旋壓橢圓形封頭焊接接頭的組織與性能

　　旋壓橢圓形封頭焊接接頭在經(jīng)歷了一個從熔化到凝固的結(jié)晶過程之后，其組織和性能相對于原材料金屬已發(fā)生了一系列變化，這個變化又直接影響到壓力管道的使用性和 性。為了便于理解，在介紹焊接接頭的組織和性能之前，先介紹幾個基本定義。

　　a、旋壓橢圓形封頭母材：被焊接的管子、管件等原構(gòu)件稱為母材;

　　b、旋壓橢圓形封頭焊接材料：焊絲、裸焊條等填充金屬與焊劑和焊條藥皮統(tǒng)稱為焊接材料;

　　c、熔池：焊接時，被加熱熔化的母材和焊接材料處于一個池形固態(tài)金屬中，這一由固態(tài)金屬所形成的包圍液態(tài)金屬的池子稱為熔池;

　　d、熔合線：熔池與母材的邊界線稱為熔合線。它實質(zhì)上也是焊接接頭的液態(tài)金屬與未被熔化的母材金屬的交界線。

　　e、焊縫：熔池內(nèi)的液態(tài)金屬凝固后所形成的區(qū)域稱為焊縫。顯而易見，焊縫是被熔合線所包絡(luò)的一個區(qū)域;

　　f、熱影響區(qū)：熔合線外側(cè)的母材金屬，由于受到加熱的影響，在靠近熔合線的一段區(qū)域內(nèi)，將經(jīng)歷一次不同程度的熱處理，從而使其組織和性能也發(fā)生了不同于母材的變化。這樣的區(qū)域稱為熱影響區(qū);

　　g、旋壓橢圓形封頭焊接接頭：焊縫和其熱影響區(qū)總稱為焊接接頭。

　　由上述的各名詞定義中不難看出，焊接接頭相對于母材來說，其組織和性能的變化可以分為兩部分討論：其一是發(fā)生在焊縫區(qū)域內(nèi)的熔化結(jié)晶變化;其二是發(fā)生在焊縫熱影響區(qū)內(nèi)的熱處理變化。

　　1、旋壓橢圓形封頭焊縫金屬的組織和性能

　　焊縫金屬在經(jīng)歷了一次熔化結(jié)晶過程之后，其組織和性能已完全不同于母材，此時的組織為鑄造組織，即為粗大的柱狀組織，鑄造組織中存在的缺陷它也可能存在(在下面的焊接缺陷部分中將詳細(xì)介紹)。但有別于鑄造組織的地方是，它可以通過焊接材料加入較母材金屬 多的合金元素，因此焊接接頭的機械性能要比鑄造材料高，有時焊縫金屬的機械性能能達(dá)到甚至超過母材金屬。通過改變焊接工藝，可以改變焊縫金屬的組織。例如，減少焊接電流，即減少加熱熱量和熔池體積，使旋壓橢圓形封頭焊縫金屬結(jié)晶速度加快，獲得的焊縫組織 比較細(xì)。工程上對厚壁管子、管件的焊接，常采用小電流多層焊的方法， 是基于這樣的道理;增大焊接速度，也能使結(jié)晶速度加快，獲得的組織也比較細(xì);在焊接材料中，有意識地加入一些熔點較高的合金元素，可增加結(jié)晶時的晶核數(shù)量，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的;焊接前的預(yù)熱會降低結(jié)晶速度，對改善組織是不利的，但它有助于防止某些合金焊接時的開裂問題。該問題將在下面講到。

　　2、焊縫熱影響區(qū)金屬的組織和性能

　　焊縫熱影響區(qū)的金屬由于經(jīng)歷了一次熱處理過程，故其組織和性能也將發(fā)生一系列變化。不難理解，由焊縫到母材的遠(yuǎn)處，溫度是呈梯度分布的。焊縫金屬溫度 ，從焊縫到母材遠(yuǎn)處，溫度逐漸降低。旋壓橢圓形封頭焊縫熱影響區(qū)內(nèi)，由于距焊縫的距離不同，發(fā)生的熱處理并由此造成的金屬組織是不一樣的。根據(jù)所發(fā)生的熱處理和金屬的組織不同，可將熱影響區(qū)劃分為半熔化區(qū)、過熱區(qū)、正火區(qū)、部分相變區(qū)、再結(jié)晶區(qū)和藍(lán)脆區(qū)等六個部分。見圖10-4所示。

　　a、半熔化區(qū)：

　　它位于焊縫金屬與母材的交界處。在焊接過程中，該區(qū)域的金屬被加熱到半熔化狀態(tài)，金屬組織為鑄造組織和粗晶組織共存，組織的化學(xué)成分和機械性能有較大的不均勻性。因此，該區(qū)域金屬的機械性能較差，常常是旋壓橢圓形封頭產(chǎn)生裂紋和局部脆性的多發(fā)區(qū)。該區(qū)域較窄(約為0.1mm~1mm)，有時很難分出，但它對焊接接頭性能的影響卻是比較大的。

　　b、過熱區(qū)：

　　該區(qū)域的金屬處在AC3以上100℃~200℃至固相線的溫度區(qū)間內(nèi)。即金屬處于過熱狀態(tài)，得到的組織相對于母材來說比較粗大，常出現(xiàn)過熱組織。該區(qū)域金屬的性能 點是沖擊韌性 降低，一般可降低25%~30%。它也是焊接接頭開裂的多發(fā)區(qū)。影響旋壓橢圓形封頭過熱區(qū)組織和性能的因素有焊 圖10-4 焊縫熱影響區(qū)接電流、高溫停留時間等。焊接電流過大，過熱現(xiàn)象越嚴(yán)重;氣焊加熱溫度雖然較低，但其加熱時間較長，故它比電弧焊 容易使焊接接頭的過熱區(qū)惡化。

　　c、正火區(qū)

　　該區(qū)域的金屬處于AC3以上100℃~200℃溫度區(qū)間內(nèi)，而且冷卻過程中一般為自然冷卻，故具有旋壓橢圓形封頭正火熱處理的過程 征和條件，得到的組織也為細(xì)晶粒的正火組織，其機械性能一般優(yōu)于母材性能。當(dāng)然，如果母材原來 為正火組織，此時該區(qū)域的組織和性能則基本上不發(fā)生變化，或者由于再次被加熱而稍有一點負(fù)面影響。

　　d、部分相變區(qū)

　　該區(qū)域的金屬處于AC1至AC3溫度之間。溫度接近于AC3的部分，其珠光體和鐵素體能全部發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，冷卻時可得到晶粒較細(xì)的鐵素體和珠光體組織。溫度稍高于AC1的部分，一般只能發(fā)生珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，而由于溫度較低，鐵素體沒能發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，或者沒能完全轉(zhuǎn)變。沒能轉(zhuǎn)變的鐵素體會長大。因此，部分相變區(qū)的組織是一個不均勻的組織，其機械性能較差。同樣道理，如果旋壓橢圓形封頭母材本身 是正火組織，則此時只有晶粒長大的機會，故機械性能也會變差。

　　e、再結(jié)晶區(qū)

　　該區(qū)域的金屬被加熱到450℃至AC1溫度區(qū)間，處于再結(jié)晶的溫度范圍。當(dāng)母材有加工變形時，會發(fā)生金屬的再結(jié)晶。當(dāng)母材為正火組織(即不存在加工變形等問題時)時，不會發(fā)生再結(jié)晶，并且也沒有奧氏體的轉(zhuǎn)變，一般也不會發(fā)生晶粒長大現(xiàn)象(因為溫度較低，時間又短)，故此時該區(qū)域的組織沒有變化，旋壓橢圓形封頭金屬性能也沒有改變。

　　f、蘭脆區(qū)

　　該區(qū)域的金屬被加熱到200℃~500℃溫度區(qū)間，此時原母材中的少量殘余奧氏體可能發(fā)生轉(zhuǎn)變而出現(xiàn)馬氏體，且有少量的滲碳體從鐵素體中析出，并以細(xì)小的微粒存在于鐵素體中，使旋壓橢圓形封頭材料的強度和硬度略有升高，而塑性和韌性下降，有時甚至在焊接應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋。蘭脆區(qū)的顯微組織基本上同母材組織。

　　由此可見，上述的六個區(qū)都會對母材的組織和(或)性能帶來一些變化，而且大多數(shù)帶來的都是不利影響，因此在焊接過程中，應(yīng)盡量減少旋壓橢圓形封頭熱影響區(qū)的寬度，并通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗秃附右?guī)范來消除其不利影響。

　　熱影響區(qū)的寬度一般是比較窄的，而且一般情況下，顯微鏡下只能看到過熱區(qū)、正火區(qū)、部分相變區(qū)三個區(qū)域。以低碳鋼為例，旋壓橢圓形封頭在不同焊接方法中各區(qū)域的寬度見表10-2所示。