焊接冶金原理04熔池凝固與焊縫組織3課件

1、第4章熔池凝固與焊縫組織4.1 焊接熔池的結(jié)晶形核4.2 焊接熔池的晶核長(zhǎng)大4.3 焊縫的凝固組織4.4 焊縫金屬的不均勻性4.5 焊縫金屬的固態(tài)轉(zhuǎn)變4.3 焊縫組織的不均勻性 焊縫金屬的不均勻性包括化學(xué)成分的不均勻性、氣孔和夾雜等，均屬于凝固缺陷，對(duì)焊縫力學(xué)性能有負(fù)面影響4.3.1凝固偏析完全平衡凝固時(shí)固、液相中的成分變化固相中無擴(kuò)散、液相中部分?jǐn)U散條件下凝固時(shí)固、液相中的成分變化4.4.2 焊縫金屬的化學(xué)成分不均勻性化學(xué)成分不均勻性焊縫熔合區(qū)（第五章）顯微偏析區(qū)域偏析層狀偏析 焊接熔池體積小、冷卻速度快的特點(diǎn)決定了焊縫金屬凝固過程中固液金屬成分差異很大，導(dǎo)致偏析。1、顯微偏析 所謂顯微偏析

2、通常是指晶粒尺度層面的成分偏析現(xiàn)象，最典型的顯微偏析是晶界相對(duì)于晶粒內(nèi)部的成分偏析，因此也稱晶間偏析。Al-Li合金脈沖鎢極氬弧焊焊縫中Cu的晶界偏析： (a)背散射照片；(b)Cu的面分布18-10不銹鋼熔化極氣體保護(hù)電弧焊焊縫中S和P的晶界偏析： (a)S；(b)P顯微偏析的影響因素1）熔池結(jié)晶條件：熔池以樹枝晶長(zhǎng)大時(shí)，先結(jié)晶的柱狀晶溶質(zhì)濃度低，后結(jié)晶的枝晶溶質(zhì)濃度高，相鄰的枝晶間溶質(zhì)濃度最高；2）溶質(zhì)元素的性質(zhì)：平衡分配系數(shù)（k）和擴(kuò)散系數(shù)（D）。一般地，對(duì)于k1的合金系，溶質(zhì)的平衡分配系數(shù)越小、擴(kuò)散系數(shù)越小，顯微偏析程度越趨于嚴(yán)重；3）冷卻速率較為復(fù)雜。冷卻速度對(duì)鎂合金注鑄錠Ca的顯微

3、偏析的影響Mg-Ca合金Mg-Mn-Al-Ca合金K是表征偏析程度的系數(shù)，稱為偏析度：晶界溶質(zhì)濃度晶軸溶質(zhì)濃度 焊縫金屬的區(qū)域偏析是指焊縫中的化學(xué)成分區(qū)域性的不均勻，主要指焊縫中心區(qū)域成分明顯區(qū)別于焊縫其它區(qū)域的現(xiàn)象。熱輸入低，而焊接速度又較大時(shí)，焊縫中心區(qū)域偏析最嚴(yán)重。2、區(qū)域偏析低線能量/較高速焊接時(shí)焊縫中心的區(qū)域偏析示意圖3、層狀偏析 層狀偏析是指焊縫中的成分或雜質(zhì)呈現(xiàn)層狀分布的一種現(xiàn)象。焊縫斷面經(jīng)浸蝕之后，經(jīng)?？梢钥吹匠煞殖拭黠@的層狀分布。Inconel 718合金熔化極氣體保護(hù)電弧焊焊縫中的層狀偏析X7106鋁合金鎢極氬弧焊焊縫中的層狀分布?xì)饪自颍耗趟俾实闹芷谛宰兓嵩匆苿?dòng)、熔

4、滴過渡、結(jié)晶潛熱）4、焊縫金屬化學(xué)成分不均勻性的調(diào)控調(diào)控焊縫凝固組織的措施，包括變質(zhì)處理、焊接工藝優(yōu)化、超聲振動(dòng)和電磁攪拌等都同時(shí)對(duì)化學(xué)成分的均勻化有良好的作用；焊接工藝參數(shù)（如焊接速度、焊接線能量等）對(duì)焊接熔池的凝固結(jié)晶行為有重要影響。恰當(dāng)?shù)暮附庸に嚳梢垣@得細(xì)小的等軸晶組織，從而減小化學(xué)成分的不均勻性，而不恰當(dāng)?shù)暮附庸に嚳赡苄纬纱执蟮闹鶢罹ЫM織，甚至兩側(cè)柱狀晶在焊縫中心線交匯，形成嚴(yán)重的區(qū)域偏析和結(jié)晶裂紋。4.4.3焊縫中的氣孔表面氣孔內(nèi)部氣孔球形氣孔條形氣孔蟲形氣孔氫氣孔氮?dú)饪滓谎趸獨(dú)饪锥趸細(xì)饪捉饘僬羝麣饪孜龀鲂蜌饪追磻?yīng)型氣孔金屬蒸汽氣孔按分布分類按形狀分類按產(chǎn)生氣孔氣體的種類分類按

5、形成機(jī)理分類1、氣孔的分類析出型氣孔析出型氣孔是由于高溫下熔池金屬中氣體的溶解度隨溫度的降低急劇下降，析出的氣體來不及逸出而形成，常見的是氫氣孔和氮?dú)饪?，其中尤以氫氣孔最為常見。AA 1100 鋁合金激光焊焊縫中的析出型氫氣孔反應(yīng)型氣孔反應(yīng)型氣孔是指由焊接過程中的冶金反應(yīng)產(chǎn)生的不溶于熔池金屬的反應(yīng)性氣體而形成的一類氣孔。常見的反應(yīng)型氣體主要有CO和H2O等，它們基本不溶于熔池金屬金屬蒸氣孔焊接熔池的金屬蒸氣有時(shí)也可能在焊縫中形成氣孔離焦量(mm)焊接速度(m/min)焊接速度和離焦量對(duì)鎳基合金激光焊焊縫縱剖面氣孔情況的影響AA 1100 鋁合金激光焊焊縫中的金屬蒸氣孔2、氣孔的控制措施消除氣體

6、來源 加強(qiáng)保護(hù)、焊接材料烘干、焊前清理。正確選擇焊接材料 氧化性強(qiáng)的焊劑會(huì)增加CO氣孔的傾向，而減小氫氣孔的形成傾向，堿性焊條（加入氟化物）可減小氫氣孔的傾向。優(yōu)化焊接工藝 工藝參數(shù)、極性、脈沖電流、電磁攪拌4.4.4焊縫中的夾雜 焊縫中的夾雜指焊縫中的雜質(zhì)，一般是指焊縫金屬中正常相組成之外的固態(tài)物質(zhì)。1、夾雜的分類與形成機(jī)理氧化物夾雜 氧化物主要在熔池的冶金反應(yīng)過程中形成，只有少數(shù)因焊接操作不當(dāng)，在液態(tài)熔池金屬內(nèi)混入熔渣而形成（稱為“夾渣”）富Si相變誘發(fā)塑性鋼鎢極氬弧焊（GTA）焊縫中的氧化物夾雜SEM照片氮化物夾雜 當(dāng)焊接保護(hù)不良，空氣中的氮侵入熔池時(shí)，焊縫中有可能出現(xiàn)氮化物夾雜。低碳鋼

7、和低合金鋼焊縫氮化物夾雜主要是Fe4N，常以針狀形態(tài)存在。氮化物夾雜通常使焊縫的硬度增大，而塑形和韌性顯著降低。硫化物夾雜 硫化物夾雜主要存在于鋼焊縫中，主要來源于焊條藥皮和焊劑，當(dāng)母材或焊接材料中硫的含量偏高時(shí)也會(huì)促進(jìn)焊縫中形成硫化物夾雜。焊縫中的硫化物夾雜主要有MnS和FeS，其中尤以FeS對(duì)焊縫性能危害最大，其主要原因是FeS沿晶界析出，與Fe或FeO形成低熔共晶，降低焊縫性能、促進(jìn)熱裂紋的形成2.25Cr-1Mo鐵素體鋼鎢極氬弧焊焊縫裂紋面富鉻硫化物夾雜：(a) 三個(gè)晶粒交界處裂紋面(b) 階梯區(qū)的放大(c) 大的基體夾雜(d) 晶間亞微米夾雜abcd2、夾雜的控制措施夾雜的預(yù)防主要從

8、材料和工藝兩方面考慮：在材料方面，應(yīng)控制母材和焊接材料中硫和磷的含量，合理選擇焊條、焊劑等焊接材料，以保證焊接過程中能夠充分脫氧、脫硫；在焊接工藝方面，應(yīng)加強(qiáng)焊接保護(hù)，防止空氣侵入熔池，并優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，以利于熔渣的浮出。多層焊時(shí)，應(yīng)注意層間清渣。4.5 焊縫金屬的固態(tài)相變4.5.1 低碳鋼和低合金鋼焊縫固態(tài)轉(zhuǎn)變的類型1、鐵素體轉(zhuǎn)變先共析鐵素體（Proeutectoid Ferrite，PF）特點(diǎn)：1）轉(zhuǎn)變溫度高，770680；2）沿奧氏體晶界析出，晶界鐵素體（ Grain Boundary Ferrite，GBF ）；形態(tài)：條狀分布在奧氏體晶界，有時(shí)也以塊狀出現(xiàn)，塊狀鐵素體影響因素：與鋼的

9、化學(xué)成分和焊接條件（焊接熱循環(huán)的冷卻條件）有關(guān)，一般而言，高溫停留時(shí)間越長(zhǎng)，冷卻速度越慢，先共析鐵素體越多16Mn鋼雙絲半自動(dòng)埋弧焊焊縫柱晶區(qū)先共析鐵素體15MnVN鋼焊條電弧焊等軸晶區(qū)先共析鐵素體側(cè)板條鐵素體(Ferrite Side Plate，F(xiàn)SP) 20鋼等離子弧焊焊縫中的側(cè)板條鐵素體焊縫中心等軸晶區(qū)焊縫柱晶區(qū)特點(diǎn)：1）形成溫度比GBF稍低，約在700550 ；2）奧氏體晶界先共析鐵素體的側(cè)面以板條狀向奧氏體晶內(nèi)成長(zhǎng)，板條的長(zhǎng)寬比約為20:1，從形態(tài)上看如鎬牙狀。針狀鐵素體(Acicular Ferrite，AF)特點(diǎn)：形成溫度比側(cè)板條鐵素體更低些(約在500附近形成)，大部分在奧氏

10、體晶內(nèi)形成，常以某些質(zhì)點(diǎn)（主要是氧化物夾雜）為核心放射性成長(zhǎng)。針狀鐵素體的增加可以顯著改善焊縫金屬的力學(xué)性能。焊條電弧焊Fe-Cr-C 低合金焊縫金屬中的針狀鐵素體焊條電弧焊C-Mn-Ni 低合金焊縫金屬中針狀鐵素體內(nèi)的氧化物夾雜核心細(xì)晶鐵素體（Fine grain Ferrite，F(xiàn)GF）當(dāng)鋼中有細(xì)化晶粒的元素如（Ti，B等）存在且轉(zhuǎn)變溫度較低時(shí)，在奧氏體晶內(nèi)可形成細(xì)小的鐵素體，在細(xì)晶之間有Fe3C析出。從其本質(zhì)來講，細(xì)晶是介于鐵素體與貝氏體之間的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，故又稱為貝氏鐵素體（Bainitic Ferrite）。細(xì)晶鐵素體的轉(zhuǎn)變溫度通常在500以下，如果在更低的溫度轉(zhuǎn)變（約445）可轉(zhuǎn)變?yōu)樯?/p>

11、貝氏體。16Mn鋼手工電弧焊多層焊焊縫層間細(xì)晶鐵素體含鈮（Nb）低合金管線鋼焊縫中的細(xì)晶鐵素體2、珠光體轉(zhuǎn)變 在緩慢冷卻條件下珠光體轉(zhuǎn)變大體發(fā)生在Ar1550之間，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是鐵素體和滲碳體的兩相混合物。根據(jù)組織中滲碳體的形態(tài)，可分為片狀珠光體和粒狀珠光體兩種。 片狀珠光體隨冷速增大，轉(zhuǎn)變溫度降低（過冷度增大），片層間距減小。根據(jù)片層間距的大?。ㄆ瑢蛹?xì)密程度），片狀珠光體又可分為片狀珠光體（Lamellar Pearlite）、索氏體(Sorbite)和屈氏體(Tyusite)三種。低碳鋼氣體保護(hù)電弧焊（GMAW）焊縫金屬（添加Nb）中的珠光體片狀珠光體（1020 2h正火）索氏體（920 2

12、h正火）3、貝氏體轉(zhuǎn)變奧氏體化的鋼過冷到Bs（約550） Ms溫度范圍進(jìn)行等溫將發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。貝氏體轉(zhuǎn)變是中溫轉(zhuǎn)變，一種介于擴(kuò)散性珠光體轉(zhuǎn)變與非擴(kuò)散性馬氏體轉(zhuǎn)變之間的中間轉(zhuǎn)變。按照貝氏體的生成溫度區(qū)間和形貌（結(jié)構(gòu)）特征可分為上貝氏體、下貝氏體和粒狀貝氏體。光學(xué)顯微鏡掃描電鏡透射電鏡1）上貝氏體組織形態(tài)：似羽毛狀，鐵素體大致平行，取向差約為68 ，滲碳體分布于鐵素體板條之間，沿長(zhǎng)軸方向成短竿狀、鏈狀或粒狀不連續(xù)排列；形成條件：550350區(qū)域轉(zhuǎn)變產(chǎn)物；力學(xué)性能：沖擊韌性較差，生產(chǎn)上應(yīng)力求避免。2）下貝氏體組織形態(tài)：在顯微鏡下呈黑色針狀，各針之間有一定的交角，電鏡下可以見到，在片狀鐵素體基體中分

13、布有很細(xì)的碳化物片，它們大致與鐵素體片的長(zhǎng)軸成5560的角度；形成條件：350Ms區(qū)域轉(zhuǎn)變產(chǎn)物；力學(xué)性能：沖擊韌性較好。光學(xué)顯微鏡掃描電鏡透射電鏡3）粒狀貝氏體組織形態(tài)：塊狀鐵素體和島狀的富碳奧氏體組成，島狀富碳奧氏體根據(jù)冷卻條件和奧氏體穩(wěn)定性的不同（1）部分或全部分解為鐵素體和碳化物，（2）部分富碳奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，出現(xiàn)馬氏體+殘余奧氏體組織，稱為M-A組元（可能性最大），（3）富碳奧氏體全部保留至室溫。形成條件：低碳或中碳合金鋼，一定速度連續(xù)冷卻，稍高于上貝氏體形成溫度力學(xué)性能：強(qiáng)度最低，仍有較好的韌性光學(xué)顯微鏡掃描電鏡透射電鏡M-AM-AF上貝氏體下貝氏體粒狀/條狀貝氏體下貝氏體中針狀

14、鐵素體內(nèi)的碳化物4、馬氏體轉(zhuǎn)變當(dāng)焊縫的含碳量偏高或合金元素較復(fù)雜時(shí)，在快速冷卻的條件下，奧氏體過冷到M 溫度以下將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。馬氏體轉(zhuǎn)變是典型的非擴(kuò)散型相變，此時(shí)鐵原子和碳原子都不能擴(kuò)散，相變過程中完全依靠切變進(jìn)行點(diǎn)陣重構(gòu)，沒有成分變化，因此，馬氏體也被視為碳在 中的過飽和固溶體。按組織形態(tài)分類，馬氏體主要有板條馬氏體（低碳馬氏體）和片狀馬氏體兩種（高碳馬氏體）。焊縫板條馬氏體組織焊縫板條馬氏體顯微結(jié)構(gòu)低碳低合金焊縫金屬在連續(xù)冷卻條件下，常出現(xiàn)板條馬氏體。其主要原因是低碳鋼的M 點(diǎn)較高，引起滑移所需要的臨界應(yīng)力較低，點(diǎn)陣重構(gòu)的切變主要以滑移方式進(jìn)行，滑移形成高位錯(cuò)密度的板條狀馬氏體。板條馬

15、氏體的結(jié)構(gòu)與形態(tài)特征是在奧氏體晶粒的內(nèi)部形成幾束馬氏體板條，束與束之間具有一定的交角；在透射電鏡下觀察可以看到，板條馬氏體內(nèi)位錯(cuò)密度較高，因此，這種馬氏體又稱位錯(cuò)型馬氏體；由于這種馬氏體含碳量低，故也稱低碳馬氏體。低碳馬氏體不僅具有較高的強(qiáng)度，同時(shí)也具有良好的韌性。當(dāng)焊縫中含碳量（或碳當(dāng)量）較高(C0.4)時(shí)將會(huì)出現(xiàn)片狀馬體。片狀馬氏體又稱高碳馬氏體，此時(shí)，由于M 點(diǎn)較低，引起孿生所需要的臨界切應(yīng)力較低，點(diǎn)陣重構(gòu)的切變主要以孿生方式進(jìn)行，從而形成含有大量孿晶的片狀馬氏體。焊縫片狀馬氏體組織片狀馬氏體中的孿晶帶低碳鋼和低合金鋼焊縫固態(tài)轉(zhuǎn)變的分類及其組織形態(tài)和顯微結(jié)構(gòu)4.5.2 低碳鋼和低合金鋼焊

16、縫的固態(tài)轉(zhuǎn)變組織1、低碳鋼焊縫的固態(tài)組織轉(zhuǎn)變低碳鋼焊縫含碳量較低，其固態(tài)轉(zhuǎn)變組織相對(duì)簡(jiǎn)單，通常都是鐵素體加少量珠光體。鐵素體與珠光體的相對(duì)量與鋼的含碳量及冷卻速度有關(guān)，一般地說，隨冷卻速度提高焊縫珠光體增加、硬度增加而塑性降低焊縫冷卻速度(/s) 焊縫組織（%） 焊縫硬度 （HV） 鐵素體 珠光82 79 65 61 40 38 18 21 35 39 60 621651671851952052282、低合金鋼焊縫的固態(tài)轉(zhuǎn)變組織低合金鋼焊縫的固態(tài)轉(zhuǎn)變組織比較豐富，隨焊接材料化學(xué)成分和焊接條件（熱循環(huán)條件）的不同，各種固態(tài)轉(zhuǎn)變類型及其組織在低合金鋼焊縫中均有出現(xiàn)的可能，

17、一般情況下是幾種組織（相）的混合組織。由于焊縫含碳量普遍低于母材，在多數(shù)情況下低合金鋼焊縫組織仍以鐵素體和珠光體為主，但在高強(qiáng)鋼焊縫中，也會(huì)有貝氏體甚至馬氏體組織。鋼的連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖（CCT圖）原理一樣，焊縫金屬的固態(tài)轉(zhuǎn)變組織可以借助“焊縫金屬連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖”（簡(jiǎn)稱“WM-CCT圖”）來進(jìn)行預(yù)測(cè)3、低合金鋼焊縫固態(tài)轉(zhuǎn)變組織的影響因素合金元素合金元素和氧含量對(duì)低合金鋼焊縫固態(tài)轉(zhuǎn)變行為的影響隨著合金元素含量的增加，連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖將向較長(zhǎng)的時(shí)間和較低的溫度方向移動(dòng)，亦即意味著隨合金元素增加，在相同冷卻速度條件下，焊縫更容易得到較低溫度的轉(zhuǎn)變組織（如貝氏體、馬氏體等）焊縫金屬Ti含量對(duì)API 5L-X70 管線鋼埋弧焊焊縫組織結(jié)構(gòu)的影響0.004Ti0.02Ti0.05Ti0.09Ti含氧量合金元素和氧含量對(duì)低合金鋼焊縫固態(tài)轉(zhuǎn)變行為的影響焊縫中的氧對(duì)連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖的位置有明顯影響，隨氧含量的增加，CCT 圖或WM-CCT圖會(huì)向較短的時(shí)間