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1 我國鋼材及焊材的發展態勢

鋼產量是衡量一個國家綜合經濟實力的重要指標之一，也是我國工業化進程中的支柱產業。由于我國經濟持續高速增長，拉動了鋼鐵工業的快速發展。鋼材產量的快速升高由拉動了我國焊材產業的強勁發展。這不僅使我國成為世界上頭號鋼鐵和焊材生產大國，也成為頭號鋼鐵和焊材消費大國（見表1）。

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          表1 我國鋼材消費量與焊接材料產量

年份

鋼材表觀消費量（億t）

焊材產量*

（萬噸）

其中（萬噸）

焊條

焊條所占比例（％）

氣保護焊絲

埋弧焊焊絲

焊劑

藥芯焊絲

1996

1

約77

60

78

7

5

5

0.1

2000

1.4

約114

90

80

12

5.5

6

0.5

2003

2.7

200

150

75

30

10

12

4

2004

3.1

230~240

160

67

40

11

14

5

2005

3.5

270-280

170-180

63

60-65

16

19

7-8

2006

4.2

約320

180

56

90

18

20

12

注：焊材產量由于缺乏精確統計，表列焊材產量的誤差在±5%左右。

鋼材的產量、品質及其發展態勢就直接決定了焊接行業的可持續發展及焊接技術的發展方向。自1996年以來，我國鋼產量已突破1億噸，焊材總產量77萬噸；尤其是自2001

2006年，按國際鋼鐵協會統計，全世界鋼產量12.39億噸，按有關資料綜合測算，全世界焊接材料產量約為600多萬噸。因此2006年中國鋼產量占全世界鋼產量的34%［1］，中國焊材產量占全世界焊材總產量的50%左右［2］。

預計今年我國鋼材消費量將達到4.5～4.8億噸左右。據有關專家預測，10年后我國鋼材消費量可能達到6～7億t。因此相應焊接材料需求量可能達400～450萬噸［2］。

過去十年我國鋼材和焊材實現了快速增長，今后十年將持續平穩增長

鋼產量的大幅度增加牽動著焊接行業的快速發展。不僅焊材用量增大，而且焊接設備的需求增多，增加了焊接產業就業機會，壯大了焊接產業隊伍，同時也促進了焊接技術向著優質、高效、低成本、自動化方向發展。

2  我國正在從鋼材大國向鋼材強國發展

2.1  我國鋼材及焊材的分類消費態勢

我國作為鋼材及焊材消費大國，與國外發達國家的最大差異為：近年來我國建設用鋼占55%左右，工業制造業用鋼不到45%，而目前美國、歐洲和日本的建設用鋼僅占22%～30%，工業制造業用鋼占60%～66%。這種差異，說明我國生產的鋼材及焊材一半以上用于各種基礎設施和城鎮化建設上面，這種快速發展受工業化進程中基礎建設的拉動較大。

在2006年生產的鋼材中，據統計目前我國焊接鋼結構用鋼占鋼材消費總量的比例為40%～45%左右。此外用于鋼筋混凝土結構的各種鋼筋和線材，其中三分之二左右是需進行焊接的，總數約為6千萬噸，而經焊接的鋼材總數共計2.0～2.4億t之間，因此，現階段焊接用鋼總量已占鋼材表觀消費量的50％以上，總量為世界第一。

現按有關重點行業對鋼材（及焊材）的消費狀況分述如下：

（1）我國大量的鋼筋混凝土結構，每年將消費鋼筋和線材一億多t，除少量粗直徑鋼筋采用冷擠壓套筒連接外，其余主要采用鋼筋電渣壓力焊和手工焊條焊接。每年需用于鋼筋電渣壓力焊的HJ431等熔煉焊劑10～13萬噸，結422等焊條50萬噸以上。

（2）據有關部門統計，2006年建筑鋼結構制造量約為1600萬噸，包括工業廠房鋼結構、高層建筑鋼結構、大跨度場館鋼結構、市政建設鋼結構和住宅鋼結構等，相當消費焊接材料25～35萬噸左右。

預測2010年各類建筑鋼結構制作量為2600萬噸，將相應需要各類焊接材料40～50萬噸左右。預測2015年各類建筑鋼結構將消費鋼材4000萬噸以上。

因此建筑鋼材是今后的一個增長熱點。武鋼已生產了抗拉強度為400Mpa、510Mpa、590Mpa的高性能建筑鋼材系列產品，其中耐火耐候鋼經鑒定“集高耐火性、高耐候性、高Z向性能和能承受大線能量焊接于一體”，達到了國際領先水平。已用于國家大劇院等重點工程。舞鋼生產的Q345和Q460厚板已用于幾十個建筑焊接鋼結構工程中。寶鋼生產的建筑鋼材經日本專家多次考核后，已用于101層492米高的上海環球金融中心大廈工程中。

（3）2006年我國造船完工量1452萬載重t，約用鋼材560萬噸，約相應消費焊材14～16噸萬，其中藥芯焊絲約8～9萬噸。2007年一季度我國造船業承接新船訂單2010萬載重噸，成為該季度國際船市的第一。預測2010年我國造船業用鋼將達1035萬噸，相應需求各類焊接材料23～28萬噸。

（4）我國2005年各類汽車產量570.8萬輛，消費鋼材1098萬噸。預測2010年我國各類汽車產量將達900～1100萬輛，將消費鋼材1500～1840萬噸。

（5）我國已成為全世界第一的集裝箱制造和出口國。隨著市場需求的變化每年約制造250～300萬個標準集裝箱，消費鋼材400～500萬噸左右，制造一個標準集裝箱用CO2保護焊絲20kg，每年約用CO2焊絲5～6萬噸。

（6）石油天然氣長輸管道建設近年來正處于高峰期，根據規劃，未來幾年內，我國將建成14條油氣輸送管道，形成“兩縱、兩橫、四樞紐、五氣庫的管道運輸網”，這預示著我國管道用鋼量也將大幅提升，據預測，未來幾年內，我國每年管線鋼需求量約300～400萬噸[3]。據不完全統計，2006年僅中石化、中石油系統焊接制管用鋼量達到165萬噸以上，其中出口60萬噸。焊絲、焊劑用量約4萬噸以上。加上私營企業，全國17家制管廠年制管能力達560萬噸，因此2006年總制管用鋼量及焊材用量翻翻不止。

2007年8月31日，國家“十一五”重大項目－－“川氣東送”工程開工。這是繼西氣東輸項目之后我國修建的又一條能源大動脈。從四川的長壽市～上海市橫跨東中西部8省市，穿越鄂西渝東山區，橫貫江南水網地帶，5次跨越長江，地質條件復雜，干線全長1702公里，總投資627億。

2008年5月將開始建設西氣東輸二線，全長4800公里，包括支線近8000公里，直徑1219mm，全部采用X80鋼， 2011年建成。預計從2007年每年將用管線鋼350～400萬噸，相應每年需各種焊材10萬噸（包括制管的埋弧焊材）。管接頭將主要采用氣保護實芯焊絲和自保護藥芯焊絲，其次是纖維素焊條和低氫鐵粉型下向焊條。而且長輸管道正在向提高鋼材強度（X70、X80、X100、X120），增大管道直徑和壁厚，提高輸送壓力的方向發展。相應的國產焊接材料應該緊跟配套。

（7）“十一五”期間電力行業發展迅速

①　計劃新增火力發電1.6億千瓦。到2010年火電用鋼平均年需求量預計為65萬噸。超臨界和超超臨界火電機組在“十一五”規劃開工的60萬千瓦及以上燃煤機組中將達78%。將采用新型耐熱鋼。包括：

新型細晶強韌化鐵素體耐熱鋼系列中：

SA213～T23、T91、T122

SA335～P91、P92、P122、及E911

新型細晶奧氏體耐熱鋼HR3C、NF709、SAV25

與這些新型耐熱鋼匹配的焊材，除P91、P92、T91國內已研發部分焊材外，其余焊條、氣保護焊絲、藥芯焊絲和埋弧焊材仍需全部進口。希望在今后幾年內基本實現國產化。

② “十一五”期間水電設備的需求量將達到1.8億千瓦。預計2010年水電用CF62級別高強鋼的年需求量為8～10萬噸。大部分鋼材和焊材已國產化。

③我國將興建百萬千瓦核電站30座，從今年開始，每年都將新開工100萬千瓦的核電機組3個以上。預計核電鋼材的年需求量為2～4萬噸，所需焊材的品種較多。

④　我國將努力發展風能發電。主要在西北和華北寒冷地區，風能發電的塔架和底座，對鋼材和焊縫都有防止低溫脆斷的要求。“十一五”期間約需中厚板35萬噸左右，平均年需7萬噸。需匹配相應優質焊材。

（8）塔架鋼結構。全國每年輸電鐵塔和廣播、電視、通訊塔用鋼量約150萬噸。特別是已啟動1000千伏交流電和800千伏直流電的輸電工程，輸電鐵塔將采用Q460高強鋼，急需相應的焊接材料配套。

（9）橋梁鋼結構。這是我國2020年前的建設熱點，將興建各類公路、鐵路和城市交通橋，其中規劃在長江上還要再建60多座橋梁，在黃河上還要再建20-30座橋。已確定在2015年前要建成渤海灣、長江、杭州灣、珠江、瓊州海峽的五座跨海大橋，總長度達228km，用鋼量625萬噸，主要為高強高韌性橋梁鋼，需匹配相應焊材。

（10）鐵路車輛將主要采用不同強度級別的耐候鋼，并已開始采用經濟型鐵素體不銹鋼。到2015年，客車將全部實現空調化，需建造新的空調客車2.6萬輛，貨車將逐步改為70噸新型貨車。因此預計今后幾年鐵路車輛用鋼，年均為100萬噸左右，年需焊材1萬噸以上。

（11）壓力容器。2006年我國生產各類壓力容器專用鋼材129.3萬噸，并進口了幾十萬噸壓力容器用鋼板，2006年約消費各類焊接材料4～5萬噸。預計今后將每年增漲10%以上。目前這方面的一個發展趨勢，是利用控軋控冷（TMCP）技術生產微合金化高純潔度的非調質高強鋼，取代過去的調質高強鋼，需配套相應焊接材料。

（12）預計2006～2010年，國家石油儲備基地建設工程將建設10萬立方米儲油罐150臺左右，共需鋼材29萬噸，其中相當CF62級別的高強板12萬噸。此外，一些地區和一些企業也在興建大型儲油罐，數量可能也在100臺以上。因此今后幾年約需與大型儲油罐建設相匹配的各類焊接材料1.5～2萬噸。

（13）重型機械行業，包括一重、二重、太重、沈重等幾十家骨干企業，2005年為各行業制造了約500萬噸的重大裝備和成套技術裝備，約消費鋼材542萬噸。預計2010年將生產重大裝備650萬噸以上，需鋼材約700萬噸，將相應需焊材3～4萬噸左右，除通用的高效焊材外，需高性能多品種的各類優質焊材。

（14）我國工程機械行業規模已居世界第三位，僅次于美國和日本。年銷售額億元以上的企業有一百多家。近年來每年用鋼量在450萬噸左右，制造各種塔式起重機、汽車起重機、裝載機、壓路機、推土機、挖掘機等工程機械，年需各種高強度、高韌性、耐疲勞、耐磨耐蝕等多品種焊接材料1萬噸以上。

2.2    鋼鐵工業發展中存在的主要問題

我國雖已成為世界上頭號鋼鐵大國，但并非屬于鋼鐵強國，我國生產的鋼種多屬于低層次普通鋼，高效優質鋼材生產量較少或不能生產，我國鋼鐵工業主體上屬于高消耗、高能耗、高污染、低質量的狀態。

中國正處在現代化工業的建設過程中，基本建設用鋼材需求量較大，矛盾尚不尖銳。但過去十年這種高速增長速度，給國家資源、能源和環境造污染造成過重的負擔。我國要從鋼鐵大國走向鋼鐵強國，上述鋼鐵發展形勢必須及時扭轉，實現由量變到質變的飛躍。落實科學發展觀，即重在增加高附加值產品、提高質量，不能單純依靠鋪新攤子、上新項目,片面追求數量的擴張；重在降低消耗，提高企業和產品競爭力。使我國鋼鐵工業走上良性發展軌道，增強競爭力，實現可持續發展。使我國實現由鋼鐵大國到鋼鐵強國的根本轉變。

目前，我國鋼鐵行業產品結構調整取得顯著成績；節能降耗和改善環保取得新進展；鋼鐵企業生產規模擴大；科技進步有重大突破；鋼鐵工業投資主體多元化取得重大進展。為我國從鋼鐵大國走向鋼鐵強國奠定了基礎[1]。

2.3    我國鋼鐵工業的裝備水平和工藝技術的發展與進步

鋼鐵工業屬于流程工業。從20世紀90年代以來，我國鋼鐵工業的裝備水平和工藝技術有長足進步，從整體上推進了流程優化進程，為提高鋼材品質和發展鋼材品種，打下了堅實基礎[4]。例如：

（1）建立了現代化的煉鋼生產流程。大、中型鋼鐵生產企業已實現了包括鐵水脫硫預處理、轉爐復合吹煉、爐外精煉、連鑄連軋等現代化的煉鋼生產流程。成分組織的均勻性控制更好。

（2）大幅度提高了鋼的純潔度。現代化的煉鋼生產流程，使我國鋼水的純凈度，即鋼中雜質元素質量分數的總量∑（S+P+T.0+N+H）從傳統流程550~600ppm直接跨越到200～250ppm, 寶鋼、武鋼等先進企業已經達到小于100ppm的國際先進水平，W(s)≤0.003%。

（3）控軋控冷工藝將成為大、中型鋼鐵企業軋制技術的主流。

控軋指在更低的溫度下停軋，擬制高溫奧氏體晶粒長大；控冷即軋后立即加快冷卻速度，既避免晶粒長大，又提高形核率。通過細化晶粒顯著改善鋼的強韌性。傳統的細晶粒鋼其晶粒直徑<100μm，而TMCP鋼的晶?？蛇_到10～50 μm，超細晶粒鋼的晶粒可達0.1～10 μm 。

TMCP工藝在日本軋鋼中應用率達70%以上。我國過去由于軋制裝備工藝水平落后，沒有真正達到控軋控冷水平的鋼材。近三年來，將陸續投產19套中厚板軋機，其性能將超過日本和美國現有的軋機，成為全球新一代現代化中厚板軋機，為實現控軋控冷（TMCP）工藝，生產大批量高性能的中厚板奠定了裝備基礎[5]。

在微合金控軋控冷鋼的基礎上，正在發展新型高純潔度、高強度針狀鐵素體鋼、超低碳高強貝氏體鋼等，另一方面啟動了以“超細晶粒、超潔凈度、超均勻性”為特征，以強度、壽命雙翻番為目標的“21世紀超級鋼”的開發研究及應用。

2.4 “2006～2020年鋼鐵科技發展指南”提出了今后15年鋼材發展目標

2006年中國金屬學會和中國鋼鐵工業協會聯合發布了《2006～2020年中國鋼鐵工業科技與技術發展指南》，提出了今后15年的鋼材發展目標[7]：

（1）2006～2010年的鋼材發展目標主要為：

① 20%普碳鋼材在韌性基本不變的情況下，強度提高1倍。

② 穩定生產高強度、高韌性、低屈強比的各類鋼板，如屈服強度400～800Mpa，抗拉強度600～1400Mpa級高強韌性板材，X80管線鋼等。

③ 穩定生產優質耐火、耐候、抗震鋼板，及抗拉強度大于1000～1400Mpa級超潔凈、超高強度新鋼種。

④ 細晶和超細晶、高潔凈度、高均勻性鋼材覆蓋面不小于10%。

⑤ 全面建成具有中國特色、國際化的冶金新材料體系，包括火電、水電、核電設備用新鋼材，造船用焊接不預熱和大線能量焊接用鋼，-160℃低溫鋼，汽車用600～800Mpa級高強度鋼板、高速火車用各種鋼材、石油和海洋工程用新鋼材、制造業用各類冶金新材料等。

⑥ 鐵素體不銹鋼和用錳、氮代鎳、鉻不銹鋼實現批量生產。

（2）2011～2020年鋼材發展目標主要為：

① 各類先進鋼鐵材料，包括強度提高1～4倍，使用壽命提高1～4倍，節約資源和環境友好型先進鋼鐵結構材料；不含合金元素，Fe=99.995%，超高均勻度、超高純度、超細組織鋼鐵耐蝕材料；超超臨界火電機組用超級耐熱鋼，耐蝕性提高3～5倍的納米晶不銹鋼，可在大于1100℃大火中燒3小時而強度基本不變的超級耐火鋼，表面合金化的不銹鋼、耐酸鋼、耐磨鋼、抗氧化鋼，超輕型鋼鐵結構材料（中空輕型鋼材）等。

② 低鎳、鉻低成本環保型不銹鋼成為不銹鋼產品主流，氮合金化的雙相不銹鋼和超級奧氏體不銹鋼形成系列、穩定生產并廣泛應用于石化、船舶、汽車和建筑等行業。

3  鋼材焊接性的發展、評定方法及存在問題

3.1  鋼材焊接性的發展

傳統合金結構鋼是靠調整鋼中碳及合金元素的含量并配以適當的熱處理來實現各種優越使用性能，用于制造不同應用條件下的焊接結構。但總的趨勢是隨著碳及合金元素的含量增加，強度提高，鋼的焊接性變差。不同鋼種所出現的焊接性問題不一。在合金結構鋼中，隨著碳及合金元素含量增多，勢必會引起接頭的脆化、軟化及裂紋傾向增大。這些焊接性問題的出現，往往會降低焊接結構安全運行的可靠性，造成焊接結構的早期破壞。

新發展的微合金控軋控冷鋼是通過精煉在保持低碳或超低碳、不加或少加合金元素的條件下采用微合金化和TMCP工藝實現細晶化、潔凈化、均勻化來提高鋼的強度和韌性，并已開始研究下一代超細晶粒鋼。新鋼種的出現給鋼的焊接性帶來了重大的變革。

值的重視的是新鋼種的焊接性得到了明顯改善，但也出現了一些新的焊接性問題，推動著我們焊接工作者在焊接方法、工藝、材料等方面發展新技術，解決新問題，不斷推動焊接技術的向前發展。

3.1 微合金控軋控冷鋼的焊接性[6]

微合金控軋控冷鋼的主要特點是高強、高韌、易焊。該鋼種由于含碳量低、潔凈度高、晶粒細化、成分組織均勻，因此具有較高的強韌性。所謂易焊是指焊接時不預熱或僅采用低溫預熱而不產生裂紋；采用大或較大線能量焊接熱影響區不產生脆化。但由于每種鋼的成分、組織、性能存在較大差異，因此其焊接性也各不相同。但總體看來，其焊接性問題依然在不同程度上存在有焊接裂紋問題、脆化問題，特別是焊縫金屬的合金化問題。

（１）焊接裂紋

微合金TMCP鋼碳及雜質含量低，如寶鋼、武鋼、鞍鋼生產的X70鋼碳含量w(C)≤0.05%，而且C、S、P等元素得到有效控制，因此焊接時液化裂紋和結晶裂紋傾向很小。但由于在鋼管成形焊接和安裝過程中存在較大的成形應力或附加應力，特別是在采用多絲大線能量埋弧焊制管時，由于焊縫晶粒過分長大，出現C、S、P局部偏析也容易引起結晶裂紋。

正是由于這類鋼的含碳量低，合金元素少，淬硬傾向小(如X70鋼屬于針狀鐵素體鋼)，因而冷裂紋傾向小。但隨著強度級別的提高，板厚的增大，仍然具有一定的冷裂紋傾向。如管線鋼現場敷設安裝進行環縫焊接時，由于常采用含氫量高的纖維素焊條打底，線能量小，冷卻速度較快，熔敷金屬含氫量高，因而會增加冷裂紋的敏感性。強度越高，冷裂問題將越突出（如X80、X100及X１２０等管線鋼）。因此對于X80以上鋼種不易用纖維素焊條進行打底焊

強度級別低于700MPa時（如X80以下鋼種），裂紋一般在HAZ起裂, 也可能向焊縫擴展；

強度級別高于700MPa（如X100、X120）時，裂紋傾向增大，裂紋既可能出現在HAZ，又可能在焊縫中。具體起裂位置取決于氫的擴散及母材和焊縫的Ms點。

裂紋位置可用焊縫及HAZ的馬氏體轉變點作判據。

HAZ:  MsHAZ=521-350C-143Cr-175Ni-289Mn-37.6Si-295Mo

-1.19Cr·Ni-23.1(Cr+Mo)·C                                   (1)

焊縫： Msweld = 521-350C-13.6Cr-16.6Ni-25.1Mn-30.1Si-20.4Mo

-40Al-1.07Cr·Ni+ 219(Cr+0.3Mo)·C                         (2)

判據：△Ms＝ MsWeld –MsHAZ                                         (3)

圖4 焊縫金屬與HAZ馬氏體轉變點Ms與裂紋發生位置的關系 

（２）熱影響區的脆化

高強微合金控軋控冷鋼熱影響區的脆化是十分重要的焊接性問題，一般線能量越大，脆化傾向越嚴重。HAZ的脆化問題主要有粗晶區（CGHAZ）脆化、臨界熱影響區(ICHAZ)脆化、多層焊時臨界粗晶熱影響區(IRCGHAZ)脆化、過臨界粗晶熱影響區脆化(SRCGHAZ)、亞臨界粗晶熱影響區(SCGHAZ)脆化等。其中，CGHAZ、IRCGHAZ、和SCGHAZ的脆化是微合金鋼焊接時最應引起重視的脆化區域。

粗晶熱影響區(CGHAZ)  T>1350 ℃ ；    臨界熱影響區(ICHAZ)   Ac1~Ac3 臨界粗晶熱影響區(IRCGHAZ) 亞臨界粗晶熱影響區(SCGHAZ)過臨界粗晶熱影響區脆化(SRCGHAZ) 

圖3  X80鋼模擬焊接熱影響區的韌性 　

為防止熱影響區的脆化，常采用如下措施：

① 成分上：降碳、控制雜質含量,加入少量Ni韌化基體。

② 擬制熱影響區的晶粒長大　向鋼中加入Ti、Ｖ、Ｎｂ等細化晶粒的元素，通過形成TiN、TiO、（Nb、Ti）N、VN等氮氧化物擬制HAZ晶粒長大。

③ 改善熱影響區的組織　通過向鋼中加入變質劑，提高相變形核率，細化組織。如向鋼中加入細小、均勻彌散分布的TiO微粒，可避免形成GBF＋FSP＋Bu等韌性低的混合組織，而在奧氏體晶內形成細小的細晶鐵素體或針狀鐵素體可顯著提高韌性。即便采用大或較大線能量焊接亦不產生脆化（見圖5～圖6）。這種鋼特別適合于厚板和中厚板的大線能量焊接。   

圖6 TiO鋼晶內細晶鐵素體(IGF)形成的冷速范圍 

圖5  TiN與TiO對焊接過熱區晶粒長大的作用 

圖5中，TiN鋼和TiO鋼的區別是TiN鋼粗晶區會形成GBF、FSP和Bu，TiO鋼在奧氏體晶內會形成IGF。TiO鋼和新TiO鋼的區別主要是新TiO鋼中的TiO更細小、彌散。既阻礙奧氏體長大，又在奧氏體內促使IGF的形成。

由圖6可以看出，CCT圖的陰影區是形成IGF的冷卻速度范圍，可見IGF能在很寬的冷速范圍內形成，這說明TiO鋼對過熱不敏感，可以采用大線能量焊接而不會引起脆化。t8/5=8~800s之間均可產生IGF。

如武鋼已生產了抗拉強度為400Mpa、510Mpa、590Mpa的高性能建筑鋼材系列產品，其中耐火耐候鋼經鑒定達到“集高耐火性、高耐候性、高Z向性能和能承受大線能量焊接于一體”的新鋼種，達到了國際領先水平。已用于國家大劇院等重點工程。

④ 對一般過熱敏感的鋼種，采用合適的的焊接工藝參數，焊接時通過調整焊接工藝參數，減小高溫停留時間，避免奧氏體晶粒長大；采用合適的ｔ８／５，使HAZ獲得韌化組織。

⑤對于超細晶粒鋼，需采用能量高度集中的焊接方法，如激光焊、等離子焊、脈沖焊等可代替傳統的電弧焊。

（3）焊縫金屬的合金化

微合金控軋控冷鋼可通過細晶化、潔凈化、均勻化實現鋼的強韌化。而焊縫金屬屬于非平衡結晶，既不能象煉鋼那樣精確控制其冶金過程，實現焊縫金屬的潔凈化和成分均勻化，又不能通過控軋控冷實現細晶化，而通常會產生粗大的柱狀晶。這就給焊縫金屬的強韌化和新型配套焊接材料的研制帶來很大困難。目前焊材的發展滯后于鋼材的發展，隨著高品質鋼材強度的提高，焊材將成為制約這些高品質鋼材推廣應用的瓶頸。因此高品質焊材的發展是急待決絕的重要課題?；窘鉀Q途徑也應該在焊縫金屬的結晶化、均勻化、細晶化方向努力。

①     選用高潔凈度的鋼帶和焊絲盤圓；

②     原輔材料的潔凈化，嚴格控制原輔材料中各種鐵合金、礦物質中的雜質含量；

③ 建立原材料處理系統（包括檢驗、篩分、對部分原材料的烘焙和予燒結處理、干混等，使原材料成分達到清潔、精確、均勻）。

    ④ 通過優化配方和工藝參數，通過提升冶金反應清除S、P、O、H、N等雜質；

⑤ 控制焊縫中夾雜物的數量、種類、形態、尺寸及分布；

⑥ 韌化焊縫組織：通過微合金化措施，阻止焊縫金屬高溫奧氏體晶粒長大，細化焊縫金屬的組織，使焊縫獲得細晶鐵素體、針狀鐵素體等強韌化組織。對于強度更高（＞600MPa）的微合金鋼及超低碳貝氏體鋼，可通過降碳并優化合金元素及微合金元素加入量，使焊縫金屬成為超低碳貝氏體組織，但如何按這一思路研制出新型焊條、焊絲和焊劑等不同類型焊材，還有些問題需要進一步研究解決。

⑦ 對實芯焊絲CO2保護焊，如何降低焊縫金屬含硫量是一個難題，目前國內外用于CO2保護焊的實芯焊絲，一般W(s)>0.01%。這是因為硫是表面活性元素，微量的硫可以降低焊接飛濺和改善焊縫成形。如果焊絲中W(s)<0.005%，發現焊接飛濺明顯增大，焊縫成形不良。要解決這個問題，除在焊絲中增加其它表面活性元素、或采用含有表面活性元素的特種涂層焊絲（不鍍銅焊絲）外，還可采用新型數字化逆變焊機，也可使含硫量極低的焊絲在焊接時降低飛濺，改善成形。從而有效的解決這一問題。

總之，隨著鋼材品質的提高，改善了鋼材的焊接性能，使不少品種的鋼材從“可焊”變為“易焊”。在這方面，我國是從20世紀九十年代開始有大的進步，預計在2010年左右，將接近國外的先進水平。

3.2  鋼材焊接性的評定方法及存在的問題

現在常用的“鋼材焊接性”評定方法，基本上都是20世紀五十年代到七十年代之間，各國焊接工作者根據那時的鋼材品種和品質，通過試驗后制定的。

隨著鋼材質量的提高，焊接工藝方法的進步，對鋼材焊接性的試驗方法及評定標準也需重新研究并制定新的標準。

例如，碳當量公式，是按照20世紀五十年代到七年代期間開發的含碳較高的低合金高強鋼建立的，如IIW碳當量公式CE，由日本JIS標準規定的碳當量公式Ceq，均主要適合于W(c)≥0.18%的鋼種。而現在大多數低合金高強鋼的含碳量已遠小于0.18%，甚至向小于0.05%的方向發展。因此在有關設計規范中，規定按上述碳當量公式作為鋼材選材時的判據是不適宜的。

1969年由日本伊藤慶典等提出的焊接冷裂紋敏感指數Pcm在工程上得到廣泛應用，但該公式僅適用鋼材含碳量范圍為W(c)=0.07%～0.22%，試驗時低碳范圍的取樣數量太少，應該說對含碳量小于0.07%的低碳微合金鋼和超低碳貝氏體鋼引用該公式來評定焊接性的優劣，也是較為勉強的。

現在常用的一些焊接冷裂紋敏感性試驗方法，也基本上是在1980年以前形成的。原國家標準中的焊接性試驗方法，如 斜Y形坡口焊接裂紋試驗方法、搭接接頭（CTS）焊接裂紋試驗方法、T型接頭焊接裂紋試驗方法、壓板對接（FISCO）焊接裂紋試驗方法、插銷冷裂紋試驗方法，都已在2005年由國家標準化管理委員會明令廢止。雖然這些方法，仍然可參照使用，但已不具有國家標準試驗方法的權威作用。

因此隨著目前鋼材品種的更新換代和品質的提高，如何合理的評定各種強度級別的微合金控軋控冷鋼（將是今后一段時期的量大面廣用材）、低碳或超低碳貝氏體鋼、大線能量焊接用鋼、新一代耐熱鋼和低溫鋼、超細晶粒鋼等的焊接性能，是擺在我們面前的一個新課題，有待于引入新的思路和新的評定標準。

4  我國焊接材料的發展態勢

4.1  焊接自動化進展推動焊材品種結構的調整

20世紀80年代中期，國外發達國家焊條占焊材的比例約為50%左右。到2004年歐洲、北美（美國和加拿大）、日本在消耗的焊材中，焊條的比例均已小于20%，見表2，也就是說，目前發達國家的自動化和半自化焊接，已占整個焊接工作量的80%以上[2]。

表2    2004年發達國家的焊材需求量和使用比例

國家或地區

需求量（萬噸）

產品結構比例（%）

焊條

氣保護焊絲

埋弧焊材

藥芯焊絲

歐洲

50

17

65

7

11

北美

45

18

58

5

19

日本

32.5

14

48

11

27

表3    我國焊材的產量和結構比例

年份

產量（萬噸）

產品結構比例（%）

焊條

氣保護焊絲

埋弧焊材

藥芯焊絲

2000

約114

80

9.5

10

0.5

2006

約320

56

28

12.2

3.8

預測5年后

390～420

25-32

45-55

11-14

5-10

近年來，我國少數行業及部分企業的焊接自動化和半自化率已到70%以上，但就全國而言，2006年全國消耗的焊材中，手工焊條仍占56%左右，也就是說焊接自動化和半自動化率尚不到50%。但當前焊接自動化進展明顯加快，預測5年后，我國焊接自動化和半自動化率可以達到70%左右。

4.2  鋼材進步將推動焊材品種更新和品質提升

由于鋼鐵冶煉及軋制工藝的進步，今后各類低合金高強鋼如建筑結構鋼、船板鋼、壓力容器鋼、管線鋼、橋梁鋼、耐熱鋼和低溫鋼等，都在向“低碳、超低碳、微合金化、潔靜化、細晶化”方向發展。一大批鋼材的實物水平達到或接近國外的先進水平。例如，一些鋼材W(s)達到0.009%，最低達到0.001%，-20℃低溫沖擊功達150～200J等。

現在已有不少使用單位和設計院提出，要求焊縫金屬的硫磷等雜質的含量與鋼材實物水平接近，要求焊縫金屬沖擊韌性與鋼材實物水平相當，而不是按焊接材料國家標準去選購和考核焊接材料。

進入21世紀以來，國外的知名焊材企業對鋼材的進步都迅速跟進，一是提升傳統產品的品質，二是開發與高品質鋼種配套的新型焊材品種。國內的不少焊接企業，也在這方面作出了努力，但新型焊材的開發遠遠落后于新鋼種的發展，致使一些新型鋼中的配套焊材尚需進口。期望我國有條件的焊材企業快速跟進，開發出更多更好的新型高科技焊接材料［6、8］。比如：

 (1) 開發高鋼級管線鋼（如X70、X80、X100、X120等）用新型焊接材料，包括纖維素下向焊條、低氫鐵粉型下向焊條、氣保護和埋弧用實芯焊絲、自保護藥芯焊絲等。

(2) 與耐火、耐候等高強鋼配套的焊接材料；

(3) 適于大型儲油罐、壓力容器、橋梁、建筑結構用的高強度（屈服強度≥490MPa）厚板、中厚板大線能量用高強韌性焊條、實芯焊絲和藥芯焊絲。

(4) 與超臨界、超超臨界機組所用新一代微合金化耐熱鋼（如T91/P91、T92/P92、T23/P23、T122／P122及E911新型細晶奧氏體耐熱鋼HR3C、NF709、SAV25等）配套的焊接材料。

(5) 與21世紀新一代超細晶粒鋼配套的新型焊接材料，主要為人狀鐵素體焊接材料及超低碳貝氏體焊接材料。

(6) 超低碳貝氏高強鋼(600~1500MPa)用焊接材料；這是近十年新發展起來的鋼種，目前寶鋼、鞍鋼、武鋼等鋼廠已開始生產這類鋼種，用于代替低碳調制鋼，主要用于艦艇、船舶、工程機械、壓力容器、水電站壓力管道等重要結構，需要配套相應的焊接材料。

(7) 高層及大跨度鋼結構焊接材料，我國高層、大跨度鋼結構已采用屈服強度345MPa、390MPa、420 MPa、460 MPa、490MPa等系列高強鋼，最大板后已達130mm，所需焊接材料除焊條可從國內擇優選外，相應的氣保護、埋弧焊用實芯焊絲與發達國家存在較大差距。如日本阪神大地震以后，新日鐵采用氧化鈦、氮化鈦彌散分布技術開發了屈服強度490、520、590MPa的抗震建筑用鋼，最大厚度100mm，焊接熱輸入可達1000KJ/cm，局部脆化減弱（主要靠擬制晶粒長大）。

(8) 隨著國產不銹鋼品種、品質的提高，開發配套的相應焊接材料，特別是與雙相不銹鋼和“節鎳”、“含氮”鉻不銹鋼配套的焊接材料。

上述高品質焊接材料目前占我國焊接材料總量的20％左右，預計5年后可能達到30％～40％。按20％計，其總量可達50～60萬噸，已大于全歐洲的焊材年消費量，相當于日本年焊材消費量的2倍，附加值較高。近年來國外各著名焊材企業紛紛進入中國搶奪高端焊材市場。我國民族焊材工業在這方面存在明顯差距，希望我國焊材行業加快高品質焊材的研發，提高我國民族焊材企業的競爭力。

4.3  焊接材料發展中值得關注的若干問題

（1）關于藥芯焊絲的發展前景

進入21世紀以來，我國藥芯焊絲的發展極為迅速。據測算目前全世界藥芯焊絲產量共約45～50萬噸左右，國外以日本的產量最多，2006年產量為11.78萬噸。而我國2006年產量為12萬噸（其中出口外銷約2萬多噸，國內銷費約9萬多噸），已超過日本，成為全世界藥芯焊絲產量最高的國家。而且目前發展勢頭極為高漲，我國的民族焊材企業，包括安泰公司、大橋集團、金橋集團、大西洋、三英公司、和鐵錨公司等公布的藥芯焊絲規劃產能達35萬噸，在我國設廠的7家外商企業宣傳的藥芯焊絲規劃產能已超過20萬噸。因此總計規劃產能達55萬噸，已超過目前全世界藥芯焊絲的總產量。

在藥芯焊絲總產量中，包括日本、韓國和中國，用于造船行業的Φ1.2mm結構鋼藥芯焊絲均占90%左右。2006年我國造船完工量1452萬載重噸，約消費藥芯焊絲8～9萬噸左右，按照船舶工業發展規劃，到2015年達到2800萬載重噸的造船能力。也就是比2006年番一翻，最多消費藥芯焊絲20萬噸。如再加上其它行業的使用量和出口，到2015年我國藥芯焊絲的市場容量最多30萬噸左右，顯然規劃產能到55萬噸已超過了市場的計劃需求。

同時，藥芯焊絲對市場的占有份額，還將受到實芯焊絲氣保護焊的焊機和焊絲改進的影響。因為結構鋼藥芯焊絲其突出優點，一是可以使用大電流施焊，焊接效率高，二是適合于全位置焊接，作業性能好。其突出缺點，一是焊接煙塵多，對作業環境的污染大，二是焊絲嚴重吸潮后，不易復烘，吸潮后焊絲將報廢。三是厚板多層焊的性能易受工藝因素影響而波動。今年在埃森焊接展覽會上，國內外有關單位展出的數字式逆變焊機，已可對直徑1.2mm實芯焊絲用250A大電流焊接，飛濺小，效率高。今后幾年，如果隨著新型焊接電源控制技術的進步和實芯焊絲性能的改進（例如采用不鍍銅的特種涂層焊絲），能使實芯焊絲CO2保護焊的焊接效率和作業性能與藥芯焊絲基本相當，一些用戶會優先選用相對便宜的實芯焊絲。這樣，藥芯焊絲的發展方向，將部分轉向多品種的低合金鋼特種藥芯焊絲、不銹鋼藥芯焊絲和堆焊及噴焊藥芯焊絲。

(2）是否要專門發展低塵焊條和低塵藥芯焊絲

日本從1960年左右開始研制低塵焊條，但此后十多年并沒有推廣應用，主要原因是工藝性能比同類焊條差。直到七十年代后期，日本又推出了新一代低塵焊條，使工藝性能與同類焊條接近，發塵量減少30～50%，如神鋼的ZERODE系列和日鐵的EX系列焊條。因此在日本焊接協會主編的焊接全書中，將低塵焊條在日本進入實用化的年代定為1977年。

但1997年發現在日本造船廠、橋梁廠、重型機器廠的焊接車間，均未使用低塵焊條。其原因：一是低塵焊條的售價比同類焊條高10～20%；二是操作工藝性能仍稍差，焊工不愿用；三是焊條壓涂性能較差，成品率較低，生產較困難；四是雖然單根焊條發塵量低了，但多根焊條焊接后煙塵依然很高，仍需通過“通風除塵”降低車間中的焊接煙塵。因此訂貨較少。

歐美等國家的一些焊材企業認為在不損害焊條綜合性能的條件下，去努力降低焊接煙塵的發塵量是雖然可行，但專門開發低塵焊條，沒有實用價值。因此歐美等國并未開發這方面的產品。

我國從二十世紀七十年代開始研究低塵焊條。先后有甘工大、哈焊所、天津大學、冶建院、大連鐵道學院及武漢交通科技大學等單位進行了研究工作，也未能得到推廣應用。

對低塵藥芯焊絲，日本幾年前曾報道使制造藥芯焊絲的帶鋼含碳量從0.08%降到0.01%，可使藥芯焊絲發塵量減少25%，但會增加焊縫的熱裂紋傾向。為了不產生焊接熱裂紋，應控制帶鋼含碳量為0.07～0.09%。國內一些單位在試驗中也得出了類似結果。說明大幅度降低煙塵發生量，容易影響藥芯焊絲的其它性能。

因此建議在保持焊條和藥芯焊絲綜合性能優良的條件下去降低發塵量，如將發塵量降低10～20%，既可以做得到，又具有實用推廣價值。不應刻意去研制降低焊接煙塵發生量30～50%的所謂低塵焊條與低塵藥芯焊絲。

（3）關于不銹鋼焊接材料

表3 近年來不銹鋼及其焊材消費量的增長

年代

表觀消費量（萬噸）

焊材消費量（萬噸）

2000

188

1.1

2006

645

5.0

2010

810

>7.0

2006年我國不銹鋼的表觀消費量達到645萬噸，與2000年188萬噸相比，6年時間增長了三倍多。因此近年來不銹鋼焊接材料也快速增長，從2000年的1.1萬噸，增長到2006年的5萬噸左右。預計2010年我國不銹鋼的消費量將達810萬噸，今后幾年不銹鋼焊接材料也將每年增漲10%以上,預計總量將超過7萬噸。

還必須關注不銹鋼品種調整對焊材需求的變化。近年來金屬鎳的價格猛漲，使300系鎳鉻奧氏體不銹鋼的價格在近一年的時間內上漲了二倍多。因此市場上鎳鉻奧氏體不銹鋼的消費比例已從70%下滑到40～50%，鉻系鐵素體不銹鋼的消費比例已上升到30%以上，并著力在發展各種“節鎳”和“含氮”的新型不銹鋼、雙相不銹鋼及超級不銹鋼。因此，應跟蹤不銹鋼品種的變化，發展相匹配的各類焊接材料。

（4）推進與鋼廠的合作，解決焊絲品種短缺的問題[8]

我國焊材發展的主要瓶頸，是氣保護實芯焊絲及埋弧焊實芯焊絲的品種和品質滿足不了市場的需求。包括各種不同強度級別的高強鋼焊絲、耐熱鋼焊絲、低溫鋼焊絲、耐大氣腐蝕鋼焊絲、不銹鋼焊絲等。

特別是對量大面廣的CO2氣保護焊用實芯焊絲，希望能在國內市場上方便地采購到較為齊全的系列產品，既有等效美國標準的GB/T 8110規定的系列產品，又有相當日本標準JISZ 3312的YGW 11型和YGW 18型焊絲。

YGW 11型焊絲化學成分中含Ti  0.16～0.22%，與ER 50～6和AWSER 70S～6相比，在采用較大電流焊接時，減少飛濺30～50%，焊縫成形較好，已成為日本在CO2保護焊中用得最多的焊絲。

YGW 18型焊絲的錳、硅含量高于ER 50～6焊絲，在較大線能量和較高層間溫下焊接，熔敷金屬抗拉強度仍大于540Mpa，0℃沖擊值大于70J。適合于高層建筑的厚板梁柱及其它厚板結構的焊接。

我國過去由于體制的分割，焊絲作為焊接材料歸口機械行業，冶金行業沒有將焊絲列入生產規劃。焊絲廠購不到多品種的盤條鋼材，也就生產不了多品種的焊絲。而國外不少焊絲生產廠都和鋼廠有密切的合作關系，或者本身就是鋼鐵聯合企業的成員，或者本身就有冶煉能力，因此可以按市場需求，對各類不同品種和不同品質的焊絲快速供貨。希望我國的焊絲生產企業密切與鋼廠的聯系，或者尋求與鋼鐵聯合企業的緊密合作，解決這一瓶頸問題。

至于目前國內外廠家推出的所謂無鍍銅焊絲，應該稱為特種涂層焊絲，由于各廠家涂層成分不同和表面處理方式的差異，焊絲的性能也有不同。性能優良的涂層和表面處理工藝，不但起防銹和潤滑的作用，焊接時不產生銅煙塵，而且可提升焊絲的電弧穩定性和減少焊接飛濺。目前國內外廠家對這種焊絲涂層和表面處理工藝仍在不斷改進中。期望這種焊絲與精確控制熔滴過渡的數字化逆變焊機相配合，可以實現高效率、低飛濺的大電流CO2焊接，達到相當于藥芯焊絲焊接的工藝效果，是今后的發展方向。

5  我國民族焊材企業的差距和期望

焊材企業的實力，基礎是生產裝備、檢測手段、產品研發能力、市場開拓能力、人材狀況及資產狀況等。我國絕大多數焊材企業，包括年產幾十萬噸焊材的大型企業，都與國外知名焊材企業有較大的差距。世界進入21世紀，以高新技術改造傳統產業，實現可持續發展，是世界潮流。應該重視差距，迎頭趕上。

5.1  生產裝備

我國焊材行業的生產裝備，近二十年來已有長足的進步。例如：我國生產結422等普通焊條的螺旋機生產線，生產效率是世界第一流的；多絲展開式化學鍍銅生產線設備已與國外21世紀初的水平相當，特別是一些企業研制的藥芯焊絲生產線設備，已基本達到國外同類先進設備的水平。但仍有不少生產裝備，與國外知名焊材企業相比，還存在差距。例如：

(1) 為了保證高性能特種焊條，燒結焊劑和藥芯焊絲的配方準確性，國外一些焊材企業已專門建立現代化的原材料預處理系統，包括原材料檢驗、篩分和大批量干混使成分精確均勻，及對部分原材料的烘焙和予燒結處理。

(2) 國外已采用低噪聲的高速切絲機，代替現有的高噪音低速切絲機，改善切絲環境，提高切絲質量。

(3) 國外紛紛提高油壓式焊條壓涂機的壓涂力，減少水玻璃加入量，使焊條藥皮更加密實和光滑，四川大西洋公司已引進了總壓力為320t的油壓式壓涂機，與連續式低溫和高溫烘干爐配套，實現了一條生產線年產低氫型優質焊條一萬多噸的業績。參照引進設備，常州恒創機械公司研制了新型250t油壓式壓涂機，可在表壓200～240kgs/c㎡條件下正常壓涂焊條，而現在國內大部分焊材企業使用的200t油壓式壓涂機，只能在表壓120～160kgs/c㎡條件下正常壓涂焊條。

(4) 國外20～24絲展開式鍍銅焊絲生產線的鍍銅運行速度已大于360米/分，國內大多為180～300米/分。特別是為了適應多品種焊絲的生產，已采用從粗拉、細拉到鍍銅的連動單絲生產線，運行速度達700～800米/分，生產效率高，便于調換焊絲的品種。而且在這種單