hA焊縫及其熱影響區(qū)的組織和性能

1、第十一章 凝固缺陷與控制焊縫及其熱影響區(qū)的組織和性能1第一節(jié) 焊接及其冶金特點(diǎn)2焊接：通過(guò)加熱或加壓，或者兩者并用，用或不用填充材料，使兩個(gè)分離的工件(同種或異種金屬或非金屬，也可以是金屬與非金屬)產(chǎn)生原子(分子)間結(jié)合而形成永久性連接的工藝工程。物理本質(zhì)：獨(dú)立工件實(shí)現(xiàn)原子(分子)間結(jié)合，對(duì)金屬材料實(shí)現(xiàn)金屬鍵的結(jié)合。從金屬學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看：兩個(gè)被焊金屬連接件處與焊縫金屬形成共同晶粒。3焊接方法依據(jù)工藝特點(diǎn)分為：熔焊、壓焊和釬焊。熔焊(Fusion Welding)：局部加熱使連接處達(dá)熔化狀態(tài)，冷卻結(jié)晶形成晶粒。壓焊：加壓、摩擦、擴(kuò)散等物理作用克服表面的不平度，擠出氧化膜等污物，在固態(tài)條件下實(shí)現(xiàn)連接

2、。釬焊：用熔點(diǎn)低于母材的金屬材料做釬料，加熱溫度僅是釬料熔化而母材并不熔化。是釬料與母材的粘合。硬釬焊(熔點(diǎn)高于450)和軟釬焊(熔點(diǎn)低于450)之分。除加熱溫度較高的擴(kuò)散焊之外，無(wú)需保護(hù)措施。4熔焊焊接接頭的形成及其冶金過(guò)程熔焊焊接接頭的形成經(jīng)歷加熱、熔化、冶金反應(yīng)、凝固結(jié)晶、固態(tài)相變直至形成焊接接頭。亦可歸納為焊接熱過(guò)程、焊接化學(xué)冶金過(guò)程和焊接物理冶金過(guò)程三個(gè)相互交錯(cuò)進(jìn)行且彼此聯(lián)系的局部過(guò)程。見(jiàn)圖7-2(P137)焊接熱過(guò)程：整個(gè)焊接過(guò)程自始至終都是在焊接熱作用過(guò)程發(fā)生和發(fā)展的。焊接化學(xué)冶金過(guò)程：液態(tài)金屬、熔渣及氣相之間進(jìn)行一系列化學(xué)冶金反應(yīng)，如金屬的氧化、還原、脫磷、脫硫、合金化等。這些

3、反應(yīng)可以直接影響焊縫金屬、組織和性能。 5熔焊焊接接頭的形成及其冶金過(guò)程近年在化學(xué)冶金方面的研究重點(diǎn)：1 控制焊縫金屬中夾雜物的種類(lèi)、直徑大小，作為形核質(zhì)點(diǎn)細(xì)化焊縫金屬晶粒，提高焊縫的強(qiáng)度與韌性；2 向焊縫中加入微量合金元素(如Ti、Mo、Nb、V、Zr、B和RE等) 進(jìn)行變質(zhì)處理；3 適當(dāng)降低焊縫的含碳量，最大限度的排出焊縫中S、P、O、N、H 等雜質(zhì)，提高焊縫的韌性。4 計(jì)算機(jī)模擬 如對(duì)焊縫的化學(xué)成分和力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立數(shù)學(xué)模型。 6焊接物理冶金過(guò)程：焊接熱源作用焊材及母材局部熔化熱源移走金屬凝固結(jié)晶(原子近程有序遠(yuǎn)程有序) 溫度降低，同素異構(gòu)金屬固態(tài)相變熱影響區(qū)(Heat Aff

4、ected Zone, HAZ)：焊接過(guò)程中，焊縫周?chē)慈刍哪覆脑诩訜岷屠鋮s過(guò)程中，發(fā)生顯微組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域。該區(qū)主要發(fā)生物理冶金過(guò)程。焊接接頭由焊縫(Weld Metal)、熱影響區(qū)(HAZ)、熔合區(qū)(Fusion Zone)和母材(Base Metal)組成。熔焊焊接接頭的形成及其冶金過(guò)程7保證焊接接頭的措施：1 選擇合適的母材；選擇合適的焊材；3 控制焊接熱過(guò)程，保證焊縫金屬達(dá)到成分和組織要求及焊接接頭的力學(xué)性能；控制HAZ的組織轉(zhuǎn)變，使接頭滿足設(shè)計(jì)和使用要求；5 控制使焊接接頭性能下降且在局部加熱和冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的成分偏析、夾雜、氣孔、裂紋、催化等缺陷。熔焊焊接接頭的形成及其

5、冶金過(guò)程8焊接溫度場(chǎng)見(jiàn)“第二章凝固的溫度場(chǎng)”“第三節(jié) 熔焊過(guò)程溫度場(chǎng)”9第二節(jié) 焊縫金屬的組織與性能10一 焊接熔池的結(jié)晶 見(jiàn)“第五章 鑄件凝固組織及其控制”“第五節(jié) 焊接熔池凝固及控制”二 焊縫金屬的組織 焊縫金屬在連續(xù)冷卻過(guò)程中發(fā)生固態(tài)相變的類(lèi)型取決于化學(xué)成分及冷卻條件。 對(duì)碳鋼和低合金鋼焊縫，高溫奧氏體在不同溫度區(qū)間轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體、珠光體、貝氏體及馬氏體。11低碳鋼焊縫的室溫組織因含碳量較低，沿A晶界析出F，然后發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：AP(F+Fe3C)焊縫過(guò)熱時(shí)，可能出現(xiàn)魏氏組織，其特征是F在原A晶界呈網(wǎng)狀或沿原A晶粒內(nèi)部一定方向析出，具有長(zhǎng)短不一的針狀或片狀，亦可直接插入P晶粒之中。焊縫金屬是

6、一種多相組織，是晶界F、側(cè)板條F和P混合組織的總稱(chēng)。121 鐵素體(Ferrite)低合金鋼焊縫中F大體分為以下四類(lèi)：先共析F (Proeutectoid Ferrite,PF)，亦稱(chēng)晶界或粒界F(Grain Boundary Ferrite, GBF)，塊狀F-焊縫冷卻到較低高溫區(qū)間(770680)、沿A晶界首先析出的F。多以長(zhǎng)條形沿晶界擴(kuò)展，也以多邊形狀，互相連接沿晶分布。 是低屈服強(qiáng)度的脆弱相，使焊縫金屬韌性下降。低合金鋼焊縫的室溫組織13(2)側(cè)板條F (Ferrite Side Plate,FSP)，亦稱(chēng)無(wú)碳貝氏體(Carbon Free Binete, CFB) -焊縫冷卻到較低高

7、溫區(qū)間(700550)、比PF形成溫度稍低的F。多在晶界F的側(cè)面以板條狀向晶內(nèi)生長(zhǎng)，多呈鎬牙狀。有人認(rèn)為其屬魏氏組織，也有人由于其轉(zhuǎn)變溫度偏低稱(chēng)為無(wú)碳貝氏體。由于其位錯(cuò)密度比PF稍高，使焊縫金屬韌性顯著下降。低合金鋼焊縫的室溫組織14(3)針狀F (Acicular Ferrite,AF) -焊縫冷卻到更低500左右、在中等冷速下得到的F。在原A晶內(nèi)以針狀分布，寬度約為2m,長(zhǎng)寬比在3：15：1范圍內(nèi)常以彌散氧化物和氮化物夾雜物為形核質(zhì)點(diǎn)并放射性成長(zhǎng)。由于其位錯(cuò)密度更高，可以顯著改善焊縫的韌性，是提高焊縫金屬韌性的理想組織。低合金鋼焊縫的室溫組織15(4)細(xì)晶F (Fine Grain Fer

8、rite,FGF) ，又稱(chēng)貝氏體F (Binetic Ferrite)-焊縫冷卻到500以下、有細(xì)化晶粒的Ti、B等元素存在、在原A晶內(nèi)得到的F。如果在更低溫度下轉(zhuǎn)變(約450 )，可轉(zhuǎn)變?yōu)樯县愂象w。以上四種組織亦可在低碳鋼焊縫中出現(xiàn)，只是所含比例不同而已。低合金鋼焊縫的室溫組織162 珠光體(Pearite)在接近平衡狀態(tài)(如熱處理時(shí)的連續(xù)冷卻)低合金鋼中出現(xiàn)的組織，其轉(zhuǎn)變溫度大約在Ar1550之間出現(xiàn)。依細(xì)密程度可分為層狀P、粒狀P及細(xì)P。在焊接非平衡條件下，原子擴(kuò)散減緩，P來(lái)不及轉(zhuǎn)變，擴(kuò)大了F和B的區(qū)域。當(dāng)焊縫中有細(xì)化元素Ti、B時(shí)，P可被完全抑制。低合金鋼固態(tài)相變時(shí)很少得到P。P會(huì)增加

9、焊縫金屬?gòu)?qiáng)度，但其韌性往往下降。低合金鋼焊縫的室溫組織173 貝氏體(Bainite)屬中溫轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變溫度大約在550 Ms。依形成溫度區(qū)間及其特性可為上貝氏體(Upper B)和下貝氏體(Lower B)。上貝氏體的特征 光鏡下呈羽毛狀，多沿A晶界析出。電鏡下相鄰條狀晶的位相接近于平行，且在平行的條狀F間分布有Fe3C。其韌性較差。下貝氏體的特征 光鏡下與回火片狀M相似。電鏡下呈許多針狀F和針狀Fe3C的機(jī)械混合物。轉(zhuǎn)變溫度大約在450 Ms。下貝氏體具有強(qiáng)度和韌性均良好的綜合性能。低合金鋼焊縫的室溫組織184 馬氏體(Martensite)焊縫金屬含碳量較高或合金元素較多時(shí)，在快速冷卻條件

10、下，A過(guò)冷到Ms溫度以下發(fā)生該相的轉(zhuǎn)變。依含碳量不同可為板條狀M和片狀M。(1)板條狀M，又稱(chēng)位錯(cuò)型M，低碳M 常出現(xiàn)在低碳低合金鋼焊縫金屬中。其特征 在A晶粒內(nèi)部平行生長(zhǎng)成群的細(xì)條狀M板條。因含碳量較低，具有較高強(qiáng)度和良好韌性，抗裂紋能力強(qiáng)，綜合性能好。(2)片狀M，又稱(chēng)孿晶M，高碳M 焊縫金屬中wc0.4%時(shí)出現(xiàn)。該種相硬度高而脆，容易產(chǎn)生焊接冷裂紋，在焊縫中要避免。低合金鋼焊縫的室溫組織19WM-CCT圖焊接工作者為了專(zhuān)門(mén)預(yù)測(cè)低合金鋼焊縫制定的低合金鋼焊縫金屬連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖，即WM-CCT(Weld Metal Continuous Cooling Transformation)圖。

11、其分析原理及應(yīng)用與熱處理CCT相同。依此圖(與成分有關(guān))和焊接條件(決定冷卻曲線)，可以推斷焊縫金屬的組織與性能；反之，由焊縫的性能要求可以確定其組織組成，選擇母材與焊接材料，制定焊接參數(shù)。WM-CCT圖20三 焊縫金屬性能的控制1 焊縫合金化與變質(zhì)處理 合金化的目的是保證焊縫金屬的焊態(tài)強(qiáng)度與韌性。常采用固溶強(qiáng)化(Mn、Si等元素)、細(xì)晶強(qiáng)化(Ti、Nb、V等元素)、彌散強(qiáng)化(Ti、V、Mo等元素)、相變強(qiáng)化等措施。在焊接熔池中加入Ti、B、Zr、RE等元素起變質(zhì)作用，有效細(xì)化焊縫組織，提高韌性。工藝措施 除上述冶金措施外，還可以通過(guò)調(diào)整焊接參數(shù)的方法提高焊縫性能，如采取振動(dòng)結(jié)晶、焊后熱處理等

12、措施。21第三節(jié) 焊縫金屬的組織與性能22謝謝大家23高速電主軸在臥式鏜銑床上的應(yīng)用越來(lái)越多，除了主軸速度和精度大幅提高外，還簡(jiǎn)化了主軸箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，縮短了制造周期，尤其是能進(jìn)行高速切削，電主軸轉(zhuǎn)速最高可大10000r/min以上。不足之處在于功率受到限制，其制造成本較高，尤其是不能進(jìn)行深孔加工。而鏜桿伸縮式結(jié)構(gòu)其速度有限，精度雖不如電主軸結(jié)構(gòu)，但可進(jìn)行深孔加工，且功率大，可進(jìn)行滿負(fù)荷加工，效率高，是電主軸無(wú)法比擬的。因此，兩種結(jié)構(gòu)并存，工藝性能各異，卻給用戶提供了更多的選擇。 現(xiàn)在，又開(kāi)發(fā)了一種可更換式主軸系統(tǒng)，具有一機(jī)兩用的功效，用戶根據(jù)不同的加工對(duì)象選擇使用，即電主軸和鏜桿可相互更換使用。

13、這種結(jié)構(gòu)兼顧了兩種結(jié)構(gòu)的不足，還大大降低了成本。是當(dāng)今臥式鏜銑床的一大創(chuàng)舉。電主軸的優(yōu)點(diǎn)在于高速切削和快速進(jìn)給，大大提高了機(jī)床的精度和效率。 臥式鏜銑床運(yùn)行速度越來(lái)越高，快速移動(dòng)速度達(dá)到2530m/min，鏜桿最高轉(zhuǎn)速6000r/min。而臥式加工中心的速度更高，快速移動(dòng)高達(dá)50m/min，加速度5m/s2，位置精度0.0080.01mm，重復(fù)定位精度0.0040.005mm。 落地式銑鏜床銑刀 由于落地式銑鏜床以加工大型零件為主，銑削工藝范圍廣，尤其是大功率、強(qiáng)力切削是落地銑鏜床的一大加工優(yōu)勢(shì)，這也是落地銑鏜床的傳統(tǒng)工藝概念。而當(dāng)代落地銑鏜床的技術(shù)發(fā)展，正在改變傳統(tǒng)的工藝概念與加工方法，高速

14、加工的工藝概念正在替代傳統(tǒng)的重切削概念，以高速、高精、高效帶來(lái)加工工藝方法的改變，從而也促進(jìn)了落地式銑鏜床結(jié)構(gòu)性改變和技術(shù)水平的提高。 當(dāng)今，落地式銑鏜床發(fā)展的最大特點(diǎn)是向高速銑削發(fā)展，均為滑枕式(無(wú)鏜軸)結(jié)構(gòu)，并配備各種不同工藝性能的銑頭附件。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是滑枕的截面大，剛性好，行程長(zhǎng)，移動(dòng)速度快，便于安裝各種功能附件，主要是高速鏜、銑頭、兩坐標(biāo)雙擺角銑頭等，將落地銑鏜床的工藝性能及加工范圍達(dá)到極致，大大提高了加工速度與效率。 傳統(tǒng)的銑削是通過(guò)鏜桿進(jìn)行加工，而現(xiàn)代銑削加工，多由各種功能附件通過(guò)滑枕完成，已有替代傳統(tǒng)加工的趨勢(shì)，其優(yōu)點(diǎn)不僅是銑削的速度、效率高，更主要是可進(jìn)行多面體和曲面的加工，這是傳統(tǒng)加工方法無(wú)法完成的。因此，現(xiàn)在，很多廠家都競(jìng)相開(kāi)發(fā)生產(chǎn)滑枕式(無(wú)鏜軸)高速加工中心，在于它的經(jīng)濟(jì)性，技術(shù)優(yōu)勢(shì)很明顯，還能大大提高機(jī)床的工藝水平和工藝范圍。同時(shí)，又提高了加工精度和加工效率。當(dāng)然，需要各種不同型式的高精密銑頭附件作技術(shù)保障，對(duì)其要求也很高。 高速銑削給落地式銑鏜床帶來(lái)了結(jié)構(gòu)上的變化，主軸