焊缝接头的组织与性能分析

焊缝接头的组织变化如图4-4所示的低碳钢焊接接头的组织和温度变化情况曲线。左侧下部分是焊件的横截面，上部分是相应各点在焊接过程被加热的最高温度曲线（并非某一瞬间该截面的实际温度分布曲线）。图中1、2、3各段金属组织的获得，可用右边的部分铁—碳合金相图进行对照分析。

1.焊缝

焊缝金属的结晶是从焊缝底部和半熔合区开始向中心伸长形成的柱状晶。可以说是铸造组织，由铁素体和少量的珠光体组织构成。焊缝中心，由低熔点的杂质硫、磷、氧化铁等易偏析物和低熔共晶组成，可能影响了力学性能。但是，由于电弧的吹力与保护气体的吹动，打乱了柱状结晶，使其组织呈现倾斜状，使晶粒有所细化。其次，由于焊芯和药皮有渗合金作用，使被高温烧损的合金元素得到相应的补充，焊缝金属的合金元素不但不低于母材，还有可能更高，所以焊缝金属的力学性能并不低于母材。

2.半熔合区

半熔合区，也称半熔化区，是焊缝和母材金属交接过渡区。可以看出，此区域处于固相线和液相线之间，由于焊接过程中母材部分熔化，故称为半熔化区。冷凝结晶后，熔化区靠近母材一侧的金属组织处于过热状态，靠近焊缝一侧是铸态组织。这一区域很窄（0.1～1mm）。由于晶粒粗大，塑性和韧性很差，接头交接易引起应力集中，是产生裂纹和局部脆性的发源地，所以在很大程度上决定了焊缝接头的性能。

表4-1 焊接热影响区的平均尺寸数值

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3.热影响区

热影响区是指焊缝两侧金属在焊接热的作用下发生组织与性能变化的区域。

（1）过热区 过热区紧挨半熔化区。温度范围在Ac₃以上100～200℃至固相线温度区间。高温时的组织为奥氏体，由于温度高奥氏体晶粒粗大，冷却后，形成过热组织，塑性和韧性降低。在焊接刚度较大的结构时，常在过热区产生冷裂纹。

（2）正火区 该区域加热到Ac₃以上100～200℃之间，加热时使该区域组织发生重结晶，转变为细小的奥氏体晶粒。离焊缝较远，冷却快，冷却后得到了细小而均匀的铁素体和珠光体组织，其力学性能优于母材。

（3）部分相变区 此区域相当于加热到Ac₁至Ac₃之间的温度，其中部分的铁素体和珠光体发生重结晶，转变成细小的奥氏体晶粒。另一部分的铁素体和珠光体不发生相变，但晶粒有长大的趋势。冷却后晶粒大小不均，力学性能不如正火区。

焊接都会产生的热影响区，其平均尺寸见表4-1。热影响区的大小和组织变化程度，取决于焊接方法、焊接参数、接头形式和焊后冷却速度等影响因素。一般情况是焊条电弧焊、埋弧焊热影响区小，气焊热影响区较大。对于一些重要的碳钢结构件、低合金钢结构件，热影响区给焊件带来不利影响，为此可用焊后正火改善焊接接头性能。焊条电弧焊的工艺参数，主要是焊条直径、焊接电流及焊接速度，其次是焊接次序、焊前预热、焊后缓冷等。正确选择焊接工艺参数能保证焊接质量和提高生产率。