材料的焊接性对焊接质量及焊接成本的影响

【摘 要】:随着社会经济的发展，人们对材料的焊接性及其对焊接质量和焊接成本的影响越来越重视。文章简单介绍了材料的焊接性，探讨了材料的焊接性对焊接质量和焊接成本的影响，为了降低材料焊接性对质量和成本的影响，设计者在考虑所选材料的各项物理机械性能的时候,还应重视材料的焊接性。

【关键词】：材料；焊接性；质量；成本；影响

中图分类号：P755.1文献标识码： A 文章编号：

引言

文章在简要论述金属材料(主要是钢铁材料)焊接性的基础上,分析了材料对焊接钢结构产品的质量和焊接成本的影响,期望能为设计工程师在设计选材时提供参考,使设计者在对材料的刚度、弹性、耐磨性以及防腐性等物理、机械性能给以考虑的同时,也能对材料的焊接性足够的重视。影响焊接质量和焊接成本的因素有很多,对设计者来说,重点应考虑的是材料的焊接性。

一、材料的焊接性

焊接性是指在对材料进行焊接加工时，材料的适应性。具体是指在一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构型式下，能否获得优质焊接接头的难易程度和该焊接接头能否在使用条件下可靠运行。焊接性的具体内容可分为工艺焊接性和使用焊接性。

1、工艺焊接性是指在一定焊接工艺条件下，能否获得优质致密、无缺陷焊接接头的能力。对于熔化焊来讲。焊接过程一般都要经历传热和冶金反应。因此，工艺焊接性又分为“热焊接性”和“冶金焊接性”。热焊接性是指在焊接热过程条件下。对焊接热影响区组织性能及产生缺陷的影响程度。它是评定被焊金属对热的敏感性，主要与被焊材质及焊接工艺条件有关。冶金焊接性是指冶金反应对焊缝性能和产生缺陷的影响程度。

2、使用焊接性是指焊接接头或整体结构满足技术条件所规定的各种使用性能的程度。其中包括常规的力学性能、疲劳性能、持久强度、以及抗腐性、低温韧性、抗脆断性能、高温蠕变、耐磨性能等。

二、材料的焊接性与焊接质量

1、焊接质量

过去人们一提到焊接质量,首先想到的就是焊缝质量,这是因为早期用于制造焊接钢结构的材料,主要是低碳钢,焊缝的质量在整个焊接结构中起着决定性的作用,因此,当时人们把主要注意力集中在解决焊缝中存在的问题是必然的。随着科学技术和焊接技术的发展,各种高强钢、合金钢以及某些有色金属等已被广泛应用到焊接结构产品中来。在这种情况下,焊接质量就不仅仅取决于焊缝,有时热影响区(包括熔合线)的质量对焊接接头乃至整个钢结构产品的质量都起着至关重要的作用,所以,现在所讲的焊接质量应当是包括焊缝金属、熔合线和热影响区母材金属在内的整个焊接接头的质量。而热影响区性能的好坏,与母材的化学成分和性能即母材的焊接性有着直接的关系,因此选择焊接性好的材料对保证焊接质量是非常重要的。

2、焊接接头各区的组织形态和性能

焊接接头各部位金属的性能与母材存在着很大的差异,造成这一差异的原因是焊接接头各部位金属的化学成分和(或)金相组织形态与母材有很大差别。以熔化极电弧焊为例,焊缝金属是由被焊部位母材金属与填充金属(如焊丝、焊条等)重新组合、重新熔化和重新冶炼而成的近似于铸造组织形态的金属,它的化学成分和金相组织与母材不同,热影响区是由于焊接时产生的高温使母材在金相组织和性能发生变化的区域,在热影响区内,各点金属经历的最高温度随其距离焊缝远近不同而各异,因此各点的组织形态也有相应的差别。根据组织特征和距焊缝的远近可将热影响区依次分为熔合区、过热区、相变重结晶区和不完全重结晶区等四个区域。由于各区组织形态不同,因此性能各异,突出表现在过热区冲击韧性的降低,对于时效敏感性较强的钢种,在靠近热影响区的附近,虽然组织未发生变化,但也有可能产生脆化现象,使接头的韧性下降。

3、材料的焊接性对焊接质量的影响

材料的焊接性对焊接质量的影响是非常明显的,焊接性的优劣就是衡量金属材料对焊接加工的难易程度,若想容易地获得优质焊接接头,被焊材料不具备良好的焊接性是很难达到目的的。例如Q235钢,用普通低碳钢焊条焊接就能容易地获得优质无缺陷的接头,不需要复杂的工艺措施。如果用同样的焊条和工艺来焊接铸铁的话,则往往会产生裂纹、剥离等严重的焊接缺陷,即使采取一定的工艺措施来防止裂纹等缺陷的产生,也常会由于熔合线附近存在着极为硬脆的不能进行加工的白口组织而无法使用,这是因为铸铁的焊接性不如Q235钢好的缘故,故不易获得优质的焊接接头,更谈不上保证焊接质量了。如，目前我国新研制的桥梁钢14MnNbq与15MnVNq相比,由于前者的焊接性好于后者,因此,除了所用的焊接材料不同外,其焊接工艺也有所不同。以板厚25~32mm钢板的对接埋弧焊为例,焊接14MnNbq钢时需预热80~120e,而焊接15MnVNq则需160~180e,预热温度的提高,增加了人力、物力和能源的消耗,从而增加了焊接成本。又如用于制造九江长江大桥钢梁的15MnVNq钢,通过对试验材料的力学试验研究认为,该钢具有良好的抗低温脆断的能力,各项性能指标基本上达到了大桥设计要求,但是通过焊接性研究却发现接头的冲击韧性有较大幅度的降低。所以,在条件允许的情况下,尽量采用焊接性相对较好的材料,对简化焊接工艺、提高焊接质量和降低焊接成本都是有利的。

虽然在采取了预热等措施的条件下能够得到完好的焊缝外观,但热影响区的冲击韧性与母材相比仍然下降太多,不能满足焊接质量要求。因此,只从焊接材料和焊接工艺的改进上提高接头的冲击韧性是极为有限的,不能解决其根本问题,事实证明,优化后的钢板明显的提高了材料的焊接性,接头热影响区的冲击韧性有了大幅度提高,焊接接头的性能得到了较大的改善,为焊接生产提供了可靠的质量保证。这充分体现了材料的焊接性对钢结构产品焊接质量的重要影响。

三、材料的焊接性与焊接成本

材料的焊接性除了影响焊接质量外对焊接成本也有很大的影响。由于现代焊接材料和焊接技术的不断发展,过去一些难焊金属或是不能进行焊接加工的金属材料,在特定的条件下进行焊接也能够得到较为满意的焊接接头,但会增加一定的焊接成本。仍以铸铁为例,上述内容中已经提到用低碳钢焊条焊接铸铁较难获得满意的接头,但如果用铸铁焊条或者不锈钢焊条进行焊接的话,可以比较容易的获得较好的焊接接头，然而铸铁焊条和不锈钢焊条的价格要比普通低碳钢焊条高出许多。例如，目前我国最新研制的的桥梁钢14MnNbq，它与15MnVNq相比,由于前者的焊接性比后者好,所以,除了所用的焊接材料不同外,它们的焊接工艺也不相同。如果以板厚25～32mm的钢板的对接埋弧焊，当焊接14MnNbq钢时需预热80～120℃,而焊接15MnVNq就需要需160～180℃,预热温度的提高,造成了人力物力资源的浪费,从而导致了焊接成本的增加。因此,在条件允许的情况下,采用焊接性相对较好的材料,对简化焊接工艺和降低焊接成本都是有利的。

结束语

总的来说，在焊接材料产品的设计中,设计工程师在对所选材料的物理和机械性能关注的同时,还应充分考虑下述方面：(1)焊接质量与焊缝和焊接热影响区的质量都有关系，更有甚者焊接热影响区的质量会成为焊接接头乃至整个产品质量的控制因素。(2)重视材料的焊接性，可以保证焊接质量。(3)选择焊接性好的材料制造焊接产品可简化焊接工艺、提高焊接质量以及降低焊接成本。

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