焊接性

材料科学技术术语

焊接性是指材料在规定的施焊条件下，焊接成设计要求所规定的构件并满足预定服役要求的能力。焊接性好的金属，焊接接头不易产生裂纹、气孔和夹渣缺陷，而且有较高的力学性能。

简述

焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性。主要指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度；或材料在限定的施工条件下，焊接成按规定设计要求的构件，并满足预先服役要求的能力。焊接性受材料，焊接方法，构件类型及使用要求四个因素的影响。焊接性主要包括：使用焊接性、工艺焊接性、冶金焊接性和热焊接性。通常，把材料在焊接时形成裂纹的倾向及焊接接头处性能变坏的倾向，作为评价材料焊接性能的主要指标。焊接性的好坏与材料的化学成分及采用的工艺有关。在常用钢材的焊接中，对焊接性影响最大的是碳，故常把钢中碳含量的多少作为判别钢材焊接性的主要标志，含碳量越高，其焊接性越差。一般来说，低碳钢的焊接性能优良，高碳钢的焊接性能较差；铸铁的焊接性能更差。合金元素对焊接性能也将产生一定的影响，所以合金钢的焊接性比非合金钢差。收缩率小的金属焊接性比较好。焊接性好的金属，焊接接头不易产生裂纹、气孔和夹渣缺陷，而且有较高的力学性能。

分析焊接性的目的，在于了解一定的材料在指定的焊接工艺条件下可能出现的问题，以确定焊接工艺的合理性或材料的改进方向。因此，必须对焊接过程中的材料（母材、焊材）和焊接接头区（焊缝、熔合区和热影响区)的成分、组织和性能，包括工艺参数的影响和焊后接头区的使用性能等，进行系统的研究。

类型

焊接性主要包括：使用焊接性、工艺焊接性、冶金焊接性和热焊接性。

(1)工艺焊接性和使用焊接性

焊接性包括两个含义：一是接合性能，就是一定的材料在给定的焊接工艺条件下对形成焊接缺陷的敏感性；二是使用性能，指一定的材料在规定的焊接工艺条件下所形成的焊接接头适应使用要求的能力。前者称为工艺焊接性，涉及焊接制造工艺过程中的焊接缺陷问题，如裂纹、气孔、夹杂、断裂等；后者称为使用焊接性，涉及焊接接头的使用可靠性问题。

焊接过程是一个独特的“小冶金”过程，在熔化焊的条件下，焊缝和热影响区经历了复杂但有规律的焊接热循环。从理论上分析，任何金属或合金，只要在熔化后能够互相形成固溶体或共晶，都可以经过熔焊形成接头。同种金属或合金之间可以形成焊接接头，一些异种金属或合金之间也可以形成焊接接头，但有时需要通过加中间过渡层的方式实现连接。上述几种情况都可以看作是“具有一定焊接性”，差别在于有的工艺简单，有的工艺复杂；有的接头质量高、性能好，有的接头质量低、性能差。所以，焊接工艺简单而接头质量高、性能好的，就称为焊接性好；反之，就称为焊接性差。因此，必须联系工艺条件和使用性能来分析焊接性问题，由此提出了“工艺焊接性”和“使用焊接性”的概念。

总之，工艺焊接性是指金属或材料在一定的焊接工艺条件下，能否获得优质致密、无缺陷和具有一定使用性能的焊接接头的能力。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性能的程度，包括常规的力学性能（强度、塑性、韧性等）或特定工作条件下的使用性能，如低温韧性、断裂韧性、高温蠕变强度、持久强度、疲劳性能以及耐蚀性、耐磨性等。

(2)冶金焊接性和热焊接性

对于熔焊来说，焊接过程一般包括冶金过程和热过程这两个必不可少的过程。在焊接接头区域，冶金过程主要影响焊缝金属的组织和性能，而热过程主要影响热影响区的组织和性能。由此提出了冶金焊接性和热焊接性的概念。

①冶金焊接性

冶金焊接性是指熔焊高温下的熔池金属与气相、熔渣等相之间发生化学冶金反应所引起的焊接性变化。这些冶金过程包括：合金元素的氧化、还原、蒸发，从而影响焊缝的化学成分和组织性能；氧、氢、氮等的溶解、析出对生成气孔或对焊缝性能的影响；在焊缝结晶及冷却过程中，由于焊接熔池的化学成分、凝固结晶条件以及接头区热胀冷缩和拘束应力等影响，有时产生热裂纹或冷裂纹。

除材料本身化学成分和组织性能的影响之外，焊接材料、焊接方法、工艺参数、保护气体等对冶金焊接性有重要的影响。除了在研制新材料时可以改善冶金焊接性之外，还可以通过选择新焊接材料、新焊接工艺等途径来改善冶金焊接性。

②热焊接性

焊接加热过程中要向接头区域输入很多热量，对焊缝附近区域形成加热和冷却过程，这对靠近焊缝的热影响区的组织性能有很大影响，从而引起热影响区硬度、强度、韧性、耐蚀性等的变化。

与焊缝金属不同，焊接时热影响区的化学成分一般不会发生明显的变化，而且不能通过改变焊接材料来进行调整，即使有些元素可以由熔池向熔合区或热影响区粗晶区扩散，那也是很有限的。因此，母材本身的化学成分和物理性能对热焊接性具有十分重要的意义。工业上大量应用的金属或合金，对焊接热过程有反应，会发生组织和性能的变化。即使是一些不发生相变的纯铝、纯镍、纯钼等，经过焊接热过程的影响，也会由于晶粒长大或形变硬化消失而使其性能发生较大变化。

为了改善热焊接性，除了选择母材之外，还要正确选定焊接方法和热输入（如工艺参数）。例如，在需要减少焊接热输入时，可以选用能量密度大、加热时间短的电子束焊、等离子弧焊等方法，并采用热输入小的焊接参数以改善热焊接性。此外，焊前预热、缓冷、水冷、加冷却垫板、焊后热处理等工艺措施也都可以影响热焊接性。

影响因素

影响金属焊接性的因素很多，大体可以归纳为材料、工艺条件、构件类型及使用要求等四个方面。

材料因素

材料包括母材和焊接材料。与母材有关的影响因素有母材的化学成分，冶炼轧制状态、热处理状态、组织状态和力学性能等，其中尤以化学成分影响最大。

化学成分是钢材焊接性的主要影响因素。如果钢材只是依靠合金元素实现固溶强化，焊接过程中就容易使焊缝金属及热影响区与母材有良好的匹配性能。如果钢材为较复杂的合金系，并通过热处理、变形加工等方式实现固溶强化，则不易获得与母材完全匹配的焊缝金属或接头。各种合金元素对焊接性的影响也各不相同，对钢来说，对焊接性影响较大的元素有碳、硫、磷、氢、氧、氮等。合金元素中锰、硅、镍、钼、钛、钒、铌、铜、硼等都在不同程度上有可能增加焊接接头的淬硬倾向和裂纹敏感性。一般而言，钢材的焊接性将随着含碳量和合金元素含量的增加而恶化。

钢的冶炼方法、轧制工艺及热处理状态等，对焊接性也都有不同程度的影响。例如，近年来研发的各种CF钢（抗裂钢）、TMCP钢（控轧钢）等，就是通过精炼提纯、控制轧制工艺等手段，以使其焊接性有重大改善。

焊接材料直接参与焊接过程一系列化学冶金反应，决定着焊缝金属的成分、组织和缺欠的形成。如果选择的焊接材料与母材匹配不当，不仅不能获得满足使用要求的接头，还会引起裂纹等缺欠的产生和脆化等力学性能的变化，所以正确选用焊接材料是保证获得优质焊接接头的重要冶金条件。

工艺条件因素

工艺条件因素包括焊接方法、焊接参数、预热、后热及焊后热处理等。它们对焊接性的影响，首先在于诸如其焊接热源的特点，功率密度、功率大小等，它们直接决定接头的温度场和热循环的各种参数，例如热输入的大小、高温停留时间、相变区的冷却速度，从而对焊缝及热影响区范围的大小、组织性能和产生缺欠的敏感性等有明显的影响。其次是诸工艺方面的因素决定了熔池和近缝区的保护方式及冶金条件，例如熔渣保护、渣、气联合保护等都会影响冶金过程；采用焊前预热和焊后缓冷可降低接头的冷却速度，有利于降低接头的淬硬倾向和裂纹敏感性；选择合理的焊接顺序可以改善结构的拘束程度和应力状态。此外，焊材的烘干、焊前的清理工作等均有影响，切不可忽视。

构件因素

构件因素主要有焊接结构和焊接接头的设计形式。它们影响接头的刚度、应力状态等，这些因素影响接头的力学性能及产生缺欠的倾向，所设计的焊接结构刚度过大、接头处断面的突然变化、接头的缺口效应和过大的焊缝体积等，都会不同程度地造成应力集中，不利于使用。若某些部位的焊缝过于集中或存在多向应力，则影响承载能力，也会影响工艺焊接性。

使用要求因素

这是指焊接结构的工作温度、负载条件（载荷种类、作用方式及速度等）和工作介质等。一般来说，环境温度越低，焊接结构就越易发生脆性破坏，构件使用性能要求越高，使用条件越苛刻，对焊接接头的质量要求就越高，材料的焊接性就越不容易保证。

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