焊接冶金和接頭性能

焊接冶金與焊接接頭性能熔焊過(guò)程中在高溫?zé)嵩吹淖饔孟?，基體金屬發(fā)生了局部熔化，并與熔融的填充金屬混合而3形成熔池。當(dāng)熱源離開(kāi)后溫度迅速下降，并凝固結(jié)晶形成焊縫，靠近焊縫的被加熱的基體金屬也相應(yīng)的冷卻下來(lái)。焊接過(guò)程中基體金屬受熱影響而發(fā)生金相組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域稱為熱影響區(qū)。焊接接頭是由焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)3部分組成，如圖：熔合區(qū)是焊接接頭中焊縫向熱影響區(qū)過(guò)渡的區(qū)域。焊接接頭性能的好壞，直接影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量和使用安全性。影響焊接接頭性能的因素很多，但歸結(jié)為兩個(gè)方面：1、焊縫金屬的化學(xué)成分、組織方面的影響。如焊縫金屬的化學(xué)成分、組織及熱影響區(qū)的組織都不同于基體金屬，焊接時(shí)除必須保證焊縫金屬的性能外，還必須保證熱影響區(qū)的性能。特別是高強(qiáng)鋼、鋁合金等。熱影響區(qū)存在的問(wèn)題比焊縫更為突出。2力學(xué)方面的影響由于焊接條件下是快速連續(xù)冷卻，并受局部拘束應(yīng)力的作用，可能產(chǎn)生偏析、夾渣、氣孔、裂紋、脆化等缺陷，此外焊接變形、焊縫余高或接頭錯(cuò)位等都是應(yīng)力集中的根源，往往成為破壞的起點(diǎn)。因此焊接接頭具有組織和性能的不均勻性。第一節(jié)焊接化學(xué)冶金在熔焊過(guò)程中，焊接區(qū)各種物質(zhì)之間在高溫下相互作用的過(guò)程，稱為焊接化學(xué)冶金過(guò)程。在這一過(guò)程中，金屬、熔渣和氣相之間發(fā)生一系列化學(xué)冶金反應(yīng)，如金屬氧化、還原、脫硫和脫磷等。此外，還會(huì)發(fā)生物質(zhì)作用相互之間的擴(kuò)散、遷移和分配，即所謂的物理反應(yīng)。一焊接化學(xué)冶金反應(yīng)區(qū)焊接化學(xué)冶金過(guò)程是分區(qū)域連續(xù)進(jìn)行的，且各區(qū)的反應(yīng)條件也有較大的差異。不同的焊接方法有不同的反應(yīng)區(qū)，如焊條電弧焊分為藥皮、熔滴和熔池3個(gè)反應(yīng)區(qū)，如圖，其他焊接方法則無(wú)藥皮反應(yīng)區(qū)。（一）藥皮反應(yīng)區(qū)藥皮反應(yīng)區(qū)的溫度范圍從100℃至藥皮的熔點(diǎn)（鋼焊條約為1200℃）焊條藥皮被加熱超過(guò)100℃以后其中的吸附水開(kāi)始蒸發(fā)。加熱溫度超過(guò)200-400℃，藥皮中某些組成物如白泥、白云母、滑石等所含的結(jié)晶水全部蒸發(fā)，化合水也將析出。溫度繼續(xù)升高，藥皮中的有機(jī)物如木粉、纖維素和淀粉開(kāi)始分解和燃燒，生成CO、CO2、H2等氣體，藥皮中的磷酸鹽如大理石和高價(jià)氧化物如赤鐵礦（Fe2O3)也發(fā)生分解，析出CO2、O2氣體。這些氣體一方面對(duì)熔化金屬起機(jī)械保護(hù)作用，但對(duì)被焊金屬和藥皮中的鐵合金產(chǎn)生氧化作用。（二）熔滴反應(yīng)區(qū)從熔滴形成，長(zhǎng)大到過(guò)渡于熔池之前為熔滴反應(yīng)區(qū)。熔滴反應(yīng)區(qū)的特點(diǎn)：（1）熔滴溫度高熔滴的平均溫度在1800-2400之間。（2）熔滴與氣體和熔渣接觸面積大（3）各相之間反應(yīng)時(shí)間短（4）熔滴和熔渣發(fā)生強(qiáng)烈的混合（三）熔池反應(yīng)區(qū)熔滴和熔渣落入熔池以后，各相之間進(jìn)一步發(fā)生物理化學(xué)作用，直至凝固形成焊縫。與熔滴反應(yīng)區(qū)不同是，熔池平均溫度較低（約為1600-1900℃），比表面積較小，反應(yīng)時(shí)間稍長(zhǎng)，熔池溫度分布極不均勻，前半部發(fā)生金屬的熔化和氣體的吸收，后半部發(fā)生金屬的凝固和氣體的析出。熔池中的強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)，有利于金屬的熔化和非金屬物的逸出。在熔滴階段進(jìn)行的反應(yīng)多數(shù)在熔池階段繼續(xù)進(jìn)行，但也有的停止反應(yīng)甚至改變反應(yīng)方向。二氣相與熔化金屬的作用1、氣體的來(lái)源焊接區(qū)內(nèi)的氣體主要來(lái)源于焊接材料，如焊條藥皮、焊劑和藥芯中的造氣劑、高價(jià)氧化物及所含水分，其次是熱源周圍的空氣，也來(lái)自焊絲表面上和母材坡口附近的雜質(zhì)，如油脂、鐵銹、氧化皮和吸附水等。氣體保護(hù)焊時(shí)，焊接區(qū)內(nèi)的氣體主要來(lái)自保護(hù)氣體和雜質(zhì)。（1）有機(jī)物的分解和燃燒焊條藥皮中的淀粉、纖維素等有機(jī)物受熱以后將發(fā)生復(fù)雜的分解和燃燒反應(yīng)，統(tǒng)稱為氧化分解反應(yīng)。反應(yīng)的氣態(tài)物主要有CO2，其次有少量的CO、H2和水氣。（2）磷酸鹽和高價(jià)氧化物的分解焊接材料中常用的磷酸鹽CaCO3,當(dāng)加熱超過(guò)一定溫度時(shí)它們開(kāi)始分解，放出CO2氣體。焊接材料中常用的高價(jià)氧化物主要有Fe2O3,它們反應(yīng)分解的產(chǎn)物是低價(jià)氧化物和大量氧氣。（3）材料的蒸發(fā)除焊接材料中的水分發(fā)生蒸發(fā)外，金屬和熔渣的各種成分也會(huì)在電弧高溫作用下發(fā)生蒸發(fā)，形成蒸汽。2氣相的成分焊接區(qū)的氣體是由CO2、H2O、N2、H2、O2金屬和熔渣的蒸汽。以及它們分解和電離的產(chǎn)物組成。（二）氮對(duì)金屬的作用氮主要來(lái)自大氣，有些金屬如銅、鎳等，不與氮作用，另一些金屬如鐵、鈦、錳、硅和鉻既溶解氮，又與氮形成穩(wěn)定的氮化物。1、氮的溶解氮的溶解過(guò)程如下，首先氮?dú)怏w向金屬界面上運(yùn)動(dòng)，并被金屬表面所吸附，然后分解為原子，氮原子穿過(guò)金屬表面層向金屬深處擴(kuò)散。這一過(guò)程屬純化學(xué)溶解。此外，電弧中的氮離子，可在陰極溶解。2、氮對(duì)焊接質(zhì)量的影響氮在鐵中溶解度隨溫度的升高而增大。當(dāng)液態(tài)鐵凝固時(shí)，氮的溶解度立即減小約4倍。這時(shí)過(guò)飽和的氮以氣泡的形式向外逸出，當(dāng)熔池結(jié)晶速度超過(guò)氣泡逸出時(shí)就會(huì)形成氣孔。于此同時(shí)大部分氮?jiǎng)t以過(guò)飽和形式存在于固溶體中，還有一部分以針狀氮化物析出，分布于晶界和晶內(nèi)，而使焊縫的強(qiáng)度、硬度升高，塑性和韌性下降。特別是低溫韌性急劇下降。氮還是促使焊縫金屬時(shí)效脆化的元素。焊縫中的過(guò)飽和的氮將逐漸析出，形成穩(wěn)定的針狀Fe4N,從而使焊縫的塑性、韌性進(jìn)一步下降，硬度升高。3控制焊縫含氮量的措施氮不象氧那樣可以采用脫氧的方法去除，因此首先加強(qiáng)對(duì)焊接區(qū)的保護(hù)，防止空氣侵入。不同的焊接方法，不同的焊接材料其保護(hù)效果是不同的。埋弧焊縫的含氮量最低。焊條電弧焊使用含有造氣劑的焊條，形成氣渣聯(lián)合保護(hù)使焊縫含氮量下降到0.02%以下。采用直流反極性可降低焊縫含氮量。（三）氫對(duì)金屬的作用焊接時(shí)氫主要來(lái)自焊接材料中的水分，含氫物質(zhì)以及電弧周圍空氣中的水蒸氣，以及焊絲或焊件表面的鐵銹、油污等。1、氫的溶解焊接區(qū)的水分在高溫下將分解為氫氣和氧氣。在溫度高于5000K的電弧中，氫分子又分解為原子氫。在氣體保護(hù)焊時(shí)氫通過(guò)氣相與液態(tài)金屬的界面以原子或質(zhì)子的形式溶入金屬。2氫對(duì)焊接質(zhì)量的影響電弧氣氛中的氫有利于減少金屬氧化。但焊縫中的氫將產(chǎn)生有害影響。溶解于金屬晶格中的原子氫會(huì)沿著位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的方向擴(kuò)散。最后聚集到顯微空腔或缺陷內(nèi)結(jié)合為分子氫并產(chǎn)生很高的壓力，導(dǎo)致金屬變脆，即產(chǎn)生氫脆。引起鋼塑性顯著下降。焊接熔池溶解的大量氫在熔池結(jié)晶時(shí)來(lái)不及逸出，還將產(chǎn)生氣孔。碳鋼或低合金鋼焊縫，如含氫量高，還會(huì)在鋼中引起脆性斑點(diǎn)或白點(diǎn)，顯微裂紋。3控制氫的措施控制焊縫含氫量應(yīng)首先限制焊接材料中的含氫量。焊條藥皮、焊劑和焊絲藥芯組成物所含結(jié)晶水。化合水是氫的主要來(lái)源。因此低氫或超低氫焊條和焊劑，應(yīng)盡量選用不含或含氫少的材料。并且焊條、焊劑和藥芯焊絲制造時(shí)可適當(dāng)提高烘焙溫度，有利于降低焊接材料的含水量和降低焊縫的含氫量。清除工件坡口及焊絲表面的鐵銹，油脂及吸附的水分，特別是焊接鋁、鋁鎂合金。必須用機(jī)械或化學(xué)方法清除表面的含水氧化膜?？刂骗h(huán)境濕度調(diào)整焊接參數(shù)焊條電弧焊增大焊接電流，會(huì)使熔滴吸收的氫量增加。采用直流電源反極性可減少焊縫含氫量。氣體保護(hù)焊采用射流過(guò)渡有利于限制含氫量。焊后脫氫處理。焊后立即將工件加熱到350℃時(shí)，保溫1-2h,可去除大部分氫。（四）氧對(duì)金屬的作用某些金屬如Mg、Al等無(wú)論固態(tài)或液態(tài)都不溶于氧，但焊接時(shí)發(fā)生激烈氧化，生成氧化物以薄膜或顆粒的形式存在，容易引起夾雜，并惡化焊接工藝性能。氧對(duì)焊接質(zhì)量的影響焊縫中的氧絕大數(shù)是以氧化物和硅酸鹽夾雜物的形式存在，溶解氧以何種形式存在，都會(huì)嚴(yán)重影響焊縫的性能。隨著含氧量的增加，焊縫的強(qiáng)度、塑性和韌性都會(huì)明顯降低，尤其低溫沖擊韌度急劇下降。此外，還引起熱脆、冷脆和時(shí)效硬化。溶解在熔池中的氧與碳反應(yīng)生成不溶于金屬的CO，在熔池結(jié)晶時(shí)來(lái)不及逸出就會(huì)形成氣孔。氧還燒損鋼中的合金元素，使焊縫性能變壞。此外氧還會(huì)降低導(dǎo)電，導(dǎo)磁性能，降低耐腐蝕性能。熔滴中較多的氧和碳相互作用生成CO受熱膨脹使熔滴爆炸，產(chǎn)生飛濺，影響焊接工藝過(guò)程穩(wěn)定。3控制氧的措施在焊接重要的合金鋼，合金和活性金屬時(shí)，盡量選用不含氧或少含氧的焊接材料。如采用低氧或無(wú)氧焊條，焊劑或在真空中焊接。氬弧焊采用高純度氬氣等。選擇有利減少含氧量的焊接方法、焊接參數(shù)等。必要時(shí)采用冶金方法脫氧。三、熔渣與金屬的作用焊接時(shí)焊條藥皮或焊劑、藥芯所形成的熔渣覆蓋在熔滴和熔池的表面，把液態(tài)金屬與空氣隔開(kāi)，防止氧化和氮化。熔渣凝固后形成的渣殼覆蓋在焊縫上，以防止高溫的焊縫金屬受空氣的危害。熔渣中加入適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)可使電弧容易引燃并穩(wěn)定燃燒，減少飛濺，并有利于焊縫成形。熔渣和液態(tài)金屬發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，從而可去除焊縫中的有害雜質(zhì)，如脫氧、脫硫、去氫等，并向焊縫過(guò)渡合金元素以調(diào)整和控制焊縫金屬的成分和性能。（一）焊縫金屬的氧化除氧化性氣體對(duì)焊縫金屬氧化外，活性熔渣也會(huì)對(duì)焊縫金屬發(fā)生氧化，可分為擴(kuò)散氧化和置換氧化。1、擴(kuò)散氧化在鋼焊接時(shí)FeO既溶于液態(tài)鋼，在一定溫度下平衡，F(xiàn)eO在兩相中的濃度符合分配規(guī)律。當(dāng)溫度不變時(shí)，增加熔渣中FeO的濃度，它將向熔池中擴(kuò)散使焊縫中的含氧量增加。2置換氧化熔渣中含有的易分解氧化物，可與液態(tài)鐵發(fā)生置換反應(yīng)，使鐵氧化而另一個(gè)元素還原。生成的FeO大部分進(jìn)入熔渣，小部分溶于液態(tài)鋼，使焊縫增氧。置換氧化主要發(fā)生在熔滴階段和熔池前部的高溫區(qū)，熔池的后部，由于溫度下降上述反應(yīng)向左進(jìn)行，已還原的硅和錳有一部分又被氧化，生成的SiO2和MnO將存在于焊縫中，但反應(yīng)速度較低。（二）焊縫的脫氧脫氧的目的是減少焊縫中的含氧量。為此，一方面要防止被焊金屬氧化，減少熔化金屬中溶解的氧，另一方面還必須排除脫氧后的產(chǎn)物，防止焊縫中混有非金屬夾雜物而使含氧量增加。脫氧的主要措施是在焊絲、焊劑或藥皮中加入被稱為脫氧劑的元素或鐵合金，通過(guò)本身的氧化以替代被焊金屬及合金元素使之不被氧化。焊接鐵基合金時(shí)，常用錳礦、硅鐵、鈦鐵、鋁粉作為脫氧劑，脫氧反應(yīng)也是分區(qū)域連續(xù)進(jìn)行的，按其特點(diǎn)可分先期脫氧置換脫氧和擴(kuò)散脫氧。1、先期脫氧在藥皮加熱階段，藥皮反應(yīng)區(qū)進(jìn)行的脫氧反應(yīng)為先期脫氧。當(dāng)藥皮被加熱時(shí)，其中的高價(jià)氧化物或碳酸鹽分解出的氧和二氧化碳與脫氧劑反應(yīng)。2、沉淀脫氧在熔滴和熔池反應(yīng)區(qū)，利用溶解在液態(tài)金屬中脫氧劑直接與FeO反應(yīng)將鐵還原，脫氧物從熔滴和熔池中浮出進(jìn)入熔渣。硅錳聯(lián)合脫氧，把錳和硅按適當(dāng)比例加入金屬中，聯(lián)合脫氧效果最佳。3、擴(kuò)散脫氧擴(kuò)散脫氧是液態(tài)金屬與熔渣界面上進(jìn)行的。（三）焊縫的脫硫硫是焊縫中有害雜質(zhì)之一，常以FeS形式存在，在液態(tài)鐵中可無(wú)限互溶，而在室溫下溶解度僅為0.15%-0.02%。因此熔池結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生偏析，以低熔點(diǎn)共晶形式呈片狀或鏈狀分布于晶界，易引起熱脆性甚至焊縫產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，還會(huì)降低沖擊韌性和耐蝕性。合金鋼，尤其是高鎳合金鋼焊接，硫與鎳形成NiS,而NiS又與Ni形成熔點(diǎn)更低的共晶物，，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋傾向更大。當(dāng)鋼焊縫含碳量增加時(shí)，會(huì)促使硫偏析，增加其危害性。2控制硫的措施（1）控制焊接材料的含硫量焊接時(shí)，焊絲中70%-80%的硫可過(guò)渡于焊縫，藥皮或焊劑中的約50%的硫可過(guò)渡到焊縫。母材中幾乎全部的硫可進(jìn)入焊縫，因此限制焊接原材料的含硫量是關(guān)鍵。低碳鋼及低合金鋼焊絲的含硫量應(yīng)小小于0.03%-0.04%，合金鋼焊絲應(yīng)小于0.025%-0.03%。不銹鋼焊絲應(yīng)小于0.02%。對(duì)于藥皮、藥芯和焊劑的原材料，如錳礦、赤鐵礦、錳礦等都含有硫應(yīng)嚴(yán)格控制，當(dāng)含量過(guò)高時(shí)應(yīng)預(yù)先焙燒處理，焙燒溫度1000℃，恒溫25-30min，以降低含硫量。（2）用冶金方法脫硫可選擇對(duì)硫親和力比鐵大的元素進(jìn)行脫硫，常采用Mn和熔渣中堿性氧化物MnO、CaO脫硫，反應(yīng)的生成物不溶于金屬而進(jìn)入熔渣。（四）焊縫的脫磷磷在鋼中主要以Fe2P和Fe3P形式存在，它們與鐵、鎳還可形成低熔點(diǎn)共晶，常分布晶界，減弱了晶粒間的結(jié)合力，同時(shí)本身硬而脆，將增加鋼的冷脆性，降低沖擊韌度，使脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。焊接奧氏體不銹鋼或低合金鋼焊縫含磷量高時(shí)，磷以引起結(jié)晶裂紋。2控制磷的措施為減少焊縫的含磷量，最主要的是控制母材、填充金屬、藥皮和焊劑含磷量，因?yàn)槔靡苯鹛幚砻摿妆容^困難。（五）焊縫金屬的合金過(guò)渡合金過(guò)渡是把所需要的合金元素通過(guò)焊接材料過(guò)渡到焊縫金屬中的過(guò)程。過(guò)渡合金的目的是補(bǔ)償焊接過(guò)程中由于蒸發(fā)、氧化等原因造成的合金元素的損失，防止焊接缺陷的產(chǎn)生，改善焊縫金屬的組織和性能。如焊接結(jié)構(gòu)鋼，向焊縫加入微量的Ti、B等元素可細(xì)化晶粒，提高焊縫韌性，加入錳，有利于消除硫引起的結(jié)晶裂紋傾向。過(guò)渡合金的方法有以下幾種，把所要過(guò)渡的合金元素加入焊絲、帶極內(nèi)，配合堿性藥皮或低氧、無(wú)氧焊劑進(jìn)行焊接或堆焊，從而實(shí)現(xiàn)合金過(guò)渡。應(yīng)用藥芯焊絲或藥芯焊條，應(yīng)用合金藥皮或粘結(jié)這種方法是把含合金元素的鐵合金或純金屬加入藥皮或粘結(jié)焊劑中，配合普通焊絲焊接，最后一種是直接采用合金粉末，把它輸送到焊接區(qū)或直接涂覆在焊件表面或坡口內(nèi)，在熱源作用下與母材熔合形成合金化的堆焊層。第二節(jié)焊縫的性能熔焊時(shí)，在熱源作用下被焊金屬發(fā)生局部熔化，并與熔化的焊絲或焊條金屬混合形成具有一定幾何形狀的熔池。于此同時(shí)，熔池進(jìn)行了復(fù)雜的冶金反應(yīng)。當(dāng)熱源離開(kāi)以后，熔池開(kāi)始結(jié)晶。由于熔池冶金條件和冷卻條件不同，將形成性能差異很大的組織，同時(shí)也可能產(chǎn)生諸如氣孔，夾雜，偏析及結(jié)晶裂紋等缺陷。一焊接熔池一次結(jié)晶組織鋼熔焊時(shí)，熔池從高溫冷卻到室溫時(shí)中間經(jīng)過(guò)兩次組織轉(zhuǎn)變。第一次是從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的結(jié)晶過(guò)程，即焊縫金屬晶體結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程，稱為焊接熔池的一次結(jié)晶。一次結(jié)晶結(jié)束以后，熔池金屬自液相凝固轉(zhuǎn)變固態(tài)的焊縫。高溫的焊縫金屬冷卻到室溫時(shí)，要發(fā)生組織的轉(zhuǎn)變，這一過(guò)程稱為焊縫金屬的二次結(jié)晶，也稱固態(tài)轉(zhuǎn)變。（一）焊接熔池一次結(jié)晶特點(diǎn)電弧條件下，熔池體積不超過(guò)30cm3，重量不超過(guò)0.1Kg，熔池體積小且被周圍冷金屬和環(huán)境介質(zhì)所包圍，所以熔池的冷卻速度很大，因此含碳量高，合金元素較多的鋼種，容易產(chǎn)生淬硬組織，甚至焊道上產(chǎn)生裂紋。熔池金屬呈過(guò)熱狀態(tài)，低碳鋼、低合金鋼熔池平均溫度約為1770±100℃，而熔滴溫度達(dá)2300±200℃，因此合金元素?zé)龘p嚴(yán)重。熔池中心溫度高，邊緣凝固界面散熱快，冷卻速度大，促使柱狀晶的發(fā)展。熔焊時(shí)，熔池是以等速隨熱源而移動(dòng)，熔池的前半部發(fā)生熔化過(guò)程，后半部進(jìn)行凝固過(guò)程。此外熔池金屬在各種力的作用下發(fā)生強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng)，從而使熔化的母材和焊條或焊絲金屬充分混合，形成成分均勻的焊縫。（二）焊接熔池一次結(jié)晶組織特征焊接時(shí)熔池金屬的結(jié)晶與一般金屬的結(jié)晶一樣，也是生核和核長(zhǎng)大的過(guò)程。熔池金屬的結(jié)晶大部分在熔合區(qū)加熱到半熔化狀態(tài)基本金屬的晶粒表面形成非自發(fā)晶核，并以柱狀晶的形態(tài)向焊縫中心成長(zhǎng)，形成所謂交互結(jié)晶或者稱聯(lián)生結(jié)晶。當(dāng)晶體最易長(zhǎng)大方向與散熱最快方向相一致時(shí)，則有利于晶粒的長(zhǎng)大，也優(yōu)先得到成長(zhǎng)，可一直長(zhǎng)至熔池中心，形成粗大的柱狀晶體。有的晶體由于取向不利于成長(zhǎng)，與散熱最快方向又不一致，晶粒就停止成長(zhǎng)。柱狀晶體成長(zhǎng)的形態(tài)與焊接條件密切相關(guān)，如線能量，焊縫位置，熔池的攪拌和振動(dòng)等。焊接時(shí)，可通過(guò)焊接材料向熔池加入一定量的合金元素（如鉬，釩等）可作為非自發(fā)晶核的質(zhì)點(diǎn)。（三）焊縫中的偏析熔池結(jié)晶時(shí)，冷卻速度很快，已凝固的焊縫金屬中化學(xué)成分來(lái)不及擴(kuò)散，合金元素的分布不均勻的，出現(xiàn)偏析的現(xiàn)象。同時(shí)，在焊縫的邊界處一熔合區(qū)，還出現(xiàn)明顯成分不均勻，常成為焊接接頭的薄弱地帶。1焊縫化學(xué)成分不均勻性一般焊縫的偏析有（1）顯微偏析鋼在凝固過(guò)程中，現(xiàn)結(jié)晶的固相比較單純，而后結(jié)晶的固相含溶質(zhì)的濃度較高，并富集例如較多的雜質(zhì)。由于焊接冷卻較快，固相內(nèi)的成分來(lái)不及擴(kuò)散，因此存在者化學(xué)成分不均勻性。（2）區(qū)域偏析焊縫結(jié)晶時(shí)，由于柱狀晶的長(zhǎng)大和推移，把溶質(zhì)和雜質(zhì)趕向熔池中心。這時(shí)熔池中心的雜質(zhì)濃度逐漸升高，使最后凝固的部位產(chǎn)生較嚴(yán)重的區(qū)域偏析。這種區(qū)域偏析，在焊接應(yīng)力的作用下，容易產(chǎn)生焊縫縱向裂紋。（3）層狀偏析在焊縫橫斷面上呈現(xiàn)層狀分布的化學(xué)成分不均勻性，稱為層狀偏析。層狀偏析常集中一些有害的元素，如硫、磷碳等，因此也極易產(chǎn)生缺陷。層狀偏析使焊縫的力學(xué)性能不均勻，耐蝕性及斷裂韌性下降。2熔合區(qū)的化學(xué)成分不均勻性熔合區(qū)是焊接接頭一個(gè)薄弱地帶，其性能下降的主要原因是該區(qū)存在著嚴(yán)重的化學(xué)成分不均勻性，同時(shí)也存在著物理不均勻性，因此在組織和性能上也是不均勻性的，特別是異種金屬焊接時(shí)更為突出。二、焊縫金屬的固態(tài)相變?nèi)鄢亟Y(jié)晶完全凝固以后，隨著連續(xù)冷卻過(guò)程的進(jìn)行，就鋼鐵材料而言，焊縫金屬將發(fā)生組織轉(zhuǎn)變-固態(tài)轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變?yōu)楹畏N組織，取決于焊縫的化學(xué)成分和冷卻條件。（一）低碳鋼焊縫的組織低碳鋼焊縫的含碳量較低，固態(tài)相變后的結(jié)晶組織主要是鐵素體加少量的珠光體。鐵素體一般都是沿原奧氏體邊界析出，其晶粒粗大，甚至一部分鐵素體還有魏氏體組織的形態(tài)。多層焊或焊后熱處理的焊縫金屬，將有所改善使焊縫獲得細(xì)小的鐵素體和少量珠光體，使柱狀組織消失。在900℃附近的再加熱效果最好，超過(guò)1100℃發(fā)生晶粒長(zhǎng)大，500-600℃加熱，由于焊縫中碳、氮發(fā)生時(shí)效使沖擊韌度下降。相同化學(xué)成分的焊縫金屬，隨著冷卻速度不同，焊縫的組織有明顯的不同，冷卻速度越大，珠光體含量越多，組織細(xì)化，硬度越高。（二）低合金鋼焊縫的組織低合金鋼焊縫組織比低碳鋼焊縫要復(fù)雜多，隨化學(xué)成分和冷卻條件不同出現(xiàn)不同的組織。除鐵素體和珠光體外，還會(huì)出現(xiàn)多種形態(tài)的貝氏體和馬氏體。1鐵素體低合金鋼焊縫的鐵素體形態(tài)比較復(fù)雜，對(duì)焊縫金屬的強(qiáng)度、韌度都有一定影響。2珠光體珠光體是鐵素體和滲碳體的層狀混合物。隨轉(zhuǎn)變溫度的降低，珠光體的層狀結(jié)構(gòu)越來(lái)越薄而密。3貝氏體貝氏體屬于中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，其轉(zhuǎn)變溫度約為550-Ms之間。4馬氏體當(dāng)焊縫的含碳量偏高或合金元素較多時(shí)，在快速冷卻條件下奧氏體過(guò)冷到Ms以下將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，根據(jù)含碳量不同，可形成不同形態(tài)的馬氏體。（1）板條馬氏體低碳低合金鋼焊縫中出現(xiàn)的馬氏體主要是板條馬氏體，也稱低碳馬氏體，它不僅具有較高的強(qiáng)度，也有良好的韌性。（2）片狀馬氏體當(dāng)焊縫中含碳量較高時(shí)，將出現(xiàn)片狀馬氏體。也稱孿晶馬氏體。硬度很高，而且很脆。一般焊縫中不會(huì)出現(xiàn)，因?yàn)橹?、高碳低合金鋼焊接時(shí)都設(shè)法降低焊縫含碳量或采用奧氏體焊條。只有含碳較高的熱影響區(qū)，在預(yù)熱溫度不足時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)這種組織。第三節(jié)熱影響區(qū)的組織和性能在焊接熱源作用下，焊縫兩側(cè)金屬將發(fā)生組織、性能的變化。這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)金屬實(shí)際上經(jīng)受了一次熱處理過(guò)程。熱處理以后的組織，主要取決于材料成分、加熱溫度和冷卻速度。但焊接過(guò)程中有它本身特點(diǎn)；1、加熱溫度高熔合區(qū)接近金屬的熔化的溫度，約1350℃左右，而一般熱處理的加熱溫度都不超過(guò)AC3以上100-200℃2加熱速度快由于熱源溫度高且熱量集中，使加熱速度比熱處理時(shí)快幾十倍甚至幾百倍。3高溫停留時(shí)間短由于焊接熱循環(huán)的作用，在AC3以上停留的時(shí)間很短，一般焊條電弧焊約為4-20S，埋弧焊30-100S。4自然條件下連續(xù)冷卻5局部加熱二焊接熱影響區(qū)性能焊接熱影響區(qū)的組織分布是不均勻的，因此其性能也是不均勻的。焊接熱影響區(qū)與焊縫不同，焊縫可通過(guò)化學(xué)成分調(diào)整再分配適當(dāng)?shù)墓に噥?lái)保證性能，而熱影響區(qū)則不可能調(diào)整成分。在焊接熱循環(huán)的作用下，熱影響區(qū)會(huì)發(fā)生不同程度的硬化，脆化以及耐蝕性。（一）焊接熱影響區(qū)的硬化熱影響區(qū)硬度取決于鋼材的化學(xué)成分和冷卻條件，其實(shí)質(zhì)是反映了不同的金相組織和性能。（二）熱影響區(qū)的脆化焊接熱影響區(qū)的脆化有粗晶脆化，析出脆化，組織脆化，熱應(yīng)變時(shí)效脆化，氫脆化和石墨脆化。1粗晶脆化在熱影響區(qū)靠近熔合線附近和過(guò)熱區(qū)將發(fā)生嚴(yán)重的晶粒細(xì)化。對(duì)于淬硬傾向較小的鋼種，粗晶脆化主要是晶粒長(zhǎng)大引起的。2組織脆化組織脆化是焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)淬硬組織而引起的。常見(jiàn)的低碳鋼、低合金高強(qiáng)度鋼主要是由于熱影響區(qū)出現(xiàn)上貝氏體、魏氏組織等3析出脆化主要是從非穩(wěn)態(tài)固溶體中沿晶界析出碳化物，氮化物，金屬間化合物，而使金屬的強(qiáng)度、硬度和脆性提高。4熱應(yīng)變時(shí)效脆化由冷加工引起局部應(yīng)變，塑性變形從而引起焊接熱影響區(qū)脆化，稱為熱應(yīng)變時(shí)效脆化。（三）熱影響區(qū)強(qiáng)度和塑性的變化熱影響區(qū)1200℃左右的粗晶區(qū)，其硬度和強(qiáng)度都高于基體金屬，塑性低于基體金屬。在700-900℃的區(qū)域，屈服點(diǎn)比基體金屬略低。此外，由于接頭中焊縫幾何形狀的不連續(xù)性-不合理的焊縫外形，如焊縫余高過(guò)大，接頭截面的突變，錯(cuò)邊、角變形等，特別是焊縫中的缺陷，如氣孔、夾渣、裂紋和未焊透都會(huì)造成缺口而產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致接頭性能，結(jié)構(gòu)承載能力的降低，嚴(yán)重誘發(fā)產(chǎn)生裂紋甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷裂破壞。第四節(jié)影響焊接接頭性能的因素及其控制一焊接材料的影響一般情況下，焊縫金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能應(yīng)與基體金屬相近。而在多數(shù)情況下，常通過(guò)調(diào)節(jié)焊縫的化學(xué)成分進(jìn)行固溶強(qiáng)化和變質(zhì)處理以改善焊縫和熔合區(qū)的性能。這就使焊縫與基體金屬的化學(xué)成分有所區(qū)別。通過(guò)焊接材料向熔池中加入細(xì)化晶粒的合金元素，如Mo、V等進(jìn)行變質(zhì)處理，可改變結(jié)晶形態(tài)，使焊縫金屬的晶粒細(xì)化，既可提高焊縫的強(qiáng)度和韌性，又可改善抗裂性能。低碳鋼和低合金鋼，向焊縫添加Mn和Si,一方面可使焊縫充分脫氧，還可進(jìn)行固溶強(qiáng)化提高焊縫的強(qiáng)度。當(dāng)焊縫WMn=0.8-1.0%,WSi=0.1-0.25%,時(shí)還可提高焊縫韌性。對(duì)于耐熱鋼、不銹鋼為保證焊縫具有與基體金屬相當(dāng)?shù)母邷匦阅芎涂寡趸?，其焊接材料的化學(xué)成分應(yīng)與基體金屬大致相同。二焊接方法和工藝的影響同一焊接接頭采用不同的焊接方法和工藝，性能也會(huì)有較大的差異。從合金元素?zé)龘p和減少焊縫中雜質(zhì)元素，氣體的含量以及焊縫的組織特點(diǎn)，熱影響區(qū)的寬度方面而言，氣焊方法最差，焊條電弧焊和埋弧焊較好，而鎢極氬弧焊可以得到最純凈的焊縫，合金元素基本不燒損，因而漢服呢個(gè)性能最好。所以重要的設(shè)備，鍋爐壓力容器受壓元件宜采用鎢極氬弧焊或封底。三線能量和焊接參數(shù)的影響焊接線能量及焊接參數(shù)會(huì)直接影響焊接接頭的熱循環(huán)特性，因此對(duì)焊縫和熱影響區(qū)的組織和性能都有影響。線能量的確定主要取決于過(guò)熱