《熔焊原理：焊接接头的组织与性能》由会员分享，可在线阅读，更多相关《熔焊原理：焊接接头的组织与性能（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、熔焊原理：焊接接头的组织与性能 熔池的凝固与焊缝金属的固态相变随着温度下降，熔池金属开始了从液态到固态转变的凝固过程(图31)，并 在继续冷却中发生固态相变。熔池的凝固与焊缝的固态相变决定了焊缝金属的结 晶结构、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，并有可能产生焊接缺陷。一、熔池的凝固 焊接熔池的凝固过程服从于金属结晶的基本规律。宏观上，金属结晶的实际温度 总是低于理论结晶温度，即液体金属具有一定的过冷度是凝固的必要条件。微观 上，金属的凝固过程是由晶核不断形成和长大这两个基本过程共同构成。此外， 这个过程还受到焊接热循环特殊条件的制约。
2、因此，研究焊接熔池的凝固过程， 必须结合焊接热循环的特点与具体施焊条件。1熔池凝固的条件和特点(1)焊接熔池体积小(2)焊接熔池的温度极不均匀(3)熔池在运动状态下凝固(4)焊接熔池凝固以熔化母材为基础熔焊原理：焊接接头的组织与性能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(即等 温线的法线方向)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(图33)。图34是不发生固态相变的奥氏 体钢熔池凝固后的情况。可以看出焊缝与母材具有共同的晶粒，二者在微观上形 成整体。这种依附于母材半熔化晶粒开始长大的结晶方式叫做联生结晶或
3、交互结 晶。联生结晶是焊接的重要特征。钎焊和粘接都不是联生结晶。焊缝的凝固组织(或称一次组织)属于铸造组织，凝固时从焊缝边界开始形核 ，以联生结晶的形式向中心成长。由于熔池体积小、冷速高，一般电弧焊条件下 焊缝中看不到等轴晶粒。二、焊缝金属的化学不均匀性1显微偏析根据金属学的知识，合金的凝固过程是在一定的温度范围内进行的。而在连 续冷却的过程中，先后凝固的合金成分不同。先从液相中析出的固相中溶质(合 金元素)含量较低，后析出的固相则溶质含量较高。在平衡条件下，这种由凝固 先后造成的化学成分的差异，可以在缓慢的冷却过程，通过扩散而消除。但在 焊接条件下，由于冷速很高而来不及扩散，这种成分的差异将
4、在很大程度上保留 。熔焊原理：焊接接头的组织与性能在焊缝金属中。这就形成了显微偏析。在低碳钢中，碳及合金元素的含量都比较低。，固液相温度差比较小，显微偏 析不明显。但对碳及合金元素含量较高的钢，显微偏析就比较严重，对焊缝质量 有一定的影响。晶粒尺寸对显微偏析也有影响，较细的晶粒由于晶界面积增大，偏析分散， 偏析程度减弱。因此，从减少偏析的角度考虑，也希望焊缝金属具有较细的晶粒 。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(一般为杂质)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，即区域偏析(图38)。由于偏析是在宏观尺寸的范
5、围内形成 的，故又称为宏观偏析。在焊接对焊接裂纹比较敏感的材料时，选择焊接参数应考虑对成形系数的要 求。3层状偏析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淡，较宽的浅 淡色区则为溶质贫化区。这种偏析称为层状偏析。熔焊原理：焊接接头的组织与性能层状偏析的存在，说明焊缝的凝固速度在作周期性变化，但造成这种变化的 原因，目前尚未完全认识清楚。层状偏析对焊缝质量的影响目前研究的也不够充 分。现已发现，层状偏析不仅可能使焊缝金属的力学性能不均匀，有时还会沿层 状线产生裂纹或气孔等缺陷。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。 在凝固后的继续冷
6、却过程中，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。二 次组织是在一次组织的基础上转变而成，二者承前启后，对焊缝金属的性能都有 着决定性的作用。1低碳钢焊缝的固态相变低碳钢焊缝的二次组织主要是铁素体十少量的珠光体，这是因为其含碳量很 低所致。一般情况下，铁素体首先沿原奥氏体柱状晶晶界析出，可以勾画出凝固 组织的轮廓。当焊缝在高温停留时间较长而冷速又较高时，铁索体也可从奥氏体 晶粒内部沿一定方向析出，以长短不一的针状或片状直接插入珠光体晶粒之中， 而形成所谓魏式组织。而在冷却速度特别大时，低碳钢焊缝中也可能出现马氏体 组织。
7、熔焊原理：焊接接头的组织与性能2低合金钢焊缝的固态相变低合金钢焊缝固态相变的情况比低碳钢复杂得多，随母材、焊接材料及工艺 条件之不同而变化。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。(1)铁素体转变 1)先共析铁素体2)侧板条铁素体3)针状铁素体4)细晶铁素体(2)珠光体转变(3)贝氏体转变 (4)马氏体转变四、焊缝组织与性能的改善焊缝质量是焊接质量的重要指标。优质焊焊缝首先要保证性能满足使用要求 ，而性能则取决于化学成分与组织形态。为此改善焊缝的性能就应从调整成分和 控制组织两方面入手。熔焊原理：焊接接头的组织与性能1焊缝金属的变质处理液体金属中加人少量合金元素使结晶过
8、程发生明显变化，从而使晶粒细化的方 法叫做变质处理。2振动结晶振动结晶是通过不同途径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进气体排出。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路 面形核、长大，而获得较细晶粒的焊缝。4调整焊接工艺5焊后热处理6多层焊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90010000C，可对焊缝表层下310mm深度范围内不同深度的金属起到 不同的热处理作用。熔焊原理：焊接接头的组织与性能 焊
9、接熔合区的特征 一、熔台区形成的原因熔合区是由于母材坡口表面复杂的熔化情况形成的。 二、熔合区的宽度 i熔合区是固液并存的区域，其宽度与母材的液固两相温度之差成正比， 而与熔池边缘的温度梯度成反比。 三、熔台区的不均匀性化学不均匀性是熔合区的重要特征之一，也是造成它成为整个接头薄弱部位 的主要原因。钢中的合金元素及杂质在液相中的溶解度都大于在固相中的溶解度。因此在 熔池凝固过程中，随着固相的增加，溶质原子必然要大量地堆积在固相前沿的液 相中。并将不均匀的分布状态保留到凝固以后。由不平衡凝固过程所造成的这种化学不均匀性程度，与溶质原子的性质有关 。熔合区在不平衡加热时，还会出现位错与空位等结晶缺
10、陷的聚集或重新分布 ，形成物理不均匀性。熔焊原理：焊接接头的组织与性能 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。 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2焊接加热时热影响区的组织转变特点焊接加热的特殊条件，对热影响区的组织转变有以下的影响(1)使相变温度升高 (2)影响奥氏体均质化程度3焊接冷却时热影响区的组织转变特点其一，焊接热循环的特点，决定了在研究热影响区金属连续冷却转变时应该用熔焊原理：焊
11、接接头的组织与性能焊接条件下特定的连续冷却转变曲线；其二，焊接加热特点对过冷奥氏体稳 定性的影响因钢的化学成分不同而异。(1)焊接热影响区CCT图(2)焊缝CCT图焊接CCT图早在50年代就已在国外得到应用，并发展了各种测试装置(如热 模拟试验装置)，绘制了很多钢种的焊接热影响区和焊缝的CCT图。国内近年来 也绘制一些焊接用钢的热影响区CCT图。二、焊接热影响区的组织在了解焊接热影响区加热和冷却转变特点的基础上，重点讨论低碳钢和低合 金钢热影响区的组织。1过热区是紧邻熔合区具有过热组织或晶粒明显粗化的部位，加热温度在固相温度ts tks之间。由于温度高，奥氏体晶粒急剧长大，同时难熔质点不断溶入
12、，甚至可能 发生局部晶界熔化的现象。对于淬硬倾向小的钢，如低碳钢的这个区冷却后将得 到晶粒粗大的过热组织；熔焊原理：焊接接头的组织与性能2.相变重结晶区紧邻过热区，加热温度在Ac3一tks，加热时相变重结晶进行完全。淬硬倾向小 的钢，这个 区冷却后得到细小的正火组织，晶粒比母材还细小。对淬硬倾向较 大的钢，冷却后则为细小 的马氏体，所以此区又称为淬火区。3不完全重结晶区加热温度在Ac1Ac 3之间。这个区组织的 变化比较复杂，加热温度达到 Ac1珠光体转变 为奥氏体，而铁素体只有部分溶解，大部分没 有变化。这时奥 氏体中的含碳量比较高，接近于共析成分，即加热时得到的组织是高碳奥氏体十 粗大的铁
13、素体。淬硬倾向较小的钢，冷却后，奥氏体转变为较细的珠光体十铁素 体。而残留的铁素体在加热时晶粒粗化，这个区的最终组织是较细的(P十F)和粗 大的F。对于淬硬倾向较大的钢，冷却中将发生马氏体转变，而 F保持不变，最 终得到块状F十高碳M十残余 A的特殊混合组织，所以这个区又叫做部分淬火。 不均匀的组织性能也必然不均匀。4.回火区 对于焊前经过淬 火十回火处理过的钢，则在回火温度t1Ac1之间还有一个回 火区。这个区在焊接中相当经历一次过回火，其宽度和组织变化情况与t1的高低 有关。t1越低，回火区越宽，组织变化也越复杂。熔焊原理：焊接接头的组织与性能焊前是低温回火时，则回火区的组织，按峰值温度从
14、高到低依次为粗大的粒 状渗碳体十铁素体和不同形态的回火马氏体。而焊前为高温回火时，回火区则为 粒状渗碳体十铁素体。热影响区的组织是不均匀的，因此，其性能必然也不均匀。其中过热区的晶 粒粗化加之熔合区的化学不均匀性，构成整个焊接接头中的薄弱区，而此区往往 就决定了接头的性能。热影响区组织与性能的不均匀程度与母材的成分有关。低碳钢和淬硬倾向不 大的低合金钢，其热影响区组织与性能的变化相对要小些。淬硬倾向较大的中碳 钢和调质型的低合金钢，由于出现淬硬组织而脆化，并容易产生裂纹。至于高合 金钢、铸铁和有色金属等材料，热影响区的组织更为复杂，这些将在有关材料焊 接的章节中介绍。三、焊接热影响区的性能焊接
15、热影响区性能的不均匀表现在多方面，包括常温、高温和低温的力学 性能，以及在特殊工作环境中要求的耐蚀性、耐热性、疲劳强度等1焊接热影响区的硬度分布 一般情况下，随着硬度上升，钢的塑性、韧性下降，抗裂能力减弱。因此，熔焊原理：焊接接头的组织与性能热影响区中硬度最高的部位往往就是接头中的薄弱环节。而且最高硬度值越高， 接头的综合力学性能就越低，产生裂纹等缺陷的可能性就越大。对大多数钢来说 ，最高硬度值大都出现在熔合线附近的热影响区处。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的意义。热应 变时效脆化。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
16、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， 相加而得到其碳当量。2热影响区的常温力学性能过热区的力学性能与加热温度、冷却速度特别高有关。加热温度晶粒粗大冷却速度淬硬组织3热影响区的脆化脆化是指材料韧性急剧下降，而由韧性转变为脆性的现象。脆性材料往往在 只有少量变形时即发生断裂，而且断裂过程消耗的能量也比韧性材料少得多。因 为破坏多为低应下突发性的，后果更为严重。熔焊原理：焊接接头的组织与性能脆化是焊接热影响区力学性能变化的另一个重要问题。实践证明，很多焊接 结构失效都起因于热影响区的脆化。(1)粗晶脆化(2)热应变时效脆化4热影响区的软化热影响区软化是指焊后其强度、硬度低于焊前母材的现象。这种现象主要出 现在焊前经过淬火十回火的钢中。5改善热影响区性能的途径(1)采用高韧性母材(2)焊后热处理 (3)合理制订焊接工艺
