焊接接头的金相组织 (metallurgical structure of the weld joint )

1．焊接接头的组成及区域特征

典型的对接焊接接头主要由三个部分组成：

（1）焊缝 ( weld )

焊缝金属的结晶凝固冷却方式主要依靠母材金属热传导，所以液态金属结晶很自然呈柱状晶成长，且成长方向垂直于焊接熔池壁，最终汇交于熔池中部形成八字形柱状树枝晶结晶形式。

（2）熔合区( fusion zone )

指焊缝与母材交接的过渡区，即熔合线处微观显示的母材半熔化区。在焊接时，液态的焊缝金属与固态母材金属的交界面，便形成了熔合线（fusion line），即接头横截面上宏观腐蚀所显示的焊缝轮廓线。

以大多数（低碳）碳素钢和低合金钢为例：熔合区的温度处于固相线和液相线之间。焊缝与母材产生不规则结合，形成了参差不齐的分界面。该区晶粒十分粗大，化学成分和组织极不均匀，冷却后为过热组织。区域很窄，金相观察难以区分，但对接头强度和韧性却有很大影响，常是产生裂纹和脆性破坏的发源地。

（3）热影响区（heat affected zone）

在焊接和切割过程中，材料因受热的影响（但未熔化）而发生金相组织和机械性能变化的区域。

焊接是一个不均匀加热和冷却的过程，距焊缝不同距离的点上经历着不同的焊接热循环，这些点实质上都受到一次特殊的热处理。

和一般金属热处理一样，每个点都引起不同的组织转变，于是就形成了在组织和性能上不均匀的焊接热影响区。在这个区中，有些部位的组织和性能可能是优于也可能劣于母材焊前的组织性能。显然，劣于母材的部位便成为焊接接头中最薄弱环节。

决定热影响区的分区及特征的因素是多方面的，大致可分为三个方面：

母材的冶金特征

母材金属在焊接热循环作用下是否存在固相转变；有固相转变的材料是纯金属、单相合金或多相合金；是否是同素异构转变；是否是扩散型的相变。

例如，焊接无固相转变的金属，在热影响区上主要出现的是晶粒粗大现象，有时也有再结晶现象。焊接有固相转变的金属，如果是碳钢，其热影响区上不仅有过热和再结晶现象，还有重结晶和淬火现象。

母材焊前的状态

同一种金属材料，焊前状态不同，焊后热影响区的组织和性能是不同的，例如，焊前经过冷作硬化或热处理强化的金属，焊后热影响区内就会出现回火软化区。对于易淬火钢，若焊前处于退火状态，则焊后会出现硬化区。也即焊接热循环改变了母材焊前的状态，焊后在热影响区就可出现不希望的硬化、软化或脆化现象。

焊接方法及其工艺参数

因为不同的焊接方法其热源集中程度不同，通过工艺参数的选择又可以获得不同的热输入，这两者实质上是焊接温度场和焊接热循环的特征参数对热影响区的范围大小，以及范围内各部位的组织和性能的影响。温度场分布影响着热影响的宽窄，而热循环曲线的特征参数，如加热速度、高温停留时间和冷却速度等直接影响着组织和性能的变化。

2．焊接热影响区的组成

压力容器用碳素钢和低合金钢一般属于不易淬火钢，即在焊接条件下淬火倾向很小，其焊接影响区按其组织基本相同且性能相近，大致可以划分为：

（1） 过热区（overheated zone）

又称粗晶区，这里加热温度高，金属处于过热状态，奥氏体晶粒严重长大，粗大的奥氏体在较快速度冷却下形成一种特殊的过热组织——魏氏组织（widmanstatten structure）。这种魏氏组织降低了金属材料的韧性，是不易淬火钢焊接接头变脆的主要原因之一。

魏氏组织的形成与过热程度即金属在高温停留时间有关，在焊条电弧焊、埋弧焊、电渣焊几种焊接方法中，焊条电弧焊时的高温停留时间最短，晶粒长大相对并不严重。对于电渣焊则相反，焊接容易出现粗大的魏氏组织，为改善接头性能，消除严重的过热组织，常要求焊后做正火热处理。

（2） 重结晶区（annealed zone）

又称细晶区（fine—grain zone）或正火区，加热时铁素体和珠光体全部转变为奥氏体，由于加热速度快，高温停留时间短，奥氏体晶粒还未十分长大，接着冷却就得到了均匀细小的铁素体+珠光体，它相当于热处理时的正火组织。由于该区组织细化。故其塑性和韧性较好，甚至优于母材。

（3） 不完全重结晶区（incomplete annealed zone）

又称不完全正火区或部分相变区。该区加热到的峰值温度在~之间，低碳钢约为750℃～900℃。其特点是只有部分金属经受了重结晶相变，其余部分为没有发生相变的原始铁素体晶粒。因此，该区是一个粗晶粒和细晶粒的混合区。在粗大原始铁素体晶粒之间分布着经重结晶后的细小铁素体+珠光体的群体。由于该区晶粒大小不均匀，因而其力学性能也不均匀。

（4） 再结晶区（recrystallization zone）

再结晶与重结晶不同，重结晶时金属内部晶体格架要发生变化，即指同素异构转变时金属由一种晶体格架转变为另一种晶体格架；而再结晶时只有晶粒外形的变化，并没有内部晶体结构的变化。

对于冷轧钢板，由于冷作变形，其破碎的或纤维状的晶粒通过焊接加热到相变点以下的温度发生再结晶过程，再次变成完整的等轴晶粒，由于没有发生相变过程，故在金相组织上有时看不到明显的变化。

再结晶区的强度和硬度都低于冷作变形状态的母材，但塑性和冲击韧性都得到改善。对于母材未经受冷作塑性变形的热轧钢板或是退火状态下的钢板，则在热影响区内就不会出现这种再结晶现象，因此有明显组织变化的热影响区只有三部分：过热区、重结晶区、不完全重结晶区。