模块二 焊接接头性能控制

焊接接头组织与性能控制

焊缝

热影响区熔合区

焊接接头：焊缝+熔合区+热影响区

熔池的凝固与焊缝金属的固态相变

随着温度的下降，熔池金属开始了从液态到固态转变的凝固过程，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

1、熔池凝固的条件和特点

(1)焊接熔池体积小质量不超过100g(2)焊接熔池的温度极不均匀中心2300℃(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

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。二、焊缝金属的化学不均匀性

1、显微偏析显微偏析的不均匀程度可用偏析度Ke表示,则

[X]界-[X]轴

[X]0式中

［x］0—合金中组分x在液相中的平均含量;［x］轴—

合金中最先凝固的晶轴上组分x的含量;［x］界—晶界部位组分x的含量.Ke值越大,表明偏析越严重硫、磷和碳是最易偏析的元素.

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。

3、层状偏析这些分层是成分作周期变化的表现.因溶质浓度不同的区域，对浸蚀剂的反应不同，浸蚀后的颜色就不一样，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浅，较宽的浅淡色区则为溶质贫化区，这种偏析称为层状偏析。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.

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。

1、低碳钢焊缝的固态相变

铁素体+少量的珠光体

低碳钢焊缝中铁素体与珠光体的比例随冷却速度而变化。冷速越高，珠光体比例越大，与此同时,，组织细化，硬度上升。

2、低合金钢焊缝的固态相变

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。

冷却速度/℃s-1

焊缝组织的体积分数(%)

焊缝硬度HV铁素体珠光体15103550110827965614038182135396062165167185195205228

组织分布四、焊接一次组织与性能的改善

1、焊缝金属的变质处理焊接时通过焊接材料(焊条、焊丝或焊剂)在金属熔池中加入少量合金元素，这些元素一部分固溶于基体组织(如铁素体)中起固溶强化作用；另一部分则以难熔质点(大多为碳化物或氮化物)的形式成为结晶核心，增加晶核数量使晶粒细化，从而较大幅度地提高焊缝金属的强度和韧性.目前常用的元素有Mo、V、Ti、Nb、B、Zr、Al及稀土元素。

2、振动结晶

振动结晶是通过不同途经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使气体排出，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基面形核、长大，而获得较细晶粒的焊缝。此外，逐层锤击焊缝表面,还可以起到减小残余应力的作用。

4、调整焊接工艺

实践证明,当功率P不变时,增大焊速v可使焊缝晶粒细化;而当线能量E不变而同时提高P和v,也可使焊缝晶粒细化.此外,为了减少熔池过热,在埋弧焊时可向熔池中送进附加的冷焊丝,或在坡口面预置碎焊丝。

5、焊后热处理

要求严格的焊接结构，焊后需进行热处理。按热处理规范不同，焊后热处理可分别起到改善组织、性能、消除残余应力或排除扩散氢的作用。焊后进行正火(或正火+回火)和淬火+回火，可以改善焊缝的组织与性能。具体的选用应根据母材的成分、焊接材料、产品的技术条件及焊接方法而定。有些产品(如大型或在工地上装焊的结构)进行整体热处理有困难，也可采用局部热处理。

6、多层焊

根据多层焊热循环的特点可知，通过调整焊层数n可以在较大范围内调整焊接参数，从而比单道焊调解焊接参数时细化晶粒的作用更为明显。同时多层焊逐层焊道间的后热作用可以改善焊缝的二次组织。

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900~1000℃，可对焊缝表层下3~10mm深度范围内不同深度的金属起到不同的热处理。球罐整体后热卧罐焊接接头保温焊接熔合区

显微镜观测

显微镜观测

裂纹

焊接熔合区最突出的特征是具有明显的化学和物理不均匀性,导致该区域组织结构发生突变。熔合区化学成分和组织结构的变化不可避免的会造成晶格中的各种微观缺陷(如空位、位错等)，使熔合区成为整个焊接接头区中最簿弱的部位。实践证明,高强钢焊接结构的破坏起源大多是发生在焊接熔合区处。熔合区的宽度

低碳钢或低合金钢在电弧焊条件下，G在300~80℃/cm之间，tL-ts约为40℃，其熔合区宽度：

奥氏体不锈钢的熔合区宽度约为0.06~0.12cm。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。

焊缝热影响区熔合区

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温度可达1400℃左右10~100s

2、焊接加热时的热影响区的组织转变特点

(1)使相变温度升高

(2)影响奥氏体均质化程度

转变温度因相变的”滞后”而高于上述理论值。加热速度越高，相变的”滞后”越严重。

焊接的快速加热不利于元素扩散,使得已形成的奥氏体来不及均匀化，加热速度越高,高温停留的时间越短，不均匀的程度就越严重。这种不均匀的高温组织，将影响冷却过程的组织转变。3、焊接冷却时热影响区的组织转变特点

焊接加热时，热影响区的组织转变特点对冷却时的转变有明显的影响，也就是说，即使是同一材料，在焊接或热处理条件下，尽管冷却速度相同，但因高温组织不完全相同，冷却后的室温组织并不一样。另外，具体的影响还与钢的成分有关。二、焊接热影响区的组织

焊接接头加热时各部位组织转变的情况依tmax而定，如tmax达到Ac1的部位开始发生α→γ相变,达到Ac3的部位转变终了；峰值温度达到Ac3+300℃(tks)，则晶粒急剧长大等。可见影响区的组织变化取决于tmax.因此按照tmax之不同将热影响区划分为以下几个区。1-熔合区；2-过热区；3-相变重结晶区；4-不完全重结晶区；5-母材；6-完全淬火区；7-不完全淬火区；8-回火软化区焊接热影响区的组织分布特征不易淬火钢易淬火钢（1）过热区：紧靠熔合区

加热温度：1100℃～1490℃（1100℃～固相线）

组织：粗大的过热组织。

特点：宽度为1～3mm，塑性和韧性下降。焊接刚度大的结构时，该区易产生裂纹。（2）正火区：紧靠着过热区

加热温度：850℃～1100℃（AC3至1100℃）

组织：均匀细小的铁素体和珠光体组织（近似于正火组织）

特点：宽度约1.2～4.0mm，力学性能优于母材。（3）部分相变区

加热温度：AC1～AC3之间

组织：F+P（F粗、细不均）相变的F，变细小；未相变的F，变粗大特点：部分组织发生相变，晶粒不均匀，力学性能稍差16Mn钢焊接热影响区焊缝金属母材熔合区过热区不完全重结晶区1).热影响区中熔合区,过热区晶粒严重长大,是焊接接头的薄弱地带。2).低碳钢的不完全重结晶区,在急冷急热的条件下,会表现出高碳钢的行为。3).成分偏析严重,C.P.S高时易产生淬硬组织、裂纹。

注意三、焊接热影响区的性能1、焊接热影响区的硬度分布

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.碳当量的计算公式。

适用于强度级别较高的低合金高强度钢(σb=500~1000MPa)

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意义。

CE越小，焊接性越好。CE

＜0.25％时，接性优良；CE

＝0.25%～0.4%时，焊接性良好；CE

＝0.4％～0.6％时，焊接性尚可；CE

＞0.6％时，焊接性差。经验

HAZ的硬度高低取决于母材的淬硬倾向（内因）HAZ的冷却速度（外因）化学成分

焊接热影响区的硬化焊接规范

(1)粗晶脆化粗晶脆化是由于晶粒严重粗化造成的，

晶粒尺寸越大，tcr值越高，脆化越严重。

在热循环的作用下，熔合线附近和过热区将发生晶粒粗化。粗化程度受钢种的化学成分、组织状态、加热温度和时间的影响。如：钢中含有碳、氮化物形成元素，就会阻碍晶界迁移，防止晶粒长大。例如18CrWV钢，晶粒显著长大温度可达1140℃之高，而不含碳化物元素的23Mn和45号钢，超过1000℃晶粒就显著长大。

晶粒粗大严重影响组织的脆性，尤其是低温脆性。一般来讲，晶粒越粗，则脆性转变温度越高。低碳调质钢焊条电弧焊完全淬火区组织400×a)过热区(粗大马氏体)b)细晶区(细小马氏体)

(2)热应变时效脆化多发生在低碳钢和碳锰低合金钢的亚热影响区(加热温度低于Ac3的部位)。主要是由制造过程中各种加工(如下料、剪切、弯曲、气割等)或焊接热应力所引起的局部塑性性应变与焊接热循环的作用叠加而造成的。（3）组织转变脆化焊接HAZ中由于出现脆硬组织而产生的脆化称之组织脆化。对于常用的低碳低合金高强钢，焊接HAZ的组织脆化主要是M-A组元、上贝氏体、粗大的魏氏组织等所造成。但对含碳量较高的钢（一般Ｃ≥0.2％），则组织脆化主要是高碳马氏体。（4）析出脆化由于焊接过程的快速加热与冷却，其热影响区组织处于非平衡态。在时效或回火过程中，其过饱和固溶体中将析出碳化物、氮化物、金属间化合物及其它亚稳定的中间相等，使材料的强度、硬度和脆性提高，这种现象称为析出脆化。

（5）热应变时效脆化在制造过程中要对焊接结构进行一系列冷、热加工，如下料、剪切、弯曲成型、气割等。若加工引起的局部应变、塑性变形的部位在随后又经历焊接热循环作用（处于HAZ内）便会引起材料脆化，称为热应变时效脆化。冷成形静应变时效脆化热成形动应变时效脆化（特别是

在200～400℃的预应变）HAZ焊缝封头焊接热影响区的软化经冷作强化的金属经热处理强化的金属焊接热循环作用再结晶软化过时效软化A—焊前淬火+低温回火B—焊前淬火+高温回火C—焊前退火1—淬火区

2—部分淬火区

3—回火区

软化现象主要出现在焊前经过淬火+回火的钢中.软化部位在回火区(加热温度为T回~Ac1的部位）)。母材焊前是退火状态，不存在软化现象。讨论随着热输入的增加，强度下降

焊接热影响区的性能控制控制焊接工艺过程改善母材的焊接性能

针对不同母材焊接热影响