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[摘要]：随着社会的不断进步和发展，焊接技术在现代化社会建设过程中的应用越来越广泛，焊接接头的组织分析也随之显得越来越关键，本文以熔焊为例，就如何正确识别焊接接头的各种金相组织做了简要介绍。
[关键词]：焊接接头 金相组织 熔焊
熔焊是各个工业部门中应用最广也是最主要的焊接工艺。熔焊形成的焊接接头金相组织也较其它焊接工艺复杂。掌握熔焊接头组织及其形成过程将有助于了解其它焊接工艺形成接头的金相组织。现以熔焊为例，对焊接接头即焊缝金属、熔合区与热影响区的形成过程及其组织作一概略的论述[1]。
1.焊缝金属
熔焊形成的焊接熔池的凝固过程是通过晶体成核与长大的机制进行[2]。熔池边界的母材晶粒表面成为新相晶核生长的基底。焊缝金属柱状晶与母材晶粒相联接。这种与母材晶粒共同形成的结晶称为联生结晶。柱状晶相当于熔池边界的母材晶粒的外延生长，因此与联生结晶相联的母材的晶粒尺寸，也就是焊缝柱状晶的尺寸。在焊接热循环下，对过热敏感的母材必然产生粗大的焊缝柱状晶。选择合适的焊接热循环是防止母材晶粒过热粗化，获得较细的焊缝柱状晶的关键。
晶核的成长是通过二维成核的方式长大。形成二维成核的几率与组分过冷度、熔池边界母材的晶粒取向有关。二维成核只有在原子排列最密的晶面上最易形成。在焊缝边界作为晶核的母材晶粒是各向异性的。结晶柱轴背向最大散热方向的晶粒最利于成核生长。
平面晶为平滑界面，只生成在极纯的液态金属或温度梯度大于平衡凝固温度曲线，不形成组分过冷情况下的液态合金。胞状晶是在较大温度梯度，较小组分过冷度以及界面成长速度相当慢的情况下生成的。它由相互平行的棒状体组成，横截面似六角蜂窝，主轴与成长方向一致。
当界面液相有较大过冷度时，胞状成长过渡到“台阶”方式成长，造成表面凸起择优生长，形成枝晶。它的形成是由于凝固界面溶质偏析引起的。枝晶的间距决定于溶质浓度分配系数K0与凝固速度。换言之，溶质的偏析系数的绝对值|l-K0|越大，凝固速度越大，则枝晶间距越小。当每个枝晶与邻近生长的枝晶接触时即停止生长。枝晶的接触面便成为两个晶体的晶界。晶粒就是每个晶核形成的晶体。晶界是由一个取向的晶粒过渡到另一个取向的晶粒的分界面。枝晶成长方向同熔池形状与焊速有关。一般焊接速度下，枝晶朝向焊缝中心并偏向焊接方向成长，形成“偏向晶”。高速焊接如高压真空电子束焊接生成的焊缝枝晶从焊缝边界成对地、几乎不变方向地生长，形成“定向晶”。
凝固结晶成长的形态与组分过冷有密切关系。随着温度梯度的降低，凝固速度的增大，组分过冷度变大，焊缝结晶形态依次发展为平面晶、胞状晶、胞状枝晶、枝晶与等轴枝晶等组织形态。
焊接工艺参数直接影响熔池温度的梯度、冷却速度、形状与尺寸以及熔池的冶金过程。因此，最终影响焊缝金属凝固组织的形态。当热输入小时，熔池边缘区温度梯度大。而结晶速度比中心区低，组分过冷度小，这样使焊缝金属倾向胞状晶或胞状枝晶长大。当热输入大时，如电渣焊，熔池边缘区温度梯度小，组分过冷度大，导致该区焊缝金属多数按枝晶长大，形成短粗的柱状晶。焊接工艺通过接头形式、焊接参数、填充金属的选择等可以改变熔池温度梯度、冷却速度与形状尺寸，从而达到控制焊缝晶体成长方向、晶体形状与成分的不均匀性。
2.熔合区
熔化焊接头用通常浸蚀方法一般只能显示焊缝熔合线与热影响区。这样显示的熔合线，实际上不是真实熔合线。萨维奇（W.F.Savage）等把熔焊的焊缝划分为混合熔化区、未混合熔化区与半熔化区[3]。未混合熔化区为焊缝边缘的母材经历了熔化、凝固过程但未被混合的焊缝区，其成分与母材相同。焊缝金属与母材成分相差越大，未混合区也就越易于显示。近缝区母材晶粒因导热不同与溶质分布的不均匀，导致边界各点具有不同的有效熔化温度。这些近缝区边界部位在焊接峰值温度下，处在有效液相线与固相线之间，造成局部熔化与局部不熔化的半熔化区。熔化区是母材到焊缝的过渡区。它包括未混合熔化区与半熔化区。根据以上划分，真实熔合线在未混合熔化区与半熔化区之间，是实际焊接热影响区与焊缝的边界线。
W.F.Savage对熔合区的划分方案并不完全适用于异种钢焊接情况。母材碳含量较低时，熔合区由具有类马氏体组织的不完全混合区和呈锯齿状的部分熔化区组成。碳含量较高时，熔合区仅为呈锯齿状的部分熔化区[4]。
熔合区无论在化学成分上或组织上都有明显的不均匀性，为接头最薄弱的环节，往往是产生脆断与焊接裂纹的根源。
3.焊接热影响区
虽然热影响区相变与一般热处理相变基本原理相同，但前者相变机理要比后者复杂。焊接相变不仅在连续加热、冷却速度不断变化下进行，而且在热应力、拘束应力与相变应力等不均匀应力场中进行。因此是一个不平衡的相变过程。特别是近缝区相变，由于过热并在很短时间内进行，使相变的不平衡性更为突出。近缝区各部位由于在不同时间内经历了不同峰值温度，导致相变的不均匀性与相变应力。另外，近缝区晶界偏析与液化也影响着相变的进行。
母材热影响区各部位的组织与性能决定于母材的成分、状态以及该处所经历的焊接热循环、应力、应变。材料有没有重结晶对焊接热循环反应
3.1 具有重结晶材料的焊接热影响区
具有重结晶的纯金属或单相合金在熔焊情况下，焊接热影响区可分为粗晶区、细晶区与再结晶区。粗晶区或过热区位于晶粒迅速粗化温度以上的区域。正常相变区或细晶区位于晶粒迅速长大温度与金属重结晶温度之间的区域。再结晶区位于重结晶温度与再结晶温度之间的区域。如图2-1，低合金高强钢接头的金相组织。
具有重结晶多相合金的焊接热影响区组织远比单相合金复杂。如合金结构钢在熔焊条件下，焊接热影响区按经历焊接热循环不同可分为五个区域：
（1） 半熔化区在有效固相线与有效液相线之间；
（2） 粗晶区在固相线与奥氏体晶粒迅速长大温度之间；
（3）完全重结晶区或细晶区在奥氏体晶粒迅速长大温度与铁素体、珠光体全部转化为奥氏体温度（Ac3）之间；
（4）不完全重结晶区在Ac3与开始由铁素体、珠光体转变为奥氏体相变温度Ac1之间；
（5）回火区取决于焊前热处理状态。调质钢在Acl与焊前该钢回火温度之间形成软化区。
3.2 不发生重结晶材料的焊接热影响区
不发生重结晶的纯金属或单相合金在退火状态下，焊接时只有晶粒粗化区。冷加工的纯金属或单相合金焊接时有再结晶软化区。
不发生重结晶的多相合金的焊接热影响区基本可分为固溶区与相析出区，后者在时效强化铝合金中为过时效区或软化区。在18-8铬镍奥氏体不锈钢中则为敏化区。
参考文献：
[1] 中国机械工程学会焊接学会. 焊接金相图谱. 斯重遥等. 北京：机械工业出版社，1987：1～7，74～75，239
[2] J.C.Borland. B.W.J， 1960；Vol.7， No.8
[3] W.F.Savage等. W.J.，1976；Vol.55， No.9
[4] 张志慧、潘春旭. 母材碳含量对异种钢焊接熔合区形态的影响. 材料科学与工艺，1995年；第3卷第3期：92～95
[关键词]：焊接接头 金相组织 熔焊
熔焊是各个工业部门中应用最广也是最主要的焊接工艺。熔焊形成的焊接接头金相组织也较其它焊接工艺复杂。掌握熔焊接头组织及其形成过程将有助于了解其它焊接工艺形成接头的金相组织。现以熔焊为例，对焊接接头即焊缝金属、熔合区与热影响区的形成过程及其组织作一概略的论述[1]。
1.焊缝金属
熔焊形成的焊接熔池的凝固过程是通过晶体成核与长大的机制进行[2]。熔池边界的母材晶粒表面成为新相晶核生长的基底。焊缝金属柱状晶与母材晶粒相联接。这种与母材晶粒共同形成的结晶称为联生结晶。柱状晶相当于熔池边界的母材晶粒的外延生长，因此与联生结晶相联的母材的晶粒尺寸，也就是焊缝柱状晶的尺寸。在焊接热循环下，对过热敏感的母材必然产生粗大的焊缝柱状晶。选择合适的焊接热循环是防止母材晶粒过热粗化，获得较细的焊缝柱状晶的关键。
晶核的成长是通过二维成核的方式长大。形成二维成核的几率与组分过冷度、熔池边界母材的晶粒取向有关。二维成核只有在原子排列最密的晶面上最易形成。在焊缝边界作为晶核的母材晶粒是各向异性的。结晶柱轴背向最大散热方向的晶粒最利于成核生长。
平面晶为平滑界面，只生成在极纯的液态金属或温度梯度大于平衡凝固温度曲线，不形成组分过冷情况下的液态合金。胞状晶是在较大温度梯度，较小组分过冷度以及界面成长速度相当慢的情况下生成的。它由相互平行的棒状体组成，横截面似六角蜂窝，主轴与成长方向一致。
当界面液相有较大过冷度时，胞状成长过渡到“台阶”方式成长，造成表面凸起择优生长，形成枝晶。它的形成是由于凝固界面溶质偏析引起的。枝晶的间距决定于溶质浓度分配系数K0与凝固速度。换言之，溶质的偏析系数的绝对值|l-K0|越大，凝固速度越大，则枝晶间距越小。当每个枝晶与邻近生长的枝晶接触时即停止生长。枝晶的接触面便成为两个晶体的晶界。晶粒就是每个晶核形成的晶体。晶界是由一个取向的晶粒过渡到另一个取向的晶粒的分界面。枝晶成长方向同熔池形状与焊速有关。一般焊接速度下，枝晶朝向焊缝中心并偏向焊接方向成长，形成“偏向晶”。高速焊接如高压真空电子束焊接生成的焊缝枝晶从焊缝边界成对地、几乎不变方向地生长，形成“定向晶”。
凝固结晶成长的形态与组分过冷有密切关系。随着温度梯度的降低，凝固速度的增大，组分过冷度变大，焊缝结晶形态依次发展为平面晶、胞状晶、胞状枝晶、枝晶与等轴枝晶等组织形态。
焊接工艺参数直接影响熔池温度的梯度、冷却速度、形状与尺寸以及熔池的冶金过程。因此，最终影响焊缝金属凝固组织的形态。当热输入小时，熔池边缘区温度梯度大。而结晶速度比中心区低，组分过冷度小，这样使焊缝金属倾向胞状晶或胞状枝晶长大。当热输入大时，如电渣焊，熔池边缘区温度梯度小，组分过冷度大，导致该区焊缝金属多数按枝晶长大，形成短粗的柱状晶。焊接工艺通过接头形式、焊接参数、填充金属的选择等可以改变熔池温度梯度、冷却速度与形状尺寸，从而达到控制焊缝晶体成长方向、晶体形状与成分的不均匀性。
2.熔合区
熔化焊接头用通常浸蚀方法一般只能显示焊缝熔合线与热影响区。这样显示的熔合线，实际上不是真实熔合线。萨维奇（W.F.Savage）等把熔焊的焊缝划分为混合熔化区、未混合熔化区与半熔化区[3]。未混合熔化区为焊缝边缘的母材经历了熔化、凝固过程但未被混合的焊缝区，其成分与母材相同。焊缝金属与母材成分相差越大，未混合区也就越易于显示。近缝区母材晶粒因导热不同与溶质分布的不均匀，导致边界各点具有不同的有效熔化温度。这些近缝区边界部位在焊接峰值温度下，处在有效液相线与固相线之间，造成局部熔化与局部不熔化的半熔化区。熔化区是母材到焊缝的过渡区。它包括未混合熔化区与半熔化区。根据以上划分，真实熔合线在未混合熔化区与半熔化区之间，是实际焊接热影响区与焊缝的边界线。
W.F.Savage对熔合区的划分方案并不完全适用于异种钢焊接情况。母材碳含量较低时，熔合区由具有类马氏体组织的不完全混合区和呈锯齿状的部分熔化区组成。碳含量较高时，熔合区仅为呈锯齿状的部分熔化区[4]。
熔合区无论在化学成分上或组织上都有明显的不均匀性，为接头最薄弱的环节，往往是产生脆断与焊接裂纹的根源。
3.焊接热影响区
虽然热影响区相变与一般热处理相变基本原理相同，但前者相变机理要比后者复杂。焊接相变不仅在连续加热、冷却速度不断变化下进行，而且在热应力、拘束应力与相变应力等不均匀应力场中进行。因此是一个不平衡的相变过程。特别是近缝区相变，由于过热并在很短时间内进行，使相变的不平衡性更为突出。近缝区各部位由于在不同时间内经历了不同峰值温度，导致相变的不均匀性与相变应力。另外，近缝区晶界偏析与液化也影响着相变的进行。
母材热影响区各部位的组织与性能决定于母材的成分、状态以及该处所经历的焊接热循环、应力、应变。材料有没有重结晶对焊接热循环反应
3.1 具有重结晶材料的焊接热影响区
具有重结晶的纯金属或单相合金在熔焊情况下，焊接热影响区可分为粗晶区、细晶区与再结晶区。粗晶区或过热区位于晶粒迅速粗化温度以上的区域。正常相变区或细晶区位于晶粒迅速长大温度与金属重结晶温度之间的区域。再结晶区位于重结晶温度与再结晶温度之间的区域。如图2-1，低合金高强钢接头的金相组织。
具有重结晶多相合金的焊接热影响区组织远比单相合金复杂。如合金结构钢在熔焊条件下，焊接热影响区按经历焊接热循环不同可分为五个区域：
（1） 半熔化区在有效固相线与有效液相线之间；
（2） 粗晶区在固相线与奥氏体晶粒迅速长大温度之间；
（3）完全重结晶区或细晶区在奥氏体晶粒迅速长大温度与铁素体、珠光体全部转化为奥氏体温度（Ac3）之间；
（4）不完全重结晶区在Ac3与开始由铁素体、珠光体转变为奥氏体相变温度Ac1之间；
（5）回火区取决于焊前热处理状态。调质钢在Acl与焊前该钢回火温度之间形成软化区。
3.2 不发生重结晶材料的焊接热影响区
不发生重结晶的纯金属或单相合金在退火状态下，焊接时只有晶粒粗化区。冷加工的纯金属或单相合金焊接时有再结晶软化区。
不发生重结晶的多相合金的焊接热影响区基本可分为固溶区与相析出区，后者在时效强化铝合金中为过时效区或软化区。在18-8铬镍奥氏体不锈钢中则为敏化区。
参考文献：
[1] 中国机械工程学会焊接学会. 焊接金相图谱. 斯重遥等. 北京：机械工业出版社，1987：1～7，74～75，239
[2] J.C.Borland. B.W.J， 1960；Vol.7， No.8
[3] W.F.Savage等. W.J.，1976；Vol.55， No.9
[4] 张志慧、潘春旭. 母材碳含量对异种钢焊接熔合区形态的影响. 材料科学与工艺，1995年；第3卷第3期：92～95