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金属材料的焊接性能

金属材料的焊接性能概念

金属材料的焊接性是指金属材料在采用一定的焊接工艺包括焊接方法、焊接材料、焊接规范及焊接结构形式等条件下，获得优良焊接接头的能力。 一种金属，如果能用较多普通又简便的焊接工艺获得优良的焊接接头，则认为这种金属具有良好的焊接性能金属材料焊接性一般分为工艺焊接性和使用焊接性 两个方面。

工艺焊接性：是指在一定焊接工艺条件下，获得优良，无缺陷焊接接头的能力。它不是金属固有的性质，而是根据某种焊接方法和所采用的具体工艺措施来进行的评定。所以金属材料的工艺焊接性与焊接过程密切相关。

使用焊接性：是指焊接接头或整个结构满足产品技术条件规定的使用性能的程度。使用性能取决于焊接结构的工作条件和设计上提出的技术要求。通常包括力学性能、抗低温韧性、抗脆断性能、高温蠕变、疲劳性能、持久强度、耐蚀性能和耐磨性能等。例如常用的S30403，S31603不锈钢就具有优良的耐蚀性能，16MnDR，09MnNiDR低温钢也有具备良好的抗低温韧性性能。

金属材料焊接性能的影响因素

1 材料因素

材料包括母材和焊接材料。在相同的焊接条件下，决定母材焊接性的主要因素是它本身的物理性能和化学组成。

物理性能方面：如金属的熔点、热导率、线膨胀系数、密度、热容量等因素，都对热循环、熔化、结晶、相变等过程产生影响，从而影响焊接性。不锈钢等热导率低的材料，焊接时温度梯度大，残余应力高，变形大，。而且由于高温停留时间长，热影响区晶粒长大，对接头性能不利。奥氏体不锈钢线膨胀系数大、接头的变形和应力较为严重。

化学组成方面，其中影响较大的是碳元素，也就是说金属含碳量的多少决定了它的可焊性。钢中的其他合金元素大部分也不利于焊接，但其影响程度一般都比碳小得多。钢中含碳量增加，淬硬倾向就增大，塑性则下降，容易产生焊接裂纹。通常，把金属材料在焊接时产生裂纹的敏感性及焊接接头区力学性能的变化作为评价材料可焊性的主要指标。所以含碳量越高，可焊性越差。含碳量小于0.25%的低碳钢和低合金钢，塑性和冲击韧性优良，焊后的焊接接头塑性和冲击韧性也很好。焊接时不需要预热和焊后热处理，焊接过程容易控制，因此具有良好的焊接性。

此外，钢材的冶炼轧制状态、热处理状态、组织状态等，在不同程度上都对焊接性发生影响。通过精炼提纯或细化晶粒和控轧工艺等手段，来改善钢材的焊接性。

焊接材料直接参与焊接过程一系列化学冶金反应，决定着焊缝金属的成分、组织、性能及缺陷的形成。如果选择焊接材料不当，与母材不匹配，不仅不能获得满足使用要求的接头，还会引进裂纹等缺陷的产生和组织性能的变化。因此，正确选用焊接材料是保证获得优质焊接接头的重要因素。

2 工艺因素

工艺因素包括焊接方法、焊接工艺参数、焊接顺序、预热、后热及焊后热处理等。焊接方法对焊接性影响很大，主要表现在热源特性和保护条件两个方面。

不同的焊接方法其热源在功率、能量密度、较高加热温度等方面有很大差别。金属在不同热源下焊接，将显示出不同的焊接性能。如电渣焊功率很大，但能量密度很低，较高加热温度也不高，焊接时加热缓慢，高温停留时间长，使得热影响区晶粒粗大，冲击韧性显著降低，必须经正火处理才能改善。与此相反，电子束焊、激光焊等方法，功率不大，但能量密度很高，加热迅速。高温停留时间短，热影响区很窄，没有晶粒长大的危险。

调整焊接工艺参数，采取预热、后热、多层焊和控制层间温度等其它工艺措施，可以调节和控制焊接热循环，从而可改变金属的焊接性。如采取焊前预热或焊后热处理等措施，则完全可能获得没有裂纹缺陷，满足使用性能要求的焊接接头。

3 结构因素

主要是指焊接结构和焊接接头的设计形式，如结构形状、尺寸、厚度、接头坡口形式、焊缝布置及其截面形状等因素对焊接性的影响。其影响主要表现在热的传递和力的状态方面。不同板厚、不同接头形式或坡口形状其传热速度方向和传热速度不一样，从而对熔池结晶方向和晶粒成长发生影响。结构的开关、板厚和焊缝的布置等，决定接头的刚度和拘束度，对接头的应力状态产生影响。不良的结晶形态，严重的应力集中和过大的焊接应力等是形成焊接裂纹的基本条件。设计中减少接头的刚度、减少交叉焊缝，减少造成应力集中的各种因素，都是改善焊接性的重要措施。

4 使用条件

是指焊接结构服役期间的工作温度、负载条件和工作介质等。这些工作环境和运行条件要求焊接结构具有相应的使用性能。如在低温工作的焊接结构，必须具备抗脆性断裂性能；在高温工作的结构要具有抗蠕变性能；在交变载荷下工作的结构具有良好的抗疲劳；在酸、碱或盐类介质工作的焊接容器应具有高的耐蚀性能等等。总之，使用条件越苛刻，对焊接接头的质量要求就越高，材料的焊接性就越不容易保证。

金属材料的焊接性的鉴别评定指标

焊接过程中，产品经过焊接热过程、冶金反应，以及焊接应力和变形的作用，因而带来化学成分、金相组织、尺寸和形状的变化，使焊接接头的性能往往不同于母材，有时甚至不能满足使用要求。 对于许多活性金属或难熔金属，宜采用特殊焊接方法，如电子束焊或激光焊，以便获得优质接头。 材料制成优良焊接接头所需的设备条件越少、难度越小，则此材料的焊接性越好； 反之，需要复杂而昂贵的焊接方法、特殊的焊接材料和工艺措施，则说明这种材料的焊接性不佳。

制造产品时，必须首先评定所用材料的焊接性，以判断所选用的结构材料、焊接材料和焊接方法等是否适当。评定材料焊接性的方法很多，每种方法只能说明焊接性的某一方面，因此需要进行试验后才能全面确定焊接性。试验方法可分为模拟型和实验型。前者模拟焊接加热和冷却特点；后者则按实际施焊条件进行试验。试验内容主要是检测母材和焊缝金属的化学成分、金相组织、机械性能、有无焊接缺陷，测定焊接接头的低温性能、高温性能、抗腐蚀性能和抗裂纹能力等。

金属材料焊接性的估算检测方法

1 工艺焊接性的间接评定方法

由于碳的影响较为明显，其他元素的影响可折合成碳的影响，所以用碳当量来评定焊接性的优良。

碳钢及低合金结构钢的碳当量计算公式：

CE 在一般的焊接技术条件下，焊接接头不会产生裂纹，但对厚大件或在低温下焊接，应考虑预热；

CE在0.4～0.6％时，钢材的塑性下降，淬硬倾向逐渐增加，焊接性较差。焊前工件需适当预热，焊后注意缓冷，才能防止裂纹；

CE >0.6％时，钢材的塑性变差。淬硬倾向和冷裂倾向大，焊接性更差。工件必须预热到较高的温度，要采取减少焊接应力和防止开裂的技术措施，焊后还要进行适当的热处理。

计算结果得到的碳当量数值越大，则被焊钢材的淬硬倾向越大，热影响区容易产生冷裂纹，所以当CE >0.5%时，钢材容易淬硬，焊接时必须预热才能防止裂纹，随板厚和CE的增高加，预热温度也应相应增高。

2 工艺焊接性的直接评定方法

焊接裂纹试验方法，在焊接接头中产生的裂纹可以分为，热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、应力腐蚀、层状撕裂等。

（1）T形接头焊接裂纹试验法，该方法主要用于评定碳素钢和低合金钢角焊缝的热裂纹敏感性，也可用于测定焊条以及焊接参数对热裂纹敏感性的影响。

（2）压板对接焊接裂纹试验法，该方法主要用于评定碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢焊条及焊缝的热裂纹敏感性。它是通过把试件安装在FISCO试验装置内，调整坡口间隙大小对产生裂纹的影响很大，随着间隙的增加，裂纹敏感性越大。

（3）刚性对接裂纹试验方法，这种方法主要用于测定焊缝区热裂纹和冷裂纹，也可测定热影响区的冷裂纹，试件四周先用定位焊缝焊牢在刚度很大的底板上，试验时按实际施工焊接参数施焊试验焊缝，主要用于焊条电弧焊，试件焊后室温下放置24h，先检查焊缝表面，然后在切去试样磨片，检查有无裂纹，一般以裂与不裂为评定标准，每种条件焊两块试件。

常用金属材料的焊接特点

1 碳钢的焊接

（1）低碳钢的焊接

低碳钢含碳量低，锰、硅含量少，在通常情况下不会因焊接而引起严重组织硬化或出现淬火组织。这种钢的塑性和冲击韧性优良，其焊接接头的塑性、韧性也极其良好。焊接时一般不需预热和后热，不需采取特殊的工艺措施，即可获得质量满意的焊接接头，故低碳钢钢具有优良的焊接性能，是所有钢材中焊接性能较好的钢种。

（2）中碳钢的焊接

中碳钢含碳量较高，其焊接性比低碳钢差。当CE接近下限（0.25%）时焊接性良好，随着含碳量增加，其淬硬倾向随之增大，在热影响区容易产生低塑性的马氏体组织。当焊件刚性较大或焊接材料、工艺参数选择不当时，容易产生冷裂纹。多层焊焊接第一层焊缝时，由于母材熔合到焊缝中的比例大，使其含碳量及硫、磷含量增高、容易生产热裂纹。此外，碳含量高时，气孔敏感性也增大。

（3）高碳钢的焊接

CE大于0.6%的高碳钢淬硬性高、很容易产生硬又脆的高碳马氏体。在焊缝和热影响区中容易产生裂纹，难以焊接。故一般都不用这类钢制造焊接结构，而用于制造高硬度或耐磨的部件或零件，对它们的焊接多数是破损件的焊补修理。焊补这些零、部件之前应先行退火，以减少焊接裂纹，焊后再重新进行热处理。

2 低合金高强度钢的焊接

低合金高强钢的含碳量一般不超过0.20％，合金元素总量一般不超过5％。正是由于低合金高强钢含有一定量的合金元素，使其焊接性能与碳钢有一定差别，其焊接特点表现在：

（1）焊接接头的焊接裂纹

冷裂纹 低合金高强钢由于含使钢材强化的C、Mn、V、Nb等元素，在焊接时易淬硬，这些硬化组织很敏感，因此，在刚性较大或拘束应力高的情况下，若焊接工艺不当，很容易产生冷裂纹。而且这类裂纹有一定的延迟性，其危害极大。

再热（SR）裂纹 再热裂纹是焊接接头在焊后消除应力热处理过程或长期处于高温运行中发生在靠近熔合线粗晶区的沿晶开裂。一般认为，其产生是由于焊接高温使HAZ附近的V、Nb、Cr、Mo等碳化物固溶于奥氏体中，焊后冷却时来不及析出，而在PWHT时呈弥散析出，从而强化了晶内，使应力松弛时的蠕变变形集中于晶界。

低合金高强钢焊接接头一般不易产生再热裂纹，如16MnR、15MnVR等。但对于Mn-Mo-Nb和Mn-Mo-V系低合金高强钢，如07MnCrMoVR，由于Nb、V、Mo是促使再热裂纹敏感性较强的元素，因此这一类钢在焊后热处理时应注意避开再热裂纹的敏感温度区，防止再热裂纹的发生。

（2）焊接接头的脆化和软化

应变时效脆化 焊接接头在焊接前需经受各种冷加工(下料剪切、筒体卷圆等)，钢材会产生塑性变形，如果该区再经200～450℃的热作用就会引起应变时效。应变时效脆化会使钢材塑性降低，脆性转变温度提高，从而导致设备脆断。焊后热处理可消除焊接结构这类应变时效，使韧性恢复。

焊缝和热影响区脆化 焊接是不均匀的加热和冷却过程，从而形成不均匀组织。焊缝(WM)和热影响区(HAZ)的脆性转变温度比母材高，是接头中的薄弱环节。焊接线能量对低合金高强钢WM和HAZ性能有重要影响，低合金高强钢易淬硬，线能量过小，HAZ会出现马氏体引起裂纹；线能量过大，WM和HAZ的晶粒粗大会造成接头脆化。低碳调质钢与热轧、正火钢相比，对线能量过大而引起的HAZ脆化倾向更严重。所以焊接时，应将线能量限制在一定范围。

焊接接头的热影响区软化 由于焊接热作用，低碳调质钢的热影响区(HAZ)外侧加热到回火温度以上特别是Ac1附近的区域，会产生强度下降的软化带。HAZ区的组织软化随着焊接线能量的增加和预热温度的提高而加重，但一般其软化区的抗拉强度仍高于母材标准值的下限要求，所以这类钢的热影响区软化问题只要工艺得当，不致影响其接头的使用性能。

3 不锈钢的焊接

不锈钢按其钢的组织不同可分为四类，即奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢。以下主要分析奥氏体不锈钢和双向不锈钢的焊接特点。

（1）奥氏体不锈钢的焊接

奥氏体不锈钢比其他不锈钢容易焊接。在任何温度下都不会发生相变，对氢脆不敏感，在焊态下奥氏体不锈钢接头也有较好的塑性和韧性。焊接的主要问题是：焊接热裂纹、脆化、晶间腐蚀和应力腐蚀等。此外，因导热性差，线胀系数大，焊接应力和变形较大。在焊接时应尽量采用小的焊接热输入，而且不应预热，并降低层间温度，层间温度控制在60℃以下，焊缝接头相互错开。减小热输入，不应过分增大焊接速度，而应适应降低焊接电流。

（2）奥氏体-铁素体双向不锈钢的焊接

奥氏体-铁素体双向不锈钢是由奥氏体和铁素体两相组成的双相不锈钢。它兼备了奥氏体钢和铁素体钢的优点，故具有强度高、耐腐蚀性好和易于焊接的特点。目前主要有CR18、CR21、CR25三种类型的双相不锈钢。这类钢焊接的主要特点是：与奥氏体不锈钢比具有较低的热倾向；与纯铁素体不锈钢比焊后具有较低的脆化倾向，而且焊接热影响区铁素体粗化程度也较低，故焊接性较好。

由于这类钢焊接性能良好，焊时可不预热和后热。薄板宜用TIG焊，中厚板可用焊条电弧焊，焊条电弧焊时宜选用成分与母材相近的专用焊条或含碳量低的奥氏体焊条。对于CR25型双相钢也可选用镍基合金焊条。

双相钢中因有较大比例铁素体存在，而铁素体钢所固有的脆化倾向，如475℃脆性、σ相析出脆化和晶粒粗大，依然存在，只因有奥氏体的平衡作用而获得一定缓解，焊接时，仍需注意。对无NI或低NI双相不锈钢焊接时，在热影响区有单相铁素体及晶粒粗化倾向，这时应注意控制焊接热输入，尽量用小电流、高焊速、窄道焊和多道焊，以防止热影响区晶粒粗化和单相铁素体化，层间温度不宜太高，较好冷后再焊下一道。