金属材料的焊接性

3.1.6　金属材料的焊接性

随着焊接技术的发展，机械制造、造船、化工设备、车辆、锅炉、航空航天等领域采用焊接结构的产品日益增多。为了保证焊接结构安全可靠，必须掌握金属材料的基本性能及其焊接性（weld ability），以便采取适当的工艺方法、工艺措施和工艺参数来获得优质的焊接接头。

3.1.6.1　焊接性的概念和评定方法

1.焊接性的概念

金属材料的焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性，即在一定的焊接工艺条件（焊接方法、焊接材料、焊接工艺参数和结构形式等）下，获得优质焊接接头的难易程度。它包括两方面内容，其一是接合性能，即在一定焊接工艺的条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性；其二是使用性能，即在一定焊接工艺的条件下，一定金属的焊接接头对使用要求的适应性。

金属材料的焊接性不是一成不变的，同一种材料，采用不同的焊接方法或焊接材料（焊条、焊剂），其焊接性可能有很大的差别。如铸铁用低碳钢焊条焊接，其质量就差，而改用镍合金焊条焊接，其质量就好得多；硬铝合金用气焊、焊条电弧焊焊接，质量就差，但采用氩弧焊、点焊、电子束焊焊接，质量就好；又如对钛合金的焊接，一般认为焊接性很差，但氩弧焊应用较成熟以后，钛及其合金的焊接已广泛用于航空航天等工业部门中。由于新能源的发展，等离子弧焊接、真空电子束焊接、激光焊接等新的焊接方法出现，使钨、钼、钽、铌、锆等高熔点金属及其合金的焊接都能进行。

金属材料的焊接性可通过试验或者估算方法来确定。

2.金属材料焊接性的评定方法

（1）试验法　试验法（weld ability test）是将被焊金属材料做成一定形状和尺寸的试样，在规定工艺条件下施焊，然后鉴定产生缺陷（如裂纹）倾向的程度，或者鉴定接头是否满足使用性能（如力学性能）的要求。

（2）碳当量法　所谓碳当量法（carbon equivalent），就是依据钢材中化学成分对焊接热影响区淬硬性的影响程度，来评估钢材焊接时可能产生裂纹和硬化倾向的计算方法。在钢材的化学成分中，影响最大的是碳，其次是锰、铬、钼、钡等。把钢中合金元素（包括碳）的含量按其对焊接性的影响程度换算成碳的相当含量，其总和称为碳当量（质量分数），用w（CE）来表示。碳当量可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。

国际焊接学会推荐的碳钢和低合金结构钢用的计算碳当量的经验公式为

式中，各元素的含量都取其成分范围的上限。经验证明，碳当量越高，钢材焊接性就越差。

当w（CE）＜0.4%时，钢材热影响区淬硬和冷裂的倾向不明显，焊接性优良，焊接时一般不需预热（但对于厚大件或在低温下焊接，也应考虑预热）。

当w（CE）＝0.4%～0.6%时，钢材的淬硬和冷裂倾向逐渐增大，焊接性较差，焊接时需要采取适当的预热、缓冷等工艺措施以及焊后进行热处理等。

当w（CE）＞0.6%时，钢材淬硬和冷裂的倾向很大，焊接性很差，需采用较高的预热温度和严格的工艺措施才能保证焊接质量。

各种金属材料的焊接性如表3-6所示。

表3-6　各种金属材料的焊接性

注：A—焊接性良好；B—焊接性较好；C—焊接性较差；D—焊接性不好。

3.1.6.2　碳钢和合金钢的焊接

1.碳钢的焊接

碳钢（carbon　steel）焊接性的好坏，主要表现在产生裂纹和气孔的难易程度上。钢的化学成分，特别是碳的含量，决定了钢材的焊接性。随着含碳量的增大，碳钢的焊接性逐渐变差。

（1）低碳钢的焊接　低碳钢w（C）＜0.25%。由于碳当量低，淬硬倾向小，塑性好，所以低碳钢焊接性良好。采用各种焊接方法，不需要用特殊工艺措施，都可以获得优良的焊接接头。但钢中需适当限制磷、硫的含量，避免焊接区产生脆性。

在寒冷天气或焊件较厚时，焊前应预热。如当环境温度低于-10℃或板材厚度大于50mm时，需将焊件预热到100～150℃后再施焊。

低碳钢最常用的焊接方法是焊条电弧焊、埋弧焊、电渣焊、气体保护焊和电阻焊。

低碳钢工件用焊条电弧焊时，一般采用J422焊条或J427焊条。埋弧焊时，一般采用H08A或H08MnA焊丝配合HJ431焊剂。

低碳钢钎焊可用锡铅、黄铜、银基钎料等，可适用于所有钎焊方法。

（2）中碳钢和高碳钢的焊接　中碳钢w（C）＝0.25%～0.6%。随含碳量的增加，其淬硬倾向愈加明显，中碳钢焊接性逐渐变差。在生产中，焊接各种中碳的铸钢件与锻件的情况较为常见。

焊接这类钢常采用焊条电弧焊，尽量选用抗裂性能好的低氢型焊条，如J506、J606等；特殊情况下可采用铬镍不锈钢焊条，但成本高。焊接时，应对焊件预热，以减慢焊接接头的冷却速度，达到降低淬硬倾向和焊接应力的目的。如焊35钢或45钢预热温度可选为150～250℃；含碳量再高，结构件厚度、刚度很大时，可预热到250～450℃。焊接时坡口开成U形，并采用小电流、细焊条、多层焊，以减小母材在焊缝中的熔化量。焊后缓冷，注意保温可防止产生冷裂纹。焊后也可进行调质热处理，改善接头性能，也可趁热（800～850℃）来锤击焊缝，减少应力，提高力学性能。

高碳钢w（C）＞0.60%。由于含碳量高，导热性差，塑性差，热影响区淬硬倾向以及焊缝产生裂纹、气孔的倾向严重，所以高碳钢焊接性很差。高碳钢一般不用于焊接结构件，只用于修补。其焊接措施大致与中碳钢相似，但预热温度更高，选用J857和J857Cr焊条，焊后要立即进行去应力退火。常采用焊条电弧焊或气焊进行修补工作。

2.合金钢的焊接

（1）合金结构钢的焊接　合金结构钢（alloy constructional steel）分为机械制造用合金结构钢和低合金结构钢两大类。用于机械制造的合金结构钢（包括调质钢、渗碳钢）零件，一般都采用轧制或锻制的毛坯，焊接结构较少。如需焊接，因其焊接性与中碳钢相似，所以用于保证焊接质量的工艺措施与焊接中碳钢基本相同。

焊接结构中用得最多的是低合金结构钢，主要用来制造压力容器、锅炉、桥梁、船舶、车辆、起重机等。

低合金结构钢一般采用焊条电弧焊和埋弧焊，厚板可用电渣焊，也可采用气体保护焊，屈服强度较低的钢材可以用CO₂气体保护焊，屈服强度大于500MPa的高强钢，宜用高氩混合气体（例如ψ（Ar）∶ψ（CO₂）＝80∶20）保护焊。

对于σ_s为300～350MPa的低合金结构钢，如16Mn等，由于它们的w（CE）≤0.4%，塑性和韧性良好，所以焊接性良好，一般不需预热，原则上可以采用与低碳钢类似的焊接工艺。当板厚大于32mm或环境温度较低时，应该预热。板厚大于30mm的锅炉、压力容器等重要结构，焊后应进行消除应力热处理。

对于σ_s≥392MPa的低合金结构钢，由于这类钢淬硬、冷裂倾向增加，焊接性变差，因此，焊前一般都要预热。如15MnVN钢，焊前要进行高于150℃的预热，选用抗裂性好的焊条或焊丝焊接，焊后要进行600～650℃的退火处理。

钎焊低合金结构钢时，为不使焊件因退火而软化，钎焊温度不应高于700℃。钎焊后要进行热处理。对于不能热处理的焊件最好用含有银、铜、镉、镍的钎料，钎焊温度控制在600℃左右。

（2）珠光体耐热钢的焊接　珠光体耐热钢（pearlitic heat resistant steel）的碳当量较高，主要合金元素是铬和钼，淬硬、冷裂倾向大，焊接性差。如15CrMo钢等焊前要进行150～300℃的预热，选用相同化学成分的铬钼珠光体耐热钢焊条；焊接后一般要进行消除应力热处理。这类钢一般采用焊条电弧焊，耐热钢管子常用钨极氩弧焊打底或用氩弧焊焊接，还可用等离子弧焊焊接。这类钢若焊前不能进行预热，可以采用奥氏体不锈钢焊条来焊接。但要保证焊缝有足够的铬和镍，使焊缝组织为奥氏体，避免马氏体组织，要选铬镍较高类型的不锈钢焊条。

（3）不锈钢的焊接　不锈钢（stainless steel）按其组织可分为奥氏体、马氏体和铁素体不锈钢。应用最广的是铬镍奥氏体不锈钢，如1Cr18Ni9Ti等。这类钢的焊接性良好。不过，如果焊条选用不当，例如焊条含碳量偏高等，或焊接时在500～800℃长时间停留，会在晶界处析出碳化铬，引起晶界附近铬的含量降低，形成贫铬区而引起晶间腐蚀，使焊接接头失去耐蚀能力。如果焊接电流太大，焊速太慢，就会使焊接接头因过热而脆化或热裂等。热裂纹的产生是由于在晶界处易形成低熔点共晶（含磷、硫、硅等）而造成的。

当焊接材料选择不合适或焊接工艺不合理时，会产生晶间腐蚀和热裂纹，这是奥氏体不锈钢焊接的两个主要问题。

目前，氩弧焊是焊接不锈钢较为满意的方法。如果用焊条电弧焊，焊条的抗裂性要好，焊条成分应确保焊接接头的耐蚀性。奥氏体不锈钢焊接不需要预热，要用小电流及快速施焊。

马氏体不锈钢（如Cr13钢）焊接性较差，其主要问题是焊接接头出现冷裂纹和淬硬脆化。焊接时要采取防止冷裂纹的一系列措施。

铁素体不锈钢（如Cr17钢）焊接的主要问题是过热区晶粒长大引起脆化和裂纹。因此，要采取较低的温度预热，一般不超过150℃，这主要是为了防止过热脆化，减少高温停留时间。此外，采用小能量焊接工艺可以减小晶粒长大倾向。

马氏体不锈钢和铁素体不锈钢常用的焊接方法也是焊条电弧焊（采用铬不锈钢焊条）和氩弧焊。

3.1.6.3　铸铁的焊补

铸铁是机械制造业中应用很广泛的金属材料。因其含碳量高，硫、磷杂质也多，塑性极低，焊接性差，因此没有用铸铁做焊接构件的。铸铁件在生产过程中会产生各种缺陷，如裂纹和气孔等，在使用过程中也会产生裂纹和断裂损坏。如采用焊补可挽救产品和修复局部破损的零件，有较大的经济价值。

1.铸铁的焊补特点

铸铁焊补（repair welding of casting iron）时容易产生下列缺陷：

（1）熔合区易产生白口组织　由于焊接中电弧的高温作用和气体的侵入，碳、硅元素烧损严重，焊后冷却速度又快，在焊缝和母材交界面易生成白口组织，严重时会使整个焊缝断面全部白口化，硬度很高，脆性增大，难以进行机械加工。

（2）接头处易产生裂纹　焊接时局部的快速加热和冷却造成内应力较大，材料塑性差而产生裂纹。

（3）焊缝易形成气孔　铸铁含碳量高，焊接时易生成CO与CO₂，当这些气体来不及逸出时，就会在熔池中形成气孔。

另外硅氧化后生成SiO₂，使熔池表面形成高熔点的氧化膜，增大了焊接的困难，并使焊缝产生SiO₂夹杂物。

铸铁流动性好，立焊时熔池金属容易流失，所以一般只适用于平焊。

2.铸铁焊补方法

根据铸铁的焊接特点，一般都采用气焊、焊条电弧焊（个别大件可采用电渣焊）来焊补铸铁件。按焊前是否预热可分为热焊法与冷焊法两大类。

（1）热焊法　热焊法（preheat）是将铸件整体或局部缓慢预热到600～700℃，焊接中保持400℃以上，焊后缓慢冷却的焊补方法。这种方法应力小，不易产生裂纹，可防止出现白口组织和产生气孔，但成本较高，生产率低，劳动条件差。常用的方法是气焊和焊条电弧焊。气焊时采用含硅高的铸铁焊条做填充金属，并要用气焊熔剂去除氧化物，通常用的是CJ201气焊熔剂或硼砂。气焊适用于焊补中小型薄壁件。采用焊条电弧焊时，用铸铁做焊芯的Z248铸铁焊条或钢芯的Z208石墨化铸铁焊条。焊条电弧焊主要用来焊补厚度较大（δ＞10mm）的铸铁件。

热焊法一般仅用于焊后要求机械加工或形状复杂的重要铸铁件，如机床导轨、主轴箱、汽车的汽缸体等。

（2）冷焊法　冷焊法（cool）是焊补前不对铸件预热或在低于400℃的温度下预热的焊补方法。常用焊条电弧焊进行铸铁冷焊，依靠焊条来调整焊缝的化学成分，防止白口组织和裂纹。焊接时应尽量用小电流、短电弧、窄焊缝、分段焊等工艺，焊后立即用锤轻击焊缝，以松弛焊接应力，待冷却后再继续焊接。

铸铁冷焊所用焊条有钢芯铸铁焊条、镍基铸铁焊条、铜基铸铁焊条和铸铁芯铸铁焊条。

冷焊法生产率高，成本低，劳动条件好，尤其是不受焊缝位置的限制，故应用广泛。

综上所述，铸铁的焊接应根据铸铁件结构和缺陷情况以及使用与加工的要求，选择较为合适的工艺与焊接材料。对于薄壁小件的缺陷，一般采用气焊，用气焊火焰局部预热，减少应力，可取得较好效果。对加工后出现的小气孔，浇不足或小裂纹件，如受力不大，也可采用黄铜钎焊修复。

3.1.6.4　非铁金属的焊接

非铁金属（nonferrous metal）在机械、化工、原子能、航空、航天、发电等工业部门的应用越来越广，非铁金属的焊接技术也获得相应发展。

1.铝及铝合金的焊接

（1）铝及铝合金的焊接性　要进行焊接的铝和铝合金主要有工业纯铝、不能热处理强化的铝合金（铝锰合金、铝镁合金等）和能热处理强化的铝合金（铝铜镁合金、铝锌镁合金等）。铝及铝合金的焊接性总的来说比较差，其原因有：

1）氧化和夹渣　铝和氧的亲和力很大，极易氧化生成Al₂O₃膜（厚度为0.1～0.2mm），其熔点为2 050℃，组织致密，在700℃左右仍覆盖于金属表面，严重阻碍母材的熔化与熔合。而且Al₂O₃密度大，不易浮出熔池，而形成焊缝夹渣。

2）变形和裂纹　因铝的线胀系数和热导率大，焊接时产生的应力也较大，易产生变形，若有低熔点共晶物存在，则会产生裂纹。

3）气孔　铝在液态时极易吸收大量的氢气，而固态时几乎不溶解氢。因此，绝大多数溶于液态铝中的氢在熔池结晶时要逸出，如来不及排出则形成气孔。

4）塌陷和烧穿　铝在高温时的强度和塑性都很低，焊接时会引起焊缝塌陷，如措施不当，甚至造成烧穿。

另外，铝及铝合金由固态变液态时无颜色变化，故难掌握加热温度。

（2）铝及铝合金的焊接方法和工艺　铝及铝合金的焊接方法与其焊接性有很大的关系。工业纯铝及大部分防锈铝的焊接性较好，能热处理强化的铝合金的焊接性较差。目前以氩弧焊应用最广，电阻焊（点焊、缝焊）应用也较多，偶尔也用钎焊。气焊在薄件及要求不高的焊件仍在采用，而焊条电弧焊则较难控制质量。

1）氩弧焊　氩弧焊（argon arc welding）是焊接铝及铝合金较为理想的焊接方法。由于氩气保护效果良好，能去除氧化膜，因此，焊接质量优良，焊接变形小，成形美观，耐腐蚀性能好，用于焊接质量要求高的焊件。厚度小于8mm的铝及铝合金的焊件采用钨极氩弧焊；厚度在8mm以上的采用熔化极氩弧焊。所用的焊丝成分应与焊件成分相同或相近。焊前工件和焊丝必须严格清洗和干燥。

2）电阻焊　电阻焊（resistance welding）焊接铝及铝合金时，应采用大电流，短时间通电。

3）气焊　气焊（gas welding）焊接对质量要求不高的纯铝和不能热处理强化的铝合金。一般采用中性焰，同时必须采用CJ401气焊熔剂以去除氧化物和杂质。通常用于焊接薄板（厚度0.5～2mm）构件和焊补铝铸件。

母材为纯铝、Al-Mn、Al-Mg、Al-Cu-Mg和Al-Zn-Mg合金时，可以采用成分相同的铝合金焊丝，甚至可从母材上切下窄条作为填充金属；对于热处理强化的铝合金，为防止热裂纹，可采用HS311铝硅合金焊丝。

4）钎焊　钎焊（soldering）最好在400℃以上或300℃以下进行，以防焊件在300～400℃之间发生退火软化现象。同时，要选用合适的钎剂。

无论采用哪种焊接方法来焊接铝及铝合金，焊前都必须清理焊件接头处和焊丝表面的氧化膜及油污等；焊后也要对焊件进行清理，以防止熔剂、焊渣对焊件的腐蚀。

2.铜及铜合金的焊接

（1）铜及铜合金的焊接性　工业上常用的铜及铜合金有纯铜、无氧铜、黄铜和青铜等。铜及铜合金的焊接性较差，其主要表现为：

1）导热快，难熔合　铜及铜合金的热导率大，是铁的7～11倍，焊接时热很易传导出去，致使母材和填充金属难以熔合。因此焊接时要使用大功率热源，通常在焊前和焊接中要进行预热。

2）易变形　铜及多数铜合金的线胀系数大，凝固时易产生较大的收缩应力，同时因铜的导热性强而造成热影响区宽，使焊接应力大，变形严重。

3）易产生裂纹　铜在高温时极易氧化而形成Cu₂O，它与Cu又形成脆性低熔点的Cu₂O-Cu共晶体，分布于晶界上，易产生热裂纹。

4）易形成气孔　铜在液态下可溶解大量的氢气，凝固时溶解度显著减小，若气体来不及逸出，就在焊缝中形成气孔。此外，熔池中的Cu₂O遇氢后反应生成水气也易引起气孔。

5）强度、耐蚀性下降　铜合金中的合金元素（如锌、锡、铅、铝等）易氧化和蒸发，使焊缝的强度和耐蚀性下降。

另外，焊纯铜时，接头导电性下降。焊接黄铜时还有锌的烧损蒸发，对人体有害，要加强通风等措施。

（2）铜及铜合金的焊接方法

1）氩弧焊　氩弧焊是保证纯铜和青铜焊接质量的有效方法，接头性能好，飞溅少，成形美观。焊接时可用特制的含硅、锰等脱氧元素的纯铜焊丝，如HS201、HS202直接进行焊接；若用一般的纯铜丝或从焊件上剪下来的条料作焊丝，则必须使用焊剂来溶解氧化铜和氧化亚铜，以保证焊接质量。

2）气焊　气焊纯铜和青铜时应采用中性焰，所用焊丝及熔剂与氩弧焊相同。焊接黄铜常用气焊，这不仅因为气焊温度低，锌的蒸发较少，且由于可采用轻微的氧化焰和含硅的焊丝以及用硼酸与硼砂配制的焊剂相配合，使熔池表面形成一层致密的氧化硅薄膜，保护效果强，焊接质量高。

3）钎焊　铜及除铝青铜外的铜合金都较容易钎焊，常用铜基、银基、锡基钎料。