焊縫的成分、組織與性能

3焊接接頭的組織及性能熔池焊縫的成分焊縫的組織焊縫的性能3.1焊縫的成分、組織與性能熔池的形狀HmaxLBmaxP2:比例常數(shù)；q:電弧功率q=IU熔池的形狀和尺寸與焊接規(guī)范有關(guān)。提高焊接電流，熔池的最大熔深Hmax增加，最大寬度Bmax減?。惶岣吆附与妷?，熔池的最大熔深Hmax減小，最大寬度Bmax增加；熔合比局部熔化的母材金屬在焊縫金屬中所占的比例basemetaldepositedmetalFbFdd不同時(shí)，即使采用相同的焊材，焊縫的成分亦不相同焊縫的成分通常填充金屬的成分與母材是不同的，特別是在異種接頭或合金堆焊時(shí)。當(dāng)堆焊金屬的合金成分主要來自于填充金屬時(shí)，局部熔化的母材在焊縫中的效果可認(rèn)為是稀釋。故熔合比又稱稀釋率。不考慮焊接冶金反應(yīng)的焊縫成分計(jì)算焊縫中某種元素的濃度為母材中該元素的濃度焊接材料中該元素的濃度焊縫實(shí)際成分因?yàn)楹附右苯鸱磻?yīng)，焊材中的合金元素會(huì)有一定量的損失，熔池中熔化的母材也會(huì)有燒損。故有元素的過渡系數(shù)μ凡是對氧親合力大的元素，μ則小。1800℃時(shí)各元素對氧的親合力順序?yàn)椋?/p>

Al-Zr-Mg-C-B-Ti-Si-V-Mn-Nb-Cr-Fe-Mo-W-P-S-Co-Ni-Cu活性元素惰性元素影響焊縫成分的因素熔合比dd∝通過焊絲、焊劑（藥皮）、母材滲合金時(shí)，合金元素的過渡系數(shù)是不同的，依次為：

母材、焊絲、焊劑（藥皮）d焊縫成分的變化，常常是有益元素的燒損，有害雜質(zhì)的增多如：Ｍn、Si、C↓N↑27倍、Ｏ↑9倍、Ｈ↑1～2倍焊接方法及焊接工藝規(guī)范電弧氣氛的氧化性，保護(hù)氣體，規(guī)范參數(shù)I、U、v

如：I↑燒損↑，埋弧焊Ｉ從150↑180A，則[Mn]w從0.57%↓0.40%焊縫的組織焊縫是由熔池凝固結(jié)晶形成的；焊縫形成后還會(huì)發(fā)生固態(tài)相變；焊縫的組織由熔池的凝固結(jié)晶過程和焊縫的固態(tài)相變過程決定。熔池的體積小，冷卻速度大在一般電弧焊條件下，熔池的體積最大只有30cm3,質(zhì)量不超過100g，冷卻速度平均為4~100℃/s。因此，對于含碳量高、含合金元素較多的鋼種，易產(chǎn)生淬硬組織。由于冷卻很快，溫度梯度大，使焊縫中柱狀晶得到很大的發(fā)展。熔池結(jié)晶的特點(diǎn)熔池中的液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài)對于低碳鋼或低合金鋼來講，在一般電弧焊條件下，熔池的平均溫度可達(dá)1700±100℃，而熔滴溫度更高，為2300±200℃。由于液態(tài)金屬的過熱度較大，合金元素的燒損比較嚴(yán)重，熔池非自發(fā)晶核的質(zhì)點(diǎn)大為減少，也促使焊縫柱狀晶的發(fā)展。熔池在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下凝固在熱源作用下，熔池的前半部熔化的同時(shí)，熔池的后半部開始凝固。同時(shí)，熔池是隨著焊接熱源一起運(yùn)動(dòng)的。此外，在焊接條件下，熔池在各種力的作用下被攪拌，這對于排除氣體、夾雜及焊縫成分均勻化都是有利的。熔池金屬結(jié)晶的形態(tài)合金元素或雜質(zhì)的懸浮質(zhì)點(diǎn)為了細(xì)化焊縫晶粒，有時(shí)在焊接材料中加入一定的合金元素，如Mo、V、Ti、Nb等，作為非自發(fā)晶核質(zhì)點(diǎn)。交互結(jié)晶熔合區(qū)半熔化晶粒表面，在此表面上非自發(fā)形核，形成所謂交互結(jié)晶，或稱聯(lián)生結(jié)晶。熔池凝固以非自發(fā)晶核為主聯(lián)生結(jié)晶焊縫中的晶體形態(tài)主要是柱狀晶和少量的等軸晶。結(jié)晶形態(tài)的不同，是由于金屬的純度和散熱條件的不同所致。合金結(jié)晶時(shí)，由于成分過冷，在過冷度不是很大的情況下就可出現(xiàn)樹枝狀晶。根據(jù)成分過冷理論，熔池結(jié)晶可能出現(xiàn)以下五種形態(tài)。成分過冷constitutionalsupercoolingTx實(shí)際溫度實(shí)際結(jié)晶溫度因合金的選分結(jié)晶，已結(jié)晶的固體前沿低熔點(diǎn)物質(zhì)多，造成成分過冷。1）平面晶當(dāng)液相溫度高于固相溫度，溫度梯度G很大時(shí)，G不與實(shí)際結(jié)晶溫度線T相交，因此不出現(xiàn)成分過冷現(xiàn)象。此時(shí)結(jié)晶所釋放的熱量向界面后方的固體散去，使結(jié)晶界面緩慢地向前推移，結(jié)晶呈平面形態(tài)，稱為平面晶。這種平面結(jié)晶多發(fā)生在高純度的焊縫金屬，如純鈮板氬弧焊。Tx實(shí)際溫度實(shí)際結(jié)晶溫度2）胞狀晶當(dāng)溫度梯度G與實(shí)際結(jié)晶溫度T相交較少時(shí)，即具有較小的成分過冷，便出現(xiàn)胞狀結(jié)晶。此時(shí)因平面結(jié)晶界面處于不穩(wěn)定狀態(tài)，凝固界面長出許多平行束狀的芽胞伸入過冷液體內(nèi)，斷面是六角形的胞狀結(jié)晶形態(tài)，如同蜂窩狀。3）胞狀樹枝晶當(dāng)成分過冷稍大時(shí)，界面上凸起部分能夠深入液體內(nèi)部較長的距離。與此同時(shí)，凸起部分也向周圍排出溶質(zhì)，于是在橫向也產(chǎn)生了成分過冷，這時(shí)從主干向橫向伸出短小的二次橫枝形成樹枝晶。但由于主干的間距較小，所以二次橫枝也比較短，這樣就形成了特殊的胞狀樹枝晶。

4）樹枝狀晶當(dāng)成分過冷進(jìn)一步增大時(shí)，即溫度梯度G，與實(shí)際結(jié)晶溫度T相交的面積很大時(shí)，在一個(gè)晶體內(nèi)除產(chǎn)生一個(gè)很長的主干之外，還向四周伸出二次橫枝，因而形成了明顯的樹枝結(jié)晶。

5）等軸晶當(dāng)液相中的溫度梯度G很小，能在液相中形成很寬的成分過冷區(qū)，此時(shí)不僅在結(jié)晶前沿形成樹枝晶，同時(shí)也能在液相內(nèi)部生核，產(chǎn)生新的晶粒，這些晶粒的四周不受阻礙，可以自由生長，形成等軸晶。影響結(jié)晶形態(tài)的主要因素有合金中溶質(zhì)的濃度C0(成分過冷)、晶粒長大速度R(結(jié)晶速度)、和液相中的溫度梯度G等軸晶等軸晶樹枝狀晶胞狀樹枝晶胞狀晶平面晶柱狀晶溶質(zhì)濃度由于熔池結(jié)晶過程中，冷卻速度很大，合金元素來不及擴(kuò)散均勻，帶來了焊縫金屬化學(xué)成分的不均勻性，即出現(xiàn)所謂偏析現(xiàn)象。顯微偏析區(qū)域偏析層狀偏析焊縫金屬中的化學(xué)不均勻性1）顯微偏析焊縫金屬在凝固過程中，先凝固的固相含溶質(zhì)濃度較低，后凝固的固相含溶質(zhì)濃度較高，并富集了許多雜質(zhì)。當(dāng)焊縫的凝固呈胞狀晶長大時(shí)，在胞狀晶體的中心溶質(zhì)濃度最低，而在胞狀晶相鄰的邊界上，溶質(zhì)濃度最高。當(dāng)固相呈樹枝晶長大時(shí)，先凝固的樹干含溶質(zhì)的濃度最低，后凝固的樹枝含溶質(zhì)濃度稍低，最后凝固部分，也就是相鄰樹枝晶間的晶界上，溶質(zhì)濃度最高。是含有鎳鉻的合金結(jié)構(gòu)鋼枝枝晶內(nèi)不同部位的鎳、鉻和錳的分布。m表示樹枝中心，I表示樹枝區(qū)域，A和M表示樹枝晶的晶界。mIMA2）區(qū)域偏析在焊縫凝固時(shí)，由于柱狀晶不斷長大推移，把溶質(zhì)和雜質(zhì)推向熔池的中心部位，使最后凝固部位產(chǎn)生較嚴(yán)重的區(qū)域偏析。在焊速較大時(shí)，成長的柱狀晶最后都在焊縫中心附近相遇，使焊縫中心出現(xiàn)溶質(zhì)和雜質(zhì)的偏析，在焊接應(yīng)力作用下，將會(huì)導(dǎo)致焊縫縱向裂紋的產(chǎn)生。SMAWEBW3）層狀偏析由于在熔池凝固中放出的結(jié)晶潛熱和高溫熔滴的過渡周期性的變化，使得凝固界面的液體金屬成分也發(fā)生周期性的變化，因而造成了所謂層狀偏析；層狀偏析常集中了一些有害的元素，如碳、硫、磷等，因而容易在偏析層出現(xiàn)焊接缺陷。氣孔焊縫金屬的顯微組織與性能熔池各部位成分過冷不同，凝固形態(tài)也有所不同凝固形態(tài)對焊縫的力學(xué)性能有很大的影響。粗大的柱狀晶會(huì)降低焊縫金屬的強(qiáng)度和韌性。低碳鋼焊縫晶粒大小對沖擊韌性的影響溫度ak細(xì)晶粗晶粗大柱狀晶改善凝固組織，防