焊缝金属的强化与韧化优化方案

改善焊缝金属凝固组织性能的有效方法之一是向焊缝中添加某些合金元素，起固溶强化和变质处理的作用。根据目的和要求的不同，可加入不同的合金元素，以改变凝固组织的形态，从而提高了焊缝金属的性能。特别是近年来采用了添加多种微量合金元素，大幅度地提高了焊缝金属的强度和韧性。

研究结果表明，通过焊接材料（焊条、焊丝和焊剂等）向熔池中加入细化晶粒的合金元素，如Mo、V、Ti、Nb、B、Zr、Al和稀土等，可以改变焊缝结晶形态，使焊缝金属的晶粒细化，既可提高焊缝的强度和韧性，又可改善抗裂性。

1.锰和硅对焊缝性能的影响

Mn和Si是一般低碳钢和低合金钢焊缝中不可缺少的合金元素，它们一方面可使焊缝金属充分脱氧，另一方面可提高焊缝的抗拉强度（属于固溶强化），但对韧性的影响比较复杂。

单纯采用Mn、Si提高焊缝的韧性是有限的，特别是在采用大热输入方法进行焊接时，难以避免产生粗大先共析铁素体和侧板条铁素体。因此，必须向焊缝中加入其他细化晶粒的合金元素才能进一步改善组织，提高焊缝的韧性。

2.钼对焊缝性能的影响

低合金钢焊缝中加入少量的Mo不仅可以提高强度，也能改善韧性。焊缝中的Mo含量少时，形成粗大的先共析铁素体（PF）；当Mo含量太高时（w_Mo＞0.5％），组织转变温度降低，形成上贝氏体的板条状组织（即无碳贝氏体），韧性显著下降。当w_Mo＝0.20％～0.35％时，有利于形成均一的细晶铁素体（FGF），韧性能大大提高。如果向焊缝中再加入微量Ti，更能发挥Mo的有益作用，使焊缝金属的组织更加均一化，韧性显著提高。

经过正火处理的焊缝，才可以通过焊接材料向低合金钢焊缝中加入Nb和V。因为正火处理才能使Nb、V和N的析出相脱离与基体的共格关系，致使改善焊缝韧性和降低强度。

3.铌和钒对焊缝性能的影响(www.xing528.com)

适量的Nb和V可以提高焊缝的韧性。因为Nb和V在低合金钢焊缝金属中可以固溶，从而推迟了冷却过程中奥氏体向铁素体的转变，能抑制焊缝中先共析铁素体（PF）、侧板条铁素体（FSP）的产生，有利于形成细小的针状铁素体（AF）组织。如w_Nb＝0.03％～0.04％，w_V＝0.05％～0.1％可使焊缝具有良好的韧性。另外，Nb和V还可以与焊缝中的氮化合生成NbN、VN，从而固定了焊缝中的可溶性氮，这也会使焊缝金属提高韧性。但是，采用Nb和V来韧化焊缝，当焊后不再进行正火处理时，V、Nb的氮化物，以微细的共格沉淀相存在，导致焊缝的强度大幅度提高，焊缝的韧性下降。

4.钛、硼对焊缝性能的影响

低合金钢焊缝中有Ti、B存在可以大幅度地提高冲击韧度。但Ti、B对焊缝金属组织细化的作用是很复杂的，与氧、氮有密切的关系。

Ti与氧的亲和力很大，焊缝中的Ti以微小颗粒氧化物TiO的形式弥散分布于焊缝中，从而促进焊缝金属晶粒细化。此外，这些微小颗粒状的TiO还可以作为针状铁素体（AF）的形核质点。

Ti在焊缝中保护B不被氧化，因此B可以原子状态偏聚于晶界，由于B的原子半径很小，仅为9.8×10^－9mm，高温下极易向奥氏体晶界扩散。这些聚集在奥氏体晶界的B原子降低了晶界能，抑制了先共析铁素体（PF）、侧板条铁素体（FSP）的形核与生长，从而促使针状铁素体形成，改善了焊缝组织的韧性。

5.镍对焊缝性能的影响

Ni既可以提高钢的强度，又可以使钢的韧性（特别是低温韧性）保持很高的水平。当Ni＜0.3％（质量分数）时，其韧脆转变温度可达－100℃以下；当Ni量增高到4％～5％（质量分数）时，韧脆转变温度可降至－180℃。由于镍是奥氏体化形成元素，因此增加一定的含镍量可以提高钢材和焊缝的耐蚀性。在高强高韧焊接材料的开发中，增加一定的含镍量可以提高焊缝的低温冲击吸收能量。但是，这种高镍类型的焊接材料在价格上比较贵。