焊接接头的组织和性能

焊接接头的组织和性能

一、焊接结构及其分类

焊接结构是指用各种焊接方法连接而成的金属结构。焊接结构的种类有梁、柱、桁架、容器和薄板结构等，如图 1——9 所示。

1. 焊接梁通常用于承受较大载荷和较长跨度的场合，如重型大跨度的桥式起重机。 

2. 焊接柱通过钢板或型钢拼焊而成，承受压力载荷，如门式起重机的门架支柱。

3.焊接容器包括锅炉、压力容器和管道，担负着供热、供电、储存和运输各种工业原料和产品的作用。

4.焊接桁架是由许多长短不一、形状各异的杆件焊掺听成，承受横向弯曲载荷的结构，如桥梁、塔架和屋顶桁架等。

5.焊接薄板结构多属于受力较小或不受载荷作用的壳体，如驾驶室、客车车体和各种机器外罩等。

二、焊接接头形式和焊缝形式

1.焊接接头形式

焊接结构均是由若干个焊接接头组成。所谓焊接接头即是用焊接方法连接的接头（以下简称接头）。

由于焊件的结构形状、厚度及技术要求不同，往往需要把焊件装配成不同形式的焊接接头，以及将焊件边缘加工成各种形式的坡口。焊接接头的基本形式可分为 4 种∶对接接头、T形接头、角接接头、搭接接头，如图1—10 所示。

有时焊接结构中还有一些特殊的接头形式，如十字接头、端接接头、卷边接头、套管接头、斜对接接头、锁底对接接头等。

常用的坡口形式有Ⅰ形坡口、V 形坡口、X 形坡口和 U形坡口等，如图1—11 所示。

（1）对接接头  2个焊件端面相对平行的接头称为对接接头。对接接头是各种焊接结构中采用最多的接头形式。

1）钢板厚度在6 mm以下的焊件，一般不开坡口。为使焊接时达到一定的熔透深度，的根部间隙。有的焊件在整个厚度上不要求全部焊透，可进行单面焊接，的熔透深度不小于板厚的0.7 倍。如果产品要求在整个厚度上全部焊透，就应该在焊缝背面用碳弧气刨清根后再焊，即形成不开坡口的双面焊接对接接头。

2）一般钢板厚度为6mm 及以上时，可分别采用V形坡口（适用于厚度为6～40mm的钢板）、X形坡口（适用于厚度为12～60mm 的钢板）和U形坡口（适用于厚度为20～60mm的钢板），如图1—11b、c、d 所示。开坡口的主要目的是保证接头根部焊透，以便于清除熔渣，获得优质的焊接接头。

在焊接结构生产中，不同厚度对接的钢板，如果板厚差（δ-δ₁）较大，应单面或双面削薄再进行装配焊接，如图1—12 所示。其削薄长度为L≥3（δ-δ₁）。

（2）T形接头一个焊件的端面与另一个焊件表面构成直角或近似直角的接头，称为T形接头。T形接头的使用范围仅次于对接接头。特别是造船厂的船体结构中，约70% 的焊缝是这种接头形式。

当钢板厚度为2~30 mm 时，可采用I形坡口（图1—13a）。若T形接头在焊缝要求承受载荷时，则应按照钢板厚度和对结构强度的要求，分别考虑选用单边V 形、带钝边双单边V 形或带钟钝边双J形（图1—13b、c、d）等坡口形式，使接头焊透，保证接头强度。

（3）角接接头 两焊件端面间构成大于30°、小于135°夹角的接头，称为角接接头。角接接头承载能力较差，一般用于不重要的结构中。根据焊件的厚度不同，角接接头可分为I形坡口、单边V形坡口、带钝边V形坡口及带钝边双单边V形坡口，如图1—14 所示。开坡口的角接接头在一般结构中较少采用。

（4）搭接接头 2个焊件部分重叠构成的接头称为搭接接头。根据其结构形式和对强度的要求不同，搭接接头可分为不开坡口、塞焊缝或槽焊缝，如图1—15 所示。

不开坡口的搭接接头的搭接重叠部分长度为4～5 倍板厚，并采用双面焊接。这种接头的装配要求不高，但承载能力低，只用在不重要的结构中。当结构重叠部分的面积较大时，为了保证结构强度，可根据需要分别选用圆孔塞焊缝或长孔槽焊缝的形式。搭接接头特别适用于被焊结构狭小处及密闭的焊接结构。

在焊接结构生产中，搭接接头的钢板搭接量应不小于钢板厚度的4 倍（1≥4），如图1-16所示。

（5）坡口的选择原则

述各种头形式在选择坡口形式时，应尽量减少焊缝金属的填充量，便于装配和保证焊接接头的质量，因此应考虑下列几条原则∶

1）保证焊件焊透。 

2）坡口的形状容易加工。

3）尽可能节省焊接材料，提高生产率。

4）焊接后焊件变形尽可能小。

2. 焊缝形式

焊缝是构成焊接接头的主体部分。焊缝分类方法有以下几种∶

（1）按焊缝在空间位置分类，焊缝有4种形式∶平焊缝、立焊缝、横焊缝及仰焊缝。

（2）按焊缝的结构形式分类，有对接焊缝、角焊缝及塞焊缝3 种形式。

（3）按焊缝断续情况分类，有定位焊缝、连续焊缝及断续焊缝3 种形式。

三、焊接接头的组成、组织和性能 

1.焊接接头的组成

焊接接头包括焊缝、熔合区和热影响区，如图 1—17所示。

（1）焊缝 它是焊件经焊接后所形成的结合部分。熔焊时，熔池液态金属冷却凝固后所形成的结合部分就是焊缝。焊接接头横截面宏观腐蚀所显示的焊缝与母材交接的轮廓线（即焊缝金属与母材的分界线）称为熔合线。

（2）热影响区 它是焊接或热切割过程中，母材因受热的影响（但未熔化）而发生组织和力学性能变化的区域。

（3）熔合区 它是焊缝与母材（焊接热影响区）交接的过渡区，即熔合线处微观显示的母材半熔化区。所谓半熔化区是焊缝边界的固液两相交错共存而又凝固的区域。

2.焊缝的组织和性能

焊缝金属从高温的液态冷却至常温的固态，中间经过2 次结晶过程。第一次是从液相转变为固相的结晶过程;第二次是在固相中出现同素异构转变的结晶过程。

（1）焊缝金属的一次结晶 焊缝金属由液态转变为固态的凝固过程，即焊缝金属晶体结构的形成过程，称为焊缝金属的一次结晶。它遵循着金属结晶的一般规律，包括"生核"和"长大"2个阶段。

1） 一次结晶的过程 熔化焊时，随着电弧的移去，熔池液态金属温度逐渐降低，原子间的活动能力逐渐减弱，吸引力逐渐增强。当达到凝固温度时，原子便重新有规则地排列起来，形成微小晶体，称为"晶核"。由已形成的晶核吸附周围液体中的原子的过程称为"长大"。这样不断产生新的晶核，并且不断长大，直至液态金属完全消失为止。

在熔池中，最先出现晶核的部位是在熔合线上。此处散热快、温度最低，半熔化晶粒形成附近液态金属结晶的晶核（图 1—18a）。由于晶体是向着与散热方向相反的方向长大（图1—18b），同时也向两侧长大，因此受到相邻长大的晶体的阻碍，晶粒生长方向指向熔池中心，形成柱状结晶（图1—18c）。当柱状晶粒不断长大至互相接触时，焊缝的结晶过程结束（图1—18d）。

2）焊缝一次结晶的组织特征 焊接熔池一次结晶时，通常是从熔合线上还未熔化的晶粒开始结晶，沿着与散热相反的方向长大，形成柱状晶，如图1—19 所示。柱状晶是焊缝一次结晶的组织特征。

3）焊缝中的偏析与夹杂 由于熔池金属冷却速度很快，因此焊缝金属的化学成分是不均匀的，这种现象称为偏析。由于化学成分的偏析，因此凝固温度高的金属先结晶，凝固温度低的组分后结晶。在后结晶处存在低熔点共晶等杂质。常见的偏析有宏观偏析（如焊缝中心线处，也叫区域偏析）和晶间偏析 （也叫显微偏析）等。偏析对焊缝质量影响很大，使焊缝金属化学成分不均匀，性能发生改变。这是产生热裂纹、夹杂、气孔的主要原因之一。

同时，由于熔池冷却速度很快，冷却凝固时产生的气体来不及逸出而形成气孔;某些杂质来不及浮出，形成夹杂。

焊缝中夹杂物主要有硫化物和氧化物2 种。钢中硫化物夹杂主要是硫化铁（FeS）和硫化锰（MnS）。以FeS形式存在的夹杂，对钢的性能影响极大。它会形成低熔点夹杂物偏析，是产生热裂纹的主要原因之一。氧化物夹杂的主要成分有氧化硅（SiO₂），氧化锰（MnO）和氧化亚铁（FeO）等，会降低焊缝的性能。

（2）焊缝金属的二次结晶 一次结晶结束后，熔池金属就转变为固态的焊缝。高温的焊缝金属冷却到室温时，要经过一系列的相变过程，这种相变过程就称为焊缝金属的二次结晶。

以低碳钢为例，有关冷却速度对低碳钢的焊缝组织及性能的影响见表 1—4。从表中可以看出冷却速度越大，珠光体含量越高，而铁素体越小，材料硬度和强度均有所提高，而塑性和韧性则有所降低。

3. 热影响区的组织和性能

热影响区就是指在焊接过程中，母材因受热的影响（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域。焊接热影响区的组织和性能，基本上反映了焊接接头的性能和质量。

现以低碳钢和不易淬火钢（如16Mn、15MnV、15MnTi 等）为例，讨论其热影响区的组织和性能。根据其组织特征可分为4 个小区，如图1—20 所示。

1）熔合区 熔合区又称半熔化区，是指在焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域。它处于熔合线附近，温度处在铁碳合金状态图中固相线和液相线之间。在靠近热影响区的一侧，其金属组织是处于过热状态的组织，塑性很差。在各种熔化焊的条件下，这个区的范围虽然很窄，甚至在显微镜下也很难分辨，但对焊接接头的强度、塑性都有很大的影响。熔合区往往是使焊接接头产生裂纹或局部脆性破坏的发源地。

2） 过热区 过热区所处的温度范围是在固相线以下到1100℃左右的区间内。在这样高的温度下，奥氏体晶粒严重长大，冷却以后就呈现为晶粒粗大的过热组织。在气焊和电渣焊的条件下，在这部分组织中可以出现魏氏体组织。

过热区的塑性很低，尤其是冲击韧度降低 20%～30%。在焊接刚性较大的结构时，常会在过热区出现裂纹。过热区的范围宽窄与焊接方法、焊接工艺参数和母材的板厚等有关。气焊和电渣焊时比较宽;焊条电弧焊和埋弧自动焊时比较窄;真空电子束焊时，过热区几乎不存在。

3）正火区 正火区的温度范围在A_e3～1 100℃。钢被加热到略高于A_e3的温度后再冷却，将发生重结晶。因此，正火区的金属组织即获得相当于热处理时的正火组织，该区也可称为相变重结晶区或细晶区，其力学性能略高于母材。

4）不完全重结晶区 该区处于A_e1～A_e3的温度范围内。区域内的金属组织不均匀，致使力学性能不均匀，强度稍有下降。

除此以外，若母材焊接前经过冷加工出现塑性变形或由于焊接应力而造成的变形，在 A_e1以下将发生再结晶过程。在金相组织上也有明显的变化，即存在再结晶区。如果焊接前母材没有塑性变形，那就不会发生再结晶现象，就没有再结晶区。

根据热影响区宽度的大小，可以间接判断焊接质量。一般来说，热影响区越窄，则焊接接头中内应力越大，越容易出现裂纹;热影响区越宽，则对焊接接头力学性能不利，变形也大。因此，在工艺上应在保证不产生裂纹的前提下，尽量减小热影响区的宽度，这对整个焊接接头的性能是有利的。

由于热影响区宽度的大小取决于焊件的最高温度分布情况，因此焊接方法对热影响区宽度的影响很大。不同焊接方法的热影响区宽度见表1—5。

4.熔合区的组织和性能

熔合区的温度处于液相线和固相线之间，熔合区很狭窄，此区金属处于部分熔化状态（半熔化区），晶粒非常粗大，冷却后组织为粗大的过热组织。当焊缝化学成分与母材化学成分差别很大或异种钢焊接时，在熔合区附近还会发生碳和合金元素的相互扩散，成分和组织极不均匀，还可能产生新的不利的组织带。

因此，熔合区的塑性和韧性很差，是焊接接头中性能最差的区域。