10.2 常用金属材料的焊接
10.2.1 金属材料的焊接性
1.焊接性的概念
金属在一定的焊接技术条件下，获得优质焊接接头的难易程度，即金属材料对焊接加工的适应性称为金属材料的焊接性。衡量焊接性的主要指标有两个:一是在一定的焊接技术条件下接头产生缺陷，尤其是裂纹的倾向或敏感性；二是焊接接头在使用中的可靠性。
金属材料的焊接性与母材的化学成分、厚度、焊接方法及其他技术条件密切相关。同一种金属材料采用不同的焊接方法、焊接材料、技术参数及焊接结构形式，其焊接性有较大差别。如铝及铝合金采用手工电弧焊焊接时，难以获得优质焊接接头，但如采用氩弧焊焊接，则焊接接头品质好，此时焊接性也好。
金属材料的焊接性是生产设计、施工准备及正确拟定焊接过程技术参数的重要依据，因此，当采用金属材料尤其是新的金属材料制造焊接结构时，了解和评价金属材料的焊接性是非常重要的。
2.焊接性的评定
影响金属材料焊接性的因素很多，焊接性的评定一般是通过估算或试验方法确定。通常用碳当量法和冷裂纹敏感系数法。
1）碳当量法
实际焊接钢结构所用钢材大多数是型材、板材和管材等，而影响钢材焊接性的主要因素是化学成分。因此，碳当量是评估钢材焊接性最简便的方法。
碳当量是指把钢中的合金元素（包括碳）的含量，按其作用换算成碳的相对含量，其碳当量wCE公式为
碳当量越大，钢材的焊接性越差。硫、磷对钢材的焊接性影响也极大，但在各种合格钢材中，硫、磷一般都受到严格控制。所以，在计算碳当量时可以忽略。
2）冷裂纹敏感系数法
由于碳当量法仅考虑了钢材的化学成分，忽略了焊件板厚，焊缝含氢量等其他影响焊接性的因素，因此，无法直接判断产生冷裂纹可能性的大小。由此提出了冷裂纹敏感系数的概念，其计算式为
冷裂纹敏感系数越大，则产生冷裂纹的可能性越大，焊接性就越差。
10.2.2 常用金属材料的焊接
1.碳钢的焊接
碳钢的碳含量就等于其质量分数，即wCE＝wC，故由碳钢的质量分数就可估计其焊接性。
1）低碳钢的焊接
低碳钢中碳质量分数＜0.25%，塑性好，一般没有淬硬倾向，对焊接热过程不敏感，焊接性良好。通常情况下，焊接不需要采取特殊技术措施，选用各种焊接方法都容易获得优质焊接接头。但是，在低温下焊接刚性较大的低碳钢结构时，应考虑采取焊前预热，以防止裂纹的产生。厚度＞50mm的低碳钢结构或压力容器等重要构件，焊后要进行去应力退火处理。电渣焊的焊件，焊后要进行正火处理。
2）中、高碳钢的焊接
中碳钢中碳的质量分数wC＝0.25%～0.6%，因此，碳当量偏高，随着碳的质量分数增加，焊接性能逐渐变差。焊接中碳钢时的主要问题是:①焊缝易形成气孔；②缝焊及焊接热影响区易产生淬硬组织和裂纹。为了保证中碳钢焊件焊后不产生裂纹，并得到良好的力学性能，通常采取以下技术措施。
（1）焊前预热、焊后缓冷 焊前预热，焊后缓冷的主要目的是减少焊件焊接前后的温差，降低冷却速度，减少焊接应力，从而防止焊接裂纹的产生。预热温度取决于焊件的碳含量、焊件的厚度、焊条类型和焊接规范。手工电弧焊时，一般预热温度在150～250℃之间，碳含量高时，可适当提高预热温度，加热范围在焊缝两侧150～200 mm为宜。
（2）尽量选用抗裂性好的碱性低氢焊条，也可选用比母材强度等级低一些的焊条，以提高焊缝的塑性。当不能预热时，也可采用塑性好、抗裂性好的不锈钢焊条。
（3）选择合适的焊接方法和规范，降低焊件冷却速度。
高碳钢碳的质量分数＞0.6%，焊接性比中碳钢差，碳含量高的钢材塑性变差，淬硬倾向和冷裂倾向大，焊接性低劣。其焊接特点与中碳钢相似，工件必须预热到较高的温度，要采取减少焊接应力和防止开裂的技术措施，焊后还要进行适当的热处理。这类钢的焊接一般只用于修补工作。
2.普通低合金钢的焊接
普通低合金钢在焊接生产中应用较为广泛，它按屈服强度分为六个强度等级。
屈服强度为294～392MPa的普通低合金钢，wCE≤0.4%，焊接性能接近低碳钢，焊缝及热影响区的淬硬倾向比低碳钢稍大。常温下焊接，不用复杂的技术措施，便可获得优质的焊接接头。当施焊环境温度较低或焊件厚度、刚度较大时，则应采取预热措施，预热温度应根据工件厚度和环境温度进行考虑。焊接16Mn钢的预热条件如表10－8所示。
表10－8 焊接16Mn钢的预热条件
屈服强度＞441MPa的普通低合金钢，wCE＞0.4%，随着强度级别的提高，碳含量增加，焊接性逐渐变差，焊接时淬硬倾向和产生焊接裂纹的倾向增大。当结构刚性大，焊缝氢含量过高时便会产生冷裂纹。一般冷裂纹是焊缝及热影响区的氢含量、淬硬组织、焊接残余应力三个因素综合作用的结果。而氢含量是重要因素。由于氢在金属中的扩散、聚集和诱发裂纹需要一定的时间。因此，冷裂纹具有延迟现象，故称为延迟裂纹。
由于我国低合金钢碳含量低，且大部分含有一定量的锰，因此产生裂纹的倾向不大。焊接高强度等级的低合金钢应采取的技术措施如下。
（1）严格控制焊缝氢含量根据强度等级选用焊条，并尽可能选用低氢型焊条或使用碱度高的焊剂配合适当的焊丝。按规范对焊条进行烘干，仔细清理焊件坡口附近的油、锈、污物、防止氢进入焊接区。
（2）焊前预热一般预热温度≥150℃。焊接时，应调整焊接规范来严格控制热影响区的冷却速度。
（3）焊后应及时进行热处理以消除内应力，回火温度一般为600～650℃。如生产中不能立即进行焊后热处理，可先进行去氢处理，即将工件加热至200～350℃，保温2～6h，以加速氢的扩散逸出，防止产生冷裂纹。
3.奥氏体不锈钢的焊接
奥氏体不锈钢的焊接性能良好，焊接时一般不需要采取特殊技术措施，主要应防止晶界腐蚀和热裂纹。
1）焊接接头的晶界腐蚀
晶界腐蚀是不锈钢焊接过程中在450～8 000℃温度范围内长时间停留时，晶界处将析出铬的碳化物，致使晶粒边界出现贫铬，当晶界附近的金属铬含量低于临界值12%时，便会发生明显的晶界腐蚀，使焊接接头耐腐蚀性严重降低的现象。因此，不锈钢焊接时，为防止焊接接头的晶界腐蚀，应该采取的技术措施如下。
（1）合理选择母材尽量使焊缝具有一定量的铁素体形成元素如Ti、Ni、Mo、V、Si等，促使焊缝形成奥氏体和铁素体双相组织，减少贫铬层的发生；或使焊缝具有稳定碳化物元素（如Ti、Nb等），因为Ti、Nb与碳的亲和力比铬强，能优先形成TiC或NbC，可减少铬碳化物的形成，避免晶界腐蚀。
（2）选择超低碳焊条，减少焊缝金属的碳含量，减少和避免形成铬的碳化物，从而降低晶界腐蚀倾向。
（3）采取合理的焊接过程和规范焊接时用小电流、快速焊、强制冷却等措施防止晶界腐蚀的产生。
（4）焊后进行热处理。焊后热处理可采用两种方式进行:一种是固溶化处理，将焊件加热到1 050～1 150℃，使碳重新溶入奥氏体中，然后淬火，快速冷却形成的稳定奥氏体组织；另一种是进行稳定化处理，将焊件加热到850～950℃保温2～4h，空冷，使奥氏体晶粒内部的铬逐步扩散到晶界。
2）焊接接头的热裂纹
奥氏体不锈钢由于本身导热系数小，线膨胀系数大，焊接条件下会形成较大拉应力，同时晶界处可能形成低熔点共晶，导致焊接时容易出现热裂纹。因此，为了防止焊接接头热裂纹，一般应采取的措施如下。
（1）减少杂质来源，避免焊缝中杂质的偏析和聚集。
（2）加入一定量的铁素体形成元素（如Mo、Nb等），使焊缝成为奥氏体＋铁素体双相组织，防止柱状晶的形成。
（3）采取合理的焊接过程和规范采用小电流、快速焊、不横向摆动，以减少母材向熔池的过渡。
奥氏体不锈钢焊接方法主要有手工钨极氩弧焊、手工电弧焊、埋弧焊等。
4.铸铁的焊补
铸铁碳含量高，组织不均匀，焊接性能很差，所以不应考虑铸铁的焊接构件。但铸铁件生产中出现的铸造缺陷及零件在使用过程中发生的局部损坏和断裂，如能焊补，其经济效益也是显著的。铸铁焊补的主要困难是:
（1）焊接接头极易产生白口组织，硬度很高，焊后很难进行机械加工；
（2）焊接接头极易产生裂纹，铸铁焊补时，其危害性比形成白口组织大；
（3）焊缝易出现气孔，铸铁碳含量高，焊接过程中熔池中碳和氧发生反应，生成大量CO气体，若来不及从熔池中排出而存留在焊缝中，便形成了气孔。
以上问题在进行焊补时，必须采取措施加以防止。
铸铁的焊补，一般采用手工电弧焊、气焊，对焊接头强度要求不高时，也可采用钎焊。铸铁的焊补过程根据焊前是否预热，可分为热焊和冷焊两类。
1）热焊
焊前把焊件整体或局部预热到600～700℃，焊接过程温度不低于400℃，焊后使焊件缓慢冷却的技术方法称之为热焊。用热焊法，焊件受热均匀，焊接应力小，冷却速度低，可防止焊接接头产生白口组织和裂纹。但热焊法技术复杂，生产率低，成本高，劳动条件差，一般仅用于焊后要求机械加工或形状复杂的重要工件。
2）冷焊
它主要靠调整焊缝化学成分来防止焊件产生裂纹和减少白口倾向。冷焊法采用手工电弧焊具有生产率高、焊接变形小、操作灵活、劳动条件比热焊好等优点，但其焊接品质不易保证。因此，冷焊常采用小电流、分段焊、短弧焊等技术措施来提高焊接品质。生产中冷焊多用于补焊要求不高的铸件，或者用于补焊高温预热易引起变形的工件。
5.铝及铝合金的焊接
铝及铝合金的焊接性较差。
1）焊接特点
（1）易氧化 铝容易氧化生成Al2O3。由于Al2O3氧化膜的熔点高（2 050℃）而且质量密度大，在焊接过程中，会阻碍金属之间的熔合，易形成夹渣。
（2）易形成气孔 铝及铝合金液态时能吸收大量的氢气，但在固态几乎不溶解氢。因此，熔池结晶时，溶入液态铝中的氢大量析出，使焊缝易产生气孔。
（3）易变形、开裂 铝的热导率为钢的4倍，焊接时，热量散失快，需要能量大或密集的热源。同时铝的线膨胀系数为钢的2倍，凝固时收缩率达6.5%，易产生焊接应力与变形，并可能产生裂纹。
（4）操作困难 铝及铝合金从固态转变为液态时，无塑性过程及颜色的变化，因此，焊接操作时，很容易造成温度过高、焊缝塌陷、烧穿等缺陷。
2）常用的焊接方法及措施
铝和铝合金的焊接常用氩弧焊、气焊、电阻焊和钎焊等方法。其中氩弧焊应用最广，气焊仅用于焊接厚度不大的一般构件。
氩弧焊电弧集中，操作容易，氩气保护效果好，且有阴极破碎作用，能自动除去氧化膜，所以焊接品质高，成形美观，焊件变形小。氩弧焊常用于焊接品质要求较高的构件中。
电阻焊时，应采用大电流，短时间通电，焊前必须彻底清除焊件焊接部位和焊丝表面的氧化膜与油污。气焊时，一般采用中性火焰，焊接时，必须使用溶剂以溶解或消除覆盖在熔池表面的氧化膜，并在熔池表面形成一层较薄的熔渣，保护熔池金属不被氧化，排除熔池中的气体氧化物和其他杂质。
铝及铝合金的焊接无论采用哪种焊接方法，焊前都必须进行氧化膜和油污的清理。清理品质的好坏将直接影响焊缝品质。
6.铜及铜合金的焊接
1）焊接特点
铜及铜合金属于焊接性差的金属，其焊接特点如下。
（1）难熔合 铜及铜合金的导热性很强，焊接时热量很快从加热区传导出去，导致焊件温度难以升高，金属难以熔化，因此，填充金属与母材不能良好熔合。
（2）易变形开裂 铜及铜合金的线膨胀系数及收缩率都较大，并且由于热导性好，而使焊接热影响区变宽，导致焊件易产生变形。另外，铜及铜合金在高温液态下极易氧化，生成的氧化铜与铜形成易熔共晶体沿晶界分布，使焊缝的塑性的韧度显著下降，易引起热裂纹。
（3）易形成气孔和产生氢脆现象 铜在液态时能溶解大量的氢，而凝固时，溶解度急剧下降，焊接熔池中的氢气来不及析出，在焊缝中形成气孔。同时，以溶解状态残留在固态金属中的氢与氧化亚铜发生反应，析出水蒸气，水蒸气不溶于铜，但以很高的压力状态分布在显微空隙中，导致裂缝产生所谓氢脆现象。
2）焊接方法及技术要点
导热性强、易氧化、易吸氢是焊接铜及其合金时应解决的主要问题。目前，焊接铜及其合金较理想的方法是氩弧焊。对品质要求不高时，也常采用气焊，手工电弧焊和钎焊等。
采用氩弧焊焊接紫铜和青铜的品质最好。氩弧焊不仅能有效地保护熔池不受氧化和氢的溶入，由于热量集中还能减小变形，保证焊透和母材与填充金属之间的熔合。进行氩弧焊时，焊丝可采用特制的含Si、Mn等脱氧元素的紫铜焊丝（HS201、HS202）。也可用一般的紫铜丝或从焊件上剪料作为焊丝，但必须使用溶剂溶解氧化铜和氧化亚铜，以保证焊缝质量。
气焊紫铜及青铜时，应采用严格的中性焰。氧过多时，铜的氧化严重；乙炔过多时，铜的吸氢严重。气焊用的焊丝及溶剂与氩弧焊相同。气焊是黄铜常用的焊接方法。因为气焊火焰温度较低，焊接过程中锌的蒸发减少。由于锌蒸发将引起焊缝强度和耐蚀性的下降，且锌蒸气是有毒气体将造成环境污染，因此，气焊黄铜时，一般用轻微氧化焰，采用含硅、铝的焊丝，使焊接时，在熔池表面形成一层致密的氧化物薄膜，覆盖在熔池表面以阻碍锌的蒸发和防止氢的侵入，从而减小焊缝产生气孔的可能性。溶剂可用硼酸和硼砂配制。
采用各种方法焊接铜及铜合金时，焊前都要仔细清除焊丝、焊件坡口及附近表面的油污、氧化物等杂质。气焊、钎焊或电弧焊时，焊前应对焊剂（气剂）、钎剂或焊条药皮进行烘干处理。焊后应彻底清洗残留在焊件上的溶剂和熔渣，以免引起焊接接头的腐蚀破坏。
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