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(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(mǎn)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(xiàn)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(xiàn)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?xún)?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(mǎn)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(mǎn)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(lèi)介質(zhì)工作的焊接容器應(yīng)具有高的耐蝕性能等等?？傊?，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(mǎn)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?xún)?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(mǎn)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(lèi)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(lèi)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(xiàn)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(lèi)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(lèi)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(xiàn)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(xiàn)能量過(guò)小，HAZ會(huì)出現(xiàn)馬氏體引起裂紋；線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(lèi)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(lèi)，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(xiàn)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(lèi)型的雙相不銹鋼。這類(lèi)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(lèi)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(zhuān)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。