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1、1第一节 焊接及其冶金特点2焊接：通过加热或加压，或者两者并用，用或不用填充材料，使两个分离的工件(同种或异种金属或非金属，也可以是金属与非金属)产生原子(分子)间结合而形成永久性连接的工艺工程。物理本质：独立工件实现原子(分子)间结合，对金属材料实现金属键的结合。从金属学的观点来看：两个被焊金属连接件处与焊缝金属形成共同晶粒。3焊接方法依据工艺特点分为：熔焊、压焊和钎焊。熔焊(Fusion Welding)：局部加热使连接处达熔化状态，冷却结晶形成晶粒。压焊：加压、摩擦、扩散等物理作用克服表面的不平度，挤出氧化膜等污物，在固态条件下实现连接。钎焊：用熔点低于母材的金属材料做钎料，加热温度仅是
2、钎料熔化而母材并不熔化。是钎料与母材的粘合。硬钎焊(熔点高于450)和软钎焊(熔点低于450)之分。除加热温度较高的扩散焊之外，无需保护措施。4熔焊焊接接头的形成及其冶金过程 熔焊焊接接头的形成经历加热、熔化、冶金 反应、凝固结晶、固态相变直至形成焊接接 头。 亦可归纳为焊接热过程、焊接化学冶金过程 和焊接物理冶金过程三个相互交错进行且彼 此联系的局部过程。见图7-2(P137) 焊接热过程：整个焊接过程自始至终都是在 焊接热作用过程发生和发展的。 焊接化学冶金过程：液态金属、熔渣及气相 之间进行一系列化学冶金反应，如金属的氧 化、还原、脱磷、脱硫、合金化等。这些反 应可以直接影响焊缝金属、组
3、织和性能。 5熔焊焊接接头的形成及其冶金过程 近年在化学冶金方面的研究重点： 1 控制焊缝金属中夹杂物的种类、直径大小，作 为形核质点细化焊缝金属晶粒，提高焊缝的 强度与韧性； 2 向焊缝中加入微量合金元素(如Ti、Mo、Nb、 V、Zr、B和RE等) 进行变质处理； 3 适当降低焊缝的含碳量，最大限度的排出焊缝 中S、P、O、N、H 等杂质，提高焊缝的韧性 。 4 计算机模拟 如对焊缝的化学成分和力学性能 进行优化设计，建立数学模型。 6 焊接物理冶金过程：焊接热源作用焊材及 母材局部熔化热源移走金属凝固结晶(原子 近程有序远程有序) 温度降低，同素异构 金属固态相变 热影响区(Heat A
4、ffected Zone, HAZ)：焊接过 程中，焊缝周围未熔化的母材在加热和冷却 过程中，发生显微组织和力学性能变化的区 域。该区主要发生物理冶金过程。 焊接接头由焊缝(Weld Metal)、热影响区 (HAZ)、熔合区(Fusion Zone)和母材(Base Metal)组成。熔焊焊接接头的形成及其冶金过程7 保证焊接接头的措施： 1 选择合适的母材； 选择合适的焊材； 3 控制焊接热过程，保证焊缝金属达到成分和 组织要求及焊接接头的力学性能； 控制HAZ的组织转变，使接头满足设计和使 用要求； 5 控制使焊接接头性能下降且在局部加热和冷 却过程中产生的成分偏析、夹杂、气孔、裂 纹、
5、催化等缺陷。熔焊焊接接头的形成及其冶金过程8焊接温度场见“第二章凝固的温 度场”“第三节 熔焊过程温度场”9第二节 焊缝金属的组织与性能10 一 焊接熔池的结晶 见“第五章 铸件 凝固组织及其控制”“第五节 焊接熔 池凝固及控制” 二 焊缝金属的组织焊缝金属在连续冷却过程中发生固态相 变的类型取决于化学成分及冷却条件。对碳钢和低合金钢焊缝，高温奥氏体在 不同温度区间转变为铁素体、珠光体、 贝氏体及马氏体。11低碳钢焊缝的室温组织 因含碳量较低，沿A晶界析出F，然后发 生共析转变：AP(F+Fe3C) 焊缝过热时 ，可能出现魏氏组织 ，其 特征是F在原A晶界呈网状或沿原A晶粒 内部一定方向析出，
6、具有长短不一的针 状或片状，亦可直接插入P晶粒之中。 焊缝 金属是一种多相组织 ，是晶界F、 侧板条F和P混合组织 的总称。12 1 铁素体(Ferrite) 低合金钢焊缝中F大体分为以下四类： 先共析F (Proeutectoid Ferrite,PF)，亦称晶界或 粒界F(Grain Boundary Ferrite, GBF)，块状F- -焊缝冷却到较低高温区间(770680)、沿A 晶界首先析出的F。多以长条形沿晶界扩展， 也以多边形状，互相连接沿晶分布。是低屈服强度的脆弱相，使焊缝金属韧性下 降。低合金钢焊缝的室温组织13 (2)侧板条F (Ferrite Side Plate,FS
7、P)，亦称无碳 贝氏体(Carbon Free Binete, CFB) -焊缝冷却 到较低高温区间(700550)、比PF形成温度 稍低的F。多在晶界F的侧面以板条状向晶内 生长，多呈镐牙状。 有人认为其属魏氏组织，也有人由于其转变 温度偏低称为无碳贝氏体。由于其位错密度 比PF稍高，使焊缝金属韧性显著下降。低合金钢焊缝的室温组织14 (3)针状F (Acicular Ferrite,AF) -焊缝冷却到 更低500左右、在中等冷速下得到的F。在 原A晶内以针状分布，宽度约为2m,长宽比在 3：15：1范围内常以弥散氧化物和氮化物 夹杂物为形核质点并放射性成长。 由于其位错密度更高，可以显著
8、改善焊缝的 韧性，是提高焊缝金属韧性的理想组织。低合金钢焊缝的室温组织15 (4)细晶F (Fine Grain Ferrite,FGF) ，又称贝氏 体F (Binetic Ferrite)-焊缝冷却到500以下 、有细化晶粒的Ti、B等元素存在、在原A晶 内得到的F。如果在更低温度下转变(约450 )，可转变为上贝氏体。 以上四种组织亦可在低碳钢焊缝中出现，只 是所含比例不同而已。低合金钢焊缝的室温组织16 2 珠光体(Pearite) 在接近平衡状态(如热处理时的连续冷却)低合 金钢中出现的组织，其转变温度大约在Ar1 550之间出现。依细密程度可分为层状P、 粒状P及细P。 在焊接非平
9、衡条件下，原子扩散减缓，P来不 及转变，扩大了F和B的区域。 当焊缝中有细化元素Ti、B时，P可被完全抑 制。低合金钢固态相变时很少得到P。 P会增加焊缝金属强度，但其韧性往往下降。低合金钢焊缝的室温组织17 3 贝氏体(Bainite) 属中温转变，转变温度大约在550 Ms。依 形成温度区间及其特性可为上贝氏体(Upper B) 和下贝氏体(Lower B)。 上贝氏体的特征 光镜下呈羽毛状，多沿A晶界 析出。电镜下相邻条状晶的位相接近于平行， 且在平行的条状F间分布有Fe3C。其韧性较差。 下贝氏体的特征 光镜下与回火片状M相似。电 镜下呈许多针状F和针状Fe3C的机械混合物。转 变温度
10、大约在450 Ms。下贝氏体具有强度 和韧性均良好的综合性能。低合金钢焊缝的室温组织18 4 马氏体(Martensite) 焊缝金属含碳量较高或合金元素较多时，在快 速冷却条件下，A过冷到Ms温度以下发生该相 的转变。依含碳量不同可为板条状M和片状M。 (1)板条状M，又称位错型M，低碳M 常出现在 低碳低合金钢焊缝金属中。其特征 在A晶粒内 部平行生长成群的细条状M板条。因含碳量较 低，具有较高强度和良好韧性，抗裂纹能力强 ，综合性能好。 (2)片状M，又称孪晶M，高碳M 焊缝金属中 wc0.4%时出现。该种相硬度高而脆，容易产 生焊接冷裂纹，在焊缝中要避免。低合金钢焊缝的室温组织19 W
11、M-CCT图焊接工作者为了专门预测 低合金钢焊缝制定的低合金钢焊缝金属连 续冷却组织转变图，即WM-CCT(Weld Metal Continuous Cooling Transformation) 图。其分析原理及应用与热处理CCT相同 。 依此图(与成分有关)和焊接条件(决定冷却 曲线)，可以推断焊缝金属的组织与性能 ；反之，由焊缝的性能要求可以确定其组 织组成，选择母材与焊接材料，制定焊接 参数。WM-CCT图20三 焊缝金属性能的控制 1 焊缝合金化与变质处理合金化的目的是保证焊缝金属的焊态强度与 韧性。常采用固溶强化(Mn、Si等元素)、细 晶强化(Ti、Nb、V等元素)、弥散强化(Ti、V 、Mo等元素)、相变强化等措施。在焊接熔池 中加入Ti、B、Zr、RE等元素起变质作用，有 效细化焊缝组织，提高韧性。 工艺措施除上述冶金措施外，还可以通过调整焊接参数 的方法提高焊缝性能，如采取振动结晶、焊 后热处理等措施。21第三节 焊缝金属的组织与性能22
