金属材料焊接性能概念：工艺与使用焊接性解析

金属材料的焊接性能概念

金属材料的焊接性指的是在采用特定的焊接工艺，像焊接方法、焊接材料、焊接规范以及焊接结构形式等这些条件下，能够获得优良焊接接头的一种能力。如果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。它并非金属本身所固有的性质，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密切的关联。

使用焊接性指的是焊接接头或整个结构满足产品技术条件所规定的使用性能的程度。焊接结构的工作条件以及设计上提出的技术要求决定了使用性能。通常所包括的内容有力学性能、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 不锈钢具有优良的耐蚀性能，S31603 不锈钢也具有优良的耐蚀性能。16MnDR 低温钢具备良好的抗低温韧性性能，09MnNiDR 低温钢也具备良好的抗低温韧性性能。

金属材料焊接性能的影响因素

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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为其自身的物理性能以及化学组成。

物理性能方面：金属的熔点会对热循环等过程产生影响；热导率会对热循环等过程产生影响；线膨胀系数会对热循环等过程产生影响；密度会对热循环等过程产生影响；热容量会对热循环等过程产生影响。这些因素都对热循环、熔化、结晶、相变等过程产生影响，进而影响焊接性。不锈钢等热导率低的材料，在焊接时温度梯度大，残余应力高，变形大。并且因为高温停留时间长，热影响区晶粒会长大，这对接头性能不利。奥氏体不锈钢线膨胀系数大、接头的变形和应力较为严重。

从化学组成来看，其中影响最为显著的是碳元素。这意味着金属含碳量的高低会对其可焊性产生决定作用。钢里的其他合金元素大多也不利于焊接，然而它们的影响程度通常比碳要小很多。在钢中，含碳量一旦增加，淬硬的倾向就会增大，而塑性会下降，并且容易引发焊接裂纹。通常，把金属材料在焊接时产生裂纹的敏感性以及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。含碳量越高，其可焊性就越差。含碳量小于 0.25%的低碳钢和低合金钢，它们的塑性和冲击韧性都很优良，焊后的焊接接头的塑性和冲击韧性也很好。在焊接时，这类钢不需要预热和焊后热处理，焊接过程容易进行控制，所以具有良好的焊接性。

可以通过控轧工艺等手段来改善钢材的焊接性。

焊接材料会直接参与到焊接过程中的一系列化学冶金反应。它能够决定焊缝金属的成分、组织、性能以及缺陷的形成。倘若选择的焊接材料不恰当，与母材不匹配，那么不但无法获得满足使用要求的接头，还会引发裂纹等缺陷的产生以及组织性能的变化。所以，正确选用焊接材料是保证能够获得优质焊接接头的重要因素。

工艺因素

工艺因素涵盖焊接方法、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，会显示出不同的焊接性能。例如，电渣焊的功率很大，然而能量密度很低，最高加热温度也不高。在焊接时，加热较为缓慢，高温停留的时间较长，这会导致热影响区的晶粒粗大，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，高温停留时间较短，热影响区很窄，不存在晶粒长大的危险。

调整焊接工艺参数，采取预热等措施，能够调节焊接热循环；采取后热等措施，能够控制焊接热循环。通过这些工艺措施，可改变金属的焊接性。若采取焊前预热或焊后热处理等措施，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，像结构形状、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是不一样的，进而会对熔池结晶方向和晶粒成长产生影响。结构的开关、板厚以及焊缝的布置等方面，会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情况，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、所承受的负载条件以及所接触的工作介质等。这些工作环境和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，应该具有较高的耐蚀性能等等。总之，条件使用越苛刻，那么对焊接接头的质量要求就会越高，同时材料的焊接性也就越不容易得到保证。

金属材料的焊接性的鉴别评定指标

在焊接过程中，产品经历了焊接热过程，还经历了冶金反应，同时也受到了焊接应力和变形的作用。这些作用带来了化学成分的变化、金相组织的变化、尺寸的变化以及形状的变化。这些变化使得焊接接头的性能常常不同于母材，有时候甚至无法满足使用要求。对于很多活性金属或者难熔金属，适合采用特殊的焊接方法，像电子束焊或者激光焊，这样就能获得优质的接头。材料制成优良焊接接头所需的设备条件越少，难度越小，此材料的焊接性就越好；材料制成优良焊接接头所需的设备条件越复杂、越昂贵，需要特殊的焊接材料和工艺措施，就说明这种材料的焊接性不佳。

制造产品时，首先要评定所用材料的焊接性。这样做是为了判断所选用的结构材料、焊接材料和焊接方法等是否合适。评定材料焊接性的方法有很多种，每种方法都只能说明焊接性的某一个方面。所以，需要进行试验之后，才能全面确定焊接性。试验方法可以分为模拟型和实验型。模拟型会模拟焊接加热和冷却的特点；实验型则是按照实际施焊的条件进行试验。试验内容主要包括检测母材的化学成分、金相组织、机械性能以及是否存在焊接缺陷；还包括检测焊缝金属的化学成分、金相组织、机械性能以及是否存在焊接缺陷；同时要测定焊接接头的低温性能、高温性能、抗腐蚀性能和抗裂纹能力等。

金属材料焊接性的估算检测方法

工艺焊接性的间接评定方法

碳的影响最为明显，其他元素的影响能折合成碳的影响，因此用碳当量来评定焊接性的优良。

碳钢及低合金结构钢的碳当量计算公式：

当处于 CE％时，钢材的塑性较为良好，其淬硬倾向并不明显，焊接性也较好。在通常的焊接技术条件之下，焊接接头一般不会出现裂纹。然而，对于厚大件或者在低温环境下进行焊接时，就应当考虑进行预热。

当 CE 在 0.4 到 0.6％这个范围内时，钢材的塑性会出现下降的情况，淬硬的倾向也会逐渐地增加，其焊接性相对较差。在进行焊接之前，工件需要进行适当的预热处理，而在焊接完成之后，还需要注意让其缓慢冷却，只有这样才能够防止出现裂纹。

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

计算结果显示，碳当量数值越大，被焊钢材的淬硬倾向就越大，热影响区容易出现冷裂纹。因此，当 CE>0.5%时，钢材容易淬硬，焊接时必须进行预热，以防止裂纹产生。随着板厚的增加和 CE 的增高，预热温度也应相应提高。

工艺焊接性的直接评定方法

焊接裂纹试验方法，在焊接接头中产生的裂纹有以下几种：热裂纹；冷裂纹；再热裂纹；应力腐蚀；层状撕裂等。

T 形接头焊接裂纹试验法，此方法主要是用来评定碳素钢和低合金钢角焊缝的热裂纹敏感性的，同时也能够用于测定焊条以及焊接参数对热裂纹敏感性所产生的影响。

压板对接焊接裂纹试验法主要用于评定碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢焊条及焊缝的热裂纹敏感性。此方法是将试件安装在 FISCO 试验装置内，而调整坡口间隙的大小对产生裂纹影响很大，并且随着间隙的增加，裂纹敏感性也会越大。

刚性对接裂纹试验方法，主要用于测定焊缝区的热裂纹和冷裂纹，同时也可测定热影响区的冷裂纹。试件四周先用定位焊缝焊牢在刚度很大的底板上，试验时按照实际施工焊接参数来施焊试验焊缝，该方法主要用于焊条电弧焊。试件焊完后在室温下放置 24 小时，先检查焊缝表面，接着切去试样磨片，查看是否有裂纹，一般以裂与不裂作为评定标准，每种条件要焊接两块试件。

常用金属材料的焊接特点

碳钢的焊接

（1）低碳钢的焊接

低碳钢含碳量低，并且锰、硅含量少。在通常的情况下，它不会因为焊接而导致严重的组织硬化，也不会出现淬火组织。这种钢的塑性很好，冲击韧性也很优良，其焊接接头的塑性和韧性同样非常良好。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。

（2）中碳钢的焊接

中碳钢含碳量比较高。它的焊接性比低碳钢要差。如果 CE 接近下限（0.25%），那么焊接性就良好。随着含碳量的增加，其淬硬倾向会随之增大。在热影响区容易出现低塑性的马氏体组织。当焊件的刚性比较大，或者焊接材料、工艺参数选择不恰当的时候，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。因此，容易产生热裂纹。此外，当碳含量高时，气孔的敏感性会增大。

（3）高碳钢的焊接

高碳钢中 CE 大于 0.6%的，淬硬性高。这类钢很容易产生硬又脆的高碳马氏体。在焊缝和热影响区中容易出现裂纹，所以难以焊接。因此，一般不会用这类钢来制造焊接结构，而是用于制造高硬度或耐磨的部件或零件。对于这些部件的焊接，多数是对破损件进行焊补修理。在焊补这些零、部件之前，应该先行进行退火，这样可以减少焊接裂纹。焊完之后，还需要重新进行热处理。

低合金高强度钢的焊接

其焊接特点体现在：

（1）焊接接头的焊接裂纹

冷裂纹低合金高强钢含有 C、Mn、V、Nb 等使钢材强化的元素，焊接时容易淬硬，这些硬化组织较为敏感。所以，在刚性较大或拘束应力高的情形下，如果焊接工艺不合适，就很容易引发冷裂纹。并且这类裂纹具有一定的延迟性，其危害是极大的。

再热裂纹是焊接接头在焊后消除应力热处理过程中或长期处于高温运行时发生的。它发生在靠近熔合线的粗晶区，是沿晶开裂的一种情况。一般认为，产生这种裂纹的原因是焊接高温使得热影响区（HAZ）附近的 V、Nb、Cr、Mo 等碳化物固溶于奥氏体中，焊后冷却时这些碳化物来不及析出，而在焊后热处理（PWHT）时呈弥散析出，这样就强化了晶内，使得应力松弛时的蠕变变形集中于晶界。

低合金高强钢焊接接头通常不易出现再热裂纹，像 16MnR、15MnVR 等就是这样。然而对于 Mn-Mo-Nb 和 Mn-Mo-V 系的低合金高强钢，例如 07MnCrMoVR，因为 Nb、V、Mo 这些元素会促使再热裂纹的敏感性较强，所以这类钢在进行焊后热处理时，应当注意避开再热裂纹的敏感温度区，以防止再热裂纹的产生。

（2）焊接接头的脆化和软化

应变时效脆化焊接接头在焊接之前需经受各种冷加工，比如下料剪切、筒体卷圆等。钢材会因此产生塑性变形。如果该区域再经受 200～450℃的热作用，就会引发应变时效。应变时效脆化会使钢材的塑性降低，并且会提高脆性转变温度。这样就会导致设备发生脆断。焊后进行热处理可以消除焊接结构这类应变时效，使韧性得以恢复。

焊缝和热影响区脆化焊接是一个不均匀的加热和冷却过程，这个过程会形成不均匀组织。焊缝的脆性转变温度比母材高，热影响区的脆性转变温度也比母材高，它们都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 性能有着重要影响。低合金高强钢容易淬硬，若线能量过小，HAZ 就会出现马氏体，进而引发裂纹；倘若线能量过大，WM 和 HAZ 的晶粒就会粗大，从而导致接头脆化。与热轧、正火钢相比，低碳调质钢对线能量过大而引发的 HAZ 脆化倾向更为严重。因此，在焊接时，应当将线能量限制在一定的范围之内。

焊接接头的热影响区会出现软化现象。这是因为焊接热的作用，低碳调质钢的热影响区（HAZ）外侧，当加热到回火温度以上，特别是在 Ac1 附近的区域时，会形成强度下降的软化带。HAZ 区的组织软化会随着焊接线能量的增加而加重，也会随着预热温度的提高而加重。不过，一般情况下，其软化区的抗拉强度仍然会高于母材标准值的下限要求。所以，这类钢的热影响区软化问题，只要工艺操作得当，就不会影响其接头的使用性能。

不锈钢的焊接

不锈钢依据其钢的组织差异可分为四类，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。

（1）奥氏体不锈钢的焊接

奥氏体不锈钢容易焊接，比其他不锈钢更易焊接。在任何温度下都不会有相变发生，对氢脆也不敏感。在焊态下，奥氏体不锈钢接头具有较好的塑性和韧性。焊接的主要问题包含焊接热裂纹、脆化、晶间腐蚀和应力腐蚀等。并且，由于其导热性差，线胀系数大，所以焊接应力和变形较大。焊接时应尽量使用小的焊接热输入。不应进行预热。要降低层间温度，使层间温度控制在 60℃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。

（2）奥氏体-铁素体双向不锈钢的焊接

奥氏体 - 铁素体双向不锈钢由奥氏体和铁素体两相构成。它兼具奥氏体钢的优点以及铁素体钢的优点。所以它具有强度高的特点，也具有耐腐蚀性好的特点，还具有易于焊接的特点。目前主要有 CR18 这种类型的双相不锈钢，还有 CR21 这种类型的双相不锈钢，以及 CR25 这种类型的双相不锈钢。因为具备这些特点，所以这类钢的焊接性较好。

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。薄板适合采用 TIG 焊，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。对于 CR25 型双相钢，还可以选用镍基合金焊条。

双相钢中有较大比例的铁素体存在。铁素体钢具有固有的脆化倾向，像 475℃脆性、σ相析出脆化和晶粒粗大等情况依然存在。只是因为有奥氏体的平衡作用，这种脆化倾向才获得了一定的缓解。在焊接时，仍然需要加以注意。焊接无 NI 或低 NI 双相不锈钢时，热影响区会有单相铁素体且存在晶粒粗化倾向。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。

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