金屬材料的焊接性能

 金屬材料的焊接性能概念

 金屬材料的焊接性是指金屬材料在采用一定的焊接工藝包括焊接方法、焊接材料、焊接規范及焊接結構形式等條件下，獲得優良焊接接頭的能力。 一種金屬，如果能用較多普通又簡便的焊接工藝獲得優良的焊接接頭，則認為這種金屬具有良好的焊接性能金屬材料焊接性一般分為工藝焊接性和使用焊接性 兩個方面。 工藝焊接性：是指在一定焊接工藝條件下，獲得優良，無缺陷焊接接頭的能力。它不是金屬固有的性質，而是根據某種焊接方法和所采用的具體工藝措施來進行的評定。所以金屬材料的工藝焊接性與焊接過程密切相關。

 使用焊接性：是指焊接接頭或整個結構滿足產品技術條件規定的使用性能的程度。使用性能取決于焊接結構的工作條件和設計上提出的技術要求。通常包括力學性能、抗低溫韌性、抗脆斷性能、高溫蠕變、疲勞性能、持久強度、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 1 材料因素 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組成。 

物理性能方面：如金屬的熔點、熱導率、線膨脹系數、密度、熱容量等因素，都對熱循環、熔化、結晶、相變等過程產生影響，從而影響焊接性。不銹鋼等熱導率低的材料，焊接時溫度梯度大，殘余應力高，變形大，。而且由于高溫停留時間長，熱影響區晶粒長大，對接頭性能不利。

奧氏體不銹鋼線膨脹系數大、接頭的變形和應力較為嚴重。 化學組成方面，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，容易產生焊接裂紋。通常，把金屬材料在焊接時產生裂紋的敏感性及焊接接頭區力學性能的變化作為評價材料可焊性的主要指標。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、熱處理狀態、組織狀態等，在不同程度上都對焊接性發生影響。通過精煉提純或細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冶金反應，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，與母材不匹配，不僅不能獲得滿足使用要求的接頭，還會引進裂紋等缺陷的產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質焊接接頭的重要因素。 

 2 工藝因素 工藝因素包括焊接方法、焊接工藝參數、焊接順序、預熱、后熱及焊后熱處理等。焊接方法對焊接性影響很大，主要表現在熱源特性和保護條件兩個方面。 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，使得熱影響區晶粒粗大，沖擊韌性顯著降低，必須經正火處理才能改善。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，熱影響區很窄，沒有晶粒長大的危險。 調整焊接工藝參數，采取預熱、后熱、多層焊和控制層間溫度等其它工藝措施，可以調節和控制焊接熱循環，從而可改變金屬的焊接性。如采取焊前預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。

 3 結構因素 主要是指焊接結構和焊接接頭的設計形式，如結構形狀、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。其影響主要表現在熱的傳遞和力的狀態方面。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，從而對熔池結晶方向和晶粒成長發生影響。結構的開關、板厚和焊縫的布置等，決定接頭的剛度和拘束度，對接頭的應力狀態產生影響。不良的結晶形態，嚴重的應力集中和過大的焊接應力等是形成焊接裂紋的基本條件。設計中減少接頭的剛度、減少交叉焊縫，減少造成應力集中的各種因素，都是改善焊接性的重要措施。 

4 使用條件 是指焊接結構服役期間的工作溫度、負載條件和工作介質等。這些工作環境和運行條件要求焊接結構具有相應的使用性能。如在低溫工作的焊接結構，必須具備抗脆性斷裂性能；在高溫工作的結構要具有抗蠕變性能；在交變載荷下工作的結構具有良好的抗疲勞；在酸、堿或鹽類介質工作的焊接容器應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 焊接過程中，產品經過焊接熱過程、冶金反應，以及焊接應力和變形的作用，因而帶來化學成分、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，以便獲得優質接頭。 材料制成優良焊接接頭所需的設備條件越少、難度越小，則此材料的焊接性越好； 反之，需要復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。 制造產品時，必須首先評定所用材料的焊接性，以判斷所選用的結構材料、焊接材料和焊接方法等是否適當。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，因此需要進行試驗后才能全面確定焊接性。試驗方法可分為模擬型和實驗型。前者模擬焊接加熱和冷卻特點；后者則按實際施焊條件進行試驗。試驗內容主要是檢測母材和焊縫金屬的化學成分、金相組織、機械性能、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 

 1 工藝焊接性的間接評定方法 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，所以用碳當量來評定焊接性的優良。 碳鋼及低合金結構鋼的碳當量計算公式： CE 在一般的焊接技術條件下，焊接接頭不會產生裂紋，但對厚大件或在低溫下焊接，應考慮預熱； CE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。焊前工件需適當預熱，焊后注意緩冷，才能防止裂紋； CE >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。工件必須預熱到較高的溫度，要采取減少焊接應力和防止開裂的技術措施，焊后還要進行適當的熱處理。 計算結果得到的碳當量數值越大，則被焊鋼材的淬硬傾向越大，熱影響區容易產生冷裂紋，所以當CE >0.5%時，鋼材容易淬硬，焊接時必須預熱才能防止裂紋，隨板厚和CE的增高加，預熱溫度也應相應增高。

 2 工藝焊接性的直接評定方法 

 焊接裂紋試驗方法，在焊接接頭中產生的裂紋可以分為，熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋、應力腐蝕、層狀撕裂等。 

 （1）T形接頭焊接裂紋試驗法，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對熱裂紋敏感性的影響。 （2）壓板對接焊接裂紋試驗法，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試驗裝置內，調整坡口間隙大小對產生裂紋的影響很大，隨著間隙的增加，裂紋敏感性越大。 

 （3）剛性對接裂紋試驗方法，這種方法主要用于測定焊縫區熱裂紋和冷裂紋，也可測定熱影響區的冷裂紋，試件四周先用定位焊縫焊牢在剛度很大的底板上，試驗時按實際施工焊接參數施焊試驗焊縫，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準，每種條件焊兩塊試件。 

 常用金屬材料的焊接特點 

 1 碳鋼的焊接 

 （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重組織硬化或出現淬火組織。這種鋼的塑性和沖擊韌性優良，其焊接接頭的塑性、韌性也極其良好。焊接時一般不需預熱和后熱，不需采取特殊的工藝措施，即可獲得質量滿意的焊接接頭，故低碳鋼鋼具有優良的焊接性能，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CE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，在熱影響區容易產生低塑性的馬氏體組織。當焊件剛性較大或焊接材料、工藝參數選擇不當時，容易產生冷裂紋。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 CE大于0.6%的高碳鋼淬硬性高、很容易產生硬又脆的高碳馬氏體。在焊縫和熱影響區中容易產生裂紋，難以焊接。故一般都不用這類鋼制造焊接結構，而用于制造高硬度或耐磨的部件或零件，對它們的焊接多數是破損件的焊補修理。焊補這些零、部件之前應先行退火，以減少焊接裂紋，焊后再重新進行熱處理。 2 低合金高強度鋼的焊接 低合金高強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，其焊接特點表現在： （1）焊接接頭的焊接裂紋 冷裂紋 低合金高強鋼由于含使鋼材強化的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力高的情況下，若焊接工藝不當，很容易產生冷裂紋。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力熱處理過程或長期處于高溫運行中發生在靠近熔合線粗晶區的沿晶開裂。一般認為，其產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，從而強化了晶內，使應力松弛時的蠕變變形集中于晶界。 低合金高強鋼焊接接頭一般不易產生再熱裂紋，如16MnR、15MnVR等。但對于Mn-Mo-Nb和Mn-Mo-V系低合金高強鋼，如07MnCrMoVR，由于Nb、V、Mo是促使再熱裂紋敏感性較強的元素，因此這一類鋼在焊后熱處理時應注意避開再熱裂紋的敏感溫度區，防止再熱裂紋的發生。 （2）焊接接頭的脆化和軟化 應變時效脆化 焊接接頭在焊接前需經受各種冷加工(下料剪切、筒體卷圓等)，鋼材會產生塑性變形，如果該區再經200～450℃的熱作用就會引起應變時效。應變時效脆化會使鋼材塑性降低，脆性轉變溫度提高，從而導致設備脆斷。焊后熱處理可消除焊接結構這類應變時效，使韌性恢復。 焊縫和熱影響區脆化 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(HAZ)的脆性轉變溫度比母材高，是接頭中的薄弱環節。焊接線能量對低合金高強鋼WM和HAZ性能有重要影響，低合金高強鋼易淬硬，線能量過小，HAZ會出現馬氏體引起裂紋；線能量過大，WM和HAZ的晶粒粗大會造成接頭脆化。低碳調質鋼與熱軋、正火鋼相比，對線能量過大而引起的HAZ脆化傾向更嚴重。所以焊接時，應將線能量限制在一定范圍。 焊接接頭的熱影響區軟化 由于焊接熱作用，低碳調質鋼的熱影響區(HAZ)外側加熱到回火溫度以上特別是Ac1附近的區域，會產生強度下降的軟化帶。HAZ區的組織軟化隨著焊接線能量的增加和預熱溫度的提高而加重，但一般其軟化區的抗拉強度仍高于母材標準值的下限要求，所以這類鋼的熱影響區軟化問題只要工藝得當，不致影響其接頭的使用性能。 3 不銹鋼的焊接 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。 （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生相變，對氫脆不敏感，在焊態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、晶間腐蝕和應力腐蝕等。此外，因導熱性差，線脹系數大，焊接應力和變形較大。在焊接時應盡量采用小的焊接熱輸入，而且不應預熱，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，不應過分增大焊接速度，而應適應降低焊接電流。 （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。它兼備了奧氏體鋼和鐵素體鋼的優點，故具有強度高、耐腐蝕性好和易于焊接的特點。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，在熱影響區有單相鐵素體及晶粒粗化傾向，這時應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。