金属焊接性基础第1章-金属焊接性基础

金属焊接性基础

《金属焊接性基础是》是《焊接冶金（基本原理）》课程的后续课程，重点介绍基础知识和基本概念，并

注重引入了有关新金属材料的焊接性及其连接新技术、新标准的相关内容，其中部分内容是作者在近年的科学研究工作中所取得的研究成果。绪言目录第一章金属焊接性基础第二章碳钢及低合金钢的焊接第三章耐热钢及不锈钢的焊接第四章铜、镍及其合金的焊接第五章钛及其合金的焊接第六章铝、镁及其合金的焊接第七章铸铁的焊接第八章堆焊及金属表面改性第1章金属焊接性基础§1.1金属焊接性及其测试方法金属焊接性就是金属是否能适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能的焊接接头的特性。金属焊接性的概念有两方面内容：一是金属在焊接加工中是否容易形成缺陷；二是焊成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力。简而言之，焊接性就是指金属材料“好焊不好焊”以及焊成的接头“好用不好用”。§

1.1.1金属焊接性1.1.1.1金属焊接性概念

焊接性又可分成工艺焊接性和使用焊接性。工艺焊接性是指在一定焊接工艺条件下，获得优质、无缺陷的焊接接头的能力。如果一种金属材料可以在很简单的工艺条件下焊接而获得完好的接头且能够满足使用要求，就可以说其焊接性良好；反之，则焊接性较差。使用焊接性是指焊接接头满足某种使用性能的能力，通常包括常规的力学性能、低温韧性、抗脆断性能、高温蠕变、疲劳性能、持久强度以及抗腐蚀性和耐磨性等指标。蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。它与塑性变形不同，蠕变性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现

1.1.1.2影响焊接性的因素

◆

材料因素材料因素不仅包括被焊母材本身而且包括所使用的焊接材料，如焊条电弧焊时的焊条、埋弧焊时的焊丝和焊剂、气体保护焊时的保护气体等。他们在焊接过程中直接参与熔池或熔合区的冶金反应，对焊接性和焊接质量有重要影响。

◆

工艺因素①焊接热源：能量密度、温度以及热量输入等，它们可以直接改变焊接热循环的各项参数。②对熔池和接头附近区域的保护：如熔渣保护、气体保护、渣-气联合保护或真空保护等，这些都将影响焊接冶金过程。③可通过焊前预热、缓冷、焊后热处理等防止热影响区淬硬变脆、减小焊接应力、避免裂纹以提高接头使用性能。◆结构因素结构因素主要是指焊接结构形状、尺寸、厚度以及接头坡口形式和焊缝布置等。焊接结构的形状、板厚和焊缝的布置决定接头的刚度和拘束度，对接头的应力状态产生影响。在设计焊接结构过程中，尽量避免接头缺口、截面突变、堆高过大、交叉焊缝等。◆服役条件服役条件指工件的工作温度、负载条件和工作介质等。一定的工作环境和运行条件要求焊接结构具有相应的使用性能。例如，在低温工作的焊接结构必须具备抗脆性断裂性能，在高温工作的焊接结构要具备抗蠕变性能，在交变载荷下工作的焊接结构具有良好的抗疲劳性能，在一定腐蚀介质中工作的焊接容器应具备抗腐蚀性能等（1）利用金属的化学成分分析

碳当量法(CarbonEquivalent)

所有元素中，碳对淬硬和冷裂纹的影响最为显著。因而，人们就将各种元素的作用按照相当于若干含碳量折合并叠加起来求得所谓的碳当量(CE或Ceq)，并以此来评估冷裂倾向的大小。低合金钢的淬硬及冷裂纹敏感性常用碳当量法来估计。

1.1.1.3金属焊接性分析1.1.1.3.1从金属的特性分析焊接性此式适用于中、高强度的非调质低合金高强钢。CE≤0.45%时，焊接厚度＜25mm的板可以不预热；CE≤0.41%且含C＜0.207%时，焊接厚度＜37mm的板可以不预热。国际焊接学会(IIW)推荐：

日本的JIS（JapanIndustryStandards

）和WES（WeldingEngineeringStandard）推荐：

此式适用于低合金调质钢，其化学成分范围：C≤0.2%或0.18%；Si≤0.55%；Mn≤1.5%；Cu≤0.5%；Ni≤2.5%；Cr≤1.25%；Mo≤0.7%；V≤0.1%；B≤0.006%。当板厚＜25mm，手弧焊线能量17kJ/cm时，预热范围大致如下：钢材=500MPa，Ceq=0.46%时，可不预热；钢材=600MPa，Ceq=0.52%时，预热75℃；钢材=700MPa，Ceq=0.52%时，预热100℃；钢材=800MPa，Ceq=0.62%时，预热100℃。美国焊接学会(AWS)推荐：

此式适用化学成分范围为：C≤0.6%；Mn≤1.6%；Ni≤3.3%；Cr≤1.0%；Mo≤0.6%；Cu0.5%～1.0%；P0.05%～0.15%。当Cu＜0.5%或P＜0.05%时，不可计入。焊接冷裂纹敏感指数日本学者采用斜Y形坡口“小铁研试验”对200多种不同成分钢材、不同厚度及不同的焊缝含氢量进行试验，求得焊接冷裂纹敏感指数PC：

此式适用条件：C0.07%～0.22%；Si≤0.60%；Mn0.40%～1.40%；Cu≤0.50%；Ni≤1.20%；Cr≤1.20%；Mo≤0.70%；V≤0.12%；Nb≤0.04%；Ti≤0.05%；B≤0.005%；板厚=19～50mm；扩散氢含量H=1.0～5.0mL/100g(GB3965-83测氢法)。根据上式求得Pc后，利用下式即可求出斜Y型坡口对接裂纹试验条件下，为防止冷裂所需要的最低预热温度T0(℃)：

焊接热影响区最高硬度法根据焊接接头焊接热影响区的最高硬度(Hmax)可以相对地评价被焊钢材的淬硬倾向和冷裂纹敏感性，已被国际焊接学会(IIW)推荐采用。我国焊接热影响区最高硬度试验方法标准(GB/T4675.5-1984)：试样的标准厚度为20mm，长度为200mm，宽度为150mm；采用焊条直径4mm，焊接电流(170±10)A，焊接速度(0.25±0.02)cm/s，沿轧制试样表面的宽度中心线方向焊长度(125±10)mm的焊缝；焊后自然冷却12h，垂直切割焊缝中部，在断面上截取硬度测试试样并测量其硬度。（2）利用物理、化学性能分析金属的熔点、导热系数、线膨胀系数、密度、热容量等因素，都会对焊接热循环、熔化、结晶、相变等过程产生影响，从而影响材料的焊接性。纯铜导热系数高，焊接时热量散失迅速，坡口不易熔化，焊接热功率不足时会产生未熔透缺陷；不锈钢与钛导热系数低焊接温度梯度大，残余应力高、变形大，当高温停留时间长时热影响区晶粒粗大；金属密度小的铝及铝合金熔池中的气泡和非金属夹杂不易上浮逸出，会导致焊缝气孔和夹渣缺陷；与氧的亲和力较强的金属

需要采取较可靠的保护方法。

(3)利用合金相图分析大多数被焊材料都是合金，或至少含有某些杂质元素，因而可以利用它们的相图分析焊接性。共晶型相图固相线与液相线之间的温度区间大小会影响结晶过程的成分偏析，影响生成低熔点共晶的程度，也影响脆性温度区间的大小，这对分析热裂倾向是重要的参考依据。单相组织焊缝晶粒粗大(4)利用CCT图连续或SHCCT图分析图1-116Mn钢的连续冷却曲线(图中虚线表示的曲线是相当于厚板手弧焊时的冷却速度)T(℃)1.1.1.3.2从焊接工艺条件分析焊接性（1）热源特点各种焊接方法所采用的热源在功率、能量密度、最高加热温度等方面有很大的差别，从而影响焊接质量。电渣焊功率大、能量密度低，最高加热温度不高，高温停留时间长，热影响区晶粒粗大，冲击韧度显著降低激光焊功率不大、能量密度很高、加热迅速，高温停留时间短，热影响区窄，没有晶粒长大的危险。（2）保护方法熔焊时，对熔池和热影响区金属的保护方法有渣保护、气保护和真空保护等几种。钢铁焊接多用渣为主的保护：手弧焊、埋弧焊等；有时也采用气保护，如CO2保护焊、氩弧焊等。铝、镁、钛（活泼合金）多采用惰性气体保护：TIG、MIG。（3）热循环控制正确选择焊接工艺规范、预热、缓冷、层间温度等工艺措施控制焊接热循环。（4）其他工艺因素焊前清理、焊接材料的处理、焊接顺序和焊接规范等。§1.1.2焊接性试验1.1.2.1焊接性试验的内容焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力热裂纹是一种经常发生又是危害严重的缺陷，与焊接材料关系密切,通常是通过热裂纹试验来进行的。焊缝及热影响区金属抵抗产生冷裂纹的能力冷裂纹在低合金高强钢焊接中较为常见，是针对母材进行的试验。焊接接头抗脆性转变能力在低温下工作的焊接结构和承受冲击载荷的焊接结构，韧性损失是个严重的问题。焊接接头的使用性能

焊接接头耐放射性辐照的能力、蠕变强度、疲强度、抗晶间腐蚀能力等。1.1.2.2焊接性试验方法分类（1）直接模拟试验仿照实际焊接的条件，通过焊接过程观察是否发生某种焊接缺陷或发生缺陷的程度，直观地评价焊接性的优劣。

主要包括：焊接冷裂纹试验、焊接热裂纹试验、再热裂纹试验、层状撕裂试验、应力腐蚀裂纹试验和脆性断裂试验。

（2）间接推算

不需要焊出焊缝，而只是根据材料的化学成分、金相组织、力学性能之间的关系，联系焊接热循环过程进行推测或评估，从而确定焊接性优劣以及所需要的焊接条件。

主要包括：碳当量法、焊接裂纹敏感指数法、连续冷却组织转变曲线法、焊接热-应力模拟法、焊接热影响区最高硬度法及焊接区断口金相分析等。（3）使用性能试验(最直观)

将施焊的接头甚至产品在使用条件下进行各方面性能的试验，以试验结果来评定其焊接性。主要包括：焊缝及接头的拉伸、弯曲、冲击等力学性能试验、高温蠕变及持久强度试验、断裂韧性试验、低温脆性试验、耐腐蚀及耐磨试验、疲劳试验等。直接用产品做的试验有水压试验、爆破试验等。1.1.2.3选择或制定试验方法的原则(1)针对性焊接性试验的条件要尽量与实际焊接时的条件相一致。(2)再现性焊接性试验的结果要稳定可靠，具有较好的再现性。试验方法应尽可能减少或避免人为因素的影响，多采用自动化、机械化的操作，少采用人工操作。另外，应将试验条件规定得严格些，防止随意性。(3)经济性力求减少材料消耗，避免复杂昂贵的加工工序，节省试验费用。§1.1.3常用焊接性试验方法（1）斜Y形坡口焊接裂纹试验法(Y-SlitTypeCrackingTest)

斜Y形坡口焊接裂纹试验又称为“小铁研”试验,主要用于评定碳钢和低合金高强钢焊接热影响区对冷裂纹的敏感性。

试件的形状及尺寸如图1-2

所示。图1-2斜Y形坡口焊接裂纹试验用试件形式及尺寸被焊钢材厚度δ为9～38mm；坡口经机械加工，焊条使用前应严格烘干。焊接工艺参数为：焊条直径4mm，焊接电流(170±10)A，焊接电压(24±2)V，焊接速度(150±10)mm/min。拘束焊缝为双面焊接，应事先焊好，注意防止角变形和未焊透。图1-3试验焊缝的焊接方式a)手弧焊b)自动送进焊条电弧焊试验焊缝采用手弧焊和自动送进焊条电弧焊时应分别按照图1-3中(a)和(b)所示进行。(1-8)(1-6)(1-7)表面裂纹率

根部裂纹率断面裂纹率焊后静置24h后，截取试样解剖并检测裂纹。沿焊缝长度方向均匀截取试样，检查其中五个断面的裂纹情况。根据下列各式计算裂纹率：—表面裂纹长度之和(mm)—试验焊缝长度(mm)—根部裂纹长度之和(mm)—5个断面上裂纹深度之和(mm) —5个断面焊缝最小厚度之和(mm)由于斜Y形坡口对接裂纹试验的接头拘束度很大，焊缝根部尖角应力集中，试验条件相对比较苛刻，冷裂纹敏感性很大。所以，一般认为在这种试验中若表面裂纹率不超过20％，用于一般焊接结构生产是安全的。除上述斜Y形坡口之外，还有一种直Y形坡口的试验方法，主要用于考核焊缝金属的裂纹敏感性。其试验程序与斜Y形坡口相同。（2）插销试验(ImplantTest)

是测定钢材焊接热影响区冷裂纹敏感性的一种定量试验方法。附加其它装置，也可用于测定再热裂纹和层状撕裂敏感性。

插销试验(图1-4)是将被焊钢材加工成圆柱形的插销试棒。试棒插入底板上的孔中，试棒上端与底板表面平齐。插销试棒上端附近有环形或螺形缺口。试验时在底板上以规定的线能量熔敷一条焊道，其中心线通过试棒的中心，其熔深应使缺口尖端位于热影响区的粗晶区内。插销试棒具体形状、尺寸如图1-5及表1-1所示，缺口位置如表1-2所示，底板材料应与被焊钢材相同或热物理常数基本一致，其形状及尺寸见图1-6。图1-4插销试棒、底板及熔敷焊道a)环形缺口插销b)螺形缺口插销图1-5插销试棒的形状a)环形缺口试棒b)螺形缺口试棒1螺形—6环形1螺形大于底板的厚度，一般约为30～150—8环形缺口类别表1-1插销试棒的尺寸a(mm)1.351.451.8522.12.4E(KJ/cm)91013151620表1-2缺口位置与线能量E的关系图1-6底板形状及尺寸施焊时应测定t8/5值。如不预热，焊后冷却至100～150℃时加载；如有预热，应在高于预热温度50～70℃时加载。载荷应在1min之内，且在冷却至100℃或高于预热温度50～70℃之前施加完毕。如有后热，应在后热之前加载。在无预热的条件下，载荷保持16h而试棒未断裂即可卸载。如有预热条件下，载荷保持至少24h才可卸载。经多次改变载荷，即可求出在试验条件下不出现断裂的临界应力。临界应力可以用启裂准则，也可以用断裂准则，但应加以注明。的大小，即可相对比较材料抵抗产生冷裂纹的能力。（3）压板(FISCO)对接焊接裂纹试验法

(GB4675.4-84)主要用于评定低合金钢焊缝金属的热裂纹敏感性，也可以做钢材与焊条匹配性的试验，试验装置如图1-7。图1-7压板对接(FISCO)实验装置1—C形拘束框架2—试板3—紧固螺栓4—齿形底座5—定位塞片6—调节板图1-8FISCO试验试板尺寸及焊缝位置裂纹率按下式计算：（1-9）—FISCO试验的裂纹率(%)—4条试验焊缝上裂纹长度之和(mm)—4条焊缝长度之和(mm)（4）可调拘束裂纹试验(VarestraintTest)主要用于评定低合金钢的热裂纹(结晶裂纹、液化裂纹等)敏感性。其基本原理是在焊缝凝固后期施加不同的应变值，研究产生裂纹的规律。当外加的应变值在某一温度下超过焊缝或热影响区金属的塑性变形能力时，就会产生热裂纹，以此来评定产生焊接热裂纹的敏感性。可调拘束裂纹试验可分为纵向和横向两种方法，如图1-9所示，加载变形有快速和慢速两种形式。图1-9可调拘束裂纹试验示意图a）纵向实验法b）横向试验（5）其它焊接试验方法拉伸拘束裂纹试验(TRC-TensileRestraintCrackingTest)刚性拘束裂纹试验(RRC-RigidRestraintCrackingTest)其原理图如图1-10所示.刚性固定对接裂纹试验(Restrained-ButtJointCrackingTest)其试件形状、尺寸如图1-11。拘束裂纹试验(WindowTypeRestraintCrackingTest)示意图见图1-12Z向拉伸试验(Z-directionTensileTest)图1-13图1-10刚性拘束裂纹试验原理图

a)假设情况b)实际焊接情况图1-11刚性固定对接裂纹试验试件图1-12窗形拘束裂纹试验

a)窗口及试板b)焊后解剖试板检查裂纹方式图1-13Z向拉伸试验

a）取样部位b）试棒1.2焊缝金属的凝固及相变特征§1.2.1焊缝金属的凝固

焊接熔池是指由熔化的局部母材和填加材料所组成的具有一定几何形状的液态区域。焊接熔池的凝固过程是从液相转变成固相的焊接一次结晶过程。焊接一次结晶过程中产生的焊接缺陷及形成的粗大柱状晶，不仅显著降低焊缝金属的强度和塑性，而且还往往是焊接结构断裂事故的起源。为改善焊缝金属的质量，必须了解焊接熔池凝固的特点，掌握熔池凝固的规律，从而控制焊缝金属凝固过程的目的。非平衡的动态结晶焊接熔池体积小，冷却速度快，极易形成气孔、裂纹、夹杂、偏析等缺陷。熔池的过热度和温度梯度大，使非自发晶核质点大为减少，柱状晶得到显著发展。联生结晶和竞争成长焊接熔池的结晶一般是从熔池边界开始的，依附在半熔化的母材晶粒表面非自发形核，以柱状晶的形式由半熔化的母材晶粒向焊缝中心成长，成长的取向与母材晶粒相同，即所谓的联生结晶。结晶速度和方向动态变化焊接熔池中，晶粒由熔池边界开始结晶一直成长到最后，晶粒成长的方向和速度均随结晶过程呈动态变化，成长方向由垂直于焊接方向逐渐转向焊接方向，成长速度(结晶速度)由零逐渐增大到焊接速度。§1.2.1.1焊接熔池的结晶特点§1.2.1.2熔池金属的结晶形态熔池结晶后所形成的固态焊缝中，主要存在两种晶粒，即柱状晶粒（通过平面结晶、胞状结晶、胞状树枝结晶或树枝状结晶形成）和少量的等轴晶粒（通过树枝状结晶形成）。焊接熔池的结晶形态完全取决于结晶期间固-液界面前沿成分过冷的程度，成分过冷主要受熔池金属中溶质含量W、熔池结晶速度R和液相温度梯度G的影响，因而可直接从W、R和G的综合作用来考察、判定熔池金属的结晶形态，如图1-14所示。图1-14W、R和G对结晶形态的影响§1.2.1.3结晶组织的分布在焊接熔池中，不同部位具有不同的温度梯度G和结晶速度R，因而具有不同的成分过冷，出现不同的结晶形态。图1-15焊缝中结晶组织的分布§1.2.2焊缝的相变组织对于具有同素异构转变的焊缝金属来讲，焊接熔池完全结晶后所形成的固态焊缝，在随后的连续冷却过程中还将发生相的转变，从形而成相变组织，即焊缝的最终组织。就钢铁材料而言，相变组织主要取决于焊缝金属的化学成分和冷却条件。§1.2.2.1低碳钢焊缝的相变组织

低碳钢焊缝具有较低的含碳量，发生固态相变后的组织主要由铁素体和少量的珠光体组成。铁素体一般在原奥氏体边界析出，其晶粒十分粗大。冷却速度越快，焊缝金属中的珠光体越多，且组织细化。多层焊或对焊缝进行焊后热处理可破坏焊缝的柱状晶，获得细小的铁素体和少量珠光体，从而起到改善焊缝组织的作用。当低碳钢焊缝发生过热时，还可能出现塑性和韧性很差的魏氏组织，如图1-16所示。图1-16低碳钢焊缝中的魏氏组织§1.2.2.2低合金钢焊缝的相变组织低合金钢焊缝二次组织，随匹配焊接材料化学成分和冷却条件的不同，可形成以铁素体F、珠光体P、贝氏体B及马氏体M等相变组织，而且它们还会呈现出多种形态，从而具有不同的性能。对低合金钢焊缝，铁素体是焊缝的主要组成。至于珠光体、贝氏体和马氏体等组织的转变则居次要地位铁素体转变：

晶界铁素体(GBF)

也称先共析铁素体，770～680℃沿奥氏体晶界首先析出的铁素体。沿晶界扩展的长条形，也可以是沿晶界分布的块状多边形侧板条铁素体(FSP)

也称无碳贝氏体，在700～500℃，是从奥氏体晶界开始，但以板条状向晶内成长，从形态上看有些像镐牙状针状铁素体(AF)

在500℃左右形成，大部分在奥氏体内细晶铁素体(FGF)

也称贝氏铁素体，是介于铁素体与贝氏体之间的转变产物，在奥氏体晶粒内形成，一般来讲都要含有细化晶粒元素(如Ti、V、B等)珠光体转变

在转变温度为Ac1～550℃接近平衡状态下发生珠光体转变。在焊接状态下，发生非平衡转变，原子不能充分扩散，珠光体转变受到抑制，扩大了铁素体和贝氏体的转变区域，致使焊缝中很少产生珠光体组织。只有在预热、缓冷及后热等冷速缓慢的情况下，才能在焊缝中形成少量的珠光体。贝氏体转变

根据贝氏体的形成温度区间及其特征，可将贝氏体分为上贝氏体、下贝氏体和粒状贝氏体。上贝氏体在550～450℃形成，呈羽毛状沿原奥氏体晶界析出，其内平行的条状铁素体间分布有渗碳体，是各种贝氏体中韧性最差的一种。下贝氏体在450℃～Ms之间形成，内部许多针状铁素体和针状渗碳体的机械混合物，针与针之间成一定角度，铁素体内还分布有碳化物颗粒，具有良好的强度和韧性。粒状贝氏体也称条状贝氏体，在稍高于上贝氏体转变温度且中等冷却速度下形成，是块状铁素体上分布有富碳的马氏体和残余奥氏体，即M-A组元。在块状铁素体中，若M-A组元以粒状分布，称为粒状贝氏体。马氏体转变在Ms点以下温度区间发生的切变型相变产物。在快速冷却条件下，当焊缝金属的含碳量较高或所含的合金元素较多时，将会发生由过冷奥氏体向马氏体的转变，从而形成不同形态的条状马氏体和片状马氏体。条状马氏体和片状马氏体——位错马氏体和孪晶马氏体§1.3焊接热影响区的组织与性能焊接热影响区(HAZ)是焊接接头的重要组成部分，是焊缝两侧未经熔化但组织和性能发生变化的区域。由于焊接热影响区不同部位所受热作用的不一致性，造成其内部组织和性能的分布极不均匀，以致可能成为焊接接头的最薄弱环节。因此，研究热影响区在焊接热循环作用下组织和性能的变化规律，对于解决焊接问题、提高焊接质量具有十分重要的意义。§1.3.1焊接热循环在焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点温度由低而高，达到最大值后，又由高而低的变化称为焊接热循环。在焊缝两侧距焊缝远近不同的各点，所经历的热循环是不同的。焊接方法的不同，热循环曲线的形状也将发生较大的变化。焊接是一个不均匀的加热和冷却过程，也可以说是一种特殊的热处理，这种过程必然会造成热影响区组织和性能的不均匀，必然要产生复杂的应力，会给焊接接头质量带来许多复杂的问题。研究焊接热循环主要考虑以下四个参数图1-17：加热速度ωH

、加热的最高温度Tm

、在相变温度以上的停留时间tH

、冷却速度ωC。图1-17焊接热循环参数(TH-相变温度)§1.3.2焊接热影响区的组织转变特点组织转变向高温推移由于焊接加热速度快，导致钢铁材料的相变温度Ac1和Ac3升高。奥氏体均质化（扩散）程度降低、部分晶粒严重长大由于焊接加热速度快，高温停留时间短，不利于扩散过程的进行，因而使奥氏体均质化程度降低。同时，熔合线附近的热影响区峰值温度很高，接近焊缝金属的熔点，因而造成晶粒过热而严重长大。§1.3.2.1加热过程的组织转变特点§1.3.2.2冷却过程的组织转变特点组织转变向低温推移、可形成非平衡组织在奥氏体均质化程度相同情况下，随着焊接冷却速度加快，同样导致钢铁材料的相变温度Ac1、Ac3和Acm均降低。同时，在快冷的条件下，共析成分也发生变化，甚至得到非平衡状态的伪共析组织。马氏体转变临界冷速发生变化熔合线附近的晶粒因过热而粗化，增加了奥氏体的稳定性，使淬硬倾向增大；另一方面，钢中的碳化物由于加热速度快、高温停留时间短而不能充分溶解在奥氏体中，降低了奥氏体的稳定性，使淬硬倾向降低。冷却过程中马氏体转变临界冷速发生变化，亦即使焊接连续冷却组织转变图(SHCCT图)上Ms点附近的曲线右移或左移。§1.3.3焊接热影响区的组织特征§1.3.3.1不易淬火钢热影响区的组织分布图1-18冷轧态不易淬火钢焊接热影响区的组织分布及其温度区间I-过热区II-完全重结晶区III-不完全重结晶区Ⅳ-再结晶区V-母材低碳钢热影响区各部分所经受的焊接热循环，对照铁碳合金状态图的组织转变归纳如图4-34过热区

又称粗晶区紧邻熔合区，峰值温度范围从晶粒急剧长大的温度一直到固相线的温度。由于加热温度高，金属处于过热状态，因此奥氏体晶粒发生严重长大，冷却后主要得到粗大的铁素体和珠光体，甚至在热输入大或高温停留时间长时出现魏氏组织。该区脆性大，韧性低，甚至产生裂纹，因而成为焊接接头的薄弱环节。相变重结晶区又称正火区或细晶区其峰值温度范围从Ac3一直到晶粒急剧长大的温度。由于该区经历了加热和冷却两次相变重结晶的作用，因此获得的铁素体和珠光体晶粒细小且组织均匀。这种组织相当于热处理时的正火组织，其塑性和韧性都比较好，具有较高的力学性能，甚至优于母材本身。不完全重结晶区又称部分相变区或不完全正火区峰值温度介于Ac1～Ac3之间。不完全重结晶区的组织特征是晶粒大小不一的铁素体和细小的珠光体，而且分布不均匀。该区的力学性能也不均匀，其冲击韧度低于完全重结晶区。再结晶区焊前经过冷作硬化的钢板，峰值温度在500℃～Ac1之间的热影响区中会出现一个明显的再结晶区，其组织特征为等轴晶粒。不同于重结晶，没有发生晶体结构的变化，只有晶粒的外形发生变化，由冷作变形后拉长的晶粒变为再结晶后的等轴晶粒。该区的强度和硬度都低于母材，但塑性和韧性都得到改善，成为整个接头中一个软化的区域。

§1.3.3.2易淬火钢热影响区的组织分布图1-19不同类型钢材焊接热影响区的组织分布Ⅰ-过热区II-完全重结晶区III-不完全重结晶区Ⅳ-完全淬火区V-不完全淬火区VI-回火区完全淬火区焊接热影响区中峰值温度达到Ac3以上的区域，包括了相当于不易淬火钢的过热区和正火区两部分。其组织特征是粗细不同的马氏体与少量贝氏体的混合组织，它们同属于马氏体类型。该区具有较高的硬度、较低的塑性和韧性，使该区为焊接接头中性能较差、易于出现焊接缺陷的一个薄弱环节。不完全淬火区焊接热影响区中峰值温度处于Ac1～Ac3之间的区域，它相当于不易淬火钢的不完全重结晶区。其组织特征是马氏体、铁素体以及中间体构成的混合组织。该区的脆性也较大，韧性也较低，仅次于完全淬火区中的过热区。

回火区焊前处于调质状态的母材，热影响区中还明显存在一个回火区，其峰值温度低于Ac1但高于原来调质处理的回火温度。回火区内组织和性能的变化程度取决于焊前调质状态的回火温度，该回火温度越低，热影响区中的回火区越大，组织和性能变化越大。回火区内峰值温度接近于Ac1的部位软化程度最大，成为易淬火钢焊接接头的又一薄弱环节

综上所述，在焊接热循环的作用下，焊接热影响区具有不均匀的组织分布，其组织特征随钢材种类及焊接工艺而变化，应根据母材和具体情况进行具体分析热影响区的组织转变。例如，淬火倾向小的低碳钢，在焊接快速加热和冷却条件下也会形成又脆又硬的高碳马氏体；而淬火倾向较大的高碳钢，经低温短时奥氏体化后淬火，可形成塑性和韧性良好的板条马氏体。§1.3.4焊接热影响区的性能§1.3.4.1焊接HAZ的性能分布常用热影响区的最高硬度(Hmax)来间接判断热影响区的性能。易淬火钢和不易淬火钢焊接热影响区的硬度分布如图1-20。一般来讲，碳当量Ceq越大，冷却时间t8/5越小，最高硬度Hmax越大，热影响区的淬硬倾向越大。在实际焊接时，应加强预热和缓冷，并同时要降低焊接热输入以减小晶粒的粗化倾向。图1-20不同钢种焊接热影响区的硬度分布a)不易淬火的20Mn钢b)易淬火的调质钢

图1-21给出了不易淬火钢Q345(16Mn)钢焊接热影响区的力学性能，由此可以分析峰值温度和冷却速度对力学性能的影响规律：即热影响区的力学性能不但分布不均，而且强度和塑性的变化方向相反。因此，从工艺角度出发，应采取能量集中的热源，并降低焊接热输入，必要时还可采取适当的预热措施，这样既能减少热影响区的宽度以及晶粒的粗化程度，也能降低冷却速度的影响，从而达到提高综合力学性能的目的。§1.3.4.2焊接热响区的脆化粗晶脆化是指焊接热影响区因晶粒粗大而发生韧性降低的现象。一般来讲，晶粒尺寸越大，晶界结构越疏松，抵抗冲击能力越差，因而脆性越大，韧性越低。在焊接热影响区的过热区中，由于受热温度很高而发生了严重的晶粒粗化，从而造成韧性明显降低。为减小粗晶脆化倾向，应采用能量集中的热源，并尽量以低的热输入进行焊接。时效脆化是指焊接热影响区在Ac1以下的一定温度范围内经一定时间的时效后，因出现碳、氮原子的聚集或析出碳、氮的化合物沉淀相而发生的脆化现象。其具体包括热应变时效脆化和相析出时效脆化。组织脆化是指焊接热影响区因形成脆硬组织而引起的韧性降低的现象，具体包括片状马氏体脆化和M-A组元脆化。对于不易淬火的低碳钢和某些低合金钢来讲，焊接时一般出现韧性较好的条状马氏体，不会使脆性增加；而对于易淬火的低碳调质钢、中碳钢和中碳调质钢来讲，焊接热影响区很容易出现又脆又硬的片状马氏体，从而引起脆化。M-A组元是在焊接低碳低合金钢时在一定冷却速度下形成的。采用适中的焊接热输入，配合预热和缓冷措施能，可改善热影响区的韧性。§1.4焊接接头的常见缺陷§1.4.1焊接裂纹

在焊接应力及致脆因素共同作用下，焊接接头局部区域金属原子结合遭到破坏，形成新界面而产生的缝隙称为焊接裂纹。按照焊接裂纹的走向、产生区域和出现位置来分类，如图1-22所示按焊接裂纹的产生条件焊接裂纹分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂及应力腐蚀裂纹等五大类，其主要特征如表1-3所示。图1-22焊接裂纹的宏观形态及其分布a—纵向裂纹b—横向裂纹c—星形裂纹1—焊缝中纵向裂纹2—焊缝中横向裂纹3—熔合区裂纹4—焊缝根部裂纹5—HAZ根部裂纹6—焊趾纵向裂纹(延迟裂纹)7—焊趾纵向裂纹(液化裂纹、再热裂纹)8—焊道下裂纹(延迟裂纹、液化裂纹、多边化裂纹)9—层状撕裂10—弧坑裂纹(火口裂纹)裂纹分类基本特征敏感温度区间对应材料出现位置裂纹走向热裂纹结晶裂纹在结晶后期，由于低熔点共晶形成的液态薄膜削弱了晶粒间的联结，在拉应力作用下产生裂纹在固相线温度以上稍高的温度杂质较多的碳钢、低中合金钢、奥氏体钢、镍基合金及铝焊缝沿奥氏体晶界高温液化裂纹在焊接热循环峰值温度的作用下，在热影响区和多层焊的层间发生重熔，在拉应力作用下产生的裂纹固相线以下稍低温度含S、P、C较多的镍铬高强钢、奥氏体钢、镍基合金热影响区或多层焊的层间沿晶多边化裂纹已凝固的结晶前沿，在高温和应力的作用下，晶格缺陷发生移动和聚集，形成二次边界，它在高温处于低塑性状态，在拉应力作用下产生的裂纹固相线以下再结晶温度纯金属及单相奥氏体合金焊缝，少量在热影响区沿奥氏体晶界冷裂纹延迟裂纹在淬硬组织、氢和拘束应力的共同作用下而产生的具有延迟特征的裂纹在Ms点以下中、高碳钢，低、中合金钢，钛合金等热影响区，少量在焊缝沿晶或穿晶淬硬脆化裂纹淬硬组织在焊接拉应力作用下产生的裂纹在Ms点附近含碳的Ni-Cr-Mo钢、马氏体不锈钢、工具钢热影响区，少量在焊缝沿晶或穿晶低塑性脆化裂纹在较低温