焊接接头性能控制

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1、模块块二 子项项目任务务知识识技能训练训练 内容教学组织组织 形学时时分配熔池金属的 凝固与固态态 相变变控制 案例分析分组讨论0.5 焊缝 金属一次组织 控制认识训练1 焊缝 金属二次组织 控制实训2焊缝 金属的合金化实训2经验 交流讨论0.5焊焊接熔合区 质质量分析 案例分析分组讨论0.5熔合区的形成与观察认识训练1 熔合区力学性能检测 与分析认识训练1 经验 交流讨论0.5焊焊接热热影响区 组织组织 及力学性 能控制 案例分析分组讨论0.5 焊接热影响区组织变 化 及特点分析认识训练1焊接热影响区组织 及力学性能控制实训2经验 交流讨论0.5焊接接头组织与性能控制 学习情境二焊接接头组织

2、与性能控制 焊接接头：焊缝+熔合区+热影响区知识能力模块二 焊接接头 焊缝 热影响区熔合区熔池的凝固与焊缝金属的固态相变随着温度的下降，熔池金属开始了从液态态到固态态 转变的凝固过程，并在继续冷却中发生固态相变.熔 池的凝固与焊缝焊缝 的固态态相变变决定了焊缝焊缝 金属的结结晶 结结构、组织组织 与性能。在焊接热源的特殊作用下，大的 冷却速度还会使焊缝的化学成分与组织出现不均匀的 现象，并有可能产生焊焊接缺陷。一、熔池的凝固1、熔池凝固的条件和特点(1) 焊接熔池体积小 质量不超过100g (2) 焊接熔池的温度极不均匀 中心2300 (3) 熔池在运动状态下凝固(4) 焊接熔池凝固以熔化母材

3、为基础2、熔池的凝固过程熔池凝固从边界开始，在母材半熔化晶粒的基础上， 沿着散热的反方向以柱状晶的形式向前推进，焊缝金属 的晶粒实际是母材半熔化晶粒的延伸，二者之间不存在 晶界面。二、焊缝金属的化学不均匀性1、显微偏析显微偏析的不均匀程度可用偏析度Ke表示,则X界-X轴X0式中 x0合金中组分x在液相中的平均含量;x轴 合金中最先凝固的晶轴上组分x的含量;x界 晶界部位组分x的含量.Ke值越大,表明偏析越严重硫、磷和碳是最易偏析的元素.2、区域偏析在焊缝凝固中，柱状晶前沿向前推进的同时把低熔点 物质排挤到焊缝中心，使焊缝中心杂质的浓度明显增大 ，造成整个焊缝横截面范围内形成明显的成分不均匀性

4、，即区域偏析。3、层状偏析这些分层是成分作周期变化的表现.因溶质浓度不同的 区域，对浸蚀剂的反应不同，浸蚀后的颜色就不一样， 溶质浓度最高的区域颜色最深，溶质为平均浓度的区域 颜色较浅，较宽的浅淡色区则为溶质贫化区，这种偏析 称为层状偏析。三、焊缝金属的固态相变熔池凝固后得到的组织通常叫做一次组织，对大多数 钢来说是高温奥氏体.高温奥氏体还要发生固态相变,又称为二次结晶，得到 的组织称为二次组织。焊缝经过固态相变得到的二次组织 即为室温组织。1、低碳钢焊缝的固态相变铁素体+少量的珠光体低碳钢焊缝中铁素体与珠光体的比例随冷却速度而变 化。冷速越高，珠光体比例越大，与此同时,，组织细化 ，硬度上升

5、。 2、低合金钢焊缝的固态相变固态相变除铁素体与珠光体转变外,还可能出现贝氏体与 马氏体转变。冷却速度/s-1焊缝组织焊缝组织 的体积积分数(%)焊缝焊缝 硬度HV铁素体 珠光体1 5 10 35 50 11082 79 65 61 40 3818 21 35 39 60 62165 167 185 195 205 228组织分布 四、焊接一次组织与性能的改善1、焊缝金属的变质处理焊接时通过焊接材料(焊条、焊丝或焊剂)在金属熔池 中加入少量合金元素，这些元素一部分固溶于基体组织( 如铁素体)中起固溶强化作用；另一部分则以难熔质点( 大多为碳化物或氮化物)的形式成为结晶核心，增加晶核 数量使晶粒

6、细化，从而较大幅度地提高焊缝金属的强度 和韧性.目前常用的元素有Mo、V、Ti、Nb、B、Zr、Al及稀 土元素。2、振动结晶振动结晶是通过不同途经使熔池产生一定频 率的振动，打乱柱状晶的方向并对熔池产生强烈 的搅拌作用，从而使晶粒细化并促使气体排出， 常用的振动方法有机械振动、超声振动和电磁振 动等。3、锤击坡口或焊道表面锤击坡口表面或多层焊层间金属使表面晶粒破碎，熔 池以被打碎的晶粒为基面形核、长大，而获得较细晶粒 的焊缝。此外，逐层锤击焊缝表面,还可以起到减小残余 应力的作用。4、调整焊接工艺实践证明,当功率P不变时,增大焊速v可使焊缝晶粒细化; 而当线能量E不变而同时提高P和v,也可使

7、焊缝晶粒细化. 此外,为了减少熔池过热,在埋弧焊时可向熔池中送进附加 的冷焊丝,或在坡口面预置碎焊丝。5、焊后热处理要求严格的焊接结构，焊后需进行热处理。按热处理 规范不同，焊后热处理可分别起到改善组织、性能、消 除残余应力或排除扩散氢的作用。焊后进行正火(或正火 +回火)和淬火+回火，可以改善焊缝的组织与性能。具体 的选用应根据母材的成分、焊接材料、产品的技术条件 及焊接方法而定。有些产品(如大型或在工地上装焊的结 构)进行整体热处理有困难，也可采用局部热处理。燃煤退火炉6、多层焊根据多层焊热循环的特点可知，通过调整焊层数n可 以在较大范围内调整焊接参数，从而比单道焊调解焊接 参数时细化晶粒

8、的作用更为明显。同时多层焊逐层焊道 间的后热作用可以改善焊缝的二次组织。7、跟踪回火跟踪回火就是在焊完每道焊缝后用气焊火焰在焊缝表 面跟踪加热。加热温度为9001000，可对焊缝表层下 310mm深度范围内不同深度的金属起到不同的热处理 。焊 缝原理正确否？焊接行走方向焊接熔合区显微镜观测 显微镜观测 显微镜观测 裂纹焊接熔合区最突出的特征是具有明显的化学和物理 不均匀性,导致该区域组织结构发生突变。熔合区化学 成分和组织结构的变化不可避免的会造成晶格中的各 种微观缺陷(如空位、位错等)，使熔合区成为整个焊 接接头区中最簿弱的部位。实践证明,高强钢焊接结构 的破坏起源大多是发生在焊接熔合区处。

9、熔合区的宽度 低碳钢钢或低合金钢钢在电弧焊条件下，G 在30080/cm之间，tL- ts约为40，其 熔合区宽度：奥氏体不锈钢锈钢 的熔合区宽度约为0.060.12cm。焊接热影响区在焊接或切割过程中,材料因受热的影响(但未熔化) 而发生金相组织和力学性能变化的区域叫做热影响区。 焊缝热影响区熔合区一、焊接热影响区组织变化的特点1、焊接热影响区热循环的特点 (1)加热温度高 (2)加热速度快 (3)高温停留时间短 (4)各点的温度随时间与位置而变化 (5)自然条件下的连续冷却 温度可达1400左右 10100s 2、焊接加热时的热影响区的组织转变特点 (1)使相变温度升高 (2)影响奥氏体均

10、质化程度 转变温度因相变的”滞后”而高于上述理论值。加热 速度越高，相变的”滞后”越严重 焊接的快速加热不利于元素扩散,使得已形成的奥氏体来不及均匀化，加热速度越高,高温停留的时间越短，不均匀的程度就越严重。这种不均匀的高温组织，将影响冷却过程的组织转变。 3、焊接冷却时热影响区的组织转变特点焊接加热时，热影响区的组织转变特点对冷却时 的转变有明显的影响，也就是说，即使是同一材料， 在焊接或热处理条件下，尽管冷却速度相同，但因高 温组织不完全相同，冷却后的室温组织并不一样。另 外，具体的影响还与钢的成分有关。二、焊接热影响区的组织焊接接头加热时各部位组织转变的情况依tmax而定，如tmax达到

11、Ac1的部位开始发生相变,达到Ac3的部位转变终了；峰值温度达到Ac3+300(tks)，则晶粒急剧长大等。可见影响区的组织变化取决于tmax.因此按照tmax之不同将热影响区划分为以下几个区。1-熔合区；2-过热区；3-相变重结晶区；4-不完全重结晶区；5-母材；6-完全淬火区；7-不完全淬火区；8-回火软化区焊接热影响区的组织分布特征不易淬火钢易淬火钢（1 1）过热区过热区：紧靠熔合区：紧靠熔合区加热温度加热温度：1100110014901490（11001100固相线）固相线）组织组织：粗大的过热组织。：粗大的过热组织。特点：特点：宽度为宽度为1 13mm3mm，塑性和韧性下降。焊，塑性

12、和韧性下降。焊接刚度大的结构时，该区易产生裂纹。接刚度大的结构时，该区易产生裂纹。 （2 2）正火区正火区 ：紧靠着过热区：紧靠着过热区加热温度加热温度：85085011001100（AC3AC3至至11001100）组织组织：均匀细小的铁素体和珠光体组织（近似：均匀细小的铁素体和珠光体组织（近似 于正火组织）于正火组织）特点特点：宽度约：宽度约1.21.24.0mm4.0mm，力学性能优于母材。，力学性能优于母材。 （3 3）部分相变区部分相变区加热温度加热温度：AC1AC1AC3AC3之间之间组织组织：F+PF+P（F F粗、细不均）粗、细不均）相变的相变的F F，变细小；，变细小； 未相

13、变的未相变的F F，变粗大，变粗大特点特点：部分组织发生相变，晶粒不均匀，力学：部分组织发生相变，晶粒不均匀，力学性能稍差性能稍差16Mn钢焊接热 影响区焊缝金属 母材熔合区过热 区不完全重结晶区1).热影响区中熔合区,过热区晶粒严重长大,是焊接 接头的薄弱地带。 2).低碳钢的不完全重结晶区,在急冷急热的条件下, 会表现出高碳钢的行为。 3).成分偏析严重,C.P.S高时易产生淬硬组织、裂纹 。 注 意三、焊接热影响区的性能 1、焊接热影响区的硬度分布热影响区的最高硬度值可以通过实测 确定，也可根据母材 的化学成分估算.最常用的办法是利用碳当量公式，即将钢中 各种元素的作用折合成碳的作用，相

14、加而得到其碳当量.碳当 量的计算公式。适用于强度级别较高的低合金高强度钢(b=400700MPa) 掌握一个钢种焊接热影响区最高硬度的大小，对于预测其接 头的力学性能及开裂的倾向有重要意义。 CECE越小，焊接性越好。越小，焊接性越好。 当当CECE 0.250.25时，接时，接 性优良；性优良； 当当CECE 0.25%0.25%0.4%0.4%时，焊接性良好；时，焊接性良好；CECE 0.40.4 0.60.6时，焊接性尚可；时，焊接性尚可； 当当CECE 0.60.6时，焊接性差。时，焊接性差。焊接热影响区的软化经冷作强化的金属经热处理强化的金属再结晶软化过时效软化焊接热循环作用焊接母材

15、性能变化 这种现象主要出现在焊前经过淬火+回火的钢中.软化 部位在回火区(加热温度为T回Ac1的部位)。 母材焊前是退火状态，不存在软化现象。 为什么？随着线能量的增加，强度下降热影响区时效脆化(1)粗晶脆化 粗晶脆化是由于晶粒严重粗化造成的， 晶粒尺寸越大， tcr值越高，脆化越严重。 (2)热应变时效脆化 热应变时效脆化多发生在低碳 钢和碳锰低合金钢的亚热影响区(加热温度低于Ac3 的部位) 这种脆化，主要是由制造过程中各种加工(如下料、 剪切、弯曲、气割等)或焊接热应力所引起的局部 塑性性应变与焊接热循环的作用叠加而造成的。1、焊接热影响区的硬化HAZ的硬度 高低取决于母材的淬硬倾向（内

16、因）HAZ的冷却速度（外因）化学成分焊接规范焊接热影响区的最高硬度Hmax： Hmax（HV10）= 140 + 1089 Pcm- 8.2 t 8 / 5粗晶脆化在热循环的作用下，熔合线附近和过热区将发生晶粒粗化。粗化程度受钢种的化学成分、组织状态、加热温度和时间的影响。如：钢中含有碳、氮化物形成元素，就会阻碍晶界迁移，防止晶粒长大。例如18CrWV钢，晶粒显著长大温度可达1140之高，而不含碳化物元素的23Mn和45号钢，超过1000晶粒就显著长大。 l晶粒粗大严重影响组织的脆性，尤其是低温脆性。一般来讲，晶粒越粗，则脆性转变温度越高。 晶粒直径d对脆性转变温度VTrs的影响组织转变脆化l焊接HAZ中由于出现脆硬组织而产生的脆化称之组织脆化。l对于常用的低碳低合金高强钢，焊接