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精工焊材 精异求精

附录2 碳钢和低合金钢焊丝的选用

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焊丝的选用

一、焊丝选用的基本要点

焊丝的选择要根据被焊钢材种类、焊接部位的质量要求、焊接施工条件(板厚、坡口形状、焊接位置、焊接条件、热处理及焊接作业性)及成本等予以综合考虑。

焊丝选定顺序通常如下:

⒈根据被焊结构的钢种选择焊丝。对于碳钢及低合金高强钢,主要是按“等强度”的原则,选择满足力学性能要求的焊丝。而对于耐热钢和耐候钢,主要是侧重考虑焊缝金属与母材化学成分的一致或相近,以满足其耐热性和耐腐蚀性等方面的要求。

⒉焊接部位的质量,尤其是冲击韧性的变化,与焊接条件、坡口形状、保护气体的混合比等施工条件有关,要在确保焊接部性能的前提下,选择达到最大焊接效率及降低焊接成本的焊接工艺方法。

⒊根据现场的焊接位置,对应于板厚选择所使用的焊丝直径,确定所使用的电流值,参考产品资料及使用经验,选择适合于焊接位置及使用电流的焊丝牌号。

焊接工艺性能是表示焊接作业难易程度的术语,它包括电弧稳定性、飞溅颗粒大小及数量、脱渣性、焊缝的外观与形状等项内容。对于碳钢的焊接(特别是半自动焊),主要是根据焊接工艺性能来选择焊接施工方法及焊接材料。

二、气保焊焊丝的选用

焊丝的选用,必须根据母材的化学成分、接头的力学性能、结构的拘束程度、焊后是否需要热处理以及耐腐蚀、耐高温、耐低温等使用条件进行综合考虑,并经工艺评定试验符合要求后予以确定。

   碳钢和低合金高强钢焊丝的选用

选用这类焊丝时,首先要满足焊缝金属与母材等强度以及其它力学性能指标(如低温冲击韧性等)符合规定的要求。焊接热轧钢、正火钢及焊态下使用的低碳调质钢时,首先考虑焊缝金属的力学性能与母材相接近或相当,焊缝金属化学成分与母材的一致性则放在次要。在焊接某些大厚度、大拘束的构件时,为防止出现焊接冷裂纹,可采用低匹配原则,即选用焊缝强度稍低于母材强度的焊丝。

中碳调质钢焊接后,一般要进行调质处理。因此,在选择焊丝时,力求保证焊缝金属主要合金成分与母材成分相近,以保证经过调质处理后,焊缝性能与母材一致。同时应严格控制焊缝金属中S、P等杂质含量,以防止结晶裂纹和脆化。

对于药芯焊丝,其渣系对焊缝金属扩散氢含量及低温冲击韧性的影响,都不及焊条那么大。无论哪种类型的药芯焊丝,其扩散氢含量都可达到15mL/100g以下的控氢标准,而碱性药芯焊丝的扩散氢含量通常都在5mL/100g以下。国外最新研制成功的钛型药芯焊丝的扩散氢含量也能控制到很低水平(低于4mL/100g)。对于焊条,焊缝金属抗拉强度大于540MPa时,都必须选用低氢型药皮,而对于药芯焊丝,抗拉强度在850MPa时,仍可选用钛型渣系。

  碳钢和低合金钢气保焊用焊丝的选用列于表1。


表1 碳钢和低合金高强钢气保焊焊丝的选用

类别

屈服强度等级/MPa

钢号

气保焊用焊材

保护气体

焊丝

低碳

235~275

Q235Q255Q275152020g22g20R

CO2

BFER49-1、BFER50-1、BFER50-4、BFER50-6

BFYJ502-1、BFYJ502R-1、BFYJ507-1

中碳钢


35、45

CO2

BFER49-1、BFER50-2、BFER50-3、BFER50-6、BFER50-7、BFYJ501-1、BFYJ501Ni-1、BFYJ507Ni-1

295

09Mn2、09Mn2Si、09MnV

CO2

BFER49-1、BFER50-2

345

16Mn、16MnR、16MnCu

14MnNb

CO2

BFER49-1、BFER50-2,-6,-7、BFYJ502-1、BFYJ502R-1、BFYJ507-1、BFYJ507Ni-1、BFYJ507TiB-1

395

15MnV、15MnVCu、16MnNb

440

15MnVN、15MnVTiRE、

15MnVNCu

CO2

Ar+20%CO2

BFER49-1、BFER50-2、BFER55-D2、BFYJ607-1、BFYJ607G-1

490

18MnMoNb、14MnMoV、

14MnMoVCu

CO2

Ar+20%CO2

BFER55-D2、H08Mn2SiMoA、YJ607-1、YJ602G-1、YJ707-1


   耐热钢焊丝的选用

Cr-Mo耐热钢焊丝的选择,首先要保证焊缝的化学成分和力学性能与母材尽量一致,使焊缝具有良好的抗氧化、抗气体介质腐蚀能力和一定的高温强度。其次,应考虑材料的焊接性,避免选用杂质含量较高或强度较高的焊接材料。Cr-Mo耐热钢焊缝的含碳量一般控制在0.07%~0.12%之间,含碳量过低会降低焊缝的高温强度,含碳量太高又易出现焊缝结晶裂纹。超低碳(C≤0.04%)的Cr-Mo耐热钢焊接材料(如ER55-B2LER62-B3L实心焊丝及E500T5-B2L、E600T1-B3L等药芯焊丝),为了提高焊缝抗裂性能,降低焊接预热温度,甚至不预热。

在焊接大刚度构件、焊补焊接缺陷、焊后不能热处理或焊接12Cr5Mo等焊接性较差的耐热钢时,可采用强度低、塑性好、溶氢量大的Cr-Ni奥氏体型焊丝进行焊接,以释放焊接应力,提高接头韧性,防止焊接裂纹。

一些重要的高温、高压耐热钢管道,普遍采用TIG焊方法进行封底焊接。管子的全位置焊接,多采用实心焊丝的熔化极气体保护焊,通常所用的保护气体是Ar+2%CO2。平焊时主要采用喷射过渡,全位置焊接时采用短路过渡或脉冲喷射过渡。若采用CO2气保焊,则飞溅较大,焊缝金属的氧含量增高,冲击韧性降低。

常用的Cr-Mo耐热钢焊丝的选用见表2。

表2 耐热钢气保焊焊丝的选用

钢种

钢号

熔化极气体保护焊

保护气体

焊丝

0.5Mo

15Mo

Ar+(1%~5%)O2

BFMG49-A1

0.5Cr-0.5Mo

12CrMo

BFMG49-B2L

1Cr-0.5Mo

15CrMo

Ar+(1%~5%)O2

BFMG49-B2L、BFMG55-B2、BFMG55-B2-Mn

1Cr-Mo

20CrMo

Ar+(1%~5%)O2

BFMG49-B2L、BFMG55-B2、BFMG55-B2-Mn

Ar+CO2

1Cr-0.5Mo-V

12CrMoV

CO2或Ar+CO2

BFMG55-B2-MnV

15CrMoV

CO2+或80%Ar+20%CO2

BFMG55-B2-VW

5Cr-0.5Mo

Cr5Mo

Ar+(1%~5%)O2

BFMG55-B6

2.25%Cr-1%Mo

T/P22、15Cr2Mo1

Ar+(1%~5%)O2

BFMG62-B3、BFMG55-B3L

ZG15Cr2Mn1

CO2或Ar+CO2

BFMG62-B3-Mn

Cr9-Mo1

T/P91、X10CrMoVNb91、X10Cr9Mo1VNb

CO2或Ar+CO2

BFMG62-B9

 3. 异种耐热钢焊接用焊丝的选用

异种耐热钢焊接时,焊丝的选择应按照“低匹配”原则,即耐热钢与低碳钢或低合金钢(如16Mn)焊接时,按低碳钢或低合金钢选用焊丝。当不同Cr、Mo含量的耐热钢焊接时,按Cr、Mo含量低的耐热钢选用焊丝。但焊接条件的选择却相反,焊前准备、焊接工艺及焊后热处理等,应按照Cr、Mo含高的焊接性较差的耐热钢来考虑,以减少异种钢接头的淬硬和冷裂倾向。异种耐热钢焊接用焊丝的选用见表3。

表3 异种耐热钢焊接用焊丝的选用

钢种

碳素钢

0.5Mo

1Cr-0.5Mo

2.25Cr-1Mo

5Cr-0.5Mo

5Cr-0.5Mo

MG49-1、MG50-6

E500T-1

E501T-1

YJ501-1

b            ③

TGR50Mo

TGR50ML

H08MnSiMo

YR102、107-1

b        ③

TGR55CM

TGR55CML

H08CrMnSiMo

YR302-1

YR307-1

b         ③

TGR59C2M

TGR59C2ML

H08Cr3MoMnSi

YR402-1

YR407-1

b         ③

HoCr5MoA

a      ①

2.25Cr-1Mo

MG49-1、MG50-6

E500/501T-1

YJ501-1、

YJ507-1

c            ③

TGR50M

TGR50ML

H08MnSiMo

YR102、

YR 107-1

c        ③

TGR55CM

TGR55CML

H08CrMnSiMo

YR302-1

YR307-1

c         ②

TGR59C2M

TGR59C2ML

H08Cr3MoMnSi

YR402-1

YR407-1

c         ②


1Cr-0.5Mo

MG49-1、MG50-6

E500/501T-1

YJ501-1、

YJJ507-1

d            ③

TGR50M

TGR50ML

H08MnSiMo

YR102、107-1

d        ③

TGR55CM

TGR55CML

H08CrMnSiMo

YR302-1

YR307-1

d        ②


0.5Mo

MG49-1、MG50-6

E500/501T-1

YJ501-1、

YJ507-1

f          ③

TGR50M

TGR50ML

H08MnSiMo

YR102、

YR107-1

e       ③


注:预热温度,℃:

a—250~350 ; b—200~300;c—150~250

     d—150~225;  e—100~200;f—100

回火温度,℃

①—750;②—690; ③—620

4. 低温钢焊丝的选用

低温钢是制造-20℃~-253℃低温下工作的焊接结构的专用钢材。作为低温用钢,最主要的要求是:在低温工作条件下具有足够的强度、塑性和韧性;具有良好的制造工艺性能;对应变时效脆性和回火脆性的敏感性要小,以便在结构制成后,保证钢材和焊接接头区的脆性转变温度低于最低工作温度,因而具备足够的抗断裂能力,达到安全使用的目的。

在焊丝的选配上,无论是实心焊丝还是药芯焊丝,大都采用与母材含Ni量相当的镍合金化的低合金钢焊丝,并尽量降低焊丝中C、S、P等杂质含量。

低温钢用药芯焊丝按保护气体种类可分为CO2气保护、混合气保护和自保护;按渣系可分为钛型渣系、碱性渣系和金属粉型。

低温钢用焊丝的选配列于表4。

表4  低温钢焊丝的选用

钢号

焊接材料

简要说明

保护气体

焊丝

16MnDR

0.9MnTiCu-ReDR

CO2

Ar+20%CO2

BFER55-Ni1

BFER55-Ni2

BFYJ502Ni-1

BFYJ507Ni-1

低温钢碳含量低,淬硬倾向小,焊接性良好。关键是保证焊缝及粗晶区的低温韧性,焊接线能量不宜太大。焊接时应尽量避免焊接缺陷和应力集中。

3.5Ni

Ar+2%O2

Ar+5%CO2

BFER55-C3

5. 耐候钢焊丝的选用

耐候钢由于含有少量的CuPCrNi等元素(一般含量P~0.1%Cr0.4%),使其耐大气腐蚀能力比普通碳钢(如Q215、Q235等)要提高1/3以上,成为具有一定耐大气及海水腐蚀性能的耐蚀钢。如08MnP15MnVCu16MnCu10NiCuP10MnPNbRe钢等。可用于集装箱、桥梁、机车车辆、石油井架及港口工程。耐候钢用焊丝,其熔敷金属合金系统一般可分为Cu-Cr系、Cu-Cr-Ni系及Cu-Ni系,焊缝金属抗拉强度有490MPa与590MPa二种。耐候钢的耐大气腐蚀性能主要取决于CuCrNi等合金元素的含量,故选用焊丝时,推荐采用与被焊钢种合金系统相一致的化学成分。由于P在焊缝中易引起脆化和裂纹,故焊材中一般不采用添加P来提高其耐大气腐蚀的能力。

铁道的机车车辆等用耐大气腐蚀用气保焊丝选用见表5。

表5  耐候钢焊丝的选用

钢号

焊接材料

保护气体

焊丝

09CuPCrNi-B、09CuPCrNi-B、

05CuPCrNi

CO2

BFH08MnSiCuCrNiⅡ、BFH08MnSiCuⅡ

BFH08NiCuMnSiⅡ、BFTH500-NQ-Ⅱ

08CuPVRE、09CuPCrNi-A

09CuPTiRE-B

CO2

BFH08NiCuMnSiⅡ、BFTH500-NQ-Ⅱ

Q400NQR1

CO2

BFTH500-NQ-Ⅱ

Q450NQR1

CO2

BFTH550-NQ-Ⅱ

Q600NQR1

CO2

BFTH600-NQ-Ⅱ

6. 桥梁钢焊丝的选用

桥梁钢按屈服极限分级,主要有 Q345q(A、B、C、D、E)、               Q370q(A、B、C、D、E)、 Q420q (A、B、C、D、E)。采用先进的冶炼、轧制和热处理技术,使钢材的关键成分得到控制,降低,杂质,如C、S、P、O2含量很低,微观夹杂物含量亦很低,钢材的韧、塑性优良。由于桥梁是在长期交变载荷条件下工作,焊缝金属容易造成疲劳,因此选用焊接材料是应注意焊缝强度的匹配。焊缝强度超过母材强度120~150MPa以上时,会降低接头的断裂韧性;超匹配的焊缝金属焊接时预热温度要求更高、冷裂纹敏感性更大。桥梁钢焊丝的选用见表6。

表6 桥梁钢焊丝的选用

钢号

焊接材料

保护气体

焊丝

Q345q

CO2

BFYCJ501-1

Q370q

富氩混合气体

BFYJ507M

Q420q

富氩混合气体

BFYJ502Ni、BFYJ502MNi、BFYJ502M

三、埋弧焊焊丝的选用

埋弧焊焊丝选配的原则,主要是根据被焊钢材的类别及对焊接接头的性能要求加以选择,并与适当焊剂相配合。一般来讲,对低碳钢、低合金高强钢的焊接,应根据等强度原则,选用与母材强度相匹配的焊丝;对于耐热钢的焊接,应选用与母材成分相匹配的焊丝(但有时碳可稍低);对于低温钢的焊接,主要是根据低温韧性或CTOD值来选用。对低温下工作的高强钢,同时还应考虑焊缝金属的等强匹配。

低碳钢埋弧焊时,由于焊缝中合金成分不多,故既可采用焊丝渗合金,也可采用焊剂渗合金。通过焊剂向焊缝中过渡锰,有利于改善焊缝的抗热裂纹能力和抗气孔性能,通过焊丝向焊缝过渡锰时,有利于提高焊缝的低温韧性。一般选用实心焊丝H08A或H08E与高锰高硅低氟的熔炼焊剂HJ430、HJ431或HJ433等配合,其中应用最广泛的是与HJ431焊剂相配合。也可选用中锰、低锰或无锰的焊剂与含锰较高的焊丝(如H08MnAH10Mn2等)相匹配,同样可获得满意的结果。

烧结焊剂具有工艺性能好、熔敷金属力学性能优良的优点。将SJ101、SJ101G、SJ101q、SJ105、SJ301等烧结焊剂与H10Mn2、H08MnA、H08A等焊丝相配合焊接低碳钢、低合金钢时,其焊缝质量优良,焊接效率高,可单面焊双面成形。

焊接低合金高强钢时,焊缝金属强度不宜过高,一般满足母材强度的下限即可。因为强度过高,往往会导致焊缝韧性、塑性和接头抗裂性能降低。要根据焊缝强度级别和韧性的要求,分别采用不同合金系统的焊丝。强度在490MPa级的焊缝可采用Mn-Mo系焊丝,如H08MnMoAH08Mn2MoAH10MnSiMoTiH10Mn2Mo焊丝等;690~780MPa级的焊缝多采用Mn-Cr-Mo系、Mn-Ni-Mo系或Mn-Ni-Cr-Mo系焊丝。当对焊缝韧性要求较高时,往往采用含Ni的焊丝成分系统,如H08CrNi2MoA等焊丝。焊接690MPa级以下的钢种时,既可采用熔炼焊剂,也可采用烧结焊剂;焊接780MPa级高强钢时,为了得到高的韧性,最好采用烧结焊剂。因为熔炼型焊剂碱度较低,为提高韧性,就应提高焊剂碱度,但这又会导致焊接工艺性能明显变坏,故熔炼型焊剂的应用受到限制。

Cr-Mo耐热钢埋弧焊时,为保证焊缝成分与母材相接近,多采用Cr-Mo系的实芯焊丝,如焊接1Cr-0.5Mo2.25Cr-1Mo5Cr-0.5Mo钢时,可分别采用H08CrMoAH08Cr2MoAHCr5MoA焊丝,所用焊剂通常为熔炼型焊剂。最新研究表明,对1.25Cr-0.5Mo2.25Cr-1Mo钢而言,焊缝金属的最佳含C量应控制在0.080.12%,此时焊缝金属具有较高的冲击韧性和与母材相当的蠕变强度。为了降低焊缝金属的回火脆性,已研制出了降低焊缝含磷量的熔炼型焊剂和烧结型焊剂,同时应严格限制焊丝中P、S、SnSb及As等有害杂质的含量,以满足厚壁容器对抗回火脆性的严格要求。

低温钢埋弧焊时,其主要是如何保证焊缝金属的低温韧性。首先,焊丝成分要控制得当,C、Si的含量要低些,S、P等有害杂质含量要尽可能降低。可选用中性熔炼焊剂配合Mn-Mo系焊丝或碱性熔炼焊剂配合含Ni焊丝。目前在大多数情况下,通常选用烧结焊剂配合Mn-Mo或含Ni焊丝。根据使用温度的不同,焊丝中可加入不同数量的Ni。使用温度越低,加入的Ni越多。为了不使焊缝强度过高而影响低温韧性,一般当焊丝含Ni低时,Mn量可适当高些;当含Ni高时,Mn量要适当降低。为了消除回火脆性,还应加入0.3%左右的Mo。当采用C-Mn系焊丝时,需通过烧结焊剂向焊缝金属过渡合金元素(如TiBNi等),以确保焊缝金属具有良好的低温韧性。

在选择焊丝与焊剂的组合时,还应注意坡口和接头形式的影响。如采用HJ431+HO8A焊接16Mn钢对接接头(开I形坡口)时,由于母材熔合比较大,所得到的焊缝可满足力学性能的技术要求;但对于16Mn钢厚板开坡口的对接接头,若用HJ431+H08A,由于母材熔合比小,故焊缝强度偏低,此时应采用HJ431+H08MnHJ431+H10Mn等焊材组合。对于16Mn钢角接焊缝则应采用HJ431+H08A,此时若选用HJ431+H08MnA,则角焊缝可能强度偏高,塑性偏低。

焊丝与焊剂的不同组合,可获得不同性能及不同成分的熔敷金属。所以,在焊接生产中,应根据所焊产品的具体技术要求和生产条件,选择适当的焊剂与焊丝的组合。必要时应通过工艺评定来选用定型。

表7列出了碳钢和低合金高强钢用埋弧焊焊丝的选用举例,表8为耐热钢、低温钢及耐候钢埋弧焊焊丝的选用举例。


表7 碳钢、低合金高强埋弧焊焊丝的选用举例

类别

屈服强度

MPa

钢号

埋弧自动焊

焊丝

焊剂

低碳钢

Q235、Q255、Q275

BFH08A、BFH08E

HJ431、HJ430、SJ401、SJ402

15、20

BFH08A、BFH08MnA

HJ431、HJ430

HJ330、BFSJ301、SJ302、BFSJ501、SJ502、SJ503

25、30

BFH08MnA、BFH15Mn

20g、22g

BFH08MnA、BFH08MnSi、BFH10MnSiA

20R

BFH08MnA

低合金钢

295

09Mn2、09Mn2Si、09Mn2V、09Mn2VCu

H08A、H08E、H08MnA

HJ430、HJ431、SJ301

345

16Mn、16MnCu、14MnNb、16MnR

不开坡口对接:BFH08A、BFH08E

中板开坡口对接:

BFH08MnA、BFH10Mn2、BFH10MnSi

HJ430、HJ431、SJ501、SJ502、BFSJ301

厚板深坡口:BFH10Mn2

HJ350、SJ102

395

15MnV、15MnVCu、16MnNb、15MnVRe

不开坡口对接:BFH08MnA

中板开坡口:BFH10Mn2、BFH10MnSi、BFH08Mn2Si

HJ430、HJ431、SJ101


440

15MnVN、15MnVTiRE、15MnVNCu

BFH10Mn2、BFH08MnMoA、BFH08Mn2MoA

HJ431、HJ350、HJ250、HJ252、SJ101

490

14MnHoV、18MnMoNb、14MnMoVCu、18MnMoVbg、18MnMoNbR

BFH08Mn2MoA、BFH08Mn2MoVA、BFH05Mn2NiMoA

HJ250、HJ252、HJ350、SJ101

管线钢

415

X60

BFH08Mn2MoA、BFH08MnMoA、

BFH10Mn2、

HJ431、BFSJ101、BFSJ101G

BFSJ102、BFSJ301

450

X65

480

X70、X80

BFH08Mn2MoABFH08MnMoTiB(BFH08C)

BFH08Mn2NiTiB(BFH08D)、BFH08Mn2NiMoTiB

BFSJ101G、SJ102G

低碳调质钢

490

HQ60

BFH08MnMoTiA

SJ104

590

HQ70A、HQ70B

14MnMoVN、14MnMoNRE

BFH08MnMoA、BFH08Mn2NiMoA

HJ250、HJ350

12MnNiCrMoCu

BFH08MnNi2CrMoA

HJ350

690

12Ni3CrMoV

BFH10Mn2SiMoTiA

HJ350

15MnMoVNRE、14MnMoNbB

BFH08Mn2MoA、BFH08Mn2Ni2CrMoA

HQ80、HQ80C

BFH08Mn2MoA


表8  耐热钢、低温钢及耐候钢埋弧焊丝的选用

类别

钢种

钢号

埋弧自动焊

焊丝

焊剂

低合金耐热钢

0.5Mo

BFH08MnMoA

HJ350

0.5Cr-0.5Mo

12CrMo

BFH08CrMoA、BFH10CrMoA

HJ260、HJ350、SJ103

1Cr-0.5Mo

1.25Cr-0.5Mo

ZG20CrMo、15CrMo

20CrMo

BFH08CrMoA、BFH13CrMoA

HJ250、HJ350、SJ103

1Cr-0.5MoV

12CrMoV、12Cr1MoV

ZG20CrMoV

BFH08CrMoVA

HJ350、HJ250、SJ103

2.25Cr-1Mo

Cr2Mo1

BFH08Cr3MoMnA、BFH13Cr2Mo1A

BFH08Cr2MoA

HJ350、HJ250、SJ103

SJ104

2Cr-MoWVTiB

12Cr2MoWVTiB

BFH08Cr2MoWVNbB

HJ250

5Cr-0.5Mo

12Cr5Mo

BFH10Cr5Mo

HJ260、HJ350

低温钢

(工作温度)-40℃

16MnDR

BFH10MnNiMoA、BFH06MnNiMoA

SJ101、SJ603

-46℃

DG50低温高强钢

BFH10Mn2Ni2MoA

SJ603

-60℃

09MnTiCuReDR

BFH08MnA、BFH10Mn2

SJ102、SJ603

-70℃

09Mn2VDR

BFH08Mn2MoVA

HJ250

2.5Ni

BFH08Mn2Ni2A

SJ603

-90℃

06MnNb

BFH05MnMoA

HJ250

3.5Ni

H05Ni3A

SJ603

耐候及耐海水腐蚀钢


16CuCr、12MnCuCr

15MnCuCr、10MnPNbRE、09MnCuPTi、12MnPRE

BFH08MnA

BFH10Mn2

HJ431


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