焊接冶金学

焊接冶金基础三、焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区焊接接头各部位的加热峰值温度分布如图10所示。

加热时各部位组织变化情况是：加热温度超过Ac3开始发生α－γ的转变，在且Ac1～Ac3之间转变继进行，到达Ac3转变完了，温度继续升高达1100℃时，晶粒急剧长大，热影响区各点的组织变化首先取决于峰值温度Tmax不同焊接方法热影响区的平均尺寸如表2所示。

按照Tmax的不同，淬硬倾向小的低碳钢和淬硬倾向大的钢种热影响区的组织可分为以下几个区。

表2 不同焊接方法热影响区的平均尺寸1．低碳钢接头的热影响区组织和性能（1）熔合区焊缝金属和母材之间的过渡区，即半熔化区和未混合区，称为熔合区，其温度处于固相线与液相线宰。

熔合区在化学成分和组织性能上都有较大的不均匀性，在接近母材一侧的金属组织是过热组织，塑性差。

同时又因温度梯度大，所以熔合区是很窄的，但对强度、塑性都有很大的影响。

在许多情况下，熔合区是产生裂纹、局部脆性破坏的发源地。

（2）过热区此区段处于1100℃到固相线温度的高温范围。

在这样高的温度下，奥氏体晶粒严重长大，尤其在1300℃以上时晶粒十分粗大，冷却后就获得粗大的过热组织（气焊时还可能得到魏氏组织），使材料的塑性大大降低，特别冲击韧性的影响尤为显著（通常要降低20％～30％）。

如果焊件的刚性很大，则常在此区产生裂纹。

所以，过热区是焊接接头中最危险的区段。

（3）正火区（相变重结晶区）金属被加热到止Ac3以上稍高的温度下，铁素体和珠光体全部转变为奥氏体。

由于焊接时加热速度很快，在高温下停留时间又短，所以奥氏体晶粒还未十分长大。

故该区空冷下来后，得到均匀细小的铁素体和珠光体组织，相当于热处理中的正火组织，是接头中综合力学性能最好的区段。

此区的温度范围约在Ac3～1000℃之间。

（4）不完全重结晶区此区段是温度范围在Ac1～Ac3之间的热影响区。

温度稍高于Ac1是地，首先珠光体转变为奥氏体，随温度的升高，在Ac1～Ac3温度范围内只有部分铁素体溶入奥氏体，其余部分铁素体则保留下来。

冷却后，奥氏体转变为细小的铁素体和珠光体；而未溶入奥氏体的铁素体不发生转变。

随着温度升高，晶粒略有长大。

因而冷却后晶粒大小和分布不均匀，使得材料的力学性能不均匀。

若钢材在焊接之前经过塑性变形，有碎晶和晶格扭曲，在500℃～Ac1温度范围将进行再结晶。

再结晶区段的组织对力学性能的影响不大。

在那些具有时效敏感性的钢种中，处于Ac1～300℃的温度范围内，强度稍有提高，而塑性急剧下降，产生脆化现象。

2．淬硬倾向较大的钢种接头热影响区组织和性能（1）完全淬火区。

当加热温度超过Ac3以上的区域时，由于钢种的淬硬倾向较大，故冷却后得到淬火组织（马氏体），靠近焊缝附近（相当于低碳钢过热区）是粗大的马氏体，而相当于正火区的部分得到细小的马氏体。

当冷却速度较慢或含碳量较低时，会有索氏体和马氏体同时存在，用大线能量进行焊接时，还会出现贝氏体，从而形成与马氏体共存的混合组织（但以马氏体为主）。

这个区在组织上都属同一类型（马氏体），只有粗细之分，所以统称为完全淬火区。

由于出现淬火组织，故硬度和强度提高，塑性和韧性下降，出现脆化现象，易产生裂纹。

（2）不完全淬火区母材被加热到Ac1～Ac3温度之间的热影响区，在快速加热的条件下，铁素体很少溶解，而珠光体、贝氏体和索氏体等转变为奥氏体，在随后快速冷却过程中，奥氏体转变为马氏体，原铁素体保持不变，最后形成马氏体－铁素体组织，故称为不完全淬火区。

该区性能不均匀，塑性和韧性下降。

如果母材焊前处于调质状态，那么焊接热影响区的组织除存在上述的完全淬火区和不完全淬火区之外，还可能发生不同程度的回火处理，称为回火区。

此区内组织和性能发生变化的程度决定于焊前调质状态的回火温度。

例如焊前经淬火加500℃回火，焊接时低于500℃的区域，其组织和性能不发生变化；而高于500℃低于Ac1的区域，其组织和性能将发生变化，变化情况与淬火状态的母材相类似。

四、焊接接头熔合区的特征和性能熔合线是焊接接头中焊缝向母材热影响区过渡的部位。

通常所说的熔合线系指焊接接头横断面上焊缝和母材的分界线，即焊缝轮廓线。

但事实上，熔合线并不是一条圆滑的曲线，而是不规则的锯齿形曲线。

1．熔合区的构成熔合区由半熔化区与未混合区两部分组成。

半熔合区系指焊缝边界固液两相交错共存，而又凝固的部位，是由于母材坡口表面复杂的熔化情况而形成的。

首先，电弧吹力和金属熔滴过渡特性可能使熔化不均匀；其次，母材半熔化晶粒由于取向不同而熔化程度不一（如图11）。

图中阴影部分代表熔化了的晶粒，其中1、3、5等晶粒的取向有利于导热而熔化较多，2、4晶粒则熔化的少。

此外，母材各点的溶质分布实际上的不均匀，使各点的有效熔点与理论熔点存在的差值也不同，其结果必然是在理论熔点的等温面上存在了已经熔化的局部和尚未熔化的局部。

由上述原因的共同作用结果，形成的固液两相交错共存的区域就是半熔化区。

未熔合区指的是焊缝中紧邻焊缝边界的部位，是由焊接时熔化后再凝固的母材组成，而并未与填充金属相混合的区域。

这个区域的位置是在焊缝中，但化学成分却与母材相同，具有过渡的性质。

未混合区的形成是由于填充金属与母材混合时，熔池边缘的金属温度较低，对流与扩散难以进行，因而未能达到与填充金属混合的结果。

熔合区所包括的半熔化区与未混合区都具有过渡性。

焊缝的成分（首先取决于焊接材料）与母材差别越大，未混合区就越明显。

若焊缝与母材的成分完成相同（如钨极电弧不加焊丝的电熔焊），则不会出现未混合区。

一般在焊缝与母材成分相差不大的情况下（如用低碳钢焊条焊接A3钢），可以不考虑未混合区。

2．熔合区的化学不均匀性熔合区最重要的特征就是具有明显的化学不均匀性。

造成此化学不均匀性的主要原因首先是不平衡的凝固过程，其次是焊缝与母材在化学成分上的差异。

3．熔合区的物理不均匀性熔合区的物理不均匀性，主要表现为不均匀加热所导致的显微缺陷──空位或位错的聚集或重新分布。

焊接时的高温加热，使原子热振动加强，削弱了原子间的健合力，而使空位的浓度增加，冷却后的空位浓度必然要超过平衡的空位浓度。

空位和位错都不是静止不动的，在一定条件下将产生位移，在高温和应力的作用下，晶格缺陷将发生运动和聚集，产生晶格畸变，对断裂性能会有明显的影响。

这种物理不均匀性，可能是熔合区产生延迟裂纹的重要原因之一。

综上所述，熔合区内存在着严重的化学和物理的不均匀性，因此组织与性能也是不均匀的，因此熔合区是整个接头最薄弱的环节。

五、影响焊接接头组织与性能的因素为了获得优质的焊接接头，必须对影响焊接接头组织和性能的因素有所了解，以便根据具体情况，从各个环节加以控制。

影响焊接接头组织和性能的因素很多，下面把主要因素叙述如下。

1．材料的匹配材料的匹配主要是指焊接材料的选用，焊接材料将直接影响接头的组织和性能。

通常情况下，焊缝金属的化学成分及力学性能与母材相近。

但考虑到铸态焊缝的特点和焊接应力的作用，焊缝的晶粒比较粗大并有存在偏析，产生裂纹、气孔和夹渣等焊接缺陷的可能性，因此常通过调整焊缝金属的化学成分以改善焊接接头的性能。

2．线能量线能量是指热源功率与焊接速度之比。

焊接线能量的大小，不仅影响过热区晶粒粗大的程度，而且直接影响到焊接热影响区的宽度。

焊接线能量越大，则焊接接头高温停留时间越长，过热区越宽，过热现象也越严重，晶粒也越粗大，因而塑性和韧性下降也越严重，甚至会造成冷脆。

因此，应尽量采用较小的线能量，以减小过热区的宽度，降低晶粒长大的程度。

在低温钢焊接时尤为重要，应严格控制线能量，防止晶粒粗化而降低低温冲击韧性。

3．熔合比熔合比是指在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例。

熔合比对焊缝性能的影响与焊接材料和母材的化学成分有关。

当焊接材料与母材的化学成分基本相近且熔池保护良好时，熔合比对焊缝的熔合区的性能没有明显的影响。

当焊接材料与母材的化学成分不同时，如碳、合金元素和硫、磷等杂质元素的含量不同，那么，在焊缝中紧邻熔合区的部位化学成分变化比较大，变化的幅度与焊接材料同母材间化学成分的差异及熔合比有关。

化学成分相差越大，熔合比越大，则变化幅度也越大，不均匀程度及其范围也增加，从而使该区组织变得较为复杂，在一定条件下还会出现不利的组织带，导致性能大大下降。

在生产实践中，为了调节熔合比的大小，除了调节焊接线能量及其他工艺参数（如焊件预热温度、焊条直径等）以外，调节焊接坡口的大小，对熔合比有较大的影响。

因为不开坡口，熔合比最大；坡口越大，熔合比就越小。

4．焊接工艺方法在选择焊接工艺方法时，应根据其对焊接接头组织和性能的影响，结合其他要求综合考虑。

如为提高焊接接头的质量，在低碳钢和耐热钢管子的焊接中，气焊工艺已逐步为手工电弧焊和钨极氩弧焊所取代；低碳钢焊接时，由于埋弧自动焊的线能量很大，一般在－70℃以下的低温钢材料焊接时均不采用。

5．焊后热处理（1）消氢处理消氢处理主要是为了加速氢的扩散逸出，防止产生延迟裂纹。

其加热温度很低，不会使焊接接头的组织和性能发生变化。

（2）消除应力热处理消除应力热处理的主要目的是消除焊接拉伸残余应力，以保证结构使用时安全可靠。

（3）改善性能热处理①对于低碳钢、不易淬火的低合金高强度钢、低温钢以及铁素体不锈钢，一般不需要进行焊后改善性能的热处理。

②对于易淬火的低合金高强度钢和耐热钢，为了改善焊接接头的性能，提高高温性能，焊后必须进行高温回火热处理，以消除淬硬组织，并得到回火组织。

③对于奥氏体不锈钢，为改善焊接接头的抗晶间腐蚀性能，可在焊后进行稳定化热处理（加热温度为850℃，保温2h后空冷），使碳化铬充分析出，铬得以充分扩散，消除贫铬层，从而提高抗晶间腐蚀的能力。

④对于铁素不锈钢，焊后经600℃以上短时加热后空冷，可消除475℃脆性；加热到930～980℃急冷，可消除σ相脆化，使焊接接头的性能得到改善。

⑤对于马氏体不锈钢，其焊缝和热影响区有强烈的淬硬倾向和冷裂倾向，含碳量较高时更为敏感。

焊后必须进行高温回火处理（回火温度一般为730～790℃之间）。

为获得具有足够韧性的细晶组织，高温回火前应使焊件冷却到150～120℃，保温2h，使奥氏体的主要部分转变为马氏体，然后及时进行高温回火处理。

若冷至室温再热处理，则有产生裂纹的危险，若热处理前初始温度过高，则会产生粗大的结晶组织。

综上所述，影响焊接接头组织和性能的因素很多，所以应采取合理的措施，使其组织和性能得以改善，并减小性能的不均匀程度，从而得到优质的焊接接头。

第五节焊缝和热影响区中的裂纹裂纹是焊接生产中常见的，也是最严重的缺陷，对产品的制造质量与使用性能有很大的影响，有时还会酿成严重的事故。

裂纹的种类很多，考虑到温度及其他因素对形成焊接裂纹的作用，按照裂纹产生的条件通常分为热裂纹、再热裂纹、层状撕裂和冷裂纹四大类。