關(guān)于焊接中金屬組織變化特性的研究

【摘 要】在焊接過程中，焊接接頭、材料等方面的金屬會發(fā)生組織變化，這將影響到焊接的品質(zhì)。另一方面，鋁合金、鈦合金輕質(zhì)金屬與不銹鋼金屬的組織變化特性也并不相同，因而有必要分別加以分析。在這種背景下，本文首先分析了焊接中輕金屬組織變化特性，進(jìn)而探討了焊接中不銹鋼金屬組織變化特性。通過分析，以期為更好的了解焊接中金屬組織變化特性，并進(jìn)而指導(dǎo)焊接工作的合理開展提供必要的借鑒與參考。

【關(guān)鍵詞】焊接；金屬；組織變化；特性

1.焊接中輕金屬組織變化特性

從輕金屬方面來看，鋁合金與鈦合金是較為常見的焊接金屬，其組織與性能通常對焊接熱力具有顯著的依賴性，不同的焊接熱處理流程都會引起輕金屬組織特性的變化。就工業(yè)生產(chǎn)方面來看，所應(yīng)用的鈦合金通常是α相與β相的混合型組織。所謂的α相，其具有典型密排六方結(jié)構(gòu)，而β相則呈現(xiàn)的是體心立方結(jié)構(gòu)。目前，對通過熔化焊和固相焊方法焊接的輕金屬焊接接頭力學(xué)行為的研究較多。在不同焊接方法焊接的接頭中，除組織特征改變外，接頭的力學(xué)性能常常與母材不相同，表現(xiàn)為局部的高梯度力學(xué)不均勻性。硬度和斷裂性能的變化是力學(xué)不均勻性的重要方面。

1420A1-Li合金Nd：YAG激光焊后，在焊縫處存在著較為顯著的軟化狀況，顯微硬度（HV）下降25以上。Al-Li-Cu2095合金變極性鎢極氣體電弧焊接接頭區(qū)應(yīng)變分布也有類似的軟化現(xiàn)象。然而，Al-Mg異質(zhì)材料激光焊接接頭的硬度卻卻與前述兩者相反，呈現(xiàn)出硬化現(xiàn)象。大厚度Ti-6A1-4V鈦合金電子束焊接接頭焊縫區(qū)也反映出硬化現(xiàn)象，焊接熱影響區(qū)和焊縫的硬度升高了34HV～37HV。從過往的研究結(jié)果來看，Tl-6A1-4V鈦合金薄板CO2激光焊對接接頭和搭接接頭硬度的測試結(jié)果也具有類似的硬化現(xiàn)象。根據(jù)這些結(jié)果，可以看出輕金屬焊接接頭硬度的變化與焊接工藝的應(yīng)用有著緊密的聯(lián)系，然而當(dāng)前還尚未能形成對于這一硬度變化規(guī)律的系統(tǒng)認(rèn)識。

就輕金屬焊接的接頭區(qū)域而言，除了在硬度變化上具有不統(tǒng)一的狀況外，在焊接接頭的斷裂部位也會受到焊接工藝的影響，并且這種影響存在著不均衡性。對兩種焊接方法焊接的接頭，斷裂時近縫區(qū)存在明顯的應(yīng)變集中。很多輕金屬結(jié)構(gòu)為薄板焊接結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)焊接接頭斷裂韌度的測試和評價目前仍無可以遵循的標(biāo)準(zhǔn)。對1420A1-Li合金Nd：YAG激光焊接接頭和BT20鈦合金CO2激光焊接接頭母材、熱影響區(qū)和焊縫的斷裂韌度分別參照ASIMB871-O1和BS7448標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。從斷裂韌度的測試結(jié)果可以看出，1420A1-Li合金和BT20鈦合金激光焊接接頭不同區(qū)域的斷裂韌度有較大差別，焊縫和熱影響區(qū)的斷裂韌度低于母材，焊縫金屬斷裂韌度最低，熱處理狀態(tài)對斷裂韌度有一定影響。這些研究結(jié)果表明，就輕金屬焊接而言，其接頭的焊縫、熱影響區(qū)域及材料的斷裂具有不同的機(jī)制，斷裂的韌度也受到焊接技術(shù)、材料表面的具體狀態(tài)及焊接之后的熱處理環(huán)節(jié)等的影響，而目前安也缺少較為科學(xué)完善的輕金屬焊接接頭的檢測方法。總體而言，針對焊接接頭金屬組織的變化，可以采用如下方法來加以處理：一是有針對性的加入Mo、Ti等合金元素，從而確保碳化物可以在溫度不斷升高時得到先行析出；二是采用跟蹤回火操作，也即在每一道焊縫完成之后，立刻使用氣焊的火焰來對焊道的表面進(jìn)行加熱處理，從而更好的對焊縫金屬組織進(jìn)行改善；三是使用多層多道的焊接工藝，這種方式的使用可以保證不同焊層之間的互相熱作用得到有效發(fā)揮，從而起到對晶粒加以細(xì)化的效果；四是錘擊焊道表面，其目的是為了細(xì)化晶粒，改善整個焊縫的組織性能。

2.焊接中不銹鋼金屬組織變化特性

焊接是一種接合的方式，可以用于不銹鋼焊接，而不銹鋼中奧氏體鐵含量對焊接性及焊道有很大的關(guān)系，一般要求注意焊道中的奧氏體鐵含量，因其關(guān)系到焊道與母材之間的稀釋作用，也即在焊接時母材有多少成份熔入焊道而產(chǎn)生稀釋反應(yīng)。奧氏體鐵系不銹鋼是目前運(yùn)用十分廣泛，就我國市場來說，其占總使用量80%以上。一般而言，奧氏體鐵系不銹鋼的焊接性比肥粒鐵系和馬氏體系不銹鋼要好。其中又以304型用得最多，為了成形，焊接接合十分常見。304型不銹鋼焊接時正常狀況下較不會產(chǎn)生明顯的龜裂，并且經(jīng)高溫融熔后并無相變化反應(yīng)，仍然為FCC結(jié)構(gòu)特有的延性、韌性，但焊件熱影響區(qū)（Heat-Affected zone， HAZ）卻常因敏化（sensitization）現(xiàn)象導(dǎo)致抗蝕性劣化。為了確切掌握實(shí)際影響之狀況，本文按照一定的304型不銹鋼焊接參數(shù)，作出焊接試片，并進(jìn)行了敏化處理、電解腐蝕試驗(yàn)、金相觀察等。

研究分別制作了304不銹鋼件在 620℃x24h敏化熱處理?xiàng)l件下，在熱影響區(qū)的敏化OM金相圖；304焊件經(jīng) 620℃x24h HAZ，也即包括焊道區(qū)域析出物的 EDS成分分析圖；304焊件 620℃x24h HAZ 附近基地的 EDS成分分析圖。根據(jù)這些圖像，本文發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)及其附近基地并無明顯的龜裂現(xiàn)象、也無相的變化反應(yīng)，由此可以證明焊接空冷完后仍是安定的γ相、FCC結(jié)構(gòu)之奧氏體鐵系組織；但由于熱影響區(qū)含碳量（counts130）較焊件基地（counts90）高，因而在熱影響區(qū)晶界的地方有很多碳化物（碳化鉻）析出，因?yàn)榇藚^(qū)鉻（Cr）量沖高（counts1090），卻使周圍基地 Cr（鉻）量減少（counts230），于是造成“鉻貧乏區(qū)”的容易腐蝕現(xiàn)象，這是熱影響區(qū)的“敏化”所生成的。又由于 Fe（鐵），Cr（鉻）的成分皆很高，所以也有M23C6的析出。因此，304不銹鋼焊件熱影響區(qū)因敏化的現(xiàn)象容易產(chǎn)生晶界腐蝕的現(xiàn)象。一般304型不銹鋼雖然相變態(tài)與焊接冷卻速率成正比，不過敏化程度與焊接冷卻速率卻成反比，層間溫度越高，冷速越慢，敏化越嚴(yán)重。焊接時，應(yīng)采用低熔填/多道次的方式，并降低焊接起始溫度，可降低熱影響區(qū)的敏化程度，提升焊件壽命。總體而言，不銹鋼焊件在熱影響區(qū)的金相，因敏化現(xiàn)象的緣故，在晶界上有很多碳化物析出，容易造成晶界腐蝕現(xiàn)象；不銹鋼焊接時并無明顯的龜裂，一般的空冷也不會造成相變態(tài)；不銹鋼敏化程度與焊接冷卻速率成反比，層間溫度越高，冷速越慢，敏化越嚴(yán)重。焊接時，應(yīng)采用低熔填/多道次的方式，并降低焊接起始溫度，可降低熱影響區(qū)的敏化程度，提升焊件壽命。

3.小結(jié)

總的來說，在焊接過程中，對于金屬接頭、金屬材料及其他金屬物件都會造成一定的影響，這種影響在不同屬性金屬中的展現(xiàn)也是不同的，有必要分別進(jìn)行探討。從本文研究結(jié)果來看，輕質(zhì)金屬接頭受到的影響是較為顯著的，而對于不銹鋼材質(zhì)的金屬而言，焊接所帶來的組織變化并不是很顯著。當(dāng)然，無論哪一種屬性的金屬，都應(yīng)當(dāng)有針對性的合理開發(fā)與應(yīng)用焊接工藝，以求將這種影響力降到最低。

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