金属焊接材料-发展与展望.ppt

金属焊接材料,焊接材料知识交流高级焊工：赵建勋 西安科技大学机械设计制造及其自动化专业,序言,随着改革开放的深入发展，在国民经济建设高速发展的同时，我国焊接材料行业也取得了长足的进步。2007年的焊材产量为350万吨左右，成为世界上第1焊材生产大国。在产量增加的同时，其产品结构的比例也发生了显著的变化。焊条所占比例由1996年的87%下降到2006年的57%，CO2气体保护实芯焊丝和药芯焊丝的比例上升到29%。焊接作为重要的基础加工工艺，在石油化工、重型机械、桥梁建筑、船舶车辆及航天航空等行业得到了广泛的应用。焊接材料的生产规模不断扩大，产品种类不断增加，特别是CO2气体保护焊实芯焊丝和药芯焊丝发展更为迅速。目前，我国已成为世界第一焊接材料生产和消费大国。,第一章 焊接材料和钢铁材料的发展与展望,第一节 焊接材料的发展与展望 1、电弧焊用电焊条 2、CO2气体保护焊用实芯焊丝 3、药芯焊丝 第二节 钢铁材料和冶金技术的发展 1、钢铁材料的产量和消费量 2、钢铁冶金技术的发展,第一节 焊接材料的发展与展望,焊接材料包括手工电弧焊用电焊条，CO2气体保护焊用实芯焊丝及药芯焊丝，埋弧焊用焊丝及焊剂，还有氩弧焊用的焊丝，钎焊用的钎料和钎剂，保护气体等。总之，在焊接过程中所消耗的材料统称为焊接材料。中国焊接材料的发展，中华人民共和国成立起到现在经历了三个阶段。第一阶段：从中华人民共和国成立初期至1965年，这个阶段主要是手工电弧焊焊条的白手起家发展阶段。第二阶段：从19661990年，这个阶段主要是手工电弧焊焊条迅速发展和完善的阶段。,船用焊条取得了中国CCS,英国LR，美国ABS，挪威DNV，及日本NK等国际上著名船级社的认可。碳钢焊条，低合金钢焊条及不锈钢焊条标准自1985年起已等效采用相应的美国标准（ANSI/AWS A5.1,A5.4,A5.5）等。这些都促使产品质量检测手段及企业质量保证体系日臻完善，有力地促进了焊条内在质量的提高。,第三阶段：1990年至今，这个阶段主要是调整产品结构，开发优质高效焊接材料阶段。多年来，电焊条产品统一天下。在20世纪80年代前，基本上都是手工电弧焊和埋弧焊。进入20世纪80年代后，为了适应焊接向“优质，高效，低成本”方向发展的趋势，开始发展CO2气体保护焊实芯焊丝。短短几年，从国外引进了几十条焊丝镀铜生产线，开展了现代化的焊丝生产。进入20世纪90年代后，一些企业又开发出了CO2气体保护焊药芯焊丝产品。,经过几十年的努力，CO2气体保护焊实芯焊丝已形成了年产80万吨的生产规模，正在向良性方向发展。药芯焊丝发展更快，短短几年达到了年产量10多万吨的水平，取得了令人瞩目的成就。至此，中国焊接材料门类齐全，产品结构有了明显的改变，质量水平有了较大的提高，成为全球第一焊接大国，在全世界焊材生产领域占据了重要位置。,天津的金桥焊材集团有限公司，大桥焊材集团有限公司及四川大西洋焊接材料股份有限公司的生产规模居世界前三位。近年来，我国焊接材料产量见表1-1。,表1-1 近两年我国焊材产量,从表1-1 可以看出，我国焊接材料在增加产量的同时，其产品结构也发生了显著的变化。电焊条所占的比例下降到57%，CO2气体保护焊实芯焊丝上升到了25%，药芯焊丝达到4%。根据目前焊丝生产企业的产能情况以及市场需求，CO2气体保护焊实芯焊丝和药芯焊丝所占的比例还会以较大幅度上升，电焊条所占的比例会进一步下降。,1、电弧焊用电焊条,焊接，焊接材料的出现，距今已有100多年的历史了。1889年，有人提出在光焊丝上刷涂一层黏土或石灰，焊接效果可能会更好，这也是我们目前还广泛应用的药皮焊条的雏形。今后，在研发高效率，高性能，高操作性焊接材料的同时，还要重视高环保性焊接材料的研究，包括非镀铜实芯焊丝，底尘药芯焊丝等。2、CO2气体保护焊用实芯焊丝 1904年，瑞典ESAB公司建立焊条厂后，在大力发展手工电弧焊焊条的同时，气体保护焊工艺在1920年也已经开始采用。也有的资料介绍1926年，美国的Alexandre发明CO2气体保护焊原理。通过对手工电弧焊时焊条药皮分解，产生的气体的分析,研究表明，焊条药皮产生的气体主要是CO2，因此，人们考虑在使用熔化极气体保护焊工艺焊接低碳钢时，采用CO2气体作为保护气体。此时，所用的焊丝为含Mn,Si等脱氧元素高的实芯焊丝。中国在20世纪50年代末，开始研究CO2气体保护焊工艺，20世纪70年代在电站锅炉及压力容器行业得到应用。随着改革开放的深入，一些大型企业引进国外先进技术，或者合资生产的产品要求采用气体保护焊。所以，许多企业在引进技术和合资生产的同时，购进大批的生产设备和盘状层绕的镀铜焊丝，推动了CO2气体保护焊接的应用。最近10年是我国CO2气体保护焊实芯焊丝发展的高峰期，随着国民经济建设的迅速发展，全社会消费钢材逐年增加，焊丝市场不断扩大，焊丝生产企业急剧增加，1996年初步统计为150家。,目前，全国的焊丝生产厂家有300家左右，从1983年天津焊丝厂从德国引进设备到现在，全国已从德国，瑞典，加拿大，日本，瑞士，意大利及中国台湾地区引进各种焊丝生产设备50多套，总投资达5千多万美元，国产和自行研制的设备400余套，焊丝行业已达到一定的规模。由于近10年来国内CO2气体保护焊丝发展迅速，一些科研院所加大了对CO2气体保护焊丝镀铜设备的开发力度，取得了较好的成效。现在基本上不再进口，已经完全立足于国内。CO2气体保护焊实芯焊丝产品通过10几年来的生产实践，其质量有了可喜的进步。初期阶段存在的镀铜结合不牢，放置一段时间易生锈，送丝稳定性差等问题已经有了很大的改善，大部分企业在关键技术方面都取得了突破性进展。近20年来，CO2气体保护焊实芯焊丝的产量汇总于表1-2。,表1-2 近20年来CO2气体保护焊实芯焊丝产量变化情况 万吨,从表1-2 可以看出，1986年产量为0.5万吨，2006年产量达到80万吨，20年间产量增加了近160倍。CO2气体保护焊实芯焊丝得到了大量应用的主要原因有以下几方面。,（1）焊丝生产企业经过20多年的生产实践，掌握了焊丝生产的工艺要求，形成了一套完善的生产工艺规程和质量保证体系，质量水平能够满足使用要求。（2）过去焊丝品种少，限制了焊丝的推广使用。近年来，焊丝生产受到包括宝钢集团公司等大、中型钢铁企业的重视。除了提供常规的盘条外，根据焊丝生产企业的需求，开发了耐候刚，耐热钢，高强度钢等产品，使得焊丝的品种不断增多，进一步扩大了应用范围。（3）CO2气体保护焊实芯焊丝的售价相对便宜。药芯焊丝的售价在1万元左右，而普通实芯焊丝只有0.6万元左右，比相同用途的焊条也高不了多少。所以，CO2气体保护焊实芯焊丝除了具有焊接效率高，焊缝质量好以外，还具有明显的价格优势。（4）我国焊接生产历来是以电焊条为主，当焊丝生产进入成熟阶段后，很容易被市场接受，大范围的来取代电焊条。电焊条在焊接材料总量中，所占的比例由原来的80%降到目前的 57%，主要是焊丝使用量增加所致。,3、药芯焊丝,在现有的焊接材料中，药芯焊丝是技术含量最高的产品，也有人称是焊接材料的第4代产品。1920年，堆焊药芯焊丝问世，并被用于实际生产中，同年美国发表了第一个涉及药芯焊丝的制造专利。20世纪50年代中期，实芯焊丝CO2气体保护焊的应用重新引起了人们对药芯焊丝的重视。实芯焊丝CO2气体保护焊的最大缺点是电流在300A以上时，熔敷速度很高，飞溅较大，焊缝表面质量比有熔渣的差，而且气体保护的变化会增大焊缝金属的气孔倾向。为了克服上述缺点，人们重新考虑在焊丝中加入药芯的办法，把CO2气体保护系统结合到药芯焊丝的开发应用上，提供一种可以克服上述许多缺陷的新的焊接工艺。这种新的焊接工艺于1954年5月由美国焊接学会正式向公众介绍，直到1957年，经过改进的焊丝和设备才以目前的形式出现，欧洲和美国出现了商品化的直径为3.2mm的气体保护药芯焊丝。,药芯焊丝电弧焊的另一个重要进展，是1958年美国和苏联同时研制成一种不需要外加气体保护的药芯焊丝，即目前的自保护药芯焊丝。在药芯焊丝的发展中，另一个重要的飞跃是全位置焊药芯焊丝的开发，随着制造技术的进步，焊丝的直径不断减小，气体保护焊药芯焊丝的直径由3.2mm和2.4mm减小到1.6mm和1.2mm，基本上获得了全位置焊接的功能。自保护药芯焊丝通过减小焊丝直径至2.0mm和调整药皮组成物，也成功获得了全位置焊接的能力。由于药芯焊丝实现了全位置焊接，加上其具有熔敷速度高，运丝速度快，力学性能好及成分调整灵活等优点，显著地增大了药芯焊丝的应用范围。在某些工业化国家，药芯焊丝产量的增长速度已超过了实芯焊丝。中国药芯焊丝的兴起实际始于20世纪90年代初。在20世纪70年代末，中国船舶产品打入国际市场，为了满足国际市场要求，提高焊接效率和提高焊接质量成为了突出问题。为此，1982年，中国船舶重工集团公司提出推广应用高效焊接技术的方案，1983年，又提出“大力推广应用高效焊接技术，提高生产率”的方针。,从采用重力焊，高效铁粉焊条，CO2气体保护焊实芯焊丝到药芯焊丝，使整个船舶制造行业的焊接自动化水平不断提高，从而缩短了船舶的制造周期，降低了焊接生产成本，船舶制造行业成为使用药芯焊丝的大户。到2000年，我国经过了漫长的探索，掌握了药芯焊丝生产规律，积累了生产经验，药芯焊丝生产步入正轨。目前，除了本土的药芯焊丝生产企业外，国外的一些著名焊材企业，如日本的神钢（KOBELCO）,韩国的现代（Hynndai）及高丽，瑞典的伊萨（ESAB），美国的林肯（Lincoln），德国的伯乐-蒂森（Bohler-Thyssen）及美国的赫伯特（Hobart）等均在我国建立和收购生产企业，生产规模都很大。这些外商的进入，加剧了市场的竞争程度，但也带来了先进的技术，科学的管理，促进了企业的技术进步。现在，药芯焊丝生产企业将近30家，年生产能力将近20万吨。从19962006年药芯焊丝的产量情况汇总表1-3。,表1-3 1996-2006年药芯焊丝产量情况,根据上面的回顾，我国药芯焊丝的发展可以分为以下三个阶段：第一阶段：从20世纪60年代初期至80年代中期，是对药芯焊丝产品及生产设备初步研究、学习阶段。限于当时国内的技术水平和物质条件的制约，虽然做了一些起步工作，但并没有给后来者留下什么可供借鉴的经验。,第二阶段：从20世纪80年代末期至90年代末期，是重新启动和创业阶段。由于市场的驱动，药芯焊丝真正受到重视，学习技术，引进设备，在无序竞争中，人们积累了经验和教训，教训也是宝贵财富，并且初步形成了数千吨的小规模生产能力。第三阶段：从2000年至今，焊材行业经过不懈的努力，自主研发，不断创新，终于走进药芯焊丝生产的自由王国，可以看成是发展阶段。总之，改革开放政策的实施，推动了我国经济的持续发展，也带动了我国焊材行业的发展。当然，就数量而言，焊材产量占世界总产量约1/3以上，每年有20万吨焊材出口，我国已成为一个焊材生产大国，但还不是一个生产强国。许多焊材与国外著名企业的产品相比还有较大的差距，一些质量要求高的高端焊材还需依赖进口。大多数企业疲于应付压价竞争，从资金，人员方面对产品开发的投入都不足，基础研究及创新能力不强。,近来，面对加入世界贸易组织（WTO）后的新形势，我国焊材行业中有影响的企业已经意识到形势的严峻，积极联合国内各方面的力量，确立以实现技术创新，提高产品的技术含量为目标，加速企业技术开发中心建设，建立新型的技术创新运行机制。争取通过资本运作，依靠科技提升产业竞争力，构筑几个具有很强核心竞争力，产品门类齐全，实力雄厚的焊材集团和一些在某类焊材方面很有特色的专业厂家，以使我国早日成为焊材生产强国。,第二节 钢铁材料和冶金技术的发展 2006年，中国粗钢产量达到4.188亿吨，钢材表观消费量为4亿吨，焊接材料产量为317万吨。10多年来，中国的钢铁产品与焊接材料的产量和消费量一直居世界第一位，在世界经济 中具有重要地位。,1、钢铁材料的产量和消费量,中国冶金历史悠久，但发展缓慢。1949年，全国钢材生产15.8万吨，仅为2001年钢产量的1/1000。中华人民共和国成立后，钢铁工业获得新生，1978年的钢产量上升到317万吨。改革开放以来，钢铁工业发展进一步加快，1989年，钢材生产6159万吨，1996你那达到10514万吨，中国成为世界上钢产量和消费量的第一大国。根据世界钢铁工业协会统计，2006年，全球粗钢产量为12.395亿吨，中国粗钢产量达到4.188亿吨，占全球粗钢产量的比重达到33.8%。钢材消费情况和一个国家的经济建设情况息息相关，甚至可以体现出一个国家的工业化程度，所以人均钢材消费量也是一个重要的经济指标。2003年，世界人均钢材消费量为156Kg，中国人均消费量为197Kg，超过了世界平均水平。19962006年中国钢材表观消费量见表1-4。,表1-4 19962006年中国钢材表观消费量,第二节 钢铁冶金技术的发展,在炼钢方面有氧气转炉和电炉炼钢。转炉炼钢又可以分为氧气顶吹转炉炼钢和顶低复合吹转炉炼钢，后者具有更好的冶金效果和经济效益。电炉炼钢以碱性电弧炉为主，也有的采用感应炉或电渣炉炼钢。碱性电弧炉炼钢又分为一次冶炼工艺和二次冶炼工艺。凡是炼钢过程的基本任务均在炉内完成的成为一次冶炼工艺；而在炉内完成熔化和氧化任务，其余冶炼任务在炉外精炼设备中完成的称为二次冶炼工艺。炉外精炼的主要任务是脱碳，脱氧，脱硫，去气孔，去杂质，调整温度和化学成分等。精炼的主要手段有渣洗，真空处理，吹氩搅拌，电磁搅拌，吹氧，电弧加热，喷粉等。炉外精炼可大幅度提高钢的质量，缩短冶炼时间，简化工艺流程和降低产品成本等。常用的方法有：（1）DH法，也称真空脱气脱氧法，它是在钢液冶炼完毕后，再进行脱氧的一种方法。,（2）RH法，也称真空循环脱气法，钢液在重力，真空和吹氩三个因素的作用下不断进入真空室内，使其充分脱气。（3）ASEA-SKF法，它是将加热，搅拌，真空等综合在一起的一种炉外精炼法，其脱氧，脱氩效果基本与DH法和RH法相同，它还有较强的脱硫能力和去除杂质的效果。（4）VOD法，英文的意思是真空吹氧脱碳，有很强的脱碳能力，在冶炼不锈钢时很容易把碳的含量降低到0.02%0.08%，而铬几乎不被氧化。该方法也有良好的去气去杂质能力，可以生产出非常纯净的钢。（5）AOD法，它的精炼原理与VOD法相似，但它是利用氩气稀释方法使CO分压降低，而不需要真空设备。它能顺利地冶炼低碳和超低碳不锈钢，已成为冶炼不锈钢的专用设备，其脱硫和降低杂质的效果也很明显。,为了保证炉外精炼效果，还可以对铁水进行预处理，即预先对铁水进行脱硫，脱磷，脱硅等处理。最常见的是脱硫处理，向铁水包中加入脱硫剂，主要成分是钙、镁、稀土等，它与铁水中的硫作用生成稳定的化合物的进入渣相，达到使铁水脱硫的目的。通过上述精炼过程，可使钢中硫、磷杂质，有害气体及其它杂质等降到很低的水平，使钢的纯净度明显提高，进而使钢的力学性能特别是塑、韧性得到显著好转。把不锈钢中的碳降低到超低碳水平后，可使奥氏体或铁素体不锈钢的耐蚀性得到显著改善。在轧钢方面，最为重大的进展是热控轧制技术（TMCP）的成熟和应用，它主要是利用细化铁素体组织，产生贝氏体等低温相变来提高钢材的强度和韧性。和以往同样强度级别钢材相比较，TMCP技术生产的钢材降低了碳含量和其他合金成分含量，因而使钢的焊接性和接头的力学性能得到很大改善，这种技术生产的钢，也被称为TMCP钢。TMCP钢包括控制轧制钢（CR钢），经CR处理后加速冷却钢（ACC钢）,和直接淬火钢（DC钢），现在一般的TMCP钢多指控制轧制钢，如果采取了加速冷却则称为水冷型TMCP钢，仅采用控制轧制时，成为非水冷却型TMCP钢。普通轧钢是在12501350，加热后立即进行轧制，轧制终了温度在950以上；而CR技术，为防止奥氏体晶粒过渡粗大，加热温度为11501200，对含Nb的钢材考虑到Nb的固溶温度，可加热至较低的温度进行轧制，终止轧制温度一般在800以下。20世纪70年代以前是低合金高强度钢的发展阶段，20世纪70年代起以微合金化和控轧控冷技术基础，开发了微合金高强度钢。这种钢是在低碳钢或低合金钢中加入微量的碳化物【w（c）0.2%】或氮化物形成元素，如Nb、V、Ti等，这类元素可以细化钢的晶粒，提高钢的强度和获得较好的韧性。但是，钢的良好性能不仅仅依靠添加微量合金元素，更主要的是通过控轧和控冷工艺的热变形导入的物理冶金因素的变化实现细化钢的晶粒。在容易产生再结晶的高温区（再结晶区）进行轧制时，可以细化晶粒；在难以产,生再结晶的低温区（未再结晶区）进行轧制时可使晶粒内形变组织均匀性提高；在更低温度下的铁素体和奥氏体双相区进行轧制时，可使相变后的铁素体晶粒进一步细化。晶粒细化或均匀化都利于形成更加细小的铁素体晶粒，经CR处理后，如果加速冷却（即控轧控冷），则使铁素体加速形核，而生长速度得到抑制，从而使晶粒进一步细化。另外，加速冷却还改变钢的最终组织铁素体，珠光体，贝氏体和马氏体的比例，也能提高钢的抗拉强度。总之，通过控制轧钢的过程中的加热温度，轧制温度，变形量，变形速率，终轧温度和轧后冷却工艺参数，使轧件的塑性变形与固态相变相结合，可以获得细小的晶粒和良好的组织，提高钢的强韧性，使其成为具有优异综合性能的钢。,在热处理技术上，以往常采用正火（N）,正火+回火（NT）,淬火+回火（QT）等方法,后来又开发了两次正火+回火（NNT）,两次淬火+回火（QQT）等新工艺。两次淬火+回火处理有两大作用，分别是提高了钢的低温韧性和降低钢的屈强比。就提高韧性而言，主要适用于5Ni钢，9Ni钢等低温用钢和含Ni较多的高强度高韧性钢。第一次淬火与通常的淬火相同，是在Ac3点以下的+两相区淬火，它可得到细化的合金成分富集的相组织，在回火过程中相生成逆转奥氏体，吸收钢中的碳、氮等有害元素，使铁素体净化，显著地提高钢的低温韧性。就降低钢的屈强比而言，主要用于建筑行业使用的高强度钢，即通过两相温度区间进行热处理研制出了低屈强比的调质钢。这类钢的Ni含量很低【w（Ni）0.5%】，其屈强比约为0.7，而相近成分的调质钢屈强比大于0.8。第一次加热至奥氏体区，淬火后得到贝氏体，马氏体或与相的混合组织。第二次加热至+双相区，选择不同的两相区温度淬火后，可得到不同比例的混合组织，从而得到不同的屈强比。,总之，通过改变热处理方式，加热温度，保温时间和冷却条件，可以调整钢的组织类型和各种组织比例，进而改变钢的力学性能，以满足对强度、塑性、韧性和屈强比等多方面的要求。微细析出物对改善钢的性能，特别是对满足大热输入焊接的要求具有重要的作用。这些微细析出物包括TiN,AlN,BN,Ti2O3,稀土硫化物等。它们的作用，一是抑制形成粗大奥氏体，相变后形成细小的变态组织，避免魏氏体组织的生成，TiN和AlN具有这种作用。二是抑制晶界上相形核，从而避免魏氏体组织或侧板条铁素体的生成，B的析出物具有这种作用，它易于向晶界偏析。三是在晶粒内部使相生核，最终得到细小的组织，各种氮化物，氧化物或稀土硫化物等都具有这种作用。虽然人们早已了解钢中的非金属夹杂物或析出物能促使 相变时的相形核，但是直到很晚才认识到它对细化焊接热影响区组织所起的有效促进作用。所不同的是非金属夹杂物或析出物的概念不同了，只有超细颗粒（如低于0.05m）才能起到抑制晶粒长大的作用。,相关报道有，苏联采用TiN成功地抑制了超厚锅炉钢电渣焊接头热影响晶粒的长大，后来才确认，TiN的形态和尺寸对晶粒尺寸有很大的影响即晶粒直径和TiN尺寸成正比。1975年，日本学者发现，适当含量的稀土元素和硼元素能够使大热输入焊接热影响区的组织仍为细小的铁素体，如珠光体组织，添加0.02%0.04%的稀土和0.002%0.0035%的硼，则可以显著提高大热输入焊接时融合区韧性。添加微量钛和硼，可以促使大热输入焊接热影响区形成铁素体加珠光体组织。研究表明，在大规范焊接的融合区附近，冷却过程中具有促使相形核特性的微细颗粒，有稀土的超细氧化物颗粒，钛的微小氧化物颗粒（主要指凝固过程中形成的直径小于3m的氧化物），还有TiN以及析出的BN，MnS等颗粒。总之，这些复合或非复合存在的微细析出物或夹杂物，可以细化大热输入（热输入量达100200KJ/cm）焊接时热影响区的组织，确保其具有高的韧性。1980年以后，TMCP技术的成功应用，降低了钢的碳含量，也在很大程度上改善了大热输入焊接热影响区的韧性。,由精炼净化，晶粒细化和调整组织等带来的钢铁品种增加和性能优化，就给从事焊接工作的科技人员带来了不少启示。首先是新技术改善了钢材的焊接性能，随着钢材碳当量的降低，钢材抗冷裂纹能力得到改善。硫、磷等杂质元素的净化，显著提高了钢材的抗热裂纹、再热裂纹和抗层状撕裂的能力，也改善了钢的耐蚀性能和抗蠕变脆化性能。其次，提高了钢材的力学性能，特别是韧性，并且在高强度情况下仍保持优良的韧性。这对结构的安全性提供了更有力的保证，但在焊接结构中却进一步拉大了焊缝与母材之间的性能差距，给焊接材料的研发提出了更高的要求。如何使焊缝更加纯净，如何使焊缝力学性能与母材相当或相近，如何使整个焊接接头满足结构的使用要求等，都是焊接材料研发的着眼点。尽管已有的措施解决了一些问题，如低强度匹配，焊接590MPa级的焊材焊接780MPa级的钢材；异质焊材匹配，焊接9Ni钢时，选用镍基合金焊接材料；在韧性指标上有些焊材的指标远远低于等强度的母材,指标；在对杂质元素的控制上，焊缝中允许的杂质含量也明显高于母材的要求。这些不对等的指标或要求，主要源于焊材本身的性能提高不上去，达不到母材的相应要求，但又离不开焊接材料，不得不降低要求而为之。借鉴钢铁冶金上的技术成就，焊材研发时也应充分考虑到熔池净化，晶粒细化，微合金化和组织控制这几个方面的影响。,