焊接金相简介

      焊接金相主要是研究焊接接头的宏观和微观组织，了解金属的可焊性，确定焊接工艺的合理性。在焊接过程中，焊缝金属被加热到熔化，冷却时又经历了凝固结晶（一次结晶）和固态相变（二次结晶）的过程；焊接接头各部位受到不同的热循环，相当于金属受到一系列的热处理，造成焊接接头各处组织的差异及不均匀性。
      一、焊缝金属组织
      焊接接头由焊缝、热影响区及母材三部分组成。焊接时，由于热源的作用，焊接熔池在极短时间内，在高温下发生一些列的冶金反应，当热源离开后，便冷却结晶。焊缝金属的结晶过程也是形核与长大的过程。然而，焊接熔池的结晶有着一定的特殊性：由于熔池体积小，周围被冷金属所包围，所以熔池冷却速度很大；熔池中的液体金属处于很高的温度；焊接时，熔池随热源的移动而移动，由于焊条的摆动和电弧的吹力，使熔池发生强烈的搅拌作用。因而，熔池内的熔化金属处于运动状态下结晶。
      由于焊接熔池结晶的特点，因此焊缝的凝固组织具有连续长大和柱状晶的基本特征。熔化的液态金属冷却时，在熔合线附近的半熔化段的母材温度较低，起着熔化的模壁作用。它和焊缝金属具有相似的化学成分，相同的晶格类型，成焊缝金属凝固时的结晶表面。在一定过冷度下，就直接从熔池壁母材金属的晶粒上进行长大，因此焊缝金属的晶粒和熔合线附近的母材晶粒是相连结的。在凝固时，它的晶体是从与液态金属相接触的母材晶粒连结地长大。
      由于熔池结晶处于很大的温差条件下进行，因而焊缝的金属组织，有着与散热相反方向长成的柱状组织。对于较高合金成分的焊缝而言，柱状组织内部为胞状组织或树枝状组织。
      焊缝中的偏析主要有以下三种：
      树枝晶偏析（显微偏析） 焊缝冷却时，以树枝状结晶成长，造成先凝固的结晶轴成分较纯，后凝固的枝晶末端及枝晶空间杂质和成分偏析。试片经浸蚀后可以看到树枝状结构偏析。碳钢焊口的显微偏析不严重，高碳钢和合金钢焊口较严重。可采用热处理方法予以消除。
      区域偏析（宏观偏析） 由于焊接熔池中心最后凝固，杂质及低熔点混合物易在此处集中，造成区域性偏析，又称中心线偏析。偏析的程度与熔池的形状及熔深有关。狭焊缝的偏析位于焊缝中心，宽焊缝的区域偏析出现在焊缝上部。
      层状偏析 焊缝横断面经浸蚀后可看到色泽深浅不同的分层组织，这是由于化学成分的不均匀性所致，也称层状偏析。
      焊缝的二次结晶组织对低碳钢而言，为铁素体和珠光体。随含碳量的增加，组织中的珠光体量亦增加；当焊缝含合金元素较多或冷却速度较大时，焊缝中会出现贝氏体和马氏体；焊缝经多层焊接后，由于后焊层对前焊层的再加热，可获得细小的等轴晶粒，改善了焊缝的机械性能。
      焊缝中的非金属夹杂物多为氧化物、氮化物和硫化物。点状分散的氧化物夹杂对性能影响不大；以针状分布于晶粒中间或贯穿晶界的氮化物夹杂使焊缝硬度增高、塑性降低，容易发生脆断。以MnS形式出现的硫化物夹杂，因呈分散颗粒状，影响不大；而以FeS形式出现的硫化物夹杂，由于沿晶界析出，形成低熔点共晶，增加了焊缝的热裂倾向。
      合金钢电弧焊当采用掺合金药皮焊条时，由于合金颗粒较大，在熔池内来不及溶解，而形成金属夹杂。
      焊缝中如存在较多的夹杂，会降低接头的强度、塑性和抗蚀性，增加脆性和热裂倾向。
      二、焊接热影响区的组织
      临近焊缝金属的原材料，在焊接过程中被加热到低于熔点的各种温度，然后又冷却到室温。焊接时受热的这部分原材料称为热影响区。
      1、不易淬火钢的热影响区组织
      焊前母材通常以热轧或正火状态供货。热影响区主要分为四个区域。
      （1）半熔化区 该区很狭，实际观察不易区分。温度处于固、液相之间的范围，对接头的强度、塑性影响很大。熔合线附近是裂缝、夹杂及局部脆性破坏的源点。
      （2）过热区 该区温度处于1100℃~T熔。组织特征是粗大的魏氏组织和细珠光体。在快速冷却时，也会出现贝氏体及低碳马氏体等混合组织。是接头的薄弱区，塑性差。
      （3）相变重结晶区（正火区） 该区温度处于Ac3~1100℃左右，组织为均匀的细小的铁素体和珠光体，是接头组织性能最佳的区域。
      （4）不完全重结晶区 该区温度处于Ac1~Ac3之间，组织为分布不均匀的铁素体和细小珠光体，对机械性能有不良影响。
      当焊前金属处于冷变形状态时，在500℃~Ac1温度范围，金属发生再结晶，呈再结晶区。
      2、易淬火钢的热影响区组织
      焊前母材常以调质状态供货。热影响区分为三个区域。
      （1）淬火区 超过Ac3以上的温度区。紧靠焊缝部分为粗大的马氏体。正常淬火区为细小马氏体或贝氏体、托氏体，从而形成混合组织。
      （2）不完全淬火区 温度在Ac1~Ac3之间。组织为马氏体和网状铁素体。如冷速缓慢也可得到珠光体和铁素体组织。
      （3）回火区 焊前母材为退火状态，温度低于Ac1的区域一般不发生组织变化；焊前母材为淬火状态时，则在该区（回火温度~Ac1）由于温度不同，得到不同的回火组织——回火索氏体、回火托氏体和回火马氏体；如焊前母材为调质状态，则焊接过程中加热温度低于调质回火温度的区域无组织变化，高于调质回火温度的区域组织将发生相应的变化。