焊接接头的组织与性能分析

1.焊接热循环与焊接接头的组成

焊接时，电弧沿焊件逐渐移动并对焊件进行局部加热。焊件经焊接后所形成的结合部分称为焊缝。焊缝及其邻近区域的总称叫焊缝区。

在焊接过程中，焊缝区金属从常温被加热到最高温度，然后再逐渐冷却到常温。由于焊件上各点所处的位置不同，其被加热的最高温度亦不相同； 而热量的传递需要一定的时间，故各点达到其最高温度的时间亦不相同，导致组织和性能也不同。在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间变化的过程称为焊接热循环，如图11-6 所示。离焊缝越近的点，被加热的温度越高； 反之，越远的点，被加热的温度越低。

图11-6　焊接热循环曲线

焊接热循环的特点是加热和冷却速度很快，对易淬火钢，易导致马氏体相变； 对其他材料，易产生焊接变形、应力及裂纹。

受热循环的影响，焊缝附近的母材组织和性能发生变化的区域称为焊接热影响区。焊缝和母材的交界线叫熔合线，熔合线两侧有一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区，叫熔合区，也叫半熔化区。因此，焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区三部分组成。

2.焊缝的组织和性能

焊缝组织是由熔池金属结晶得到的铸造组织。焊接时，熔池的结晶首先从熔合区中处于半熔化状态的晶粒表面开始，晶粒沿着与散热最快方向的相反方向长大，因受到相邻的正在长大的晶粒的阻碍，向两侧生长受到限制，因此，焊缝中的晶体是方向指向熔池中心的柱状晶体，如图11-7 所示。

焊缝中的铸态组织，晶粒粗大，成分偏析，组织不致密。但是，由于焊接熔池小，冷却快，焊条药皮、焊剂或焊丝在焊接过程中的冶金处理作用，使得焊缝金属的化学成分优于母材，硫、磷含量较低，所以容易保证焊缝金属的性能不低于母材，特别是强度容易达到。

显然，焊缝金属的成分主要决定于焊芯金属的成分，但也会受到焊件熔化金属及药皮成分的影响，通过选择焊条可以保证焊缝金属的力学性能。

3.热影响区的组织和性能

对应铁碳相图，低碳钢焊接接头因受热温度不同，其热影响区可分为过热区、正火区和部分相变区，如图11-8 所示。(www.xing528.com)

图11-7　焊缝的组织

图11-8　低碳钢焊接接头的组织

(1)过热区

过热区是指焊接时加热到1 100 ℃以上至固相线温度的区域。由于加热温度高，奥氏体晶粒明显长大，冷却后产生晶粒粗大的组织。过热区的塑性、韧性差，容易产生焊接裂纹，是热影响区中性能最差的部位。

(2)正火区

正火区是指在热影响区中，最高加热温度从Ac3 ～1 100 ℃的区域。金属发生重结晶，焊后冷却得到均匀而细小的铁素体和珠光体组织(正火组织)。正火区的性能优于母材。

(3)部分相变区

部分相变区是指在热影响区中，温度在Ac1 ～Ac3，部分组织发生相变的区域。冷却后，晶粒大小不均，力学性能较差。

4.熔合区的组织和性能

熔合区(图11-8)在焊接时处于半熔化状态，组织成分不均匀，晶粒粗大，其性能往往是焊接接头中最差的。

综上所述，熔合区和过热区是焊接接头中的薄弱环节，对焊接质量有严重影响，应尽可能减小。