熔焊的過程就是靠近焊縫的母材被加熱、冷卻和焊縫金屬結(jié)晶并隨后冷卻的過程。與此同時，焊接接頭的某些部位還發(fā)生一定的塑性變形。焊條電弧焊的焊接過程一般都要經(jīng)歷加熱、熔化、化學冶金反應、結(jié)晶、固態(tài)相變、形成接頭等過程。從冶金學的角度對各個過程進行分析和研究，是金屬材料焊接的理論基礎。

1.2.1焊接熔池的形成

焊條電弧焊時，焊接電弧作為熱源，對焊條和母材進行加熱。在焊接熱源作用下，母材上所形成的具有一定幾何形狀的液態(tài)金屬部分稱為熔池。它主要由熔化的焊條金屬和局部熔化的母材金屬所組成。

熔池的形狀近似呈半橢圓球狀，其幾何尺寸有熔池長度(L)、熔深(H)和熔寬(C),見圖1-16。熔池的幾何尺寸與焊接工藝參數(shù)、母材性質(zhì)、坡口形狀和尺寸有關。一般情況下，

隨電流的增加，熔池的最大深度HAx增大，熔池的最大寬度Cmax相對減?。欢S電壓的升高，Hma減小，Cmx增大。

熔池中的液態(tài)金屬始終處于劇烈的運動狀態(tài)，其運動形式主要有三種：

1)液態(tài)金屬密度差所造成的自由對流運動 由于熔池溫度分布不均勻，溫度高處金屬密度小，而溫度低處金屬密度大，這樣，密度差就促使液態(tài)金屬由低溫區(qū)向高溫區(qū)運動。

2)液態(tài)金屬表面張力差所引起的強制對流運動 溫度高，表面張力則小；反之，溫度

                                                圖1-16焊接熔池形狀示意圖

熔池的形成有一段過渡時間，然后才進入穩(wěn)定狀態(tài)，一般只存在幾秒至幾十秒，這時熔池的形狀、尺寸和質(zhì)量基本保持不變。對于焊條電弧焊，熔池金屬的質(zhì)量一般在0.6～16g范圍之內(nèi)，多數(shù)情況在5g以下。

隨著熱源的移動，熔池沿焊接方向作同步移動。在熔池的前部母材不斷地熔化，溫度較高；熔池的尾部，熔池金屬不斷地凝固，溫度逐漸降低。熔池的溫度分布見圖1-17,圖中TM為熔化溫度。

熔池中的液態(tài)金屬始終處于劇烈的運動狀態(tài)，其運動形式主要有三種：

1)液態(tài)金屬密度差所造成的自由對流運動 由于熔池溫度分布不均勻，溫度高處金屬密度小，而溫度低處金屬密度大，這樣，密度差就促使液態(tài)金屬由低溫區(qū)向高溫區(qū)運動。

2)液態(tài)金屬表面張力差所引起的強制對流運動 溫度高，表面張力則??；反之，溫度低，表面張力就大。熔池溫度的不均勻分布，必然帶來表面張力的不均勻分布，由此將迫使熔池金屬發(fā)生對流運動。

3)熱源的各種機械力所產(chǎn)生的攪拌運動焊條電弧焊時，熔池上的作用力主要有電弧吹力、熔滴下落的沖擊力等，它們對熔池液態(tài)金屬具有強烈的攪拌作用。

這三種形式的運動綜合作用在一起，構成了熔池液態(tài)金屬的復雜運動。正是這種運動，使填充金屬和熔化的母材均勻混合，獲得成分均勻的焊縫金屬，同時促進了氣體的逸出和非金屬夾雜的浮出，提高了焊縫質(zhì)量。但在液態(tài)金屬與母材交界處，由于運動受到限制，在這些部位容易造成化學成分的不均勻，產(chǎn)生焊接缺陷。

1.2.2焊接化學冶金

焊接化學冶金，是指熔焊時，焊接區(qū)的熔化金屬、熔渣、氣體之間在高溫下進行的一系列化學冶金反應，這些冶金反應會直接影響焊縫金屬的成分、組織和性能。

焊條電弧焊的化學冶金過程，是在氣渣聯(lián)合保護的前提下，分藥皮反應區(qū)、熔滴反應區(qū)和熔池反應區(qū)連續(xù)進行的。

1.氣體對熔化金屬的作用

焊接區(qū)的氣體主要有一氧化碳、二氧化碳、氫氣、氧氣、氮氣、水蒸氣及金屬與熔渣的蒸氣等，其中氧氣、氫氣、氮氣對焊接質(zhì)量的影響最大。氧氣、氮氣、氫氣在焊接熔池中的溶解度比較見

1)氫氣 主要來源于空氣中的氧、藥皮

中的氧化物和母材表面的鐵銹、水分的分解產(chǎn)

物。氧在電弧高溫下，能與鐵和其他合金元素

發(fā)生氧化反應，造成合金元素燒損，氧化產(chǎn)物

(如MnO、SiO?、TiO?、Al?O?)一般浮到熔

渣中去，也會夾雜于焊縫中。

氧與碳或氫反應，生成不溶于金屬的氣體CO或H?O,若不能順利逸出，就會形成氣孔。焊縫金屬中的氧，一般以FeO形式存在。焊條電弧焊時，通過焊條藥皮中的脫氧劑、造氣劑和焊芯中的脫氧元素的作用，能使焊縫金屬中的含氧量顯著減少。

焊縫金屬中的含氧量增加，對金屬性能的影響如下：

①伸長率和沖擊韌度下降。

②脫氧生成物作為夾雜分布于晶界上，使組織變脆。

③引起熱脆。

2)氮氣  主要來自空氣。氮在常溫下雖然不活潑，但是在電弧的高溫作用下會溶解于鐵，又能形成穩(wěn)定的化合物，還可以氣態(tài)存在于焊接熔池中。為了減少焊縫金屬中的含氮量，防止空氣中的氮侵入，必須對焊接電弧加強保護。

焊縫金屬中的含氮量增加，對金屬性能的影響如下：

①抗拉強度增大。

②伸長率和沖擊韌度下降。

③產(chǎn)生時效硬化。

④成為產(chǎn)生回火脆性的主要原因。

3)氫氣 主要來自焊條藥皮中的水分及有機物、焊件表面的水分、鐵銹、油脂、油漆等。氫不和金屬化合，但它能溶解丁Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等金屬中，隨著溫度的升高其溶解度增大。焊接時，由于冷卻速度很快，容易造成過飽和的氫殘余在焊縫金屬中，形成氣孔。

焊縫金屬中的含氫量增加，對金屬性能的影響如下：

①變脆。

②焊縫金屬內(nèi)產(chǎn)生氣孔。

③產(chǎn)生白點、線狀組織等異常組織。

④容易產(chǎn)生裂紋，尤其是焊道下裂紋。

2.熔渣對熔化金屬的作用

熔渣主要由酸性氧化物(SiO?、TiO?)、.

堿性氧化物(CaO、MnO)或中性氧化物(Al?O?、Fe?O?)組成。熔渣總是覆蓋在熔滴和熔池金屬的表面，以隔絕空氣；同時，與熔化金屬發(fā)生一系列化學冶金反應，如脫氧、脫硫、脫磷、滲合金等，從而提高焊縫質(zhì)量。

1)脫氧 熔渣對熔化金屬的脫氧主要發(fā)生在熔滴反應區(qū)和熔池反應區(qū)。對于堿性熔渣，由于含有大量的堿性氧化物CaO、MnO,決定了它主要是利用硅和鈦作為脫氧劑進行沉淀脫氧，脫氧產(chǎn)物被熔渣吸收浮出熔化金屬；對于酸性熔渣，由于含有多量的酸性氧化物SiO?、TiO?,使熔化金屬中的FeO能夠擴散到熔渣中來，以此來減少熔化金屬的含氧量，同時也利用一定量的錳作脫氧劑進行沉淀脫氧，來加強脫氧效果。

2)脫硫和脫磷 熔渣對熔化金屬的脫硫主要是利用堿性的CaO、MnO和CaF?進行的，所以堿性熔渣的脫硫能力較強，而酸性熔渣較弱。熔渣的脫磷，無論是堿性熔渣還是酸性熔渣，效果都不太顯著。焊條藥皮的脫硫和脫磷是非常有限的，所以焊接時要嚴格控制原材料中的含硫和含磷量。

3)滲合金 向焊縫滲合金的主要方式有兩種：一種是利用合金焊芯進行滲合金，如不銹鋼焊條；另一種是利用藥皮中的合金劑進行滲合金，如低碳鋼和低合金鋼焊條。藥皮中的合金劑主要有錳鐵、硅鐵、鈦鐵、鉻鐵、鉬鐵等，合金劑必須通過熔渣向熔化金屬過渡，熔渣的堿度和粘度對合金元素的過渡量有很大影響。

1.2.3熔池結(jié)晶和焊縫組織

隨著液體金屬溫度的降低，原子之間的吸引力逐漸增大。當溫度降低到凝固溫度以下時，原子之間的吸引力已達到足以克服原子混亂運動的力量，原子重新各就各位，開始有規(guī)則地排列起來，此時意味著液體金屬開始結(jié)晶。液體金屬的溫度降到低于熔點時，在液體金屬中就開始有一些原子最先排列起來，形成所謂的“晶核”。然后，這些晶核就依靠吸附周圍液體中的原子進行生長。

熔焊時，焊縫金屬由高溫液態(tài)冷卻到常溫固態(tài)，中間要經(jīng)過兩次組織變化過程，第…次是熔池金屬從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)時的結(jié)晶過程，稱為焊接熔池的一次結(jié)晶：第二次是固態(tài)焊縫金屬從高溫冷卻到相變溫度時發(fā)生的相變過程，稱為焊縫金屬的二次結(jié)晶，即固態(tài)相變。

由于焊接熔池體積小、散熱快，從而結(jié)晶速度也較快，因此，焊縫金屬的晶粒度比較細密。同一金屬的晶粒度愈細密，其塑性和韌性也愈好。這也是焊縫金屬雖然是鑄造組織，但其力學性能往往并不低于軋制的母材金屬的原因之一。

1.焊接熔池的一次結(jié)晶

焊接熔池的一次結(jié)晶對焊縫金屬的組織和性能有著極大影響，焊接過程中的許多缺陷如氣孔、裂紋、夾雜和偏析等大都是在一次結(jié)晶過程產(chǎn)生的。

(1)焊接熔池一次結(jié)晶特點

1)熔池的體積小，冷卻速度大。電弧焊時，熔池的體積最大不超過30cm3,平均冷卻速度約為4～100℃/s,比鑄錠大幾百到上萬倍。因而對于含碳量高、含合金元素較多的鋼種和鑄鐵等，容易產(chǎn)生硬化組織和結(jié)晶裂紋。

2)合金元素燒損嚴重。熔池中的液態(tài)金屬超過了材料的熔點，處于過熱狀態(tài)，過渡熔滴的平均溫度達2300℃,因此合金元素的燒損比較嚴重。

3)溫差大。熔池中心和邊緣存在著很大的溫差，熔池中心溫度高，邊緣凝固界面散熱快，焊縫冷卻速度大，所以熔池是在很大溫差條件下進行結(jié)晶，促使柱狀晶發(fā)展。

(2)焊接熔池一次結(jié)晶的過程

熔焊時的一次結(jié)晶是在液態(tài)金屬中發(fā)生的。焊接時，當電弧移去，熔池液態(tài)金屬便開始了結(jié)晶，見圖1-18。焊接熔池的一次結(jié)晶過程見圖1-19。

對焊接熔池來說，由于液體熔池中的熱量主要是通過熔合線向母材方向散失，熔合線處散熱條件好，溫度最低，是最先達到凝固溫度的部位。隨著熔池液態(tài)金屬的溫度降低，結(jié)晶首先在熔合線上開始發(fā)生，熔合線上的達到熔化溫度而還沒有熔化的母材表面晶粒，成為附近液態(tài)金屬的晶核，見圖1-19a;由于晶體不可能向著己凝固的金屬擴展，而是隨著溫度的繼續(xù)降低，晶核開始向著散熱的反方向——熔池中心長大，見圖1-19b;由于相鄰晶核在長大過程中的相互阻擋，從而形成了柱狀結(jié)晶，見圖1-19c;柱狀晶體不斷地長大至相互接觸時，這一斷面的結(jié)晶過程結(jié)束，見圖1-19d,每個長大的晶核就成為一個晶粒。隨著電弧的前移，焊接熔池的一次結(jié)晶過程一直在連續(xù)地進行，結(jié)晶速度和焊接速度相等。

由鐵碳合金相圖可知，焊接熔池的一次結(jié)晶組織一般都是奧氏體。

(3)焊縫中的偏析

焊接熔池一次結(jié)晶過程中的突出問題是，熔池金屬存在著不同程度的化學成分不均勻分

布現(xiàn)象，即偏析現(xiàn)象。偏析的產(chǎn)生，主要是由于焊接熔池體積小、冷卻速度快，焊縫金屬中的合金元素來不及均勻擴散所造成的。它不僅使焊縫化學成分不均勻、性能改變，而且也是使焊縫產(chǎn)生熱裂紋、夾渣和氣孔的主要原因之一。

柱狀晶的界面上容易為尚末結(jié)晶的(稍晚才能結(jié)晶的)、由某些偏析物形成的易熔共晶體所填充，再加上其他條件的影響，就有可能沿著界面產(chǎn)生裂紋，稱為焊接熱裂紋。由于柱狀晶的界面總是與結(jié)晶時的等溫面相垂直，因此，結(jié)晶裂紋或稱熱裂紋也總是和焊縫的魚鱗波紋相垂直，見圖1-20。熱裂紋的主要特征是：有熱裂紋的焊縫斷口上有高溫氧化的藍色或藍黑色色彩。從焊縫表面上看，熱裂紋呈不明顯的鋸齒形。一般在焊縫的收尾弧坑處更容易產(chǎn)生熱裂紋。

碳鋼焊接時產(chǎn)生的CO氣孔，當焊接熔池開始結(jié)晶或結(jié)晶過程中，熔池中的氧化亞鐵和碳容易偏析，造成它們在局部地區(qū)含量偏高，這樣在該部位有利于氧化亞鐵和碳相互作用生成CO。因結(jié)晶時，熔池金屬的粘度不斷地增大，此時產(chǎn)生的CO就不易逸出，很容易被圍困在晶粒之間，同時生成CO的反應是吸熱反應，會促使結(jié)晶加快，因而使CO氣泡在結(jié)晶結(jié)束之前來不及逸出面形成氣孔。

1)顯微偏析 在一個晶粒內(nèi)部或晶粒之間的化學成分不均勻現(xiàn)象稱為顯微偏析。熔池結(jié)晶時，最先結(jié)晶的結(jié)晶中心金屬最純，而后結(jié)晶部分含合金元素和雜質(zhì)略高，最后結(jié)晶的部分，即結(jié)晶的外端和前緣含合金元素和雜質(zhì)最高。

影響顯微偏析的主要因素是金屬的化學成分，它決定金屬結(jié)晶區(qū)間的大小，結(jié)晶區(qū)間越大，越容易產(chǎn)生顯微偏析。低碳鋼因其結(jié)晶區(qū)

間不大，所以顯微偏析現(xiàn)象并不嚴重。高碳鋼、合金鋼由于合金元素較多，結(jié)晶區(qū)間增大，所以焊接時產(chǎn)生較嚴重的顯微偏析，嚴重時甚至會引起熱裂紋等缺陷，所以焊后一般需要進行擴散及細化晶粒的熱處理，以消除顯微偏析現(xiàn)象。

2)區(qū)域偏析 熔池結(jié)晶時，由于柱狀晶體的不斷長大和推移，會把雜質(zhì)“趕”向熔池中心，使熔池中心的雜質(zhì)比其他部位多，這種現(xiàn)象稱為區(qū)域偏析。

焊縫的斷面形狀對區(qū)域偏析的分布有很大的影響。窄而深的焊縫，各柱狀晶的交界在焊縫的中心，因此有較多的雜質(zhì)聚集在焊縫中心，見圖1-21a所示。這個部位又與焊縫的橫向收縮變形方向相垂直，使這個雜質(zhì)較集中的部位在高溫塑性很差的區(qū)域受拉，其結(jié)果容易產(chǎn)生熱裂紋。因此，用對熱裂紋較敏感的焊接材料(例如，某些不銹鋼焊條、高鎳合金焊條)進行焊接，或者焊縫對熱裂紋比較敏感時(例如，用J422焊條焊接中碳鋼或補焊鑄鐵，使焊縫的含碳量增高),應當采用小的焊接電流，避免得到深面窄的焊縫成形，并減小母材的熔合比(即母材熔到焊縫金屬中的比例)。見圖1-21b、c所示，寬而淺的焊縫，雜質(zhì)聚集在焊縫的上部，這對避免熱裂紋的產(chǎn)生是有利的。

3)層狀偏析 層狀偏析是在焊縫橫斷面上出現(xiàn)的分層組織。不同的分層，化學成分的分布是不均勻的，因此稱為層狀偏析。層狀偏析會使焊縫的力學和耐蝕性能不均勻，

2.焊縫金屬的二次結(jié)晶

焊接熔池一次結(jié)晶結(jié)束后，熔池金屬就轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)焊縫。固態(tài)焊縫由高溫冷卻到室溫：就要經(jīng)歷二次結(jié)晶過程。室溫下通過金相分析方法觀察到的焊縫組織都是經(jīng)過二次結(jié)晶后得到的組織。

對于低碳鋼焊縫，它的一次結(jié)晶組織是粗大的奧氏體晶粒。當冷卻到900℃以下某一臨界溫度時，就在奧氏體品界析出鐵素體。當繼續(xù)冷卻到低于727℃的相變溫度時，在剩余的奧氏體晶粒中，同時析出鐵素體和滲碳體，形成機械混合物即珠光體。所以，低碳鋼焊縫的常溫組織一般為鐵素體和珠光體。焊縫的力學性能取決于鐵素體和珠光體的相對含量及晶粒的粗細程度。如果珠光體含量越高而鐵素體越少，且晶粒越細，那么焊縫的強度和硬度就會提高，而塑性和韌性則有所降低。焊縫的冷卻速度對焊縫組織有很大的影響，見表1-6。

對于低合金鋼焊縫，其二次結(jié)晶組織多數(shù)情況下仍以鐵素體和珠光體為主，但在高強鋼焊縫中，且冷卻速度較大的情況下，也會有貝氏體，甚至馬氏體出現(xiàn)。貝氏體和馬氏體的產(chǎn)生，會使焊縫的脆性增大，硬度增加，力學性能變差。

提高焊縫力學性能的重要途徑是改善焊縫二次組織，一般采用多層焊接、焊后熱處理等方法。

1.2.4熔合區(qū)和熱影響區(qū)的組織與性能

熔焊時，不僅焊縫在焊接電弧作用下發(fā)生熔化到固態(tài)相變等一系列的變化，而且焊縫兩側(cè)相鄰的母材，即熔合區(qū)和熱影響區(qū)，也要發(fā)生一定的金相組織和力學性能的變化。所以說，焊接接頭是由焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)三部分組成的，見圖1-22。

1.熔合區(qū)的組織和性能

通常所說的熔合線，是指焊接接頭橫斷面上宏觀腐蝕所顯示的焊縫輪廓線，一般是不規(guī)則的鋸齒形曲線。

熔合區(qū)的范圍很窄，溫度介于置相線與液相線之間，該區(qū)晶粒粗大，化學成分和組織性能存在著明顯的不均勻性，冷卻后得到的組織是過熱組織。所以，熔合區(qū)的塑性和韌性較低，脆性較大，易產(chǎn)生裂紋和脆性破壞，是焊接接頭中最薄弱的區(qū)域。

2.熱影響區(qū)的組織和性能

焊接過程中，熱影響區(qū)金屬在焊接電弧的作用下，實際上經(jīng)歷了一次由加熱、保溫至冷卻的熱處理過程。由于距焊縫遠近不同點的加熱溫度和冷卻速度不同，所以，熱影響區(qū)金屬的組織和力學性能沿其寬度方向是不均勻分布的。

(1)低碳鋼熱影響區(qū)的組織和性能

低碳鋼接頭熱影響區(qū)域的組織變化見圖1-23所示。

1)過熱區(qū) 焊接熱影響區(qū)中具有過熱組織或晶粒顯著粗大的區(qū)域，稱為過熱區(qū)。對于低碳鋼，這個區(qū)的金屬被加熱到1100~1490℃,該區(qū)晶粒發(fā)生嚴重長大，冷卻后得到粗大的過熱組織，使金屬塑性降低，特別對沖擊韌度的影響尤為顯著(一般比基本金屬低25%～30%),是熱影響區(qū)中的薄弱區(qū)域。

2)正火區(qū) 這個區(qū)被加熱到900～1100℃,冷卻后產(chǎn)生正火組織，金屬晶粒在很大程度上

將會細化。正火區(qū)是熱影響區(qū)中綜合力學性能最好的區(qū)域，既具有較高的強度，又有較好的塑性和韌性。該區(qū)又稱相變重結(jié)晶區(qū)或細晶區(qū)。

3)不完全重結(jié)晶區(qū) 低碳鋼在這個區(qū)域被加熱到750～900℃,使一部分金屬受到了正火處理，另一部分仍保持原來狀態(tài)。由于組織轉(zhuǎn)變不完全，晶粒大小不均勻，所以力學性能也不均勻，強度有所下降。該區(qū)又稱為部分相變區(qū)。

4)再結(jié)晶區(qū) 這個區(qū)被加熱到450～750℃。對于經(jīng)過壓力加工，即已塑性變形的母材，在此溫度區(qū)域內(nèi)發(fā)生再結(jié)晶。該區(qū)域的組織沒有變化，僅塑性稍有改善。對于焊前未經(jīng)塑性變形的母材，則本區(qū)不出現(xiàn)。

5)藍脆區(qū) 這個區(qū)被加熱到200～500℃之間，特別是在200～300℃時，組織沒有變化，強度稍有提高，但塑性急劇下降，發(fā)生脆化現(xiàn)象。

上述五個區(qū)域統(tǒng)稱為熱影響區(qū)，在顯微鏡下觀察低碳鋼材料時，只能看到過熱區(qū)、正火區(qū)和不完全重結(jié)晶區(qū)。

(2)低合金結(jié)構鋼熱影響區(qū)的組織和性能

對于不易淬火的低合金結(jié)構鋼，如Q345(16Mn)、Q390(15MnV)鋼等，其熱影響

區(qū)組織與低碳鋼相似，主要有三個區(qū)：過熱區(qū)、正火區(qū)和不完全重結(jié)晶區(qū)，見圖1-24所示。

對于易淬火的低合金結(jié)構鋼，如含合金元素較多的高強鋼、耐熱鋼和低溫鋼，將出現(xiàn)馬氏體組織等，硬度高、脆性大、容易開裂。其熱影響區(qū)顯微組織分布與母材焊前熱處理狀態(tài)有關。如果母材焊前是退火狀態(tài)，則熱影響區(qū)的組織可分為：淬火區(qū)和不完全淬火區(qū)。如果母材焊前是淬火狀態(tài)，則還要形成一個回火區(qū)，見圖1-24所示。

(3)熱影響區(qū)的性能的判斷

焊接熱影響區(qū)的組織分布是不均勻的，必然也會造成熱影響區(qū)性能的差異。一般情況下，常用硬度來判斷熱影響區(qū)的性能，也可以間接預測熱影響區(qū)的韌性、脆性和抗裂性。

熱影響區(qū)的硬度與母材的碳當量有很大關系。碳當量是指把鋼中合金元素(包括碳)的含量按其作用換算成碳的相當含量。碳當量是

評定鋼材焊接性的一個參考指標。一般低合金鋼焊接熱影響區(qū)最高硬度與碳當量的粗略關系式為：

焊接過程中，接頭區(qū)域的硬度變化見圖1-25.由圖可知，焊接熱影響區(qū)有著明顯的硬化傾向，這種硬化是導致焊接裂紋的重要原因，所以必須嚴格控制這一硬化程度，最有效的方法就是進行預熱和焊后熱處理。根據(jù)不同的硬度值，選擇相應的預熱和焊后熱處理溫度。