第四章焊接接头组织与性能

1、第一节第一节 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变 熔焊时，在高温热源的熔焊时，在高温热源的作用下，母材将发生局部熔作用下，母材将发生局部熔化，并与熔化了焊丝金属搅化，并与熔化了焊丝金属搅拌混合而形成焊接熔池。拌混合而形成焊接熔池。 与此同时，进行了短暂而复与此同时，进行了短暂而复杂的冶金反应。杂的冶金反应。 当焊接热源离开以后，熔池当焊接热源离开以后，熔池金属便开始凝固（结晶），金属便开始凝固（结晶），如图如图3-1。 熔池凝固过程的研究目的：熔池凝固过程的研究目的： 熔池凝固过程对焊缝金属的组织、性能具有重要熔池凝固过程对焊缝金属的组织、性能具有重要影响。影响。 焊接工程中，由于熔

2、池中的冶金条件和冷却条件焊接工程中，由于熔池中的冶金条件和冷却条件不同，可得到性能差异很大的组织。不同，可得到性能差异很大的组织。 同时有许多缺陷是在熔池凝固的过程中产生的，同时有许多缺陷是在熔池凝固的过程中产生的，如气孔、夹杂、偏析和结晶裂纹等。如气孔、夹杂、偏析和结晶裂纹等。 另一方面，焊接过程是处于非平衡的热力学条件，另一方面，焊接过程是处于非平衡的热力学条件，因此熔池金属在凝固过程中会产生许多晶体缺陷，因此熔池金属在凝固过程中会产生许多晶体缺陷，如点缺陷（空位和间隙原子）、线缺陷（位错）如点缺陷（空位和间隙原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（界面）。这些缺陷的发展严重影响焊和面缺陷（界面）

3、。这些缺陷的发展严重影响焊缝的金属的性能。缝的金属的性能。一、一、 熔池凝固的特点熔池凝固的特点1、熔池的凝固条件和特点、熔池的凝固条件和特点1）结晶过程：晶核生成、晶核长大）结晶过程：晶核生成、晶核长大2）熔池的体积小、冷却速度大）熔池的体积小、冷却速度大熔池的体积最大只有熔池的体积最大只有30cm3，重量不超过，重量不超过100g。周围冷金属。周围冷金属冷速非常大，冷速非常大，4 100oC/s。钢锭平均冷速（。钢锭平均冷速（3 150） 10-4 oC/s。 2 2、熔池中的金属处于过热状态、熔池中的金属处于过热状态 电弧焊条件下，熔池温度电弧焊条件下，熔池温度1770 100 oC，熔

4、滴，熔滴2300 200 oC。钢锭不超过。钢锭不超过1550oC。 3 3、熔池在运动状态下结晶、熔池在运动状态下结晶 二、熔池结晶的一般规律二、熔池结晶的一般规律 形核与长大过程形核与长大过程 在熔池状态下，结晶过程规律在熔池状态下，结晶过程规律？焊缝金属结晶形态焊缝金属结晶形态？ （一）熔池中晶核的形成（一）熔池中晶核的形成 均匀形核与非均匀形核。过冷度，形核功。均匀形核与非均匀形核。过冷度，形核功。 焊接条件下，熔池中存在两种现成表面：焊接条件下，熔池中存在两种现成表面： 一种是合金元素或杂质的悬浮质点一种是合金元素或杂质的悬浮质点 一种是熔合区附近半熔化的金属界面晶粒表面一种是熔合区

5、附近半熔化的金属界面晶粒表面（主要的非自发形核表面）。（主要的非自发形核表面）。 （二）熔池中的晶核长大（二）熔池中的晶核长大 柱状晶生长的形态与焊接条件密切相关，如焊接柱状晶生长的形态与焊接条件密切相关，如焊接线能量、焊缝的位置、熔池的搅拌与振动等。线能量、焊缝的位置、熔池的搅拌与振动等。 粗大的柱状晶粗大的柱状晶 五、焊缝金属的化学成分不均匀性五、焊缝金属的化学成分不均匀性 冷速快，化学成分扩散不充分冷速快，化学成分扩散不充分偏析偏析 （一）焊缝中的化学不均匀性（一）焊缝中的化学不均匀性 成分偏析成分偏析 显微偏析显微偏析 区域偏析区域偏析 层状偏析层状偏析 晶界、亚晶界、树枝晶之间晶界、

6、亚晶界、树枝晶之间杂质等在焊缝中心区域聚集杂质等在焊缝中心区域聚集 结晶过程的周期性变化结晶过程的周期性变化 层状偏析往往聚集有害元素，也易于形成缺陷，层状偏析往往聚集有害元素，也易于形成缺陷，尤其是气孔尤其是气孔力学性能不均匀，抗腐蚀性下降，断力学性能不均匀，抗腐蚀性下降，断裂韧性降低等。裂韧性降低等。 （二）熔合区的化学不均匀性（二）熔合区的化学不均匀性 整个焊接接头的薄弱环节。易出现缺陷，裂纹等。整个焊接接头的薄弱环节。易出现缺陷，裂纹等。 1 1、熔合区的形成、熔合区的形成 半熔化过渡状态、热传播不均匀、晶粒的传热方向不同半熔化过渡状态、热传播不均匀、晶粒的传热方向不同 2 2、熔合区

7、宽度、熔合区宽度 材料的液材料的液固温度范围、被焊材料自身的热物固温度范围、被焊材料自身的热物理性质和组织状态：理性质和组织状态： YTTTASL被焊金属的固相线温度被焊金属的固相线温度温度梯度温度梯度被焊金属的液相线温度被焊金属的液相线温度 低合金钢熔合区附近的温度梯度约为低合金钢熔合区附近的温度梯度约为3003008080o oC/mmC/mm，液固相线温度差约，液固相线温度差约40 40 o oC C，因此，一般电弧，因此，一般电弧焊条件下，熔合区宽度为：焊条件下，熔合区宽度为： A=40/A=40/（3003008080）=0.133=0.1330.500.50（mmmm） 奥氏体钢电

8、弧焊：奥氏体钢电弧焊：A=0.06A=0.060.12mm0.12mm * * *熔合区的宽度对焊缝性能影响很大。由于焊接熔合区的宽度对焊缝性能影响很大。由于焊接工艺的因素，当熔合区宽度大时，焊缝的整体性能下工艺的因素，当熔合区宽度大时，焊缝的整体性能下降。如奥氏体不锈钢的熔合区宽度在降。如奥氏体不锈钢的熔合区宽度在0.1mm0.1mm时，对不时，对不锈钢焊接接头的抗腐蚀性影响不大；但当该宽度较大锈钢焊接接头的抗腐蚀性影响不大；但当该宽度较大，达到接近，达到接近1mm1mm时，则焊接接头的耐蚀性显著下降，时，则焊接接头的耐蚀性显著下降，甚或出现裂纹。甚或出现裂纹。 3 3、熔合区的成分分布、熔

9、合区的成分分布 成分严重不均匀成分严重不均匀性能下降性能下降 熔合区固液界面附近元素（溶质）的浓度分布熔合区固液界面附近元素（溶质）的浓度分布决定于该元素在固、液相中的扩散系数和分配系数。决定于该元素在固、液相中的扩散系数和分配系数。 * *异种钢焊接时，特别注意这一问题。很多焊接异种钢焊接时，特别注意这一问题。很多焊接接头的早期失效与此有关。接头的早期失效与此有关。 分析焊缝和熔合区的化学不均匀性分析焊缝和熔合区的化学不均匀性,为什么为什么会形成这种不均匀性会形成这种不均匀性? 1、从冷态开始到加热熔化，形成熔池的温度可达、从冷态开始到加热熔化，形成熔池的温度可达2000以上，母材又是冷态金

10、属，两者温差巨大。以上，母材又是冷态金属，两者温差巨大。并且随热源的移动局部受热区也在不断移动，造并且随热源的移动局部受热区也在不断移动，造成组织转变差异和整个接头组织不均匀。成组织转变差异和整个接头组织不均匀。 2、焊接熔池体积小，焊缝金属从熔化到凝固只有、焊接熔池体积小，焊缝金属从熔化到凝固只有几秒钟时间。在如此短时间内，冶金反应是不平几秒钟时间。在如此短时间内，冶金反应是不平衡的，使焊缝金属的成分分布不均匀，有时区域衡的，使焊缝金属的成分分布不均匀，有时区域偏析很大。偏析很大。 3、焊接过程中温度高，液体金属蒸发，化学元素、焊接过程中温度高，液体金属蒸发，化学元素烧损，有些元素在焊缝金属

11、和母材金属之间相互烧损，有些元素在焊缝金属和母材金属之间相互扩散，近缝区各段所处的温度不同，冷却后焊接扩散，近缝区各段所处的温度不同，冷却后焊接区的显微组织差别极大。区的显微组织差别极大。 第二节第二节 焊缝固态相变焊缝固态相变 一、低碳钢焊缝的固态相变一、低碳钢焊缝的固态相变 含碳量低含碳量低铁素体铁素体+ +珠光体。珠光体。特点：组织粗大，特点：组织粗大，过热时过热时铁素体中有粗大魏氏组织铁素体中有粗大魏氏组织 一次结晶组织：粗大的柱状晶一次结晶组织：粗大的柱状晶改善措施：改善措施：1)1)多层焊：使焊缝获得细小和少量珠光体，使柱状晶多层焊：使焊缝获得细小和少量珠光体，使柱状晶组织破坏。组

12、织破坏。2 )2 )焊后热处理：加热焊后热处理：加热A3+2030%A3+2030%消失柱状晶。消失柱状晶。3)3)冷却速度：冷却速度冷却速度：冷却速度，硬度，硬度16 （一）铁素体（一）铁素体铁素体的形态不同：铁素体的形态不同：1、先共析铁素体、先共析铁素体 Pro eutectoid Ferrite (PF) 粒界铁素体粒界铁素体Grain Boundary Ferrite (GBF)2、侧板条铁素体、侧板条铁素体 Ferrite Side Plate (FSP)3、针状铁素体、针状铁素体 Acicular Ferrite (AF)4、细晶铁素体、细晶铁素体 Fine Grain Ferr

13、ite (FGF)（1 1）粒界铁素体）粒界铁素体(GBF)(GBF)(先共析铁素体先共析铁素体PF)PF) 先共析铁索体先共析铁索体(PF)(PF)是沿原奥是沿原奥氏体晶界析出的铁素体。先共析铁素体也称氏体晶界析出的铁素体。先共析铁素体也称晶晶界铁素体界铁素体。有的沿晶界呈长条状扩展，有的以。有的沿晶界呈长条状扩展，有的以多边形形状互相连结沿晶界分布。多边形形状互相连结沿晶界分布。 在高温区发生在高温区发生，相变时优，相变时优先形成，因晶界能量较高而易于形成新相核心先形成，因晶界能量较高而易于形成新相核心。先共析铁素体的位错密度较低。先共析铁素体的位错密度较低。（2 2）侧板条铁素体（）侧板

14、条铁素体（FSPFSP）生成于）生成于700700一一500500 是由晶界向晶内扩展的板条状或锯齿状是由晶界向晶内扩展的板条状或锯齿状铁素体，实质是魏氏组织。其长宽比在铁素体，实质是魏氏组织。其长宽比在2020：以上：以上。侧板条铁素体在低合金钢焊缝中不一定总是存在。侧板条铁素体在低合金钢焊缝中不一定总是存在，但出现的机会比母材多。，但出现的机会比母材多。 当当先共析铁素体和侧板条铁素体先共析铁素体和侧板条铁素体长大时，其长大时，其界面上界面上一侧的碳浓度增加，极为接近共析成一侧的碳浓度增加，极为接近共析成分，故分，故易分解为易分解为珠光体珠光体而出现于侧板条铁素体的而出现于侧板条铁素体的间

15、隙之中。侧板条铁素体晶内位错密度大致和先共间隙之中。侧板条铁素体晶内位错密度大致和先共析块素体相当或稍高一些。析块素体相当或稍高一些。 侧板条铁素体侧板条铁素体 Ferrite Side Plate (FSP)Ferrite Side Plate (FSP)（3 3）针状铁素体（）针状铁素体（AFAF） 出现于原奥氏体出现于原奥氏体晶内晶内的有方问性的细小铁素体的有方问性的细小铁素体宽约宽约2 2m m左右，长宽比多在左右，长宽比多在3 3：1 1以至以至1010：1 1的范的范围内。针状铁素体可能是以围内。针状铁素体可能是以氧化物或氮化物氧化物或氮化物( (如如TiOTiO或或TiN)TiN

16、)为基点，呈放射状生长，相邻为基点，呈放射状生长，相邻AFAF间的方位差间的方位差为大倾角，其间隙存在有为大倾角，其间隙存在有渗碳体或马氏体渗碳体或马氏体，多半是，多半是M MA A组元，决定于合金化程度。针状铁素体晶内位组元，决定于合金化程度。针状铁素体晶内位错密度较高，为先共析铁素体的错密度较高，为先共析铁素体的2 2倍左右。位错之倍左右。位错之间也互相缠结，分布也不均匀，但又不同于经受剧间也互相缠结，分布也不均匀，但又不同于经受剧烈塑性形变后出现的位错形态。烈塑性形变后出现的位错形态。（4 4）细晶铁素体）细晶铁素体(FGF)(FGF)、( (贝氏体铁素体贝氏体铁素体) ) 生成于生成于

17、450450以下。板条间为小倾角，板条内以下。板条间为小倾角，板条内的位错密度很高。的位错密度很高。如在用不同强度级别焊条所焊接的焊缝，如在用不同强度级别焊条所焊接的焊缝，J507J507焊条的焊缝中有焊条的焊缝中有FSPFSP，其间存在的确为珠光体，其间存在的确为珠光体，未见，未见M MA A；J707J707焊条的焊缝中，出现的是块状焊条的焊缝中，出现的是块状M MA A组元；组元；J807J807焊条的焊缝中已无焊条的焊缝中已无PFPF，M MA A组元呈颗粒状；组元呈颗粒状；J907J907焊条的焊缝中，因合金化程度提高而出现板焊条的焊缝中，因合金化程度提高而出现板条状马氏体，部分条状

18、马氏体，部分M MA A组元由颗粒状变成条状。组元由颗粒状变成条状。针状铁素体针状铁素体 Acicular Ferrite (AF)Acicular Ferrite (AF)FGF+PP+F粒粒P+AF（二）珠光体（二）珠光体 没有什么变化。没有什么变化。（三）贝氏体（三）贝氏体 对焊缝性能影响很复杂。对焊缝性能影响很复杂。粒贝粒贝羽状羽状B Bu u+ +板板M M板板M M与与M-AM-AM+M-AM+M-A（四）马氏体（四）马氏体 有淬硬倾向的钢，焊后冷却时可能形成马氏体。有淬硬倾向的钢，焊后冷却时可能形成马氏体。冷裂纹形成概率增大冷裂纹形成概率增大 第四节第四节 焊缝性能的控制焊缝性能

19、的控制 一、焊缝金属的固溶强化和变质处理一、焊缝金属的固溶强化和变质处理 合金元素的作用，复杂。结合具体的钢种、焊合金元素的作用，复杂。结合具体的钢种、焊接方法和焊接工艺规范具体分析。接方法和焊接工艺规范具体分析。 微合金化，微合金化，MoMo、V V、TiTi、NbNb、B B、ZrZr、AlAl和稀和稀土，细化晶粒土，细化晶粒强韧性提高。强韧性提高。 （一）（一）Mn和和Si对焊缝性能的影响对焊缝性能的影响 低碳钢和低合金钢焊缝中不可缺少的元素低碳钢和低合金钢焊缝中不可缺少的元素 焊缝金属充分脱氧焊缝金属充分脱氧 提高焊缝的抗拉强度（固溶强化）提高焊缝的抗拉强度（固溶强化） ww(Mn)=

20、0.8%(Mn)=0.8%1.0%1.0%时，焊缝冲击吸收功最高时，焊缝冲击吸收功最高 焊缝中焊缝中w(Mn) 0.8%，w(Si) 0.10%，组织为，组织为粗大的先共析铁素体（粗大的先共析铁素体（PF） w(Mn) 1.0%，w(Si) 0.10%，组织为粗大的，组织为粗大的侧板条铁素体（侧板条铁素体（FSP） w(Mn)=0.81.0%，w(Si) =0.100.25%，组，组织为细晶铁素体（织为细晶铁素体（FGF）和针状铁素体（）和针状铁素体（AF），），韧性最好（韧性最好（-20oC AKV 100J） 加入细化晶粒地合金元素，进一步改善组织，加入细化晶粒地合金元素，进一步改善组织，

21、提高焊缝韧性提高焊缝韧性 （二）（二）Nb和和V对焊缝韧性的影响对焊缝韧性的影响 适量的适量的NbNb和和V V可以提高焊缝冲击韧性。改善组可以提高焊缝冲击韧性。改善组织，得到细小的织，得到细小的AFAF。 w w(Nb)=0.03(Nb)=0.030.04%0.04%，ww(V) =0.05(V) =0.050.10%0.10%时，焊缝韧性良好。时，焊缝韧性良好。 形成难熔的氮化物（形成难熔的氮化物（NbNNbN、VNVN），固定焊缝中），固定焊缝中的的NN，韧性提高。，韧性提高。 合适的焊后热处理。必要焊后不再热处理，强烈合适的焊后热处理。必要焊后不再热处理，强烈的共格沉淀强化作用，强度大幅度提高，韧性下降的共格沉淀强化作用，强度大幅度提高，韧性下降 （三）（三）Ti、B对焊缝韧性的影响对焊缝韧性的影响 大幅度提高焊缝韧性大幅度提高焊缝韧性（1）TiO 亲和力很大，亲和力很大，TiO微小颗粒弥散分布，细化晶粒微小颗粒弥散分布，细化晶粒（2）最佳含量）最佳含量 焊缝化学成分：焊缝化学成分：w(C)=0.110.14%，w(Si)=0.200.35%，w(Mn)=1.21.5%，w(O)=0.0270.032%，w(N)=0.00280.0055%， w(Ti)=0.010.02%，w(B)=0.0