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1、 第八章焊接接头的性能及其影响因素 主要内容 第一节焊接接头第二节焊接热循环第三节焊缝的金属组织和性能第四节熔合区和热影响区的组织和性能第五节影响焊接接头性能的因素及其处理方法 第一节焊接接头 焊接接头是基本金属或基本金属和填充金属在高温热源的作用下 经过加热和冷却过程而形成不同组织和性能的不均匀体 在熔化焊的条件下 焊缝及其邻近的母材组织及性能发生变化的区域共同组成焊接接头 一 焊接接头的组成焊接接头一般由三个区域组成 1 焊缝 2 熔合区 3 热影响区 1 焊缝焊缝是焊接接头的主体 焊缝金属是焊接时由填充金属 焊条 焊丝 和部分基本金属经过熔化 结晶凝固而形成的 焊缝区的宽度取决于坡口型式
2、和焊接线能量 2 热影响区受焊接热循环作用 组织和性能发生变化的基本金属部分 热影响区的宽度主要取决于焊接线能量的大小 3 熔合区熔合区是焊缝区和热影响区的交界处 在焊接过程中 处于固 液状态的半熔化区 熔合区一般很窄 约有0 1 0 4mm宽 常称熔合线 在合金钢焊接接头中很难区分出熔合区 二 焊接接头的特点 1 具有组织和性能的不均匀性 2 易产生各种焊接缺陷 3 存在着应力集中 焊接残余应力 焊接变形等 第二节焊接热循环 一 焊接热循环的特点1 概念焊接热循环是指在焊接热源的作用下 焊件上某点的温度随着时间由低而高 又由高而低的变化过程 在加热和冷却过程中 焊件上不同位置所经受的热循环状
3、态是不同的 靠焊缝越近的位置 被加热的最高温度越高 反之 越远的位置被加热的最高温度越低 2 基本要素 1 加热速度 2 最高加热温度 3 高温停留时间 4 冷却速度 3 焊接热循环特性指标反映焊接热循环特性的指标主要有2个 t过和t8 5 t过 焊接接头在1100 以上高温的停留时间 其值越大 焊接接头的组织与性能越差 t8 5 焊接接头由800 冷却到500 所需的时间 这个温度区域是焊缝金属固态相变过程 其值大小 对焊缝金属的充分转变 过热过程或淬硬倾向均有一定影响 4 焊接热循环的主要特点1 急剧加热且温度高 熔池 焊缝 附近最高加热温度比一般热处理加热温度都高 故发生过热 致使该区晶
4、粒长大粗化严重 2 急速冷却且速度快 从而致使焊接接头容易发生淬硬 形成淬硬组织 加剧了焊接冷裂纹的产生 二 影响焊接热循环的因素影响焊接热循环的因素主要有焊接方法 焊接规范 焊接线能量 预热和层间温度 焊件厚度和接头型式及材料本身的导热性等 1 焊接方法焊接方法不同 加热速度 高温停留时间和焊后冷却速度都会有所不同 气焊加热速度慢 冷却速度也慢 高温停留时间长 而钨极氩弧焊 则加热速度快 冷却速度也快 高温停留时间较短 2 焊接规范及线能量的影响焊接规范指焊接时的主要工艺参数 也就是保证焊接质量而选定的各物理量 如焊接电流 电弧电压 焊接速度 线能量等 焊接线能量是单位长度焊缝内输入的焊接能
5、量 对电弧焊常用下式表示 Q IU Q 线能量 J cmI 焊接电流 AU 焊接电压 V 焊速 cm s焊接线能量越大 热影响区越宽 加热到1100 以上高温区域也就越宽 而且t过和t8 5越大 焊接线能量偏小时 不利于焊缝的熔透和成形 因此焊接线能量必须在一个合理的范围才能保证焊接接头具有良好的性能 一般通过焊接规范来调整焊接线能量 不同的焊接方法 在常规规范条件下 焊接线能量的差别较大 埋弧焊时焊接线能量较大 手工电弧焊次之 钨极氩弧焊最小 3 预热与层间温度的影响焊接性差的钢材 一般要采取预热和保持层间温度的技术措施 以降低焊接接头的冷却速度 降低焊接过程的淬硬倾向 防止裂纹的产生 金属
6、材料预热温度一般不超过350 在低温 600 时对冷却速度能起到显著的降低作用 对t过值影响不大 所以预热对焊接线能量不起增强作用 对焊接热循环是有利的 在多层多道焊接中 层间温度一般等于或略高于预热温度 控制层间温度的目的在于降低焊接接头在低温时的冷却速度 有利于焊接热循环的作用 4 连接结构和钢材性能的影响焊缝处的连接结构是由焊件厚度和接头型式决定的 焊件厚度越大 焊接接头的相对冷却速度越大 t8 5越小 当焊缝为角接接头时 其冷却速度比对接接头速度要大 t8 5比对接接头焊缝要小钢材的导热性能对焊接热循环具有直接的影响 导热性不同的钢材在相同的线能量条件下 焊接接头的t过和t8 5是不同
7、的 导热性好的钢材t过和t8 5都小于导热性差的钢材 第三节焊缝的金属组织和性能熔池中的金属从液态变为固态的这种过程称为熔池的一次结晶 熔池凝固后的焊缝金属从高温冷却到室温时 还会发生固态的相变 产生不同的组织 焊缝的这种固态相变过程称为焊缝金属的二次结晶 焊缝金属组织除与化学成分有关外 在很大程度上取决于这两次结晶的特征 而焊缝金属的性能与其组织有密切关系 一 焊接熔池的一次结晶1 结晶过程的特点 1 熔池的体积小 冷却速度快 2 液态金属温度高 3 运动状态下结晶 4 以散热方向向焊缝中呈柱状生长 2 组织特征与组织偏析柱状晶是一次结晶的组织特征 由于冷却速度极快 相内的成分来不及趋于一致
8、 所以保持着结晶先后而产生成分不均匀性 这种不均匀性就是晶内偏析 二 焊缝金属的二次结晶焊缝熔池金属一次结晶后的组织基本是柱状奥氏体 在冷却至室温的过程中 焊缝金属还会发生组织转变 这就是焊缝金属的二次结晶 1 低碳钢的焊缝组织低碳钢的焊缝组织含碳量低 组织一般为粗大的柱状铁素体和少量珠光体 如果高温停留时间过长 如气焊 电渣焊 焊缝还会出现魏氏组织 多层多道焊时 后一层焊道对前一层焊道有热处理作用 部分柱状晶可转化为细小的等轴晶 其金属组织为细小的铁素体和少量的珠光体 2 低合金高强度钢的焊缝组织低合金钢合金元素含量较小时 其焊缝组织与低碳钢相似 在一般冷速条件下为铁素体加少量珠光体 冷速过
9、大时 也会产生粒状贝氏体 合金元素含量较高时 淬硬性较好的低合金高强度钢焊缝金属组织为贝氏体或低碳马氏体 高温回火后为回火索氏体 3 铬钼和铬钼钒耐热钢的焊缝组织合金含量较少 Cr 5 的耐热钢在焊前预热 焊后缓冷的条件下 得到的是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合金含量较多 Cr5 9 的耐热钢在焊接材料化学成分与母材成分相近 焊前预热和焊后缓冷条件下 其焊缝组织为贝氏体 有时可能出现马氏体 高温回火后可得到回火索氏体 当采用奥氏体焊接材料时 焊缝组织主要为奥氏体 4 不锈钢焊缝组织奥氏体不锈钢一般为奥氏体加少量 2 6 铁素体铁素体不锈钢组织与采用的焊接材料有关 焊接
10、材料与母材金属化学成分相近时 其焊缝组织为铁素体 焊接材料为铬镍奥氏体时其焊缝组织为奥氏体 马氏体不锈钢焊缝组织与焊接材料和热处理状态有关 焊接材料与母材金属化学成分相近时 焊态组织为马氏体 回火后为回火马氏体 焊接材料为铬镍奥氏体时 焊缝组织为奥氏体 三 焊缝金属组织与性能的关系1 一次结晶组织与性能的关系焊缝一次结晶组织中细柱状晶比粗柱状晶好 胞状晶比树枝晶好 因为粗晶体金属的强度 塑性和韧性都较低 而且热裂纹敏感性大 尤其是粗大的树枝晶对热裂纹的敏感倾向很强 由于偏析 化学成分极不均匀 焊缝的抗裂性变差 偏析越严重 力学性能和抗腐蚀性的不均匀程度就越大 偏析使S P聚集在焊缝中心 就容易
11、产生热裂纹 2 二次结晶组织与性能的关系二次结晶组织的类型 特征和形态不同 则焊缝金属的性能也不同 1 强度高低马氏体比其它组织的强度都高 铁素体 奥氏体较低 贝氏体介于马氏体和铁素体加珠光体之间 2 塑性和韧性奥氏体在温度下降时无明显脆性转变现象 塑性和韧性比其他组织好 铁素体加珠光体次之 粒状贝氏体具有较低的强度和较好的韧性 高碳马氏体硬而脆 几乎无韧性 低碳马氏体具有较高的强度和一定的塑性和韧性 3 抗裂性铁素体加珠光体和奥氏体抗裂性能好 奥氏体加少量铁素体的双向组织比单向奥氏体具有更好的抗裂性 贝氏体加马氏体和马氏体对冷裂纹的敏感性最大 4 晶粒度 晶粒越细 组织越均匀 其性能比粗大的
12、不均匀组织要好 铁素体 奥氏体的强度较低 而塑性和韧性好 抗裂性好 珠光体的强度比铁素体高 塑性和韧性比铁素体差 马氏体强度高 高碳马氏体硬而脆 低碳马氏体具有相当高的强度和较良好的塑性 韧性相结合的特点 粒状贝氏体的强度和塑性 韧性介于马氏体和铁素体加珠光体之间 低碳钢焊缝过热形成的粗大的魏氏组织 使塑性 韧性降低 3 焊缝的性能焊缝金属的性能决定于化学成分和组织 焊缝的特点是碳低 但有一定数量的合金元素 一般来说焊缝的化学成分比较理想 但焊缝的组织较差 晶粒粗大 组织疏松 成分偏析 没有轧制的母材组织均匀 因此 焊缝的强度可以达到母材 但塑性 韧性比母材差 五 焊接区域的气体对焊缝金属的影
13、响焊接时焊接区域中主要有一氧化碳 CO 二氧化碳 CO2 氢 H2 水蒸汽 H2O 氧 O2 氮 N2 等气体 其中氧 氮 氢对焊接质量的影响最大 1 氧 O2 的影响氧在焊缝中的存在形式主要是FeO夹杂物 在焊接过程中 FeO与碳生成CO 会产生气孔 引起飞溅 影响焊接过程的稳定性 焊缝中的氧来源有2个 一是高温条件下氧向熔池金属里溶解 冷却时来不及逸出 二是一些合金元素氧化后形成氧化物残留在焊缝中 焊接过程的氧化作用 将导致焊缝中有益合金元素 如锰 硅等 的烧损 溶解在焊缝中的氧在适当条件下与碳生成CO气孔 残留在焊缝中的氧会降低焊缝金属的力学性能和耐腐蚀性 防止措施 加强保护 选用合适的
14、气体流量 短弧焊 防止空气进入 焊前清理坡口及两侧的锈及水 烘干焊条 焊剂 冶金处理 从焊条药皮或焊丝中加入铁合金 锰 硅 脱氧 2 氮的影响氮在高温时与液态金属接触 一方面以原子状态直接溶解到液态金属中 另一方面与氧生成氧化氮 NO 被溶解到焊缝中 当氮量过多时 容易产生N2气孔 凝固时 氮的溶解度急剧降低 析出氮气 来不及逸出熔池表面便形成气孔 主要来源是空气 防止措施只有加强熔池的保护 氮在焊缝中存在会使焊缝金属变脆 塑性和韧性变劣 3 氢的影响氢侵入焊缝的主要原因各种形态的水分 焊接材料潮湿 坡口表面附近有油锈水分 或焊接环境介质的湿度太大 氢在高温条件下是以原子状态溶解到熔化的金属中
15、 氢的存在危害极大 它使焊缝金属变脆 塑性和韧性显著降低 导致氢致裂纹 氢白点和氢气孔缺陷 控制氢的措施 烘干焊条 焊剂 清除锈 水 油污 选用低氢型焊条 采用后热 消氢处理等 六 焊接材料化学成分的影响焊条焊丝和钢材一样 由于冶炼的原因 除含铁 Fe 碳 C 元素外 还含有锰 Mn 硅Si 硫S 磷P等 为获得某一性能 焊接材料中需加入一些其他合金元素 这些元素的存在对焊接冶金和焊缝金属性能有很大的影响 1 碳C碳是焊芯 焊丝的主要元素 它对焊缝性能起主导作用 碳量越高 焊缝的强度和硬度越高 但塑性越低 淬硬性越大 裂纹倾向越大 碳在焊接过程中是一个良好的脱氧剂 减少O2在焊缝中的含量 但碳
16、的含量不能过高 除淬硬性使焊接性变差外 还会由于强烈的还原反应引起焊接过程中的较大金属飞溅 产生来不及逸出的CO气体 碳量过高 焊缝金属凝固点变低 对仰焊操作不利 因而焊芯 焊丝的碳含量一般控制在0 2 以下 常用低碳钢焊芯 焊丝碳含量小于0 10 对低合金焊芯 焊丝 碳在高温下与碳化物形成元素形成的碳化物容易分解 且聚集长大 对抗蠕变能力和持久强度起不良作用 2 锰 Mn 锰是一个良好的合金剂 当焊缝含锰量在2 以下时 锰量越高 焊缝的力学性能越好 特别是强度和韧性的提高最为明显 当锰量 2 时 可提高焊缝金属耐磨性 但却增加了焊缝的淬硬和过热的敏感性 锰是一种较好的脱氧剂 能减少焊缝中的含氧量 含量为0 4 0 6 时 能提高熔渣的流动性 减少金属飞溅 改善焊条的工艺性能 锰还是一种极好的脱硫剂 能与S化合形成不溶于液态金属的硫化锰 MnS 熔渣 焊接时浮于焊缝表面 减少焊缝硫的含量 3 硅Si硅含量不高时 硅是一个较好的合金剂 能提高焊缝金属的强度和弹性 而塑性降低不明显 但含量超过2 时 塑性和韧性显著降低 Si和SiO2过多时 会引起焊接飞溅 恶化操作性能 所以在焊条 焊丝中
