焊接接頭的組織與性能

關于焊接接頭的組織與性能第1頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五

熔焊時，在高溫熱源的作用下，母材將發(fā)生局部熔化，并與熔化了焊絲金屬攪拌混合而形成焊接熔池。與此同時，進行了短暫而復雜的冶金反應。當焊接熱源離開以后，熔池金屬便開始凝固（結晶），如圖3-1。第2頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五熔池凝固過程的研究目的：熔池凝固過程對焊縫金屬的組織、性能具有重要影響。焊接工程中，由于熔池中的冶金條件和冷卻條件不同，可得到性能差異很大的組織。同時有許多缺陷是在熔池凝固的過程中產生的，如氣孔、夾雜、偏析和結晶裂紋等。另一方面，焊接過程是處于非平衡的熱力學條件，因此熔池金屬在凝固過程中會產生許多晶體缺陷，如點缺陷（空位和間隙原子）、線缺陷（位錯）和面缺陷（界面）。這些缺陷的發(fā)展嚴重影響焊縫的金屬的性能。第3頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五一、熔池凝固的特點1、熔池的凝固條件和特點1）結晶過程：晶核生成、晶核長大2）熔池的體積小、冷卻速度大熔池的體積最大只有30cm3，重量不超過100g。周圍冷金屬→冷速非常大，4100oC/s。鋼錠平均冷速（3150）10-4oC/s。第4頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五第三章熔池凝固與焊縫固態(tài)相變

2、熔池中的金屬處于過熱狀態(tài)

電弧焊條件下，熔池溫度1770100oC，熔滴2300200oC。鋼錠不超過1550oC。3、熔池在運動狀態(tài)下結晶第5頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五第三章熔池凝固與焊縫固態(tài)相變

二、熔池結晶的一般規(guī)律形核與長大過程在熔池狀態(tài)下，結晶過程規(guī)律？焊縫金屬結晶形態(tài)？

（一）熔池中晶核的形成均勻形核與非均勻形核。過冷度，形核功。焊接條件下，熔池中存在兩種現(xiàn)成表面：

一種是合金元素或雜質的懸浮質點

一種是熔合區(qū)附近半熔化的金屬界面晶粒表面（主要的非自發(fā)形核表面）。第6頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五第三章熔池凝固與焊縫固態(tài)相變

（二）熔池中的晶核長大

柱狀晶生長的形態(tài)與焊接條件密切相關，如焊接線能量、焊縫的位置、熔池的攪拌與振動等。粗大的柱狀晶第7頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五第三章熔池凝固與焊縫固態(tài)相變

五、焊縫金屬的化學成分不均勻性冷速快，化學成分擴散不充分→偏析（一）焊縫中的化學不均勻性成分偏析顯微偏析區(qū)域偏析層狀偏析晶界、亞晶界、樹枝晶之間雜質等在焊縫中心區(qū)域聚集結晶過程的周期性變化

層狀偏析往往聚集有害元素，也易于形成缺陷，尤其是氣孔→力學性能不均勻，抗腐蝕性下降，斷裂韌性降低等。第8頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五第三章熔池凝固與焊縫固態(tài)相變

（二）熔合區(qū)的化學不均勻性整個焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。易出現(xiàn)缺陷，裂紋等。1、熔合區(qū)的形成半熔化過渡狀態(tài)、熱傳播不均勻、晶粒的傳熱方向不同

第9頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五第三章熔池凝固與焊縫固態(tài)相變

2、熔合區(qū)寬度

材料的液—固溫度范圍、被焊材料自身的熱物理性質和組織狀態(tài)：被焊金屬的固相線溫度溫度梯度被焊金屬的液相線溫度第10頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五第三章熔池凝固與焊縫固態(tài)相變

低合金鋼熔合區(qū)附近的溫度梯度約為300～80oC/mm，液固相線溫度差約40oC，因此，一般電弧焊條件下，熔合區(qū)寬度為：

A=40/（300～80）=0.133～0.50（mm）奧氏體鋼電弧焊：A=0.06～0.12mm**熔合區(qū)的寬度對焊縫性能影響很大。由于焊接工藝的因素，當熔合區(qū)寬度大時，焊縫的整體性能下降。如奧氏體不銹鋼的熔合區(qū)寬度在0.1mm時，對不銹鋼焊接接頭的抗腐蝕性影響不大；但當該寬度較大，達到接近1mm時，則焊接接頭的耐蝕性顯著下降，甚或出現(xiàn)裂紋。第11頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五第三章熔池凝固與焊縫固態(tài)相變

3、熔合區(qū)的成分分布成分嚴重不均勻→性能下降

熔合區(qū)固液界面附近元素（溶質）的濃度分布決定于該元素在固、液相中的擴散系數(shù)和分配系數(shù)。*異種鋼焊接時，特別注意這一問題。很多焊接接頭的早期失效與此有關。第12頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五

分析焊縫和熔合區(qū)的化學不均勻性,為什么會形成這種不均勻性?

1、從冷態(tài)開始到加熱熔化，形成熔池的溫度可達2000℃以上，母材又是冷態(tài)金屬，兩者溫差巨大。并且隨熱源的移動局部受熱區(qū)也在不斷移動，造成組織轉變差異和整個接頭組織不均勻。2、焊接熔池體積小，焊縫金屬從熔化到凝固只有幾秒鐘時間。在如此短時間內，冶金反應是不平衡的，使焊縫金屬的成分分布不均勻，有時區(qū)域偏析很大。

3、焊接過程中溫度高，液體金屬蒸發(fā)，化學元素燒損，有些元素在焊縫金屬和母材金屬之間相互擴散，近縫區(qū)各段所處的溫度不同，冷卻后焊接區(qū)的顯微組織差別極大。

第13頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五第三章熔池凝固與焊縫固態(tài)相變

第二節(jié)焊縫固態(tài)相變一、低碳鋼焊縫的固態(tài)相變含碳量低→鐵素體+珠光體。特點：組織粗大，過熱時鐵素體中有粗大魏氏組織一次結晶組織：粗大的柱狀晶第14頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五改善措施：1)多層焊：使焊縫獲得細小和少量珠光體，使柱狀晶組織破壞。2)焊后熱處理：加熱A3+20~30%消失柱狀晶。3)冷卻速度：冷卻速度↑，硬度↑第15頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五16二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織

低合金鋼焊縫二次組織，隨匹配焊接材料化學成分和冷卻條件的不同，可由不同的組織。以F為主，P、B、M占次要地位。以F為主，F(xiàn)越細小，則韌脆轉變溫度越低，一般以V型缺口沖擊試件斷口中纖維區(qū)占50%時的溫度VTS為判斷.第16頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五第三章熔池凝固與焊縫固態(tài)相變

（一）鐵素體鐵素體的形態(tài)不同：1、先共析鐵素體ProeutectoidFerrite(PF)

粒界鐵素體GrainBoundaryFerrite(GBF)2、側板條鐵素體FerriteSidePlate(FSP)3、針狀鐵素體AcicularFerrite(AF)4、細晶鐵素體FineGrainFerrite(FGF)第17頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五（1）粒界鐵素體(GBF)(先共析鐵素體PF)

先共析鐵索體(PF)——是沿原奧氏體晶界析出的鐵素體。先共析鐵素體也稱晶界鐵素體。有的沿晶界呈長條狀擴展，有的以多邊形形狀互相連結沿晶界分布。在高溫區(qū)發(fā)生γ→α，相變時優(yōu)先形成，因晶界能量較高而易于形成新相核心。先共析鐵素體的位錯密度較低。第18頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五（2）側板條鐵素體（FSP）生成于700一500℃

是由晶界向晶內擴展的板條狀或鋸齒狀鐵素體，實質是魏氏組織。其長寬比在20：１以上。側板條鐵素體在低合金鋼焊縫中不一定總是存在，但出現(xiàn)的機會比母材多。當先共析鐵素體和側板條鐵素體長大時，其γ／α界面上γ一側的碳濃度增加，極為接近共析成分，故γ易分解為珠光體而出現(xiàn)于側板條鐵素體的間隙之中。側板條鐵素體晶內位錯密度大致和先共析塊素體相當或稍高一些。第19頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五第三章熔池凝固與焊縫固態(tài)相變

側板條鐵素體FerriteSidePlate(FSP)第20頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五（3）針狀鐵素體（AF）

出現(xiàn)于原奧氏體晶內的有方問性的細小鐵素體．寬約2μm左右，長寬比多在3：1以至10：1的范圍內。針狀鐵素體可能是以氧化物或氮化物(如TiO或TiN)為基點，呈放射狀生長，相鄰AF間的方位差為大傾角，其間隙存在有滲碳體或馬氏體，多半是M－A組元，決定于合金化程度。針狀鐵素體晶內位錯密度較高，為先共析鐵素體的2倍左右。位錯之間也互相纏結，分布也不均勻，但又不同于經受劇烈塑性形變后出現(xiàn)的位錯形態(tài)。第21頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五（4）細晶鐵素體(FGF)、(貝氏體鐵素體)生成于450℃以下。板條間為小傾角，板條內的位錯密度很高。如在用不同強度級別焊條所焊接的焊縫，J507焊條的焊縫中有FSP，其間存在的確為珠光體，未見M－A；J707焊條的焊縫中，出現(xiàn)的是塊狀M－A組元；J807焊條的焊縫中已無PF，M—A組元呈顆粒狀；J907焊條的焊縫中，因合金化程度提高而出現(xiàn)板條狀馬氏體，部分M－A組元由顆粒狀變成條狀。第22頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五針狀鐵素體AcicularFerrite(AF)FGF+P第23頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五P+F粒P+AF（二）珠光體沒有什么變化。第24頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五（三）貝氏體對焊縫性能影響很復雜。粒貝羽狀Bu+板M第25頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五板M與M-AM+M-A（四）馬氏體有淬硬傾向的鋼，焊后冷卻時可能形成馬氏體。冷裂紋形成概率增大第26頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五第三章熔池凝固與焊縫固態(tài)相變

第四節(jié)焊縫性能的控制一、焊縫金屬的固溶強化和變質處理

合金元素的作用，復雜。結合具體的鋼種、焊接方法和焊接工藝規(guī)范具體分析。

微合金化，Mo、V、Ti、Nb、B、Zr、Al和稀土，細化晶?！鷱婍g性提高。（一）Mn和Si對焊縫性能的影響

低碳鋼和低合金鋼焊縫中不可缺少的元素焊縫金屬充分脫氧提高焊縫的抗拉強度（固溶強化）第27頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五第三章熔池凝固與焊縫固態(tài)相變

w(Mn)=0.8%～1.0%時，焊縫沖擊吸收功最高第28頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五第三章熔池凝固與焊縫固態(tài)相變

焊縫中w(Mn)0.8%，w(Si)0.10%，組織為粗大的先共析鐵素體（PF）w(Mn)1.0%，w(Si)0.10%，組織為粗大的側板條鐵素體（FSP）w(Mn)=0.8～1.0%，w(Si)=0.10～0.25%，組織為細晶鐵素體（FGF）和針狀鐵素體（AF），韌性最好（-20oCAKV100J）

加入細化晶粒地合金元素，進一步改善組織，提高焊縫韌性第29頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五第三章熔池凝固與焊縫固態(tài)相變

（二）Nb和V對焊縫韌性的影響適量的Nb和V可以提高焊縫沖擊韌性。改善組織，得到細小的AF。w(Nb)=0.03～0.04%，w(V)=0.05～0.10%時，焊縫韌性良好。

形成難熔的氮化物（NbN、VN），固定焊縫中的N，韌性提高。

合適的焊后熱處理。必要焊后不再熱處理，強烈的共格沉淀強化作用，強度大幅度提高，韌性下降第30頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五第三章熔池凝固與焊縫固態(tài)相變

（三）Ti、B對焊縫韌性的影響大幅度提高焊縫韌性（1）TiO

親和力很大，TiO微小顆粒彌散分布，細化晶粒（2）最佳含量焊縫化學成分：w(C)=0.11～0.14%，w(Si)=0.20～0.35%，w(Mn)=1.2～1.5%，w(O)=0.027～0.032%，w(N)=0.0028～0.0055%，

w(Ti)=0.01～0.02%，w(B)=0.0020～0.0060%。第31頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五第三章熔池凝固與焊縫固態(tài)相變

第32頁，共37頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五第三章熔池凝固與焊縫固態(tài)相變

（3）Ti保護B不被氧化。原子B偏聚于晶界(rB=9.8nm)，降低晶界能，抑制PF(GBF和F