2.2　金屬材料的焊接性

金屬材料的可焊性，是指被焊金屬材料在采用一定的焊接工藝方法、焊接材料、工藝參數及結構形式的條件下，獲得優質焊接接頭的難易程度。

金屬材料的可焊性不是一成不變的，同一種金屬材料，采用不同的焊接方法及焊接材料，其可焊性可能有很大的差別。例如鑄鐵用普通焊條不易保證質量，但用鎳基焊條則質量較好。

根據目前的焊接技術水平，工業上應用的絕大多數金屬材料都是可焊的，只是焊接時的難易程度不同而已。

2.2.1　常用金屬材料的分類、牌號及用途

金屬材料分鋼鐵材料和非鐵金屬材料兩種，其分別由以下幾類金屬材料組成。

（1）鋼鐵材料

鋼鐵材料是以鐵元素為基體的鐵碳合金。一般情況下，碳的質量分數大于2.11％的鐵碳合金稱為鑄鐵，碳的質量分數小于2.11％的鐵碳合金稱為鋼。鋼鐵材料主要包括碳素鋼、合金鋼、鑄鐵和鑄鋼。

①鋼　鋼的分類方法很多，既可按鋼的冶煉方法、鋼材品質、化學成分進行分類，也可依照金相組織和用途的不同進行，綜合考慮上述因素，一般可按圖2-12所示進行鋼的分類。

a.碳素鋼。碳素鋼分為碳素結構鋼和優質碳素工具鋼。

碳素結構鋼分為普通碳素結構鋼和優質碳素結構鋼等。普通碳素結構鋼用Q表示，后面數字表示材料的屈服極限σ_S數值，用A、B、C、D表示質量等級。F表示沸騰鋼，而鎮靜鋼不標注。例如“Q235A”表示普通碳素結構鋼，σ_S=235MPa，A級鎮靜鋼。常用普通碳素結構鋼的主要成分、性能特性與應用見表2-10。

優質碳素結構鋼用兩位阿拉伯數字以平均萬分數表示碳的質量分數，沸騰鋼后加F，鎮靜鋼不加注字母。如“45”表示優質碳素結構鋼，碳的質量分數為0.45％，鎮靜鋼。表2-11為常用的優質碳素結構鋼性能指標、主要特性與應用。

碳素工具鋼用“T”表示，后面的阿拉伯數字為以平均千分數表示碳的質量分數。優質碳素工具鋼在牌號尾部加“A”。例如：“T8”表示碳素工具鋼，含碳的質量分數為0.8％。“T10A”表示優質碳素工具鋼，含碳的質量分數為1.0％。碳素工具鋼經常用于制造簡單的沖模工作零件或不受振動、硬度很高的刀具等。

b.合金鋼。鋼中除了硅、錳、磷、硫等常存雜質之外，有時還需專門加入某些元素（如鉻、鉬、鎢、釩、鈦等），使其具有一定的特殊性能，這種鋼叫合金鋼。合金鋼的表示方法是：首位標出的阿拉伯數字是以平均萬分數表示的碳的質量分數（但是合金工具鋼的平均碳的質量分數大于等于1.0％時不予標出；小于1.0％時，以千分之幾表示。不銹鋼、耐熱鋼、高速鋼等的含碳量，一般也不予標出）。合金元素的含量標在該元素符號之后，是以百分數表示該元素的質量分數，但要將小數化為整數。如果合金元素的平均質量分數小于1.5％，則不標出其含量。如“12Cr2Ni4”表示合金鋼主要成分的質量分數C為0.12％、Cr為2％、Ni為4％。

合金鋼按用途可分為：用于制造機械零件和工程結構的合金結構鋼，用于制造各種加工工具的合金工具鋼，具有某種特殊物理、化學性能的特殊性能鋼等三種；按所含合金元素總含量可分為：低合金鋼（合金元素總含量<5％），中合金鋼（合金元素總含量5％～10％），高合金鋼（合金元素總含量>10％）。

合金結構鋼：合金結構鋼按用途可分為低合金結構鋼和機械制造用鋼兩類。

低合金結構鋼是在碳素結構鋼的基礎上加入少量合金元素形成的。主要用于各種工程結構，如橋梁、建筑、船舶、車輛、高壓容器等。這類鋼大多數是在熱軋空冷狀態下使用，焊接成構件后不再進行熱處理，經常用來冷彎、冷卷和焊接。

機械制造用鋼主要用于制造各種機械零件。通常都是優質或高級優質合金結構鋼，一般須經熱處理，以發揮材料力學性能的潛力。按照其用途和熱處理條件、特點可分為滲碳鋼、調質鋼、彈簧鋼、滾珠軸承鋼和超高強度鋼。

合金滲碳鋼的含碳量為0.10％～0.20％，一般采取滲碳淬火、低溫回火后獲得，其特點是工作表面具有高硬度、高耐磨性，心部具有良好的塑性和韌性，主要用于制造承受強烈沖擊載荷和摩擦、磨損的機械零件。如20CrMnTi，可制造汽車、拖拉機上的變速齒輪和傳動軸。

合金調質鋼的含碳量一般為0.25％～0.50％，常加入鉻、硅、錳、鎳、硼等合金元素以增加鋼的淬透性，并提高硬度。一般經調質（淬火后高溫回火）處理后獲得，其特點是具有良好的綜合力學性能。主要用于制造形狀較復雜、尺寸較大、承受載荷較大的重要零件。如汽車、拖拉機、機床等所使用的齒輪、主軸、連桿、高強度螺栓等。40Cr鋼是最常用的合金調質鋼，其強度比40鋼提高20％。合金調質鋼的熱處理工藝為調質（淬火后高溫回火），若要求零件表面具有很高的耐磨性，可在調質后再進行表面淬火或化學處理。

合金彈簧鋼的含碳量一般在0.45％～0.75％，是在碳素彈簧鋼的基礎上加入合金元素后形成的鋼，其特點是具有高的彈性和疲勞極限、足夠的塑性和韌性以及良好的表面質量，主要用于制造機車、汽車板簧等截面較大的彈性零件。如經常用來制造8～15mm以下小型彈簧的65Mn鋼。

滾珠軸承鋼用來制造各種軸承的滾珠、滾柱和內外套圈，也可用來制造各種工具和耐磨零件。應用最廣的是高碳鉻鋼，含碳量0.95％～1.05％，含鉻量0.40％～1.65％，如GCr15主要用于制造中小型滾珠軸承。

超高強度鋼是指屈服強度大于1300N/mm²，抗拉強度大于1400N/mm²的鋼。是在合金調質鋼的基礎上，加入多種合金元素而發展起來的，主要用于航空和航天工業，如35Si2MnMoVA鋼，其抗拉強度可達1700N/mm²，用于制造飛機起落架、框架等。

合金工具鋼：合金工具鋼按用途可分為刀具鋼、模具鋼和量具鋼。

合金刀具鋼主要用來制造車刀、銑刀、鉆頭等各種金屬切削刀具。刀具鋼要求高硬度、耐磨、紅硬性高（在高溫下保持高硬度的能力），有足夠的強度和韌性。合金刀具鋼又分為低合金刀具鋼和高速鋼。

低合金刀具鋼是在碳素工具鋼基礎上加入少量鉻、錳、硅等合金元素的鋼。其目的是提高鋼的淬透性，增加鋼的強度、硬度和耐磨性。低合金刀具鋼的預備熱處理是球化退火，最終熱處理為淬火后低溫回火。

高速工具鋼：高速工具鋼是用于制造高速切削工具，含有鎢、鉻、釩等合金元素的高合金工具鋼。高速工具鋼導熱性差，淬火溫度高，所以淬火加熱時必須進行一次預熱（800～850℃）或兩次預熱（500～600℃，800～850℃）。高速鋼的淬透性很高，但冷卻太慢時會降低鋼的紅硬性，所以常在油中淬火。

合金模具鋼可分為冷模具鋼和熱模具鋼。這類鋼具有高的硬度、強度和耐磨性。9CrSi、CrWMn、9Mn2V、GCr15常用來制造復雜的小型冷沖模具；Cr12、Cr12MoV則經常用來制造大型冷沖模具；5CrMnMo和5CrNiMo鋼經常用來制造熱鍛模，采用3Cr2W8V鋼制造擠壓模和壓鑄模。

合金量具鋼主要用來制造高精度的量具（如量塊、量規等），要求尺寸非常穩定以及有很高的硬度和耐磨性，一般選用高碳的低合金鋼或滾動軸承鋼來制造，如CrWMn、CrMn、GCr15等。

特殊性能鋼：具有特殊物理、化學性能的鋼稱為特殊性能鋼，常用的有不銹鋼、耐熱鋼和耐磨鋼等。

GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼　牌號及化學成分》將不銹鋼和耐熱鋼的牌號按冶金學分類列表，可分為奧氏體型、奧氏體-鐵素體型、鐵素體型、馬氏體型和沉淀硬化型。

常用的12Cr13、20Cr13和30Cr13等馬氏體型不銹鋼，主要用來制作醫療器械。

常用的06Cr19Ni9、12Cr18Ni9等奧氏體型不銹鋼，主要用來制作強腐蝕介質中工作的設備，如吸收塔、貯槽、管道及容器等。

常用的40Cr10Si2Mo、45Cr14Ni14W2Mo等耐熱鋼，在高溫下具有高的抗氧化性能和較高的強度，其中45Cr14Ni14W2Mo奧氏體型耐熱鋼可以制造600℃以下工作的零件，如汽輪機葉片、大型發動機排氣閥等。

耐磨鋼主要用于制造承受嚴重磨損和強烈沖擊的零件，如車輛履帶、破碎機顎板、球磨機襯板、挖掘機鏟斗和鐵軌分道岔等。耐磨鋼具有良好的韌性和耐磨性。高錳鋼是目前最重要的耐磨鋼，含碳量為0.9％～1.4％，含錳量為11％～14％。這種鋼機械加工比較困難，基本上都是鑄造成型。常用的高錳鋼有ZGMn13-1、ZGMn13-2、ZGMn13-3和ZGMn13-4等牌號。

②鑄鐵　鑄鐵和鋼相比，雖然力學性能較低，但有良好的鑄造和切削加工性能，生產成本低廉，耐壓、耐磨和具有減震等性能，所以在機械制造業中獲得廣泛應用。按質量百分比計算，鑄鐵在汽車、拖拉機制造中約占30％～50％，在機床制造中約占60％～90％。在鑄鐵中，碳可以以滲碳體（C_m）的形式存在，也可以以石墨（C7）的形式存在。根據碳的存在形式，鑄鐵可分為白口鑄鐵、灰口鑄鐵和麻口鑄鐵。若根據鑄鐵中石墨的形態，鑄鐵可以分為灰口鑄鐵、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵等。

灰口鑄鐵牌號的前兩個字母用“HT”（“灰鐵”兩字的漢語拼音字母）表示，其后的數字表示最低抗拉強度，如最低抗拉強度100MPa的灰口鑄鐵可用HT100表示；球墨鑄鐵牌號的前兩個字母用“QT”（“球鐵”兩字的漢語拼音字母）表示，后面的兩組數字依次代表最低抗拉強度和最低延伸率，如QT400-17表示最低抗拉強度為400MPa、最低延伸率為17％的球墨鑄鐵；可鍛鑄鐵牌號的前兩個字母用“KT”（“可鐵”兩字的漢語拼音字母）表示，后面的兩組數字依次代表最低抗拉強度和最低延伸率?！癒TH”表示黑心可鍛鑄鐵，“KTZ”表示珠光體可鍛鑄鐵。如KTZ450-06表示最低抗拉強度為450MPa、最低延伸率為6％的珠光體可鍛鑄鐵。

灰口鑄鐵價格便宜，在各類鑄鐵中，產量約占80％以上?；铱阼T鐵（鑄鐵中的碳以片狀石墨的形式存在）可以通過熱處理改變基體組織，但不能改變其石墨形態和分布，因而對提高灰鑄鐵的力學性能作用不大；球墨鑄鐵（鑄鐵中的碳以球狀石墨的形式存在）具有良好的力學性能和加工工藝性能，并能通過熱處理使其力學性能在較大范圍內變化，因此，它可以代替碳素鑄鋼、合金鑄鋼和可鍛鑄鐵，制造一些受力復雜，對材料強度、硬度、韌性和耐磨性要求較高的零件；可鍛鑄鐵俗稱瑪鐵、馬鐵，可通過石墨化或氧化脫碳處理，改變其組織或成分后獲得較高韌性，因而可鍛鑄鐵比灰鑄鐵有較高的強度，并且具有一定的塑性和韌性，可以代替部分鍛鋼使用。

③鑄鋼　鑄鋼的性能比鑄鐵更好。對于一些形狀復雜的零件很難用鍛壓成形，用鑄鐵又不能滿足機件的性能要求，此時常選用鑄鋼。鑄鋼一般用于制造形狀復雜、力學性能要求較高的重型機械零件，如軋鋼機機架、水壓機橫梁、鍛錘砧座等。其含碳量一般在0.20％～0.60％之間，含碳量過高，則鋼的塑性差且易產生裂紋。鑄鋼牌號的前兩個字母用“ZG”（“鑄鋼”兩字漢語拼音字母）表示，后面的兩組數字依次代表屈服強度值和抗拉強度值，如ZG200-400，表示屈服強度為200MPa，抗拉強度為400MPa的鑄鋼。

（2）非鐵金屬材料

除鋼鐵之外的鋁、鎂、銅、鉛等金屬及其合金統稱為非鐵金屬材料。在金屬材料中，非鐵金屬材料占有重要地位。其中鋁及鋁合金、銅及銅合金、鈦及鈦合金等具有密度小、比強度高、耐熱、耐蝕和導電等特性，且明顯優于普通鋼，甚至超過某些高強度鋼，所以成為焊接構件中不可缺少的金屬材料。

表2-12給出了常用有色金屬的力學性能、主要特性及與應用。

2.2.2　常用金屬材料的焊接性

可焊性的確定主要包括兩方面的內容：一是焊接接頭產生工藝缺陷的傾向，尤其是出現各種裂縫的可能性；二是焊接接頭在使用中的可靠性，包括焊接接頭的力學性能及其他特殊性能。金屬材料這兩方面的可焊性均可通過估算和試驗方法確定。

（1）估算鋼材可焊性的方法

實際焊接結構所用的金屬材料絕大多數是鋼材。影響鋼材可焊性的主要因素是化學成分。各種化學元素加入鋼中以后，對焊接熱影響區的淬硬程度影響不同，產生裂縫的傾向也不同。各類化學元素對金屬的可焊性主要有以下方面的影響。

①碳　碳和鐵是組成鋼的主要元素，當碳含量在0.27％以下時，對可焊性尚無不利影響，但當含量增大時，就會導致裂紋和氣孔，可焊性變壞。

②硅　硅是強烈的脫氧劑，使焊縫致密均勻，但含量超過0.5％以上時，易使焊縫夾渣。

③錳　當錳含量低于1％時，可增加焊縫的強度和韌性，并減少熔焊過程中的飛濺和氧化作用，當大于此量時，則易產生裂紋和夾渣。

④硫和磷　硫和磷對鋼的可焊性有極惡劣的影響，易使焊縫產生裂縫和夾渣，故其含量應盡量低，一般不超過0.05％。

⑤鉻　鉻能使鋼的可淬性增強，當它的含量在0.3％以下時，對焊接無不利影響，若大于此值，易產生裂紋和夾渣。但是，鉻與其他合金成分（如鉬、釩、鎳等）共存時，其含量增加到1.7％時，對焊接仍無不利影響。

⑥鉬　鉬可提高鋼的熱機械強度，在鍋爐管材中的含量常不超過0.6％。鉬鋼在焊縫的熱影響區易產生裂紋。

⑦鎳　當鎳含量在0.3％以下時，對焊縫無不利影響，但鎳容易與氧化合而形成氧化物夾渣。

⑧釩　釩能使金屬晶粒組織變細，并增強對過熱的抵抗力。當釩含量在0.5％以下時，對焊接無不利影響，但含量增大時，則使鋼具有可淬性。

⑨銅　當銅含量在0.5％以下時，對焊接無不利影響。在銅、鎳并存的情況下，含量即使達到1.7％亦無不利影響。

在上述各種元素中，碳的影響最明顯，因此，常用碳當量法來估算被焊鋼材的可焊性（硫、磷對鋼材焊接性能影響也極大，但在各種合格鋼材中，硫、磷一般都受到嚴格控制）。

碳鋼及低合金結構鋼常用的碳當量計算公式為：

式中，C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu為鋼中該元素含量的百分數。

根據經驗，當C_當量<0.4％時，鋼材的淬硬傾向不明顯，可焊性優良，焊接時一般不需預熱（但對厚大件或在低溫下焊接，也應考慮預熱）。

當C_當量=0.4％～0.6％時，鋼材的淬硬傾向逐漸明顯，可焊性較差，需要采用適當的預熱和一定的工藝措施。

當C_當量>0.6％時，鋼材的淬硬傾向強，可焊性不好，需要采取較高的預熱溫度和嚴格的工藝措施。

但應注意的是，鋼材的可焊性除與其化學成分有關外，還受金屬組織的影響。如在焊接時，由于受熱集中、冷卻急驟以及化學成分不均勻等原因，使焊縫及熱影響區（焊縫附近基本金屬）的組織發生變化，因而引起內應力。同時，促使力學性能降低。當產生淬火組織（如馬氏體、托氏體）時，則金屬塑性降低，脆性增大，因而焊接時易產生裂紋。一般低碳鋼和低合金鋼的正常組織是鐵素體和珠光體的混合物，所以比較容易焊接；淬火組織僅在很惡劣的條件下進行焊接或焊接特殊鋼時才會產生。因此，當焊接淬火傾向大的金屬時，要制定嚴格的焊接制度，盡可能選用縮小熱影響區的施焊方法，以保證焊接質量。

此外，鋼材可焊性還受結構剛度、焊后應力條件、環境溫度等因素的影響。例如，當鋼板厚度增加時，結構剛度增大，焊后殘余應力也較大，焊縫中心將出現三向拉應力，這時鋼材實際允許碳當量值將降低；并且可焊性較好的鋼材，若在低溫下焊接時，也有可能出現裂縫。

由此可見，利用碳當量法估算鋼材可焊性是粗略的，在實際工作中確定材料可焊性時，除利用碳當量法進行初步估算外，還應根據情況進行抗裂試驗，并配合進行焊接接頭使用可靠性的試驗，以作為制定合理工藝規程的依據。

（2）常用鋼材的焊接性

表2-13～表2-15給出了常用鋼材、有色金屬、鑄鐵的焊接性。

異種金屬間的焊接性參見表2-16。