物理焊缝及其热影响区的组织和性能PPT学习教案

1、会计学1物理焊缝及其热影响区的组织和性能物理焊缝及其热影响区的组织和性能第三章 凝固热力学与动力学2第1页/共123页第三章 凝固热力学与动力学3公元前，已出现焊接工艺，铸焊、扩散钎公元前，已出现焊接工艺，铸焊、扩散钎焊（秦始皇陵铜车马等）。焊（秦始皇陵铜车马等）。 19世纪，现代焊接技术得以发展（世纪，现代焊接技术得以发展（C弧、弧、金属弧、电阻热）。金属弧、电阻热）。 20世纪，金属电弧用于金属结构生产，发世纪，金属电弧用于金属结构生产，发明厚药皮焊条。明厚药皮焊条。第2页/共123页第三章 凝固热力学与动力学4第3页/共123页第三章 凝固热力学与动力学5第4页/共123页第三章 凝固热

2、力学与动力学6第5页/共123页第三章 凝固热力学与动力学7第6页/共123页第三章 凝固热力学与动力学8第7页/共123页第三章 凝固热力学与动力学9第8页/共123页第三章 凝固热力学与动力学107.17.1金属焊接成形概述金属焊接成形概述常见连接成形方法：常见连接成形方法：A 焊接焊接B 胶接胶接使用胶粘剂来连接材料。使用胶粘剂来连接材料。 优点：适应性广、工艺简单，应力变形小，优点：适应性广、工艺简单，应力变形小， 适用于各种材料适用于各种材料 缺点：固化时间长，胶接剂易老化，耐热性差。缺点：固化时间长，胶接剂易老化，耐热性差。C 机械连接机械连接螺纹连接、销钉连接、键连螺纹连接、销钉

3、连接、键连 接和铆钉连接接和铆钉连接 优点：标准件，良好的互换性，选用方便，优点：标准件，良好的互换性，选用方便， 工作可靠，易于工作可靠，易于 检修。检修。 缺点：增加了机械加工工序，结构重量大，缺点：增加了机械加工工序，结构重量大， 密封性差，成本较高。密封性差，成本较高。第9页/共123页第三章 凝固热力学与动力学11焊接焊接是一种永久性连接金属材料的工艺方法。是一种永久性连接金属材料的工艺方法。焊接的实质焊接的实质用加热或加压等手段，借助于金属原子的结用加热或加压等手段，借助于金属原子的结 合与扩散作用，合与扩散作用，依靠原子间的结合力依靠原子间的结合力使分离使分离 的金属材料牢固地连

4、接起来。的金属材料牢固地连接起来。焊接方法焊接方法熔化焊、压力熔化焊、压力 焊及钎焊。焊及钎焊。应用应用在机械制造业中以在机械制造业中以 熔化焊熔化焊的应用最为的应用最为 广泛。广泛。第10页/共123页第三章 凝固热力学与动力学12熔化焊：熔化焊：将工件局部加热到熔化状态，形成将工件局部加热到熔化状态，形成熔池，冷却结晶后形成焊缝，被焊工件结合熔池，冷却结晶后形成焊缝，被焊工件结合成不可分离的整体。常见有气焊、电弧焊、成不可分离的整体。常见有气焊、电弧焊、电渣焊、等离子焊、电子束焊、激光焊等。电渣焊、等离子焊、电子束焊、激光焊等。压焊：压焊：无论加热与否，均需要加压的焊接方无论加热与否，均需

5、要加压的焊接方法。常见的有电阻焊、摩擦焊、冷压法。常见的有电阻焊、摩擦焊、冷压 焊、扩散焊和爆炸焊等。焊、扩散焊和爆炸焊等。钎焊：钎焊：采用熔点低于被焊金属的钎料熔化以采用熔点低于被焊金属的钎料熔化以后，填充接头间隙，并与被焊金属相互扩散后，填充接头间隙，并与被焊金属相互扩散实现连接。钎焊过程中被焊工件不熔化，一实现连接。钎焊过程中被焊工件不熔化，一般没有塑性变形。般没有塑性变形。焊接的分类：焊接的分类：加热钎钎料料加热加压第11页/共123页第三章 凝固热力学与动力学13从冶金角度从冶金角度: 液相焊接：液相焊接：基材和填充材料熔化液相互溶材料间原基材和填充材料熔化液相互溶材料间原子结合。子

6、结合。 固相焊接：固相焊接：压力使连接表面紧密接触表面之间充分扩压力使连接表面紧密接触表面之间充分扩散实现原子结合。散实现原子结合。 固液相焊接：固液相焊接：待接表面不接触，通过两者之间的毛细待接表面不接触，通过两者之间的毛细间隙中的液相金属在固液界面扩散，实现原子结合。间隙中的液相金属在固液界面扩散，实现原子结合。 （钎（钎焊）焊）第12页/共123页第三章 凝固热力学与动力学14金属焊接成形概述金属焊接成形概述第13页/共123页第三章 凝固热力学与动力学15金属焊接成形概述金属焊接成形概述第14页/共123页第三章 凝固热力学与动力学16第15页/共123页第三章 凝固热力学与动力学17

7、第16页/共123页第三章 凝固热力学与动力学18第17页/共123页第三章 凝固热力学与动力学19焊接的优点：焊接的优点：（1）焊接生金属材料，）焊接生金属材料，结构重量轻结构重量轻。（2）能制造重型、复杂的机械零部件，简化铸造、锻造及）能制造重型、复杂的机械零部件，简化铸造、锻造及 切削加工工艺。切削加工工艺。（3）焊接接头不仅具有）焊接接头不仅具有良好的力学性能良好的力学性能，还具有，还具有良好的密良好的密 封性封性。（4）能够制造）能够制造双金属结构双金属结构，使材料的性能得到充分利用。，使材料的性能得到充分利用。（5）可实现不同材料的连接成型，是不可拆卸的）可实现不同材料的连接成型，

8、是不可拆卸的永久性连永久性连 接接。第18页/共123页第三章 凝固热力学与动力学20焊接的焊接的缺点：缺点：（1）焊接结构不可拆卸，给维修带来不便；）焊接结构不可拆卸，给维修带来不便； （2）焊接结构中存在焊接应力和变形；）焊接结构中存在焊接应力和变形；（3）接头的组织性能往往不均匀，并会产生裂纹、夹渣、）接头的组织性能往往不均匀，并会产生裂纹、夹渣、 气孔等焊接缺陷，从而引起应力集中，降低连接件的气孔等焊接缺陷，从而引起应力集中，降低连接件的 承载能力。承载能力。第19页/共123页第三章 凝固热力学与动力学21焊接接头焊接接头 焊接热过程焊接热过程 + 焊接化学冶金焊接化学冶金 + 焊接

9、物理冶金焊接物理冶金第20页/共123页第三章 凝固热力学与动力学22第21页/共123页第三章 凝固热力学与动力学23第22页/共123页第三章 凝固热力学与动力学24焊接化学冶金的特殊性焊接化学冶金的特殊性焊接区内的气体和焊接熔渣焊接区内的气体和焊接熔渣焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用焊缝金属的合金化及其成分控制焊缝金属的合金化及其成分控制包括内容：包括内容：第23页/共123页第三章 凝固热力学与动力学25焊接化学冶金的特点焊接化学冶金的特点：1.1.焊接化学冶金的首要任务就是焊接化学冶金的首要任务就是对金属加强保护对金属加强保护，使其免受空气，使其免

10、受空气中中气体的有害作用气体的有害作用，从而减少焊缝中有害，从而减少焊缝中有害杂质含量杂质含量，减少有益，减少有益合合金元素损失金元素损失，使焊缝金属得到合适的，使焊缝金属得到合适的化学成分化学成分，提高，提高焊接质量焊接质量。2.2.焊接化学冶金过程是焊接化学冶金过程是分区域（或阶段）连续分区域（或阶段）连续进行的，各区的反进行的，各区的反应物应物性质性质和和浓度、温度、反应时间、相接触面积、对流及搅拌运浓度、温度、反应时间、相接触面积、对流及搅拌运动动等反应条件也有着较大的差异。等反应条件也有着较大的差异。反应条件反应条件的差异就影响着反应的差异就影响着反应进行的进行的可能性、方向、速度及

11、限度可能性、方向、速度及限度。不同的。不同的焊接方法焊接方法有不同的有不同的反反应区应区。钨极气体保护焊和电子束焊只有。钨极气体保护焊和电子束焊只有熔池反应区熔池反应区；熔化极气体；熔化极气体保护焊有保护焊有熔滴反应区熔滴反应区和和熔池反应区熔池反应区两个反应区；焊条电弧焊有三两个反应区；焊条电弧焊有三个反应区：个反应区：药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区。第24页/共123页第三章 凝固热力学与动力学26停留时间短；停留时间短；基本排除了整个系统达到热力学平衡的可能性；基本排除了整个系统达到热力学平衡的可能性；不同条件下焊接冶金反应离平衡的远近程度不同；不同

12、条件下焊接冶金反应离平衡的远近程度不同；利用热力学原理定性分析冶金反应的进行方向和影利用热力学原理定性分析冶金反应的进行方向和影响因素；响因素；3 3、焊接冶金反应分析、焊接冶金反应分析第25页/共123页第三章 凝固热力学与动力学27三、焊接物理冶金过程三、焊接物理冶金过程熔化焊时，熔化焊时，焊接焊接材料材料及母材金属及母材金属在高温热源作用下发生在高温热源作用下发生了局部熔化，在此过程中发生了冶金反应。当热源离开后，了局部熔化，在此过程中发生了冶金反应。当热源离开后，熔池开始冷却结晶、凝固及固态相变，最终形成焊缝熔池开始冷却结晶、凝固及固态相变，最终形成焊缝，这个，这个过程主要是物理冶金过

13、程过程主要是物理冶金过程。靠近熔池的金属，由于经历了焊接高温热源的热循环作靠近熔池的金属，由于经历了焊接高温热源的热循环作用，其组织和性能也会发生变化，这一区域称之为用，其组织和性能也会发生变化，这一区域称之为焊接热影焊接热影响区响区（Heat Affected ZoneHeat Affected Zone，简称，简称HAZHAZ）或近缝区）或近缝区，此区域，此区域主要发生物理冶金过程主要发生物理冶金过程。介于焊缝和热影响区之间的。介于焊缝和热影响区之间的薄层薄层过过渡区称为渡区称为熔合区熔合区。第26页/共123页第三章 凝固热力学与动力学28焊接接头主要是由焊缝和热影响区组成的焊接接头主要

14、是由焊缝和热影响区组成的：由于焊接接头各组成部分经历的焊接热循环作用是不同的，由于焊接接头各组成部分经历的焊接热循环作用是不同的，所以会形成不同的微观组织，有时甚至会产生缺陷，从而影所以会形成不同的微观组织，有时甚至会产生缺陷，从而影响到整个接头的作用。在很多情况下，焊接热影响区的质量响到整个接头的作用。在很多情况下，焊接热影响区的质量与焊缝质量是同等重要的，有些金属的焊接热影响区存在的与焊缝质量是同等重要的，有些金属的焊接热影响区存在的问题比焊缝更要复杂。问题比焊缝更要复杂。焊接接头组成示意图1-焊缝 2-熔合区 3-热影响区 4-母材第27页/共123页第三章 凝固热力学与动力学291.焊

15、接时热作用的特点焊接时热作用的特点（1）集中性）集中性（2）瞬时性）瞬时性2. 焊接传热基本形式焊接传热基本形式（根据传热学基本理论）（根据传热学基本理论）（1）热传导）热传导 （2）热对流）热对流 （3）热辐射）热辐射 焊接过程中：热源焊接过程中：热源 焊件焊件 ： 对流、辐射为主对流、辐射为主 母材、焊条本身母材、焊条本身 ： 热传导为主热传导为主第28页/共123页第三章 凝固热力学与动力学30具体求解时需给出热导体的初始条件与边界条件。具体求解时需给出热导体的初始条件与边界条件。初始条件：物体开始导热时的瞬时温度分布初始条件：物体开始导热时的瞬时温度分布边界条件：热导体表面与周围介质间

16、的热交换情况。边界条件：热导体表面与周围介质间的热交换情况。常见的三种边界条件：常见的三种边界条件： 第一类：给定物体表面温度随时间的变化关系第一类：给定物体表面温度随时间的变化关系 第二类：给出通过物体表面的比热流随时间变化的关系第二类：给出通过物体表面的比热流随时间变化的关系 第三类：给出物体周围介质温度以及物体表面与周围介第三类：给出物体周围介质温度以及物体表面与周围介 质的换热系数质的换热系数a。)(222222zTyTxTctT)(2222yTxTctT22xTctT第29页/共123页第三章 凝固热力学与动力学31第30页/共123页第三章 凝固热力学与动力学32焊接温度场焊接温度

17、场某瞬时焊件上各点的温度分布某瞬时焊件上各点的温度分布 T= f(x,y,z,t) 等温线（面）等温线（面）焊件上瞬时温度相同的点连成的线（面）焊件上瞬时温度相同的点连成的线（面） 每条线或面之存在温度差，其大小可以用温度梯度每条线或面之存在温度差，其大小可以用温度梯度来表示：来表示：Grad T第31页/共123页第三章 凝固热力学与动力学33（2 2）当恒定热功率的热源固定作用在焊件上时，开始阶段温度场是不）当恒定热功率的热源固定作用在焊件上时，开始阶段温度场是不稳定的，经过一段时间后便达到饱和状态，形成暂时稳定的温度场，稳定的，经过一段时间后便达到饱和状态，形成暂时稳定的温度场，这种情况

18、称为准稳定温度场。这种情况称为准稳定温度场。 （3 3）功率不变的焊接热源，在厚大焊件、薄板或细棒上作匀速直线运）功率不变的焊接热源，在厚大焊件、薄板或细棒上作匀速直线运动时，温度场是准稳态温度场。温度场与热源作同步运动，可采用移动动时，温度场是准稳态温度场。温度场与热源作同步运动，可采用移动坐标系，使坐标原点与热源中心重合。坐标系，使坐标原点与热源中心重合。（1 1）正常焊接条件下，焊接热源是以一定速度沿焊缝移动的。）正常焊接条件下，焊接热源是以一定速度沿焊缝移动的。 第32页/共123页第三章 凝固热力学与动力学34第33页/共123页第三章 凝固热力学与动力学35数学解析的简化条件：数学

19、解析的简化条件：1 1）焊接过程中材料的热物理常数不变，初始温度均匀）焊接过程中材料的热物理常数不变，初始温度均匀2 2）三维或二维传热时，各方向传热互不影响）三维或二维传热时，各方向传热互不影响3 3）焊件尺寸和焊接热源可概括为三种类型：）焊件尺寸和焊接热源可概括为三种类型：a)a) 半无限大物体半无限大物体 三维传热三维传热 点热源点热源b)b) 无限薄物体无限薄物体 二维传热二维传热 线热源线热源c)c) 无限长细杆无限长细杆 一维传热一维传热 面热源面热源4 4）边界条件：厚板焊件的热能全部向物体内部传导；薄板或细杆表）边界条件：厚板焊件的热能全部向物体内部传导；薄板或细杆表 面与介质

20、间的热传导忽略不计面与介质间的热传导忽略不计5 5）焊接热源在单位时间内输出的能量保持不变）焊接热源在单位时间内输出的能量保持不变6 6）热源运动过程中所产生的热作用效果，可视为相继作用于不同点）热源运动过程中所产生的热作用效果，可视为相继作用于不同点 的无数集中热源作用的总和，而多个瞬时热源之间互不影响。的无数集中热源作用的总和，而多个瞬时热源之间互不影响。第34页/共123页第三章 凝固热力学与动力学361.1.正常速度运动时的特解：正常速度运动时的特解：2.2.热源高速度运动时的近似解：热源高速度运动时的近似解： 薄板温度场表达式：薄板温度场表达式：1.1.正常速度运动时的特解：正常速度

21、运动时的特解：2.2.热源稿速度运动时的近似解：热源稿速度运动时的近似解：第35页/共123页第三章 凝固热力学与动力学37第36页/共123页第三章 凝固热力学与动力学38第37页/共123页第三章 凝固热力学与动力学39第38页/共123页第三章 凝固热力学与动力学40第39页/共123页第三章 凝固热力学与动力学41实测结果第40页/共123页第三章 凝固热力学与动力学42薄板二维传导薄板二维传导，板厚方向无，板厚方向无温差，近似全温差，近似全熔熔透对接焊透对接焊第41页/共123页第三章 凝固热力学与动力学43（1 1）热源的性质）热源的性质（2 2）焊接工艺参数（有效热功率）焊接工艺

22、参数（有效热功率q q 、焊接速度、焊接速度v v） q q一定一定 v v增大增大 等温线的范围变小，热源集中程度增大等温线的范围变小，热源集中程度增大 v v一定一定 q q增大增大 温度场的范围增大温度场的范围增大 grad T grad T q/v q/v一定一定 v v 较大时较大时 grad T grad T （3) 3) 金属的热物理性质（热导率金属的热物理性质（热导率、体积比热容、体积比热容c等等） 热物理性质主要是指热物理性质主要是指 热扩散率热扩散率 = = /c/c 焊接线能量焊接线能量 E E 相同相同 a grad T a grad T 板厚：其他因素不变，随板厚的减

23、小，板厚：其他因素不变，随板厚的减小， 焊件表面的高温区域焊件表面的高温区域第42页/共123页第三章 凝固热力学与动力学44第43页/共123页第三章 凝固热力学与动力学45第44页/共123页第三章 凝固热力学与动力学461 1、焊接熔池凝固过程与铸造凝固过程的差别、焊接熔池凝固过程与铸造凝固过程的差别 焊接熔池体积小，冷却速度高；焊接熔池体积小，冷却速度高； 熔池的形状与尺寸熔池的形状与尺寸(30cm(30cm3 3, 100g), 100g)，冷却速度平，冷却速度平均均 达达100/s100/s，约为铸造的，约为铸造的10104 4。 焊接熔池的液态金属处于过热状态焊接熔池的液态金属处

24、于过热状态 熔池平均温度熔池平均温度 (1770(1770100) 100) 钢锭钢锭:1550 :1550 ；熔；熔池池 过热度大，合金元素烧损严重，非自发形核质点减过热度大，合金元素烧损严重，非自发形核质点减 少，促使柱状晶发展。少，促使柱状晶发展。7.4 7.4 焊缝金属的组织与性能焊缝金属的组织与性能第45页/共123页第三章 凝固热力学与动力学47熔池在运动状态下结晶熔池在运动状态下结晶u结晶前沿随热源同步运动。结晶前沿随热源同步运动。u液态金属受到电弧搅拌力、气流吹液态金属受到电弧搅拌力、气流吹 力、电磁力、熔滴作用力、表面张力、电磁力、熔滴作用力、表面张 力及金属密度差的作用。力

25、及金属密度差的作用。u熔池金属存在对流运动，有利于除气和熔池金属存在对流运动，有利于除气和除渣。除渣。u凝固速度很大，固液界面的推进速度比凝固速度很大，固液界面的推进速度比铸件高铸件高10-100倍。倍。化学成分不均匀化学成分不均匀1、焊接熔池凝固过程差别、焊接熔池凝固过程差别第46页/共123页第三章 凝固热力学与动力学482v3kF316E)4cos3cos32(3kkEE2v3kF316E第47页/共123页第三章 凝固热力学与动力学49在焊接条件下，熔池中存在两种在焊接条件下，熔池中存在两种所谓现成表面：一种是合金元素所谓现成表面：一种是合金元素或杂质的悬浮质点表面；另一种或杂质的悬浮

26、质点表面；另一种是熔合区附近加热到半熔化状态是熔合区附近加热到半熔化状态基体金属的晶体表面，非自发形基体金属的晶体表面，非自发形核就依附在这个表面上，并以柱核就依附在这个表面上，并以柱状晶的形态向焊缝中心成长，形状晶的形态向焊缝中心成长，形成所谓交互结晶（成所谓交互结晶（联生结晶联生结晶）。）。在焊接材料中加入一定的合金元素可作为在焊接材料中加入一定的合金元素可作为熔池非自发形核的质点，细化晶粒。熔池非自发形核的质点，细化晶粒。外延结晶示意图第48页/共123页第三章 凝固热力学与动力学50先长大先长大焊缝金属柱状晶的择优生长第49页/共123页第三章 凝固热力学与动力学51第50页/共123

27、页第三章 凝固热力学与动力学52（3 3）焊接工艺对一次组织结构的影响）焊接工艺对一次组织结构的影响低速焊接条件下：低速焊接条件下： 焊缝的柱状晶朝向焊接方向弯曲并指向焊缝中心，焊缝的柱状晶朝向焊接方向弯曲并指向焊缝中心，称称 为为“偏向晶偏向晶”。高速焊接条件下：高速焊接条件下： 柱状晶成长方向可柱状晶成长方向可垂直于焊缝边界，一垂直于焊缝边界，一直长到焊缝中心，称直长到焊缝中心，称“定向晶定向晶”。低熔点杂。低熔点杂质偏析于焊缝中心，质偏析于焊缝中心，易出现纵向裂纹。易出现纵向裂纹。第51页/共123页第三章 凝固热力学与动力学53原因：高速移动，熔池原因：高速移动，熔池变成细长条，最快散

28、热变成细长条，最快散热方向垂直于焊缝轴线。方向垂直于焊缝轴线。第52页/共123页第三章 凝固热力学与动力学54第53页/共123页第三章 凝固热力学与动力学55在在dtdt内，当结晶等温面由内，当结晶等温面由A AB B时，变化时，变化dxdx，则，则 dx/dt=Vdx/dt=V（焊接速度），（焊接速度）， 此时该晶粒生长由此时该晶粒生长由A AC C， 变化变化 dsds，则，则 ds/dt=Vc,ds/dt=Vc,当当dtdt0 0时，时，BCBC垂直于垂直于ACAC，则则 即平均成长速度即平均成长速度V Vc c有有 coscos取决于焊接规范和材料的热物理性质及形状取决于焊接规范和

29、材料的热物理性质及形状 cosdtdxdtdscosVVc 第54页/共123页第三章 凝固热力学与动力学5621222211)(coszyzykkkkqvA2122211)()(cosyyMkkTqA第55页/共123页第三章 凝固热力学与动力学57等轴晶（树枝晶）树枝晶晶胞平面晶柱状晶形态第56页/共123页第三章 凝固热力学与动力学58第57页/共123页第三章 凝固热力学与动力学59第58页/共123页第三章 凝固热力学与动力学60胞状结晶胞状结晶 G G与与T T少量相交少量相交第59页/共123页第三章 凝固热力学与动力学61胞状树枝结晶：胞状树枝结晶： G G与与T T相交较大，

30、晶粒主轴快速伸向相交较大，晶粒主轴快速伸向液内，横向排溶质，故横向也出现分枝液内，横向排溶质，故横向也出现分枝第60页/共123页第三章 凝固热力学与动力学62树枝状结晶树枝状结晶 : :当成分过冷进一步增大，树枝晶显著当成分过冷进一步增大，树枝晶显著第61页/共123页第三章 凝固热力学与动力学63等轴结晶等轴结晶 : :液相成分过冷区很宽，不仅在前沿生成树液相成分过冷区很宽，不仅在前沿生成树枝晶，内部也形成树枝晶枝晶，内部也形成树枝晶等轴晶等轴晶第62页/共123页第三章 凝固热力学与动力学64第63页/共123页第三章 凝固热力学与动力学65第64页/共123页第三章 凝固热力学与动力学

31、66（5 5）焊缝各部位晶粒形态的变化）焊缝各部位晶粒形态的变化第65页/共123页第三章 凝固热力学与动力学67第66页/共123页第三章 凝固热力学与动力学68第67页/共123页第三章 凝固热力学与动力学69第68页/共123页第三章 凝固热力学与动力学70第69页/共123页第三章 凝固热力学与动力学71第70页/共123页第三章 凝固热力学与动力学72第71页/共123页第三章 凝固热力学与动力学73第72页/共123页第三章 凝固热力学与动力学74第73页/共123页第三章 凝固热力学与动力学75第74页/共123页第三章 凝固热力学与动力学76七、改善焊缝组织的途径七、改善焊缝组

32、织的途径第75页/共123页第三章 凝固热力学与动力学77 图10-1 焊接接头示意图1-焊缝；2-熔合区；3-热影响区；4-母材7.5 7.5 焊接热影响区的组织与性能焊接热影响区的组织与性能第76页/共123页第三章 凝固热力学与动力学78一、一、 焊接热循环焊接热循环第77页/共123页第三章 凝固热力学与动力学79晶粒大小晶粒大小相变组织相变组织第78页/共123页第三章 凝固热力学与动力学80第79页/共123页第三章 凝固热力学与动力学8120mRcE234.0TTycE242. 0TT0m点热源（厚板）点热源（厚板） 线热源（薄板）线热源（薄板） 由两式可以看出，当焊接线能量由两

33、式可以看出，当焊接线能量E（ 单位长度上的焊接单位长度上的焊接热输入量，热输入量，E = IU/v ) 一定，焊件上某点离开热源轴心距离一定，焊件上某点离开热源轴心距离越远，最高温度越远，最高温度m越低；而对焊件上某一定点，随着线能越低；而对焊件上某一定点，随着线能量量E 的提高，其的提高，其m增高，焊接热影响区的宽度增大。峰值增高，焊接热影响区的宽度增大。峰值温度的高低还受预热温度与焊件热物理性质的影响。温度的高低还受预热温度与焊件热物理性质的影响。第80页/共123页第三章 凝固热力学与动力学82)TT(2Et0HH20H2)TT(c2)E(tH点热源（厚板）点热源（厚板） 线热源（薄板）

34、线热源（薄板） 由公式可以看出，在其它条件不变的情况下，提高线由公式可以看出，在其它条件不变的情况下，提高线能量能量 E，高温停留时间，高温停留时间 tH 延长，也就是说发生粗晶脆化延长，也就是说发生粗晶脆化的可能性增大。提高初始温度的可能性增大。提高初始温度 T0（预热温度），也会在（预热温度），也会在一定程度上延长高温停留时间一定程度上延长高温停留时间 tH。第81页/共123页第三章 凝固热力学与动力学83E)TT(220CC230)E()TT(c2CC 0058T8001T50012Et2020258T8001T5001c4)E(t冷却速度冷却速度c随着线能量随着线能量E和初始温度和初

35、始温度T0的提高而降低，冷的提高而降低，冷却时间随着线能量却时间随着线能量E和初始温度和初始温度T0的提高而延长。母材的热的提高而延长。母材的热物理性质、焊件的形状、尺寸、接头型式、焊道的长度及物理性质、焊件的形状、尺寸、接头型式、焊道的长度及层数都会影响焊接热循环参数，层数都会影响焊接热循环参数， 第82页/共123页第三章 凝固热力学与动力学84第83页/共123页第三章 凝固热力学与动力学85第84页/共123页第三章 凝固热力学与动力学86第85页/共123页第三章 凝固热力学与动力学87 图图10-4 焊接快速加热对焊接快速加热对Ac1、Ac3和晶粒长大的影响（和晶粒长大的影响（CC

36、T图图）d晶粒的平均直径；晶粒的平均直径；A奥氏体；奥氏体；P珠光体；珠光体；F铁素体；铁素体；K碳化物碳化物45钢钢40C40Cr rH ： 11400/s；2270/s； 335/s； 47.5/s)H ：11600/s；2300/s； 442/s； 57.2/s第86页/共123页第三章 凝固热力学与动力学88钢种钢种相变点相变点平衡状态平衡状态加热速度加热速度H H/ /（S S-1-1）AC1与与AC3的温差的温差/684050 250300 14001700 4050 250300 1400170045钢钢AC17307707757908404560110AC37708208358

37、60950659018040CrAC17407357507708401535105AC3780775800850940257516523MnAC1735750770785830355095AC3830810850890940408013030CrMnSiAC17407407758259203585180AC38207908358909804510019018Cr2WVAC1710800860930100060130200AC38108609301020112070160260表表10-1 加热速度对相变点加热速度对相变点Ac1和和Ac3及其温差的影响及其温差的影响第87页/共123页第三章 凝

38、固热力学与动力学89共析成分成为一个成分范围共析成分成为一个成分范围 第88页/共123页第三章 凝固热力学与动力学90预热温度和制定焊接工艺的依据。预热温度和制定焊接工艺的依据。有关典型钢种的有关典型钢种的CCT图及组织的图及组织的变化可参阅有关焊接手册。变化可参阅有关焊接手册。第89页/共123页第三章 凝固热力学与动力学91三、焊接热影响区的组织与性能三、焊接热影响区的组织与性能 第90页/共123页第三章 凝固热力学与动力学92不易淬火钢焊接热影响区的组织分布不易淬火钢焊接热影响区的组织分布熔合区熔合区： 又称半熔化区，是焊缝与又称半熔化区，是焊缝与母材的交界区。母材的交界区。加热温度

39、加热温度：14901530（固、液相线之间）（固、液相线之间）组织组织：（未熔化但因过热而：（未熔化但因过热而长大的）粗晶组织和（部分长大的）粗晶组织和（部分新凝固的）铸态组织。新凝固的）铸态组织。特点特点：该区很窄，组织不均：该区很窄，组织不均匀，强度下降，塑性很差，匀，强度下降，塑性很差，是裂纹及局部脆断的发源地是裂纹及局部脆断的发源地。过热区过热区：紧靠熔合区紧靠熔合区加热温度加热温度： 11001490（1100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13mm，塑性和，塑性和韧性下降。韧性下降。相变重结晶区相变重结晶区(正火区正火区)： 紧靠

40、着过热区紧靠着过热区加热温度加热温度： 8501100 （AC3至至1100）组织组织： 均匀细小的铁素体和珠光均匀细小的铁素体和珠光体组织（近似于正火组织）体组织（近似于正火组织）特点特点： 宽度约宽度约1.24.0mm，力，力学性能优于母材。学性能优于母材。不完全重结晶区不完全重结晶区：加热温度加热温度： AC1AC3之间之间组织组织： F+P (F粗、细不均粗、细不均)特特点点： 部分组织发生相变部分组织发生相变，晶粒不均匀，力学，晶粒不均匀，力学性能差。性能差。第91页/共123页第三章 凝固热力学与动力学931-熔合区；熔合区；2-过热区；过热区；3-相变重结晶区；相变重结晶区；4-

41、不完全重结晶区；不完全重结晶区；5-母材；母材；6-完全淬火区完全淬火区；7-不完全淬火区不完全淬火区；8-回火软化区回火软化区不易不易淬火钢淬火钢易淬易淬火钢火钢第92页/共123页第三章 凝固热力学与动力学94位则得到细小的马氏体位则得到细小的马氏体。当焊件。当焊件母材的淬硬性不是太高时，还会母材的淬硬性不是太高时，还会出现贝氏体、索氏体等正火组织出现贝氏体、索氏体等正火组织与马氏体共存的混合组织。与马氏体共存的混合组织。第93页/共123页第三章 凝固热力学与动力学95最后形成马氏体加铁素体的混合最后形成马氏体加铁素体的混合组织。如含碳量和合金元素含量组织。如含碳量和合金元素含量不高或冷

42、却速度较小时，奥氏体不高或冷却速度较小时，奥氏体也可能转变成索氏体或珠光体。也可能转变成索氏体或珠光体。第94页/共123页第三章 凝固热力学与动力学96第95页/共123页第三章 凝固热力学与动力学97n焊接热影响区的软化焊接热影响区的软化n焊接热影响区的性能控制焊接热影响区的性能控制第96页/共123页第三章 凝固热力学与动力学98母材的淬硬倾向母材的淬硬倾向（内因）（内因）HAZ的冷却速度的冷却速度（外因）（外因）化学成分化学成分焊接规范焊接规范焊接热影响区的焊接热影响区的最高硬度最高硬度Hmax： Hmax（HV10）= 140 + 1089 Pcm- 8.2 t 8 / 5第97页/

43、共123页第三章 凝固热力学与动力学99第98页/共123页第三章 凝固热力学与动力学1005Mo156Mn)(VCrNiCuCIIWCEBVMoNiCrCuMnSiC51015602030Pcm第99页/共123页第三章 凝固热力学与动力学101焊接热影响区焊接热影响区 Hmax 与与 t8/5 的关系的关系板厚板厚20mm，成分：，成分：C=0.12%，Mn=1.4%，Si=0.48%，Cu=0.15%第100页/共123页第三章 凝固热力学与动力学102 不同材料的焊接热影响区及不同材料的焊接热影响区及热影响区热影响区的不同部位都会的不同部位都会发生程度不同的材料脆化。发生程度不同的材料

44、脆化。第101页/共123页第三章 凝固热力学与动力学103温度可达温度可达1140之高，而不含碳之高，而不含碳化物元素的化物元素的23Mn和和45号钢，超号钢，超过过1000晶粒就显著长大。晶粒就显著长大。第102页/共123页第三章 凝固热力学与动力学1040.2则组织脆化主要是则组织脆化主要是高碳马氏体高碳马氏体。第103页/共123页第三章 凝固热力学与动力学105第104页/共123页第三章 凝固热力学与动力学106 析出脆化的机理目前认为是由于析出物出现以后，析出脆化的机理目前认为是由于析出物出现以后，阻碍了位错运动阻碍了位错运动，使塑性变形难以进行。若析出物以，使塑性变形难以进行。若析出物以弥散的细颗粒弥散的细颗粒分布于晶内或晶界，将有利于改善韧性。但以分布于晶内或晶界，将有利于改善韧性。但以块状块状或沿晶界以或沿晶界以薄膜状薄膜状分布的析出物会造成材料脆化。分布的析出物会造成材料脆化。第105页/共123页第三章 凝固热力学与动力学