面向设计工程师的焊接知识问答

熔池凝固遵循与任何液态金属相同的规律。晶核形成，晶粒长大。焊缝与铸件的区别在于母材：熔合线处部分熔化的母材晶粒充当现成的晶种，因此晶粒从母材外延生长进入熔池，而不是重新形核。这就是焊缝晶粒组织与母材连续、热影响区与焊缝本身同样重要的原因。

熔池形状决定晶粒方向。宽而浅的熔池冷却慢，产生横向生长的粗大柱状晶。窄而深的熔池冷却快，留下更细的晶粒，通常意味着更好的韧性。行走速度、电流和接头几何形状都会改变这一形状，因此同一合金、同一填充材料的两条焊缝在使用中表现可能不同。

溶质再分配是大多数图纸忽略的部分。熔池凝固时，合金元素和杂质被推向凝固前沿，偏析带和中心线气孔就是这样形成的。通过目视检验的接头仍可能有薄弱的中心线。如果零件承受疲劳或压力，该区域就是需要用射线检测或剖切检查的地方。

热输入控制焊接后大多数问题的产生。它大致等于电压乘以电流再除以行走速度，单位为 kJ/mm。提高电流或降低行走速度，热输入就会上升。这会使某些合金软化、另一些硬化，两种情况都会加宽热影响区。

热影响区是未熔化但受热足够而发生变化的那部分母材。在碳钢中，快速冷却可能产生马氏体，硬度超过 350 HV，冷裂纹就从这里开始。预热和受控冷却是常用的对策。在 6061-T6 铝中，同一区域失去时效状态，屈服强度从约 310 MPa 降至焊缝附近约 115 MPa。

车间的一条实用规则：让热输入匹配截面厚度，而不是匹配焊工的习惯。薄板需要低电流和快行走，否则会翘曲。厚截面需要预热以减缓冷却并避免氢致裂纹，层间温度必须保持在工艺评定合格的范围内。

变形是热膨胀遇到约束的结果。焊缝冷却时收缩，周围冷金属将其拉住，零件便弯曲或弓起。影响变形量的因素有三个：焊缝总体积、接头约束程度以及焊道顺序。

首先减少焊缝体积。计算允许用 4 mm 角焊缝的地方改用 6 mm，会去掉很大一部分收缩量。然后平衡顺序。退焊法、在中性轴两侧对称施焊以及跳焊，都能分散热量而不是集中在一道焊缝中。

装夹有帮助，但不是没有代价。重型约束在焊接时把零件压平，松开夹具时释放残余应力，零件可能在加工过程中移动。精加工前进行去应力处理是常用解决办法。对铝而言，这意味着受控的热循环，而不是简单的烘烤。

可焊性不是一个单一数值。它指合金对热循环的响应：是否开裂、强度损失多少，以及接头在约束下是否保持完好。碳当量是钢的快速筛选指标。常用形式为 CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15。高于约 0.40 时，预热成为强制要求，所需温度随厚度上升。

不锈钢的表现不同。304 和 316 等奥氏体牌号焊接性良好，但若在 450–850 °C 范围内停留过久，容易发生敏化，使铬从固溶体中析出，晶界易受晶间腐蚀。316L 等低碳牌号可降低该风险。铁素体和马氏体牌号需要预热，通常还需要焊后热处理。

铝有其自身问题。氧化层在约 2,050 °C 熔化，而下层金属在约 660 °C 熔化，因此熔池形成前必须通过机械方式或交流清洗作用去除氧化层。热导率约为钢的五倍，热量散失快，需要更高电流。6061 的填充材料选择存在真实的热裂纹风险；4043 和 5356 表现不同，选择取决于使用温度和强度目标。

目视检验能发现的问题比人们预想的多：咬边、焊瘤、弧坑裂纹、表面未熔合。它几乎不花成本，应在任何其他方法之前进行。它看不到的是表面以下。

渗透检测可发现非多孔材料表面开口缺陷。磁粉检测仅适用于铁磁性钢，可发现表面及近表面缺陷。超声检测可发现厚截面深处的未熔合、裂纹等平面缺陷，但需要持证操作人员和参考试块。射线检测对气孔和夹杂显示效果好，但与射线束平行的平面缺陷可能漏检。

检测方法应按关注的失效模式选择，而不是凭习惯。压力容器需要体积检测。承受疲劳载荷的支架需要检测焊趾裂纹。仅承受静载的焊接框架，除目视和尺寸检查外可能无需其他检测。过度规定检测项目只会增加成本，不增加安全性。

焊接件送到机加工车间有两个原因：达到焊接无法保证的公差，以及清理接合面以便配合。两者都需要提前规划。多数钢种中焊缝比母材硬，刀具选择随之改变。横跨焊趾的断续切削对硬质合金刀具不利，除非调低进给和转速。

残余应力是更大的问题。焊接支架铣平后释放应力，可能弯曲零点几毫米。粗加工、去应力、再精加工的工序才能保证公差。对无法热处理的零件，在焊缝两侧对称去除材料可使应力平衡更接近中性。

焊前装配精度决定焊后需要多少机加工。错边1 mm的接头清理成本远高于控制在0.2 mm的接头。如果图纸要求焊缝处有加工面，应在图纸上注明，让焊工预留余量。