金属材料焊接性的影响因素分析

摘要：金属材料的焊接性的好坏不仅是工程结构材料选择时的决定因素，也是选择焊接方法、焊接材料、焊接工艺的关键因素。不同的金属材料的焊接性不仅跟材料的本身有关，还受很多外在因素的影响，所以，在选择焊接产品材料时既要考虑材料的成分、性能，又要考虑其他因素的影响，只有这样才能使选用的材料符合工程产品的要求。

关键词：金属材料；焊接性；因素；分析

不同的金属材料获得优质的焊接接头的难易程度不同，选择相对应的合适的焊接方法、焊接材料、焊接工艺就很重要，所以金属材料的焊接性是一个很重要的指标。所谓金属材料的焊接性是指在限定的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。或者说金属材料的焊接性是指金属材料在一定的焊接工艺条件下获得完整焊接接头的能力，并且在一定的服役条件下安全运行的能力。也就是说金属材料的焊接性要具备两种能力：一是要容易获得完整的焊接接头（外观和内在的质量要合格），说白了就是容易焊接成形，获得符合要求、优质外观美观、无缺陷的焊接接头的能力了；二是使用性，在一定的工作条件下（如低温环境、高温环境、动载荷、静载荷、腐蚀环境等）要能够安全使用不出现问题。

金属材料的焊接性其实是一个相对的概念。对于同一种金属材料当选用不同的焊接工艺、不同的焊接方法设备、不同的焊接材料时，所表现出来了金属焊接性差异很大。当焊接结构选定了金属材料时，进而选用适合这种材料焊接成形的焊接方法和焊接工艺。例如一种金属材料采用现行的焊接方法焊接出来的焊缝效果不理想，那么随着新的焊接方法的开发和焊接工艺的完善，这种金属材料的焊接性可能会得到很好的改善。另外，随着新的金属材料的出现以及对焊接结构的使用和服役条件有更高的要求时，也会带来新的焊接性问题。金属材料的焊接性不仅与金属材料本身有至关重要的关系，而且还与其他因素密切相关，具体分析如下。

1.金属材料本身因素

金属材料本身的成分和物理化学性能对金属材料的焊接性的好坏起着决定性的作用。其中金属材料的化学成分是最主要的影响因素，它决定着热影响区的淬硬倾向、脆化倾向和产生裂纹的敏感性，同时金属材料的冶金轧制状态、热处理条件、组织和力学性能也影响着金属材料的焊接性的好坏。如果钢材只是依靠合金元素来实现固溶强化，一般情况下在焊接过程中最易使焊缝金属、热影响区以及母材有良好的相匹配性能。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强化，则不易获得与母材完全匹配的焊缝金属，甚至整个焊接接头。一般来说，钢材的焊接性将随含碳量增加而恶化，而适当的合金元素含量加入能提高焊接性，否则合金元素含量过量焊接性将急剧恶化。 2.焊接材料因素

焊接材料和母材熔化之后共同形成焊缝，焊接材料和母材在熔池发生一系列的冶金反应，决定着焊缝金属的成分、组织、性能和焊接缺陷的形成，所以焊接材料对金属材料的焊接性起着极其重要的作用，不容忽视。对于不同的金属材料选择相对应的能形成良好焊接接头的焊接材料，不同的焊接方法选择的焊接材料不同。在选择焊接材料时要和母材金属相匹配，否则不仅不能获得完整的优质的

焊接接头，还会引起焊接缺陷的产生和组织性能的变化，使金属材料的工艺焊接性变差。

3.结构设计因素

结构设计形式包括焊接结构设计形式和焊接接头的设计形式。结构方面有结构形状、尺寸、钢材的厚度、受力状态等，焊接接头的设计形式有接头形式、坡口形式、焊缝布置等，这些设计都影响着焊接接头的力学性能和受力状态。板厚不同、接头形式不同其热传导方向和传递速度不同，对熔池金属的结晶方向和晶粒长大的速度产生影响，从而影响焊接接头的力学性能。结构的形状、板的厚度、焊缝的布置决定接头的刚度和拘束度，对焊接接头的应力状态产生一定的影响。焊接接头的结晶形态不良，有严重的应力集中和较大的焊接应力极有可能造成焊接裂纹的产生。

在焊接接头设计时要应使接头处的应力处于较小的状态，能够自由收缩，这样有利于减小应力集中和防止焊接裂纹。另外，要尽量避免接头处截面突变、余高过高、交叉焊缝等，这样对减小焊接接头的应力集中有利和防止产生焊接裂纹。对于体积和重量有要求的焊接结构，在设计时应尽量选择比强度较高的金属材料，从而达到缩小体积、减轻结构产品重量的目的。对体积和重量无特殊要求的焊接结构，尽量选用强度等级较高的材料，从而可以减轻焊接结构的重量，同时可以节约母材和焊材，避免大型结构吊装和运输上的困难，并且能够提高焊接结构的承载能力。 4.焊接工艺因素

焊接工艺因素有焊接方法、焊接参数和工艺措施等。焊接方法不一样，热源的集中程度就不一样，对接头的影响就不一样，对熔池的保护方式也不一样，这些都影响着金属材料的焊接性。对于能量集中的焊接方法，热源对母材的热影响区小，对形成的接头的组织和性能优良，金属材料的焊接性就良好。对于能量分散的焊接方法，热源对母材的加热面积大，热影响区大，对接头的组织和力学性能造成不良的影响，材料的焊接性就会变差。例如：铝及其合金当采用气焊进行焊接时，则不容易焊接完成，且容易造成焊接缺陷；当采用氩弧焊时焊接就能顺利进行，能形成较好的焊接接头且不易产生焊接缺陷，说明采用氩弧焊时的焊接性良好。

焊接参数同样影响着金属材料的焊接性。一种焊接方法当采用不同的焊接参数时，表现出来的焊接性差别很大，只有选择适当的焊接参数，才能保证金属材料的焊接性良好。

焊接工艺措施有焊前预热、控制层间温度、缓冷、焊后后热、合理安排焊接顺序等。对于薄件来说一般不需要焊前进行预热，对于厚度较大的、刚度大、有拘束度的金属材料需要进行焊前预热，必要时进行缓冷和后热。对于多层焊的还要合理控制层间温度，焊道与焊道之间也要合理错开，避免集中。对于有淬硬倾向的刚度大的金属材料焊后要合理进行热处理，避免产生脆硬组织、减少应力产生和防止焊接裂纹。合理的焊接顺序能减小焊接应力的产生、减小焊接变形，使焊接结构既能符合工艺焊接性又能符合使用焊接性的要求。另外，焊前对金属材料的切割、冷加工、装配等工序应符合材料的特点，以免造成局部硬化、脆化、应力集中而引起焊接裂纹等缺陷。 5.服役环境条件因素

焊接结构服役的条件多种多样，比如结构所处的环境温度、工作温度、所承受的载荷的性质大小、工作介质等。在高温环境下服役的焊接结构要求金属材料具

有足够高的高温强度、良好的化学稳定性与组织稳定性、较高的蠕变强度，而在常温下服役的焊接结构，则要求金属材料在自然环境下具有良好的力学性能即可。焊接结构在工作温度较低的环境服役时或受冲击载荷时，要特别注意金属材料在最低环境温度下的性能，尤其是冲击韧性，以防止低温脆性破坏。当焊接结构的工作介质是腐蚀介质时，要求焊接区具有耐腐蚀性。服役条件越苛刻，对焊接接头的要求就越高，金属材料的焊接性就相对越差。

综上分析，影响金属材料焊接性的因素很多，其中金属材料本身对焊接性的影响非常重要，但金属材料的焊接性是多种因素共同作用的结果，是取决于金属材料本身和焊缝金属的化学成分、焊接结构和焊接接头的设计、焊接方法、焊接工艺等的一种综合性能。只有把各个因素综合起来分析，才能确定金属材料的焊接性的好坏，而不能脱离任何因素简单说某种金属材料的焊接性好与坏。

参考资料

[1]王现荣.金属材料焊接[M].北京：北京理工大学出版社，2012.