焊接性的概念

出处：按学科分类—工业技术 河南科学技术出版社《焊接技术手册》第506页（2663字）

金属焊接性，俗称可焊性，是指被焊金属材料在采用一定的焊接工艺方法、工艺材料、工艺参数及结构型式的条件下，获得优质焊接接头以及焊接接头在使用条件下能安全运行的一种评价尺度。显然，同一金属材料，采用不同的焊接条件，其焊接性也可能有很大差别。

金属焊接性涉及的因素比较多，为便于分析问题和解决问题，可概括为工艺焊接性、冶金焊接性与热焊接性。

1．影响工艺焊接性的因素

(1)材料因素：材料因素不仅指被焊金属本身，还包括所使用的焊接材料，如焊丝、焊条、焊剂、保护气体等。所有这些材料在焊接时都直接参与熔池或熔合区的物理化学反应，其中，母材本身的材质对热影响区的性能起着决定性的影响，而所采用的焊接材料对焊缝金属的成分和性能有着关键性的作用。如果焊接材料与母材匹配不当，不仅可能引起焊接区内的裂纹、气孔等各种缺陷，而且也可能引起脆化、软化或耐腐蚀等性能的变化。所以，为保证良好的焊接性，必须对材料因素予以充分重视。

(2)工艺因素：大量的实践证明，同一种母材，在采用不同的焊接方法和工艺措施的条件下，其工艺焊接性会表现出极大的差别。

焊接方法主要从两个方面对工艺焊接性产生影响：首先是焊接热源的特点，即功率密度、加热最高温度、功率大小等，它们可直接改变焊接热循环的各项参数，如线能量大小、高温停留时间、相变温度区间的冷却速度等，从而影响接头的组织和性能；其次是对熔池和接头附近区域的保护方式，如熔渣保护、气体保护、气－渣联合保护或是在真空中焊接等，这些保护条件会影响焊接冶金过程。

在各种工艺措施中，采用最多的是焊前预热和焊后热处理。这些措施分别对降低焊接残余应力，减缓冷却速度以防止热影响区淬硬脆化，避免焊缝热裂纹或氢致裂纹等都是比较有效的。此外，严格烘干焊条、焊剂，清洗焊丝及坡口，合理安排焊接顺序，控制焊前的冷作变形，保证坡口形状尺寸及装配间隙等工艺措施，也应充分重视。

(3)结构因素：焊接接头的结构设计影响其受力状态，焊接接头处的刚度、应力集中和多轴应力等方面的因素既可能影响焊接时是否发生缺陷，又可能影响焊接后接头的强度、韧性等承载能力。因此，设计焊接结构时，应尽量使接头处于拘束度较小、能够较为自由伸缩的状态，有利于防止焊接裂纹的产生。存在缺口、截面突变、堆高过大、焊缝交叉等都应尽量避免，否则会造成应力集中，不利于使用性能。母材厚度或焊缝体积很大时会造成多轴应力状态，影响承载能力，从而影响工艺焊接性。

(4)使用条件：焊接结构必须符合使用条件的要求是设计与制造的宗旨。因而，使用条件是否苛刻，必然会影响工艺焊接性。载荷的性质、工作温度的高低、工作介质有无腐蚀性等都属于使用条件。

焊接接头在高温下承载，必须考虑到某些合金元素的扩散和整个结构发生蠕变的问题；承受冲击载荷或在低温下使用时，要考虑到脆性断裂的可能性；接头在腐蚀介质中工作或经受交变载荷作用时，又要考虑应力腐蚀或疲劳破坏的问题。总之，使用条件越是苛刻，焊接接头的质量越是要求高，工艺焊接性就越是难以保证。

2．冶金焊接性与热焊接性

金属在一定的工艺条件下进行熔化焊接时，在形成熔池及随后结晶成为焊缝的区域会发生冶金反应和固态相变，而在热影响区内，主要发生固态相变。习惯上，前者引起的焊接性问题称为冶金焊接性，而后者引起的焊接性问题称为热焊接性。换句话说，在焊缝区内主要是冶金焊接性，在热影响区则是热焊接性。冶金焊接性所涉及的主要是化学冶金问题，热焊接性所涉及的则主要是物理冶金问题。

(1)冶金焊接性：由母材和焊接材料共同组成的熔池金属在高温液态下与熔渣和气相之间发生物理化学反应、成分偏析以及随后的凝固结晶等过程中焊接性的变化都属于冶金焊接性研究的范围。在焊接冶金过程中，由于合金元素的氧化、还原、蒸发等，易造成焊缝金属化学成分、金相组织和各种性能的改变。氧、氮、氢等杂质气体的溶入与析出，可能造成气孔，影响焊缝金属的性能。熔池结晶时的成分偏析及结晶方式可能导致热裂纹。

金属本身的材质对其冶金焊接性具有重要的影响，但还应该充分认识到焊接材料、焊接方法、保护条件及有关的工艺措施对冶金焊接性的重要作用。尤其是焊接材料的影响，甚至有可能超出金属本身材质的影响。在焊接条件下，提高冶金焊接性的途径，是着重于开发新型焊接材料和焊接方法、改善保护条件等方面。

(2)热焊接性：熔化焊接时，一般都要向接头区域输入很多热量，对邻近焊缝的金属形成了加热和冷却的热处理过程，使金属发生固态相变，引起其强度、韧性、耐腐蚀等性能的变化，或由于脆化及应力而造成裂纹等缺陷，这些均属热焊接性问题。

与焊缝金属不同，热影响区的母材金属化学成分一般不可能发生明显的变化，焊接材料中的合金元素通过熔池、熔合区向热影响区的母材金属扩散微乎其微。所以，热焊接性基本上取决于母材的化学成分、热处理状态和焊接时的热循环条件。工程上所使用的结构材料大都是合金，经过焊接热循环后都会有组织和性能的变化。例如，过热区因产生粗大晶粒而脆化，熔合区因从高温急冷而淬硬脆化，回火区的软化等。对于没有相变的单相奥氏体钢或一些纯金属如纯铝等，也可能由于晶粒长大、形变硬化作用消失或晶界一些微量元素的扩散迁移而使其性能发生明显的变化。

改善热焊接性的方法，除正确选择母材之外，主要是正确选择焊接方法和焊接规范。例如在需要减少线能量时，应该选用功率密度大、加热时间短、焊接速度快的焊接方法，如脉冲电弧焊、激光焊、电子束焊等。此外，预热、缓冷、浸水或加冷却垫板等工艺措施都可以对热焊接性产生影响。