焊接熱影響區

熔焊時在高温熱源的作用下，靠近焊縫兩側的一定範圍內發生組織和性能變化的區域稱為“熱影響區”（Heat Affect Zone），或稱“近縫區”（Near Weld Zone）。焊接接頭主要是由焊縫和熱影區兩大部分組成，其間存在一個過渡區，稱為熔合區。因此要保證焊接接頭的質量，就必須使焊縫和熱影響區的組織與性能同時都達到要求。隨着各種高強鋼、不鏽鋼、耐熱鋼以及一些特種材料（如鋁合金、鈦合金、鎳合金、複合材料和陶瓷等）在生產中不斷使用，焊接熱影響區存在的問題顯得更加複雜，已成為焊接接頭的薄弱地帶。因此，許多國家研究工作者對焊接熱影響區很大的重視。 ^[1] 

根據鋼的熱處理特性，把焊接用鋼分為兩類，一類是淬火傾向很小的鋼種，如低碳鋼和某些低合金鋼，稱為不易淬火鋼；另一類是淬硬傾向較大的鋼種，如中碳鋼，低、中碳調質合金鋼等，稱為易淬火鋼。由於淬火傾向不同，這兩類鋼的焊接熱影響區組織也不同。

不易淬火鋼的組織分佈

特點：焊接空冷條件下不易形成馬氏體。如低碳鋼，16Mn，15MnV和15MnTi等。

按加熱温度和組織特徵可劃分為過熱區、正火區、部分正火區和再結晶區四個區域。如圖1所示。

温度在固相線至1100℃之間，寬度約1～3mm。焊接時，該區域內奧氏體晶粒嚴重長大，冷卻後得到晶粒粗大的過熱組織，塑性和韌度明顯下降。

温度在1100℃～Ac3之間，寬度約1.2～4.0mm。焊後空冷使該區內的金屬相當於進行了正火處理，故其組織為均勻而細小的鐵素體和珠光體，力學性能優於母材。

加熱温度在Ac3～Ac1之間。焊接時，只有部分組織轉變為奧氏體；冷卻後獲得細小的鐵素體和珠光體，其餘部分仍為原始組織，因此晶粒大小不均勻，力學性能也較差。

如果母材焊前經過冷加工變形，温度在Ac1～450℃之間，還有再結晶區 。該區域金屬的力學性能變化不大，只是塑性有所增加。如果焊前未經冷塑性變形，則熱影響區中就沒有再結晶區。

易淬火鋼的組織分佈

特點：空冷下容易淬火形成馬氏體。如18MnMoNb、30CrMnSi等。

焊接時熱影響區處於AC3以上的區域，由於這類鋼的淬硬傾向較大，故焊後得到淬火組織（馬氏體）。在靠近焊縫附近（相當於低碳鋼的過熱區），由於晶粒嚴重長大，故得到粗大的馬氏體，而相當於正火區的部位得到細小的馬氏體。根據冷卻速度和線能量的不同，還可能出現貝氏體，從而形成了與馬氏體共存的混合組織。這個區在組織特徵上都是屬同一類型（馬氏體），只是粗細不同，因此統稱為完全淬火區。

母材被加熱到AC1～ AC3温度之間的熱影響區，在快速加熱條件下，鐵素體很少溶入奧氏體，而珠光體、貝氏體、索氏體等轉變為奧氏體。在隨後快冷時，奧氏體轉變為馬氏體。原鐵素體保持不變，並有不同程度的長大，最後形成馬氏體-鐵素體的組織，故稱不完全淬火區。如含碳量和合金元素含量不高或冷卻速度較小時，也可能出現索氏體和珠光體。

如果母材在焊前是調質狀態，那麼焊接熱影區的組織，除在上述的完全淬火和不完全淬火區之外，還可能發生不同程度的回火處理，稱為回火區（低於AC1 以下的區域）。

在焊接快速加熱和連續冷卻的條件下，相轉變屬於非平衡轉變，焊接熱影響區常見的組織有鐵素體、珠光體、魏氏組織、上貝氏體、下貝氏體、粒狀貝氏體、低碳馬氏體、高碳馬氏體及 M-A 組元等。

在一定條件下，熱影響區出現哪幾種組織主要與母材的化學成分和焊接工藝條件有關，母材的化學成分是決定熱影響區組織的主要因素。 ^[2] 

焊接熱影響區的組織分佈是不均勻的，因而在性能上也不均勻。焊接熱影響區與焊縫不同，焊縫可以通過化學成分的調整再配合適當的焊接工藝來保證性能的要求。而熱影響區性能不可能進行成分上的調整，它是在焊接熱循環作用下才產生的不均勻性問題。對於一般焊接結構來講，主要考慮熱影響區的硬化、脆化、韌化、軟化，以及綜合的力學性能、耐蝕性能和疲勞性能等，這要根據焊接結構的具體使用要求來決定。

焊接熱影響區的硬度主要取決於被焊鋼種的化學成分和冷卻條件，其實質是反映不同金相組織的性能。由於硬度試驗比較方便，因此，常用熱影響區的最高硬度H_MAX來判斷熱影響區的性能，它可以間接預測熱影響區的韌性、脆性和抗裂性等。工程中已把熱影響區的H_MAX作為評定焊接性的重要指標。應當指出，即使同一組織也有不同的硬度，這與鋼的含碳量以及合金成分有關。例如高碳馬氏體的硬度可達600HV，而低碳馬氏體只有350～390HV。

焊接熱影響區的脆化常常是引起焊接接頭開裂和脆性破壞的主要原因。脆性和韌性是衡量材料在衝擊載荷作用下抵抗斷裂的能力，是材料強度和塑性的綜合體現。材料的脆性越高，意味着材料的韌性越低，抵抗衝擊載荷的能力越差。由於熱影響區上微觀組織分佈是不均勻的，甚至在某些部位出現其強度遠低於母材的情況，亦即發生了嚴重的脆化，因而使焊接熱影響區成為整個接頭的一個薄弱部位。因此，研究焊接熱影響區的脆化問題，瞭解和認識脆化現象主要涉及粗晶脆化、組織脆化以及熱應變時效脆化等脆化機制，從而提高其韌性以改善整個接頭的力學性能。

焊接熱影響區特別是熔合區和粗晶區是整個焊接接頭的薄弱地帶，因此，應採取措施提高焊接熱影響區的韌性。但焊接熱影響區的韌性不可能像焊縫那樣利用添加微量合金元素的方法加以調整和改善，它是材質本身所固有的，故只能通過提高材質本身的韌性和某些工藝措施在一定範圍內加以改善。根據研究，焊接熱影響區的韌化可採用以下兩方面的措施。

（1）控制組織。對低合金鋼，應控制含碳量，使合金元素的體系為低碳微量多種合金元素的強化體系。這樣，在焊接的冷卻條件下，使焊接熱影響區分佈彌散強化質點，在組織上能獲得低碳馬氏體、下貝氏體和針狀鐵素體等韌性較好的組織。另外，應儘量控制晶界偏析。

（2）韌化處理。提高焊接熱影響區韌性的工藝途徑有很多，對於一些重要的結構，常採用焊後熱處理來改善接頭的性能。但是對一些大型而複雜的結構，即使採用局部熱處理也是困難的。

合理制定焊接工藝，正確選擇焊接線能量和預熱、後熱温度是提高焊接熱影響區韌性的有效措施。

此外，還有許多能提高焊接熱影響區韌性的途徑，如近年來發展起來的細晶粒鋼（利用微量元素彌散強化、固熔強化、控制析出相的尺寸及形態等），採用控軋工藝，進一步細化鐵素體的晶粒，也會提高材質的韌性。

冷作強化或熱處理強化的金屬或合金，在焊接熱影響區一般均會產生不同程度的失強現象，最典型的是經過調質處理的高強鋼和具有沉澱強化及彌散強化的合金，焊後在熱影響區產生的軟化或失強。冷作強化金屬或合金的軟化，則是由再結晶引起的。熱影響區軟化或失強對焊接接頭力學性能的影響相對較小，但卻不易控制。

（1）調質鋼焊接時焊接熱影響區的軟化。焊接調質鋼時，焊接熱影響區的軟化程度與母材焊前的熱處理狀態有關。母材焊前調質處理的回火温度越低（即強化程度越大），則焊後的軟化程度越嚴重。應指出，在焊接接頭中，軟化區只是很窄的一層，並處在強體之間（即硬夾軟），它的塑性變形受到相鄰強體的拘束，受力時將會產生應變強化的效應。

（2）熱處理強化合金焊接熱影響區的軟化。強化合金（如鎳合金、鋁合金和鈦合金等）在焊接熱影響區會出現強度下降的現象，即“過時效軟化”。