【正文】 偏析會(huì)使焊縫性能不均或誘發(fā)裂紋。（4）焊縫中的雜質(zhì)元素硫和磷硫主要以FeS和MnS形式存在于焊縫中，硫會(huì)以熔點(diǎn)為985℃的的Fe+FeS和熔點(diǎn)為940℃的FeO+FeS低熔點(diǎn)共晶物，呈片狀或鏈狀析集于晶界，從而促生熱裂紋，并使韌性下降；還可與Ni形成Ni+Ni3S2共晶物，其熔點(diǎn)僅645℃，危害更大。焊縫中的P主要以Fe2P和Fe3P形式存在，且可以生成熔點(diǎn)為1050℃的Fe+Fe3P和熔點(diǎn)為880℃的Ni+Ni3P低熔點(diǎn)共晶物。故P也是熱裂紋的促生元素，而且還使韌性特別是低溫韌性下降。P主要來自焊接材料和母材。焊縫中的S主要來自焊接材料。為此，對(duì)焊接材料中的硫均有嚴(yán)格限制。堿性焊條的脫硫效果由于酸性焊條。（5）焊縫金屬的力學(xué)性能焊縫金屬是由焊接材料與部分母材經(jīng)過熔化冷凝形成的鑄造組織，它是由母材開始垂直于等溫線方向（最大溫度梯度的方向）結(jié)晶長(zhǎng)大的。單層焊的組織是典型的柱狀組織。在多層焊時(shí)，對(duì)前一道焊縫要重新加熱，其加熱超過900℃的部分，消除了柱狀組織，并使晶粒細(xì)化，故焊縫金屬的力學(xué)性能較單層好。 熔合區(qū)的構(gòu)成與特點(diǎn)（1）熔合區(qū)的構(gòu)成熔合區(qū)即焊接接頭中焊縫向母材熱影響區(qū)過渡的區(qū)域，由熔合線兩側(cè)的半熔化區(qū)（不完全混合區(qū)）和未混合區(qū)（部分熔合區(qū)）兩部分所組成，如圖21所示。 半熔合區(qū)是緊鄰熱影響區(qū)側(cè)固液共存的部位。它的產(chǎn)生，一是由于電弧吹力和熔滴過渡可能造成的坡口熔化不均勻；二是由于母材晶粒的取向不同所造成的熔化不均勻；再有就是母材各點(diǎn)熔質(zhì)分布不均勻而形成的理論熔點(diǎn)和實(shí)際熔點(diǎn)差異造成?？梢娙刍^程的復(fù)雜性是導(dǎo)致出現(xiàn)半熔化區(qū)的主要原因。未混合區(qū)（不完全混合區(qū)）是焊縫中緊鄰焊縫邊界的部位。它主要由焊接時(shí)熔化在凝固的母材所組成，而未與熔化填充金屬完全相混合，因此實(shí)際就是負(fù)極母材成分的焊縫區(qū)。它的形成是由于熔池邊緣的溫度較低，使對(duì)流與擴(kuò)散過程進(jìn)行困難，從而導(dǎo)致母材與填充金屬不能很好的混合。母材與填充金屬成分差異越大，未混合區(qū)越明顯。如果填充金屬成分與母材成分完全相同，未混合區(qū)會(huì)消失。（2）熔合區(qū)的特點(diǎn)溫度處于固相線和液相線之間。這個(gè)區(qū)域的金屬處于局部熔化狀態(tài)，因此，盡力十分粗大，化學(xué)成分和組織都極不均勻。此區(qū)靠近母材一側(cè)的金屬組織屬于過熱組織，塑性很差。對(duì)于低碳鋼，固相線和液相線之間的溫度區(qū)間很小，在各種熔化焊條件下，這段區(qū)域很窄，金相觀察實(shí)際上很難區(qū)分出來，但對(duì)焊接接頭的強(qiáng)度、塑性卻有很大影響。由于化學(xué)成分和物理化學(xué)性能不同，故該區(qū)焊接殘余應(yīng)力也大。熔合區(qū)有兩高一低的特點(diǎn)，即殘余應(yīng)力和硬度高，而韌性低。在熔合線附近部位往往具有焊接接頭最低的韌性和最高的硬度。因此，熔合區(qū)還常常是脆性斷裂和焊接裂紋的發(fā)源地，是焊接接頭的最薄弱區(qū)。在焊接過程中會(huì)，由于受到焊接熱循環(huán)的作用而發(fā)生組織和性能變化的木材部分，稱為焊接熱影響區(qū)（簡(jiǎn)稱HAZ）。實(shí)際上，熱影響區(qū)各部位是在焊接過程中經(jīng)受一次特殊的熱處理過程。該過程所引起的組織與性能不均勻變化，會(huì)給焊接接頭造成組多不良影響，如產(chǎn)生硬化、軟化或脆化等。由于焊接熱影響區(qū)各點(diǎn)被加熱的溫度不同，它們的組織和性能也不同。熱影響區(qū)某點(diǎn)被加熱的最高溫度以及在高溫停留的時(shí)間長(zhǎng)短和隨后的冷卻速度快慢，決定了該點(diǎn)的組織變化情況。而加熱和冷卻速度的快慢與焊接方法及焊接規(guī)范有關(guān)。通常用于焊接的結(jié)構(gòu)鋼，從熱處理的特性來看，可分為兩大類：一類是在一般焊接條件下淬火傾向較小的鋼，例如低碳鋼和含合金元素較少的普通低合金鋼，稱為“不易淬火鋼”；另一類是含合金元素較多或含碳量較高，淬火傾向較大的鋼，稱為“易淬火鋼”。這兩類鋼的焊接熱影響區(qū)組織不同。下面對(duì)低碳調(diào)質(zhì)鋼熱影響區(qū)的組織與性能進(jìn)行研究。 低碳調(diào)質(zhì)鋼熱影響區(qū)的組織分析對(duì)于強(qiáng)度和碳當(dāng)量較高的鋼，如低碳調(diào)質(zhì)鋼、中碳鋼和高強(qiáng)度級(jí)別的低合金鋼等，在焊接后易產(chǎn)生淬火馬氏體組織，屬于易淬火鋼。這類鋼的熱影響區(qū)可分為3部分。（1）淬火區(qū) 處于Ac3以上的高溫區(qū)。由于焊后自然冷卻較快，容易產(chǎn)生馬氏體。在近縫的過熱區(qū)是粗大的馬氏體，特別脆，而在相當(dāng)于正火溫度范圍則為細(xì)小馬氏體，也可能產(chǎn)生貝氏體或屈氏體的混合組織區(qū)。淬火組織硬度高，塑性、韌性低，再加上組織不均勻，故易產(chǎn)生冷裂紋。（2）部分淬火區(qū) 或稱不完全淬火區(qū)，處于Ac1～Ac3之間。加熱時(shí)珠光體變成奧氏體，而鐵素體幾乎沒有變化；冷卻下來時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)楦咛捡R氏體，最后形成塊狀鐵素體+高碳馬氏體或某些其他組織的混合體。該區(qū)的組織不均，塑性、韌性差，強(qiáng)度也有所下降。（3）回火區(qū) 處于Ac1溫度以下。對(duì)于原始狀態(tài)為退火態(tài)的易淬火鋼不存在此區(qū)。若原始態(tài)為淬火態(tài)，此區(qū)焊后相當(dāng)于經(jīng)受了回火處理，會(huì)得到不同類型的回火組織，其韌性較焊前有所提高；若原始態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)，則高于原回火溫度處發(fā)生軟化，強(qiáng)度、硬度有所下降，韌性有所上升，而低于原回火溫度處組織和性能不變。 低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接性理論分析 金屬可焊性概念金屬焊接性就是金屬是否能適應(yīng)焊接加工而形成完整的、具備一定使用性能的焊接接頭的特性。金屬焊接性的概念包括兩大方面內(nèi)容，一是金屬在焊接加工中是否容易形成缺陷；二是焊成的接頭在一定的使用條件下可靠運(yùn)行的能力。這說明，焊接性不僅包括結(jié)合性能，而且包括結(jié)合后的使用性能。從理論上分析，只要在熔化狀態(tài)下能夠相互形成溶液或共晶的任意兩種金屬或合金都可以經(jīng)過熔焊形成接頭。許多異種金屬或合金之間也是可以形成焊接接頭的，只是有時(shí)是需要通過中間過渡層的。因此，可以認(rèn)為上述情況都可以看作是“具有一定焊接性”的。差別只在于有的工藝過程很簡(jiǎn)單，有的工藝過程很復(fù)雜；有的接頭質(zhì)量高、性能好，有的接頭質(zhì)量低、性能差。所以，金屬焊接工藝過程簡(jiǎn)單而接頭質(zhì)量高、性能好時(shí)，就稱作焊接性好；反之，就稱作焊接性差。 金屬焊接性化學(xué)分析方法（1）碳當(dāng)量法(Carbon Equivalent) 鋼材的化學(xué)成分對(duì)焊接熱影響區(qū)的淬硬及冷裂傾向有直接影響，因此可以用化學(xué)成分來分析其冷裂敏感性。各種元素中，碳是對(duì)冷裂敏感性影響最顯著的一個(gè)。因而，人們就將各種元素都按相當(dāng)于若干含碳量折合并疊加起來求得所謂碳當(dāng)量（CE或Ceq）用CE或Ceq來估計(jì)冷裂紋傾向的大小。日本JIS和WES采用的碳當(dāng)量公式為： （21）此式適用于低碳調(diào)質(zhì)鋼。其化學(xué)成分為：C≤%%；Si≤%；Mn≤%；Cu≤%；Ni≤%；Cr≤%；Mo≤％；V≤％；B≤%。當(dāng)板厚＜25mm，手弧焊線能量17kJ/cm時(shí)，%時(shí)，對(duì)于σb=700MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼來說，預(yù)熱溫度為100℃。（2）焊接冷裂紋敏感指數(shù) 除碳當(dāng)量外，焊縫含氫量和接頭拘束度都對(duì)冷裂傾向有很大影響。有人曾對(duì)200多種不同成分的鋼材、不同的厚度及不同的焊縫含氫量進(jìn)行試驗(yàn)，求得焊接冷裂紋敏感指數(shù)Pc： (%) （22）式中 δ—板厚(mm)； H—焊縫中擴(kuò)散氫含量(mL/100g)。此式適用條件：％～％；Si≤%；％～%；Cu≤%；Ni≤%；Cr≤%；Mo≤%；V≤%；Nb≤%；Ti≤%；B≤%；δ=19～50mm；H=～(GB3965—83測(cè)氫法)。求得Pc后，利用下式即可求出斜Y坡口對(duì)接裂紋試驗(yàn)條件下，為防止冷裂所需要的最低預(yù)熱溫度(℃)： (℃) （23）正火鋼是通過沉淀析出和細(xì)化晶粒來提高強(qiáng)度并保證韌性符合要求的。為了進(jìn)一步大幅度提高鋼的強(qiáng)度，光靠增加合金元素和正火是達(dá)不到理想結(jié)果的。一般來說，加入的合金元素就越多，強(qiáng)度越高。但當(dāng)合金元素的含量達(dá)到一定范圍之后，鋼的塑性和韌性會(huì)嚴(yán)重惡化，合金元素在強(qiáng)化的同時(shí)，對(duì)鋼材塑性和韌性的影響是比較復(fù)雜的，固溶強(qiáng)化的同時(shí)，往往會(huì)引起塑性和韌性的下降，只有少數(shù)一些元素（如Mn和Ni等）在一定含量的范圍內(nèi)，能強(qiáng)化的同時(shí)對(duì)韌性也有所改善，而沉淀強(qiáng)化往往會(huì)伴隨著韌性和塑性的較大損失。所以，一般來說，合金元素對(duì)塑性和韌性的影響大體上與其強(qiáng)化作用相反,即強(qiáng)化效果越大，塑性和韌性的降低越多。當(dāng)合金元素的含量超過一定范圍之后，會(huì)出現(xiàn)韌性大幅度下降。在正火條件下，通過增加合金元素來進(jìn)一步提高強(qiáng)度時(shí)引起韌性急劇惡化的現(xiàn)象。因此，σs≥490MPa的高強(qiáng)鋼都需要調(diào)質(zhì)。調(diào)質(zhì)鋼主要是靠調(diào)質(zhì)處理，可以充分地發(fā)揮合金元素的強(qiáng)化作用，因此在正火鋼的基礎(chǔ)上，只需添加少量合金元素就能通過淬火和回火來更有效地提高強(qiáng)度并保證韌性。低碳調(diào)質(zhì)鋼的σs一般為441～980MPa，在調(diào)質(zhì)態(tài)供貨和使用。其特點(diǎn)是含碳量更低，淬火組織為低碳馬氏體，不僅強(qiáng)度高，并且兼有良好的塑性和韌性，可以直接在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下進(jìn)行焊接，焊后也不需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。這類鋼由于強(qiáng)度高，主要用于高壓設(shè)備。這類剛為了保證良好的綜合性能和焊接性，要求C≤%，%以下。σs 441～490MPa的低合金高強(qiáng)鋼中有調(diào)質(zhì)和正火（或正火+回火）兩類。調(diào)質(zhì)鋼中最簡(jiǎn)單的一類，就是將σs≥343MPa的MnSi鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后達(dá)到的σs441～490MPa。但當(dāng)板厚加大或強(qiáng)度級(jí)別要求更高時(shí)，就需添加一些其他的合金元素，如Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Ti、Zr和Cu等元素，來保證達(dá)到足夠的淬透性和抗回火性。日本的KTEN62M就是調(diào)質(zhì)的MnV鋼；美國A533標(biāo)準(zhǔn)中的幾個(gè)壓力容器用高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼，其實(shí)就是A302標(biāo)準(zhǔn)中的幾個(gè)正火+回火的MnMo和NoNiMo系鋼，通過調(diào)質(zhì)處理后，將原來的σs343MPa提高到σs490MPa的水平。σs超過490MPa的高強(qiáng)鋼，基本上都需要在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用，如美國的HY80，日本的HT70就是σs≥495MPa的NiCrMo系調(diào)質(zhì)鋼。50年代初美國研制了一種σs≥686MPa的T1鋼，并在此基礎(chǔ)上形成了A517標(biāo)準(zhǔn)中的一系列高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼。它們都是以MoB為基礎(chǔ)分別加入Cr、Ni、V、Nb、Ti、Zr、Cu和Mn等元素形成的，其中A517F，即T1鋼（MnNiCrMoCuVB），A517J、K鋼的成分最簡(jiǎn)單（MnMoB）。日本的HT80（σs≥686MPa）基本上是仿T1鋼發(fā)展起來的，如WELTEN80，其中有一種是不含Ni的，如WELTEN80C。我國的14MnMoNbB和近年來由鞍山鋼鐵廠試制成功的HQ80C都屬于這一類鋼，德國的σs≥686MPa級(jí)鋼不是以MoB為基，而是MnCrMoZr系，如17MnCrMo33鋼。當(dāng)σs≥882MPa后，一般要在鋼中加入更多的Ni，如美國的HY130（5NiCrMoV）和σs≥1225MPa的HP420鋼（9Ni4CoCrMoV）。在這類鋼中，為了改善野外施工焊接條件和提高低溫韌性，開發(fā)了一種含C量極低（≤%）的調(diào)質(zhì)鋼，即焊縫無裂紋鋼（簡(jiǎn)稱CF鋼），這是70年代發(fā)展起來的一個(gè)新分支。眾所周知，為了提高鋼材的抗冷裂性和低溫韌性，降低含C量是一個(gè)有效的措施，但會(huì)犧牲鋼材的強(qiáng)度。為了彌補(bǔ)這一損失，可通過加入多種微量元素，特別是像B那樣能對(duì)淬透性有強(qiáng)烈影響的元素來提高淬透性。因此，這類鋼調(diào)質(zhì)后具有足夠高的強(qiáng)度和韌性，與同強(qiáng)度等級(jí)的一般高強(qiáng)度低合金鋼相比，具有低C和低Pcm的特點(diǎn)。日本的HT60CF類型調(diào)質(zhì)鋼的成分范圍為：%～%，%～%，%～%，V%，%～%，有時(shí)還會(huì)含有少量的Ni。這類鋼調(diào)質(zhì)后σs≥490MPa，在日本已普遍用于制造城市氣體的球罐。焊接這類鋼時(shí)采用超低氫焊接材料后，在板厚50mm以下或在0℃都可焊前不預(yù)熱。我國近年來由武漢鋼鐵廠試制的WCF60、62鋼也屬于這一類鋼。 低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接性分析這類鋼主要作為高強(qiáng)度的焊接結(jié)構(gòu)用鋼，因此含碳量限制得較低，在合金成分的設(shè)計(jì)上也都考慮到了焊接性的要求。所以這類鋼焊接時(shí)的主要問題和工藝要求基本上與正火鋼類似，差別只在于在這類鋼是通過調(diào)質(zhì)獲得強(qiáng)化效果的，因此在熱影響區(qū)內(nèi)，除了脆化外還有軟化問題需要討論。（1）焊縫中的熱裂紋低碳調(diào)質(zhì)鋼一般含碳量都較低，含錳量又較高，而且對(duì)S、P雜質(zhì)的控制也較嚴(yán)，因此熱裂傾向小。一次只要正確地選擇相應(yīng)的焊接材料，焊接熱裂紋是不會(huì)產(chǎn)生的[4]。（2）熱影響區(qū)液化裂紋這種裂紋在一般鋼中并不常見，主要發(fā)生于這類高Ni低Mn的低合金高強(qiáng)鋼中。液化裂紋的產(chǎn)生傾向主要也和Mn/S比有關(guān)。含碳量越高，要求的Mn/S比也越高。%，Mn/S比大于30時(shí)，液化裂紋敏感性較小；Mn/S比超過50后，液化裂紋的敏感性很低。此外，Ni在這方面起著明顯的有害作用，因此像HY80這種鋼，由于Mn/S比較低，含Ni量又較高，所以對(duì)液化裂紋也必然較敏感。相反，HY130鋼含Ni量雖然比HY80還高，但由于含碳量很低(≤%)，含S量也較低（≤%），Mn/S比高達(dá)60～90，因此它對(duì)熱影響區(qū)的液化裂紋并不敏感。由此可見，避免這類裂紋的關(guān)鍵在于控制C和S的含量，保證高的Mn/S比，尤其當(dāng)含Ni量高時(shí)，對(duì)此要求更為嚴(yán)格[5]。此外，線能量與熔池的形狀對(duì)液化裂紋的形成也起很大的作用。線能量越大，晶粒長(zhǎng)得越細(xì)，晶界熔化越嚴(yán)重，而且液態(tài)晶間層存在的時(shí)間越長(zhǎng)，液化裂紋產(chǎn)生的傾向也就越大；如果熔合線呈明顯的蘑菇狀，則由于在熔合線的凹處基本金屬過熱更嚴(yán)重，因此易于促使裂紋在該處形成，而且裂紋傾向隨凹度的增大而提高。為了防止這類裂紋的產(chǎn)生，從工藝上可以采取用小線能量的焊接方法、控制熔池的形狀、減小凹度等措施。（3）冷裂紋這類鋼的合金化原理，就是在低碳的基礎(chǔ)上通過加入多種提高淬透性的合金元素，來保證獲得強(qiáng)度高、韌性好的低碳馬氏體和部分下貝氏體的混合組織，由于這類鋼的淬硬傾向相當(dāng)大，本應(yīng)有很大的冷裂傾向，但由于這類鋼的特點(diǎn)是馬氏體含量很低，所以它的轉(zhuǎn)變溫度Ms點(diǎn)較高，如果在該溫度下冷卻較慢，則生成的馬氏體還能來的及進(jìn)行一次“自回火”處理，因而實(shí)際上冷裂傾向并不一定很大。也就是說，在馬氏體形成后如果能從工藝上提供一個(gè)“自回火”處理的條件，即保證馬氏體轉(zhuǎn)變的冷卻速度較慢，則冷裂紋是有可能避免的；若馬氏體轉(zhuǎn)變的冷卻速度很快，得不到“自回火”效果，則冷裂傾向就必然會(huì)增大。（4）再熱裂紋從低碳調(diào)質(zhì)鋼的合金系統(tǒng)來看，在為加強(qiáng)淬透性和抗回火性而加的一些合金元素中，大多數(shù)是屬于能引起再熱裂紋的元素，如Cr、Mo、Cu、V、Nb、Ti和B等，其