王書增

[摘要]：隨著社會的不斷進步和發(fā)展，焊接技術在現(xiàn)代化社會建設過程中的應用越來越廣泛，焊接接頭的組織分析也隨之顯得越來越關鍵，本文以熔焊為例，就如何正確識別焊接接頭的各種金相組織做了簡要介紹。

[關鍵詞]：焊接接頭 金相組織 熔焊

熔焊是各個工業(yè)部門中應用最廣也是最主要的焊接工藝。熔焊形成的焊接接頭金相組織也較其它焊接工藝復雜。掌握熔焊接頭組織及其形成過程將有助于了解其它焊接工藝形成接頭的金相組織?，F(xiàn)以熔焊為例，對焊接接頭即焊縫金屬、熔合區(qū)與熱影響區(qū)的形成過程及其組織作一概略的論述[1]。

1.焊縫金屬

熔焊形成的焊接熔池的凝固過程是通過晶體成核與長大的機制進行[2]。熔池邊界的母材晶粒表面成為新相晶核生長的基底。焊縫金屬柱狀晶與母材晶粒相聯(lián)接。這種與母材晶粒共同形成的結(jié)晶稱為聯(lián)生結(jié)晶。柱狀晶相當于熔池邊界的母材晶粒的外延生長，因此與聯(lián)生結(jié)晶相聯(lián)的母材的晶粒尺寸，也就是焊縫柱狀晶的尺寸。在焊接熱循環(huán)下，對過熱敏感的母材必然產(chǎn)生粗大的焊縫柱狀晶。選擇合適的焊接熱循環(huán)是防止母材晶粒過熱粗化，獲得較細的焊縫柱狀晶的關鍵。

晶核的成長是通過二維成核的方式長大。形成二維成核的幾率與組分過冷度、熔池邊界母材的晶粒取向有關。二維成核只有在原子排列最密的晶面上最易形成。在焊縫邊界作為晶核的母材晶粒是各向異性的。結(jié)晶柱軸背向最大散熱方向的晶粒最利于成核生長。

平面晶為平滑界面，只生成在極純的液態(tài)金屬或溫度梯度大于平衡凝固溫度曲線，不形成組分過冷情況下的液態(tài)合金。胞狀晶是在較大溫度梯度，較小組分過冷度以及界面成長速度相當慢的情況下生成的。它由相互平行的棒狀體組成，橫截面似六角蜂窩，主軸與成長方向一致。

當界面液相有較大過冷度時，胞狀成長過渡到“臺階”方式成長，造成表面凸起擇優(yōu)生長，形成枝晶。它的形成是由于凝固界面溶質(zhì)偏析引起的。枝晶的間距決定于溶質(zhì)濃度分配系數(shù)K0與凝固速度。換言之，溶質(zhì)的偏析系數(shù)的絕對值|l-K0|越大，凝固速度越大，則枝晶間距越小。當每個枝晶與鄰近生長的枝晶接觸時即停止生長。枝晶的接觸面便成為兩個晶體的晶界。晶粒就是每個晶核形成的晶體。晶界是由一個取向的晶粒過渡到另一個取向的晶粒的分界面。枝晶成長方向同熔池形狀與焊速有關。一般焊接速度下，枝晶朝向焊縫中心并偏向焊接方向成長，形成“偏向晶”。高速焊接如高壓真空電子束焊接生成的焊縫枝晶從焊縫邊界成對地、幾乎不變方向地生長，形成“定向晶”。

凝固結(jié)晶成長的形態(tài)與組分過冷有密切關系。隨著溫度梯度的降低，凝固速度的增大，組分過冷度變大，焊縫結(jié)晶形態(tài)依次發(fā)展為平面晶、胞狀晶、胞狀枝晶、枝晶與等軸枝晶等組織形態(tài)。

焊接工藝參數(shù)直接影響熔池溫度的梯度、冷卻速度、形狀與尺寸以及熔池的冶金過程。因此，最終影響焊縫金屬凝固組織的形態(tài)。當熱輸入小時，熔池邊緣區(qū)溫度梯度大。而結(jié)晶速度比中心區(qū)低，組分過冷度小，這樣使焊縫金屬傾向胞狀晶或胞狀枝晶長大。當熱輸入大時，如電渣焊，熔池邊緣區(qū)溫度梯度小，組分過冷度大，導致該區(qū)焊縫金屬多數(shù)按枝晶長大，形成短粗的柱狀晶。焊接工藝通過接頭形式、焊接參數(shù)、填充金屬的選擇等可以改變?nèi)鄢販囟忍荻取⒗鋮s速度與形狀尺寸，從而達到控制焊縫晶體成長方向、晶體形狀與成分的不均勻性。

2.熔合區(qū)

熔化焊接頭用通常浸蝕方法一般只能顯示焊縫熔合線與熱影響區(qū)。這樣顯示的熔合線，實際上不是真實熔合線。薩維奇（W.F.Savage）等把熔焊的焊縫劃分為混合熔化區(qū)、未混合熔化區(qū)與半熔化區(qū)[3]。未混合熔化區(qū)為焊縫邊緣的母材經(jīng)歷了熔化、凝固過程但未被混合的焊縫區(qū)，其成分與母材相同。焊縫金屬與母材成分相差越大，未混合區(qū)也就越易于顯示。近縫區(qū)母材晶粒因?qū)岵煌c溶質(zhì)分布的不均勻，導致邊界各點具有不同的有效熔化溫度。這些近縫區(qū)邊界部位在焊接峰值溫度下，處在有效液相線與固相線之間，造成局部熔化與局部不熔化的半熔化區(qū)。熔化區(qū)是母材到焊縫的過渡區(qū)。它包括未混合熔化區(qū)與半熔化區(qū)。根據(jù)以上劃分，真實熔合線在未混合熔化區(qū)與半熔化區(qū)之間，是實際焊接熱影響區(qū)與焊縫的邊界線。

W.F.Savage對熔合區(qū)的劃分方案并不完全適用于異種鋼焊接情況。母材碳含量較低時，熔合區(qū)由具有類馬氏體組織的不完全混合區(qū)和呈鋸齒狀的部分熔化區(qū)組成。碳含量較高時，熔合區(qū)僅為呈鋸齒狀的部分熔化區(qū)[4]。

熔合區(qū)無論在化學成分上或組織上都有明顯的不均勻性，為接頭最薄弱的環(huán)節(jié)，往往是產(chǎn)生脆斷與焊接裂紋的根源。

3.焊接熱影響區(qū)

雖然熱影響區(qū)相變與一般熱處理相變基本原理相同，但前者相變機理要比后者復雜。焊接相變不僅在連續(xù)加熱、冷卻速度不斷變化下進行，而且在熱應力、拘束應力與相變應力等不均勻應力場中進行。因此是一個不平衡的相變過程。特別是近縫區(qū)相變，由于過熱并在很短時間內(nèi)進行，使相變的不平衡性更為突出。近縫區(qū)各部位由于在不同時間內(nèi)經(jīng)歷了不同峰值溫度，導致相變的不均勻性與相變應力。另外，近縫區(qū)晶界偏析與液化也影響著相變的進行。

母材熱影響區(qū)各部位的組織與性能決定于母材的成分、狀態(tài)以及該處所經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)、應力、應變。材料有沒有重結(jié)晶對焊接熱循環(huán)反應

3.1 具有重結(jié)晶材料的焊接熱影響區(qū)

具有重結(jié)晶的純金屬或單相合金在熔焊情況下，焊接熱影響區(qū)可分為粗晶區(qū)、細晶區(qū)與再結(jié)晶區(qū)。粗晶區(qū)或過熱區(qū)位于晶粒迅速粗化溫度以上的區(qū)域。正常相變區(qū)或細晶區(qū)位于晶粒迅速長大溫度與金屬重結(jié)晶溫度之間的區(qū)域。再結(jié)晶區(qū)位于重結(jié)晶溫度與再結(jié)晶溫度之間的區(qū)域。如圖2-1，低合金高強鋼接頭的金相組織。

具有重結(jié)晶多相合金的焊接熱影響區(qū)組織遠比單相合金復雜。如合金結(jié)構鋼在熔焊條件下，焊接熱影響區(qū)按經(jīng)歷焊接熱循環(huán)不同可分為五個區(qū)域：

（1） 半熔化區(qū)在有效固相線與有效液相線之間；

（2） 粗晶區(qū)在固相線與奧氏體晶粒迅速長大溫度之間；

（3）完全重結(jié)晶區(qū)或細晶區(qū)在奧氏體晶粒迅速長大溫度與鐵素體、珠光體全部轉(zhuǎn)化為奧氏體溫度（Ac3）之間；

（4）不完全重結(jié)晶區(qū)在Ac3與開始由鐵素體、珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相變溫度Ac1之間；

（5）回火區(qū)取決于焊前熱處理狀態(tài)。調(diào)質(zhì)鋼在Acl與焊前該鋼回火溫度之間形成軟化區(qū)。

3.2 不發(fā)生重結(jié)晶材料的焊接熱影響區(qū)

不發(fā)生重結(jié)晶的純金屬或單相合金在退火狀態(tài)下，焊接時只有晶粒粗化區(qū)。冷加工的純金屬或單相合金焊接時有再結(jié)晶軟化區(qū)。

不發(fā)生重結(jié)晶的多相合金的焊接熱影響區(qū)基本可分為固溶區(qū)與相析出區(qū)，后者在時效強化鋁合金中為過時效區(qū)或軟化區(qū)。在18-8鉻鎳奧氏體不銹鋼中則為敏化區(qū)。

參考文獻：

[1] 中國機械工程學會焊接學會. 焊接金相圖譜. 斯重遙等. 北京：機械工業(yè)出版社，1987：1～7，74～75，239

[2] J.C.Borland. B.W.J， 1960；Vol.7， No.8

[3] W.F.Savage等. W.J.，1976；Vol.55， No.9

[4] 張志慧、潘春旭. 母材碳含量對異種鋼焊接熔合區(qū)形態(tài)的影響. 材料科學與工藝，1995年；第3卷第3期：92～95endprint