改善碳钢和低合金钢焊缝金属组织和性能措施—焊缝金属合金化

在实际生产中，改善焊缝金属性能的途径主要有两种：一是焊缝金属合金化，即通过向焊缝中加入合金元素，如Mn、Si、Ti、Nb、B和稀土等；二是调整焊接或焊后热处理工艺，如调整焊接热输入、层间温度、焊接位置等。本文主要围绕焊缝金属合金化展开。

01原则
通过焊接材料(焊条、焊丝或焊剂)向焊缝金属中过渡合金元素，通过复杂的冶金反应，改善焊缝组织、优化性能：
1、添加合金元素，钉扎奥氏体晶界，抑制奥氏体晶粒长大，细化焊缝凝固一次结晶组织，从而也细化焊缝冷却到室温的二次结晶组织；2、阻止或抑制先共析铁素体转变，尽可能提高针状铁素体的含量；3、添加合金元素，形成细颗粒状或球状分布高熔点夹杂物，在奥氏体内部形成铁素体形核核心，促使针状铁素体转变，同时防止侧板条铁素体和M-A组元的形成；4、尽量抑制马氏体、上贝氏体的转变。


02常用焊缝合金元素及其作用
1锰和硅
锰和硅是焊缝中最常见的合金化元素，均能脱氧而使焊缝金属强度增加，还能改变焊缝组织的形态而影响焊缝金属的韧性。焊缝金属组织中锰和硅含量处于适当范围时，能得到细晶铁素体和针状铁素体焊缝金属组织，从而具有较高的韧性。但是单纯采用锰和硅来提高焊缝金属的韧性是有限的，特别在采用大焊接热输入焊接时，难以避免焊缝金属产生粗大的先共析铁素体和侧板条铁素体，此时需要添加其他细化晶粒元素，以进一步改善焊缝金属的组织和提高韧性。
2钛和硼
钛能与硼、氮和氧形成TiB、TiN和TiO等微小颗粒，在焊接熔池结晶过程中作为非自发形核的质点而细化结晶组织，阻碍奥氏体品粒的长大、促进针状铁素体的大量形核，从而形成细小均匀的针状铁素体，因此改善了焊缝金属韧性。当Ti在0.02%~0.07%、B在0.0030%~0.0060%时可以获得针状铁素体为主的组织，冲击吸收功达到最大值，Ti和B的含量过高时将导致韧性下降。
3镍高温焊缝冷却过程中，镍的存在**降低奥氏体向铁素体的转变温度，从而抑制了块状先共析铁素体和侧板条铁素体的转变，促进针状铁素体的形成，同时低的相变温度可以保证针状铁素体均匀而细小，提高焊缝的韧性。镍提高焊缝金属的韧性，只有在低碳低硫的条件下才能发挥作用，否则韧性会降低，另外，Mn和Ni都是扩大奥氏体相区的元素，两者在合适匹配含量下，焊缝金属的韧性才最好。Mn含量在1.5%，Ni含量在1.3%左右，焊缝金属韧性最好。
4Nb、V、Cr这些元素在焊缝熔池中通过冶金反应形成碳化物或氮化物，在一定的条件下可以作为针状铁素体的形核核心，同时还可以抑制缝金属在冷却过程中块状铁素体和侧板条铁素体在奥氏体品界与品内的析出，有利于针状铁素体的形成，提高焊缝金属韧性。Nb、V、Cr的碳化物在奥氏体内固溶还可以起到细化晶粒、强化焊缝、针扎奥氏体晶界、抑制奥氏体晶粒长大的作用。但应注意的是这些元素在焊缝金属中的含量超过一定数值后，焊缝金属的韧性会**降低。
5稀土元素抑制先共析铁素体及侧板条铁素体的形成，促进了针状铁素体形核，抑制或减少了晶内M-A组元的生成，进而提高焊缝强韧性、减轻夹杂物对焊缝开裂的影响、降低焊缝开裂倾向、提高了焊缝综合性能。

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