第4章　常用金屬材料的焊接

4.1　金屬材料的可焊性

4.1.1　可焊性的概念

金屬材料的可焊性，是指被焊金屬在采用一定的焊接方法、焊接材料、工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。金屬材料在一定的焊接工藝條件下，表現(xiàn)出“好焊”和“不好焊”的差別?？珊感园▋蓚€方面：一是工藝可焊性，主要是指在不產(chǎn)生焊接缺陷的條件下，焊接工藝操作方便簡單、焊縫成形容易，焊接接頭產(chǎn)生工藝缺陷的傾向小。二是使用可焊性，主要是指焊接接頭的力學(xué)性能及其他特殊性能（如耐熱、耐蝕性能等）能達到使用要求，并在使用過程中的可靠性好。

同一種金屬材料，采用不同的焊接方法、焊接材料與焊接工藝（包括預(yù)熱和熱處理等），其可焊性可能有很大差別。例如在一般情況下鈦的焊接是比較困難的，這是因為鈦的化學(xué)活潑性很強，可焊性很不好，但采用氬弧焊進行焊接，則可焊性較好。目前鈦及其合金的焊接結(jié)構(gòu)已在航空等各個工業(yè)部門得到廣泛應(yīng)用。由于等離子弧焊接、真空電子束焊接、激光焊接等新的焊接方法相繼出現(xiàn)，使鎢、鉬、鉭、鈮、鋯等高熔點金屬及其合金的焊接也已成為可能。

根據(jù)目前的焊接技術(shù)水平，工業(yè)上應(yīng)用的絕大多數(shù)金屬材料都是可焊的，只是焊接時的難易程度不同而已。金屬材料上述兩方面的可焊性可通過估算和試驗方法來確定。了解及評價材料的可焊性，是產(chǎn)品設(shè)計、施工準(zhǔn)備及正確制訂焊接工藝的重要依據(jù)。

4.1.2　鋼材可焊性的評定方法

目前鋼材是絕大多數(shù)焊接結(jié)構(gòu)所用的金屬材料。鋼材的可焊性可以通過焊接工藝試驗直接加以評定；也可以通過鋼的化學(xué)成分間接評定，鋼中各種化學(xué)元素對焊縫組織性能、夾雜物的分布以及對焊接熱影響區(qū)的淬硬程度等影響都不同，產(chǎn)生裂縫的傾向也不同。在各種元素中以碳的影響為最大，其他合金元素的影響可折合成碳的影響，即采用碳當(dāng)量方法來估算被焊鋼材的可焊性。目前估算碳當(dāng)量經(jīng)驗公式為：式中　C，Mn，Cr，Mo，V，Ni，Cu為鋼中該元素含量的百分數(shù)。

C當(dāng)量＜0.4%時，鋼材可焊性良好，主要是這類鋼材碳當(dāng)量低，塑性良好，淬硬傾向不明顯。在一般的焊接工藝條件下，焊件不易產(chǎn)生裂縫，但對厚大工件或低溫下焊接時應(yīng)考慮預(yù)熱。

C當(dāng)量= 0.4%～0.6%時，鋼材可焊性較差，主要原因是隨碳當(dāng)量的增加，塑性下降，淬硬傾向明顯。焊接前工件需要適當(dāng)預(yù)熱、焊后應(yīng)注意緩冷，要采取一定的焊接工藝措施才能防止裂縫。

C當(dāng)量＞0.6%時，鋼材可焊性不好，主要原因是碳當(dāng)量過高，塑性過低，淬硬傾向很強。焊接前工件必須進行較高溫度的預(yù)熱，焊接時要采取各種工藝措施減少焊接應(yīng)力和防止開裂，焊后要進行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚拍鼙ＷC焊接接頭質(zhì)量。

硫、磷對鋼材焊接性能影響也很大，在各種合格鋼材中，在硫、磷都受到嚴(yán)格限制，故其影響不在考慮范圍之內(nèi)。

因為鋼材可焊性還受結(jié)構(gòu)剛度、焊后應(yīng)力條件、環(huán)境溫度等影響，故利用碳當(dāng)量法估算鋼材可焊性是粗略的。在適當(dāng)條件下除進行初步估算外，還應(yīng)根據(jù)對焊縫質(zhì)量要求的情況進行抗裂試驗及焊接接頭使用可焊性試驗，為制訂合理工藝規(guī)程與規(guī)范提供依據(jù)。

4.2　碳鋼的焊接

4.2.1　低碳鋼的焊接

低碳鋼含碳量不大于0.25%，塑性好，淬硬傾向很小，對焊接熱過程不敏感，較容易獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭，可適應(yīng)各種位置的焊接，可焊性很好。焊這類鋼時，焊接工藝簡單，焊縫產(chǎn)生裂紋和氣孔傾向小，一般不需要采取特殊的工藝措施，除電渣焊外焊后也不需要進行熱處理。

低碳鋼可以用各種焊接方法進行焊接，都能獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭。用得最廣泛的是手工電弧焊、埋弧自動焊、電渣焊、CO2保護焊和電阻焊。

當(dāng)焊接厚度大于50 mm的低碳鋼結(jié)構(gòu)時，需用大電流多層焊，焊后應(yīng)進行消除應(yīng)力退火。低溫環(huán)境下焊接較大剛度結(jié)構(gòu)時，焊接過程容易產(chǎn)生大的內(nèi)應(yīng)力，容易使構(gòu)件開裂，焊前應(yīng)對構(gòu)件預(yù)熱。

焊接低碳鋼結(jié)構(gòu)時，焊接材料及工藝的選擇主要應(yīng)保證焊接接頭與母材等強度。用手工電弧焊焊接一般低碳鋼結(jié)構(gòu)，根據(jù)選用結(jié)421、結(jié)422或結(jié)424焊條，焊接載結(jié)構(gòu)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)或厚板結(jié)構(gòu)時，應(yīng)選用結(jié)426、結(jié)427或結(jié)507焊條。應(yīng)用埋弧自動焊時，一般采用H08A或H08MnA焊絲配焊劑431進行焊接。

4.2.2　中、高碳鋼的焊接

中碳鋼含碳量為0.25～0.6，隨含碳量的增加，淬硬傾向明顯，中碳鋼屬于易淬火鋼，熱影響區(qū)被加熱超過淬火溫度的區(qū)段時，受工件低溫部分的迅速冷卻作用，將出現(xiàn)馬氏體等淬硬組織?？珊感灾饾u變差，會在淬火區(qū)產(chǎn)生熱、冷裂縫。在實際生產(chǎn)當(dāng)中，主要是焊接各種中碳鋼的鑄鋼件與鍛件。

焊接中碳鋼構(gòu)件，焊前必須進行預(yù)熱，盡量減小焊接時工件各部分的溫差，減小焊接應(yīng)力；同時減慢熱影響區(qū)的冷卻速度，避免產(chǎn)生淬硬組織。焊接時，應(yīng)選用抗裂能力較強的低氫型焊條，可根據(jù)鋼材強度選用結(jié)506、結(jié)507或結(jié)606、結(jié)607焊條，如不要求等強度，可選擇結(jié)427型強度低些的焊條，以提高焊縫的塑性。不論用那種焊條焊接中碳鋼，均應(yīng)選用細焊條小電流，開坡口進行多層焊，以防止母材過多地熔入焊縫，同時減小焊接熱影響區(qū)的寬度。

高碳鋼含碳量更高，可焊性變得更差，應(yīng)采用更高的預(yù)熱溫度，更嚴(yán)格的工藝措施才可進行焊接。實際上，高碳鋼的焊接只限于修補工作。

4.3　合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接

焊接結(jié)構(gòu)中，用得最多的是普通低合金結(jié)構(gòu)鋼。我國低合金鋼含碳量都較低，但因其他合金元素與含量不同，性能上的差異很大，所以可焊性的差別也比較大。強度級別較低的低合金鋼，含合金元素較少，碳當(dāng)量低，具有良好的可焊性；但強度級別高的低合金鋼，碳當(dāng)量較高，可焊性較差，焊接時應(yīng)采取嚴(yán)格的工藝措施。

對于強度級別較低的鋼材（如16Mn），在常溫下焊接時與對待低合金鋼一樣。在低溫或在大剛度、大厚度構(gòu)件上進行小焊腳、短焊縫焊接時，應(yīng)防止出現(xiàn)淬硬組織。要適當(dāng)增大焊接電流、減慢焊接速度、選用抗裂性強的低氫型焊條。必要時可采取預(yù)熱措施。對鍋爐、受壓容器等重要工件，當(dāng)厚度大于20 mm時，焊后必須進行退火處理，以消除應(yīng)力。

對強度級別高的低合金鋼，焊接前一般均需進行預(yù)熱。焊接時，應(yīng)調(diào)整焊接參數(shù)以控制熱影響區(qū)的冷卻速度，焊后還應(yīng)及時進行熱處理以消除內(nèi)應(yīng)力。如生產(chǎn)中不能立即進行焊后熱處理，可先進行消氫處理，即將工件加熱到200～350℃，保溫2～6 h，以加速氫的擴散逸出，防止產(chǎn)生冷裂縫。

4.4　鑄鐵的焊補

鑄鐵含碳量高，塑性很低，可焊性很差，生產(chǎn)上不考慮鑄鐵的焊接構(gòu)件，鑄鐵的焊接主要是焊補工作。以解決鑄鐵件生產(chǎn)當(dāng)中出現(xiàn)的鑄造缺陷，以及鑄鐵零件在使用過程中局部損壞或斷裂的問題，如能焊補，則具有很大的經(jīng)濟效益。

鑄鐵不易進行焊接的原因如下：

①由于焊接是局部加熱，鑄鐵焊接接頭冷卻速度較快，容易產(chǎn)生白口組織和淬火組織，硬度很高，焊后很難進行機械加工。

②鑄鐵強度低、塑性差，焊接應(yīng)力較大，并且鑄鐵含碳及硫、磷雜質(zhì)高，極易在焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生裂縫。

③鑄鐵含碳量高，焊接時易生成CO與CO2，鑄鐵凝固時間較短，熔池中氣體來不及逸出而造成氣孔。

④鑄鐵流動性好，熔池金屬容易流失，在焊補時也只適用于平焊。

根據(jù)鑄鐵的焊接特點，一般采用氣焊、手工電弧焊來焊補鑄鐵件，可分為熱焊法與冷焊法兩大類。

（1）熱焊法

熱焊法是將工件預(yù)熱到600～700℃進行焊補，焊后緩慢冷卻。熱焊法可防止工件產(chǎn)生白口組織和裂縫，焊補質(zhì)量較好，焊后可以進行機械加工。但成本較高，生產(chǎn)率低，勞動條件差。一般用于焊補形狀復(fù)雜，焊后需要加工的重要鑄件，如床頭箱、汽缸體等。

鑄鐵熱焊用氣焊進行比較方便，可以用氣焊火焰進行預(yù)熱工件和焊后緩冷，填充金屬應(yīng)使用專制的鑄鐵棒，并使用CJ201氣焊焊劑以保證焊接質(zhì)量。也可用鑄鐵焊條進行手工電弧焊焊補，藥皮成分主要是石墨、硅鐵、碳酸鈣等，以補充焊縫碳和硅的燒損，并可造渣清除雜質(zhì)。

（2）冷焊法

冷焊法是工件不預(yù)熱或只進行400℃以下低溫預(yù)熱。主要依靠焊條來調(diào)整焊縫化學(xué)成分以防止或減少白口組織和避免裂縫。冷焊法方便靈活、生產(chǎn)率高、成本低、勞動條件好，但切削加工性能較差。生產(chǎn)中多用于焊補要求不高的鑄件。焊接時，應(yīng)盡量采用小電流、短弧、窄焊縫、短焊道，并在焊后及時輕輕錘擊焊縫以松弛應(yīng)力，防止焊后開裂。

冷焊法一般是用手工電弧焊進行焊補，根據(jù)鑄鐵材料性能、焊后對切削加工的要求及工件的重要性考慮選擇焊條。一般非加工面的焊補選用鋼芯或鑄鐵芯鑄鐵焊條，一般需要加工的鑄鐵表面選用銅基鑄鐵焊條，重要鑄件加工面的焊補選用鎳基鑄鐵焊條。

4.5　有色金屬的焊接

4.5.1　銅及銅合金的焊接

銅及銅合金的焊接性不好，其主要原因如下：

①銅在液態(tài)易氧化，生成的Cu2 O與銅形成低熔點脆性共晶組織，分布在晶界形成薄弱環(huán)節(jié)；加上銅的凝固時收縮率大，導(dǎo)致了產(chǎn)生裂紋傾向大。

②液態(tài)銅吸氣性強，能吸收溶解大量的氫，凝固時氣體從熔液中析出，來不及逸出就殘存在焊縫中形成氣孔。

③銅的電阻極小，不適用于電阻焊接。

④銅合金中某些合金元素比銅更易氧化、燒損和蒸發(fā)，使銅合金的焊接性進一步下降。例如黃銅中的鋅極易燒損蒸發(fā)并生成氧化鋅，不但改變接頭化學(xué)成分、降低性能，而且容易損害工人健康。鋁青銅中的鋁，容易生成難熔的氧化鋁，增大熔渣黏度，產(chǎn)生氣孔和夾渣。

⑤銅的導(dǎo)熱性好，散熱快，達到焊接溫度較困難。因此，工件要預(yù)熱，焊接時要選用較大電流或火焰，以防止導(dǎo)熱太快而造成焊不透缺陷。

焊接紫銅和青銅的有效方法是采用氬弧焊。氬氣保護能防止熔池的氧化和吸氣。焊絲應(yīng)選用紫銅焊絲和磷青銅焊絲。焊接紫銅和錫青銅的溶劑是硼砂和硼酸，焊接鋁青銅的溶劑是氯化鹽和氟化鹽組成的溶劑。

黃銅的焊接，目前最常用的焊接方法仍是氣焊。氣焊黃銅一般用輕微氧化焰，采用含硅的焊絲，使熔池表面形成一層致密的氧化硅薄膜，阻礙鋅的蒸發(fā)和防止氫的溶入。溶劑也是硼砂和硼酸。

4.5.2　鋁及鋁合金的焊接

鋁及鋁合金的焊接性也不好，其主要原因如下：

①鋁極易氧化生成氧化鋁。氧化鋁組織致密，熔點高，覆蓋在金屬表面阻礙金屬熔合。同時氧化鋁比重大，不易上浮，使焊縫產(chǎn)生夾渣。

②鋁的導(dǎo)熱性好，散熱快，也要求使用大功率或能量集中的熱源，厚度較大時應(yīng)考慮預(yù)熱。鋁的凝固時收縮率也較大，易產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形，并可能導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。

③液態(tài)鋁吸氣性強，能吸收大量的氫，鋁在固態(tài)時又幾乎不溶解氫，因此在溶池凝固時易生成氣孔。

④鋁在高溫時強度及塑性很低，焊接時常由于不能支持熔池金屬而引起焊縫塌陷，因此常需采用墊板。

氬弧焊是焊接鋁及鋁合金較好的方法，焊接時采用與工件成分相近的焊絲，由于氬氣的保護作用和氬離子對氧化膜陰極破碎作用，可不用溶劑。

要求不高的工件也可采用氣焊，但必須使用氯化物與氟化物組成的專用鋁焊劑以除去氧化膜和雜質(zhì)。

焊接鋁及鋁合金前必須徹底清理焊件的焊接部位和焊絲表面的氧化膜與油污，否則將直接影響焊縫性能。此外，由于鋁溶劑對鋁有強烈腐蝕作用，焊后應(yīng)進行仔細沖洗，以防止溶劑對焊件的腐蝕。