华科大材料成形理论基础课件第9章 焊缝及其热影响区的组织和性能

连接成形部分连接成形理论基础5/29/20261第九章焊缝及其热影响区的

组织和性能HistoryReview5/29/20262材料成形原理-焊接

公元前，已出现焊接工艺，铸焊、扩散钎焊（秦始皇陵铜车马等）。

19世纪，现代焊接技术得以发展（C弧、金属弧、电阻热）。

20世纪，金属电弧用于金属结构生产，发明厚药皮焊条。5/29/20263材料成形原理-焊接5/29/20264材料成形原理-焊接5/29/20265材料成形原理-焊接1921年，第一艘全焊远洋船；30年代，大规模制造焊接结构；60年代，焊接结构空前普及；中国：上海金茂大厦；葛洲坝船闸闸门；三峡水电站船闸闸门；三峡工程水轮机转子；九江长江大桥、芜湖长江大桥等。5/29/20266材料成形原理-焊接5/29/20267材料成形原理-焊接5/29/20268材料成形原理-焊接5/29/20269材料成形原理-焊接1-1焊接及其冶金特点1、焊接（welding)的实质借助加热或加压，或者同时实施加热和加压以实现材料之间的原子结合。加热：电弧电弧焊等离子焊化学热氧－乙炔焊电子束电子束焊光束（包括激光束）光束焊激光焊加压：冷焊加压/加热：锻焊、电阻焊、摩擦焊、超声波焊、爆炸焊5/29/202610材料成形原理-焊接从冶金角度液相焊接：基材和填充材料熔化－液相互溶－材料间原子结合。固相焊接：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。固－液相焊接：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。（钎焊）5/29/202611材料成形原理-焊接2、焊接方法的分类

（1）熔化焊(fusionwelding)

（2）固态焊(solidstatewelding)/压力焊

（3）钎焊(brazing,soldering)5/29/202612材料成形原理-焊接5/29/202613材料成形原理-焊接3、熔化焊焊接接头的形成

及其冶金过程焊接接头焊接热过程+焊接化学冶金

+焊接物理冶金5/29/202614材料成形原理-焊接焊接热过程焊接加热的特点：热作用集中性(局部熔化)、热作用的瞬时性(热源移动)温度场、热循环焊接化学冶金过程熔焊时，液态金属、熔渣及气相之间进行一系列的化学冶金反应。焊接物理冶金过程凝固结晶、固态相变5/29/202615材料成形原理-焊接5/29/202616材料成形原理-焊接焊接接头示意图5/29/202617材料成形原理-焊接

熔化焊的本质:在焊接条件下的小熔池熔炼和冷凝，金属熔化和结晶的冶金过程。焊接接头（weldedjoint）的组成：母材（basemetal）

热影响区（heataffectzone）

熔合线（bondline）

焊缝（weld）熔化焊的冶金特点：

1）反应区的温度高于一般的冶炼温度

2）熔池小冷却速度快，液态金属高温停留时间短

3）冶金条件差5/29/202618材料成形原理-焊接5/29/202619材料成形原理-焊接5/29/202620材料成形原理-焊接5/29/202621材料成形原理-焊接焊丝母材熔池焊道导电嘴

保护气体溶滴电弧5/29/202622材料成形原理-焊接1-2焊缝金属的组织与性能1、焊接熔池的凝固(1)焊接熔池的特征：1）熔池的体积小

熔池的形状与尺寸

(≤30cm3,≤100g)5/29/202623材料成形原理-焊接2）熔池的温度高

1770±100℃>钢锭:1550℃3）液体金属处于运动状态

熔池处于液态时间只有几秒到几十秒,

各种力:电弧力、电磁力、熔滴，表面张力强烈的搅拌和对流运动4）熔池界面的导热条件好母材导热5/29/202624材料成形原理-焊接5/29/202625材料成形原理-焊接熔池中的流体动力学状态及其对焊缝质量的影响熔池中的金属是强烈运动着的：1）热源产生的机械力的搅拌作用（如熔滴落下的冲击力、电弧气流的吹力；电磁力、离子的轰击力以及熔池金属蒸发所产生的反作用力等）；2）温差引起的表面张力的变化，强迫金属发生对流；3）温差引起的液态金属密度变化造成的对流；

熔池中的化学冶金反应以及生成的气泡和熔渣的上浮；5/29/202626材料成形原理-焊接有利作用：1）使母材和焊条金属的成分充分混合，帮助形成成分和组织均匀的焊缝；2）加速了金属和气体及熔渣的反应速度，有利于有害气体和非金属夹杂物的逸出；3）避免焊接缺陷的产生，提高焊接质量；熔合线部位的问题5/29/202627材料成形原理-焊接(2)熔池凝固的特点1）联生结晶（交互结晶、外延结晶）5/29/202628材料成形原理-焊接

2)焊缝凝固:择优生长5/29/202629材料成形原理-焊接柱状晶指向焊缝中心5/29/202630材料成形原理-焊接5/29/202631材料成形原理-焊接3）凝固速度5/29/202632材料成形原理-焊接晶粒成长的平均线速度是变化的:

cosθ=0,θ=90°,Vc=0,说明在熔合区上晶粒开始成长的瞬间，成长的方向垂直于熔合区，晶粒成长的平均线速度等于零。

cosθ=1,θ=0°,Vc=Vw,说明晶粒成长到接触X轴时，晶粒成长的平均线速度等于焊接速度。

焊接工艺参数对晶粒成长方向和平均线速度均有影响当焊接速度大时，角越大，晶粒主轴的成长方向越垂直于焊缝的中心线；相反，当焊接速度小时，则晶粒主轴的成长方向越弯曲。5/29/202633材料成形原理-焊接平均成长速度与焊接速度有关;柱状晶的最大成长速度不可能超过焊速;焊接熔池的实际凝固过程并不是连续的。柱状晶成长速度的变化并不是十分有规律，有不规则的波动现象。焊缝凝固速度快5/29/202634材料成形原理-焊接(3)凝固金属的组织形态柱状晶+少量等轴晶柱状晶内：平面晶、胞状晶、树枝状晶等轴晶内：树枝晶与熔池凝固过程密切相关。浓度梯度、成分过冷5/29/202635材料成形原理-焊接结晶形态主要决定于合金中的溶质的浓度C0、结晶速度R和液相中温度梯度G的综合作用。其关系如图所示。G/R1/2平面晶胞状晶胞状树枝晶树枝晶等轴晶C0

％5/29/202636材料成形原理-焊接焊缝凝固特点焊缝组织5/29/202637材料成形原理-焊接5/29/202638材料成形原理-焊接2、焊缝金属的组织（1）低碳钢焊缝金属的室温组织

a、先共析铁素体b、针状铁素体c、珠光体（2）低合金钢焊缝金属的显微组织

a、先共析铁素体b、针状铁素体c、珠光体

d、马氏体f、贝氏体5/29/202639材料成形原理-焊接3、焊缝金属性能的控制（1）焊缝合金化与变质处理（2）工艺措施（振动结晶、焊后热处理）5/29/202640材料成形原理-焊接

焊缝组织的强韧性熔合区的特性同种钢的熔合区5/29/202641材料成形原理-焊接1-3焊接热影响区的组织与性能1、焊接热循环(weldthermalcycle)

焊接热循环：焊接加热过程中，焊缝金属附近某点的温度由低到高，再由高到低的过程。由加热速度Vh，最高温度θm，相变以上高温停留时间th，冷却速度VC或冷却时间tc四个参数组成。2、焊接热影响区的组织转变特点

焊接热循环的特点（1）加热温度高（2）加热速度快（3）高温停留时间短（4）局部加热

焊接加热过程中奥氏体化的特点5/29/202642材料成形原理-焊接焊接热循环1、焊接热循环的意义焊件上某一点P的温度随时间的变化过程叫作焊接热循环。5/29/202643材料成形原理-焊接5/29/202644材料成形原理-焊接预热温度T0的影响5/29/202645材料成形原理-焊接5/29/202646材料成形原理-焊接2、焊接热循环的主要特征参数加热速度

H

峰值温度Tp

高温（相变温度）停留时间tH

某一温度Tc瞬时冷却速度

C（800-500）

某一温度区间的冷却时间tA5/29/202647材料成形原理-焊接焊接热影响区在焊接热源作用下，焊缝两侧发生组织成份性能变化的区域叫“热影响区”.又叫“近缝区”。5/29/202648材料成形原理-焊接焊接热影响(Heat-AffectedZone,简称HAZ)

材料因受焊接热影响（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域。5/29/202649材料成形原理-焊接在焊接加热及冷却条件下热影响区的组织转变特点

(1)由于金属的相变需要一段孕育扩散时间，在快速加热和冷却条件下，这一孕育过程来不及完成，因而相变点将发生较大变化，出现较大的“过热度”及“过冷度”(Ac1、Ac3升高，Ar1、Ar2降低)，另外，转变组织的均质化程度也进行得很不充分；

(2)由于近缝区温度很高，所以高温下晶粒长大比较严重；

(3)由于冷却速度快，热影响区的淬火倾向将增大。5/29/202650材料成形原理-焊接3、焊接热影响区的组织与性能变化

低碳钢和不易淬火钢（1）熔合区（2）过热区（1100℃以上）（3）相变重结晶区（正火区）（850~1100℃）（4）不完全重结晶区(部分相变区)（700~850℃)

易淬火钢（1）完全淬火区（2）不完全淬火区）

HAZ的性能变化

HAZ的硬化

HAZ的软化5/29/202651材料成形原理-焊接1.熔合区2.过热区3.正火区4.不完全重结晶区5.母材6.淬火区7.部分淬火区8.软化区热影响区的组织与性能5/29/202652材料成形原理-焊接5/29/202653材料成形原理-焊接Q235钢HAZ组织特点母材226

5/29/202654材料成形原理-焊接Q235