金屬材料的焊接性能概念

工藝焊接性：是指在一定焊接工藝條件下，獲得優(yōu)良,，無(wú)缺陷焊接接頭的能力,。它不是金屬固有的性質(zhì)，而是根據(jù)某種焊接方法和所采用的具體工藝措施來(lái)進(jìn)行的評(píng)定,。所以金屬材料的工藝焊接性與焊接過(guò)程密切相關(guān),。

使用焊接性：是指焊接接頭或整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定的使用性能的程度。使用性能取決于焊接結(jié)構(gòu)的工作條件和設(shè)計(jì)上提出的技術(shù)要求,。通常包括力學(xué)性能,、抗低溫韌性、抗脆斷性能,、高溫蠕變,、疲勞性能、持久強(qiáng)度,、耐蝕性能和耐磨性能等,。例如常用的S30403，S31603不銹鋼就具有優(yōu)良的耐蝕性能,，16MnDR,，09MnNiDR低溫鋼也有具備良好的抗低溫韌性性能。

金屬材料焊接性能的影響因素

材料包括母材和焊接材料,。在相同的焊接條件下,，決定母材焊接性的主要因素是它本身的物理性能和化學(xué)組成。

物理性能方面：如金屬的熔點(diǎn),、熱導(dǎo)率,、線膨脹系數(shù)、密度,、熱容量等因素,，都對(duì)熱循環(huán)、熔化,、結(jié)晶、相變等過(guò)程產(chǎn)生影響,，從而影響焊接性,。不銹鋼等熱導(dǎo)率低的材料，焊接時(shí)溫度梯度大,，殘余應(yīng)力高,，變形大，,。而且由于高溫停留時(shí)間長(zhǎng),，熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大,，對(duì)接頭性能不利。奧氏體不銹鋼線膨脹系數(shù)大,、接頭的變形和應(yīng)力較為嚴(yán)重,。

化學(xué)組成方面，其中影響最大的是碳元素,，也就是說(shuō)金屬含碳量的多少?zèng)Q定了它的可焊性,。鋼中的其他合金元素大部分也不利于焊接，但其影響程度一般都比碳小得多,。鋼中含碳量增加,，淬硬傾向就增大，塑性則下降,，容易產(chǎn)生焊接裂紋,。通常，把金屬材料在焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋的敏感性及焊接接頭區(qū)力學(xué)性能的變化作為評(píng)價(jià)材料可焊性的主要指標(biāo),。所以含碳量越高,，可焊性越差。含碳量小于0.25%的低碳鋼和低合金鋼,，塑性和沖擊韌性優(yōu)良,，焊后的焊接接頭塑性和沖擊韌性也很好。焊接時(shí)不需要預(yù)熱和焊后熱處理,，焊接過(guò)程容易控制,，因此具有良好的焊接性。

此外,，鋼材的冶煉軋制狀態(tài),、熱處理狀態(tài)、組織狀態(tài)等,，在不同程度上都對(duì)焊接性發(fā)生影響,。通過(guò)精煉提純或細(xì)化晶粒和控軋工藝等手段，來(lái)改善鋼材的焊接性,。

焊接材料直接參與焊接過(guò)程一系列化學(xué)冶金反應(yīng),，決定著焊縫金屬的成分、組織,、性能及缺陷的形成,。如果選擇焊接材料不當(dāng)，與母材不匹配,，不僅不能獲得滿足使用要求的接頭,，還會(huì)引進(jìn)裂紋等缺陷的產(chǎn)生和組織性能的變化。因此,，正確選用焊接材料是保證獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的重要因素,。

工藝因素包括焊接方法,、焊接工藝參數(shù)、焊接順序,、預(yù)熱,、后熱及焊后熱處理等。焊接方法對(duì)焊接性影響很大,，主要表現(xiàn)在熱源特性和保護(hù)條件兩個(gè)方面,。

不同的焊接方法其熱源在功率、能量密度,、最高加熱溫度等方面有很大差別,。金屬在不同熱源下焊接，將顯示出不同的焊接性能,。如電渣焊功率很大,，但能量密度很低，最高加熱溫度也不高,，焊接時(shí)加熱緩慢,，高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，使得熱影響區(qū)晶粒粗大,，沖擊韌性顯著降低,，必須經(jīng)正火處理才能改善。與此相反,，電子束焊,、激光焊等方法，功率不大,，但能量密度很高,，加熱迅速。高溫停留時(shí)間短,，熱影響區(qū)很窄,，沒(méi)有晶粒長(zhǎng)大的危險(xiǎn)。

調(diào)整焊接工藝參數(shù),，采取預(yù)熱,、后熱、多層焊和控制層間溫度等其它工藝措施,，可以調(diào)節(jié)和控制焊接熱循環(huán),，從而可改變金屬的焊接性。如采取焊前預(yù)熱或焊后熱處理等措施,，則完全可能獲得沒(méi)有裂紋缺陷，滿足使用性能要求的焊接接頭,。

主要是指焊接結(jié)構(gòu)和焊接接頭的設(shè)計(jì)形式,，如結(jié)構(gòu)形狀,、尺寸、厚度,、接頭坡口形式,、焊縫布置及其截面形狀等因素對(duì)焊接性的影響。其影響主要表現(xiàn)在熱的傳遞和力的狀態(tài)方面,。不同板厚,、不同接頭形式或坡口形狀其傳熱速度方向和傳熱速度不一樣，從而對(duì)熔池結(jié)晶方向和晶粒成長(zhǎng)發(fā)生影響,。結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān),、板厚和焊縫的布置等，決定接頭的剛度和拘束度,，對(duì)接頭的應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生影響,。不良的結(jié)晶形態(tài)，嚴(yán)重的應(yīng)力集中和過(guò)大的焊接應(yīng)力等是形成焊接裂紋的基本條件,。設(shè)計(jì)中減少接頭的剛度,、減少交叉焊縫，減少造成應(yīng)力集中的各種因素,，都是改善焊接性的重要措施,。

是指焊接結(jié)構(gòu)服役期間的工作溫度、負(fù)載條件和工作介質(zhì)等,。這些工作環(huán)境和運(yùn)行條件要求焊接結(jié)構(gòu)具有相應(yīng)的使用性能,。如在低溫工作的焊接結(jié)構(gòu)，必須具備抗脆性斷裂性能,；在高溫工作的結(jié)構(gòu)要具有抗蠕變性能,；在交變載荷下工作的結(jié)構(gòu)具有良好的抗疲勞；在酸,、堿或鹽類介質(zhì)工作的焊接容器應(yīng)具有高的耐蝕性能等等,。總之,，使用條件越苛刻,，對(duì)焊接接頭的質(zhì)量要求就越高，材料的焊接性就越不容易保證,。

金屬材料的焊接性的鑒別評(píng)定指標(biāo)

焊接過(guò)程中,，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)焊接熱過(guò)程、冶金反應(yīng),，以及焊接應(yīng)力和變形的作用,，因而帶來(lái)化學(xué)成分、金相組織,、尺寸和形狀的變化,，使焊接接頭的性能往往不同于母材,，有時(shí)甚至不能滿足使用要求。對(duì)于許多活性金屬或難熔金屬,，宜采用特殊焊接方法,，如電子束焊或激光焊，以便獲得優(yōu)質(zhì)接頭,。材料制成優(yōu)良焊接接頭所需的設(shè)備條件越少,、難度越小，則此材料的焊接性越好,；反之,，需要復(fù)雜而昂貴的焊接方法、特殊的焊接材料和工藝措施,，則說(shuō)明這種材料的焊接性不佳,。

制造產(chǎn)品時(shí)，必須首先評(píng)定所用材料的焊接性,，以判斷所選用的結(jié)構(gòu)材料,、焊接材料和焊接方法等是否適當(dāng)。評(píng)定材料焊接性的方法很多,，每種方法只能說(shuō)明焊接性的某一方面,，因此需要進(jìn)行試驗(yàn)后才能全面確定焊接性。試驗(yàn)方法可分為模擬型和實(shí)驗(yàn)型,。前者模擬焊接加熱和冷卻特點(diǎn),；后者則按實(shí)際施焊條件進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容主要是檢測(cè)母材和焊縫金屬的化學(xué)成分,、金相組織,、機(jī)械性能、有無(wú)焊接缺陷,，測(cè)定焊接接頭的低溫性能,、高溫性能、抗腐蝕性能和抗裂紋能力等,。

金屬材料焊接性的估算檢測(cè)方法

由于碳的影響最為明顯,，其他元素的影響可折合成碳的影響，所以用碳當(dāng)量來(lái)評(píng)定焊接性的優(yōu)良,。

碳鋼及低合金結(jié)構(gòu)鋼的碳當(dāng)量計(jì)算公式：

C_E<0.4％時(shí),，鋼材的塑性良好，淬硬傾向不明顯,，焊接性良好,。在一般的焊接技術(shù)條件下，焊接接頭不會(huì)產(chǎn)生裂紋，但對(duì)厚大件或在低溫下焊接,，應(yīng)考慮預(yù)熱,；

C_E在0.4～0.6％時(shí)，鋼材的塑性下降,，淬硬傾向逐漸增加，焊接性較差,。焊前工件需適當(dāng)預(yù)熱,，焊后注意緩冷，才能防止裂紋,；

C_E >0.6％時(shí),，鋼材的塑性變差。淬硬傾向和冷裂傾向大,，焊接性更差,。工件必須預(yù)熱到較高的溫度，要采取減少焊接應(yīng)力和防止開(kāi)裂的技術(shù)措施,，焊后還要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚怼?/span>

計(jì)算結(jié)果得到的碳當(dāng)量數(shù)值越大,，則被焊鋼材的淬硬傾向越大，熱影響區(qū)容易產(chǎn)生冷裂紋,，所以當(dāng)C_E >0.5%時(shí),，鋼材容易淬硬，焊接時(shí)必須預(yù)熱才能防止裂紋,，隨板厚和C_E的增高加,，預(yù)熱溫度也應(yīng)相應(yīng)增高。

焊接裂紋試驗(yàn)方法,，在焊接接頭中產(chǎn)生的裂紋可以分為,，熱裂紋、冷裂紋,、再熱裂紋,、應(yīng)力腐蝕、層狀撕裂等,。

（1）T形接頭焊接裂紋試驗(yàn)法,，該方法主要用于評(píng)定碳素鋼和低合金鋼角焊縫的熱裂紋敏感性，也可用于測(cè)定焊條以及焊接參數(shù)對(duì)熱裂紋敏感性的影響,。

（2）壓板對(duì)接焊接裂紋試驗(yàn)法,，該方法主要用于評(píng)定碳鋼,、低合金鋼,、奧氏體不銹鋼焊條及焊縫的熱裂紋敏感性。它是通過(guò)把試件安裝在FISCO試驗(yàn)裝置內(nèi)，調(diào)整坡口間隙大小對(duì)產(chǎn)生裂紋的影響很大,，隨著間隙的增加,，裂紋敏感性越大。

（3）剛性對(duì)接裂紋試驗(yàn)方法,，這種方法主要用于測(cè)定焊縫區(qū)熱裂紋和冷裂紋,，也可測(cè)定熱影響區(qū)的冷裂紋，試件四周先用定位焊縫焊牢在剛度很大的底板上,，試驗(yàn)時(shí)按實(shí)際施工焊接參數(shù)施焊試驗(yàn)焊縫,，主要用于焊條電弧焊，試件焊后室溫下放置24h,，先檢查焊縫表面,，然后在切去試樣磨片，檢查有無(wú)裂紋,，一般以裂與不裂為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn),，每種條件焊兩塊試件。

常用金屬材料的焊接特點(diǎn)

（1）低碳鋼的焊接

低碳鋼含碳量低,，錳,、硅含量少，在通常情況下不會(huì)因焊接而引起嚴(yán)重組織硬化或出現(xiàn)淬火組織,。這種鋼的塑性和沖擊韌性優(yōu)良,，其焊接接頭的塑性、韌性也極其良好,。焊接時(shí)一般不需預(yù)熱和后熱,，不需采取特殊的工藝措施，即可獲得質(zhì)量滿意的焊接接頭,，故低碳鋼鋼具有優(yōu)良的焊接性能,，是所有鋼材中焊接性能最好的鋼種。

（2）中碳鋼的焊接

中碳鋼含碳量較高,，其焊接性比低碳鋼差,。當(dāng)C_E接近下限（0.25%）時(shí)焊接性良好，隨著含碳量增加,，其淬硬傾向隨之增大,，在熱影響區(qū)容易產(chǎn)生低塑性的馬氏體組織。當(dāng)焊件剛性較大或焊接材料,、工藝參數(shù)選擇不當(dāng)時(shí),，容易產(chǎn)生冷裂紋。多層焊焊接第一層焊縫時(shí),，由于母材熔合到焊縫中的比例大,，使其含碳量及硫、磷含量增高、容易生產(chǎn)熱裂紋,。此外,，碳含量高時(shí)，氣孔敏感性也增大,。

（3）高碳鋼的焊接

C_E大于0.6%的高碳鋼淬硬性高,、很容易產(chǎn)生硬又脆的高碳馬氏體,。在焊縫和熱影響區(qū)中容易產(chǎn)生裂紋,，難以焊接。故一般都不用這類鋼制造焊接結(jié)構(gòu),，而用于制造高硬度或耐磨的部件或零件，對(duì)它們的焊接多數(shù)是破損件的焊補(bǔ)修理,。焊補(bǔ)這些零,、部件之前應(yīng)先行退火,，以減少焊接裂紋,，焊后再重新進(jìn)行熱處理。

低合金高強(qiáng)鋼的含碳量一般不超過(guò)0.20％,，合金元素總量一般不超過(guò)5％。正是由于低合金高強(qiáng)鋼含有一定量的合金元素,，使其焊接性能與碳鋼有一定差別，其焊接特點(diǎn)表現(xiàn)在：

（1）焊接接頭的焊接裂紋

冷裂紋  低合金高強(qiáng)鋼由于含使鋼材強(qiáng)化的C,、Mn,、V、Nb等元素,，在焊接時(shí)易淬硬，這些硬化組織很敏感,，因此,，在剛性較大或拘束應(yīng)力高的情況下，若焊接工藝不當(dāng),，很容易產(chǎn)生冷裂紋,。而且這類裂紋有一定的延遲性，其危害極大,。

再熱（SR）裂紋  再熱裂紋是焊接接頭在焊后消除應(yīng)力熱處理過(guò)程或長(zhǎng)期處于高溫運(yùn)行中發(fā)生在靠近熔合線粗晶區(qū)的沿晶開(kāi)裂。一般認(rèn)為，其產(chǎn)生是由于焊接高溫使HAZ附近的V,、Nb,、Cr、Mo等碳化物固溶于奧氏體中,，焊后冷卻時(shí)來(lái)不及析出,，而在PWHT時(shí)呈彌散析出，從而強(qiáng)化了晶內(nèi),，使應(yīng)力松弛時(shí)的蠕變變形集中于晶界,。

低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭一般不易產(chǎn)生再熱裂紋，如16MnR,、15MnVR等,。但對(duì)于Mn-Mo-Nb和Mn-Mo-V系低合金高強(qiáng)鋼，如07MnCrMoVR,，由于Nb,、V、Mo是促使再熱裂紋敏感性較強(qiáng)的元素,，因此這一類鋼在焊后熱處理時(shí)應(yīng)注意避開(kāi)再熱裂紋的敏感溫度區(qū),，防止再熱裂紋的發(fā)生。

（2）焊接接頭的脆化和軟化

應(yīng)變時(shí)效脆化 焊接接頭在焊接前需經(jīng)受各種冷加工(下料剪切,、筒體卷圓等),，鋼材會(huì)產(chǎn)生塑性變形，如果該區(qū)再經(jīng)200～450℃的熱作用就會(huì)引起應(yīng)變時(shí)效,。應(yīng)變時(shí)效脆化會(huì)使鋼材塑性降低,，脆性轉(zhuǎn)變溫度提高，從而導(dǎo)致設(shè)備脆斷,。焊后熱處理可消除焊接結(jié)構(gòu)這類應(yīng)變時(shí)效,，使韌性恢復(fù)。

焊縫和熱影響區(qū)脆化  焊接是不均勻的加熱和冷卻過(guò)程,，從而形成不均勻組織,。焊縫(WM)和熱影響區(qū)(HAZ)的脆性轉(zhuǎn)變溫度比母材高，是接頭中的薄弱環(huán)節(jié),。焊接線能量對(duì)低合金高強(qiáng)鋼WM和HAZ性能有重要影響，低合金高強(qiáng)鋼易淬硬,，線能量過(guò)小,，HAZ會(huì)出現(xiàn)馬氏體引起裂紋；線能量過(guò)大,，WM和HAZ的晶粒粗大會(huì)造成接頭脆化,。低碳調(diào)質(zhì)鋼與熱軋,、正火鋼相比，對(duì)線能量過(guò)大而引起的HAZ脆化傾向更嚴(yán)重,。所以焊接時(shí),，應(yīng)將線能量限制在一定范圍。

焊接接頭的熱影響區(qū)軟化  由于焊接熱作用,，低碳調(diào)質(zhì)鋼的熱影響區(qū)(HAZ)外側(cè)加熱到回火溫度以上特別是Ac1附近的區(qū)域,，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度下降的軟化帶。HAZ區(qū)的組織軟化隨著焊接線能量的增加和預(yù)熱溫度的提高而加重,，但一般其軟化區(qū)的抗拉強(qiáng)度仍高于母材標(biāo)準(zhǔn)值的下限要求,，所以這類鋼的熱影響區(qū)軟化問(wèn)題只要工藝得當(dāng)，不致影響其接頭的使用性能,。

不銹鋼按其鋼的組織不同可分為四類,，即奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼,、馬氏體不銹鋼,、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼。以下主要分析奧氏體不銹鋼和雙向不銹鋼的焊接特點(diǎn),。

（1）奧氏體不銹鋼的焊接

奧氏體不銹鋼比其他不銹鋼容易焊接。在任何溫度下都不會(huì)發(fā)生相變,，對(duì)氫脆不敏感,，在焊態(tài)下奧氏體不銹鋼接頭也有較好的塑性和韌性。焊接的主要問(wèn)題是：焊接熱裂紋,、脆化,、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕等。此外,，因?qū)嵝圆?，線脹系數(shù)大，焊接應(yīng)力和變形較大,。在焊接時(shí)應(yīng)盡量采用小的焊接熱輸入,，而且不應(yīng)預(yù)熱，并降低層間溫度,，層間溫度控制在60℃以下,，焊縫接頭相互錯(cuò)開(kāi)。減小熱輸入,，不應(yīng)過(guò)分增大焊接速度,，而應(yīng)適應(yīng)降低焊接電流。

（2）奧氏體-鐵素體雙向不銹鋼的焊接

奧氏體-鐵素體雙向不銹鋼是由奧氏體和鐵素體兩相組成的雙相不銹鋼,。它兼?zhèn)淞藠W氏體鋼和鐵素體鋼的優(yōu)點(diǎn),，故具有強(qiáng)度高,、耐腐蝕性好和易于焊接的特點(diǎn)。目前主要有CR18,、CR21,、CR25三種類型的雙相不銹鋼。這類鋼焊接的主要特點(diǎn)是：與奧氏體不銹鋼比具有較低的熱傾向,；與純鐵素體不銹鋼比焊后具有較低的脆化傾向,，而且焊接熱影響區(qū)鐵素體粗化程度也較低，故焊接性較好,。

由于這類鋼焊接性能良好,，焊時(shí)可不預(yù)熱和后熱。薄板宜用TIG焊,，中厚板可用焊條電弧焊,，焊條電弧焊時(shí)宜選用成分與母材相近的專用焊條或含碳量低的奧氏體焊條。對(duì)于CR25型雙相鋼也可選用鎳基合金焊條,。

雙相鋼中因有較大比例鐵素體存在,，而鐵素體鋼所固有的脆化傾向，如475℃脆性,、σ相析出脆化和晶粒粗大,，依然存在，只因有奧氏體的平衡作用而獲得一定緩解,，焊接時(shí),，仍需注意。對(duì)無(wú)NI或低NI雙相不銹鋼焊接時(shí),，在熱影響區(qū)有單相鐵素體及晶粒粗化傾向,，這時(shí)應(yīng)注意控制焊接熱輸入，盡量用小電流,、高焊速,、窄道焊和多道焊，以防止熱影響區(qū)晶粒粗化和單相鐵素體化,，層間溫度不宜太高,，最好冷后再焊下一道。