焊接冶金

冶金学术语

焊接冶金，是指在熔化焊接过程中所发生的“气体- 熔渣- 金属”之间的物理、化学变化，熔化金属的结晶凝固，以及由于焊接热循环造成的焊接热影响区内金属的组织和性能的变化。

定义

运用冶金学的焊接过程，促进了焊接的发展；同时焊接冶金的发展也促使出现了新的冶金工艺──二次重熔。

焊接化学冶金焊接化学冶金反应的特点是温度高而时间短促；相间反应界面的比表面积大；因此，反应极为激烈。焊接化学冶金过程是分区域（或阶段）连续进行的；以手工电弧焊为例，可分为药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区（图1）。

工艺流程

焊接熔渣

焊接熔渣是在焊接过程中，主要由焊条药皮或焊剂形成的，起冶金处理、机械保护金属和改善焊接工艺性能的作用。焊接熔渣的主要组成是各种氧化物，还有氟化物、氯化物和硼酸盐类。氧化物有酸性的、中性的和碱性的。衡量熔渣的碱性强弱采用碱度，最常用和简便的计算方法是碱性氧化物的重量总和同酸性氧化物的重量总和之比（见炉渣）。碱度大于 1.3的焊渣称为碱性渣，反之称为酸性渣。焊渣碱度对焊接冶金过程有很大影响。采用碱性焊渣时，焊缝金属具有较好的综合机械性能，抗裂性能提高，同时焊缝的脱氧及脱硫也较好。

完善的脱氧可提高焊缝金属（如钢）的综合机械性能。焊接时的脱氧过程可分为两类：①先期脱氧，即在药皮的加热阶段，固态药皮中进行的脱氧反应。②沉淀脱氧，溶于液态金属（如钢液）中的脱氧剂直接与金属液体中的FeO发生脱氧反应；各种钢焊接时,利用Si、Mn联合脱氧能取得较好的脱氧效果。沉淀脱氧在脱氧过程中起最后的决定性作用。

焊缝金属的凝固

焊接熔池的凝固条件不同于一般铸锭。焊接熔池体积小、温度高而不均匀，中心温度近于沸点，而周围都是未熔化的被焊接金属（母材），因此温度梯度大、冷却速度快。焊缝凝固结晶始于熔池边缘的最低温度处，以半熔化的母材金属晶粒为非自发晶核，开始结晶生长，即所谓“联生结晶”。另一特点为由于冷却速度快，所以结晶从半熔化的晶粒表面开始后，沿着与散热相反的方向，以柱状晶的形态向熔池中心迅速生长，直到柱状晶互相接触为止。同时，由于柱状晶的生长速度很快，熔池中即使存在着难熔质点，也很难作为晶核长大成等轴晶粒。这样，焊缝就具有柱状晶特征（图2）。

焊接热作用特点

焊接热源的局部集中，导致不均匀的温度场。离焊缝越远，被加热达到的峰值温度越低，如图3所示。不均匀的温度场将引起不均匀的应力和变形，并造成不均匀的组织和性能变化。此外，焊接热源始终处于运动状态之中，焊接区中任何一点的温度变化都是准稳态，热源移近时迅速升温，热源移开时则迅速降温。这就决定了焊接过程中所发生的各种冶金学变化都无法达到平衡状态。

特性

焊接热循环

焊接区某点的温度随时间的变化过程称为焊接热循环。图4为单道焊接的热循环特性。温度很快地升高到峰值温度(Tmax，例如低合金钢手弧焊时在4秒内即可升到1100℃。而高温停留时间tH很短,例如在Ac3（见铁碳平衡图）以上只有几秒到十几秒钟。冷却速度ωc相当大，往往会引起淬火。决定焊接热循环特性的主要因素是材料的热物理性能、焊件尺寸、焊件初始温度以及焊接工艺参数。

多道焊时，其焊接热循环具有更为复杂的特点。后一焊道对前一焊道起后热作用，产生热处理效果；而前一焊道对后一焊道具有预热的作用。

范围和组织变化

加热峰值温度低于材料的熔化温度(Ts)而又高于材料能发生组织变化的临界温度(Tcr)的母材区域,即为热影响区。对大多数非调质钢常取其Ac1为其Tcr；而对调质钢，其实际回火温度即为其Tcr。在焊接热循环的作用下,热影响区内实质上在进行着一种特殊形式的热处理，其结果往往是使焊前的热处理效果受到破坏，在不同的局部位置会产生种种组织变化，从而引起硬化、软化以及脆化现象，甚至还会产生焊接裂纹。

一般说来，对调质钢而言,凡超过Ac1的部位可能产生淬火组织,而温度介于Ac1和原始温度之间的部位将进行回火过程。对非调质钢而言,在超过Ac1的部位由于发生相变,随温度不同而使其晶粒粗细差别很大。例如图5为正火处理的15MnVNb钢埋弧自动焊时的热影响区组织变化特征。

对于沉淀强化合金，在热影响区内将产生相的溶解和析出过程，常可见到粗晶粒的局部固溶区和由于过时效而产生的软化。对于冷作强化的金属，在热影响区内由于发生回复和再结晶过程，而可出现软化区域。

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