焊接材料的设计及应用

1. 焊接材料的设计及应用 山东大学材料科学与工程学院 孙俊生 15964538306 mstsun@sdu.edu.cn

2. 第1章 绪论 • 1.1 学习本课的目的、任务和要求 • 学习本课程的目的是掌握焊接材料设计、选用的冶金学基础知识，掌握设计的基本原理，了解常用焊接材料的性能及其影响因素。 • 熟悉焊条、药心焊丝、实心焊丝、焊剂等焊接材料制造过程中涉及的原材料性能及其对焊条、焊丝、焊剂性能的影响； • 原材料的品质要求、检验和化学分析方法； • 焊接材料的生产技术； • 焊接材料质量检验； • 常用焊接材料的焊接冶金特点、焊接材料选用及其应用的化学冶金与物理冶金问题； • 焊接材料的发展方向。

3. TIG/PAW 焊条 焊剂(SAW) 药芯焊丝 SAW 焊带 MIG/MAG 实芯焊丝 SAW 实芯焊丝 涂覆电极 提供：ESAB AB 1.2 焊接材料的发展 1.焊接材料的种类

4. 焊接气体 • GMAW, FCAW, TIG等焊接用 • 通过钢瓶或储存罐大批量供应 • 颜色编码的气瓶，避免误用 • 遵守有关运作、数量及储存区域位置的规定 • 水分含量限制，以避免冷裂纹 • 必须检查露点（即蒸汽开始凝结的温度）

6. 2. 世界焊接材料(焊条)的发展 • 1892年 俄国人斯拉维扬诺夫研究成功金属电弧焊 • 1904年 瑞典人凯吉尔伯格建立了世界上第一个焊条厂（ESAB公司） • 1910年 瑞典人发明了矿物型厚药皮焊条 • 1917年 开始机械化方法压涂和生产焊条，同期欧、美各国也对焊条药皮进行大量研究

7. 1919年 美国人发明用纸缠绕在焊芯上，提出了纤维素型焊条初型 • 1921年 英国提出用大理石－莹石制造焊条药皮 • 1927年 美国开始机械化方式大量生产焊条，出现了许多新型药皮焊条 • 1964年 日本成功研制“无害”焊条，又开发低尘焊条，超低氢焊条和难吸潮焊条 ………

8. 3.我国焊接材料发展 第一阶段：建国初期至1965年，这个阶段主要是手工电弧焊焊条，白手起家、发展阶段 第二阶段：1966－1990年 主要是手工电弧焊条迅速发展和完善的阶段 第三阶段：1990－2005年 主要是调整产品结构、开发优质高效焊接材料

9. 4. 焊接材料的生产与消耗 • 中国粗钢及焊接材料产量连续13年均居世界首位，近几年中国粗钢产量占世界总产量的1/3以上； • 焊接材料产量占世界总产量的1/2以上; • 中国已成为世界最大的焊接材料研发、生产、销售、消耗基地，焊接材料及焊接技术在中国具有广阔的发展前景。

10. 我国焊条和焊丝产量统计(1995~2005) 增长速度（万吨/年） 焊条：13.3 CO2：8 药芯：1.1 万吨

11. 中国主要焊接材料的发展趋势: • 电焊条产品的比例逐年下降； • 埋弧焊焊接材料的发展趋于稳定； • 自动化水平较高的气体保护焊实心焊丝及药芯焊丝发展迅速。

12. 中国获得生产许可证的电焊条生产企业近300家，电焊条生产能力超过200万吨，远远超过市场需求。中国获得生产许可证的电焊条生产企业近300家，电焊条生产能力超过200万吨，远远超过市场需求。 • 2008年，中国在统计范围内的79家企业共计生产电焊条185万吨。 • 电焊条出口量基本上稳定在11~13万吨。

13. 各类焊条产业集中度（%） • 从各类电焊条的产业集中度数据，可以看出中国酸性碳钢焊条和低氢焊条的产业集中度较高，前三家产量之和超过了总量一半以上。因此这两类产品的垄断程度较高，产品制造技术水平也相对较高。 • 不锈钢焊条、堆焊焊条和铸铁焊条的集中度相对较低，说明这些产品发展不够完善，生产企业规模小而分散，竞争比较激烈，还没有形成技术和规模占绝对优势的领军企业。 前三家：天津金桥焊材集团有限公司，天津大桥焊材集团有限公司，四川大西洋焊接材料有限公司 前五家：天津金桥焊材集团有限公司，天津大桥焊材集团有限公司，四川大西洋焊接材料有限公司， 常州运河焊材有限公司，天津永久焊材有限公司

14. 中国酸性碳钢焊条占绝对优势，占焊条总产量的比例高达87.9%。碳钢焊条（酸性加碱性）总的比例达97.8%。中国酸性碳钢焊条占绝对优势，占焊条总产量的比例高达87.9%。碳钢焊条（酸性加碱性）总的比例达97.8%。 • 2008年日本碳钢焊条的比例只占电焊条总量的66.7%。 • 反映了中国电焊条产品的单一性及不均衡性。

15. 我国 61家大中型工厂耗用焊材的比例 24691t 9% 9% 31% 68% 电渣焊丝0.004% 51%

16. 目前的中国焊接材料市场上，电焊条以其独有的优势依然占有较高的比例，2008年达49.3%。目前的中国焊接材料市场上，电焊条以其独有的优势依然占有较高的比例，2008年达49.3%。 • 日本等发达国家和地区的电焊条比例低于20%。其中焊接自动化程度较高的日本进入2005年后低于15%。经济发达国家电焊条比例小于20%。 • 发展中国家电焊条比例大于或近于50%，均呈逐年下降趋势。 • 电焊条占焊接材料总消耗量比例的大小从侧面反映了一个国家焊接自动化程度的高低。

19. 目前许多工业发达国家焊接生产发展很快，焊接结构用钢量已达钢产量的50%左右，生产中每吨钢材所需的焊接材料大体为3~5kg。目前许多工业发达国家焊接生产发展很快，焊接结构用钢量已达钢产量的50%左右，生产中每吨钢材所需的焊接材料大体为3~5kg。 • 随着焊接过程机械化和自动化的发展，焊丝及保护气体在焊接材料中所占比例迅速提高，而焊条所占比例不断降低。 • 我国焊接材料产品的构成比例还不尽合理。2005年焊条产量170万t，CO2焊丝产量60万t，药芯焊丝7万t。焊条产量占焊接材料总产量的比例很大(~80%)，机械化和自动化水平有待提高。

20. 5. 有色金属焊接材料发展 （1） 铝及铝合金焊材 • 2008年，我国铝材产量突破1400万吨，居世界首位。随着铝质轨道交通车辆、轻型汽车、铝质游艇及宇航、化工等各种铝合金焊接结构的日益增多，铝及铝合金焊材的需求量急剧增加。 • 据海关统计，2008年我国铝合金焊丝产量6000吨左右，进口铝合金焊丝达7000吨，出口近3000吨。 • 目前，我国铝及铝合金焊丝的年消费量已近万吨，约占世界总量的三分之一，居世界首位。

21. （2） 铜基焊材 • 铜及铜合金焊丝除用于铜及铜合金焊接和钢的堆焊外，更多的用于钢的钎焊。 • 由于近几年国内生产铜及铜合金焊丝的企业增加，生产技术日益成熟，加上劳动力的成本优势，我国铜及铜合金焊丝的产量已近万吨，居世界首位，并成为全球主要OEM供应商。 • 用于汽车车身、车门薄钢板钎焊用的青铜焊丝，连续几年出口超过2000吨，约占国际市场的三分之一。 OEM供应商就是代工供应商 。

22. （3） 镍基焊材 • 我国镍基焊材产品匮乏，多依赖进口。 • 镍及镍合金焊材在防腐蚀、耐高温方面发挥着重要作用。 • 镍及镍合金焊材用量不大，但技术要求较高。主要应用于核电、海上石油及天然气开采和提炼装置、锅炉、化工、电厂、航空、汽车等行业。 • 除应用于铸铁焊接的纯镍、镍铁等电焊条外，国内镍及镍合金焊材市场基本上由国外厂商占领。 • 我国高技术镍基焊材产品缺乏，多依赖进口。

23. 1.3 焊接材料的作用和要求 1) 保证电弧稳定燃烧和焊接熔滴顺利过度。 2) 在焊接过程中保护液态熔池金属, 以防止空气侵入。 3) 进行冶金反应和过渡合金元素, 调整和控制焊缝金属的成分与性能。 4) 防止气孔、裂纹等焊接缺陷的产生。 5) 改善焊接工艺性能, 在保证焊接质量的前提下尽可能提高焊接效率。