温州304不锈钢管焊接热影响区的组织

靠近焊缝由于焊接热影响而产生组织和性能变化的一段基本金属，称为“焊接热影响区”。通常所指的焊接接头即包括热影响区在内。因此，温州不锈钢管热影响区的性能对整个焊接接头性能影响很大。

    由于焊接热影响区各点被加热的温度不同，它们的组织和性能也不同。热影响区某点被加热的最高温度以及在高温停留的时间长短和随后的冷却速度快慢，决定了该点的组织变化情况。而加热和冷却速度的快慢与焊接方法及焊接规范有关。热影响区各部分的具体组织分布情况，可根据温州不锈钢管的相图来判定。

    通常用于焊接的钢管，从热处理的特性来看，可分为两大类：一类是在一般焊接条件下，淬火倾向较小的钢，例如低碳钢和含合金元素较少的普通低合金钢，称为“不易淬火钢”；另一类是含合金元素较多或含碳量较高，淬火倾向较大的钢，称为“易淬火钢”。这两类钢的焊接热影响区组织也不相同。

    锅炉制造中，除在高压锅炉中采用部分高强度合金钢外，用得最多的是低碳钢及普通低合金钢，即属于不易淬火钢。

    现以锅炉常用的低碳钢(20)为例来分析焊后热影响区各部分的组织变化情况。

    图14-4将铁碳合金相图和焊接热循环曲线结合起来，表示了热影响区各部分被加热到的最高温度及相应的组织变化。对低碳钢来说，热影响区组织发生显著变化的部泣，相当于加热到Ac1以上直至熔他温度。根据焊后组织变化，可将热影响区分为四个区域。

    1．熔合区

    此区为熔台线附近的焊缝金属到基本金属的过渡部分，温度处于固相线和液相线之间。这个区域的温州不锈钢管处于局部熔化状态。因此，晶粒十分粗大，化学成分和组织都极不均匀。此区靠近母材一侧的不锈钢管组织属于过热组织，塑性很差。对于低碳钢，固相线和液相线之间的温度区间很小，在各种熔化焊条件下，这段区域很窄，金相观察实际上很难区分出来。但对焊接接头的强宠、塑性都有很大影响。在很多情况下，熔合线附近是产生裂缝和局部脆性破坏的起点。

    2．过热区（粗晶粒区）

    过热区的温度范围是处在固相线以下至1100℃左右。当加热到1100℃以上时，奥氏体晶粒即开始剧烈长大，尤其在1300℃以上，晶粒十分粗大，冷却后即获得晶粒粗大的过热组织。晶粒度都在l～2级左右。在气焊和电渣焊情况下，甚至可得到“魏氏组织”。魏氏组织是一种过热组织，其特点为铁素体沿晶界分布，并呈针状插入珠光体内，使温州不锈钢管的塑性和韧性都大大降低（过热区冲击韧性通常要降低20～30%）。因此，焊接刚度较大的结构时，常在过热区发生裂缝。

    过热区晶粒长大，与在此高温区停留时间的长短有关，停留时间越长，晶粒越粗大。不同的焊接方法和焊接规范，产生的过热区大小也不同。埋弧自动焊的过热区比手工电弧焊小。焊接速度越快，过热区越小。电渣焊焊接速度缓慢，过热区较宽，晶粒长大常成为影响电渣焊质量的主要问题。过热区的机械性能还随焊后的冷却速度而变化，冷却速度愈大，过热区强度、硬度增高，塑性降低。

    3．重结晶区（细晶粒区）

    此区加热温度在Ac3以上至1100℃，温州304不锈钢管加热到900 - 1100℃范围时将发生重结晶（即铁素体和珠光体全部变为奥氏体）。由于温度不太高，晶粒未长大，在空气中冷却后得到均匀细小的铁素体和珠光体组织，相当于热处理时的正火组织，所以又称“正火区”。此区温州钢管既有较高强度，又有相当的塑性，是焊接接头中综合机械性能最好的部位。

    4．不完全重结晶区

    此区加热温度范围为Acl～Ac3之间。对于低碳钢，当金属加热温度稍高于Ac1时，首先珠光体转变为奥氏体。温度升高时，部分铁素体逐步向奥氏体溶解。温度越高，溶解得越多，直至Ac3时，铁素体全部溶解在奥氏体中。当冷却时又从奥氏体中析出细微的铁素体，一直冷却至Ac1，残余奥氏体就转变为共析组织——珠光体。由此看出，在Ac1-Ac3范围内只有一部分组织发生相变重结晶，而始终未溶入奥氏体的铁素体却长大，变成了粗大的铁索体组织。所以，这个区的304不锈钢管组织是不均匀的，晶粒大小不一。一部分是经过重结晶的细小的匀。铁素体和珠光体，另一部分是粗大的铁素体。由于晶粒大小不同，所以此区机械性能也不均。

    以上四区是焊接热影响区中呈现的主要组织特征。如果温州304不锈钢管事先经过冷加工塑性变形，则在Ac1以下将发生再结晶，金相组织也有变化。

    上述四个区域中对接头性能影响最不利的是熔合区和过热区。此二区处于焊缝和母材金属的过渡地带（焊趾处），另外在此处常由于产生咬边等缺陷而造成应力集中。因此，常成为实际接头最易出问题的部位。

    焊接热影响区的大小受很多因素的影响。不同的焊接方法、不同的焊接规范以及不同的板厚、施焊条件都会使热影响区尺寸发生变化。表14-1为在板厚相同时用不同焊接方法焊接低碳钢时热影响区的平均尺寸。

    对于锅炉常用的其它淬硬倾向不大的钢（如16Mn、15MnV等），除了过热组织外，其它各区组织与低碳钢基本相同。低碳钢过热组织主要是魏氏组织，而16Mn钢由于有锰加入，使过热区可能有少量粒状贝氏体。15MnV钢在过热区除锰外，还有部分锐的碳化物、氮化物溶入奥氏体，提高了奥氏体的稳定性，因此，过热区可全部获得粒状贝氏体。

    必须指出，在急冷急热的焊接条件下，有时会使低碳钢的珠光体部分，局部地表现出类似高碳钢的性能。例如用高频焊焊管子时，就可能在不完全重结晶区出现马氏体，由于这种马氏体的含碳量高，又硬又脆，并浸埋在软的铁索体中，对钢的韧性十分有害。

    对于易淬火钢（母材是正火或退火状态），焊后热影响区的组织分布为：

    1．淬火区

    加热温度超过Ac3以上的区域，由于温州304不锈钢管的淬硬倾向大，故焊后冷却时得到淬火组织（马氏体）。在相当于低碳钢的过热区部分，由于温度高，晶粒长大，所以得到粗大的马氏体。而相当于低碳钢正火区的部分将得到细小马氏体，当冷却速度较慢或含碳量较低时，也可能出现一些贝氏体，形成混合组织。

    2．不完全淬火区

    加热温度在Acl-Ac3之间的区域，在快速加热条件下，铁素体很少溶解，而珠光体、贝氏体和索氏体等转变为奥氏体，在随后快速冷却过程中，奥氏体转变为马氏体，铁素体保持不变，并有不同程度的长大，最后形成马氏体一铁素体组织，故称不完全淬火区。

    如果母材在焊前处于淬火状态，那么焊接热影响区的组织除上述二区外，还可能存在回火区(此区加热温度低于Acl。图14 -5表示易淬火钢与不易淬火钢热影响区比较。

    由图l4 - 5可见，热影响区的组织和性能不仅与温州不锈钢管的化学成分有关，同时也与焊前的热处理状态有关。

    以上所讨论的焊接热影响区组织特征，仅仅是一般性原则，实际上由于各种原因，可能出现某些特殊问题，这就需要根据母材具体的条件及施工工艺来进行分析了。