焊接性

焊接性是指金屬材料對焊接加工的適應性。主要指在一定的焊接工藝條件下，獲得優質焊接接頭的難易程度；或材料在限定的施工條件下，焊接成按規定設計要求的構件，並滿足預先服役要求的能力。焊接性受材料，焊接方法，構件類型及使用要求四個因素的影響。焊接性主要包括：使用焊接性、工藝焊接性、冶金焊接性和熱焊接性。通常，把材料在焊接時形成裂紋的傾向及焊接接頭處性能變壞的傾向，作為評價材料焊接性能的主要指標。焊接性的好壞與材料的化學成分及採用的工藝有關。在常用鋼材的焊接中，對焊接性影響最大的是碳，故常把鋼中碳含量的多少作為判別鋼材焊接性的主要標誌，含碳量越高，其焊接性越差。一般來説，低碳鋼的焊接性能優良，高碳鋼的焊接性能較差；鑄鐵的焊接性能更差。合金元素對焊接性能也將產生一定的影響，所以合金鋼的焊接性比非合金鋼差。收縮率小的金屬焊接性比較好。焊接性好的金屬，焊接接頭不易產生裂紋、氣孔和夾渣缺陷，而且有較高的力學性能。 ^[1] 

分析焊接性的目的，在於瞭解一定的材料在指定的焊接工藝條件下可能出現的問題，以確定焊接工藝的合理性或材料的改進方向。因此，必須對焊接過程中的材料（母材、焊材）和焊接接頭區（焊縫、熔合區和熱影響區)的成分、組織和性能，包括工藝參數的影響和焊後接頭區的使用性能等，進行系統的研究。

焊接性主要包括：使用焊接性、工藝焊接性、冶金焊接性和熱焊接性。

焊接性包括兩個含義：一是接合性能，就是一定的材料在給定的焊接工藝條件下對形成焊接缺陷的敏感性；二是使用性能，指一定的材料在規定的焊接工藝條件下所形成的焊接接頭適應使用要求的能力。前者稱為工藝焊接性，涉及焊接製造工藝過程中的焊接缺陷問題，如裂紋、氣孔、夾雜、斷裂等；後者稱為使用焊接性，涉及焊接接頭的使用可靠性問題。

焊接過程是一個獨特的“小冶金”過程，在熔化焊的條件下，焊縫和熱影響區經歷了複雜但有規律的焊接熱循環。從理論上分析，任何金屬或合金，只要在熔化後能夠互相形成固溶體或共晶，都可以經過熔焊形成接頭。同種金屬或合金之間可以形成焊接接頭，一些異種金屬或合金之間也可以形成焊接接頭，但有時需要通過加中間過渡層的方式實現連接。上述幾種情況都可以看作是“具有一定焊接性”，差別在於有的工藝簡單，有的工藝複雜；有的接頭質量高、性能好，有的接頭質量低、性能差。所以，焊接工藝簡單而接頭質量高、性能好的，就稱為焊接性好；反之，就稱為焊接性差。因此，必須聯繫工藝條件和使用性能來分析焊接性問題，由此提出了“工藝焊接性”和“使用焊接性”的概念。

總之，工藝焊接性是指金屬或材料在一定的焊接工藝條件下，能否獲得優質緻密、無缺陷和具有一定使用性能的焊接接頭的能力。使用焊接性是指焊接接頭或整體焊接結構滿足技術條件所規定的各種性能的程度，包括常規的力學性能（強度、塑性、韌性等）或特定工作條件下的使用性能，如低温韌性、斷裂韌性、高温蠕變強度、持久強度、疲勞性能以及耐蝕性、耐磨性等。

對於熔焊來説，焊接過程一般包括冶金過程和熱過程這兩個必不可少的過程。在焊接接頭區域，冶金過程主要影響焊縫金屬的組織和性能，而熱過程主要影響熱影響區的組織和性能。由此提出了冶金焊接性和熱焊接性的概念。

①冶金焊接性

冶金焊接性是指熔焊高温下的熔池金屬與氣相、熔渣等相之間發生化學冶金反應所引起的焊接性變化。這些冶金過程包括：合金元素的氧化、還原、蒸發，從而影響焊縫的化學成分和組織性能；氧、氫、氮等的溶解、析出對生成氣孔或對焊縫性能的影響；在焊縫結晶及冷卻過程中，由於焊接熔池的化學成分、凝固結晶條件以及接頭區熱脹冷縮和拘束應力等影響，有時產生熱裂紋或冷裂紋。

除材料本身化學成分和組織性能的影響之外，焊接材料、焊接方法、工藝參數、保護氣體等對冶金焊接性有重要的影響。除了在研製新材料時可以改善冶金焊接性之外，還可以通過選擇新焊接材料、新焊接工藝等途徑來改善冶金焊接性。

②熱焊接性

焊接加熱過程中要向接頭區域輸入很多熱量，對焊縫附近區域形成加熱和冷卻過程，這對靠近焊縫的熱影響區的組織性能有很大影響，從而引起熱影響區硬度、強度、韌性、耐蝕性等的變化。

與焊縫金屬不同，焊接時熱影響區的化學成分一般不會發生明顯的變化，而且不能通過改變焊接材料來進行調整，即使有些元素可以由熔池向熔合區或熱影響區粗晶區擴散，那也是很有限的。因此，母材本身的化學成分和物理性能對熱焊接性具有十分重要的意義。工業上大量應用的金屬或合金，對焊接熱過程有反應，會發生組織和性能的變化。即使是一些不發生相變的純鋁、純鎳、純鉬等，經過焊接熱過程的影響，也會由於晶粒長大或形變硬化消失而使其性能發生較大變化。

為了改善熱焊接性，除了選擇母材之外，還要正確選定焊接方法和熱輸入（如工藝參數）。例如，在需要減少焊接熱輸入時，可以選用能量密度大、加熱時間短的電子束焊、等離子弧焊等方法，並採用熱輸入小的焊接參數以改善熱焊接性。此外，焊前預熱、緩冷、水冷、加冷卻墊板、焊後熱處理等工藝措施也都可以影響熱焊接性。 ^[2] 

影響金屬焊接性的因素很多，大體可以歸納為材料、工藝條件、構件類型及使用要求等四個方面。

材料包括母材和焊接材料。與母材有關的影響因素有母材的化學成分，冶煉軋製狀態、熱處理狀態、組織狀態和力學性能等，其中尤以化學成分影響最大。

化學成分是鋼材焊接性的主要影響因素。如果鋼材只是依靠合金元素實現固溶強化，焊接過程中就容易使焊縫金屬及熱影響區與母材有良好的匹配性能。如果鋼材為較複雜的合金系，並通過熱處理、變形加工等方式實現固溶強化，則不易獲得與母材完全匹配的焊縫金屬或接頭。各種合金元素對焊接性的影響也各不相同，對鋼來説，對焊接性影響較大的元素有碳、硫、磷、氫、氧、氮等。合金元素中錳、硅、鎳、鉬、鈦、釩、鈮、銅、硼等都在不同程度上有可能增加焊接接頭的淬硬傾向和裂紋敏感性。一般而言，鋼材的焊接性將隨着含碳量和合金元素含量的增加而惡化。

鋼的冶煉方法、軋製工藝及熱處理狀態等，對焊接性也都有不同程度的影響。例如，近年來研發的各種CF鋼（抗裂鋼）、TMCP鋼（控軋鋼）等，就是通過精煉提純、控制軋製工藝等手段，以使其焊接性有重大改善。

焊接材料直接參與焊接過程一系列化學冶金反應，決定着焊縫金屬的成分、組織和缺欠的形成。如果選擇的焊接材料與母材匹配不當，不僅不能獲得滿足使用要求的接頭，還會引起裂紋等缺欠的產生和脆化等力學性能的變化，所以正確選用焊接材料是保證獲得優質焊接接頭的重要冶金條件。

工藝條件因素包括焊接方法、焊接參數、預熱、後熱及焊後熱處理等。它們對焊接性的影響，首先在於諸如其焊接熱源的特點，功率密度、功率大小等，它們直接決定接頭的温度場和熱循環的各種參數，例如熱輸入的大小、高温停留時間、相變區的冷卻速度，從而對焊縫及熱影響區範圍的大小、組織性能和產生缺欠的敏感性等有明顯的影響。其次是諸工藝方面的因素決定了熔池和近縫區的保護方式及冶金條件，例如熔渣保護、渣、氣聯合保護等都會影響冶金過程；採用焊前預熱和焊後緩冷可降低接頭的冷卻速度，有利於降低接頭的淬硬傾向和裂紋敏感性；選擇合理的焊接順序可以改善結構的拘束程度和應力狀態。此外，焊材的烘乾、焊前的清理工作等均有影響，切不可忽視。

構件因素主要有焊接結構和焊接接頭的設計形式。它們影響接頭的剛度、應力狀態等，這些因素影響接頭的力學性能及產生缺欠的傾向，所設計的焊接結構剛度過大、接頭處斷面的突然變化、接頭的缺口效應和過大的焊縫體積等，都會不同程度地造成應力集中，不利於使用。若某些部位的焊縫過於集中或存在多向應力，則影響承載能力，也會影響工藝焊接性。

這是指焊接結構的工作温度、負載條件（載荷種類、作用方式及速度等）和工作介質等。一般來説，環境温度越低，焊接結構就越易發生脆性破壞，構件使用性能要求越高，使用條件越苛刻，對焊接接頭的質量要求就越高，材料的焊接性就越不容易保證。 ^[3]