1.2　气焊焊接的热影响

1.2.1　钢中常见的组织

（1）钢中常见的组织特性

①铁素体（F）。铁素体是少数的碳和其他合金元素固溶于α-Fe中的固溶体。铁素体溶解碳的能力很差，并随着温度降低而减少。铁素体中的含碳量低，其性能与纯铁相似。铁素体的强度和硬度低，但塑性和韧性很好，所以铁素体含量多的钢（如低碳钢）就表现出软而韧的性能。

②渗碳体（Fe3C）。渗碳体是铁与碳的化合物，其含碳量（碳的质量分数）为6.69%。其性能与铁素体相反，硬而脆，随着钢中含碳量的增加，钢中渗碳体的量也增多，钢的硬度、强度也增加，而塑性、韧性则下降。

③珠光体（P）。珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，含碳量为0.77%，只有温度低于727℃时才存在。珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间。

④奥氏体（A）。奥氏体是碳和其他合金元素在γ-Fe中的固溶体。在一般钢材中，只有高温时存在；当含有一定量扩大γ区的合金元素时，则可能在常温下存在，如铬镍奥氏体不锈钢在常温时的组织为奥氏体。奥氏体为面心立方晶格，奥氏体的强度和硬度不高，塑性和韧性很好。奥氏体的另一特点是无磁性。

⑤马氏体（M）。马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。马氏体具有很高的硬度和强度，但很脆，延展性很差，并且马氏体中过饱和的碳越多，硬度越高。马氏体的体积比相同质量的奥氏体的体积大，因此奥氏体转变为马氏体时体积要膨胀；局部体积膨胀后的内应力往往导致零件变形、开裂。

⑥魏氏组织。魏氏组织是一种晶粒粗大的过热组织。碳钢过热且晶粒长大后，高温下晶粒粗大的奥氏体以一定速度冷却，很容易形成魏氏组织。粗大的魏氏组织使钢材的塑性和韧性下降，使钢变脆。

（2）焊缝中组织的形成

低碳钢焊缝一次结晶的晶粒都是奥氏体晶粒，冷却到低于相变温度时，奥氏体分解为铁素体和珠光体，因而二次结晶后的组织大部分是铁素体和少量的珠光体。

合金元素含量较少的低合金钢，其焊缝组织与低碳钢焊缝类似，当冷却速度加大时会产生粒状贝氏体。合金元素含量较多、淬透性较好的低合金高强度钢，其焊缝组织在二次结晶后为贝氏体或低碳马氏体组织，高温回火后为回火索氏体组织。

钼和铬钼耐热钢焊缝的组织，合金元素含量较少（铬＜5%）的耐热钢，在焊前进行预热、焊后缓冷的条件下，可得到珠光体和部分淬硬组织；高温回火后可得到完全的珠光体组织。对于含铬量为5%～9%的耐热钢，当采用与母材成分相近的焊丝和在焊前预热、焊后缓冷的条件下，可得到贝氏体组织，也可能出现马氏体组织；高温回火后可得到回火索氏体组织。

不锈钢焊缝组织、奥氏体不锈钢焊缝组织一般为奥氏体加少量铁素体（2%～6%）。焊接铁素体不锈钢采用的焊丝成分与母材相近时，其焊缝组织为铁素体；当采用铬镍奥氏体不锈钢焊丝时，焊缝组织为奥氏体。马氏体不锈钢的焊缝，当焊丝成分与母材相近时，其焊缝组织及回火后的组织分别为马氏体和回火马氏体；当采用铬镍奥氏体不锈钢焊丝时焊缝组织为奥氏体。

1.2.2　气焊的热影响区的组织和性能

（1）焊接接头

焊接接头是用焊接方法连接的接头。气焊焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区组成，详见图1-2。

气焊火焰离开熔池后，熔池中的液体金属逐渐冷却凝固形成焊缝。而在焊接的过程中，材料因受到了热影响、未熔化而发生了相变和力学性能变化的区域称为热影响区。熔合区是指在焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域。

在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程称为焊接热循环。由于焊接接头的各点都经受了一次不同程度的热循环作用，在焊接热影响区内，离焊缝越近的点，被加热的温度就越高，离焊缝越远的点，被加热的温度就越低，使焊接接头的组织发生变化，焊件产生应力和变形。所以焊接热影响区的组织和性能均有很大差别。

（2）不易淬火钢热影响区的组织和性能

不易淬火钢指低碳钢和普通低合金钢，其焊接热影响区可为过热区、正火区、不完全重结晶区等，详见图1-3。

①过热区。过热区在焊接加热时，加热温度范围在晶粒开始急剧长大的温度Tks和固相线Tm之间，低碳钢为1100～1490℃。该区母材中的铁素体和珠光体在加热时全部转变为奥氏体，由于温度超过晶粒开始急剧长大的温度Tks，故奥氏体晶粒开始急剧长大，温度越高晶粒长大越严重，高温停留的时间越长，晶粒越粗大。冷却后该区域的组织与合金成分有关。

②正火区。正火区又称细晶区或相变重结晶区。该区在焊接加热时，加热温度范围对低碳钢为900～1100℃。该区母材中的铁素体和珠光体全部转变为奥氏体。由于温度低于晶粒开始急剧长大的温度，故晶粒未十分长大，冷却后得到均匀而细小的铁素体加珠光体组织，相当于热处理中的正火组织，所以通常称为正火区。由于该区晶粒细小均匀，故既有较高的强度，又具有较好的塑性和韧性。该区是焊接接头中综合力学性能最好的区。

③不完全重结晶区。不完全重结晶区，又称部分相变区。该区所处的加热温度，对于低碳钢为727～927℃。该区母材中的铁素体和珠光体只有部分转变为奥氏体，而未转变的铁素体晶粒则随温度的升高不断长大。冷却时，奥氏体晶粒又发生重结晶过程，所得的细小的铁素体和珠光体晶粒与未转变的粗大的铁素体晶粒混杂在一起。因此，该区组织的晶粒大小极不均匀，并保留原始组织中的带状特性，使得金属的力学性能恶化，强度有所下降。

综上所述，对低碳钢焊接接头来说，在整个热影响区中，除正火区外，特别是过热区对焊接接头有不良的影响。低碳钢气焊时热影响区宽度通常为27mm，其中过热区宽度约为21mm，正火区约为4mm，不完全重结晶区为2mm。一般来说，冷却速度越快，热影响区越窄，焊接应力越大，越容易产生裂纹；而热影响区越宽，焊接变形就越大。因此，应在保证焊缝不产生裂纹的前提下，尽量减小热影响区的宽度。

（3）易淬火钢热影响区的组织和性能

易淬火钢包括中碳钢（40、45、50钢等）、合金钢等。这类钢由于含碳量较高，或含有较多的合金元素，故容易淬火，并获得马氏体组织，易淬火钢在焊前的状态有两种，即退火状态和淬火状态。新制造的焊件通常是退火状态，而补焊时往往会呈现淬火状态。

焊前为退火状态的易淬火钢的热影响区，可划分为淬火区和部分淬火区。焊前为淬火状态的易淬火钢的热影响区，可划分为淬火区、部分淬火区和回火区。易淬火钢焊接热影响区区域划分如图1-3所示。

①淬火区。如图1-3所示，加热温度范围在Ac3～Tm之间，相当于不易淬火钢的过热区加正火区。由于母材淬硬性好，故焊后冷却时很容易获得淬火马氏体组织；在紧靠焊缝相当于过热区的这部分组织为晶粒粗大的马氏体；而相当于正火区这部分组织则为晶粒细小的马氏体。该区由于焊后出现淬火组织，故其硬度和强度增高，而塑性和韧性下降，尤其在晶粒粗大的马氏体区，其性能下降更为显著，容易产生冷裂纹。该区组织不均匀，因而性能也不均匀。

②部分淬火区。如图1-3所示，加热温度范围在Ac1～Ac3之间，相当于不易淬火钢的不完全重结晶区。在快速加热的条件下，铁素体几乎不发生变化，而珠光体全部转变为奥氏体；在随后快速冷却的过程中，奥氏体转变为马氏体，原铁素体保持不变，并有不同程度的晶粒长大情况，最后形成了马氏体加铁素体的组织，故称作部分淬火区。如果含碳量和含合金元素量不高或冷却速度不大，这部分奥氏体也可能转变为珠光体。不完全的淬火组织，使该区的性能不均匀，塑性、韧性下降。

淬火区和部分淬火区的组织与焊前金属的原始状态无关。

③回火区。如图l-3所示，加热温度范围低于Ac1，如果母材金属在焊前为退火状态，则在Ac1温度以下区域，一般不发生组织变化，焊后保持其原始状态。即焊接易淬火钢，焊前金属的原始状态为退火状态时，不出现回火区。母材金属在焊前为淬火状态或淬火加低温回火状态，则焊接时，加热温度低于Ac1的热影响区，在不同温度和停留时间下，将获得不同的回火组织。若焊前为调质状态（淬火加高温回火状态），焊后的组织和性能取决于焊前的回火温度，如焊前经淬火加500℃回火，在焊接时加热温度低于500℃的区域，焊后组织和性能不发生变化，而高于500℃低于Ac1的区域组织和性能将发生变化，变化情况与淬火状态的母材类似。

回火区的性能一般较好，既有较好的强度又有较好的韧性。但对于某些铬钢也有可能出现回火脆性，使焊接接头性能变差。

（4）不锈钢热影响区的组织和性能

奥氏体不锈钢焊接热影响区可划分为过热区、σ相脆化区和敏化区三个区。铁素体不锈钢的热影响区可分为过热区、σ相脆化区、475℃脆性区。但是并不是在所有焊接条件下，奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢都会出现σ相脆化区、敏化区或475℃脆性区，这些区域只是在一定焊接热循环条件下才会出现。只要焊接时控制得当，是可以避免形成这些区域的。图1-4为不锈钢热影响区的划分示意图。

①过热区。如图1-4所示，加热温度在Tks～Tm之间。由于加热和冷却时，奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢都不发生相变，故该区母材中仍为奥氏体或铁素体。由于该区温度超过Tks，故奥氏体或铁素体晶粒急剧长大，温度越高，停留时间越长，晶粒越粗大，冷却后为晶粒粗大的铁素体，使该区的塑形韧性下降。

②σ相脆化区。如图1-4所示，加热温度在650～850℃之间。如在该温度下停留时间过长，铁素体不锈钢就会析出一种脆性σ相，而某些奥氏体不锈钢在一定的条件下也有可能析出σ相。由于σ相的析出，割断了晶间的联系，σ相又很硬很脆，这样就使该区的塑形和韧性严重降低，抗晶间腐蚀的能力也有所下降。

③敏化区。如图1-4所示，加热温度在450～850℃之间。在该温度下停留一定时间，如在700～750℃只需停留十几秒到几分钟后，奥氏体不锈钢中的碳和铬在晶界处形成碳化铬（Cr2C3）而使晶粒的边界处的奥氏体局部贫铬，将使奥氏体不锈钢丧失抗晶间腐蚀的能力。

④475℃脆性区。如图1-4所示。加热温度在400～600℃之间。在该温度下停留一定时间，铁素体不锈钢的硬度显著增高，冲击韧性严重下降，这种现象通常称为475℃脆性。某些奥氏体不锈钢在一定条件下也会产生475℃脆性。

（5）有色金属及其合金热影响区的组织和性能

有色金属，铜及铜合金、铝及铝合金的焊接热影响区组织在焊接加热和冷却作用下无明显变化，但其性能是有变化的。有色金属及其合金热影响区分为两个区，分别是晶粒长大区和再结晶区。

①晶粒长大区。当温度范围在Tks～Tm之间时，有晶粒长大现象，温度越接近于Tm停留时间越长，则晶粒长大越严重，该区的塑形、韧性就越差。

②再结晶区。有些塑性好的有色金属，因为常在冷却（冷拔、冷压）状态下使用，当焊接加热到超过它们的再结晶温度（如紫铜在300℃以上）时就会发生再结晶，再结晶区的强度、硬度降低，而塑形增加，使焊接接头和母材的强度严重不等，这种现象称为热影响区软化。

对于热处理可以强化的有色金属及其合金，如硬铝2A03（LY3）、2A11（LY11）、2A12（LY12）等，锻铝6A02（LD2）等、超硬铝7A04（LC4）等，其焊接性差，基本上不能气焊。

1.2.3　氧气及氮气对气焊质量的影响

气焊过程中焊接区内的大量气体是由一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、水蒸气（H2O）、氧气（O2）、氮气（N2）以及由它们分解的产物和金属熔渣的蒸气等组成的混合气体。其中对焊接质量影响最大的是氧气（O2）、氢气（H2）和氮气（N2）。

（1）氧的影响

①氧的来源　气焊过程中不可避免地有氧气侵入，如气体火焰中自由状态的氧常常进入内焰而侵入熔池；外焰中的二氧化碳和水蒸气中的氧，也常和熔池内液体金属及其附近的热态金属化合；当气焊火焰因风吹歪斜偏离熔池、焊炬过早离开熔池，都使气体火焰不能很好地保护熔池而造成空气中的氧侵入焊接区：再者，焊丝、熔剂和母材中溶解的氧或氧化物，金属表面的油脂、铁锈、油漆等污物及熔剂内部的结晶水等均构成了氧的来源。

②氧对焊接和焊接质量的影响

a.使焊缝金属及合金元素被烧损，造成焊缝的力学性能下降。

铁的氧化物以不规则的点状凝集物或在晶界处以不完整的褐色细网形式存在，在碳钢和合金钢中除了基体铁被氧化，其他元素例如碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、钛（Ti）和铬（Cr）等也会被氧化。氧化的结果使熔池中有益的元素烧损，使焊缝金属的强度、硬度和塑性等性能明显下降。

焊接有色金属时的氧化反应，如焊接紫铜时，当温度接近铜的熔点（1083℃）时，铜很容易被氧化生成氧化亚铜（Cu2O），在焊缝结晶时，氧化亚铜又会和铜形成低熔点共晶（Cu2O·Cu）分布在铜的晶界上，使焊缝容易产生热裂纹，降低其接头性能。焊接黄铜时，黄铜所含的锌（Zn）很容易在焊接火焰温度下气化、蒸发和氧化，从而改变黄铜的化学成分，腐蚀性能降低。

b.飞溅严重，易形成气孔和夹渣。焊接碳钢和合金钢时，碳（C）烧损所产生的一氧化碳气体，导致焊接时飞溅的增加，而且当焊缝金属的冷凝速度大于气体逸出的速度时，就会形成气孔。氧化后产生的合金元素的氧化物（如SiO2、MnO等）均不溶于钢中，一般都将浮到熔池表面或进入熔渣中，但有时来不及浮出，就会在焊缝中形成夹渣。

焊接有色金属及其合金时，如焊接锡青铜和铝青铜，合金元素锡（Sn）和铝（Al）很容易被氧化。生成的二氧化锡（SnO2）硬且脆，在焊缝中以夹杂物的形式存在。而生成的三氧化二铝（Al2O3）为高熔点氧化物，阻碍焊缝的熔合，同时使熔渣黏度增加，使熔池中的气体来不及逸出而产生气孔。

c.造成焊接困难。焊接某些合金时，在熔池表面生成的难熔氧化物（如Al2O3、Cr2O3等）将阻碍焊接冶金反应的正常进行和熔渣的浮出，造成焊接困难。如焊接铝及其合金时，不仅铝表面原有的氧化膜阻碍焊接，而且在焊接熔池表面还会生成新的氧化铝膜，妨碍焊接过程的正常进行。

此外，熔池中的氧可能使晶界严重氧化、晶粒粗大及形成热裂纹，还可能使焊缝金属的导电性、耐腐蚀性或其他特殊性能降低。总之，氧在焊缝金属中的危害性是相当大的。因此，在焊接过程中应严格控制氧的来源和选用适当的熔剂，以尽量避免和减少氧对焊缝金属的影响。

③脱氧的方法　在气焊时，可根据焊件材料的性能来选择脱氧方法，脱氧的方法如下。

a.通过还原气氛脱氧。在气焊低碳钢和低合金钢时，由于使用的火焰中有大量的一氧化碳（CO）和氢气起着还原作用，这样不仅能够保护熔池表面不被氧化，而且还能与焊缝金属中的氧化亚铁（FeO）发生还原反应。因而，气焊低碳钢和低合金钢，可以不用熔剂进行焊接，就能得到满意的接头。但在施焊时，火焰应当为严格的中性焰或轻微的碳化焰，并有效地保护熔池及近缝区。如果火焰带有氧化性质，不仅使焊缝金属中的元素氧化，而且能使熔合区和靠近熔合区的热影响区晶界氧化。

b.由焊丝成分中的脱氧元素来脱氧。按金属元素与氧的亲和力的强弱，可将金属元素排列如下：铝（Al）、钛（Ti）、硅（Si）、钒（V）、锰（Mn）、铬（Cr）、钼（Mo）、铁（Fe）。在焊接钢铁时，位于铁前面的各元素均可作为焊缝金属的脱氧元素即脱氧剂。如在气焊碳钢和合金钢时，常选用含锰（Mn）、硅（Si）的焊丝。采用硅（Si）、锰（Mn）联合脱氧时，生成的氧化锰（MnO）与二氧化硅（SiO2）形成硅酸盐，其熔点、密度都较低，易浮于熔池表面而形成熔渣。用铝（Al）脱氧时，由于生成高熔点的Al2O3（熔点为2050℃），故气焊时不采用，主要用在氧-乙炔火焰金属喷涂时脱氧。钛（Ti）不仅是很好的脱氧剂，而且还能很好地脱氮。在气焊氧含量较高的沸腾钢时，选用含锰（Mn）的焊丝，不但可以减少碳（C）、锰（Mn）、硅（Si）元素的烧损，提高焊接质量，而且可以减少焊接时的飞溅。

c.通过熔剂脱氧。在焊接高合金钢、铸铁、不锈钢和有色金属及其合余时都要加入熔剂，主要目的是为了保护熔池和脱氧。例如，气焊铜及其合金时，常用熔剂硼砂（Na2B4O2·10H2O）和硼酸（H2BO3）去除熔池中氧化物［如氧化铜（CuO）、氧化锌（ZnO）］，反应的生成物都是易熔的硼酸盐，其在焊接过程中浮在熔池表面起到保护熔池的作用。

（2）氢的影响

①氢的来源　在气焊时，氢来源于乙炔的分解和燃烧，以及焊接材料（焊丝和熔剂）和母材表面的水分、油污、油漆等污物所含的氢。氢通常不与焊缝金属发生化学反应，但能溶解于铁（Fe）、镍（Ni）、铜（Cu）、铬（Cr）、钼（Mo）等金属中。

在气焊时由于气焊火焰中含有的氢（H2）和一氧化碳（CO），不仅能保护熔池表面不被氧化和氮化，而且能使焊缝金属的金属氧化物还原。但是，在焊缝金属中若存在十万分之一的氢，就会对焊接头质量产生严重的有害影响。

②氢对焊接接头的影响　在焊接高温的作用下，氢气能剧烈地分解成原子态的氢（［H］），分解的原子态的氢大量地溶解在熔滴和熔池中。当热源移去，熔池冷却，金属开始相变时，氢的溶解度将急剧降低。对于碳钢，在发生同素异构转变时氢的溶解度还会有突变。由于熔池的冷却速度较快，使溶解的氢来不及逸出，残存在固体焊缝中，因而引起焊接接头出现以下缺陷。

a.在焊缝金属内部形成氢气孔。气焊低碳钢时，氧气孔大多分布在焊缝的表面，气孔四周光滑，断面呈铁钉状，从焊缝表面看，呈圆喇叭口形。个别情况下，在焊缝内部也会呈光滑的球状。焊接其他碳钢、合金钢和不锈钢时在焊缝内部出现的气孔，主要也是氢气孔。气焊有色金属时，氢气孔常出现在焊缝内部。

b.在熔合区和热影响区形成冷裂纹。焊接中碳钢、高碳钢、低合金钢和合金钢等易淬火钢时，在焊缝的冷却过程中，当焊缝金属发生由奥氏体向铁素体转变时，氢的溶解度突然降低，同时氢在铁素体中的扩散速度比较快，此时氢就会从焊缝穿过熔合区向热影响区扩散，而氢在奥氏体中的扩散进度较慢，结果在熔合区附近就形成了富氢带。氧扩散到熔合区、热影响区聚集起来，由原子状态变为分子状态，形成较大的压应力，使原有的微观缺陷不断扩大，最后形成冷裂纹。

由于氢引起的冷裂纹，是通过扩散、聚集产生应力直至形成裂纹，故具有延迟特性，因而称为延迟裂纹。通常把氢引起的延迟裂纹又称为“氢致裂纹”。一般来说，易淬火钢钢材的淬硬倾向越大，在焊缝的近缝区得到的淬硬组织——马氏体的数量越多，这样就使得硬度增高而且脆化严重，因而就容易在一定条件下产生冷裂纹。

c.产生白点，引起氢脆性。碳钢或低合金钢焊缝，如氢含量多，则常在其破断面出现光亮圆形的局部脆性断裂点，称之为白点。白点的直径一般为0.5～3mm，其周围为韧性断口，在多数情况下，白点的中心有裂纹、气孔或小的夹杂物。白点使焊缝金属的韧性下降。

③去氢的措施　氢引起钢的塑性严重下降的现象称为氢脆。焊缝含氢量越高，塑性下降就越严重。焊缝经去氢处理后，由于氢的逸出，其塑性可以恢复。由于氢对焊接接头具有严重的有害作用，应在焊接前、焊接中、焊接后采取相应的去氢措施，以使焊接接头中的含氢量尽量减少。

a.焊接前采取的措施。焊丝和待焊处20mm范围内的铁锈、油污等脏物应清除干净；熔剂要保持干燥，避免受潮；根据母材，选择合适的焊丝。

b.焊接中采取的措施。尽量选择中性焰进行焊接；采用合适的焊接工艺参数，并在焊接过程中保持稳定；掌握合理、正确的焊接方法；焊前预热。

c.焊后应进行消氢处理。由于气焊焊缝金属的冷却速度比焊条电弧焊要慢，有利于氢和其他气体从熔池中逸出，从而获得无气孔焊缝和避免在热影响区产生氢致裂纹。

（3）氮的影响

①氮的来源　焊接时，焊接区周围的空气是焊缝金属中氮的主要来源。焊缝金属的含氮量，随着焊嘴离焊件距离的增加而增加，并随气焊火焰中氧与乙炔从混合比值的增高而增加。这是因为混合比值增高使火焰中的氧过剩，使火焰紊乱，引起空气的卷入和熔池的搅拌，故使焊缝金属的氮含量增加。此外，焊丝、熔剂和母材中所含的氮，在气焊时会熔入焊缝金属中形成氮化物；焊接气体纯度不高，例如氧气纯度不高或乙炔中有空气，在气焊时也会使氮进入熔池中。

②氮对焊缝金属的影响

a.氮是提高焊缝金属强度、降低其塑性和韧性的元素。

b.容易形成气孔。气焊时，当焊接区保护不良，就会使空气中的氮进入焊缝金属熔池中。由于氮在铁中的溶解度随着温度的降低而降低，从液相向固相转变时，溶解度急剧下降，在焊接时，由于熔池的冷却速度很快，且迅速结晶，这样，焊缝金属中过饱和的氮来不及逸出熔池，结果会形成氮气孔。因为氮不溶于液态铝，所以在焊接铝时不会出现氮气孔。

c.引起焊缝时效脆化。进入焊缝金属熔池中的氮，其中一部分在高温作用下，能和锰（Mn）、硅（Si）、铝（Al）、钛（Ti）、铁（Fe）等元素化合成为氮化物。在以上元素的氮化物中，除钛的氮化物不溶于熔池金属外，其他的氮化物均能溶于熔池中。这些氮化物在熔池结晶过程中一部分分布在固溶体内和晶界上，另一部分则以过饱和的形式存在于固溶体中，随着时间的延长，能在晶界处形成稳定的针状Fe4N，使焊缝金属的塑性和韧性大大下降，这种现象称为时效脆化。

③防止方法　氮在焊缝金属中也属于有害元素。在气焊时，要使火焰始终罩住熔池，不使空气中的氮与熔池接触；在焊前应选用氮含量很低的母材和焊丝；使用的氧气纯度高一些；乙炔中不要含有空气等。同时，尽量使熔池缓慢冷却，以便在熔池凝固之前，使氮气有充分的时间逸出，不易产生氮气孔，从而获得优良的焊缝。