2.2　金属材料的焊接性

金属材料的可焊性，是指被焊金属材料在采用一定的焊接工艺方法、焊接材料、工艺参数及结构形式的条件下，获得优质焊接接头的难易程度。

金属材料的可焊性不是一成不变的，同一种金属材料，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别。例如铸铁用普通焊条不易保证质量，但用镍基焊条则质量较好。

根据目前的焊接技术水平，工业上应用的绝大多数金属材料都是可焊的，只是焊接时的难易程度不同而已。

2.2.1　常用金属材料的分类、牌号及用途

金属材料分钢铁材料和非铁金属材料两种，其分别由以下几类金属材料组成。

（1）钢铁材料

钢铁材料是以铁元素为基体的铁碳合金。一般情况下，碳的质量分数大于2.11％的铁碳合金称为铸铁，碳的质量分数小于2.11％的铁碳合金称为钢。钢铁材料主要包括碳素钢、合金钢、铸铁和铸钢。

①钢　钢的分类方法很多，既可按钢的冶炼方法、钢材品质、化学成分进行分类，也可依照金相组织和用途的不同进行，综合考虑上述因素，一般可按图2-12所示进行钢的分类。

a.碳素钢。碳素钢分为碳素结构钢和优质碳素工具钢。

碳素结构钢分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢等。普通碳素结构钢用Q表示，后面数字表示材料的屈服极限σ_S数值，用A、B、C、D表示质量等级。F表示沸腾钢，而镇静钢不标注。例如“Q235A”表示普通碳素结构钢，σ_S=235MPa，A级镇静钢。常用普通碳素结构钢的主要成分、性能特性与应用见表2-10。

优质碳素结构钢用两位阿拉伯数字以平均万分数表示碳的质量分数，沸腾钢后加F，镇静钢不加注字母。如“45”表示优质碳素结构钢，碳的质量分数为0.45％，镇静钢。表2-11为常用的优质碳素结构钢性能指标、主要特性与应用。

碳素工具钢用“T”表示，后面的阿拉伯数字为以平均千分数表示碳的质量分数。优质碳素工具钢在牌号尾部加“A”。例如：“T8”表示碳素工具钢，含碳的质量分数为0.8％。“T10A”表示优质碳素工具钢，含碳的质量分数为1.0％。碳素工具钢经常用于制造简单的冲模工作零件或不受振动、硬度很高的刀具等。

b.合金钢。钢中除了硅、锰、磷、硫等常存杂质之外，有时还需专门加入某些元素（如铬、钼、钨、钒、钛等），使其具有一定的特殊性能，这种钢叫合金钢。合金钢的表示方法是：首位标出的阿拉伯数字是以平均万分数表示的碳的质量分数（但是合金工具钢的平均碳的质量分数大于等于1.0％时不予标出；小于1.0％时，以千分之几表示。不锈钢、耐热钢、高速钢等的含碳量，一般也不予标出）。合金元素的含量标在该元素符号之后，是以百分数表示该元素的质量分数，但要将小数化为整数。如果合金元素的平均质量分数小于1.5％，则不标出其含量。如“12Cr2Ni4”表示合金钢主要成分的质量分数C为0.12％、Cr为2％、Ni为4％。

合金钢按用途可分为：用于制造机械零件和工程结构的合金结构钢，用于制造各种加工工具的合金工具钢，具有某种特殊物理、化学性能的特殊性能钢等三种；按所含合金元素总含量可分为：低合金钢（合金元素总含量<5％），中合金钢（合金元素总含量5％～10％），高合金钢（合金元素总含量>10％）。

合金结构钢：合金结构钢按用途可分为低合金结构钢和机械制造用钢两类。

低合金结构钢是在碳素结构钢的基础上加入少量合金元素形成的。主要用于各种工程结构，如桥梁、建筑、船舶、车辆、高压容器等。这类钢大多数是在热轧空冷状态下使用，焊接成构件后不再进行热处理，经常用来冷弯、冷卷和焊接。

机械制造用钢主要用于制造各种机械零件。通常都是优质或高级优质合金结构钢，一般须经热处理，以发挥材料力学性能的潜力。按照其用途和热处理条件、特点可分为渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚珠轴承钢和超高强度钢。

合金渗碳钢的含碳量为0.10％～0.20％，一般采取渗碳淬火、低温回火后获得，其特点是工作表面具有高硬度、高耐磨性，心部具有良好的塑性和韧性，主要用于制造承受强烈冲击载荷和摩擦、磨损的机械零件。如20CrMnTi，可制造汽车、拖拉机上的变速齿轮和传动轴。

合金调质钢的含碳量一般为0.25％～0.50％，常加入铬、硅、锰、镍、硼等合金元素以增加钢的淬透性，并提高硬度。一般经调质（淬火后高温回火）处理后获得，其特点是具有良好的综合力学性能。主要用于制造形状较复杂、尺寸较大、承受载荷较大的重要零件。如汽车、拖拉机、机床等所使用的齿轮、主轴、连杆、高强度螺栓等。40Cr钢是最常用的合金调质钢，其强度比40钢提高20％。合金调质钢的热处理工艺为调质（淬火后高温回火），若要求零件表面具有很高的耐磨性，可在调质后再进行表面淬火或化学处理。

合金弹簧钢的含碳量一般在0.45％～0.75％，是在碳素弹簧钢的基础上加入合金元素后形成的钢，其特点是具有高的弹性和疲劳极限、足够的塑性和韧性以及良好的表面质量，主要用于制造机车、汽车板簧等截面较大的弹性零件。如经常用来制造8～15mm以下小型弹簧的65Mn钢。

滚珠轴承钢用来制造各种轴承的滚珠、滚柱和内外套圈，也可用来制造各种工具和耐磨零件。应用最广的是高碳铬钢，含碳量0.95％～1.05％，含铬量0.40％～1.65％，如GCr15主要用于制造中小型滚珠轴承。

超高强度钢是指屈服强度大于1300N/mm²，抗拉强度大于1400N/mm²的钢。是在合金调质钢的基础上，加入多种合金元素而发展起来的，主要用于航空和航天工业，如35Si2MnMoVA钢，其抗拉强度可达1700N/mm²，用于制造飞机起落架、框架等。

合金工具钢：合金工具钢按用途可分为刀具钢、模具钢和量具钢。

合金刀具钢主要用来制造车刀、铣刀、钻头等各种金属切削刀具。刀具钢要求高硬度、耐磨、红硬性高（在高温下保持高硬度的能力），有足够的强度和韧性。合金刀具钢又分为低合金刀具钢和高速钢。

低合金刀具钢是在碳素工具钢基础上加入少量铬、锰、硅等合金元素的钢。其目的是提高钢的淬透性，增加钢的强度、硬度和耐磨性。低合金刀具钢的预备热处理是球化退火，最终热处理为淬火后低温回火。

高速工具钢：高速工具钢是用于制造高速切削工具，含有钨、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。高速工具钢导热性差，淬火温度高，所以淬火加热时必须进行一次预热（800～850℃）或两次预热（500～600℃，800～850℃）。高速钢的淬透性很高，但冷却太慢时会降低钢的红硬性，所以常在油中淬火。

合金模具钢可分为冷模具钢和热模具钢。这类钢具有高的硬度、强度和耐磨性。9CrSi、CrWMn、9Mn2V、GCr15常用来制造复杂的小型冷冲模具；Cr12、Cr12MoV则经常用来制造大型冷冲模具；5CrMnMo和5CrNiMo钢经常用来制造热锻模，采用3Cr2W8V钢制造挤压模和压铸模。

合金量具钢主要用来制造高精度的量具（如量块、量规等），要求尺寸非常稳定以及有很高的硬度和耐磨性，一般选用高碳的低合金钢或滚动轴承钢来制造，如CrWMn、CrMn、GCr15等。

特殊性能钢：具有特殊物理、化学性能的钢称为特殊性能钢，常用的有不锈钢、耐热钢和耐磨钢等。

GB/T 20878—2007《不锈钢和耐热钢　牌号及化学成分》将不锈钢和耐热钢的牌号按冶金学分类列表，可分为奥氏体型、奥氏体-铁素体型、铁素体型、马氏体型和沉淀硬化型。

常用的12Cr13、20Cr13和30Cr13等马氏体型不锈钢，主要用来制作医疗器械。

常用的06Cr19Ni9、12Cr18Ni9等奥氏体型不锈钢，主要用来制作强腐蚀介质中工作的设备，如吸收塔、贮槽、管道及容器等。

常用的40Cr10Si2Mo、45Cr14Ni14W2Mo等耐热钢，在高温下具有高的抗氧化性能和较高的强度，其中45Cr14Ni14W2Mo奥氏体型耐热钢可以制造600℃以下工作的零件，如汽轮机叶片、大型发动机排气阀等。

耐磨钢主要用于制造承受严重磨损和强烈冲击的零件，如车辆履带、破碎机颚板、球磨机衬板、挖掘机铲斗和铁轨分道岔等。耐磨钢具有良好的韧性和耐磨性。高锰钢是目前最重要的耐磨钢，含碳量为0.9％～1.4％，含锰量为11％～14％。这种钢机械加工比较困难，基本上都是铸造成型。常用的高锰钢有ZGMn13-1、ZGMn13-2、ZGMn13-3和ZGMn13-4等牌号。

②铸铁　铸铁和钢相比，虽然力学性能较低，但有良好的铸造和切削加工性能，生产成本低廉，耐压、耐磨和具有减震等性能，所以在机械制造业中获得广泛应用。按质量百分比计算，铸铁在汽车、拖拉机制造中约占30％～50％，在机床制造中约占60％～90％。在铸铁中，碳可以以渗碳体（C_m）的形式存在，也可以以石墨（C7）的形式存在。根据碳的存在形式，铸铁可分为白口铸铁、灰口铸铁和麻口铸铁。若根据铸铁中石墨的形态，铸铁可以分为灰口铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁等。

灰口铸铁牌号的前两个字母用“HT”（“灰铁”两字的汉语拼音字母）表示，其后的数字表示最低抗拉强度，如最低抗拉强度100MPa的灰口铸铁可用HT100表示；球墨铸铁牌号的前两个字母用“QT”（“球铁”两字的汉语拼音字母）表示，后面的两组数字依次代表最低抗拉强度和最低延伸率，如QT400-17表示最低抗拉强度为400MPa、最低延伸率为17％的球墨铸铁；可锻铸铁牌号的前两个字母用“KT”（“可铁”两字的汉语拼音字母）表示，后面的两组数字依次代表最低抗拉强度和最低延伸率。“KTH”表示黑心可锻铸铁，“KTZ”表示珠光体可锻铸铁。如KTZ450-06表示最低抗拉强度为450MPa、最低延伸率为6％的珠光体可锻铸铁。

灰口铸铁价格便宜，在各类铸铁中，产量约占80％以上。灰口铸铁（铸铁中的碳以片状石墨的形式存在）可以通过热处理改变基体组织，但不能改变其石墨形态和分布，因而对提高灰铸铁的力学性能作用不大；球墨铸铁（铸铁中的碳以球状石墨的形式存在）具有良好的力学性能和加工工艺性能，并能通过热处理使其力学性能在较大范围内变化，因此，它可以代替碳素铸钢、合金铸钢和可锻铸铁，制造一些受力复杂，对材料强度、硬度、韧性和耐磨性要求较高的零件；可锻铸铁俗称玛铁、马铁，可通过石墨化或氧化脱碳处理，改变其组织或成分后获得较高韧性，因而可锻铸铁比灰铸铁有较高的强度，并且具有一定的塑性和韧性，可以代替部分锻钢使用。

③铸钢　铸钢的性能比铸铁更好。对于一些形状复杂的零件很难用锻压成形，用铸铁又不能满足机件的性能要求，此时常选用铸钢。铸钢一般用于制造形状复杂、力学性能要求较高的重型机械零件，如轧钢机机架、水压机横梁、锻锤砧座等。其含碳量一般在0.20％～0.60％之间，含碳量过高，则钢的塑性差且易产生裂纹。铸钢牌号的前两个字母用“ZG”（“铸钢”两字汉语拼音字母）表示，后面的两组数字依次代表屈服强度值和抗拉强度值，如ZG200-400，表示屈服强度为200MPa，抗拉强度为400MPa的铸钢。

（2）非铁金属材料

除钢铁之外的铝、镁、铜、铅等金属及其合金统称为非铁金属材料。在金属材料中，非铁金属材料占有重要地位。其中铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金等具有密度小、比强度高、耐热、耐蚀和导电等特性，且明显优于普通钢，甚至超过某些高强度钢，所以成为焊接构件中不可缺少的金属材料。

表2-12给出了常用有色金属的力学性能、主要特性及与应用。

2.2.2　常用金属材料的焊接性

可焊性的确定主要包括两方面的内容：一是焊接接头产生工艺缺陷的倾向，尤其是出现各种裂缝的可能性；二是焊接接头在使用中的可靠性，包括焊接接头的力学性能及其他特殊性能。金属材料这两方面的可焊性均可通过估算和试验方法确定。

（1）估算钢材可焊性的方法

实际焊接结构所用的金属材料绝大多数是钢材。影响钢材可焊性的主要因素是化学成分。各种化学元素加入钢中以后，对焊接热影响区的淬硬程度影响不同，产生裂缝的倾向也不同。各类化学元素对金属的可焊性主要有以下方面的影响。

①碳　碳和铁是组成钢的主要元素，当碳含量在0.27％以下时，对可焊性尚无不利影响，但当含量增大时，就会导致裂纹和气孔，可焊性变坏。

②硅　硅是强烈的脱氧剂，使焊缝致密均匀，但含量超过0.5％以上时，易使焊缝夹渣。

③锰　当锰含量低于1％时，可增加焊缝的强度和韧性，并减少熔焊过程中的飞溅和氧化作用，当大于此量时，则易产生裂纹和夹渣。

④硫和磷　硫和磷对钢的可焊性有极恶劣的影响，易使焊缝产生裂缝和夹渣，故其含量应尽量低，一般不超过0.05％。

⑤铬　铬能使钢的可淬性增强，当它的含量在0.3％以下时，对焊接无不利影响，若大于此值，易产生裂纹和夹渣。但是，铬与其他合金成分（如钼、钒、镍等）共存时，其含量增加到1.7％时，对焊接仍无不利影响。

⑥钼　钼可提高钢的热机械强度，在锅炉管材中的含量常不超过0.6％。钼钢在焊缝的热影响区易产生裂纹。

⑦镍　当镍含量在0.3％以下时，对焊缝无不利影响，但镍容易与氧化合而形成氧化物夹渣。

⑧钒　钒能使金属晶粒组织变细，并增强对过热的抵抗力。当钒含量在0.5％以下时，对焊接无不利影响，但含量增大时，则使钢具有可淬性。

⑨铜　当铜含量在0.5％以下时，对焊接无不利影响。在铜、镍并存的情况下，含量即使达到1.7％亦无不利影响。

在上述各种元素中，碳的影响最明显，因此，常用碳当量法来估算被焊钢材的可焊性（硫、磷对钢材焊接性能影响也极大，但在各种合格钢材中，硫、磷一般都受到严格控制）。

碳钢及低合金结构钢常用的碳当量计算公式为：

式中，C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu为钢中该元素含量的百分数。

根据经验，当C_当量<0.4％时，钢材的淬硬倾向不明显，可焊性优良，焊接时一般不需预热（但对厚大件或在低温下焊接，也应考虑预热）。

当C_当量=0.4％～0.6％时，钢材的淬硬倾向逐渐明显，可焊性较差，需要采用适当的预热和一定的工艺措施。

当C_当量>0.6％时，钢材的淬硬倾向强，可焊性不好，需要采取较高的预热温度和严格的工艺措施。

但应注意的是，钢材的可焊性除与其化学成分有关外，还受金属组织的影响。如在焊接时，由于受热集中、冷却急骤以及化学成分不均匀等原因，使焊缝及热影响区（焊缝附近基本金属）的组织发生变化，因而引起内应力。同时，促使力学性能降低。当产生淬火组织（如马氏体、托氏体）时，则金属塑性降低，脆性增大，因而焊接时易产生裂纹。一般低碳钢和低合金钢的正常组织是铁素体和珠光体的混合物，所以比较容易焊接；淬火组织仅在很恶劣的条件下进行焊接或焊接特殊钢时才会产生。因此，当焊接淬火倾向大的金属时，要制定严格的焊接制度，尽可能选用缩小热影响区的施焊方法，以保证焊接质量。

此外，钢材可焊性还受结构刚度、焊后应力条件、环境温度等因素的影响。例如，当钢板厚度增加时，结构刚度增大，焊后残余应力也较大，焊缝中心将出现三向拉应力，这时钢材实际允许碳当量值将降低；并且可焊性较好的钢材，若在低温下焊接时，也有可能出现裂缝。

由此可见，利用碳当量法估算钢材可焊性是粗略的，在实际工作中确定材料可焊性时，除利用碳当量法进行初步估算外，还应根据情况进行抗裂试验，并配合进行焊接接头使用可靠性的试验，以作为制定合理工艺规程的依据。

（2）常用钢材的焊接性

表2-13～表2-15给出了常用钢材、有色金属、铸铁的焊接性。

异种金属间的焊接性参见表2-16。