金属材料焊接性详解：工艺焊接性与使用焊接性的关键因素及其影响

金属材料的焊接性能讲解

金属材料的焊接性指的是在采用特定的焊接工艺，诸如焊接方法、焊接材料、焊接规范以及焊接结构形式等条件下，能够获得优良焊接接头的能力。若一种金属能够通过较多普通且简便的焊接工艺获得优良的焊接接头，那么就认为这种金属具备良好的焊接性能。金属材料的焊接性通常可分为工艺焊接性和使用焊接性这两个方面。

工艺焊接性指在特定焊接工艺条件下，具备获得优良且无缺陷焊接接头的能力。这种能力并非金属所固有的性质，而是要依据某种焊接方法以及所采用的具体工艺措施来进行评定。因此，金属材料的工艺焊接性与焊接过程有着紧密的关联。

使用焊接性指的是焊接接头或者整个结构能够满足产品技术条件所规定的使用性能的程度。而使用性能是由焊接结构的工作条件以及设计上提出的技术要求所决定的。通常来说，它包含力学性能、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。常用的 S30403 不锈钢和 S31603 不锈钢具有优良的耐蚀性能。16MnDR 是一种专门为低温压力容器和管道等工程领域设计的低合金结构钢，执行标准为 GB 3531，其中“D”表示低温，“R”表示压力容器，它能耐-40℃低温冲击。09MnNiDR 中“D”表示低温，“R”表示压力容器，能耐-70℃低温冲击，低温钢也具备良好的抗低温韧性性能。

一、金属材料焊接性能的影响因素

材料因素

材料包含母材与焊接材料。在相同的焊接条件之下，决定母材焊接性的主要因素是它自身的物理性能以及化学成分。

母材在物理性能方面：像金属的熔点、热导率、线膨胀系数以及密度等这些因素，都会对热循环、熔化、结晶、相变等过程造成影响，进而影响焊接性。对于热导率低的不锈钢等材料而言，在焊接时会出现温度梯度大的情况，残余应力较高，变形也较大，并且由于高温停留时间较长，热影响区的晶粒会长大，这对接头性能是不利的。奥氏体不锈钢的线膨胀系数较大，其接头的变形和应力情况较为严重。

母材的化学成分方面：碳元素的影响最大。这意味着金属含碳量的多少对其可焊性起着决定性作用。钢中的其他合金元素大多不利于焊接，不过它们的影响程度通常比碳要小很多。当钢中含碳量增加时，淬硬倾向会增大，而塑性会下降，容易引发焊接裂纹。通常，把金属材料在焊接时产生裂纹的敏感性当作评价材料可焊性的主要指标之一，同时也把焊接接头区力学性能的变化当作评价材料可焊性的主要指标之一。所以含碳量越高，可焊性就越差。含碳量小于 0.25%的低碳钢和低合金钢，其塑性优良，冲击韧性也优良，焊后的焊接接头的塑性和冲击韧性也很好。在焊接时，不需要进行预热和焊后热处理，焊接过程容易被控制，因此这类材料具有良好的焊接性。

所以，正确选用焊接材料是保证获得优质焊接接头的重要因素。

工艺因素

工艺因素包含焊接方法、焊接工艺参数、焊接顺序、预热、后热以及焊后热处理等。其中，焊接方法对焊接性有着很大的影响，这种影响主要体现在热源特性和保护条件这两个方面。

不同的焊接方法，其热源在功率方面有很大差别，在能量密度方面有很大差别，在最高加热温度方面有很大差别。金属在不同热源下进行焊接，就会显示出不同的焊接性能。例如，电渣焊的功率很大，然而能量密度却很低，最高加热温度也不高。在焊接时，它加热缓慢，高温停留时间较长，这就导致热影响区晶粒粗大，冲击韧性显著降低，必须经过正火处理才能够改善。电子束焊、激光焊等方法与之相反，它们的功率不大，然而能量密度却很高，能够迅速加热。并且高温停留的时间较短，热影响区很窄，不存在晶粒长大的危险。

调整焊接工艺参数，同时采取预热、后热、多层焊以及控制层间温度等其他工艺措施，这样就能调节和控制焊接热循环，进而可以改变金属的焊接性。例如，若采取焊前预热或者焊后热处理等措施，那么就完全有可能获得没有裂纹缺陷且满足使用性能要求的焊接接头。

结构因素

主要指焊接结构和焊接接头的设计形式方面，比如结构形状、尺寸、厚度、接头坡口形式、焊缝布置以及截面形状等因素，会对焊接性产生影响。其影响主要体现在热的传递以及力的状态上。不同的板厚、不同的接头形式或者坡口形状，它们的传热速度方向和传热速度各不相同，进而对熔池结晶方向和晶粒成长产生影响。结构的板厚以及焊缝的布置，能够决定接头的刚度和拘束度，并且会对接头的应力状态产生影响。不良的结晶形态，还有严重的应力集中以及过大的焊接应力等，这些都是形成焊接裂纹的基本条件。在设计中，减少接头的刚度，减少交叉焊缝，减少那些会造成应力集中的各种因素，这些都是改善焊接性的重要举措。

使用条件

指的是焊接结构在服役期间所处的工作温度、负载条件以及工作介质等方面。这些工作环境与运行条件使得焊接结构需要具备相应的使用性能。例如，在低温环境下工作的焊接结构，一定要具备抗脆性断裂的性能；在高温环境下工作的结构，要拥有抗蠕变的性能；在交变载荷作用下工作的结构，需要具有良好的抗疲劳性能；在酸、碱或盐类介质中工作的焊接容器，应当具有较高的耐蚀性能等。总之，使用条件越苛刻，对焊接接头的质量要求就越高。

二、金属材料的焊接性的鉴别评定指标

产品制作之前，第一步要评定所使用材料的焊接性。这样做是为了判断所选用的结构材料、焊接材料以及焊接方法是否合适。评定材料焊接性一般是按照实际施焊的条件来进行试验。试验的内容主要包括检测母材以及焊缝金属的化学成分、金相组织、机械性能，还要查看是否存在焊接缺陷，同时要测定焊接接头的低温性能、高温性能、抗腐蚀性能以及抗裂纹能力等。

通常金属材料焊接性的估算检测方法如下：

1. 碳当量

碳钢及低合金结构钢的碳当量计算公式：

Ceq 等于 C 加上 Mn 除以 6 ，再加上 (Cr 加上 V 加上 Mo) 除以 5 ，最后加上 (Cu 加上 Ni) 除以 15 。

Ceq

当 Ceq 处于 0.4％到 0.6％这个范围时，钢材的塑性会下降。同时，淬硬倾向会逐渐增加，其焊接性也比较差。在进行焊接之前，工件需要适当进行预热。并且在焊接完成之后，要注意让其缓慢冷却，这样才能防止出现裂纹。

当 Ceq 大于 0.6％时，钢材的塑性会变差。其淬硬倾向较大，冷裂倾向也大，焊接性变得更差。对于这类工件，必须将其预热到较高的温度，并且要采取能够减少焊接应力以及防止开裂的技术措施，在焊接完成后还需要进行适当的热处理。

典型材料碳当量

2. 裂纹试验法

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

刚性对接裂纹试验方法：此方法主要用以测定焊缝区的热裂纹与冷裂纹，同时也能测定热影响区的冷裂纹。先将试件四周用定位焊缝焊牢在刚度极大的底板上，接着在试验时按照实际施工的焊接参数来施焊试验焊缝，试件焊完后在室温下放置 24 小时，先对焊缝表面进行检查，之后再切掉试样磨片，以此检查是否存在裂纹，通常以裂纹率作为评定标准。

三、常用金属材料的焊接特点

碳钢的焊接

低碳钢含碳量较低，锰和硅的含量也较少。在通常的情况下，它不会因为焊接而导致严重的组织硬化或者出现淬火组织。这种钢的塑性非常优良，冲击韧性也很好。其焊接接头的塑性和韧性同样极其良好。在焊接时，一般不需要进行预热和后热，也不需要采取特殊的工艺措施，就能够获得让人们满意质量的焊接接头。所以，低碳钢具有优良的焊接性能，是所有钢材中焊接性能最为出色的钢种。

中碳钢含碳量比较高。它的焊接性与低碳钢相比要差一些。当 Ceq 接近下限（0.25%）的时候，焊接性是良好的。随着含碳量的不断增加，其淬硬倾向也会随之增大。在热影响区，容易生成低塑性的马氏体组织。如果焊件的刚性比较大，或者焊接材料、工艺参数选择不当，就容易产生冷裂纹。多层焊焊接第一层焊缝时，母材熔合到焊缝中的比例较大。这使得焊缝的含碳量增高，硫、磷含量也增高。所以容易产生热裂纹。此外，当碳含量高时，气孔的敏感性会增大。

高碳钢，其 Ceq 大于 0.6%。这类高碳钢淬硬性高，容易生成硬且脆的高碳马氏体。在焊缝以及热影响区中，容易出现裂纹，难以进行焊接操作。因此，一般不会用这类钢来制造焊接结构，而是用于制造具有高硬度或者耐磨性能的部件或零件，对于它们的焊接，多数情况下是对破损件进行焊补修理。

低合金高强度钢的焊接

其焊接特点体现在：

低合金高强钢含有能使钢材强化的 C、Mn、V、Nb 等元素，焊接时容易淬硬，这些硬化组织很敏感。在刚性较大或拘束应力高的情况下，若焊接工艺不当，就很容易产生冷裂纹。并且这类裂纹具有一定的延迟性，其危害极大。

- 这使得应力松弛时的蠕变变形集中于晶界。

焊接接头在焊接前需经受各种冷加工，如下料剪切、筒体卷圆等，钢材会产生塑性变形。若该区再经 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，并且会提高脆性转变温度，进而导致设备脆断。而焊后热处理可消除焊接结构这类应变时效，使韧性得以恢复。

焊接是一个不均匀的加热和冷却过程，由此会形成不均匀组织。焊缝（WM）的脆性转变温度比母材高，热影响区（HAZ）的脆性转变温度也比母材高，所以焊缝和热影响区是接头中的薄弱环节。焊接线能量对低合金高强钢的 WM 和 HAZ 性能有着重要的影响。低合金高强钢容易淬硬，当线能量过小时，HAZ 会出现马氏体，从而引发裂纹；而当线能量过大时，WM 和 HAZ 的晶粒会变粗大，这会导致接头脆化。与热轧、正火钢相比，低碳调质钢对线能量过大所引起的 HAZ 脆化倾向更为严重。因此，在进行焊接时，应当将线能量限制在一定的范围内。

不锈钢的焊接

不锈钢依据其钢的组织情况可划分成四类，分别是奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢以及奥氏体 - 铁素体双相不锈钢。接下来主要对奥氏体不锈钢和双向不锈钢的焊接特点展开分析。

奥氏体不锈钢相较于其他不锈钢更易于焊接。在任何温度下都不会有相变产生，对氢脆也不敏感，并且在焊态下，奥氏体不锈钢接头具备较好的塑性和韧性。焊接时主要存在的问题有：焊接热裂纹、脆化、晶间腐蚀以及应力腐蚀等。另外，由于其导热性差，线胀系数大，所以焊接应力和变形也比较大。焊接时应尽量选用较小的焊接热输入。不应进行预热。要降低层间温度，使层间温度控制在 150℃以下。焊缝接头需相互错开。减小热输入时，不应过度增大焊接速度，而应适当降低焊接电流。

奥氏体-铁素体双向不锈钢由奥氏体和铁素体两相构成双相不锈钢。它拥有奥氏体钢的优点，也拥有铁素体钢的优点，所以强度高、耐腐蚀性好且易于焊接。这类钢焊接有主要特点：与奥氏体不锈钢相比，热倾向较低；与纯铁素体不锈钢相比，焊后脆化倾向较低，并且焊接热影响区铁素体粗化程度也低，所以焊接性较好。

这类钢的焊接性能良好，所以在焊接时可以不进行预热和后热。对于薄板，适合使用 TIG 焊。对于中厚板，则可以使用焊条电弧焊，并且在使用焊条电弧焊时，宜选用成分与母材相近的专用焊条或者含碳量低的奥氏体焊条。

双相钢中存在较大比例的铁素体。铁素体钢具有固有的脆化倾向。这种脆化倾向只因有奥氏体的平衡作用才获得一定缓解。在焊接时，仍需加以注意。焊接无 Ni 或低 Ni 双相不锈钢时，热影响区会出现单相铁素体且有晶粒粗化的倾向。此时要注意控制焊接热输入，尽量采用小电流、高焊速、窄道焊以及多道焊的方式。这样能防止热影响区晶粒粗化和单相铁素体化。层间温度不宜过高，最好先冷却后再焊接下一道。