焊接接头

在焊接过程中，焊缝及母材金属由室温开始加热到较高温度(甚至熔化)，然后再以不同速度冷却到室温。焊接接头根据焊接时加热情况和冷却后组织的不同，分为焊缝区、熔合区和热影响区。其中热影响区根据受热温度发生组织转变的不同，分为过热区、正火区、部分相变区、再结晶区。





(1) 焊缝区。

焊缝金属是直接由液态金属结晶而得到的铸造组织。焊缝金属凝固冷却的方式主要依靠母材金属热传导，因此结晶从熔池边缘开始，呈柱状晶(晶粒较粗大) 成长，成长方向垂直于熔池壁，最终汇交于熔池中部形成八字柱状树枝晶。

柱状晶具有方向性且晶粒粗大，这种组织不仅对裂纹的产生具有重大影响，而且对焊缝的使用性能也具有决定性的影响。因此，焊接过程中常通过控制凝固过程中的形核及晶粒长大方式，以及打乱柱状晶的方向性来细化晶粒，以及改善化学成分不均匀性。主要方法有优化焊接工艺、变质处理和焊后热处理。

(2) 熔合区。

焊接接头中，焊缝金属向热影响区过渡的区域叫作熔合区，又叫半熔化区。在熔焊条件下，这个区域的范围很窄，温度处于固液相之间，所以组织中包含了部分的铸造组织。又因为这一区域的奥氏体被加热到过热温度以上，晶粒粗大，化学成分和组织极不均匀，冷却后为过热组织，所以这一区域的塑性和冲击韧性都很差，特别是异种金属焊接时情况就更为复杂。很多情况下，熔合区是产生裂纹和局部脆性破坏的发源地。

(3) 热影响区。

在焊接热源作用下，焊缝两侧发生组织性能变化的区域叫作热影响区，也称近缝区。热影响区中各点距离热源的远近不同，所以各点所经历的热循环也不同，发生的组织与性能变化也不一样。输变电设备最常用的碳素钢和低合金钢一般属于不易淬火钢，即在焊接条件下淬火倾向很小，按组织基本相同且性能接近分为以下四个小区域。

1过热区。


过热区又叫粗晶区，该区紧贴熔合区，最高温度在固相线以下至1100~1200℃，其宽度随焊接方法不同而异，约在1~4mm之间。过热区的金属被加热到奥氏体过热温度，形成晶粒粗大的奥氏体过热组织，冷却后得到粗大的过热组织——低碳钢产物主要是魏氏体，低合金钢产物是魏氏体+贝氏体。这种过热组织的塑性和冲击韧性远低于母材，通常冲击韧性比母材低25%~30%，还容易产生裂纹，尤其当钢中含碳量和合金元素较高时，过热区的机械性能更差。因此，过热区也是削弱焊接接头性能的主要区域。

魏氏组织的形成与过热程度即金属在高温停留时间有关，在手工电弧焊、埋弧焊、电渣焊等焊接方法中，手工电弧焊的高温停留时间最短，晶粒长大相对不严重。电渣焊则相反，高温停留时间最长，焊接容易出现粗大的魏氏组织，为改善接头性能，消除严重的过热组织，一般要求焊后做正火热处理。

2 正火区。

正火区又称细晶区或重结晶区，这一区域的金属被加热到稍高于 Ac₃线以上至 之间，对于低碳钢约为900~1200℃。正火区金属虽然被加热到高温，铁素体和珠光体全部转化为奥氏体，但由于加热速度快，高温停留时间短，奥氏体晶粒还未长大，冷却后得到均匀细小的铁素体和珠光体，相当于热处理的正火组织。所以该区域的力学性能比较好，甚至优于母材。

3 不完全重结晶区。

不完全重结晶区又称为部分相变区，该区域加热的最高温度在 之间，低碳钢约为 低碳钢和某些低合金钢在加热温度稍高于. 时，珠光体首先转变成为奥氏体，温度继续升高时，部分铁素体逐渐向奥氏体中溶解，随着温度的升高，溶解的越多，直到. 时铁素体全部溶解在奥氏体中。冷却时，奥氏体中又析出细小的铁素体，一直冷却到A₁时，残余奥氏体转变成珠光体。在. 之间，只有一部分组织发生了相变重结晶，其余部分为始终未溶入奥氏体的原始铁素体。因此，不完全重结晶区是一个粗晶粒和细晶粒的混合区，晶粒大小不一致，组织不均匀，力学性能较差。

4 再结晶区。
这一区域的金属被加热到450℃至 Ac₁线以下的温度范围。再结晶与重结晶不同，重结晶时金属内部晶格要发生变化，即指同素异构转变时金属由一种晶格转变为另一种晶格；而再结晶时只有晶粒外形的变化，并没有内部晶体结构的变化。

对于焊接前经过加工硬化的金属，因具有晶格歪扭及晶粒破碎的现象，处于再结晶区时由于加热再结晶，使得晶格歪扭消失，破碎的晶粒重新形核生长，金属恢复到加工硬化前的力学性能。
一般的焊接件多采用热轧或退火状态下的钢板，一般没有加工硬化现象，故焊后在热影响区也没有再结晶区。又因为焊接接头的冷却速度高于钢材热轧时的冷却速度，故焊接接头的强度比热轧钢的母材金属高，但塑性及冲击韧性则在半熔化区和过热区都较低。
对于易淬火钢,例如中碳钢(35、40、45、50号钢)、低碳调质高强钢(C≤0.25%)和中碳调质高强钢(C=0.25%~0.45%)，焊接热影响区的组织分布与母材焊前的热处理状态有关。
如果母材焊前是正火或者退火状态，热影响区会产生完全淬火区及部分淬火区。完全淬火区焊后出现淬火组织，硬度和强度高，塑性和韧性下降，容易产生冷裂纹。部分淬火区性能不均匀，塑性和韧性下降。如果母材在焊前为调质状态时，热影响区还会出现回火软化区，此区域的硬度、强度低于母材，使焊接接头的性能更加复杂化。因此，对于易淬火钢在焊接时经常采取焊前预热、焊后缓冷的措施，防止或减少在焊缝金属或热影响区产生淬硬组织。
由上可见，焊接接头的热影响区具有晶粒粗大和局部脆化的问题，使焊接接头力学性能变差。生产实践表明，焊接接头的质量不仅仅取决于焊缝，同时还决定于热影响区，有时热影响区存在的问题比焊缝还要复杂，这一点在合金钢焊接时特别明显。因此，研究热影响区的组织与性能变化规律非常有必要。
同时，焊接接头的热影响区增宽时，出现组织不均匀的区域增大，造成焊件的变形增大，因此，焊接时热影响区越窄越好。
热影响区的尺寸主要与焊接时单位长度受到的热量有关，即主要与采用的焊接方法和焊接规范有关。
焊接热源能量越集中、焊接速度越快、热影响区就越小。在各种焊接方法中电子束焊的热影响区最小，其余依次为等离子焊、氩弧焊、电弧焊、气焊。选用不适当的焊接规范，例如焊接电流过大或焊接速度过慢，将使热影响区宽度变大。对重要焊件，必要时可在焊后采取适当的热处理以改善热影响区的组织和性能。

焊接接头主要分为三个区域：焊缝区、熔合区和热影响区。焊缝区指的是直接从液态金属结晶而成的区域，其结晶方式主要是从熔池边缘开始，形成柱状晶。熔合区是焊缝金属向热影响区过渡的区域，组织不均匀，塑性和冲击韧性较差。热影响区则是在焊接热源作用下，焊缝两侧发生组织性能变化的区域，根据热处理效果不同，又可分为过热区、正火区、部分相变区和再结晶区。这些区域的组织和性能变化对焊接件的整体性能有重要影响。
.