、扩散氢含量低、焊缝成形好、熔敷金属化学成分和力学性能容易调整等一系列优点。日本开发的各类金属粉芯焊丝，偏重于提高熔敷速度和效率，大都只能进行平焊和平角焊，少数品种可用于横焊，但基本不能适用于全位置焊接。美国的金属粉芯焊丝在注重提高焊缝内在质量的同时，还注重改善焊接工艺性能，提高熔敷效率，一些品种可适用于全位置焊接。2008年，日本药芯焊丝产量占焊接材料总产量的36%37%，韩国占52%。2008年，中国药芯焊丝总产量约占焊接材料总量的9.1%，仍然有较大提升空间。预计未来10年内，药芯焊丝份额将达到焊接材料总量的15%20%。中国药芯焊丝将由造船业逐步向钢结构、
9、石化、汽车和机械制造等行业普及推广。将工作重点转移到调整结构、优化升级、研发新品上，大力发展优质高效的新型药芯焊丝。5.1 焊丝的分类1.按适用的焊接方法按适用的焊接方法埋弧焊焊丝、CO2焊焊丝、钨极氩弧焊焊丝、自保焊焊丝及电渣焊焊丝等2.按焊丝的形状结构按焊丝的形状结构实心焊丝和药芯焊丝。药芯焊丝又分为气保护和自保护两种。3.按适用的金属材料按适用的金属材料低碳钢、低合金钢焊丝、硬质合金堆焊焊丝，铝、铜与铸铁焊丝等焊丝有多种分类方法，常用分类方法为：焊丝分类（一）焊丝的型号（一）焊丝的型号焊丝型号是国家标准规定的，能反映焊丝的主要特征。 型号包括以下含义：焊丝、焊丝类别、焊丝特点（如熔敷金属
10、抗拉强度、化学成分、保护气体种类、熔敷金属扩散氢含量、熔滴过渡类型等）、焊接位置及焊接电源等。1. 实心焊丝的型号气体保护焊用碳钢、低合金钢焊丝型号ER X XX表示焊丝表示熔敷金属抗拉强度最低值, kgf/mm2字母或数字，表示焊丝化学成分分类代号 用型号和牌号来反映焊丝主要性能特征及类别。等效采用美国焊接学会AWS标准。GB/T10045-2001碳钢药芯焊丝标准等效采用AWS A5.20-95标准。GB/T17493-2008低合金钢药芯焊丝标准等效采用AWS A5.29-80标准。GB/T17853-1999不锈钢药芯焊丝标准等效采用AWS A5.22-95标准。AWS采用英制单位，强
11、度以ksi（或psi），我国用公制单位，强度用MPa。造成两者在型号编制中强度表示的数值上有区别。 1ksi=1千磅/平方英寸； 1psi =1磅/平方英寸2. 2. 药芯焊丝的型号药芯焊丝的型号2. 2. 药芯焊丝的型号药芯焊丝的型号碳钢药芯碳钢药芯焊丝型号是根据其熔敷金属力学性能、焊接位置焊丝型号是根据其熔敷金属力学性能、焊接位置及焊丝类别特点（保护类型、电流类型及渣系特点等）进及焊丝类别特点（保护类型、电流类型及渣系特点等）进行划分。行划分。字母“E” 表示焊丝，字母“T” 表示药芯焊丝。字母“E” 后面的2 位数字表示熔敷金属的力学性能。字母“E”后面的第3 位数字表示推荐的焊接位置，
12、其中”0”表示平焊和横焊位置，”1”表示全位置。短划后面的数字表示焊丝的类别特点。字母“M”表示保护气体为75%80%Ar+CO2，当无“M”时，表示保护气体为CO2或自保护类型。字母“L”表示熔敷熔敷金属的冲击性能在-40时，其V 形缺口冲击功不小于27J，无“L”时，表示焊丝熔敷金属的冲击性能符合一般要求。字母“E” 后面的2 位数字短划后面的数字表示焊丝的类别特点。短划后面的数字表示焊丝的类别特点。根据药芯焊丝的渣系、保护气体、电源使用特点对其进行了分类:ET-1和和ET-1MT-1类焊丝以CO2 作保护气体，当用户需改进工艺性能时，尤其用于不适当位置焊接时，也可以采用 混合气体（如Ar
13、+CO2)。随着Ar+CO2混合气体中Ar的增加，焊缝金属中的Mn和Si含量将增加，从而将提高焊缝金属的屈服强度和抗拉强度，并影响冲击性能。T-1M以作75%80%的Ar+CO2作保护气体。T-1和ET-1M焊丝可用于单道焊和多道焊，采用直流反接。T-1和ET-1M类焊丝的特点是喷射过渡，飞溅量小，焊道形状为平滑至微凸，熔渣量适中并可完全覆盖焊道。T-1和ET-1M焊丝大多是氧化钛为主体的渣系（习惯上称为钛型渣系或金红石渣系），并且具有高的熔敷速度。 T-1和ET-1M是国内外应用最广的焊丝类型国内外应用最广的焊丝类型。 药芯特点：金红石型，熔滴呈喷射过渡T-2和T-2M焊丝 这类焊丝具有更高
14、Mn或Si含量或二者含量都高的T-1或T-1M类焊丝。主要用于平焊位置单道焊和横焊位置角焊缝焊接。焊丝的脱氧性较强，可以单道焊接严重氧化的钢或沸腾钢。 这类焊丝的熔滴过渡、焊接特性和熔敷速度与T-1/T-1M相似。可用于焊接T-1/T-1M焊丝所不允许的表面有较厚氧化皮、锈蚀及其他杂质的钢材。T-3焊丝焊丝是自保护型，采用直流反极性（DCEP），熔滴为喷射过渡，渣系主要以金红石渣为基础，焊缝塑韧性相对较低。渣系设计特点是焊接速度非常高，用于板材平焊位置单道焊，横焊和立焊（倾斜不超过20）。该类焊丝对母材金属硬化的影响很敏感，一般不建议用于下列情况： 板厚超过4.8mm的T 形或搭接接头； 板厚
15、超过6.4mm的对接、端接或角接接头。T-4焊丝焊丝是自保护型，采用直流反极性（DCEP），熔滴呈颗粒过渡。渣系通常是CaF2和作为脱氧元素和氮化物形成元素的Al组成。渣系设计特点是焊接速度非常高，焊缝含S量非常低，抗热裂性能非常好。一般用于焊接根部以外浅熔深焊接。适于焊接装配不良的接头，可以单道焊或多道焊。T-5/T-5M焊丝T-5焊丝用CO2作保护气体，也可以使用Ar+CO2混合气体以减少飞溅。T-5M焊丝设计用75%80%Ar+CO2作保护气体。这两类焊丝采用直流正接（DCEN），可以全位置焊接，焊接工艺性能不如钛型渣系。这两类焊丝主要用于平焊位置单道焊或多道焊，横焊位置角焊。焊丝特点是
16、粗滴过渡，微凸焊道形状，不能完全覆盖焊道的薄渣。渣系为氧化钙氧化钙-氟化物氟化物（碱性渣系），焊缝金属具有比钛型渣系更为优异的冲击性能和抗裂性能。T-6焊丝T-6焊丝是自保护型，使用烧结合成原料作为药芯组成物。 采用直流反接（DCEP），熔滴呈喷射过渡。渣系特点是具有良好的低温冲击韧性，可满足同T-5型焊丝相同韧性要求值。焊缝根部良好的熔透性、优良的脱渣性能，甚至在深坡口内脱渣良好。适于平焊和横焊位置的单道焊和多道焊。T-7焊丝T-6焊丝是自保护型。 采用直流正接（DCEN），熔滴呈细熔滴至喷射过渡。与T-4焊丝相同，大直径焊丝（不小于2mm）可以高熔敷速度进行平焊和横焊位置焊接，熔深比T-4型更深。小直径焊丝（不大于1.6mm）用于全位置焊接。用于单道焊和多道焊，焊缝金属含S量很低，抗裂性非常好。T-8焊丝T-8焊丝是自保护型。该类焊丝综合焊丝的工艺性能和焊缝金属低温韧性。采用直流正接（DCEN），熔滴呈细熔滴或喷射过渡。焊丝适于全位置焊接，焊缝金属具有非常好的低温韧性和抗裂性。用于单道焊和多道焊。输气管线用的焊丝就属于这种类型，如合伯特Fabshield 81N（AWS E71T8
