《焊接冶金与焊接性 教学课件 ppt 作者 刘会杰 第3章 焊接接头的组织和性能》由会员分享，可在线阅读，更多相关《焊接冶金与焊接性 教学课件 ppt 作者 刘会杰 第3章 焊接接头的组织和性能（78页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、20921-3A,第3章 焊接接头的组织和性能,3.1 焊接熔池和焊缝 3.2 焊接热影响区 3.3 熔合区,20921-3A,3.1 焊接熔池和焊缝,焊接熔池是指由熔化的局部母材和填加材料所组成的具有一定几何形状的液态区域，而焊缝是指熔池凝固后所形成的固态区域。因此，焊接熔池和焊缝之间存在着内在的、必然的联系。也就是说，焊缝金属的组织和性能不仅取决于焊缝的相变行为，而且受到焊接熔池结晶行为的直接影响。,20921-3A,3.1.1 焊接熔池的结晶特点,1.非平衡的动态结晶 (1) 熔池体积小、冷却速度大 焊接熔池体积小，其周围被体积很大的母材金属所包围，熔池界面导热条件很好，故熔池冷却速度很
2、快，其平均值可达到100/s，约为铸造时的104倍。 (2) 熔池过热、温度梯度大 焊接熔池中的液态金属处于过热状态，如低碳钢的焊接熔池平均温度可达到1870，远高于铸造时的最高平均温度1550。,20921-3A,3.1.1 焊接熔池的结晶特点,(3) 熔池在动态下结晶 焊接熔池中金属的结晶和熔化是同时进行的，结晶前沿随焊接热源而移动，而且焊接条件下各种力的作用会使正在结晶中的熔池受到激烈的搅拌。 2.联生结晶和竞争成长 (1) 联生结晶 焊接熔池的结晶过程一般是从熔池边界开始的，非自发晶核就依附在半熔化的母材晶粒表面上。,图3-1 联生结晶及竞争成长 a) 示意图 b) 微观照片,2092
3、1-3A,3.1.1 焊接熔池的结晶特点,(2) 竞争成长 结晶理论告诉我们，每一种晶体点阵都存在一个结晶速度最快的最优结晶取向，而且温度梯度的方向对结晶速度也有极为重要的影响。 3.结晶速度和方向动态变化 (1) 结晶速度的表达式 如上所述，熔池结晶总是从熔池边界处半熔化的母材晶粒上开始形核并向焊缝中心成长的。,20921-3A,3.1.1 焊接熔池的结晶特点,(2) 成长速度和方向的变化 由式(3-2)可以看出，在焊接速度v一定的条件下，晶粒成长速度R仅取决于结晶等温面法线方向与焊接方向的夹角或晶粒成长方向与焊接方向的夹角,20921-3A,3.1.1 焊接熔池的结晶特点,图3-2 晶粒成
4、长速度与焊接速度的关系,20921-3A,3.1.1 焊接熔池的结晶特点,图3-3 晶粒成长速度和方向的变化,20921-3A,3.1.1 焊接熔池的结晶特点,图3-4 焊接速度对晶粒成长方向的影响 a) 高速焊 b) 低速焊,20921-3A,3.1.1 焊接熔池的结晶特点,图3-5 焊接速度对晶粒成长速度的影响,20921-3A,3.1.1 焊接熔池的结晶特点,(3) 焊接速度对成长速度和方向的影响 如绪论中所述，焊接速度增加时，焊接温度场的范围变小，熔池形状变得细长。,20921-3A,3.1.2 焊接熔池的结晶形态,1.熔池结晶的典型形态 (1) 平面结晶 当固-液界面前方液相中的温度
5、梯度G(即温度曲线的斜率dT/dx)很大时，液相温度曲线T不与结晶温度曲线TL相交，因而液相中不存在成分过冷区，如图3-6a所示。,图3-6 平面结晶形态 a) 成分过冷条件 b) 形成机理示意图 c) 平面晶微观照片,20921-3A,3.1.2 焊接熔池的结晶形态,(2) 胞状结晶 当固-液界面前方液相中的温度梯度G较大时，液相温度曲线T与结晶温度曲线TL在短距离x内相交，形成较小的成分过冷区，如图3-7a所示。,图3-7 胞状结晶形态 a) 成分过冷条件 b) 形成机理示意图 c) 胞状晶微观照片,20921-3A,3.1.2 焊接熔池的结晶形态,(3) 胞状树枝结晶 随固-液界面前方液
6、相中的温度梯度G的减小，液相温度曲线T与结晶温度曲线TL相交的距离x增大，所形成的成分过冷区增大，如图3-8a所示。,图3-8 胞状树枝结晶形态 a) 成分过冷条件 b) 形成机理示意图 c) 胞状树枝晶微观照片,20921-3A,3.1.2 焊接熔池的结晶形态,(4) 树枝状结晶 当固-液界面前方液相中的温度梯度G进一步减小时，液相温度曲线T与结晶温度曲线TL相交的距离x进一步增大，从而形成较大的成分过冷区，如图3-9a所示。,图3-9 树枝状结晶形态 a) 成分过冷条件 b) 形成机理示意图 c) 树枝晶微观照片,20921-3A,3.1.2 焊接熔池的结晶形态,(5) 等轴结晶 当固-液
7、界面前方液相中的温度梯度G很小时，液相温度曲线T与结晶温度曲线TL在很远处相交，从而在液相中形成很大的成分过冷区，如图3-10a所示。,图3-10 等轴结晶形态 a) 成分过冷条件 b) 形成机理示意图 c) 等轴晶微观照片,20921-3A,3.1.2 焊接熔池的结晶形态,2.焊缝中的结晶组织 (1) 结晶组织的分布 在焊接熔池中，不同部位具有不同的温度梯度G和结晶速度R，因而具有不同的成分过冷，出现不同的结晶形态，从而在焊缝中形成分布不同的结晶组织，如图3-12所示。 (2) 焊接条件对结晶组织的影响 如前所述，对结晶组织起控制作用的成分过冷主要受到熔池金属中溶质含量W、熔池结晶速度R和液
8、相温度梯度G的影响。,20921-3A,3.1.2 焊接熔池的结晶形态,表3-1 焊接参数对HY-80钢焊缝结晶组织的影响,20921-3A,3.1.2 焊接熔池的结晶形态,图3-11 W、R和G对结晶形态的影响,20921-3A,3.1.2 焊接熔池的结晶形态,图3-12 焊缝中结晶组织的分布,20921-3A,3.1.2 焊接熔池的结晶形态,图3-13 不同母材的焊缝组织 a) 1100Al b) Fe-15Cr-15Ni c) ZM6,20921-3A,3.1.3 焊缝的相变组织,1.低碳钢焊缝的相变组织 (1) 铁素体和珠光体 低碳钢焊缝具有较低的含碳量，发生固态相变后的组织主要由铁素
9、体和少量的珠光体组成。,20921-3A,3.1.3 焊缝的相变组织,表3-2 冷却速度对低碳钢焊缝组织和硬度的影响,20921-3A,3.1.3 焊缝的相变组织,(2) 魏氏组织 在发生过热的低碳钢焊缝中，还可能出现塑性和韧性很差的魏氏组织，如图3-14所示。,图3-14 低碳钢焊缝中的魏氏组织,20921-3A,3.1.3 焊缝的相变组织,2.低合金钢焊缝的相变组织,图3-15 低合金钢焊缝相变组织的分类及形态,20921-3A,3.1.3 焊缝的相变组织,(1) 铁素体F 低合金钢焊缝中的铁素体，具有比较复杂的形态。,图3-16 含有不同铁素体的低合金钢焊缝组织 a) GBF b) FS
10、P c) AF d) FGF,20921-3A,3.1.3 焊缝的相变组织,1) 先共析铁素体GBF。 2) 侧板条铁素体FSP。 3) 针状铁素体AF。 4) 细晶铁素体FGF。 (2) 珠光体P 珠光体是铁素体和渗碳体的层状混合物，是低合金钢在接近平衡状态下(如热处理时的连续冷却过程)，在Ac1550温区内发生扩散相变的产物。,图3-17 含有不同珠光体的低合金钢焊缝组织 a) b) c) ,20921-3A,3.1.3 焊缝的相变组织,(3) 贝氏体B 贝氏体是在550Ms温区内发生的扩散-切变型相变的产物。 1) 上贝氏体Bu。 2) 下贝氏体BL。 3) 粒状贝氏体BG或条状贝氏体B
11、P。 (4) 马氏体M 马氏体是在Ms点以下温区内发生的切变型相变的产物。 1) 板条马氏体MD。,20921-3A,3.1.3 焊缝的相变组织,图3-19 马氏体形态示意图 a) b) ,20921-3A,3.1.3 焊缝的相变组织,图3-18 含有不同贝氏体的低合金钢焊缝组织 a) b) c) ,20921-3A,3.1.3 焊缝的相变组织,2) 片状马氏体MT。 (5) 焊缝最终组织的构成 以上介绍了低合金钢焊缝中可能出现的全部组织，但每个焊缝不可能完全包含这些组织，而只是由其中的几种组织所构成。,图3-20 典型低合金钢焊缝的CCT图,20921-3A,3.1.4 焊缝组织和性能的控制
12、,1.冶金方面的控制 (1) 锰和硅的作用 锰和硅是焊缝中最常用的合金化元素，它们不仅能脱氧而使焊缝得到强化，还能改变焊缝组织形态而影响焊缝的韧性。,图3-21 锰和硅的含量对低强 焊缝金属韧性的影响,20921-3A,3.1.4 焊缝组织和性能的控制,(2) 钛和硼的作用 在焊缝中加入微量的钛和硼等活性元素，能明显起到细化焊缝组织的作用，从而显著提高焊缝的韧性。,图3-22 钛和硼的含量对焊缝金属韧性的影响 a) 钛含量的影响 b) 硼含量的影响,20921-3A,3.1.4 焊缝组织和性能的控制,图3-23 钼含量对焊缝金属韧性的影响,20921-3A,3.1.4 焊缝组织和性能的控制,(
13、3) 钼的作用 在低合金钢焊缝中只要加入少量的钼，就能降低奥氏体的分解温度，抑制先共析铁素体的形成，从而提高焊缝的强度和韧性。 (4) 稀土元素的作用 稀土是化学活性极强的元素，能与钢中的合金元素发生相互作用，改善焊缝的组织以及夹杂物的形态和分布，从而提高焊缝的韧性。,图3-24 药皮中钇的加入量 对焊缝韧性的影响,20921-3A,3.1.4 焊缝组织和性能的控制,2.工艺方面的控制 (1) 焊接工艺优化 1) 工艺参数调整。 2) 采用多层焊接。 (2) 振动结晶与锤击处理 1) 振动结晶。,图3-25 电磁振动对铁素体不锈钢焊缝组织的影响 a) 无电磁振动 b) 有电磁振动,20921-
14、3A,3.1.4 焊缝组织和性能的控制,2) 锤击处理。 (3) 焊后热处理 1) 跟踪热处理。 2) 整体或局部热处理。,20921-3A,3.2 焊接热影响区,焊接热影响区是焊接接头的重要组成部分，是焊缝两侧未经过熔化但组织和性能发生变化的区域。由于焊接热影响区不同部位所受热作用的不一致性，造成其内部组织和性能的分布极不均匀，以致可能使其成为焊接接头的最薄弱环节。因此，研究热影响区在焊接热循环作用下组织和性能的变化规律，对于解决焊接问题、提高焊接质量具有十分重要的意义。,20921-3A,3.2.1 焊接热影响区的组织转变特点,1.焊接加热过程的组织转变特点 (1) 组织转变向高温推移 由
15、于焊接加热速度快，导致钢铁材料的相变温度Ac1和Ac3升高。 (2) 奥氏体均质化程度降低、部分晶粒严重长大 奥氏体均质化过程也是扩散过程，由于焊接加热速度快，高温停留时间短，不利于扩散过程的进行，因而使奥氏体均质化程度降低。,20921-3A,3.2.1 焊接热影响区的组织转变特点,表3-3 加热速度对相变温度A和A的影响,20921-3A,表3-3 加热速度对相变温度A和A的影响,20921-3A,3.2.1 焊接热影响区的组织转变特点,2.焊接冷却过程的组织转变特点 (1) 组织转变向低温推移、可形成非平衡组织 在奥氏体均质化程度相同的情况下，随着焊接冷却速度的加快，钢铁材料的相变温度A
16、c1、Ac3以及Acm均降低。 (2) 马氏体转变临界冷速发生变化 在焊接热循环的作用下，熔合线附近的晶粒因过热而粗化，增加了奥氏体的稳定性，使淬硬倾向增大；另一方面，钢中的碳化物由于加热速度快、高温停留时间短而不能充分溶解在奥氏体中，降低了奥氏体的稳定性，使淬硬倾向降低。 3.热影响区组织的确定方法,20921-3A,3.2.1 焊接热影响区的组织转变特点,图3-26 热循环参数对CCT曲线的影响 a) 的影响 b) 的影响,20921-3A,3.2.1 焊接热影响区的组织转变特点,图3-27 焊条电弧焊的线算图,20921-3A,3.2.1 焊接热影响区的组织转变特点,图3-28 Q345(16Mn)钢的CCT图及对组织和硬度的影响 a) CCT图 b) 对组织的影响 c) 对硬度的影响,20921-3A,3.2.2 焊接热影响区的组织特征,1.不易淬火钢热影响区的组织分布,20921-3A,3.2.2 焊接热影响区的组织特征,表3-4 焊接方法对焊接热影响区各区尺寸的影响,20921-3A,3.2.2 焊接热影响区
