焊接接頭組織分析

王書增

[摘要]：隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，焊接技術(shù)在現(xiàn)代化社會(huì)建設(shè)過(guò)程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，焊接接頭的組織分析也隨之顯得越來(lái)越關(guān)鍵，本文以熔焊為例，就如何正確識(shí)別焊接接頭的各種金相組織做了簡(jiǎn)要介紹。

[關(guān)鍵詞]：焊接接頭 金相組織 熔焊

熔焊是各個(gè)工業(yè)部門中應(yīng)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(fù)雜。掌握熔焊接頭組織及其形成過(guò)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(duì)焊接接頭即焊縫金屬、熔合區(qū)與熱影響區(qū)的形成過(guò)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(guò)程是通過(guò)晶體成核與長(zhǎng)大的機(jī)制進(jìn)行[2]。熔池邊界的母材晶粒表面成為新相晶核生長(zhǎng)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(dāng)于熔池邊界的母材晶粒的外延生長(zhǎng)，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(duì)過(guò)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(guò)熱粗化，獲得較細(xì)的焊縫柱狀晶的關(guān)鍵。

晶核的成長(zhǎng)是通過(guò)二維成核的方式長(zhǎng)大。形成二維成核的幾率與組分過(guò)冷度、熔池邊界母材的晶粒取向有關(guān)。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(zhǎng)。

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(guò)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(guò)冷度以及界面成長(zhǎng)速度相當(dāng)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(zhǎng)方向一致。

當(dāng)界面液相有較大過(guò)冷度時(shí)，胞狀成長(zhǎng)過(guò)渡到“臺(tái)階”方式成長(zhǎng)，造成表面凸起擇優(yōu)生長(zhǎng)，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(duì)值|l-K0|越大，凝固速度越大，則枝晶間距越小。當(dāng)每個(gè)枝晶與鄰近生長(zhǎng)的枝晶接觸時(shí)即停止生長(zhǎng)。枝晶的接觸面便成為兩個(gè)晶體的晶界。晶粒就是每個(gè)晶核形成的晶體。晶界是由一個(gè)取向的晶粒過(guò)渡到另一個(gè)取向的晶粒的分界面。枝晶成長(zhǎng)方向同熔池形狀與焊速有關(guān)。一般焊接速度下，枝晶朝向焊縫中心并偏向焊接方向成長(zhǎng)，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(duì)地、幾乎不變方向地生長(zhǎng)，形成“定向晶”。

凝固結(jié)晶成長(zhǎng)的形態(tài)與組分過(guò)冷有密切關(guān)系。隨著溫度梯度的降低，凝固速度的增大，組分過(guò)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(guò)程。因此，最終影響焊縫金屬凝固組織的形態(tài)。當(dāng)熱輸入小時(shí)，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(guò)冷度小，這樣使焊縫金屬傾向胞狀晶或胞狀枝晶長(zhǎng)大。當(dāng)熱輸入大時(shí)，如電渣焊，熔池邊緣區(qū)溫度梯度小，組分過(guò)冷度大，導(dǎo)致該區(qū)焊縫金屬多數(shù)按枝晶長(zhǎng)大，形成短粗的柱狀晶。焊接工藝通過(guò)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(dá)到控制焊縫晶體成長(zhǎng)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(shí)際上不是真實(shí)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(guò)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(dǎo)致邊界各點(diǎn)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(guò)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(shí)熔合線在未混合熔化區(qū)與半熔化區(qū)之間，是實(shí)際焊接熱影響區(qū)與焊縫的邊界線。

W.F.Savage對(duì)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(shí)，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(shí)，熔合區(qū)僅為呈鋸齒狀的部分熔化區(qū)[4]。

熔合區(qū)無(wú)論在化學(xué)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(jī)理要比后者復(fù)雜。焊接相變不僅在連續(xù)加熱、冷卻速度不斷變化下進(jìn)行，而且在熱應(yīng)力、拘束應(yīng)力與相變應(yīng)力等不均勻應(yīng)力場(chǎng)中進(jìn)行。因此是一個(gè)不平衡的相變過(guò)程。特別是近縫區(qū)相變，由于過(guò)熱并在很短時(shí)間內(nèi)進(jìn)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(shí)間內(nèi)經(jīng)歷了不同峰值溫度，導(dǎo)致相變的不均勻性與相變應(yīng)力。另外，近縫區(qū)晶界偏析與液化也影響著相變的進(jìn)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(yīng)力、應(yīng)變。材料有沒(méi)有重結(jié)晶對(duì)焊接熱循環(huán)反應(yīng)

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(xì)晶區(qū)與再結(jié)晶區(qū)。粗晶區(qū)或過(guò)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(xì)晶區(qū)位于晶粒迅速長(zhǎng)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(qiáng)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(yuǎn)比單相合金復(fù)雜。如合金結(jié)構(gòu)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(gè)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(zhǎng)大溫度之間；

（3）完全重結(jié)晶區(qū)或細(xì)晶區(qū)在奧氏體晶粒迅速長(zhǎng)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(kāi)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(shí)只有晶粒粗化區(qū)。冷加工的純金屬或單相合金焊接時(shí)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(shí)效強(qiáng)化鋁合金中為過(guò)時(shí)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(xiàn)：

[1] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì). 焊接金相圖譜. 斯重遙等. 北京：機(jī)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(duì)異種鋼焊接熔合區(qū)形態(tài)的影響. 材料科學(xué)與工藝，1995年；第3卷第3期：92～95endprint