[科普中國]-焊接性

焊接性是指材料在規(guī)定的施焊條件下，焊接成設(shè)計(jì)要求所規(guī)定的構(gòu)件并滿足預(yù)定服役要求的能力。焊接性好的金屬，焊接接頭不易產(chǎn)生裂紋、氣孔和夾渣缺陷，而且有較高的力學(xué)性能。

簡述焊接性是指金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性。主要指在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度；或材料在限定的施工條件下，焊接成按規(guī)定設(shè)計(jì)要求的構(gòu)件，并滿足預(yù)先服役要求的能力。焊接性受材料，焊接方法，構(gòu)件類型及使用要求四個(gè)因素的影響。焊接性主要包括：使用焊接性、工藝焊接性、冶金焊接性和熱焊接性。通常，把材料在焊接時(shí)形成裂紋的傾向及焊接接頭處性能變壞的傾向，作為評價(jià)材料焊接性能的主要指標(biāo)。焊接性的好壞與材料的化學(xué)成分及采用的工藝有關(guān)。在常用鋼材的焊接中，對焊接性影響最大的是碳，故常把鋼中碳含量的多少作為判別鋼材焊接性的主要標(biāo)志，含碳量越高，其焊接性越差。一般來說，低碳鋼的焊接性能優(yōu)良，高碳鋼的焊接性能較差；鑄鐵的焊接性能更差。合金元素對焊接性能也將產(chǎn)生一定的影響，所以合金鋼的焊接性比非合金鋼差。收縮率小的金屬焊接性比較好。焊接性好的金屬，焊接接頭不易產(chǎn)生裂紋、氣孔和夾渣缺陷，而且有較高的力學(xué)性能。1

分析焊接性的目的，在于了解一定的材料在指定的焊接工藝條件下可能出現(xiàn)的問題，以確定焊接工藝的合理性或材料的改進(jìn)方向。因此，必須對焊接過程中的材料（母材、焊材）和焊接接頭區(qū)（焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū))的成分、組織和性能，包括工藝參數(shù)的影響和焊后接頭區(qū)的使用性能等，進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

類型焊接性主要包括：使用焊接性、工藝焊接性、冶金焊接性和熱焊接性。

(1)工藝焊接性和使用焊接性

焊接性包括兩個(gè)含義：一是接合性能，就是一定的材料在給定的焊接工藝條件下對形成焊接缺陷的敏感性；二是使用性能，指一定的材料在規(guī)定的焊接工藝條件下所形成的焊接接頭適應(yīng)使用要求的能力。前者稱為工藝焊接性，涉及焊接制造工藝過程中的焊接缺陷問題，如裂紋、氣孔、夾雜、斷裂等；后者稱為使用焊接性，涉及焊接接頭的使用可靠性問題。

焊接過程是一個(gè)獨(dú)特的“小冶金”過程，在熔化焊的條件下，焊縫和熱影響區(qū)經(jīng)歷了復(fù)雜但有規(guī)律的焊接熱循環(huán)。從理論上分析，任何金屬或合金，只要在熔化后能夠互相形成固溶體或共晶，都可以經(jīng)過熔焊形成接頭。同種金屬或合金之間可以形成焊接接頭，一些異種金屬或合金之間也可以形成焊接接頭，但有時(shí)需要通過加中間過渡層的方式實(shí)現(xiàn)連接。上述幾種情況都可以看作是“具有一定焊接性”，差別在于有的工藝簡單，有的工藝復(fù)雜；有的接頭質(zhì)量高、性能好，有的接頭質(zhì)量低、性能差。所以，焊接工藝簡單而接頭質(zhì)量高、性能好的，就稱為焊接性好；反之，就稱為焊接性差。因此，必須聯(lián)系工藝條件和使用性能來分析焊接性問題，由此提出了“工藝焊接性”和“使用焊接性”的概念。

總之，工藝焊接性是指金屬或材料在一定的焊接工藝條件下，能否獲得優(yōu)質(zhì)致密、無缺陷和具有一定使用性能的焊接接頭的能力。使用焊接性是指焊接接頭或整體焊接結(jié)構(gòu)滿足技術(shù)條件所規(guī)定的各種性能的程度，包括常規(guī)的力學(xué)性能（強(qiáng)度、塑性、韌性等）或特定工作條件下的使用性能，如低溫韌性、斷裂韌性、高溫蠕變強(qiáng)度、持久強(qiáng)度、疲勞性能以及耐蝕性、耐磨性等。

(2)冶金焊接性和熱焊接性

對于熔焊來說，焊接過程一般包括冶金過程和熱過程這兩個(gè)必不可少的過程。在焊接接頭區(qū)域，冶金過程主要影響焊縫金屬的組織和性能，而熱過程主要影響熱影響區(qū)的組織和性能。由此提出了冶金焊接性和熱焊接性的概念。

①冶金焊接性

冶金焊接性是指熔焊高溫下的熔池金屬與氣相、熔渣等相之間發(fā)生化學(xué)冶金反應(yīng)所引起的焊接性變化。這些冶金過程包括：合金元素的氧化、還原、蒸發(fā)，從而影響焊縫的化學(xué)成分和組織性能；氧、氫、氮等的溶解、析出對生成氣孔或?qū)缚p性能的影響；在焊縫結(jié)晶及冷卻過程中，由于焊接熔池的化學(xué)成分、凝固結(jié)晶條件以及接頭區(qū)熱脹冷縮和拘束應(yīng)力等影響，有時(shí)產(chǎn)生熱裂紋或冷裂紋。

除材料本身化學(xué)成分和組織性能的影響之外，焊接材料、焊接方法、工藝參數(shù)、保護(hù)氣體等對冶金焊接性有重要的影響。除了在研制新材料時(shí)可以改善冶金焊接性之外，還可以通過選擇新焊接材料、新焊接工藝等途徑來改善冶金焊接性。

②熱焊接性

焊接加熱過程中要向接頭區(qū)域輸入很多熱量，對焊縫附近區(qū)域形成加熱和冷卻過程，這對靠近焊縫的熱影響區(qū)的組織性能有很大影響，從而引起熱影響區(qū)硬度、強(qiáng)度、韌性、耐蝕性等的變化。

與焊縫金屬不同，焊接時(shí)熱影響區(qū)的化學(xué)成分一般不會(huì)發(fā)生明顯的變化，而且不能通過改變焊接材料來進(jìn)行調(diào)整，即使有些元素可以由熔池向熔合區(qū)或熱影響區(qū)粗晶區(qū)擴(kuò)散，那也是很有限的。因此，母材本身的化學(xué)成分和物理性能對熱焊接性具有十分重要的意義。工業(yè)上大量應(yīng)用的金屬或合金，對焊接熱過程有反應(yīng)，會(huì)發(fā)生組織和性能的變化。即使是一些不發(fā)生相變的純鋁、純鎳、純鉬等，經(jīng)過焊接熱過程的影響，也會(huì)由于晶粒長大或形變硬化消失而使其性能發(fā)生較大變化。

為了改善熱焊接性，除了選擇母材之外，還要正確選定焊接方法和熱輸入（如工藝參數(shù)）。例如，在需要減少焊接熱輸入時(shí)，可以選用能量密度大、加熱時(shí)間短的電子束焊、等離子弧焊等方法，并采用熱輸入小的焊接參數(shù)以改善熱焊接性。此外，焊前預(yù)熱、緩冷、水冷、加冷卻墊板、焊后熱處理等工藝措施也都可以影響熱焊接性。2

影響因素影響金屬焊接性的因素很多，大體可以歸納為材料、工藝條件、構(gòu)件類型及使用要求等四個(gè)方面。

材料因素材料包括母材和焊接材料。與母材有關(guān)的影響因素有母材的化學(xué)成分，冶煉軋制狀態(tài)、熱處理狀態(tài)、組織狀態(tài)和力學(xué)性能等，其中尤以化學(xué)成分影響最大。

化學(xué)成分是鋼材焊接性的主要影響因素。如果鋼材只是依靠合金元素實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化，焊接過程中就容易使焊縫金屬及熱影響區(qū)與母材有良好的匹配性能。如果鋼材為較復(fù)雜的合金系，并通過熱處理、變形加工等方式實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化，則不易獲得與母材完全匹配的焊縫金屬或接頭。各種合金元素對焊接性的影響也各不相同，對鋼來說，對焊接性影響較大的元素有碳、硫、磷、氫、氧、氮等。合金元素中錳、硅、鎳、鉬、鈦、釩、鈮、銅、硼等都在不同程度上有可能增加焊接接頭的淬硬傾向和裂紋敏感性。一般而言，鋼材的焊接性將隨著含碳量和合金元素含量的增加而惡化。

鋼的冶煉方法、軋制工藝及熱處理狀態(tài)等，對焊接性也都有不同程度的影響。例如，近年來研發(fā)的各種CF鋼（抗裂鋼）、TMCP鋼（控軋鋼）等，就是通過精煉提純、控制軋制工藝等手段，以使其焊接性有重大改善。

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、組織和缺欠的形成。如果選擇的焊接材料與母材匹配不當(dāng)，不僅不能獲得滿足使用要求的接頭，還會(huì)引起裂紋等缺欠的產(chǎn)生和脆化等力學(xué)性能的變化，所以正確選用焊接材料是保證獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的重要冶金條件。

工藝條件因素工藝條件因素包括焊接方法、焊接參數(shù)、預(yù)熱、后熱及焊后熱處理等。它們對焊接性的影響，首先在于諸如其焊接熱源的特點(diǎn)，功率密度、功率大小等，它們直接決定接頭的溫度場和熱循環(huán)的各種參數(shù)，例如熱輸入的大小、高溫停留時(shí)間、相變區(qū)的冷卻速度，從而對焊縫及熱影響區(qū)范圍的大小、組織性能和產(chǎn)生缺欠的敏感性等有明顯的影響。其次是諸工藝方面的因素決定了熔池和近縫區(qū)的保護(hù)方式及冶金條件，例如熔渣保護(hù)、渣、氣聯(lián)合保護(hù)等都會(huì)影響冶金過程；采用焊前預(yù)熱和焊后緩冷可降低接頭的冷卻速度，有利于降低接頭的淬硬傾向和裂紋敏感性；選擇合理的焊接順序可以改善結(jié)構(gòu)的拘束程度和應(yīng)力狀態(tài)。此外，焊材的烘干、焊前的清理工作等均有影響，切不可忽視。

構(gòu)件因素構(gòu)件因素主要有焊接結(jié)構(gòu)和焊接接頭的設(shè)計(jì)形式。它們影響接頭的剛度、應(yīng)力狀態(tài)等，這些因素影響接頭的力學(xué)性能及產(chǎn)生缺欠的傾向，所設(shè)計(jì)的焊接結(jié)構(gòu)剛度過大、接頭處斷面的突然變化、接頭的缺口效應(yīng)和過大的焊縫體積等，都會(huì)不同程度地造成應(yīng)力集中，不利于使用。若某些部位的焊縫過于集中或存在多向應(yīng)力，則影響承載能力，也會(huì)影響工藝焊接性。

使用要求因素這是指焊接結(jié)構(gòu)的工作溫度、負(fù)載條件（載荷種類、作用方式及速度等）和工作介質(zhì)等。一般來說，環(huán)境溫度越低，焊接結(jié)構(gòu)就越易發(fā)生脆性破壞，構(gòu)件使用性能要求越高，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。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

宋春霖 - 副教授 - 江南大學(xué)