焊接接头的性能及其影响因素公开课课件

焊接接头的性能及其影响因素焊接接头的性能及其影响因素1主要内容第一节

焊接接头第二节焊接热循环第三节

焊缝的金属组织和性能第四节

熔合区和热影响区的组织和性能第五节

影响焊接接头性能的因素及其处理方法主要内容第一节焊2

第一节焊接接头

焊接接头是基本金属或基本金属和填充金属在高温热源的作用下，经过加热和冷却过程而形成不同组织和性能的不均匀体。

在熔化焊的条件下，焊缝及其邻近的母材组织及性能发生变化的区域共同组成焊接接头。第一节焊接接3一．焊接接头的组成

焊接接头一般由三个区域组成：（1）焊缝（2）熔合区（3）热影响区一．焊接接头的组成41．焊缝焊缝是焊接接头的主体，焊缝金属是焊接时由填充金属（焊条、焊丝）和部分基本金属经过熔化、结晶凝固而形成的。焊缝区的宽度取决于坡口型式和焊接线能量。1．焊缝52．热影响区

受焊接热循环作用，组织和性能发生变化的基本金属部分。热影响区的宽度主要取决于焊接线能量的大小。2．热影响区63．熔合区熔合区是焊缝区和热影响区的交界处，在焊接过程中，处于固、液状态的半熔化区。熔合区一般很窄，约有0.1~0.4mm宽，常称熔合线，在合金钢焊接接头中很难区分出熔合区。3．熔合区7

二．焊接接头的特点：（1）具有组织和性能的不均匀性，（2）易产生各种焊接缺陷，（3）存在着应力集中、焊接残余应力、焊接变形等。

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第二节焊接热循环

一、焊接热循环的特点1．概念焊接热循环是指在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随着时间由低而高、又由高而低的变化过程。在加热和冷却过程中，焊件上不同位置所经受的热循环状态是不同的，靠焊缝越近的位置，被加热的最高温度越高，反之，越远的位置被加热的最高温度越低。

第二节焊接热循环

一、焊接热循环的特点9

2．基本要素

（1）加热速度（2）最高加热温度（3）高温停留时间（4）冷却速度

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3．焊接热循环特性指标反映焊接热循环特性的指标主要有2个：t过和t8/5。t过：焊接接头在1100℃以上高温的停留时间，其值越大，焊接接头的组织与性能越差。

t8/5：焊接接头由800℃冷却到500℃所需的时间，这个温度区域是焊缝金属固态相变过程，其值大小，对焊缝金属的充分转变、过热过程或淬硬倾向均有一定影响。

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4．焊接热循环的主要特点1）急剧加热且温度高，熔池（焊缝）附近最高加热温度比一般热处理加热温度都高，故发生过热，致使该区晶粒长大粗化严重。2）急速冷却且速度快，从而致使焊接接头容易发生淬硬，形成淬硬组织，加剧了焊接冷裂纹的产生。

12二、影响焊接热循环的因素影响焊接热循环的因素主要有焊接方法、焊接规范、焊接线能量、预热和层间温度、焊件厚度和接头型式及材料本身的导热性等。

1．焊接方法焊接方法不同，加热速度、高温停留时间和焊后冷却速度都会有所不同。气焊加热速度慢，冷却速度也慢，高温停留时间长；而钨极氩弧焊，则加热速度快，冷却速度也快，高温停留时间较短。二、影响焊接热循环的因素13

2。焊接规范及线能量的影响焊接规范指焊接时的主要工艺参数，也就是保证焊接质量而选定的各物理量，如焊接电流、电弧电压、焊接速度、线能量等。焊接线能量是单位长度焊缝内输入的焊接能量，对电弧焊常用下式表示：Q=IU/υQ-----线能量，J/cmI----焊接电流，AU-焊接电压，Vυ—焊速，cm/s焊接线能量越大，热影响区越宽，加热到1100℃以上高温区域也就越宽，而且t过和t8/5越大，焊接线能量偏小时，不利于焊缝的熔透和成形，因此焊接线能量必须在一个合理的范围才能保证焊接接头具有良好的性能。一般通过焊接规范来调整焊接线能量，不同的焊接方法，在常规规范条件下，焊接线能量的差别较大，埋弧焊时焊接线能量较大，手工电弧焊次之、钨极氩弧焊最小。

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3．预热与层间温度的影响焊接性差的钢材，一般要采取预热和保持层间温度的技术措施，以降低焊接接头的冷却速度，降低焊接过程的淬硬倾向，防止裂纹的产生。金属材料预热温度一般不超过350℃，在低温（600℃）时对冷却速度能起到显著的降低作用，对t过值影响不大，所以预热对焊接线能量不起增强作用，对焊接热循环是有利的。在多层多道焊接中，层间温度一般等于或略高于预热温度，控制层间温度的目的在于降低焊接接头在低温时的冷却速度，有利于焊接热循环的作用。

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4．连接结构和钢材性能的影响焊缝处的连接结构是由焊件厚度和接头型式决定的，焊件厚度越大，焊接接头的相对冷却速度越大，t8/5越小；当焊缝为角接接头时，其冷却速度比对接接头速度要大，t8/5比对接接头焊缝要小钢材的导热性能对焊接热循环具有直接的影响，导热性不同的钢材在相同的线能量条件下，焊接接头的t过和t8/5是不同的，导热性好的钢材t过和t8/5都小于导热性差的钢材。

16钼是铁素体形成元素，可提高钢及其焊缝的再结晶温度和热强性，它能促进石墨化过程，合金钢中常用含量为0.焊缝的这种固态相变过程称为焊缝金属的二次结晶。防止措施：加强保护，选用合适的气体流量、短弧焊，防止空气进入；淬火区是被加热到1100℃以上的金属部位，该区金属在冷却时，高碳当量的奥氏体转变为马氏体，室温下其组织是硬而脆的马氏体。熔合区是焊缝区和热影响区的交界处，在焊接过程中，处于固、液状态的半熔化区。硫是有害杂质，温度较高时，会降低焊接接头强度，产生热脆性，这是因为S与铁在高温化合成低熔点的硫化亚铁（FeS），并与其他化合物形成低熔点共晶体（980℃），当结晶时，这些低熔点物质集聚在晶界处，由于晶内已凝固，而晶界还处于液态，强度很低，在组织应力下会被拉裂。而钨极氩弧焊，则加热速度快，冷却速度也快，高温停留时间较短。该区被加热的温度在1100℃~1500℃之间，不锈钢在加热和冷却过程中不发生相变，因此该区金属无论是高温还是室温，均为奥氏体或铁素体，由于温度很高，接近熔点，晶粒长大严重，温度越高，高温时间越长，晶粒越粗大，严重的晶粒长大使金属塑性和韧性下降3）抗裂性铁素体加珠光体和奥氏体抗裂性能好，奥氏体加少量铁素体的双向组织比单向奥氏体具有更好的抗裂性。1）焊条、焊丝的化学成分和性能要与基本金属的化学成分和性能相当，焊接工艺性能良好。二．焊接接头的特点：熔池凝固后的焊缝金属从高温冷却到室温时，还会发生固态的相变，产生不同的组织。（2）液态金属温度高；5mm，埋弧焊约为2.3．铬钼和铬钼钒耐热钢的焊缝组织是焊接接头中性能最差的区域。第四节熔合区和热影响区的组织和性能再结晶区金属加热的温度为500℃~AC1，对经过冷塑性变形而产生碎晶和晶格扭曲缺陷的基本金属，在该区的加热温度范围会发生再结晶过程，再结晶的结果，晶粒重新稍有长大，塑性稍有改变，对于无冷塑性变形的金属则不发生任何变化。焊接材料和钢材都为化学成分相近的低碳钢时，该区化学成分无明显变化，但靠近基本金属一侧可能具有过热组织的特点，晶粒粗大，金属塑性和韧性较低。但碳的含量不能过高，除淬硬性使焊接性变差外，还会由于强烈的还原反应引起焊接过程中的较大金属飞溅，产生来不及逸出的CO气体。第三节

焊缝的金属组织和性能熔池中的金属从液态变为固态的这种过程称为熔池的一次结晶。熔池凝固后的焊缝金属从高温冷却到室温时，还会发生固态的相变，产生不同的组织。焊缝的这种固态相变过程称为焊缝金属的二次结晶。焊缝金属组织除与化学成分有关外，在很大程度上取决于这两次结晶的特征，而焊缝金属的性能与其组织有密切关系。钼是铁素体形成元素，可提高钢及其焊缝的再结晶温度和热强性，它17一、焊接熔池的一次结晶1．结晶过程的特点（1）熔池的体积小、冷却速度快；（2）液态金属温度高；（3）运动状态下结晶；（4）以散热方向向焊缝中呈柱状生长。一、焊接熔池的一次结晶182．组织特征与组织偏析柱状晶是一次结晶的组织特征。由于冷却速度极快，相内的成分来不及趋于一致，所以保持着结晶先后而产生成分不均匀性，这种不均匀性就是晶内偏析，

2．组织特征与组织偏析19二、焊缝金属的二次结晶焊缝熔池金属一次结晶后的组织基本是柱状奥氏体，在冷却至室温的过程中，焊缝金属还会发生组织转变，这就是焊缝金属的二次结晶。。二、焊缝金属的二次结晶201．低碳钢的焊缝组织低碳钢的焊缝组织含碳量低，组织一般为粗大的柱状铁素体和少量珠光体，如果高温停留时间过长（如气焊、电渣焊）焊缝还会出现魏氏组织。多层多道焊时，后一层焊道对前一层焊道有热处理作用，部分柱状晶可转化为细小的等轴晶，其金属组织为细小的铁素体和少量的珠光体。1．低碳钢的焊缝组织212．低合金高强度钢的焊缝组织低合金钢合金元素含量较小时，其焊缝组织与低碳钢相似，在一般冷速条件下为铁素体加少量珠光体，冷速过大时，也会产生粒状贝氏体。合金元素含量较高时，淬硬性较好的低合金高强度钢焊缝金属组织为贝氏体或低碳马氏体，高温回火后为回火索氏体。2．低合金高强度钢的焊缝组织223．铬钼和铬钼钒耐热钢的焊缝组织合金含量较少（Cr＜5%）的耐热钢在焊前预热、焊后缓冷的条件下，得到的是珠光体和部分淬硬组织，高温回火后可得到完全的珠光体组织合金含量较多（Cr5%~9%）的耐热钢在焊接材料化学成分与母材成分相近、焊前预热和焊后缓冷条件下，其焊缝组织为贝氏体，有时可能出现马氏体，高温回火后可得到回火索氏体，当采用奥氏体焊接材料时，焊缝组织主要为奥氏体。3．铬钼和铬钼钒耐热钢的焊缝组织234．不锈钢焊缝组织奥氏体不锈钢一般为奥氏体加少量（2%~6%）铁素体铁素体不锈钢组织与采用的焊接材料有关，焊接材料与母材金属化学成分相近时，其焊缝组织为铁素体，焊接材料为铬镍奥氏体时其焊缝组织为奥氏体。马氏体不锈钢焊缝组织与焊接材料和热处理状态有关，焊接材料与母材金属化学成分相近时，焊态组织为马氏体，回火后为回火马氏体，焊接材料为铬镍奥氏体时，焊缝组织为奥氏体。4．不锈钢焊缝组织24三、焊缝金属组织与性能的关系1．一次结晶组织与性能的关系焊缝一次结晶组织中细柱状晶比粗柱状晶好，胞状晶比树枝晶好，因为粗晶体金属的强度、塑性和韧性都较低，而且热裂纹敏感性大，尤其是粗大的树枝晶对热裂纹的敏感倾向很强。由于偏析、化学成分极不均匀，焊缝的抗裂性变差，偏析越严重，力学性能和抗腐蚀性的不均匀程度就越大，偏析使S、P聚集在焊缝中心，就容易产生热裂纹。三、焊缝金属组织与性能的关系252．二次结晶组织与性能的关系二次结晶组织的类型、特征和形态不同，则焊缝金属的性能也不同。1）强度高低马氏体比其它组织的强度都高，铁素体、奥氏体较低，贝氏体介于马氏体和铁素体加珠光体之间。2）塑性和韧性奥氏体在温度下降时无明显脆性转变现象，塑性和韧性比其他组织好，铁素体加珠光体次之，粒状贝氏体具有较低的强度和较好的韧性，高碳马氏体硬而脆，几乎无韧性，低碳马氏体具有较高的强度和一定的塑性和韧性。2．二次结晶组织与性能的关系26第三节

焊缝的金属组织和性能由上可知，低碳钢焊接接头性能受到近缝区影响最大的是过热区，除正火区外，其它各区都有不同程度的不良影响。一、热影响区的组织和性能焊接热循环是指在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随着时间由低而高、又由高而低的变化过程。6%时，能提高熔渣的流动性，减少金属飞溅，改善焊条的工艺性能。007%，它是强脱氧剂，能细化晶粒，含硼钢焊接性较差，焊接时易出现裂纹。2）对耐热钢和不锈钢的焊接，为保证焊接接头的高温性能和抗腐蚀性能，焊条、焊丝的化学成分应与基本金属的化学成分大致相同，对于18-8（18Cr-9Ni）型奥氏体不锈钢的焊接，为提高抗裂性能，应选用含有少量铁素体形成元素的焊接材料，以获得奥氏体加少量铁素体的双相组织焊缝。控制氢的措施：烘干焊条、焊剂，清除锈、水、油污。1．一次结晶组织与性能的关系由上可知，低碳钢焊接接头性能受到近缝区影响最大的是过热区，除正火区外，其它各区都有不同程度的不良影响。在不锈钢中，如果焊接操作方法、次序及坡口尺寸等不当会在熔合线及过热区产生刃状腐蚀，因为在焊接高温中，熔合线与过热区超过1300℃时，钛和铌的碳化物便会溶解，其碳的扩散速度比钛或铌快得多，首先扩散到晶界处，快速冷却后的组织晶内含钛、铌多，晶界含碳多，若再次加热到敏化温度范围时，晶界的碳与铬迅速形成碳化铬，而钛、铌来不及扩散到晶界起稳定作用，因此晶界贫铬造成了刃状腐蚀的条件。焊后热处理与后热和消氢处理的概念不同，消氢处理和后热是焊接以后立即对焊件的全部或局部进行加热或保温，使其缓冷的工艺措施。二、焊缝金属的二次结晶第五节影响焊接接头性能的因素及其处理方法贝氏体加马氏体和马氏体对冷裂纹的敏感性最大。预热就是在施焊前对焊件坡口区预先加热到某一温度范围（150~300℃），并保持这个温度而进行的工艺过程。5mm，手工电弧焊约为6mm，电渣焊约为25mm，气焊约为27mm。低碳钢焊缝过热形成的粗大的魏氏组织，使塑性、韧性降低。焊缝的力学性能越好，特别是强度和韧性的提高最为明显，当锰量＞2%时，可提高焊缝金属耐磨性，但却增加了焊缝的淬硬和过热的敏感性。一般通过焊接规范来调整焊接线能量，不同的焊接方法，在常规规范条件下，焊接线能量的差别较大，埋弧焊时焊接线能量较大，手工电弧焊次之、钨极氩弧焊最小。3）抗裂性铁素体加珠光体和奥氏体抗裂性能好，奥氏体加少量铁素体的双向组织比单向奥氏体具有更好的抗裂性。贝氏体加马氏体和马氏体对冷裂纹的敏感性最大。4）晶粒度，晶粒越细，组织越均匀，其性能比粗大的不均匀组织要好。铁素体、奥氏体的强度较低，而塑性和韧性好，抗裂性好；珠光体的强度比铁素体高，塑性和韧性比铁素体差；马氏体强度高，高碳马氏体硬而脆，低碳马氏体具有相当高的强度和较良好的塑性、韧性相结合的特点；粒状贝氏体的强度和塑性、韧性介于马氏体和铁素体加珠光体之间。低碳钢焊缝过热形成的粗大的魏氏组织，使塑性、韧性降低。。第三节

焊缝的金属组织和性能3）抗裂性铁素体加珠光273．焊缝的性能焊缝金属的性能决定于化学成分和组织，焊缝的特点是碳低。但有一定数量的合金元素，一般来说焊缝的化学成分比较理想。但焊缝的组织较差（晶粒粗大、组织疏松、成分偏析），没有轧制的母材组织均匀，因此，焊缝的强度可以达到母材，但塑性、韧性比母材差。3．焊缝的性能28五、焊接区域的气体对焊缝金属的影响焊接时焊接区域中主要有一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、氢（H2）、水蒸汽（H2O）、氧（O2）、氮（N2）等气体，其中氧、氮、氢对焊接质量的影响最大。五、焊接区域的气体对焊缝金属的影响291．氧（O2）的影响氧在焊缝中的存在形式主要是FeO夹杂物。在焊接过程中，FeO与碳生成CO，会产生气孔，引起飞溅，影响焊接过程的稳定性。焊缝中的氧来源有2个：一是高温条件下氧向熔池金属里溶解，冷却时来不及逸出；二是一些合金元素氧化后形成氧化物残留在焊缝中。焊接过程的氧化作用，将导致焊缝中有益合金元素（如锰、硅等）的烧损；溶解在焊缝中的氧在适当条件下与碳生成CO气孔，残留在焊缝中的氧会降低焊缝金属的力学性能和耐腐蚀性。防止措施：加强保护，选用合适的气体流量、短弧焊，防止空气进入；焊前清理坡口及两侧的锈及水；烘干焊条、焊剂；冶金处理，从焊条药皮或焊丝中加入铁合金（锰、硅）脱氧。1．氧（O2）的影响302．氮的影响氮在高温时与液态金属接触，一方面以原子状态直接溶解到液态金属中；另一方面与氧生成氧化氮（NO）被溶解到焊缝中，当氮量过多时，容易产生N2气孔。凝固时，氮的溶解度急剧降低，析出氮气，来不及逸出熔池表面便形成气孔。主要来源是空气，防止措施只有加强熔池的保护。氮在焊缝中存在会使焊缝金属变脆，塑性和韧性变劣。2．氮的影响313．氢的影响氢侵入焊缝的主要原因各种形态的水分：焊接材料潮湿、坡口表面附近有油锈水分，或焊接环境介质的湿度太大，氢在高温条件下是以原子状态溶解到熔化的金属中。氢的存在危害极大，它使焊缝金属变脆，塑性和韧性显著降低，导致氢致裂纹、氢白点和氢气孔缺陷。控制氢的措施：烘干焊条、焊剂，清除锈、水、油污。选用低氢型焊条，采用后热、消氢处理等。3．氢的影响32六、焊接材料化学成分的影响焊条焊丝和钢材一样，由于冶炼的原因，除含铁（Fe）、碳(C)元素外，还含有锰(Mn)、硅Si、硫S、磷P等，为获得某一性能，焊接材料中需加入一些其他合金元素。这些元素的存在对焊接冶金和焊缝金属性能有很大的影响。六、焊接材料化学成分的影响331．碳C碳是焊芯、焊丝的主要元素，它对焊缝性能起主导作用，碳量越高，焊缝的强度和硬度越高，但塑性越低，淬硬性越大，裂纹倾向越大。碳在焊接过程中是一个良好的脱氧剂，减少O2在焊缝中的含量。但碳的含量不能过高，除淬硬性使焊接性变差外，还会由于强烈的还原反应引起焊接过程中的较大金属飞溅，产生来不及逸出的CO气体。碳量过高，焊缝金属凝固点变低，对仰焊操作不利，因而焊芯、焊丝的碳含量一般控制在0.2%以下，常用低碳钢焊芯、焊丝碳含量小于0.10%。对低合金焊芯、焊丝，碳在高温下与碳化物形成元素形成的碳化物容易分解，且聚集长大，对抗蠕变能力和持久强度起不良作用。1．碳C342．锰(Mn)锰是一个良好的合金剂，当焊缝含锰量在2%以下时，锰量越高。焊缝的力学性能越好，特别是强度和韧性的提高最为明显，当锰量＞2%时，可提高焊缝金属耐磨性，但却增加了焊缝的淬硬和过热的敏感性。锰是一种较好的脱氧剂，能减少焊缝中的含氧量，含量为0.4%~0.6%时，能提高熔渣的流动性，减少金属飞溅，改善焊条的工艺性能。锰还是一种极好的脱硫剂，能与S化合形成不溶于液态金属的硫化锰（MnS）熔渣，焊接时浮于焊缝表面，减少焊缝硫的含量。2．锰(Mn)353．硅Si硅含量不高时，硅是一个较好的合金剂，能提高焊缝金属的强度和弹性，而塑性降低不明显，但含量超过2%时，塑性和韧性显著降低。Si和SiO2过多时，会引起焊接飞溅，恶化操作性能，所以在焊条、焊丝中希望Si含量适当少些，除合金钢焊丝外，一般控制在0.03%以下。3．硅Si36磷是影响焊接性的有害杂质元素，它是以磷化铁（Fe2P、Fe3P）形态存在于钢及焊缝中，降低了钢和焊缝金属的性能，特别是冲击韧性，低温时能使金属晶粒粗化，引起冷脆性，焊接时和其他物质形成低熔点共晶体，亦能产生热裂纹，所以对磷和硫一样，在焊芯和焊丝中的含量控制的相当严格。铬能在钢的表面形成一层附着性很强的氧化铬薄膜（Cr2O3）,显著降低金属的氧化速度，铬含量超过12%时，能显著提高钢的电极电位，使钢及其焊接接头具有良好的耐腐蚀性，铬含量小于2%时，能显著提高再结晶温度和热强性，铬还能阻止钢中的石墨化过程，降低碳化物的球化速度，含铬钢及其焊缝具有回火脆性，其含量越高，焊接性能越差。锰是一种较好的脱氧剂，能减少焊缝中的含氧量，含量为0.由于冷却速度极快，相内的成分来不及趋于一致，所以保持着结晶先后而产生成分不均匀性，这种不均匀性就是晶内偏析，部分相变区金属随着温度的升高晶粒略有长大，其晶粒的大小不均匀，而且相互混杂在一起，成为焊接接头强度最低的部位。奥氏体不锈钢热影响区可划分为：过热区、σ相脆化区和敏化区三个部分；但碳的含量不能过高，除淬硬性使焊接性变差外，还会由于强烈的还原反应引起焊接过程中的较大金属飞溅，产生来不及逸出的CO气体。再结晶区金属加热的温度为500℃~AC1，对经过冷塑性变形而产生碎晶和晶格扭曲缺陷的基本金属，在该区的加热温度范围会发生再结晶过程，再结晶的结果，晶粒重新稍有长大，塑性稍有改变，对于无冷塑性变形的金属则不发生任何变化。第二节焊接热循环在AC3以上再加热区发生重结晶，形成细小的等轴晶，该区金属的塑性和韧性得到较好的改善，在回火温度的再加热区，当焊缝及过热区有淬硬组织时，因回火的作用可以得到回火组织，使淬硬部分强度和硬度下降，塑性和韧性提高，从而使接头的综合性能比较良好。（4）

再结晶区焊缝处的连接结构是由焊件厚度和接头型式决定的，焊件厚度越大，焊接接头的相对冷却速度越大，t8/5越小；二、线能量对焊接接头性能的影响3）抗裂性铁素体加珠光体和奥氏体抗裂性能好，奥氏体加少量铁素体的双向组织比单向奥氏体具有更好的抗裂性。（4）以散热方向向焊缝中呈柱状生长。由上可知，低碳钢焊接接头性能受到近缝区影响最大的是过热区，除正火区外，其它各区都有不同程度的不良影响。氮在高温时与液态金属接触，一方面以原子状态直接溶解到液态金属中；4mm宽，常称熔合线，在合金钢焊接接头中很难区分出熔合区。铬能在钢的表面形成一层附着性很强的氧化铬薄膜（Cr2O3）,显著降低金属的氧化速度，铬含量超过12%时，能显著提高钢的电极电位，使钢及其焊接接头具有良好的耐腐蚀性，铬含量小于2%时，能显著提高再结晶温度和热强性，铬还能阻止钢中的石墨化过程，降低碳化物的球化速度，含铬钢及其焊缝具有回火脆性，其含量越高，焊接性能越差。第一节焊接接头4．铬Cr铬是重要的合金元素，常被用来配制耐热钢和不锈钢及其焊接材料，以提高耐腐蚀性和热强性。铬能在钢的表面形成一层附着性很强的氧化铬薄膜（Cr2O3）,显著降低金属的氧化速度，铬含量超过12%时，能显著提高钢的电极电位，使钢及其焊接接头具有良好的耐腐蚀性，铬含量小于2%时，能显著提高再结晶温度和热强性，铬还能阻止钢中的石墨化过程，降低碳化物的球化速度，含铬钢及其焊缝具有回火脆性，其含量越高，焊接性能越差。对低碳钢而言，铬是一种杂质，易产生夹渣缺陷，因而碳素钢焊芯、焊丝含铬量不超过0.2%。磷是影响焊接性的有害杂质元素，它是以磷化铁（Fe2P、Fe375．钼（Mo）

钼是铁素体形成元素，可提高钢及其焊缝的再结晶温度和热强性，它能促进石墨化过程，合金钢中常用含量为0.5%~1.0%钼含量较小时，可提高焊缝金属力学性能，对焊接性无大的影响。6．镍（Ni）镍主要作用在于形成和稳定奥氏体组织，提高钢的耐腐蚀性能，镍还可提高钢及焊缝的强度、塑性和韧性，降低钢中高铬的不良影响，改善焊接性，这就是镍为不锈钢和耐氧化钢及其焊接材料几乎不可少的元素的基本原因。但镍能促进石墨化，有它不利的影响

5．钼（Mo）387．钒（V）钒是良好的脱氧元素，能去除焊缝中的氧，它又是强碳化物形成元素，其碳化物在650℃以下是相当稳定的，钒能阻止晶粒在高温下的长大，改善焊缝组织和力学性能，但钒提高了焊缝金属的淬硬倾向。8．钛Ti与铌Nb钛、铌都是碳化物形成元素，比钒还稳定，它们与碳结合作为稳定剂，防止奥氏体钢在高温或焊后产生晶间腐蚀。它们都能提高钢的再结晶温度和高温性能，改善钢的焊接性。

7．钒（V）399．铝（Al）铝是非常强的脱氧剂，少量铝可细化晶粒，提高钢的抗氧化性能力，铝与氮可形成稳定的氮化物，使某些钢的焊接接头获得良好的耐热性能，铝会促使石墨化，在钢及其焊接接头中容易形成夹渣。10．钨（W）钨的熔点很高，能大大提高金属的再结晶温度和热强性，钨在钢中的含量很低，过高对加工性能不利。9．铝（Al）4011．硼（B）硼可提高钢的热强性，在低合金钢中含量不超过0.007%，它是强脱氧剂，能细化晶粒，含硼钢焊接性较差，焊接时易出现裂纹。12．稀土（Re）元素稀土元素能强化晶界，提高焊缝抗蠕变能力和持久强度，焊丝中加入适量稀土元素能去除焊缝金属中的S、P，显著改善焊缝的冲击韧性，亦能细化晶粒，减少树枝晶偏析和回火脆性，焊接过程中稀土元素可以改善钢水的流动性，减少焊接飞溅，有利于操作工艺。11．硼（B）4113．硫（S）硫是有害杂质，温度较高时，会降低焊接接头强度，产生热脆性，这是因为S与铁在高温化合成低熔点的硫化亚铁（FeS），并与其他化合物形成低熔点共晶体（980℃），当结晶时，这些低熔点物质集聚在晶界处，由于晶内已凝固，而晶界还处于液态，强度很低，在组织应力下会被拉裂。在优质钢材中S含量控制严格，焊芯和焊丝一般在0.03%以下，氩弧焊打底焊丝更严，控制在0.015%以下。14．磷（P）磷是影响焊接性的有害杂质元素，它是以磷化铁（Fe2P、Fe3P）形态存在于钢及焊缝中，降低了钢和焊缝金属的性能，特别是冲击韧性，低温时能使金属晶粒粗化，引起冷脆性，焊接时和其他物质形成低熔点共晶体，亦能产生热裂纹，所以对磷和硫一样，在焊芯和焊丝中的含量控制的相当严格。13．硫（S）42第四节熔合区和热影响区的组织和性能熔合区和热影响区的组织和性能与基本金属化学成分及焊接热循环特征有关，不同钢材在不同焊接热循环作用下，其金属组织与性能有极大的差异。第四节熔合区和热影响区的组织和性能43一、熔合区的组织与性能熔合区是焊缝到热影响区的过渡段，加热过程中的温度为固、液线之间，是一个不完全的熔化区。焊接材料和钢材都为化学成分相近的低碳钢时，该区化学成分无明显变化，但靠近基本金属一侧可能具有过热组织的特点，晶粒粗大，金属塑性和韧性较低。是焊接接头中性能最差的区域。当焊缝金属与基本金属化学成分、线膨胀系数和组织状态相差较大时，就会导致合金元素再分配，可能同时存在着较大的热应力和严重的淬硬组织，所以熔合区是产生裂纹、发生局部脆性破坏的危险区。一、熔合区的组织与性能44一、热影响区的组织和性能1．低碳钢焊接热影响区的组织和性能热影响区分为过热区、正火区、部分相变区、再结晶区和蓝脆区（1）

过热区过热区是处于1100℃至固相线间的高温部位，这部分加热温度大大超过相变温度，奥氏体晶粒急剧长大，冷却后成为粗大的过热组织。尤其在1300℃以上晶粒十分粗大，焊后快冷时产生魏氏组织，魏氏体塑性、韧性比基本金属低25%~30%。过热区是焊接接头的最危险的易破坏区段，其性能最差

一、热影响区的组织和性能45（2）

正火区正火区处于AC3至1100℃间的部分金属，其铁素体和珠光体全部转变为奥氏体，由于焊接速度快，高温停留时间短，奥氏体来不及长大，冷却下来得到的是细小的铁素体和珠光体组织。焊接热循环对这部分金属的影响相当于热处理中的正火工艺，冷却后的组织比原基本金属细小，力学性能比原金属高，故而正火区是焊接接头组织和性能最佳的部位。

（2）

正火区46焊接接头是基本金属或基本金属和填充金属在高温热源的作用下，经过加热和冷却过程而形成不同组织和性能的不均匀体。受焊接热循环作用，组织和性能发生变化的基本金属部分。主要来源是空气，防止措施只有加强熔池的保护。焊缝的力学性能越好，特别是强度和韧性的提高最为明显，当锰量＞2%时，可提高焊缝金属耐磨性，但却增加了焊缝的淬硬和过热的敏感性。焊接性差的钢材，一般要采取预热和保持层间温度的技术措施，以降低焊接接头的冷却速度，降低焊接过程的淬硬倾向，防止裂纹的产生。预热和热处理是改善焊接热循环的主要手段之一，它们可以获得预想的焊接接头力学性能。焊接热循环是指在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随着时间由低而高、又由高而低的变化过程。是焊接接头中性能最差的区域。一、熔合区的组织与性能焊接线能量是单位长度焊缝内输入的焊接能量，对电弧焊常用下式表示：碳在焊接过程中是一个良好的脱氧剂，减少O2在焊缝中的含量。但碳的含量不能过高，除淬硬性使焊接性变差外，还会由于强烈的还原反应引起焊接过程中的较大金属飞溅，产生来不及逸出的CO气体。焊后热处理与后热和消氢处理的概念不同，消氢处理和后热是焊接以后立即对焊件的全部或局部进行加热或保温，使其缓冷的工艺措施。马氏体不锈钢焊缝组织与焊接材料和热处理状态有关，焊接材料与母材金属化学成分相近时，焊态组织为马氏体，回火后为回火马氏体，焊接材料为铬镍奥氏体时，焊缝组织为奥氏体。受焊接热循环作用，组织和性能发生变化的基本金属部分。Q-----线能量，J/cmI----焊接电流，AU-焊接电压，Vυ—焊速，cm/s再结晶区金属加热的温度为500℃~AC1，对经过冷塑性变形而产生碎晶和晶格扭曲缺陷的基本金属，在该区的加热温度范围会发生再结晶过程，再结晶的结果，晶粒重新稍有长大，塑性稍有改变，对于无冷塑性变形的金属则不发生任何变化。焊缝的力学性能越好，特别是强度和韧性的提高最为明显，当锰量＞2%时，可提高焊缝金属耐磨性，但却增加了焊缝的淬硬和过热的敏感性。一般情况下，考虑到焊接过程的一些可能工艺缺陷，所选用的焊接材料，其抗拉强度应略高于基本金属，但对某些有再热裂纹倾向的钢种，或外拘束度大的焊接结构，为了提高焊接接头在消除应力时的蠕变塑性，焊接材料的抗拉强度以稍低于基本金属为宜。焊接过程的氧化作用，将导致焊缝中有益合金元素（如锰、硅等）的烧损；（3）

部分相变区该区段金属被加热到AC1~AC3温度之间，珠光体转变为奥氏体，铁素体部分溶入奥氏体，在加热过程中，随着温度的升高奥氏体的转变随着增多，未溶入奥氏体的铁素体减少，在冷却过程中，奥氏体转变为细小的珠光体和铁素体，而未被溶入奥氏体铁素体不发生转变，可见，重结晶过程是不完全的，该区又称不完全重结晶区。部分相变区金属随着温度的升高晶粒略有长大，其晶粒的大小不均匀，而且相互混杂在一起，成为焊接接头强度最低的部位。焊接接头是基本金属或基本金属和填充金属在高温热源的作用下，经47（4）

再结晶区再结晶区金属加热的温度为500℃~AC1，对经过冷塑性变形而产生碎晶和晶格扭曲缺陷的基本金属，在该区的加热温度范围会发生再结晶过程，再结晶的结果，晶粒重新稍有长大，塑性稍有改变，对于无冷塑性变形的金属则不发生任何变化。。

（4）

再结晶区48由上可知，低碳钢焊接接头性能受到近缝区影响最大的是过热区，除正火区外，其它各区都有不同程度的不良影响。热影响区的宽度取决于焊件的最高温度分布、焊接规范、焊接方法、焊件大小及厚薄、接头型式等。如焊接方法对热影响区的宽度影响：在正常规范下，钨极氩弧焊约为1.5mm，埋弧焊约为2.5mm，手工电弧焊约为6mm，电渣焊约为25mm，气焊约为27mm。热影响区的宽窄对焊接接头性能是有影响的，热影响区越窄，焊接产生的应力越大，越容易产生焊接裂纹；热影响区越宽，内应力越小，变形越大，但对于常用焊接结构，单纯的焊接应力还不足以形成裂纹，因此总希望热影响区越小越好。由上可知，低碳钢焊接接头性能受到近缝区影响最大的是过热区，除492．合金钢焊接接头热影响区的组织和性能焊接时合金钢和低碳钢一样，热影响区被加热到高温，然后冷却，使各区段都有加热和冷却的过程，一般淬硬倾向小的普通低合金钢，其热影响区的组织特征和性能变化与低碳钢相似，而淬硬倾向大的合金钢热影响区将会出现马氏体等组织，其硬度高，脆性大，易开裂。2．合金钢焊接接头热影响区的组织和性能50易淬火钢的焊接接头热影响区可分为三个区段：1）淬火区淬火区是被加热到1100℃以上的金属部位，该区金属在冷却时，高碳当量的奥氏体转变为马氏体，室温下其组织是硬而脆的马氏体。2）不完全淬火区该区被加热在AC1至AC3之间的温度范围内，冷却时其金属部分奥氏体转变为马氏体，未转变的铁素体保留下来，室温时是马氏体加粗大的铁素体。3）回火区该区被加热到AC1以下温度，并紧邻AC1温度区，焊接热循环对这个部位的影响相当于热处理中的回火作用，室温下其显微组织为回火的索氏体或回火屈氏体。从上述三个区段来说，易淬火钢接头热影响区出现的淬硬组织对焊接质量是不利的，对此必须采取预热和热处理工艺措施，调节焊接时的热循环，清除硬化组织，改善接头性能。。易淬火钢的焊接接头热影响区可分为三个区段：513．不锈钢焊接接头热影响区的组织与性能奥氏体不锈钢热影响区可划分为：过热区、σ相脆化区和敏化区三个部分；铁素体不锈钢热影响区可划分为：过热区、σ相脆化区和475℃脆性区三个部分。1）过热区该区被加热的温度在1100℃~1500℃之间，不锈钢在加热和冷却过程中不发生相变，因此该区金属无论是高温还是室温，均为奥氏体或铁素体，由于温度很高，接近熔点，晶粒长大严重，温度越高，高温时间越长，晶粒越粗大，严重的晶粒长大使金属塑性和韧性下降

3．不锈钢焊接接头热影响区的组织与性能522）σ相脆化区这个区段被加热的温度在650~850℃之间，在这一温度范围时如停留的时间长，铁素体不锈钢就析出一种脆性相---σ相，一些奥氏体不锈钢在一定的条件下也可能析出σ相，σ相的析出，割断了晶间的联系，σ相本身又是硬而脆的，所以金属塑性和韧性下降的厉害，使抗腐蚀能力也有所下降。3）敏化区敏化区的加热温度在450~850℃之间，金属在该温度区间停留一定时间后，奥氏体不锈钢中的碳和铬在晶粒边界形成碳化铬（Cr23C6），使晶界处奥氏体贫铬，从而失去抗晶间腐蚀的能力。4）475℃脆性区这个区的加热温度在400~600℃之间，在该温度区间停留一定时间后，铁素体不锈钢的硬度显著提高，冲击韧性显著下降，因此把钢在这个温度停留一定时间后而引起硬度提高、塑性和韧性下降的现象称为475℃脆性区2）σ相脆化区53从上可知：σ相脆化区、敏化区、475℃脆性区是在一定条件下（焊接热循环）才出现的，因此只要焊接规范适当是可以避免的，其关键在于控制温度的存在时间，希望越短越好，这就需要通过焊接规范的掌握来实现，采用小规范、快速冷却等工艺措施，不使焊件温度过高。从上可知：σ相脆化区、敏化区、475℃脆性区是在一定条件下（54第五节影响焊接接头性能的因素及其处理方法影响焊接接头性能的主要因素有焊接材料、结构特征、坡口型式、焊接工艺、操作方法、焊接规范和焊后热处理等。第五节影响焊接接头性能的因素及其处理方法55一、焊接材料的选择焊接材料的选择首先应以基本金属的化学成分和性能为前提，根据结构和接头的刚性、材料的焊接特点、焊接过程本身的特点等要求来进行，一经确定，不得随意用其他材料代用，更不能错用，因为焊条焊丝是决定焊缝性能的主要因素。一、焊接材料的选择56铁素体、奥氏体的强度较低，而塑性和韧性好，抗裂性好；六、焊接材料化学成分的影响焊缝处的连接结构是由焊件厚度和接头型式决定的，焊件厚度越大，焊接接头的相对冷却速度越大，t8/5越小；低合金钢合金元素含量较小时，其焊缝组织与低碳钢相似，在一般冷速条件下为铁素体加少量珠光体，冷速过大时，也会产生粒状贝氏体。4．连接结构和钢材性能的影响低碳钢焊缝过热形成的粗大的魏氏组织，使塑性、韧性降低。预热的目的是改善金属材料的焊接性，焊件在预热温度范围内，可降低焊接接头区域的温差，减小焊接热影响区的淬硬倾向，有利于焊缝中氢的逸出，降低焊缝中的含氢量，防止各类裂纹（热裂纹、冷裂纹、再热裂纹）的产生。焊缝的力学性能越好，特别是强度和韧性的提高最为明显，当锰量＞2%时，可提高焊缝金属耐磨性，但却增加了焊缝的淬硬和过热的敏感性。焊缝的力学性能越好，特别是强度和韧性的提高最为明显，当锰量＞2%时，可提高焊缝金属耐磨性，但却增加了焊缝的淬硬和过热的敏感性。二、焊缝金属的二次结晶由上可知，低碳钢焊接接头性能受到近缝区影响最大的是过热区，除正火区外，其它各区都有不同程度的不良影响。低碳钢焊缝过热形成的粗大的魏氏组织，使塑性、韧性降低。再结晶区金属加热的温度为500℃~AC1，对经过冷塑性变形而产生碎晶和晶格扭曲缺陷的基本金属，在该区的加热温度范围会发生再结晶过程，再结晶的结果，晶粒重新稍有长大，塑性稍有改变，对于无冷塑性变形的金属则不发生任何变化。在优质钢材中S含量控制严格，焊芯和焊丝一般在0.3．铬钼和铬钼钒耐热钢的焊缝组织该区被加热的温度在1100℃~1500℃之间，不锈钢在加热和冷却过程中不发生相变，因此该区金属无论是高温还是室温，均为奥氏体或铁素体，由于温度很高，接近熔点，晶粒长大严重，温度越高，高温时间越长，晶粒越粗大，严重的晶粒长大使金属塑性和韧性下降是焊接接头中性能最差的区域。2．二次结晶组织与性能的关系t8/5：焊接接头由800℃冷却到500℃所需的时间，这个温度区域是焊缝金属固态相变过程，其值大小，对焊缝金属的充分转变、过热过程或淬硬倾向均有一定影响。焊缝是焊接接头的主体，焊条焊丝的选用主要从以下几方面考虑：1）焊条、焊丝的化学成分和性能要与基本金属的化学成分和性能相当，焊接工艺性能良好。2）对耐热钢和不锈钢的焊接，为保证焊接接头的高温性能和抗腐蚀性能，焊条、焊丝的化学成分应与基本金属的化学成分大致相同，对于18-8（18Cr-9Ni）型奥氏体不锈钢的焊接，为提高抗裂性能，应选用含有少量铁素体形成元素的焊接材料，以获得奥氏体加少量铁素体的双相组织焊缝。3）等强原则。一般情况下，考虑到焊接过程的一些可能工艺缺陷，所选用的焊接材料，其抗拉强度应略高于基本金属，但对某些有再热裂纹倾向的钢种，或外拘束度大的焊接结构，为了提高焊接接头在消除应力时的蠕变塑性，焊接材料的抗拉强度以稍低于基本金属为宜。4）对重要结构和高温高压容器及管道的焊接，为减少接头的冷裂纹倾向，应采用低氢型碱性材料。5）在异种钢焊接时，因基本金属与焊缝金属的化学成分差异较大，需要考虑熔合线的特点，其焊接材料的选用原则是：当焊缝两侧基本金属均非奥氏体不锈钢时，可选用成分与低合金一侧相配或介于两者之间的焊条或焊丝，当焊缝两侧之一为奥氏体不锈钢时，可选用含镍量较高的不锈钢焊条或焊丝，如奥307、奥407等。铁素体、奥氏体的强度较低，而塑性和韧性好，抗裂性好；焊条焊丝57二、线能量对焊接接头性能的影响线能量是指焊接过程中，单位长度的焊缝上所能得到的热能量，这种热能量就是电弧的热能或火焰的热能，线能量是由焊接规范确定的。它的大小对焊接接头影响是很明显的。当采用小规范时，如小电流、高焊速等可以减小热影响区的宽度，减少晶粒长大倾向，排除过热组织的危害，提高焊缝的塑性和韧性，但对某些重要的焊接接头，能量大些有利于氢的逸出，减少冷裂纹的倾向。所以线能量的大小，对每一种焊接方法具有一个最佳的规范，如不照这个最佳规范进行焊接，可能导致接头性能变差。二、线能量对焊接接头性能的影响58三、操作方法的影响操作方法的区分，有单道焊和多层多道焊（包括焊道布置和焊接次序），在手工焊时有小电流、快速、不摆动焊和大电流、慢焊速、摆动焊法等。这些操作方法对焊缝性能有如下的影响：

三、操作方法的影响591．单道大功率慢速摆动焊法的特点是焊接线能量大，操作时在坡口两侧的高温停留时间长，热影响区加宽、接头晶粒粗化，塑性和韧性降低，同时杂质元素的偏析易集中在焊缝中心，有导致热裂纹的可能，2．多层多道小电流、快速小摆动焊法的特点是线能量小，这种焊法热影响区窄，接头晶粒较细，塑性和韧性较好，杂质元素分布弥散，有害作用小。3．多层多道焊更为突出的优点是后焊焊道对前一焊道及热影响区起热处理作用。在AC3以上再加热区发生重结晶，形成细小的等轴晶，该区金属的塑性和韧性得到较好的改善，在回火温度的再加热区，当焊缝及过热区有淬硬组织时，因回火的作用可以得到回火组织，使淬硬部分强度和硬度下降，塑性和韧性提高，从而使接头的综合性能比较良好。4．焊道布置与坡口尺寸对不锈钢抗刃状腐蚀能力的影响1．单道大功率慢速摆动焊法的特点是焊接线能量大，操作时在坡口60在不锈钢中，如果焊接操作方法、次序及坡口尺寸等不当会在熔合线及过热区产生刃状腐蚀，因为在焊接高温中，熔合线与过热区超过1300℃时，钛和铌的碳化物便会溶解，其碳的扩散速度比钛或铌快得多，首先扩散到晶界处，快速冷却后的组织晶内含钛、铌多，晶界含碳多，若再次加热到敏化温度范围时，晶界的碳与铬迅速形成碳化铬，而钛、铌来不及扩散到晶界起稳定作用，因此晶界贫铬造成了刃状腐蚀的条件。如果在坡口设计上和操作方法上予以注意可以改善接头的刃状腐蚀能力，在多层多道焊缝、断弧接头处应控制焊缝的形状、尺寸和线能量，使敏化温度区与熔合线和过热区不在焊缝表面相交。

在不锈钢中，如果焊接操作方法、次序及坡口尺寸等不当会在熔合线61四、预热和焊后热处理对焊接接头性能的影响预热和热处理是改善焊接热循环的主要手段之一，它们可以获得预想的焊接接头力学性能。四、预热和焊后热处理对焊接接头性能的影响621．预热预热就是在施焊前对焊件坡口区预先加热到某一温度范围（150~300℃），并保持这个温度而进行的工艺过程。预热的目的是改善金属材料的焊接性，焊件在预热温度范围内，可降低焊接接头区域的温差，减小焊接热影响区的淬硬倾向，有利于焊缝中氢的逸出，降低焊缝中的含氢量，防止各类裂纹（热裂纹、冷裂纹、再热裂纹）的产生。1．预热632．焊后热处理把焊态的焊接接头均匀加热到一定温度并经过一段恒温时间，然后以一定的速度冷却下来的工艺过程称为焊后热处理。焊后热处理的方法主要有高温回火、降低应力退火、正火加回火。焊后热处理能使焊缝中的应力得到松驰，降低焊接残留应力峰值，使焊接接头淬硬组织软化，含氢量降低，同时提高焊接接头耐腐蚀性能、冲击韧性和蠕变强度等。焊后热处理与后热和消氢处理的概念不同，消氢处理和后热是焊接以后立即对焊件的全部或局部进行加热或保温，使其缓冷的工艺措施。它们可以降低焊缝中的含氢量，一般加热温度为200~400℃，不能改善焊接接头的金属组织。2．焊后热处理64焊接线能量越大，热影响区越宽，加热到1100℃以上高温区域也就越宽，而且t过和t8/5越大，焊接线能量偏小时，不利于焊缝的熔透和成形，因此焊接线能量必须在一个合理的范围才能保证焊接接头具有良好的性能。焊缝处的连接结构是由焊件厚度和接头型式决定的，焊件厚度越大，焊接接头的相对冷却速度越大，t8/5越小；在熔化焊的条件下，焊缝及其邻近的母材组织及性能发生变化的区域共同组成焊接接头。热影响区越宽，内应力越小，变形越大，但对于常用焊接结构，单纯的焊接应力还不足以形成裂纹，因此总希望热影响区越小越好。这些操作方法对焊缝性能有如下的影响：（3）高温停留时间但碳的含量不能过高，除淬硬性使焊接性变差外，还会由于强烈的还原反应引起焊接过程中的较大金属飞溅，产生来不及逸出的CO气体。焊接方法不同，加热速度、高温停留时间和焊后冷却速度都会有所不同。而钨极氩弧焊，则加热速度快，冷却速度也快，高温停留时间较短。氮在高温时与液态金属接触，一方面以原子状态直接溶解到液态金属中；熔池中的金属从液态变为固态的这种过程称为熔池的一次结晶。焊缝的力学性能越好，特别是强度和韧性的提高最为明显，当锰量＞2%时，可提高焊缝金属耐磨性，但却增加了焊缝的淬硬和过热的敏感性。正火区处于AC3至1100℃间的部分金属，其铁素体和珠光体全部转变为奥氏体，由于焊接速度快，高温停留时间短，奥氏体来不及长大，冷却下来得到的是细小的铁素体和珠光体组织。焊接线能量是单位长度焊缝内输入的焊接能量，对电弧焊常用下式表示：焊缝金属是焊接时由填充金属（焊条、焊丝）和部分基本金属经过熔化、结晶凝固而形成的。铬能在钢的表面形成一层附着性很强的氧化铬薄膜（Cr2O3）,显著降低金属的氧化速度，铬含量超过12%时，能显著提高钢的电极电位，使钢及其焊接接头具有良好的耐腐蚀性，铬含量小于2%时，能显著提高再结晶温度和热强性，铬还能阻止钢中的石墨化过程，降低碳化物的球化速度，含铬钢及其焊缝具有回火脆性，其含量越高，焊接性能越差。四、预热和焊后热处理对焊接接头性能的影响第二节焊接热循环而钨极氩弧焊，则加热速度快，冷却速度也快，高温停留时间较短。从上述三个区段来说，易淬火钢接头热影响区出现的淬硬组织对焊接质量是不利的，对此必须采取预热和热处理工艺措施，调节焊接时的热循环，清除硬化组织，改善接头性能。预热和热处理对焊接接头性能的改善具有明显的作用，但增加了焊接工艺的复杂性，而且若其规范和方法不当，反而使焊接接头性能变差，因此不是所有焊接接头都要采取预热或焊后热处理措施，它们的应用应根据焊接金属的性能、结构刚性、应力状态等因素综合考虑，预热与否，还要考虑施焊的环境温度，环境温度越低，越应考虑采用预热措施，对碳当量小的金属，焊接时，一般不需要采取预热措施，对碳当量大的、结构刚性大的金属则都要进行焊前预热，对焊后热处理的问题也以同样的原则考虑。：

焊接线能量越大，热影响区越宽，加热到1100℃以上高温区域也65焊接接头的性能及其影响因素焊接接头的性能及其影响因素66主要内容第一节

焊接接头第二节焊接热循环第三节

焊缝的金属组织和性能第四节

熔合区和热影响区的组织和性能第五节

影响焊接接头性能的因素及其处理方法主要内容第一节焊67

第一节焊接接头

焊接接头是基本金属或基本金属和填充金属在高温热源的作用下，经过加热和冷却过程而形成不同组织和性能的不均匀体。

在熔化焊的条件下，焊缝及其邻近的母材组织及性能发生变化的区域共同组成焊接接头。第一节焊接接68一．焊接接头的组成

焊接接头一般由三个区域组成：（1）焊缝（2）熔合区（3）热影响区一．焊接接头的组成691．焊缝焊缝是焊接接头的主体，焊缝金属是焊接时由填充金属（焊条、焊丝）和部分基本金属经过熔化、结晶凝固而形成的。焊缝区的宽度取决于坡口型式和焊接线能量。1．焊缝702．热影响区

受焊接热循环作用，组织和性能发生变化的基本金属部分。热影响区的宽度主要取决于焊接线能量的大小。2．热影响区713．熔合区熔合区是焊缝区和热影响区的交界处，在焊接过程中，处于固、液状态的半熔化区。熔合区一般很窄，约有0.1~0.4mm宽，常称熔合线，在合金钢焊接接头中很难区分出熔合区。3．熔合区72

二．焊接接头的特点：（1）具有组织和性能的不均匀性，（2）易产生各种焊接缺陷，（3）存在着应力集中、焊接残余应力、焊接变形等。

73

第二节焊接热循环

一、焊接热循环的特点1．概念焊接热循环是指在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随着时间由低而高、又由高而低的变化过程。在加热和冷却过程中，焊件上不同位置所经受的热循环状态是不同的，靠焊缝越近的位置，被加热的最高温度越高，反之，越远的位置被加热的最高温度越低。

第二节焊接热循环

一、焊接热循环的特点74

2．基本要素

（1）加热速度（2）最高加热温度（3）高温停留时间（4）冷却速度

75

3．焊接热循环特性指标反映焊接热循环特性的指标主要有2个：t过和t8/5。t过：焊接接头在1100℃以上高温的停留时间，其值越大，焊接接头的组织与性能越差。

t8/5：焊接接头由800℃冷却到500℃所需的时间，这个温度区域是焊缝金属固态相变过程，其值大小，对焊缝金属的充分转变、过热过程或淬硬倾向均有一定影响。

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4．焊接热循环的主要特点1）急剧加热且温度高，熔池（焊缝）附近最高加热温度比一般热处理加热温度都高，故发生过热，致使该区晶粒长大粗化严重。2）急速冷却且速度快，从而致使焊接接头容易发生淬硬，形成淬硬组织，加剧了焊接冷裂纹的产生。

77二、影响焊接热循环的因素影响焊接热循环的因素主要有焊接方法、焊接规范、焊接线能量、预热和层间温度、焊件厚度和接头型式及材料本身的导热性等。

1．焊接方法焊接方法不同，加热速度、高温停留时间和焊后冷却速度都会有所不同。气焊加热速度慢，冷却速度也慢，高温停留时间长；而钨极氩弧焊，则加热速度快，冷却速度也快，高温停留时间较短。二、影响焊接热循环的因素78

2。焊接规范及线能量的影响焊接规范指焊接时的主要工艺参数，也就是保证焊接质量而选定的各物理量，如焊接电流、电弧电压、焊接速度、线能量等。焊接线能量是单位长度焊缝内输入的焊接能量，对电弧焊常用下式表示：Q=IU/υQ-----线能量，J/cmI----焊接电流，AU-焊接电压，Vυ—焊速，cm/s焊接线能量越大，热影响区越宽，加热到1100℃以上高温区域也就越宽，而且t过和t8/5越大，焊接线能量偏小时，不利于焊缝的熔透和成形，因此焊接线能量必须在一个合理的范围才能保证焊接接头具有良好的性能。一般通过焊接规范来调整焊接线能量，不同的焊接方法，在常规规范条件下，焊接线能量的差别较大，埋弧焊时焊接线能量较大，手工电弧焊次之、钨极氩弧焊最小。

79

3．预热与层间温度的影响焊接性差的钢材，一般要采取预热和保持层间温度的技术措施，以降低焊接接头的冷却速度，降低焊接过程的淬硬倾向，防止裂纹的产生。金属材料预热温度一般不超过350℃，在低温（600℃）时对冷却速度能起到显著的降低作用，对t过值影响不大，所以预热对焊接线能量不起增强作用，对焊接热循环是有利的。在多层多道焊接中，层间温度一般等于或略高于预热温度，控制层间温度的目的在于降低焊接接头在低温时的冷却速度，有利于焊接热循环的作用。

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4．连接结构和钢材性能的影响焊缝处的连接结构是由焊件厚度和接头型式决定的，焊件厚度越大，焊接接头的相对冷却速度越大，t8/5越小；当焊缝为角接接头时，其冷却速度比对接接头速度要大，t8/5比对接接头焊缝要小钢材的导热性能对焊接热循环具有直接的影响，导热性不同的钢材在相同的线能量条件下，焊接接头的t过和t8/5是不同的，导热性好的钢材t过和t8/5都小于导热性差的钢材。

81钼是铁素体形成元素，可提高钢及其焊缝的再结晶温度和热强性，它能促进石墨化过程，合金钢中常用含量为0.焊缝的这种固态相变过程称为焊缝金属的二次结晶。防止措施：加强保护，选用合适的气体流量、短弧焊，防止空气进入；淬火区是被加热到1100℃以上的金属部位，该区金属在冷却时，高碳当量的奥氏体转变为马氏体，室温下其组织是硬而脆的马氏体。熔合区是焊缝区和热影响区的交界处，在焊接过程中，处于固、液状态的半熔化区。硫是有害杂质，温度较高时，会降低焊接接头强度，产生热脆性，这是因为S与铁在高温化合成低熔点的硫化亚铁（FeS），并与其他化合物形成低熔点共晶体（980℃），当结晶时，这些低熔点物质集聚在晶界处，由于晶内已凝固，而晶界还处于液态，强度很低，在组织应力下会被拉裂。而钨极氩弧焊，则加热速度快，冷却速度也快，高温停留时间较短。该区被加热的温度在1100℃~1500℃之间，不锈钢在加热和冷却过程中不发生相变，因此该区金属无论是高温还是室温，均为奥氏体或铁素体，由于温度很高，接近熔点，晶粒长大严重，温度越高，高温时间越长，晶粒越粗大，严重的晶粒长大使金属塑性和韧性下降3）抗裂性铁素体加珠光体和奥氏体抗裂性能好，奥氏体加少量铁素体的双向组织比单向奥氏体具有更好的抗裂性。1）焊条、焊丝的化学成分和性能要与基本金属的化学成分和性能相当，焊接工艺性能良好。二．焊接接头的特点：熔池凝固后的焊缝金属从高温冷却到室温时，还会发生固态的相变，产生不同的组织。（2）液态金属温度高；5mm，埋弧焊约为2.3．铬钼和铬钼钒耐热钢的焊缝组织是焊接接头中性能最差的区域。第四节熔合区和热影响区的组织和性能再结晶区金属加热的温度为500℃~AC1，对经过冷塑性变形而产生碎晶和晶格扭曲缺陷的基本金属，在该区的加热温度范围会发生再结晶过程，再结晶的结果，晶粒重新稍有长大，塑性稍有改变，对于无冷塑性变形的金属则不发生任何变化。焊接材料和钢材都为化学成分相近的低碳钢时，该区化学成分无明显变化，但靠近基本金属一侧可能具有过热组织的特点，晶粒粗大，金属塑性和韧性较低。但碳的含量不能过高，除淬硬性使焊接性变差外，还会由于强烈的还原反应引起焊接过程中的较大金属飞溅，产生来不及逸出的CO气体。第三节

焊缝的金属组织和性能熔池中的金属从液态变为固态的这种过程称为熔池的一次结晶。熔池凝固后的焊缝金属从高温冷却到室温时，还会发生固态的相变，产生不同的组织。焊缝的这种固态相变过程称为焊缝金属的二次结晶。焊缝金属组织除与化学成分有关外，在很大程度上取决于这两次结晶的特征，而焊缝金属的性能与其组织有密切关系。钼是铁素体形成元素，可提高钢及其焊缝的再结晶温度和热强性，它82一、焊接熔池的一次结晶1．结晶过程的特点（1）熔池的体积小、冷却速度快；（2）液态金属温度高；（3）运动状态下结晶；（4）以散热方向向焊缝中呈柱状生长。一、焊接熔池的一次结晶832．组织特征与组织偏析柱状晶是一次结晶的组织特征。由于冷却速度极快，相内的成分来不及趋于一致，所以保持着结晶先后而产生成分不均匀性，这种不均匀性就是晶内偏析，

2．组织特征与组织偏析84二、焊缝金属的二次结晶焊缝熔池金属一次结晶后的组织基本是柱状奥氏体，在冷却至室温的过程中，焊缝金属还会发生组织转变，这就是焊缝金属的二次结晶。。二、焊缝金属的二次结晶851．低碳钢的焊缝组织低碳钢的焊缝组织含碳量低，组织一般为粗大的柱状铁素体和少量珠光体，如果高温停留时间过长（如气焊、电渣焊）焊缝还会出现魏氏组织。多层多道焊时，后一层焊道对前一层焊道有热处理作用，部分柱状晶可转化为细小的等轴晶，其金属组织为细小的铁素体和少量的珠光体。1．低碳钢的焊缝组织862．低合金高强度钢的焊缝组织低合金钢合金元素含量较小时，其焊缝组织与低碳钢相似，在一般冷速条件下为铁素体加少量珠光体，冷速过大时，也会产生粒状贝氏体。合金元素含量较高时，淬硬性较好的低合金高强度钢焊缝金属组织为贝氏体或低碳马氏体，高温回火后为回火索氏体。2．低合金高强度钢的焊缝组织873．铬钼和铬钼钒耐热钢的焊缝组织合金含量较少（Cr＜5%）的耐热钢在焊前预热、焊后缓冷的条件下，得到的是珠光体和部分淬硬组织，高温回火后可得到完全的珠光体组织合金含量较多（Cr5%~9%）的耐热钢在焊接材料化学成分与母材成分相近、焊前预热和焊后缓冷条件下，其焊缝组织为贝氏体，有时可能出现马氏体，高温回火后可得到回火索氏体，当采用奥氏体焊接材料时，焊缝组织主要为奥氏体。3．铬钼和铬钼钒耐热钢的焊缝组织884．不锈钢焊缝组织奥氏体不锈钢一般为奥氏体加少量（2%~6%）铁素体铁素体不锈钢组织与采用的焊接材料有关，焊接材料与母材金属化学成分相近时，其焊缝组织为铁素体，焊接材料为铬镍奥氏体时其焊缝组织为奥氏体。马氏体不锈钢焊缝组织与焊接材料和热处理状态有关，焊接材料与母材金属化学成分相近时，焊态组织为马氏体，回火后为回火马氏体，焊接材料为铬镍奥氏体时，焊缝组织为奥氏体。4．不锈钢焊缝组织89三、焊缝金属组织与性能的关系1．一次结晶组织与性能的关系焊缝一次结晶组织中细柱状晶比粗柱状晶好，胞状晶比树枝晶好，因为粗晶体金属的强度、塑性和韧性都较低，而且热裂纹敏感性大，尤其是粗大的树枝晶对热裂纹的敏感倾向很强。由于偏析、化学成分极不均匀，焊缝的抗裂性变差，偏析越严重，力学性能和抗腐蚀性的不均匀程度就越大，偏析使S、P聚集在焊缝中心，就容易产生热裂纹。三、焊缝金属组织与性能的关系902．二次结晶组织与性能的关系二次结晶组织的类型、特征和形态不同，则焊缝金属的性能也不同。1）强度高低马氏体比其它组织的强度都高，铁素体、奥氏体较低，贝氏体介于马氏体和铁素体加珠光体之间。2）塑性和韧性奥氏体在温度下降时无明显脆性转变现象，塑性和韧性比其他组织好，铁素体加珠光体次之，粒状贝氏体具有较低的强度和较好的韧性，高碳马氏体硬而脆，几乎无韧性，低碳马氏体具有较高的强度和一定的塑性和韧性。2．二次结晶组织与性能的关系91第三节

焊缝的金属组织和性能由上可知，低碳钢焊接接头性能受到近缝区影响最大的是过热区，除正火区外，其它各区都有不同程度的不良影响。一、热影响区的组织和性能焊接热循环是指在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随着时间由低而高、又由高而低的变化过程。6%时，能提高熔渣的流动性，减少金属飞溅，改善焊条的工艺性能。007%，它是强脱氧剂，能细化晶粒，含硼钢焊接性较差，焊接时易出现裂纹。2）对耐热钢和不锈钢的焊接，为保证焊接接头的高温性能和抗腐蚀性能，焊条、焊丝的化学成分应与基本金属的化学成分大致相同，对于18-8（18Cr-9Ni）型奥氏体不锈钢的焊接，为提高抗裂性能，应选用含有少量铁素体形成元素的焊接材料，以获得奥氏体加少量铁素体的双相组织焊缝。控制氢的措施：烘干焊条、焊剂，清除锈、水、油污。1．一次结晶组织与性能的关系由上可知，低碳钢焊接接头性能受到近缝区影响最大的是过热区，除正火区外，其它各区都有不同程度的不良影响。在不锈钢中，如果焊接操作方法、次序及坡口尺寸等不当会在熔合线及过热区产生刃状腐蚀，因为在焊接高温中，熔合线与过热区超过1300℃时，钛和铌的碳化物便会溶解，其碳的扩散速度比钛或铌快得多，首先扩散到晶界处，快速冷却后的组织晶内含钛、铌多，晶界含碳多，若再次加热到敏化温度范围时，晶界的碳与铬迅速形成碳化铬，而钛、铌来不及扩散到晶界起稳定作用，因此晶界贫铬造成了刃状腐蚀的条件。焊后热处理与后热和消氢处理的概念不同，消氢处理和后热是焊接以后立即对焊件的全部或局部进行加热或保温，使其缓冷的工艺措施。二、焊缝金属的二次结晶第五节影响焊接接头性能的因素及其处理方法贝氏体加马氏体和马氏体对冷裂纹的敏感性最大。预热就是在施焊前对焊件坡口区预先加热到某一温度范围（150~300℃），并保持这个温度而进行的工艺过程。5mm，手工电弧焊约为6mm，电渣焊约为25mm，气焊约为27mm。低碳钢焊缝过热形成的粗大的魏氏组织，使塑性、韧性降低。焊缝的力学性能越好，特别是强度和韧性的提高最为明显，当锰量＞2%时，可提高焊缝金属耐磨性，但却增加了焊缝的淬硬和过热的敏感性。一般通过焊接规范来调整焊接线能量，不同的焊接方法，在常规规范条件下，焊接线能量的差别较大，埋弧焊时焊接线能量较大，手工电弧焊次之、钨极氩弧焊最小。3）抗裂性铁素体加珠光体和奥氏体抗裂性能好，奥氏体加少量铁素体的双向组织比单向奥氏体具有更好的抗裂性。贝氏体加马氏体和马氏体对冷裂纹的敏感性最大。4）晶粒度，晶粒越细，组织越均匀，其性能比粗大的不均匀组织要好。铁素体、奥氏体的强度较低，而塑性和韧性好，抗裂性好；珠光体的强度比铁素体高，塑性和韧性比铁素体差；马氏体强度高，高碳马氏体硬而脆，低碳马氏体具有相当高的强度和较良好的塑性、韧性相结合的特点；粒状贝氏体的强度和塑性、韧性介于马氏体和铁素体加珠光体之间。低碳钢焊缝过热形成的粗大的魏氏组织，使塑性、韧性降低。。第三节

焊缝的金属组织和性能3）抗裂性铁素体加珠光923．焊缝的性能焊缝金属的性能决定于化学成分和组织，焊缝的特点是碳低。但有一定数量的合金元素，一般来说焊缝的化学成分比较理想。但焊缝的组织较差（晶粒粗大、组织疏松、成分偏析），没有轧制的母材组织均匀，因此，焊缝的强度可以达到母材，但塑性、韧性比母材差。3．焊缝的性能93五、焊接区域的气体对焊缝金属的影响焊接时焊接区域中主要有一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、氢（H2）、水蒸汽（H2O）、氧（O2）、氮（N2）等气体，其中氧、氮、氢对焊接质量的影响最大。五、焊接区域的气体对焊缝金属的影响941．氧（O2）的影响氧在焊缝中的存在形式主要是FeO夹杂物。在焊接过程中，FeO与碳生成CO，会产生气孔，引起飞溅，影响焊接过程的稳定性。焊缝中的氧来源有2个：一是高温条件下氧向熔池金属里溶解，冷却时来不及逸出；二是一些合金元素氧化后形成氧化物残留在焊缝中。焊接过程的氧化作用，将导致焊缝中有益合金元素（如锰、硅等）的烧损；溶解在焊缝中的氧在适当条件下与碳生成CO气孔，残留在焊缝中的氧会降低焊缝金属的力学性能和耐腐蚀性。防止措施：加强保护，选用合适的气体流量、短弧焊，防止空气进入；焊前清理坡口及两侧的锈及水；烘干焊条、焊剂；冶金处理，从焊条药皮或焊丝中加入铁合金（锰、硅）脱氧。1．氧（O2）的影响952．氮的影响氮在高温时与液态金属接触，一方面以原子状态直接溶解到液态金属中；另一方面与氧生成氧化氮（NO）被溶解到焊缝中，当氮量过多时，容易产生N2气孔。凝固时，氮的溶解度急剧降低，析出氮气，来不及逸出熔池表面便形成气孔。主要来源是空气，防止措施只有加强熔池的保护。氮在焊缝中存在会使焊缝金属变脆，塑性和韧性变劣。2．氮的影响963．氢的影响氢侵入焊缝的主要原因各种形态的水分：焊接材料潮湿、坡口表面附近有油锈水分，或焊接环境介质的湿度太大，氢在高温条件下是以原子状态溶解到熔化的金属中。氢的存在危害极大，它使焊缝金属变脆，塑性和韧性显著降低，导致氢致裂纹、氢白点和氢气孔缺陷。控制氢的措施：烘干焊条、焊剂，清除锈、水、油污。选用低氢型焊条，采用后热、消氢处理等。3．氢的影响97六、焊接材料化学成分的影响焊条焊丝和钢材一样，由于冶炼的原因，除含铁（Fe）、碳(C)元素外，还含有锰(Mn)、硅Si、硫S、磷P等，为获得某一性能，焊接材料中需加入一些其他合金元素。这些元素的存在对焊接冶金和焊缝金属性能有很大的影响。六、焊接材料化学成分的影响981．碳C碳是焊芯、焊丝的主要元素，它对焊缝性能起主导作用，碳量越高，焊缝的强度和硬度越高，但塑性越低，淬硬性越大，裂纹倾向越大。碳在焊接过程中是一个良好的脱氧剂，减少O2在焊缝中的含量。但碳的含量不能过高，除淬硬性使焊接性变差外，还会由于强烈的还原反应引起焊接过程中的较大金属飞溅，产生来不及逸出的CO气体。碳量过高，焊缝金属凝固点变低，对仰焊操作不利，因而焊芯、焊丝的碳含量一般控制在0.2%以下，常用低碳钢焊芯、焊丝碳含量小于0.10%。对低合金焊芯、焊丝，碳在