3.1.3 焊丝的选用

1.焊丝的选用原则

焊丝的选择，应根据被焊材料的种类、焊接质量要求、焊接施工条件（板厚、坡口形式、焊接位置、焊接作业性）及成本等因素，予以综合考虑。

（1）根据被焊结构的钢材材质选择焊丝对于碳素钢及低合金钢，主要按“等强度”原则选择满足力学性能要求的焊丝；而对于低合金高强钢，主要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蚀性等方面的要求。

（2）焊接质量焊接接头力学性能，尤其是冲击韧性的变化，与焊接条件、坡口形状、保护气体的混合比例等施工条件有关，应在确保焊接接头性能的前提下，选择较高的焊接效率及较低的焊接成本的焊接工艺方法。

（3）焊接位置依据板厚选择焊丝直径，确定所使用的焊接参数，可参考各生产厂的产品说明资料及使用经验，选择适合于不同焊接位置及焊接参数的相应牌号的焊丝。

表示焊接操作难易程度通常用焊接工艺性能表述它包括电弧稳定性、飞溅颗粒大小及数量、脱渣性、焊缝的外观与形状等内容。对于碳素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工艺方法及焊接材料。表3-4列出了采用实心焊丝和药芯焊丝进行MAG焊时的焊接工艺性对比。

从表3-4可以看出，中厚板全位置焊接最好采用熔渣型药芯焊丝，适用的钢种与实心焊丝同样广泛，但是抗裂性稍差。因此，对于抗裂性要求高的工件，最合适的选择是金属粉型药芯焊丝。

当采用实心焊丝焊接碳素钢或低合金高强钢时，一般均通过调整焊丝的化学成分来获得所要求的焊缝金属抗拉强度和冲击韧性。在抗拉强度＜550MPa时，一般选用Mn-S型或Mn-Si-Mo型实心焊丝即可；而当焊接强度更高的低合金高强钢时，则应选用Mn、Mo含量更高的焊丝，或在Mn-Mo型基础上添加Cr、Ni、V等合金元素的焊丝。当对低温韧性有较高要求时，可以选用质量分数为0.5%～2%的Ni的焊丝；也可以在Mn-Mo或Mn-Mo-Ni合金系的基础上，采用Ti-B系微合金化的焊丝，以提高针状铁素体含量，获得较高的低温韧性。

对于药芯焊丝，除非对接头的力学性能有特殊要求，一般很少选用碱性药芯焊丝。实际工程中，强度＞600MPa的钢材或高铬、钼含量的耐热钢焊接时，才需要选择碱性药芯焊丝，以防止焊接裂纹，保证韧性。碱性药芯焊丝的熔渣流动性好，有助于对表面有涂层或表面被污染的钢板的焊接。

从操作简便、手感舒适的角度出发，尽管在平焊位置也可选用金属粉型焊丝，但多数情况下均首选金红石型药芯焊丝。金红石型药芯焊丝在很大的电流范围内，熔滴金属的过渡形式都不会发生变化。直径1.2mm焊丝的焊接电流从140～300A均能在喷射过渡形式下操作，焊缝光亮平滑，焊渣能自行脱落，热量和辐射水平也比金属粉型焊丝低，尤其适合大电流CO ₂ 气体保护焊。对于机器人焊接或全位置焊接，电弧辐射不成问题，选择金属粉型焊丝更合适一些，因为金属粉型焊丝的熔渣极少，不需要逐道清理，并且比实心焊丝的飞溅更少。

此外，应尽量选择那些烟尘量或有害气体较少的焊丝，以保证操作人员的身体健康。

总之，焊丝的选择，应根据母材的化学成分、接头的力学性能、接头的拘束程度、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。

2.碳素钢和低合金高强钢焊丝的选用

1）选用这类钢所用焊丝时，首先要满足焊缝金属与母材等强度以及其他力学性能指标（如低温冲击韧度等）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地位。在焊接某些大厚度、大拘束度的构件时，为防止出现焊接裂纹，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。值得注意的是，当焊缝金属的强度超出母材过多时，可能引起不良后果，这一点往往容易被忽视。经验证明，如果焊缝强度超出母材过多，则在接头冷弯时，会使塑性变形不均匀，因而造成冷弯角小，甚至出现横向裂纹。因此，焊缝强度等于或稍高于母材即可。按等强度要求来选择焊丝强度等级时，应考虑板厚、接头形式、坡口形状及焊接热输入等因素的影响，这些因素对焊缝稀释率、冷却速度、焊缝金属的化学成分及接头的组织均有影响，并会影响到最终的焊缝金属力学性能。

2）中碳调质钢焊接后，一般应进行调质处理。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接近，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。

值得指出的是，对同一钢种的焊接，当其板厚和坡口形式不同时，为了保证焊缝力学性能要求，选用的配套焊丝也不尽相同。对焊后进行正火或消除应力处理的构件，必须选择含较多合金元素的焊丝，以便补偿焊后热处理带来的强度损失；对于两种强度等级不同的结构钢之间的异种钢焊接，应根据强度等级低的母材选择焊丝，焊缝的塑性不应低于较低塑性的母材；焊接参数的确定，主要考虑适合于焊接性较差的母材。

3）在焊丝合金系的选择上，主要是在保证等强度的前提下，重点考虑焊缝金属冲击韧度的要求。对于强度等级490MPa以下的焊丝，只要保证焊缝含有质量分数为1.2%～1.6%的Mn元素，而不再需要添加其他的合金元素就可满足强度要求。当要求低温下具有优良的冲击及断裂韧性时，也可添加质量分数为0.5%左右的Ni或微量Ti、B（ w _Ti ≈0.03%、 w _B ≈0.003%）。对于强度等级590～680MPa的焊丝，其焊缝通常有两个成分系，即Mn-Mo系和Mn-Ni-Mo系。对低温韧性要求较高时，宜采用后者，通常 w _Mn =1.0%～1.4%， w _Mo =0.2%～0.4%；根据对低温韧性的要求，可加入不同数量的Ni，一般 w _Ni =0.5%～2.0%，也可以再加入少量的Cr（ w _Cr ≤0.4%）以得到良好的综合性能。对于强度等级在780MPa以上的焊丝，其焊缝成分多为Mn-Ni-Cr-Mo系，也有的是Mn-Ni-Mo系。在Mn-Ni-Cr-Mo系焊缝中，Mn、Mo含量可适当减少，含有适量的Ni（ w _Ni =1.5%～2.5%）和Cr（ w _Cr =0.2%～0.6%）后，既可改善焊缝的低温冲击韧度，又可起强化作用。

4）至于药芯焊丝，其渣系对焊缝金属扩散氢含量及低温冲击韧度的影响，都不及药皮焊条那么大。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）。此外，为了保护环境，降低焊接时的污染物与废物，国外加快了金属粉型焊丝的发展，已有多种产品面市。这些产品具有“少熔渣”的特征，可使焊接飞溅量减少30%～40%，焊接烟尘也减少30%～35%，焊接性和焊缝金属力学性能均良好。

碳素钢和低合金钢用焊丝的选用参见表3-5。

3.耐热钢用焊丝的选用

1）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，使焊缝在工作温度下，具有良好的抗氧化性、耐蚀性和一定的高温强度。如果焊缝与母材化学成分相差太大，高温长期使用后，接头中某些元素发生扩散现象（如碳在熔合线附近的扩散），会使接头高温性能下降。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丝。Cr-Mo耐热钢焊缝的 w _C 一般控制在0.07%～0.12%，碳含量过低会降低焊缝的高温强度；碳含量太高又易出现焊缝结晶裂纹。近年来开发了超低碳（ w _C ≤0.04%）的Cr-Mo耐热钢焊丝（如ER55-B2L、ER62-B3L实心焊丝及E500T5-B2L、E600T1-B3L等药芯焊丝），这主要是为了提高焊缝的抗裂性能，以便降低焊前预热温度，甚至不预热。

2）在焊接大刚度构件、补焊缺欠、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奥氏体型焊丝进行不预热焊接，以释放焊接应力，提高接头强度，防止焊接裂纹。但是，对于承受循环加热和冷却条件下的结构，则不宜采用Cr-Ni奥氏体型焊丝，以免由于两种材料的热膨胀系数相差太大，在使用过程中因产生热应力而引起开裂。

3）随着技术的不断进步，气体保护焊方法的应用正在不断扩大。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，特别是大直径管道的安装焊接，多采用实心焊丝MAG焊。近年来，耐热钢药芯焊丝在国外已得到广泛应用。钛型Cr-Mo耐热钢药芯焊丝（如E80T1-B2、E90T1-B3等）具有飞溅小、脱渣容易、电弧燃烧稳定及熔滴为喷射过渡等优点，氧含量及扩散氢含量均较低，因此国内很多锅炉厂也在逐渐推广应用。

4）异种钢焊接时，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含量的耐热钢之间焊接时，按Cr、Mo含量低的耐热钢选用焊丝。但是，焊接参数的选择则相反，对这类异种钢接头，焊前准备、焊接参数及焊后热处理等，应按Cr、Mo含量高的，即通常认为焊接性较差的耐热钢来考虑，以减少异种钢接头的淬硬及冷裂倾向。

常用Cr-Mo耐热钢焊丝的选用见表3-6。

异种耐热钢焊接用焊丝的选用见表3-7。

4.低温钢用焊丝的选用

1）低温钢是制造-253～-20℃低温下工作的焊接结构的专用材料。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，以便所焊接构件母材和焊接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，满足安全使用的要求。

2）根据液化气体生产工艺流程的特点，低温钢一般以使用温度分级，可分为-40℃、-60℃、-70℃、-100℃、-196℃和-253℃各等级。低合金铁素体型低温钢主要用于-110～-20℃，该类低温钢往往采用Ni合金化，按照工作温度的不同， w _Ni 在1.5%～4%之间。例如，2.5Ni钢一般用于-60℃以上，3.5Ni钢一般用于-100℃以上。国内也曾开发出几种低合金无镍型低温钢，如16MnR、06MnNb、06AlNbCuN钢等。

3）在焊丝的选择上，无论是实心焊丝还是药芯焊丝，大都采用与母材Ni含量相当的镍合金的低合金钢焊丝，并尽量降低焊丝中S、P等杂质的含量。近年来开发了向焊缝中过渡微量Ti和B的焊丝，充分利用Ti和B细化晶粒的效果，与以往采用向焊丝中添加Ni或Mo（或者同时添加Ni、Mo）并利用焊道重叠再热效果以确保冲击韧性的方法相比，加Ti和B的方法可以在不受后续焊道影响的条件下，保证焊缝结晶的细粒化，从而得到稳定的高韧性焊缝。这种效果在采用大的焊接热输入进行焊接时尤为明显。就药芯焊丝而言，一方面，钛型低温钢药芯焊丝具有良好的全位置焊接操作性，焊道美观；但扩散氢量偏高，韧性及抗裂性不及碱性渣系。另一方面，碱性渣系的低温钢药芯焊丝，其低温韧性和抗裂性好，但焊接工艺性较差。近年来，通过在钛型药芯焊丝的药粉中加入强脱氧元素和去氢组分，加强脱氧和去氢效果，控制焊缝金属的氧含量在0.06%左右、扩散氢含量在5mL/100g以下，开发出一种既具有钛型药芯焊丝的焊接工艺性能，又具有碱性药芯焊丝抗裂性能的钛型低温钢用药芯焊丝。低温钢用焊丝的选用见表3-8。

5.耐候钢用焊丝的选用

即耐大气腐蚀钢，是介于普通钢和不锈钢之间的低合金钢系列，耐候钢由普碳钢添加少量Cu、Ni等耐腐蚀元素而成，具有优质钢的强韧性、塑延性、成形好、焊割性、耐腐蚀性、高温、抗疲劳等特性；耐腐蚀性为普碳钢的2～8倍，涂装性为普碳钢的1.5～10倍。同时，其具有使构件耐锈蚀、耐腐蚀、延长使用寿命、降低消耗，以及焊接省工、节能等特点。耐候钢主要用于铁道、车辆、桥梁、塔架、光伏及高速工程等长期暴露在大气中使用的钢结构，用于制造集装箱、铁道车辆、石油井架、海港建筑、采油平台及化工石油设备中含硫化氢腐蚀介质的容器等结构件。耐候钢用焊丝选用见表3-9。

6.不锈钢用焊丝的选用

（1）奥氏体不锈钢焊接时焊丝的选用奥氏体不锈钢焊丝的选用原则是在无裂纹的前提下，为了保证焊缝金属的耐腐蚀性能及力学性能与母材基本相当或略高，因此要求焊丝的合金成分尽可能与母材基本相同或相近。

1）应选用超低碳型焊丝，或选用含有足够的稳定化合金元素的焊丝。焊缝金属中Ti或Nb含量取决于焊缝中的碳含量，它们的关系满足 w _Ti /（ w _C -0.02）＞8.5的关系。同时注意焊缝金属铌的含量不能太高，以防止热裂纹的形成。

2）选用合金成分适当的焊材，目的是为调整焊缝金属的成分和焊缝金属的镍含量（ w _Ni ＜15%），这样将焊缝金属中δ铁素体（体积分数）控制在3%～8%。或选用 w _Mn 为4%～6%的焊接材料，可防止纯奥氏体焊缝金属热裂纹的产生。常见奥氏体不锈钢焊接时焊丝的选用见表3-10。

（2）马氏体型不锈钢焊接时焊丝的选用马氏体型不锈钢焊丝的选用原则是选用与母材成分相近的焊丝，但此时焊缝金属和热影响区会同时硬化变脆。为防止产生冷裂纹，可通过预热和焊后热处理来提高接头性能。当不允许预热或热处理时，宜选用奥氏体焊缝组织的焊丝。

1）对于Cr13马氏体型不锈钢：①一般采用与母材化学成分、力学性能相当的同材质焊接材料。②对于碳含量较高的马氏体钢，或在焊前预热、焊后热处理难以实施以及接头拘束度较大的情况下，也常采用奥氏体型焊接材料，以提高焊接接头的塑性、韧性，防止焊接裂纹的发生。应注意的是，在采用奥氏体型焊接材料时，应根据对焊接接头性能的要求严格选择焊接材料，并进行焊接接头性能评定。③有时还采用镍基焊接材料，使焊缝金属的线膨胀系数与母材接近，尽量降低焊接残余应力及在高温状态使用时的热应力。

2）对于低碳以及超低碳马氏体型不锈钢，一般采用同材质焊接材料，通常不需要预热或仅需低温预热，但须进行焊后热处理，以保证焊接接头的塑性、韧性。在接头拘束度较大、焊前预热和后热难以实施的情况下，也采用其他类型的焊接材料，如奥氏体型的焊接材料022Cr23Ni12、022Cr18Ni12Mo等。常见马氏体型不锈钢焊接时焊丝的选用见表3-11。

（3）铁素体型不锈钢焊接时焊丝的选用铁素体型不锈钢的焊接材料选用原则：一般应选用合金含量与母材相近的焊丝，同时要求焊丝有害元素（如C、N、S、P等）含量低，以保证焊接接头的均质性；只有在焊前无法预热、焊后难以热处理的情况下，才选用合金成分较高（高Cr、Ni）的奥氏体型不锈钢填充金属。

1）同材质焊接材料：除Cr16～Cr18铁素体型不锈钢有标准化的H1Cr17实心焊丝外，其他类型的同材质焊接材料还缺乏相应的标准，一些与母材成分相当或相同的自行研制的TIG焊的焊丝经常用于同材质材料的焊接。

2）当采用奥氏体型焊接材料焊接时，焊前预热及焊后热处理可以免除，有利于提高焊接接头的塑性、韧性，但对于不含稳定化元素的铁素体不锈钢来说，热影响区的敏化难以消除。对于Cr25～Cr30型铁素体不锈钢，目前常用的奥氏体型不锈钢焊接材料有Cr25Ni13型、Cr25Ni20型超低碳气体保护焊丝。对于Cr16～Cr18型铁素体型不锈钢，常用的奥氏体型不锈钢焊接材料有Cr19-Ni10型、Cr18-Ni12Mo型超低碳气体保护焊丝。

3）采用铬含量基本与母材相当的奥氏体+铁素体双相（组织）焊接材料也可以焊接铁素体型不锈钢，如采用Cr25-Ni5-Mo3型和Cr25-Ni9-Mo4型超低碳双相（组织）焊接材料焊接Cr25～Cr30型铁素体型不锈钢时，焊接接头不仅具有较高的强度、塑性及韧性，焊缝金属还具有较高的耐蚀性。

4）目前，超纯高铬铁素体型不锈钢仍没有标准化的焊接材料，一般采用与母材同成分的焊丝作为填充材料。在缺乏超纯铁素体型不锈钢的同材质焊接材料时，如果耐蚀性不受影响，也可采用纯度较高的奥氏体型焊丝或铁素体+奥氏体双相（组织）焊丝。常见铁素体型不锈钢焊接时焊丝的选用见表3-12。

（4）双相组织不锈钢焊接时焊丝的选用双相组织不锈钢用的焊接材料，其特点是焊缝组织为奥氏体占优势的双相组织，主要耐蚀元素（Cr、Mo等）含量与母材相当，从而保证与母材相当的耐腐蚀性能。为了保证焊缝中的奥氏体含量，通常提高Ni、N含量，也就是提高2%～4%的镍当量（Nieq）。在双相不锈钢母材中，一般都有一定的N含量；在焊接材料中也希望有一定的N含量，但一般不宜太高，否则会产生气孔。这样，Ni含量的高低就成了焊接材料与母材的一个主要区别。常见典型双相不锈钢焊接时焊丝选用见表3-13。

7.异种钢焊接用焊丝的选用

（1）碳素钢、低合金钢与铬不锈钢（异种钢）焊接时焊丝的选用碳素钢、低合金钢与铬不锈钢焊接时，既可以选用铬不锈钢焊丝，也可以选用铬镍不锈钢焊丝。当低合金钢与Cr12型钢焊接时，如果采用低合金钢焊丝，就容易在热影响区产生裂纹，而采用铬不锈钢焊丝就能基本防止这类裂纹的产生。由于电弧的强烈搅拌作用，这种焊接接头的过渡层在焊后冷却过程中产生淬硬的马氏体组织，所以这类异种钢焊接时，不但需要预热，而且需要焊后缓冷或及时进行回火处理。当不能进行预热或回火处理时，宜选用奥氏体不锈钢焊丝。碳素钢、低合金钢与铬不锈钢焊接时不锈钢焊丝的选用见表3-14。

（2）铬不锈钢与铬镍不锈钢（异种钢）焊接时焊丝的选用铬不锈钢与铬镍不锈钢焊接时的焊接工艺，基本上同低合金钢与铬镍不锈钢焊接时的焊接工艺相同。其焊丝的选用，原则上既可采用铬不锈钢焊丝（如H06Cr14等），也可采用各种铬镍奥氏体不锈钢焊丝。由于奥氏体不锈钢焊丝对焊接工艺适应性较强，即使有较大的熔合比，过渡区仍能保持与熔敷金属相近的微观组织，有较好的抗裂性能和较好的塑韧性，因此，实际生产中一般都采用奥氏体不锈钢焊丝。为防止碳的扩散迁移，还可以采用镍基合金焊丝。

铬不锈钢与铬镍不锈钢焊接时，按照其母材组合，可参照表3-15选用不锈钢焊丝。

（3）碳素钢、低合金钢与奥氏体不锈钢（异种钢）焊接时焊丝的选用碳素钢、低合金钢与奥氏体不锈钢焊接时焊丝的选用见表3-16。

（4）不锈钢复合板焊接时焊丝的选用，要分别根据基层、覆层及交界处选用。交界处选用的不锈钢焊丝，必须考虑基层金属对焊缝成分的稀释作用，因此一般要选用24-13型等高铬镍焊丝。不锈钢复合板焊接用焊丝的选用见表3-17。

不锈钢实心焊丝和药芯焊丝型号、牌号对照见表3-18。