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1、不同焊接热输入量对焊缝热影响区组织和性能的影响分析中铁山桥集团有限公司质量管理部 （河北山海关!#!$）刘艳色【摘要】 本文对 !#$% 钢，采用直径 & 和 ( 两种焊丝，采用不同焊接热输入量进行埋弧自动焊，焊接接头热影响区显微组织和力学性能进行试验分析。试验结果表明，细焊丝埋弧自动焊，由于热输入量较 小，高温停留时间短，热影响区过热程度较轻，奥氏体晶粒长大不严重，所以并没有形成粗大的魏氏组织铁素 体；相反，使用粗焊丝进行焊接的接头，焊接热输入量大，在过热区产生了大量的粗大魏氏组织铁素体，使接 头力学性能变差。的冷却速度下形成一种特殊的过热组织魏氏组织。这种情况下的粗大魏氏组织，会严重地影响
2、到金属的韧 性，是焊接接头变脆的一个主要原因。# 重结晶区该区加热到的峰值温度范围在 -. 到晶粒开始急剧 长大以前的温度区间，大约在 #$ * )$, 之间。该区 的组织特征是由于在加热和冷却过程中经受了两次重结 晶相变的作用，使晶粒得到了显著的细化。因此该区具 有较高的综合力学性能，甚至还优于母材的性能。$ 不完全重结晶区该区加热到峰值温度 -.) 到 -. 之间，约为 /&$ *#$, ，该区的特点是只有部分经受了重结晶相变，是 一个粗晶粒和细晶粒的混合区。该区对焊接接头性能的影响不是很大。 本文主要分析熔合区及过热区组织及性能，论述了粗丝埋弧自动焊和细丝埋弧自动焊试验形成的两种不同 的
3、熔 合 区 及 过 热 区 组 织，以 及 明 显 不 同 的 力 学 性 能。二、试验用钢板和焊接材料试验所采用的钢板为 & 厚的 !#$% 钢，其化学 成分见表 )，力学性能见表 (。一、概述在焊接条件下，由于焊接热循环的特殊性，往往会 使热影响区内加热到相变点以上的材料发生不利的组织 变化，并导致焊接接头性能的恶化。焊接条件下的组织 转变与热处理条件下的组织转变，从基本原理上是一致 的，但是由于焊接过程具有本身的特点，这就给焊接时 的组织转变带来了它的特殊性。其特点：! 加热温度 高。加热速度快。#高温停留时间短。$自然条件下 连续冷却。%局部加热。组织转变是在应力作用下进行 的，且转变
4、过程是不均匀的。由于焊接热影响区熔合线 附近是整个焊接接头的薄弱地带，因此研究分析固态有 相变材料的焊接热影响区组织变化对提高焊接质量，具 有及其重要的意义。焊接热影响区可分为熔合区及过热区、重结晶区、 不完全重结晶区三种：! 熔合区及过热区（又称粗晶区） 该区紧邻焊缝，它的温度范围包括了从晶粒急剧长大的温度开始一直到固相线温度，大约为 )$ * )+#$, 之间。由于加热温度很高，特别是在固相线附近处，一 些难熔质点（如碳化物和氮化物）也都熔入奥氏体，因 此奥氏体晶粒长得非常粗大。这种粗大的奥氏体在较快表 ! 钢板的化学成分（质量分数）（0 ）板厚批号材质1234562-789:;数据来源!
5、#$%!$ ? ($!$ ? &) ? $ * ) ? $!$ ? $(&!$ ? $(&标准&$(&/(!#$%$ ? )$ ? +&) ? +A$ ? $)$ ? $ ? $()$ ? +(&质保书第十一届北京埃森焊接与切割展览会专辑#$%$&() * !+,-(&.-/0表 ! 钢板的力学性能对比试验分两组，编号分别为 ( 号和 * 号。( 号试件采 用 #( 的 =,+$:7 焊 丝 焊 接，* 号 试 件 采 用#: 的 =,+$:7 焊 丝 焊 接，焊 剂 均 采 用 烧 结 焊 剂?0*,*。焊丝、焊剂的化学成分和力学性能见表 4。表 焊丝、焊剂的化学成分和力学性能./来源书书；
6、书注：焊剂 ?0*,* 熔敷金属的力学性能，质保书中值为配 =*,$: 焊丝的试验结果，复验值为配 =,+$:7 焊丝的试验结果。设备为 KA*, 直流电源，采用反极性接法，焊接规范参数见表 9。三、试板焊接焊接环境温度为 *:%?CBAD$E/AF!#! $%&! $%&(（) ）! ! 0数据焊丝=,+$:7, G *, G ,8* G (, 3* G 6, G ,*(, G ,*, G 4, G :,HH, G :,标准,:,(*#(G, G ,8, G ,:* G 88, G ,8, G ,2, G ,*, G ,*HH, G *4质保, G *, G ,8* G 8:, G ,*9,
7、 G ,*HH复验:2(:(,:,#:G, G ,+, G ,:* G 2+, G ,*4, G ,4, G ,49, G ,*9HH质保, G ,+I , G ,8* G 22, G ,*, G ,2HH复验焊剂?0*,*, G ,9, G ,4HH!9,!(,!:9H 9,!(9标准,4, G ,*:, G ,8HH9(,(4,:+ G 462，*:，*,质保, G ,4(, G ,+HH9,(,(4:8+，6,，96复验板厚 ! 批号材质!# ! $%&! ! $%&( （) ）侧弯 *+,-!./ ! 0数据来源1 *2 3 4(546,7!48,96, 3 2(,!:, ; 4& 完
8、好9, 时：!98标准4(,:44(8:546,74+,(6(:4 ; 4& 完好62，+2，2+质保书研究与应用第十一届北京埃森焊接与切割展览会专辑!#$%& ( )*+,&$-,./表 & (%)低温冲击试验结果 !*+（,）四、金相组织检验和热影响区力学试验结果焊后制取宏观断面进行金相组织分析、接头硬度试 验和热影响区冲击韧度试验，典型接头的断面照片见图!，金相组织照片见图 。接头硬度试验结果见表 #，热 影响区冲击韧度试验结果见表 $。五、结果分析$ - 焊接接头性能试验结果（!）熔合区及过热区组织 从图 ! 的接头断面照片 和图 的金相组织照片可以看出，采用粗丝埋弧焊共焊 接 $ 层
9、 - 道，热影响区较宽，熔合区和过热区晶粒粗 大，有明显的粗大魏氏体组织；而采用细丝埋弧焊焊接! 层 !$ 道，热影响区较窄，熔合区和过热区晶粒细小， 无明显的粗大魏氏组织。（）接头韧性和硬度 由表 # 各区硬度结果可以看 出，采用粗丝埋弧自动焊的试验中，熔合区及过热区硬 度较低，采用细丝埋弧自动焊的试件，熔合区及过热区 硬度较高。由表 $ 的热影响区 1 /&2 低温冲击试验结果可以看 出，采用粗丝埋弧自动焊的低温冲击试验结果平均值为/3，最小值仅为 $3，低于母材标准值（/,3）。采用细 丝埋弧自动焊的低温冲击试验结果平均值高达 !#3，远 远高于母材标准值（/,3），比设计要求有较大的储
10、备。 试验结果说明，采用细丝埋弧焊比采用粗丝埋弧焊的接头冲击韧度有成倍提高。. - 结果分析对于低合金高强度结构钢的焊接，热输入量应控制 在合理的范围内，如果焊接热输入量过大，会使焊接热 影响区的晶粒粗化，形成粗大的魏氏组织，对韧性不 利；如果焊接热输入量过小，将会在热影响区出现淬硬 组织。采用细丝埋弧焊适当减少了焊接热输入量（+ 为!, 4 -53 6 70），避免了过热区脆化。另外，每一道的焊缝 金属填充量相对减少，通过多层多道焊，利用后焊道对 前焊道的回火热处理作用，也有利于提高接头韧性。采用粗丝埋弧自动焊工艺，接头的韧性较低，主要 原因 是：焊 接 热 输 入 量 过 大（热 输 入
11、为 ) 4 ) . )* 4 53 6 70），过热区脆化。从表 ! 母材的化学成分可看出，()*&+ 钢板的化学成分中除了含有 89、:; 合金元素外， 还加入了 ? 为 & 4 /#A ），钢板（下转第 /$ 页）图 !接头断面照片 ! % !图 熔合区及过热区组织照片 !& 表 ! 接头硬度试验结果 #$%/&机械工人! 热加工.%& 年 第! 期材质试板编号母材热影响区熔合线()*&+#!,- . !,*!*/ . !*! . !)!$& . !$#!* . #&$ . !-材 质试板编号热影响区（线外 !00）()*&+#,，$，/)（/）!$/，)#，!#,（!#）研究与应用第十一
12、届北京埃森焊接与切割展览会专辑#$%&!( )!*#$*$的焊接工艺。随着时间的推移，现在国内许多施焊单位所用的焊 接工艺评定都是十几年前制作的，这客观上造成焊接工 艺的事实上的“标准化”，即不能考察施焊单位现有的 技术、工艺、装备及焊接等各项能力。标准的焊接工艺 规程具有一定的宽容度，施焊单位按此标准的焊接工艺 规程进行试验验证后焊接，必能正确无误。常用的焊接 工艺规程是可以形成规范在全国传播的，成熟钢种不必 每个施焊单位都去制定焊接工艺验证，而对特殊的焊接 工艺评定则应由各施焊单位自己进行。我国若采用全国 焊接学会制订标准的焊接工艺规程，供施焊单位试验验 证后采用的这一作法，必能在焊接工艺
13、评定的科学发展 上迈出坚实的一步。!#$ 第 % 卷是将焊接工艺评定和焊工评定合在一 个规范里面，欧盟关于焊工考试 $&() 也是标准而非规则，我国也可借鉴将焊接工艺评定与焊工考试合并在一个标准里，便于推动焊接工作的标准化进程。 综上所述，焊接工艺评定的本质是验证焊接工艺，采取全国焊接学会统一制定常用的标准焊接工艺规程， 并经过施焊单位的试验验证后采用的方法是可行的。! 结语（*）应将锅炉、压力容器、压力管道等特种设备的 焊接工艺评定应归并为一个标准。（）将特种设备的焊工考试规则升格为标准，并与 焊接工艺评定归并为一个标准。（+）建议由全国焊接学会统一制定常用的标准焊接 工艺规程，由施焊单位试
14、验验证后采用，可替代各施焊 单位自行制作焊接工艺评定。（,）由全国焊接学会制定常用的标准焊接工艺规程，并不断丰富、评审与改进。（-.-*(）!（上接第 ,- 页）的淬透性较高。这类钢板的接头韧性对焊接接头的冷却 时间 !( / 0 较为敏感，采用粗丝埋弧自动焊，热输入量 较高，!( / 0 时间较长，造成过热区晶粒粗化。母材被加热到高温，由于焊接条件下加热的瞬时性和局部性，使焊缝附近的母材在焊接时受到了一种特殊的热 循环作用，其特点：!升温速度高，冷却速度快。热场 分布极不均匀，离焊缝越近，母材加热到的峰值越高，紧靠焊缝的高温区内接近于熔点。本文主要分析的是处于*- 1 *,%-2之间的高温区
15、即熔合区与过热区。 熔合区与过热区组织主要与奥氏体晶粒大小和冷却速度有关。奥氏体晶粒越粗大，越容易生成魏氏组织。 魏氏组织中的铁素体是以切变机制形成的，它沿着奥氏 体的 *3 面切变长大。往往由晶界网状铁素体向奥氏体晶粒内部生长，在一个粗大的奥氏体晶粒内形成许多平行的铁素体片，在铁素体片之间的剩余奥氏体最后转 变成为珠光体。在较细的奥氏体晶粒（, 1 0 级）情况下， 具有魏氏组织并不会使冲击韧度下降，且冷脆转变温度 还会有所下降。奥氏体晶粒度为 1 + 级情况下，已经产 生不利影响而有所减弱；在奥氏体晶粒度为 - 1 * 级情况 下，魏氏组织的存在已经使冲击韧度大为下降，且冷脆 转变温度上升
16、。因此，魏氏组织的形成与过热区的过热 程度有很大关系，即与金属在高温停留的时间有关。对于同一种焊接方法来说，热输入量越大，高温停留时间越长，过热越严重，奥氏体晶粒长得越粗大，越容易得到粗大魏氏组织，得到的焊接接头的冲击韧度就 越差。从图 组织照片和表 . 低温冲击韧度结果可以看 出，采用粗丝埋弧自动焊的接头热影响区奥氏体晶粒长 大严重，产生了粗大的魏氏组织，冲击韧度明显下降； 而采用细焊丝焊接由于适当降低了热输入量，接头的熔 合区及过热区奥氏体晶粒较细，无粗大魏氏组织，也没 有形成淬硬组织，其硬度较采用粗焊丝的高，但低温冲 击韧度反而成倍提高。两种不同的试验结果正是基于上 述原因。六、结语（*）热输入量过大，易使奥氏体晶粒粗大，产生粗 大魏氏组织，热影响区冲击韧度降低；适当降低热输入 量，奥氏体晶粒较细，组织细小，热影响区冲击韧度有 很大提高。（）采用粗丝埋弧自动焊焊接 4+%-$ 钢对接焊缝， 由于热输入量大，在过热区产生了大量的粗大魏氏组织， 致使接头热影响区的低温冲击韧度不能满足技术要求。（+）采用细丝埋弧自动焊焊接 4+%-$ 钢对接焊缝， 由于适当降低了热输入量，熔合区及过热区组织细小， 接头热影响区的低温冲击韧度较粗丝埋弧自动焊有成倍 提高。（-.-+*(）,.机械工人 热加工#$% 年 第& 期标准联接
不同焊接热输入量对焊缝热影响区组织和性能的影响分析
