认识焊接性

基础知识

金属材料在焊接时要经受加热、熔化、化学反应、结晶、固相转变等一系列复杂的过程，这些过程又都是在温度、成分及应力极不平衡的条件下发生的，有时可能在焊接区造成缺陷，或者使金属的性能下降而不能满足使用性能。金属本身的物理性能、化学性能和力学性能不足以直接说明它在焊接时可能出现的问题或焊后能否满足使用要求。因此，需要从焊接的角度分析金属的性能，就提出了焊接性的问题。

任务实施

一、焊接性的定义

金属材料的焊接性根据GB/T 3375–1994《焊接术语》的定义是：金属材料在限定的焊接施工条件下，焊接成规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。优质焊接接头应具备的两个条件：一是接头中不允许存在超过质量标准规定的缺陷，二是要具有预期的使用性能。

金属材料焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性，它包括工艺焊接性和使用焊接性。

1.工艺焊接性

是指金属材料对各种焊接方法的使用能力，也就是在一定的焊接工艺条件下能否获得符合要求的优质焊接接头的能力。

2.使用焊接性

是指焊接接头或整体焊接结构满足技术条件所规定的各种使用性能的程度，它取决于焊接结构所满足的技术条件规定的各种性能，其中包括常规力学性能、低温韧性、抗脆断性能、高温蠕变、疲劳性能、持久强度、抗蚀、耐磨性能等。

二、金属材料焊接性的影响因素

影响金属焊接性的因素包括：材料因素、工艺因素、结构因素、使用条件。

1.材料因素

材料因素是指焊接时直接参与物理化学反应和发生组织变化的所有材料，包括母材、焊条、焊丝、焊剂、保护气体等

2.工艺因素

工艺因素包括焊接方法，焊接工艺措施。对于同一种母材，采用不同的焊接方法和工艺措施所表现出来的焊接性有很大的差异。

3.结构因素

结构因素如结构和接头形式、焊缝布置都影响焊接性。不同板厚、不同接头形式或坡口形状的焊件的传热方向和传热速度不一样，对熔池结晶和晶粒的成长有影响。焊接结构设计直接影响接头的刚度、拘束度以及应力状态，影响接头产生裂纹的倾向。因此，结构设计因素也是影响焊接性的重要因素。

4.使用条件

焊接接头的工作温度和受载类别、工作环境等均属于使用条件。一定工作环境和运行条件要求焊接结构具有相应的使用性能，因此，使用条件的苛刻程度必然影响到某些金属的焊接性。

总之，焊接性与材料、设计、工艺和服役环境等因素密切相关，人们不可能脱离这些因素而简单地认为某种材料的焊接性好或不好，也不能只用某一种指标来概括某种材料的焊接性。

三、金属焊接性的评定方法

金属焊接性的评定方法种类繁多，可分为间接估算法和直接试验法两类。

间接估算法根据对金属材料的化学成分、物理性能、金相组织及力学性能指标等分析与测定，从而推测被评估金属的焊接性，最常用的间接估算法是碳当量法。

直接试验法是通过焊接性试验来评定母材的焊接性的方法，即通过焊接过程考查是否发生某种焊接缺欠，或发生缺欠的严重程度，直接去评估金属材料的焊接性。直接试验常用的方法有斜Y型坡口焊接裂纹试验法、插销试验法、刚性固定对接裂纹试验法等。

1.利用金属的化学成分分析

在所有元素中，碳对淬硬和冷裂纹的影响最为显著。因而，人们就将各种元素的作用按照相当于若干含碳量折合并叠加起来求得所谓的碳当量（CE或Cep）并以此来评估冷裂纹倾向的大小。低合金钢的淬硬及冷裂纹敏感性常用碳当量法来估计。

国际焊接学会（IIW）推荐：

式中元素符号为该钢元素含量的质量百分数，其值取成分范围的上限。

焊接性评判如下：

当CE＜0.4%时，钢材的塑性良好，淬硬和冷裂倾向小，焊接性好，一般焊件不会产生裂纹。

当CE=0.4%～0.6%，钢材的塑性下降，淬硬及冷裂倾向明显，焊接性较差，焊接时需焊前预热，焊后缓慢冷却。

当CE＞0.6%时，钢材的塑性较差，淬硬和冷裂倾向严重，焊接性很差，为保证焊接质量，焊前需要高温预热，焊接时要采取减少焊接应力和防止裂纹的工艺措施，焊后需要进行适当热处理等。

虽然碳当量法得到了业界的认可，但是碳当量值只能在一定范围内，对钢材概括地、相对地评价其焊接性。

2.焊接性试验

焊接性试验方法大多是针对钢材在焊接过程中出现的裂纹而设计的，因为裂纹是焊接中最常见且危害最大的缺陷。采用焊接性的试验方法，可以通过在焊接过程中观察是否发生某种焊接缺陷或发生焊接缺陷的程度，直观地评价焊接性的优劣。

常用的金属材料焊接性试验方法主要有：斜Y型坡口焊接裂纹试验法、插销试验法、刚性固定对接裂纹试验法。

斜Y型坡口焊接裂纹试验法是焊接性直接法，用于评定碳钢和低合金高强度钢焊接热影响区对冷裂纹的敏感性，属于自拘束裂纹试验，其试验要求遵从GB/T 4675.1–1984《焊接性试验—斜Y型坡口焊接裂纹实验法》的规定。按标准制备的试件形状和尺寸如图9-1所示，板厚为9～38 mm，采用机械方法加工试件坡口，试板两端各焊接60 mm的拘束焊缝，试件中间待焊部位留有2 mm的间隙，焊接时采用双面焊。

焊后对试验焊缝表面及断面裂纹分别进行检查和计算，一般认为，只要裂纹总长小于试验焊缝的20%，在实际生产中就不会产生裂纹。

图9-1  斜Y型坡口

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插销试验法

插销试验法是一种定量测定低合金钢焊接热影响区冷裂纹敏感性的试验方法，属于外拘束裂纹试验法。该试验方法消耗材料少，结果稳定可靠，因此在国内外得到广泛应用。

（1）试样制备 把被焊钢材加工成直径为8 mm或6 mm的圆柱形试棒（称为插销）形状和尺寸，如图9-2所示，插销上端有环形或螺形缺口。将插销插入底板直径相应的孔中，使带缺口一端与底板表面平齐，如图9-3所示。

图9-2  插销试棒的形状

图9-3  插销试棒、底板及熔敷焊道

（2）试验过程 按选定的焊接方法和严格控制的工艺参数，在底板上熔敷焊道，尽量使焊道中心线通过插销的端面中心，其熔深应保证缺口尖端位于热影响区的粗晶部位，焊道长度约100～150 mm。在焊后冷却至100℃～150℃时（有预热时应在冷至高出预热温度50℃～70℃）加载，当保持载荷16 h或24 h（有预热）期间试棒发生断裂，即得到该试验条件下的“临界应力”；如果在保持载荷期间未发生断裂，应调整载荷直至发生断裂。改变含氢量、焊接热输入和预热温度，可得到不同的临界应力。临界应力越小，说明材料对冷裂纹越敏感。