焊接工藝焊縫的選擇（如何調整焊縫組織結構）

2023-10-06 15:39:23 2

獲取歐共體「諾」獎圓了組變的夢想

未滿16周歲的我，走出校門來到工廠。在第二鍛壓工具機廠當焊工時，就對焊接有著特殊的感情。每逢黑夜，看到遠處那劃破夜空比閃電還要亮的弧光。聽到氧—乙炔火焰切割的撲撲聲，我的心情就異常地激動和興奮。我對焊接太著迷、太痴情、太感興趣了。

有焊接展覽會必去，有焊接技術交流課必聽。有焊接技術表演必看，有焊接新技術必學。

有焊接難活必幹，有焊接難題必去研究、攻克。

在工作中不怕吃苦、不怕遭受挫折，在實踐中不斷地學習，在實踐中不斷地提高。教科書裡有的事例我敢幹，教科書裡沒有的事例我也敢幹。

當時，我不懂焊接理論知識，也不知道什麼是：「調整焊縫組織結構，改善焊接工藝性能」。

在工廠當焊工時，遇到過銅板與鐵板焊接的活。因為，當時沒有適用的電焊條，我就試著把銅絲纏繞在J506電焊條上，進行焊接，效果還挺好。

當焊接那些不需要焊後加工的鑄鐵時，也採用了上述的方法，效果也不錯。我就美其名曰：「這叫J506電焊條銅絲=Z612電焊條」。

在焊接黑色金屬時，我們常常會遇到以下幾種組織狀態：

⑴ 鐵素體 ⑵ 貝氏體 ⑶ 珠光體 ⑷ 馬氏體。

1.2 機械方法

機械法包括錘擊、振動焊接、脈動送線等。錘擊是常用的方法，其實質是錘擊使焊縫金屬產生塑變，彌補焊縫冷卻過程中產生的收縮，降低了焊縫中的拉應力。能有效地防止冷裂紋的產生。

1.3 電子控制技術

脈衝焊和焊接過程波形控制，（包括STT）都屬於電子控制技術。該技術能有效控制熔滴過渡和焊接熱量的輸入，從而提高了焊接質量。

因為金屬的組織結構不同，其可焊性也會不同，所採用的焊接方法與焊接工藝就隨之變化而不同。

對一些可焊性差的材料，尤其是淬火鋼材在進行熔化焊接時，一般常常採用物理方法：焊前預熱、焊後緩冷加以解決，有時甚至動用高溫退火的方法解決。或者改用釺焊的方法、機械連接或粘接方法加以解決。

採用物理方法解決焊接難題雖然很普遍，但也有時會遇到已經淬過火的模具、不鏽鋼中的馬氏體不鏽鋼、鋁合金中的脆化相鋁合金在焊接修復時；焊前退火、焊後加工完成再淬火的現象。這樣，多了道熱處理工序。不但費工、費時、還容易產生變形。所以，單純靠物理的方法來解決焊接難題；顯然就不太適宜了。

2.採用化學方法

化學方法內容廣泛，簡要介紹與後面應用實例相關的二個問題：一是合金元素的作用；二是焊接化學冶金。

2.1合金元素的作用

2.1.1.低合金結構鋼

合金元素在低合金結構鋼的作用見表2，它既適於鋼材，也適用於焊縫。這是因為多層焊時，前一層焊縫對後一層焊縫而言就是母材。

合金元素的作用

我們通過用幾十年日積月累的經驗，歷經反覆實驗得出結論：

通過用改變化學成分的方法，也可以調整焊縫組織結構，改善焊接工藝性能。

低合金結構鋼焊接性評定常用碳當量CE和焊接冷裂紋敏感性指數Pcm。國際焊接學會（FIW）推薦的CE計算公式：

CE=C Mn/6 （Cu Ni）/15 （Cr Mo V）/5（%）

公式適用條件：w（c）≥0.17%、強度級別中等（Rm=400～600MPa）的鋼材，

Pcm的計算公式：Pcm=C Si/30 （Mn Cu Cr）/20 Ni/60 Mo/15 V/10 5B（%）

公式適用條件：w（c）﹤0.17%；Si：0~0.60%；Mn：0.40~1.4%；

Cu：0~0.50%；Ni：0~1.20%；Mo：0~0.07%；V：0~0.12%；Nb：0~0.04%；

Ti：0~0.5%；B：0~0.005%。

例1：焊接修復淬火鋼模具時，過渡層使用含有Ni成分的焊條。通過採用化學方法，在焊縫中填加Ni的含量，由於焊縫中的Ni當量的提高，使焊縫中的金屬組織結構向A氏體方向轉移變化。從而改變了焊縫中的金屬組織結構，隨之也就改善了焊接工藝性能。Ni是A氏體形成的主要元素，它能夠擴大γ相區。所以，Ni和Fe就能以任何比例相互溶解。

當Fe與Ni合金中含Ni量超過30％時，γ相區可以擴展到室溫而不發生相變，從高溫到室溫一直保持γ相（奧氏體）組織，而且硬度也較低。Ni是較強的石墨化元素，而且在高溫時，其擴散係數大（高溫時Ni的擴散係數為Si的20倍），這對改善焊接接頭的加工性能起著非常有利的作用，使可焊性差變為可焊性好。

之後，再通過使用淬火鋼模具所需金屬組織的堆焊焊條，堆焊其淬火鋼模具的表面；達到了解決淬火鋼模具焊接難題的目的。

2.1.2.高合金鋼

例2：焊接不鏽鋼時，利用德國Schaeffler不鏽鋼焊縫金屬組織圖和Delong不鏽鋼焊縫金屬組織圖，使我們可以隨心所欲地調整不鏽鋼焊縫金屬組織結構，改善其焊接性能。

Schaeffler不鏽鋼焊縫金屬組織圖

Delong不鏽鋼焊縫金屬組織圖

Schaeffler圖和Delong圖表示不鏽鋼等金屬的化學成分與金相組織的關係。化學成分以鉻當量Creg=Cr Mo 1.5Si 0.5Nb（%）和鎳當量Nieg=Ni 30C 0.5Mn（%）表示。

Schaeffler圖和Delong圖主要有二個用途：

一是若知道焊縫的化學成分，計算出Creg和Nieg，就可以查出焊縫的金相組織。

二是異種鋼的焊接時，要獲得理想的焊縫組織，可以利用Schaeffher圖，選擇合適的焊接材料。

高合金鋼合金元素的增減引起組織性能變化見圖5。

高合金鋼合金元素增減與其組織性能的關係

利用「調整焊縫組織結構改善焊接工藝性能」這種方法，我們解決了許多現實工作中令人棘手、頭疼的焊接難題。

在學校教授焊接課時，用大量的焊接實例，悉心給學員們講解：在實際工作中如何運用物理、化學方法「調整焊縫組織結構，改善焊接工藝性能」。

還通過教授Schaeffler不鏽鋼焊縫金屬組織圖和Delong不鏽鋼焊縫金屬組織圖，使學員們懂得了如何利用圖示，結合實際情況，解決生產中通過調整材料的鎳當量和鉻當量；以及其他化學元素的添加量，就可以達到所需要的不鏽鋼焊縫金屬組織的目的。

2.1.3.鋁合金

在硬鋁及大部分熱處理強化鋁合金，由於成份複雜；焊接時，在焊縫中易產生結晶裂紋；這是鋁合金焊接的難題之一。

有兩種途徑可以克服硬鋁及超硬鋁焊接裂紋傾向大的問題：

一是低熔點共晶的「癒合」治療；

二是鋁合金焊絲中加入變質劑。

（1）「癒合」作用

採用含5%Si的Al-Si焊絲AlSi5焊接能夠形成足夠量低熔點共晶，而且流動性好，結晶溫度區間窄，凝固收縮量小，焊接應力低，治癒裂紋的能力強。但是這種焊絲焊接的接頭強度和塑性低，達不到母材要求的水平。例如，用SALSi-1焊絲焊接2024(LY12)時，焊接接頭的強度只有母

材的60%。

（2）變質劑作用

在鋁合金焊絲中加入一些變質劑，如Ti、B、Zr、V等，可以起到細化晶粒的作用，不僅可以改善塑性、韌性、而且可顯著提抗裂性。Ti、B、Zr、V這些元素與鋁通過包晶反應，生成難熔金屬化合物（Al3Ti、AlB2、Al3Zr、Al7V等）。這些細小的難熔質點在結晶時，可作為非自發核心，從而起到細化晶粒的作用，使抗裂性能提高。

2.1.4.新型鋁合金焊絲的開發

在此前論述了含5%Si的Al—Si焊絲焊接鋁合金的「癒合」作用和添加Ti、B、Zr、V變質劑細化晶粒的作用。根據上述原理，我們研製開發了AlSi7TiB焊絲，焊絲中的Si含量達7%，同時又加入了0.3%的Ti和0.2%的B，不僅提高了抗裂性，還細化了晶粒。

焊接鋁合金時，為了解決SiMg脆化相鋁合金在熔化焊時，極易出現焊接裂紋的世界難題。我們還是運用「調整焊縫組織結構，改善焊接工藝性能」的這一行之有效的方法加以解決。

焊接材料的選擇是影響焊接質量的一個重要因素。所以，在選擇焊絲時，需要考慮到它對氣孔、裂紋等因素的傾向性，還有焊縫金屬的強度、導熱性以及熔池金屬的流動性等方面的性能。如果焊接工藝制定不當，在焊接過程中極易產生Mg2Si等析出硬化現象。

根據以往在實踐中總結出的經驗：

採用AlSi合金作填充金屬不受析出硬化熱處理的影響，其流動性隨著Si含量的提高而增大，並沒有晶間熱裂紋傾向；還提高了焊縫的導熱性。

試驗證明：

若母材組織為α（Al）固溶體上有部分Mg2Si及雜質相，採用AlSi合金作填充金屬後，可將其焊縫組織改變為α（Al） α Mg2Si的共晶網絡狀組織，並且提高了焊縫的塑性。

2.2.焊接化學冶金反應

焊接化學冶金十分複雜。拿焊條手工電弧焊而言，在焊接電弧和熔池中有藥皮反應區和熔池反應區。焊接區內的氣體、焊接熔渣和熔化金屬都會發生相互作用。

通過反應排出H2、N2、O2氣體和S、P元素，冶金反應後的熔渣上浮，使焊縫金屬潔淨。此外，要過渡一些合金元素，補償焊接過程中C和合金元素的燒損，以保證焊縫金屬的強度。

為了獲得良好的焊縫金屬性能，採用「潔淨」焊接工藝（如TIG、MIG）。在焊條手工電弧焊時，要採用短弧，減少空氣中有害氣體浸入電弧。

3.「調整焊縫組織，改善焊接工藝，提高焊接質量」。

教授焊接課時，給學員們講解：如何「調整焊縫組織結構，改善焊接工藝性能」。

2005年，我隨中國焊接代表團赴瑞典的伊薩公司技術交流，當參觀該公司實驗「窄間隙多絲高效焊接」時，有人看到就說：「老外真老外，應放6盤不鏽鋼焊絲。可他放了5盤不鏽鋼焊絲，還放錯了1盤碳鋼焊絲」。

我更正說：這叫「調整焊縫組織結構，改善焊接工藝性能」。老外問我：「您怎麼知道？」我答：「我得過你們歐共體諾貝爾國際優秀獎。」他伸出大拇指說：「您是真正的焊接專家」！。

與瑞典伊薩公司總裁、原天焊所李佔傑書記、原天焊所維實公司李濤總經理

「調整焊縫組織結構，改善焊接工藝性能」是我在焊接生涯中一筆得意之作，我們採用這種方法解決了現實工作中出現的許許多多、稀奇古怪的焊接難題和「疑難雜症」。並得到了焊接界同行們的很高評價，我被大家傳奇的稱為：「焊接奇才、焊接怪才」。獲得了1999年諾貝爾世界發明博覽會「國際優秀獎」，獲得了英國劍橋「GOLD STAR AWARD」，加入了中華人民共和國人事部的國際人才網；編入了英國劍橋大學《世界名人錄》，還被授予了W.F.E「國際焊接專家」榮譽證書。