热影响区组织变化对焊接质量的影响

杨金翠 徐向东

摘要：焊接热影响区在不同温度下组织结构不同，对焊接接头质量影响不同

关键词：热影响区；组织；焊接质量

引言：早些年代人们认为焊接质量的好坏取决于焊缝而忽略了焊接热影响区。但是随着科学技术和生产规模的发展，要求高参数、大容量的成套设备在不断增多，各种高温、耐压、耐蚀、低温的容器、深水潜艇、宇航装备以及核电站锅炉、管道等也不断建造。因此所用的金属材料自然就被各种高强钢、高合金钢以及某些特种金属所代替。人们逐渐发现焊接的质量不仅决定于焊缝同时也决定于热影响区。

焊接是一个不均匀加热和冷却的过程，也可以说是一种特殊的热处理。从而使影响区造成不均匀的组织和性能，同时也会产生复杂的应力应变。

焊接热影响区的组织分布

对于一般常用的低碳钢和某些低合金钢（不易淬火钢），在焊接热影响区根据组织上的特征，可分为以下四个区

（一）熔合区

即焊缝与母材相邻的部位，又称半熔化区（温度处于固液相线之间）。此区的范围虽然很窄，但由于在化学成分上和组织性能上都有较大的不均匀性，所以对焊接接头的强度、韧性都有很大的影响。在许多情况下熔合区是产生裂纹，脆性破坏的发源地，因此引起了普遍的重视。

（二）过热区

此区的温度范围是处在固相线以下到1100℃左右，金属是处于过热的状态，奥氏体晶粒发生严重的长大现象，冷却之后便得到粗大的组织（一般对于低碳钢来讲，焊后晶粒度都在1~2级），在气焊和电渣焊的条件下，常出现魏氏组织。

此区的韧性很低，通常冲击韧性要降低20~30%.因此，焊接刚度较大的结构时，常在过热粗晶区产生脆化或裂纹，过热区的大小和接方法、焊接线能量和母材的板厚等有关，气焊和电渣焊时比较宽，手弧焊和埋弧自动焊时较窄，而真空电子束、激光焊接时过热区几乎不存在。过热区与熔合区一样，都是焊接接头的薄弱环节。

（三）相变重结晶区（正火区）

焊接时母材金属被加热到Ac3以上的部位，将发生重结晶（即铁素体和珠光体全部转变为奥氏体），然后在空气中冷却就会得到均匀而细小的珠光体和铁素体，相当于热处理时的正火组织。此区的塑性和韧性都比较好，所处的温度范围约在A3~1000℃之间。

（四）不完全重结晶区

焊接时处于Ac1~Ac2之间范围内的热影响区就是属于不完全重结晶区。因为处于AC1~AC3范围内只有一部分组织发生了相变重结晶过程，成为晶粒细小的铁素体和珠光

体，而另一部分是始终未能溶入奥氏体的铁素体，成为粗大的铁素体。所以此区特点是晶粒

大小不一，组织不均匀，因此机械性能也不均匀。

以上这四个区是低碳钢、低合金钢焊接热影响区中主要的组织特征。应当指出，在制造施工时，母材事先受过冷加工变形或由于焊接应力而产生的应变，在Ac1以下将发生再结晶过程和应变时效过程，在金相组织上有时也看不到明显的变化。然而，对于那些具有时效

应变敏感性强的钢种，处于Ac1~300℃左右的热影响区将发生脆化现象，表现出较强的缺口敏感性。但在金相组织上并无明显变化。

焊接热影响区的大小受许多因素的影响，例如焊接方法、板厚、线能量，以及不同的施工工艺等都会使热影响区的尺寸发生变化。用不同焊接方法，焊接低碳钢时热影响区的平均

焊接时加热的速度快，各种金属的相变温度比起等温转变时发生很大的变化，对于低碳钢和低合金钢焊接时，不同焊接方法的加热速度不同。从大量的试验结果表明，加热速度越快，被焊金属的相变点AC1和AC3的温度越高，而且AC1和AC3之间的温差越大。钢中含有较多的碳化物形时，随加热速度的提高相变点AC1和AC3有更·为显著的提高，这是因为碳化物合金元素的扩散速度小，同时它们本身还阻碍碳的扩散，因而大大地减慢了奥氏体的转变过程。

加热速度除对相变温度有影响外，对已形成的奥氏体进行均质化过程也具有重要的影响。由于奥氏体的均质化的过程是属于扩散过程，因此加热速度快和相变以上停留时间短，都不利于扩散过程的进行，从而均质化的程度很差，这一过程必然会影响到冷却过程的组织转变。

根据金属学原理可以知道，碳化物合金元素（如Cr、Mo、V、Ti、Wb等），只有它们充分溶解在奥氏体的内部，才会增加奥氏体的稳定性，很显然在热处理条件下，可以有充分的时间使碳化物合金元素向奥氏体内部溶解。而在焊接条件下，由于加热速度快，高温停留时间短，所以这些合金元素不能充分溶解在奥氏体中，因此降低了淬硬倾向，至于不含碳化物合金元素的钢，一方面不存在碳化物的溶解过程，另一方面在焊接条件下，由于近缝区组织粗化，故淬硬倾向比热处理条件下要大。

由于焊接热影响区熔合线附近是整个焊接接头的薄弱地带，所以这里都是以此区的冷却组织转变作为主要研究对象，虽然热影响区的熔合区很窄，但由于在化学成分上和组织上都有较大的不均匀性，所以对焊接接头的强度、韧性都有很大影响，是产生裂纹，脆性破坏的发源地。

热影响区的过热区的温度范围是在固定线以下到1100℃左右，金属是处于过热的状态，奥氏体晶粒发生严重的长大现象，冷却之后便得到粗大组织。在气焊和电渣焊的条件下，常出现魏氏组织。

焊接时处于AC1-AC3之间范围内的热影响区就是属于不完全重结晶区，因为处于AC1-AC3范围内只有一部分组织发生了相变重结晶过程，成为晶粒细小的铁素体和珠光体，而另一部分是始终未能溶人奥氏体的铁素体，成为粗大的铁素体，此区晶粒大小不一，组织不均匀，因此机械性能也不均匀。

焊接热影响区的力学性能要从两方面进行，一方面是研究焊接热影响区不同部位的各个性能，另一方面是专门研究融合区附近（Tm=1300-1400℃）的性能，因为这个地区是焊接接头问题较多的地方。

对于淬硬倾向不大的钢种，热影响区不同部位的常规机械性能如图：

钢的成分与16Mn钢相近，采用焊接热模拟制备的试样进行机械性能实验，由图看出，当峰值温度Tm超过AC1时，随温度Tm的增高、强度和硬度也随之增高，而延伸率和断面收缩率随之下降。但在不完全重结晶区，由于晶粒的大小不均匀，故屈服强度。，反而最低。Tm值达1300℃附近时，强度达到最高，在Tm值超过1300℃时塑性继续降低的同时，强度也有所下降。这可能是由于过热晶粒过于粗大，晶界疏松造成的。

热影响区的韧性受许多因素影响，而焊接过程又往往引起该区不同程度的脆化，因为焊接过程的本身必然要受焊接热循环的作用。它是不均匀地加热与冷却，致使热影响区的组织性能不均匀。另外焊接件存在有残余应力和拘束应力，甚至存在焊接缺陷，焊成形欠佳也会在热影响区引起应力集中。上述条件都会影响热影响区的韧性，当晶界的偏折严重时，韧性也随之下降。其中以磷、硫、锡、锑、氧等杂质在晶界偏折最有害于韧性。

经过调质处理的高强钢和具有热处理强化的合金经焊接之后，热影响区都会产生不同程度的软化或失强，对一些重要的焊接结构会严重影响焊接接头性能和承载能力。焊接方法和线能量主要影响软化区的宽度。焊接线能量越大，软化区的宽度越大，而且接头的强度也有所降低。

为了改善焊接热影响区的组织和性能，适当调整焊接线能量和采用预热及后热等措施，使奥氏体的扩散均匀，并使冷却速度降低，有利于机械性能的提高。采用小焊接线能量的多道焊并保持一定的屋间温度，有利于减小强化相的析出聚集，可以降低强化合金焊接热影响区的软化倾向。

参考文献 张连生 《金属材料焊接》[J] 机械工业出版社 2006

李亚江《铁素体钢焊接热影响区脆化的研究》[J] 焊管 1995