熔焊原理：焊接接头的组织与性能

一、熔池的凝固 焊接熔池的凝固过程服从于金属结晶的基本规律。宏观上，金属结晶的实际温度 总是低于理论结晶温度，即液体金属具有一定的过冷度是凝固的必要条件。微观 上，金属的凝固过程是由晶核不断形成和长大这两个基本过程共同构成。此外， 这个过程还受到焊接热循环特殊条件的制约。因此，研究焊接熔池的凝固过程， 必须结合焊接热循环的特点与具体施焊条件。
1．熔池凝固的条件和特点 (1)焊接熔池体积小 (2)焊接熔池的温度极不均匀 (3)熔池在运动状态下凝固 (4)焊接熔池凝固以熔化母材为基础
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2．熔池的凝固过程 熔池凝固从边界开始，在母材半熔化晶粒的基础上，沿着散热的反方向(即等 温线的法线方向)以柱状晶的形式向前推进。焊缝金属的晶粒实际是母材半熔化 晶粒的延伸，二者之间不存在晶界面(图3—3)。图3—4是不发生固态相变的奥氏 体钢熔池凝固后的情况。可以看出焊缝与母材具有共同的晶粒，二者在微观上形 成整体。这种依附于母材半熔化晶粒开始长大的结晶方式叫做联生结晶或交互结 晶。联生结晶是焊接的重要特征。钎焊和粘接都不是联生结晶。 焊缝的凝固组织(或称一次组织)属于铸造组织，凝固时从焊缝边界开始形核， 以联生结晶的形式向中心成长。由于熔池体积小、冷速高，一般电弧焊条件下焊 缝中看不到等轴晶粒。 二、焊缝金属的化学不均匀性 1．显微偏析 根据金属学的知识，合金的凝固过程是在一定的温度范围内进行的。而在连 续冷却的过程中，先后凝固的合金成分不同。先从液相中析出的固相中溶质(合 金元素)含量较低，后析出的固相则溶质含量较高。在平衡条件下，这种由凝固 先后造成的化学成分的差异，可以在缓慢的冷却过程，通过扩散而消除。但在 焊接条件下，由于冷速很高而来不及扩散，这种成分的差异将在很大程度上保留。
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◆ 焊接熔合区的特征
一、熔ຫໍສະໝຸດ Baidu区形成的原因
熔合区是由于母材坡口表面复杂的熔化情况形成的。
2．区域偏析 在焊缝凝固中，柱状晶前沿向前推进的同时把低熔点物质(一般为杂质)排挤到 焊缝中心，使焊缝中心杂质的浓度明显增大，造成整个焊缝横截面范围内形成明 显的成分不均匀性，即区域偏析(图3—8)。由于偏析是在宏观尺寸的范围内形成 的，故又称为宏观偏析。 在焊接对焊接裂纹比较敏感的材料时，选择焊接参数应考虑对成形系数的要 求。 3．层状偏析 溶质浓度最高的区域颜色最深，溶质为平均浓度的区域颜色较淡，较宽的浅 淡色区则为溶质贫化区。这种偏析称为层状偏析。
3．锤击坡口或焊道表面 锤击坡口表面或多层焊层间金属使表面晶粒破碎，熔池以被打碎的晶粒为路 面形核、长大，而获得较细晶粒的焊缝。 4．调整焊接工艺 5．焊后热处理 6．多层焊 7．跟踪回火 跟踪回火就是在焊完每道焊缝后用气焊火焰在焊缝表面跟踪加热。加热温度 为900—10000C，可对焊缝表层下3—10mm深度范围内不同深度的金属起到 不同的热处理作用。
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1．焊缝金属的变质处理 液体金属中加人少量合金元素使结晶过程发生明显变化，从而使晶粒细化的方 法叫做变质处理。 2．振动结晶 振动结晶是通过不同途径使熔池产生一定频率的振动，打乱柱状晶的方向并 对熔池产生强烈的搅拌作用，从而使晶粒细化并促进气体排出。常用的振动方法 有机械振动、超声振动和电磁振动等。
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层状偏析的存在，说明焊缝的凝固速度在作周期性变化，但造成这种变化的 原因，目前尚未完全认识清楚。层状偏析对焊缝质量的影响目前研究的也不够充 分。现已发现，层状偏析不仅可能使焊缝金属的力学性能不均匀，有时还会沿层 状线产生裂纹或气孔等缺陷。
三、焊缝金属的固态相变 熔池凝固后得到的组织通常叫做一次组织，对大多数钢来说是高温奥氏体。 在凝固后的继续冷却过程中，高温奥氏体还要发生固态相变，又称为二次结晶， 得到的组织称为二次组织。焊缝经过固态相变得到的二次组织即为室温组织。二 次组织是在一次组织的基础上转变而成，二者承前启后，对焊缝金属的性能都有 着决定性的作用。 1．低碳钢焊缝的固态相变 低碳钢焊缝的二次组织主要是铁素体十少量的珠光体，这是因为其含碳量很 低所致。一般情况下，铁素体首先沿原奥氏体柱状晶晶界析出，可以勾画出凝固 组织的轮廓。当焊缝在高温停留时间较长而冷速又较高时，铁索体也可从奥氏体 晶粒内部沿一定方向析出，以长短不一的针状或片状直接插入珠光体晶粒之中， 而形成所谓魏式组织。而在冷却速度特别大时，低碳钢焊缝中也可能出现马氏体 组织。
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2．低合金钢焊缝的固态相变 低合金钢焊缝固态相变的情况比低碳钢复杂得多，随母材、焊接材料及工艺 条件之不同而变化。固态相变除铁素体与珠光体转变外，还可能出现贝氏体与马 氏体转变。 (1)铁素体转变 1)先共析铁素体 2)侧板条铁素体 3)针状铁素体 4)细晶铁素体 (2)珠光体转变 (3)贝氏体转变 (4)马氏体转变 四、焊缝组织与性能的改善 焊缝质量是焊接质量的重要指标。优质焊焊缝首先要保证性能满足使用要求， 而性能则取决于化学成分与组织形态。为此改善焊缝的性能就应从调整成分和控 制组织两方面入手。
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◆ 熔池的凝固与焊缝金属的固态相变 随着温度下降，熔池金属开始了从液态到固态转变的凝固过程(图3—1)，并
在继续冷却中发生固态相变。熔池的凝固与焊缝的固态相变决定了焊缝金属的结 晶结构、组织与性能。在焊接热源的特殊作用下，大的冷却速度还会使焊缝的化 学成分与组织出现不均匀的现象，并有可能产生焊接缺陷。
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在焊缝金属中。这就形成了显微偏析。 在低碳钢中，碳及合金元素的含量都比较低。，固液相温度差比较小，显微偏 析不明显。但对碳及合金元素含量较高的钢，显微偏析就比较严重，对焊缝质量 有一定的影响。 晶粒尺寸对显微偏析也有影响，较细的晶粒由于晶界面积增大，偏析分散， 偏析程度减弱。因此，从减少偏析的角度考虑，也希望焊缝金属具有较细的晶粒。