焊接冶金

焊接冶金，是指在熔化焊接過程中所發生的“氣體- 熔渣- 金屬”之間的物理、化學變化，熔化金屬的結晶凝固，以及由於焊接熱循環造成的焊接熱影響區內金屬的組織和性能的變化。

定義

運用冶金學的焊接過程，促進了焊接的發展；同時焊接冶金的發展也促使出現了新的冶金工藝──二次重熔。
焊接化學冶金 焊接化學冶金反應的特點是溫度高而時間短促；相間反應界面的比表面積大；因此，反應極為激烈。焊接化學冶金過程是分區域（或階段）連續進行的；以手工電弧焊為例，可分為藥皮反應區、熔滴反應區和熔池反應區（圖1）。

工藝流程

焊接熔渣

焊接熔渣是在焊接過程中，主要由焊條藥皮或焊劑形成的，起冶金處理、機械保護金屬和改善焊接工藝性能的作用。焊接熔渣的主要組成是各種氧化物，還有氟化物、氯化物和硼酸鹽類。氧化物有酸性的、中性的和鹼性的。衡量熔渣的鹼性強弱採用鹼度，最常用和簡便的計算方法是鹼性氧化物的重量總和同酸性氧化物的重量總和之比（見爐渣）。鹼度大於 1.3的焊渣稱為鹼性渣，反之稱為酸性渣。焊渣鹼度對焊接冶金過程有很大影響。採用鹼性焊渣時，焊縫金屬具有較好的綜合機械性能，抗裂性能提高，同時焊縫的脫氧及脫硫也較好。
完善的脫氧可提高焊縫金屬（如鋼）的綜合機械性能。焊接時的脫氧過程可分為兩類：①先期脫氧，即在藥皮的加熱階段，固態藥皮中進行的脫氧反應。②沉澱脫氧，溶於液態金屬（如鋼液）中的脫氧劑直接與金屬液體中的FeO發生脫氧反應；各種鋼焊接時,利用Si、Mn聯合脫氧能取得較好的脫氧效果。沉澱脫氧在脫氧過程中起最後的決定性作用。

焊縫金屬的凝固

焊接熔池的凝固條件不同於一般鑄錠。焊接熔池體積小、溫度高而不均勻，中心溫度近於沸點，而周圍都是未熔化的被焊接金屬（母材），因此溫度梯度大、冷卻速度快。焊縫凝固結晶始於熔池邊緣的最低溫度處，以半熔化的母材金屬晶粒為非自發晶核，開始結晶生長，即所謂“聯生結晶”。另一特點為由於冷卻速度快，所以結晶從半熔化的晶粒表面開始後，沿著與散熱相反的方向，以柱狀晶的形態向熔池中心迅速生長，直到柱狀晶互相接觸為止。同時，由於柱狀晶的生長速度很快，熔池中即使存在著難熔質點，也很難作為晶核長大成等軸晶粒。這樣，焊縫就具有柱狀晶特徵（圖2）。

焊接熱作用特點

焊接熱源的局部集中，導致不均勻的溫度場。離焊縫越遠，被加熱達到的峰值溫度越低，如圖3所示。不均勻的溫度場將引起不均勻的應力和變形，並造成不均勻的組織和性能變化。此外，焊接熱源始終處於運動狀態之中，焊接區中任何一點的溫度變化都是準穩態，熱源移近時迅速升溫，熱源移開時則迅速降溫。這就決定了焊接過程中所發生的各種冶金學變化都無法達到平衡狀態。

特性

焊接熱循環

焊接區某點的溫度隨時間的變化過程稱為焊接熱循環。圖4為單道焊接的熱循環特性。溫度很快地升高到峰值溫度(Tmax，例如低合金鋼手弧焊時在4秒內即可升到1100℃。而高溫停留時間tH很短,例如在Ac3（見鐵碳平衡圖）以上只有幾秒到十幾秒鐘。冷卻速度ωc相當大，往往會引起淬火。決定焊接熱循環特性的主要因素是材料的熱物理性能、焊件尺寸、焊件初始溫度以及焊接工藝參數。

多道焊時，其焊接熱循環具有更為複雜的特點。後一焊道對前一焊道起後熱作用，產生熱處理效果；而前一焊道對後一焊道具有預熱的作用。

範圍和組織變化

加熱峰值溫度低於材料的熔化溫度(Ts)而又高於材料能發生組織變化的臨界溫度(Tcr)的母材區域,即為熱影響區。對大多數非調質鋼常取其Ac1為其Tcr；而對調質鋼，其實際回火溫度即為其Tcr。在焊接熱循環的作用下,熱影響區內實質上在進行著一種特殊形式的熱處理，其結果往往是使焊前的熱處理效果受到破壞，在不同的局部位置會產生種種組織變化，從而引起硬化、軟化以及脆化現象，甚至還會產生焊接裂紋。
一般說來，對調質鋼而言,凡超過Ac1的部位可能產生淬火組織,而溫度介於Ac1和原始溫度之間的部位將進行回火過程。對非調質鋼而言,在超過Ac1的部位由於發生相變,隨溫度不同而使其晶粒粗細差別很大。例如圖5為正火處理的15MnVNb鋼埋弧自動焊時的熱影響區組織變化特徵。

對於沉澱強化合金，在熱影響區內將產生相的溶解和析出過程，常可見到粗晶粒的局部固溶區和由於過時效而產生的軟化。對於冷作強化的金屬，在熱影響區內由於發生回復和再結晶過程，而可出現軟化區域。