金屬材料的焊接性能

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進(jìn)行的評定。所以金屬材料的工藝焊接性與焊接過程密切相關(guān)。

使用焊接性：是指焊接接頭或整個結(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，都對熱循環(huán)、熔化、結(jié)晶、相變等過程產(chǎn)生影響，從而影響焊接性。不銹鋼等熱導(dǎo)率低的材料，焊接時溫度梯度大，殘余應(yīng)力高，變形大，。而且由于高溫停留時間長，熱影響區(qū)晶粒長大，對接頭性能不利。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，也就是說金屬含碳量的多少決定了它的可焊性。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)性能的變化作為評價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。焊接時不需要預(yù)熱和焊后熱處理，焊接過程容易控制，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，在不同程度上都對焊接性發(fā)生影響。通過精煉提純或細(xì)化晶粒和控軋工藝等手段，來改善鋼材的焊接性。

焊接材料直接參與焊接過程一系列化學(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，焊接時加熱緩慢，高溫停留時間長，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。高溫停留時間短，熱影響區(qū)很窄，沒有晶粒長大的危險。

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，從而對熔池結(jié)晶方向和晶粒成長發(fā)生影響。結(jié)構(gòu)的開關(guān)、板厚和焊縫的布置等，決定接頭的剛度和拘束度，對接頭的應(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定指標(biāo)

焊接過程中，產(chǎn)品經(jīng)過焊接熱過程、冶金反應(yīng)，以及焊接應(yīng)力和變形的作用，因而帶來化學(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，有時甚至不能滿足使用要求。對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，則說明這種材料的焊接性不佳。

制造產(chǎn)品時，必須首先評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)。評定材料焊接性的方法很多，每種方法只能說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)容主要是檢測母材和焊縫金屬的化學(xué)成分、金相組織、機(jī)械性能、有無焊接缺陷，測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)量來評定焊接性的優(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，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，焊接接頭不會產(chǎn)生裂紋，但對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，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，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，鋼材容易淬硬，焊接時必須預(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，該方法主要用于評定碳素鋼和低合金鋼角焊縫的熱裂紋敏感性，也可用于測定焊條以及焊接參數(shù)對熱裂紋敏感性的影響。

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

（3）剛性對接裂紋試驗(yàn)方法，這種方法主要用于測定焊縫區(qū)熱裂紋和冷裂紋，也可測定熱影響區(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，檢查有無裂紋，一般以裂與不裂為評定標(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，容易產(chǎn)生冷裂紋。多層焊焊接第一層焊縫時，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，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0.20％，合金元素總量一般不超過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)力熱處理過程或長期處于高溫運(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，焊后冷卻時來不及析出，而在PWHT時呈彌散析出，從而強(qiáng)化了晶內(nèi)，使應(yīng)力松弛時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應(yīng)注意避開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)，鋼材會產(chǎn)生塑性變形，如果該區(qū)再經(jīng)200～450℃的熱作用就會引起應(yīng)變時效。應(yīng)變時效脆化會使鋼材塑性降低，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，線能量過小，HAZ會出現(xiàn)馬氏體引起裂紋；線能量過大，WM和HAZ的晶粒粗大會造成接頭脆化。低碳調(diào)質(zhì)鋼與熱軋、正火鋼相比，對線能量過大而引起的HAZ脆化傾向更嚴(yán)重。所以焊接時，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發(fā)生相變，對氫脆不敏感，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)嵝圆睿€脹系數(shù)大，焊接應(yīng)力和變形較大。在焊接時應(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，焊縫接頭相互錯開。減小熱輸入，不應(yīng)過分增大焊接速度，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，仍需注意。對無NI或低NI雙相不銹鋼焊接時，在熱影響區(qū)有單相鐵素體及晶粒粗化傾向，這時應(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。