焊接接头组织与性能

出处：按学科分类—工业技术 河南科学技术出版社《钣金技术手册》第717页（1919字）

(一)焊件上的温度变化与分布

焊接时，电弧沿着工件逐渐移动并对工件进行局部加热。因此，在焊接过程中，焊缝区的金属都要经历一个由加热到冷却的过程。图10－3a为焊接时焊件横截面上不同点的温度变化情况。由于各点离焊缝中心距离不同，所以各点的最高加热温度不同。距焊缝中心愈远，温度愈低，到达该点最高温度所需时间也愈长。总之，在焊接过程中，图中各点区域(1～4区)的金属相当于受到一次不同规格的热处理，最后也就必然产生不同的组织和性能。

图10－3 焊接接头温度与组织的关系

a．焊缝区各点温度变化 b．低碳钢焊接接头组织变化 c．焊缝柱状枝晶

(二)焊接接头的组织与性能

焊接接头包括焊缝和焊接热影响区两个部分。现以低碳钢为例说明焊缝及焊接热影响区的组织和性能变化(图10－3b)。

1．焊缝金属的组织与性能变化

焊缝金属的结晶是从熔池底壁开始的，由于结晶时各个方向冷却速度不同，在熔池底壁散热较快，因而晶粒在约垂直于熔池底壁向中心成长形成层状的柱状树枝晶，如图10－3c所示。由于焊缝冷却速度较快，形成的柱状晶粒比较细小，再加上焊条药皮的渗合金和保护等作用，焊缝金属中合金元素(Si、Mn等)的含量高于母材，所以焊缝金属的性能不低于母材。

2．焊接热影响区的组织与性能变化

焊接热影响区一般是指焊缝两侧因焊接热源作用而发生组织和性能变化的区域。

(1)熔合区：是焊缝和母材的交界区，也称半熔化区，焊接过程中被加热达到的最高温度在1400～1539℃，金属部分熔化，结晶后组织中包含未熔化但受热长大的粗晶粒和新结晶的部分铸态组织。低碳钢焊接接头中这一区域很窄，一般为0．1～1mm，但它在很大程度上决定着焊接接头的性能。

(2)过热区：该区紧靠着熔合区，因为最高的加热温度接近固相线(1100～1400℃)，奥氏体晶粒急剧长大，产生过热组织，冷却后的组织为粗大的珠光体和铁素体，使该区塑性和冲击韧性大大降低。单层电弧焊过热区的宽度通常为1～4mm。

(3)正火区：正火区金属的加热温度在A_C3以上，为910～1100℃。金属发生了重结晶，冷却后得到珠光体和铁素体的细晶正火组织，因而力学性能较好。焊条电弧焊时，该区的宽度为1～2mm。

(4)部分相变区：该区被加热的最高温度在A_C1～A_C3之间，即727～910℃，珠光体和部分铁素体发生了重结晶转变，使晶粒细化，还有部分铁素体未转变，受热长大为粗晶。由于冷却后此区组织晶粒大小不同，因此力学性能相对稍差。该区域宽度一般为0．5～1mm。

以上四个区域是低碳钢焊接热影响区中主要的组织变化区，其中以熔合区和过热区对焊接接头性能的不利影响最大。因此在焊接过程中应尽量减小热影响区的宽度。

(三)改善焊接热影响区性能的方法

1．选择合理的焊接方法和规范

由于不同焊接方法的热源其温度高低和热量集中程度不同，因此热影响区的大小和性能也不相同。表10－1是几种不同焊接方法焊接低碳钢时，焊接热影响区的平均尺寸。

表10－1 焊接热影响区的平均尺寸数值

热影响区的宽度主要取决于焊接方法和规范。同一焊接方法采用不同焊接规范时，热影响区的大小也不相同。一般来说，在保证焊接质量的条件下，增加焊接速度、减小焊接电流都可以减小焊接热影响区。

2．确定合适的焊后热处理工艺

对碳素钢与低合金结构钢的电渣焊件，焊后需用正火处理来消除热影响区；对于重要的钢结构件，则选用焊后退火或回火来消除热影响区。