关于焊接中金属组织变化特性的研究

关于焊接中金属组织变化特性的研究

【摘要】在焊接过程中，焊接接头、材料等方面的金属会发生组织变化，这将影响到焊接的品质。另一方面，铝合金、钛合金轻质金属与不锈钢金属的组织变化特性也并不相同，因而有必要分别加以分析。在这种背景下，本文首先分析了焊接中轻金属组织变化特性，进而探讨了焊接中不锈钢金属组织变化特性。通过分析，以期为更好的了解焊接中金属组织变化特性，并进而指导焊接工作的合理开展提供必要的借鉴与参考。

【关键词】焊接；金属；组织变化；特性

1.焊接中轻金属组织变化特性

从轻金属方面来看，铝合金与钛合金是较为常见的焊接金属，其组织与性能通常对焊接热力具有显著的依赖性，不同的焊接热处理流程都会引起轻金属组织特性的变化。就工业生产方面来看，所应用的钛合金通常是α相与β相的混合型组织。所谓的α相，其具有典型密排六方结构，而β相则呈现的是体心立方结构。目前，对通过熔化焊和固相焊方法焊接的轻金属焊接接头力学行为的研究较多。在不同焊接方法焊接的接头中，除组织特征改变外，接头的力学性能常常与母材不相同，表现为局部的高梯度力学不均匀性。硬度和断裂性能的变化是力学不均匀性的重要方面。

1420A1-Li合金Nd：YAG激光焊后，在焊缝处存在着较为显著的软化状况，显微硬度（HV）下降25以上。Al-Li-Cu2095合金变极性钨极气体电弧焊接接头区应变分布也有类似的软化现象。然而，Al-Mg异质材料激光焊接接头的硬度却却与前述两者相反，呈现出硬化现象。大厚度Ti-6A1-4V钛合金电子束焊接接头焊缝区也反映出硬化现象，焊接热影响区和焊缝的硬度升高了34HV～37HV。从过往的研究结果来看，Tl-6A1-4V钛合金薄板CO2激光焊对接接头和搭接接头硬度的测试结果也具有类似的硬化现象。根据这些结果，可以看出轻金属焊接接头硬度的变化与焊接工艺的应用有着紧密的联系，然而当前还尚未能形成对于这一硬度变化规律的系统认识。

就轻金属焊接的接头区域而言，除了在硬度变化上具有不统一的状况外，在焊接接头的断裂部位也会受到焊接工艺的影响，并且这种影响存在着不均衡性。对两种焊接方法焊接的接头，断裂时近缝区存在明显的应变集中。很多轻金属结构为薄板焊接结构，这类结构焊接接头断裂韧度的测试和评价目前仍无可以遵循的标准。对1420A1-Li合金Nd：YAG激光焊接接头和BT20钛合金CO2激光焊接接头母材、热影响区和焊缝的断裂韧度分别参照ASIMB871-O1和BS7448标准进行测试。从断裂韧度的测试结果可以看出，1420A1-Li合金和BT20钛合金激光焊接接头不同区域的断裂韧度有较大差别，焊缝和热影响区的断裂韧度低于母材，焊缝金属断裂韧度最低，热处理状态对断裂韧度有一定影响。这些研究结果表明，就轻金属焊接而言，其接头的焊缝、热影响区域及材料的断裂具有不同的机制，断裂的韧度也受到焊接技术、材料表面的具体状态及焊接之后的热处理

环节等的影响，而目前安也缺少较为科学完善的轻金属焊接接头的检测方法。总体而言，针对焊接接头金属组织的变化，可以采用如下方法来加以处理：一是有针对性的加入Mo、Ti等合金元素，从而确保碳化物可以在温度不断升高时得到先行析出；二是采用跟踪回火操作，也即在每一道焊缝完成之后，立刻使用气焊的火焰来对焊道的表面进行加热处理，从而更好的对焊缝金属组织进行改善；三是使用多层多道的焊接工艺，这种方式的使用可以保证不同焊层之间的互相热作用得到有效发挥，从而起到对晶粒加以细化的效果；四是锤击焊道表面，其目的是为了细化晶粒，改善整个焊缝的组织性能。

2.焊接中不锈钢金属组织变化特性

焊接是一种接合的方式，可以用于不锈钢焊接，而不锈钢中奥氏体铁含量对焊接性及焊道有很大的关系，一般要求注意焊道中的奥氏体铁含量，因其关系到焊道与母材之间的稀释作用，也即在焊接时母材有多少成份熔入焊道而产生稀释反应。奥氏体铁系不锈钢是目前运用十分广泛，就我国市场来说，其占总使用量80%以上。一般而言，奥氏体铁系不锈钢的焊接性比肥粒铁系和马氏体系不锈钢要好。其中又以304型用得最多，为了成形，焊接接合十分常见。304型不锈钢焊接时正常状况下较不会产生明显的龟裂，并且经高温融熔后并无相变化反应，仍然为FCC结构特有的延性、韧性，但焊件热影响区（Heat-Affected zone，HAZ）却常因敏化（sensitization）现象导致抗蚀性劣化。为了确切掌握实际影响之状况，本文按照一定的304型不锈钢焊接参数，作出焊接试片，并进行了敏化处理、电解腐蚀试验、金相观察等。

研究分别制作了304不锈钢件在620℃x24h敏化热处理条件下，在热影响区的敏化OM金相图；304焊件经620℃x24h HAZ，也即包括焊道区域析出物的EDS成分分析图；304焊件620℃x24h HAZ 附近基地的EDS成分分析图。根据这些图像，本文发现热影响区及其附近基地并无明显的龟裂现象、也无相的变化反应，由此可以证明焊接空冷完后仍是安定的γ相、FCC结构之奥氏体铁系组织；但由于热影响区含碳量（counts130）较焊件基地（counts90）高，因而在热影响区晶界的地方有很多碳化物（碳化铬）析出，因为此区铬（Cr）量冲高（counts1090），却使周围基地Cr（铬）量减少（counts230），于是造成“铬贫乏区”的容易腐蚀现象，这是热影响区的“敏化”所生成的。又由于Fe（铁），Cr（铬）的成分皆很高，所以也有M23C6的析出。因此，304不锈钢焊件热影响区因敏化的现象容易产生晶界腐蚀的现象。一般304型不锈钢虽然相变态与焊接冷却速率成正比，不过敏化程度与焊接冷却速率却成反比，层间温度越高，冷速越慢，敏化越严重。焊接时，应采用低熔填/多道次的方式，并降低焊接起始温度，可降低热影响区的敏化程度，提升焊件寿命。总体而言，不锈钢焊件在热影响区的金相，因敏化现象的缘故，在晶界上有很多碳化物析出，容易造成晶界腐蚀现象；不锈钢焊接时并无明显的龟裂，一般的空冷也不会造成相变态；不锈钢敏化程度与焊接冷却速率成反比，层间温度越高，冷速越慢，敏化越严重。焊接时，应采用低熔填/多道次的方式，并降低焊接起始温度，可降低热影响区的敏化程度，提升焊件寿命。

3.小结