焊接难点

一、焊接热影响区的组织分布
(1)不易淬火钢的组织分布：低碳钢、16Mn、15MnV、15MnTi
1.过热区（粗晶区）
加热温度在固相线一下到晶粒开始急剧长大的温度（一般指11000C）范围内的区域叫过热区。

由于该区加热温度高，奥氏体晶粒严重长大，冷却后也会得到粗大的过热组织，所以，又称为粗晶区。

该区焊后晶粒度一般为1-2级，韧性很低，通常冲击韧性要降低20%-30%。

因此，在焊接刚度较大的结构时，常在过热区产生脆化或裂纹。

过热区与熔合区一样，都是焊接接头的薄弱环节。

2.相变重结晶区（正火区）
该区的加热温度是在Ac3以上到晶粒开始急剧长大的温度范围内。

由于该区的加热温度超过Ac3，所以，铁素体和珠光体已全部转变为奥氏体。

由于加热温度较低（一般低于11000C），奥氏体晶粒尚未明显长大，因此在空气中冷却以后会得到均匀而细小的铁素体和珠光体，相当于热处理时的正火组织，所以该区又叫正火区。

此区的综合力学性能一般比母材还好，是热影响区中组织性能最后的区域。

3.不完全重结晶区
该区的加热温度处于Ac1-Ac3之间，因此在加热的过程中，原来的珠光体全部转变为细小的奥氏体，而铁素体部分溶入奥氏体，剩余部分继续长大，成为粗大的铁素体。

冷却是奥氏体转变为细小的铁素体和珠光体，粗大的铁素体依然保留下来。

所以，该区的特点是组织不均匀，晶粒大小不一，因此力学性能也不均匀。

以上三个区域是低碳钢、低合金钢焊接热影响区的主要组织特征。

但如果母材焊前经过冷加工变形，则在加热温度处于Ac1-4500C 的范围内将会发生再结晶过程，结果是加工硬化消失，强度下降，塑性、韧性提高。

对于有时效敏感性的钢种，加热温度在Ac1-3000C的范围内，会发生应变时效过程，引起该区的脆化，表现出较强的缺口敏感性，但在金相组织上并无明显变化。

(2)易淬火钢的组织特征：低碳调质高强钢（如18MnMoNb）、中碳钢（如45钢）和中碳钢调质高强钢（如30CrMnSi）
1.完全淬火去
该区的加热温度处于固相线到Ac3之间。

由于这类钢的淬硬倾向较大，故焊后将得到淬火组织（马氏体）。

在靠近焊缝附近（相当于低碳钢的过热区），由于晶粒严重长大，故得到粗大的马氏体，而相当于正火区的部位得到细小的马氏体。

根据冷却速度和线能量的不同，还可能出现贝氏体，从而形成与马氏体共存的混合组织。

这个区在组织特征上都是属同一类型（马氏体），只是粗细不同，因此统称为完全淬火区。

2.不完全淬火区
该区的加热温度在Ac1-Ac3之间，相当于不完全重结晶区。

在快速加热条件下，铁素体很少溶入奥氏体，而珠光体、贝氏体、索氏体转变为奥氏体。

在随后冷却时，奥氏体转变为马氏体。

原铁素体保持不变，并有不同程度的长大，最后形成马氏体-铁素体的组织，故称为不完全淬火区。

如果含碳量和合金元素含量不高或冷却速度较小
时，也可能出现索氏体和珠光体。

如果母材在焊前是调质状态，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（低于Ac1一下的区域）。

在回火区内组织和性能发生的变化程度决定于焊前调质状态的回火温度。

例如，焊前调质时的回火温度为T t，那么低于T t温度的部位，其组织性能不发生变化，而热影响区高于T t温度的部位组织性能将发生变化，出现软化现象。

由此看来，热影响区的组织和性能不仅与母材的化学成分有关，同时也与焊前的热处理状态有关。

二、焊接热影响区的性能
焊接热影响区组织分布的不均匀性，必然要反映在性能上的差异。

对于一般的焊接结构来讲，主要考虑热影响区的硬化、脆化、韧化、软化以及综合的力学性能等。

1.焊接热影响区的力学性能
在热影响区中，硬度最高、塑性最差的部位是过热区，属于接头的薄弱环节。

2.焊接热影响区的硬度
研究表明，焊接热影响区的硬度与其力学性能密切相关。

一般而言，随着硬度的增大，强度升高，塑性、韧性下降，冷裂纹倾向增大。

因此，通过测定焊接热影响区的硬度分布便可间接地估计热影响区的力学性能及抗裂性等。

以20Mn钢的低合金钢单焊道时热影响区的硬度分布为例。

可以看出，在焊接热影响区的熔合线附近硬度值最高，远离熔合线，硬度降低，逐渐接近于母材的硬度水平。

这进一步说明，熔合线附近是焊接接头的最薄弱处。

3.焊接热影响区的软化
经过调质处理的高强钢和具有沉淀强化及弥散强化的合金，在热影响区会产生不同程度的软化和失强。

焊接调质钢时，HAZ的软化程度与母材焊前的热处理状态有关。

母材焊前调质处理的回火温度越低（即强化程度越大），则焊后的软化程度越严重。

焊接具有热处理强化的合金时，则因发生“过时效软化”而导致HAZ软化。

4.焊接热影响区的脆化
热影响区脆化是热影响区在还接热循环作用下所发生的塑性、韧性严重下降的现象。

热影响区的脆化在焊接应力的作用下会导致接头或结构产生脆性裂纹，必须予以重视。

热影响区的脆化有多种类型，如错经脆化、析出相脆化、M-A组元脆化、热应变脆化、氢脆化和石墨脆化等。

三、焊接热循环的主要参数
1.加热速度
焊接条件下的加热速度比热处理条件下要快得多，并随着加热速度的提高，则相变温度也随着提高。

同时奥氏体的均质化和碳化物的溶解也不充分。

因此，必然会影响HAZ冷却后的组织与性能。

2.加热的最高温度
金属的组织和性能除受化学成分的影响之外，主要与加热的最高温度和冷却速度有关。

例如低碳钢和低合金钢焊接时，在熔合线附近的过热区，由于温度高（1300-13500C），晶粒发生严重长大，从而使韧性严重降低。

3.在相变温度以上的停留时间
对于低碳钢、低合金钢，在相变温度以上的停留时间是指Ac3以上的停留时间。

在相变温度以上停留的时间越长，越有利于奥氏体的均质化过程和奥氏体晶粒的长大特别是在加热的最高温度大于11000C的部位，即使高温停留时间不长，也会引起奥氏体晶粒的严重长大。

4.冷却速度和冷却时间
冷却速度是最终决定热影响区组织性能的主要参数。

但在热循环曲线上，每一温度下的瞬时冷却速度都是不同的。

各点的冷却速度可以用改点切线的斜率表示。

对于低合金钢，在连续冷却条件下，由于在5400C左右组织转变最快，因此，最感兴趣的是熔合线附近冷却到5400C左右的瞬时冷却速度。

对于不易淬火钢，常采用8000C-5000C的冷却时间t8/5。

对于易淬火钢，常采用8000C-3000C的冷却时间t8/3和从加热的最高温度冷却至1000C的冷却时间t100。

四、焊接熔合区
1.熔合区的构成
熔合区即焊接接头中焊缝向母材热影响区过渡的区域。

熔合区由半熔化区和未混合区部分组成。

半熔化区指焊缝边界固液两相交错共存的部位。

它的产生，一是由于电弧吹力和熔滴过渡可能造成的坡口熔化不均匀；二是由于母材晶粒的取向不同所造成的熔化不均匀；再有就是母材各点溶质分布不均匀而形成的理论熔点和实际熔点的差异所造成。

可见，焊接坡口熔化过程的复杂性是导致出现半熔化区的主要原因。

未混合区（不完全混合区）是指焊缝区中紧邻焊缝边界的部位。

它主要由焊接时熔化再凝固的母材所组成，而未与熔化的填充金属完全混合。

因此它实质上就是富集母材成分的焊缝区。

它的形成是由于熔池边缘的温度较低，是对流和扩散过程进行困难，从而导致母材与填充金属不能很好混合。

母材和填充金属曾分差异越大，未混合区越明显。

如果填充金属和母材成分相同，未混合区会消失。

2.熔合区的化学不均匀性
化学不均匀性是熔合区的重要特征之一，也是导致熔合区成为整个焊接接头薄弱部位的主要原因。

一般来说，钢中的合金元素及杂质在液相中的溶解度都大于在固相中的溶解度。

因此在熔池凝固过程中，随着固相的增加，溶质原子必然要大量地堆积在固相前沿的液相中。

特别是开始凝固时，高温析出的固相比较纯，这种堆积更加明显。

这样在固-液交界的地方溶质的浓度将发突变。

由不平衡凝固过程所造成的这种化学不均匀性程度，与溶质原子
的性质有关，如S、P、C等易偏析元素，表现明显。

在凝固后的冷却过程中，扩散能力较强的元素还有可能在浓度梯度的推动下由焊缝向母材扩散，使化学不均匀性趋于缓和。