第四章焊接接头的组织与性能

第四章焊接接头的组织与性能第一节熔池凝固和焊缝固态相变熔焊时，在高温热源的作用下，母材将发生局部熔化，并与熔化了焊丝金属搅拌混合而形成焊接熔池。与此同时，进行了短暂而复杂的冶金反应。当焊接热源离开以后，熔池金属便开始凝固（结晶），如图3-1。•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、性能具有重要影响。•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。•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。•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，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缝的金属的性能。一、熔池凝固的特点1、熔池的凝固条件和特点1）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最大只有30cm3，重量不超过100g。周围冷金属→冷速非常大，4100oC/s。钢锭平均冷速（3150）10-4oC/s。第三章熔池凝固与焊缝固态相变2、熔池中的金属处于过热状态电弧焊条件下，熔池温度1770100oC，熔滴2300200oC。钢锭不超过1550oC。3、熔池在运动状态下结晶第三章熔池凝固与焊缝固态相变二、熔池结晶的一般规律形核与长大过程在熔池状态下，结晶过程规律？焊缝金属结晶形态？（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。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熔合区附近半熔化的金属界面晶粒表面（主要的非自发形核表面）。第三章熔池凝固与焊缝固态相变（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，如焊接线能量、焊缝的位置、熔池的搅拌与振动等。粗大的柱状晶第三章熔池凝固与焊缝固态相变五、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→偏析（一）焊缝中的化学不均匀性成分偏析显微偏析区域偏析层状偏析晶界、亚晶界、树枝晶之间杂质等在焊缝中心区域聚集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，尤其是气孔→力学性能不均匀，抗腐蚀性下降，断裂韧性降低等。第三章熔池凝固与焊缝固态相变（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。1、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第三章熔池凝固与焊缝固态相变2、熔合区宽度材料的液—固温度范围、被焊材料自身的热物理性质和组织状态：被焊金属的固相线温度温度梯度被焊金属的液相线温度第三章熔池凝固与焊缝固态相变低合金钢熔合区附近的温度梯度约为300～80oC/mm，液固相线温度差约40oC，因此，一般电弧焊条件下，熔合区宽度为：A=40/（300～80）=0.133～0.50（mm）奥氏体钢电弧焊：A=0.06～0.12mm**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，焊缝的整体性能下降。如奥氏体不锈钢的熔合区宽度在0.1mm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，达到接近1mm时，则焊接接头的耐蚀性显著下降，甚或出现裂纹。第三章熔池凝固与焊缝固态相变3、熔合区的成分分布成分严重不均匀→性能下降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。*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。分析焊缝和熔合区的化学不均匀性,为什么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2000℃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，有时区域偏析很大。3、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，冷却后焊接区的显微组织差别极大。第三章熔池凝固与焊缝固态相变第二节焊缝固态相变一、低碳钢焊缝的固态相变含碳量低→铁素体+珠光体。特点：组织粗大，过热时铁素体中有粗大魏氏组织一次结晶组织：粗大的柱状晶改善措施：1)多层焊：使焊缝获得细小和少量珠光体，使柱状晶组织破坏。2)焊后热处理：加热A3+20~30%消失柱状晶。3)冷却速度：冷却速度↑，硬度↑16二、低合金钢焊缝的固态相变组织低合金钢焊缝二次组织，随匹配焊接材料化学成分和冷却条件的不同，可由不同的组织。以F为主，P、B、M占次要地位。以F为主，F越细小，则韧脆转变温度越低，一般以V型缺口冲击试件断口中纤维区占50%时的温度VTS为判断.第三章熔池凝固与焊缝固态相变（一）铁素体铁素体的形态不同：1、先共析铁素体ProeutectoidFerrite(PF)粒界铁素体GrainBoundaryFerrite(GBF)2、侧板条铁素体FerriteSidePlate(FSP)3、针状铁素体AcicularFerrite(AF)4、细晶铁素体FineGrainFerrite(FGF)（1）粒界铁素体(GBF)(先共析铁素体PF)先共析铁索体(PF)——是沿原奥氏体晶界析出的铁素体。先共析铁素体也称晶界铁素体。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。在高温区发生γ→α，相变时优先形成，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。（2）侧板条铁素体（FSP）生成于700一500℃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20：１以上。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。当先共析铁素体和侧板条铁素体长大时，其γ／α界面上γ一侧的碳浓度增加，极为接近共析成分，故γ易分解为珠光体而出现于侧板条铁素体的间隙之中。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。第三章熔池凝固与焊缝固态相变侧板条铁素体FerriteSidePlate(FSP)（3）针状铁素体（AF）出现于原奥氏体晶内的有方问性的细小铁素体．宽约2μm左右，长宽比多在3：1以至10：1的范围内。针状铁素体可能是以氧化物或氮化物(如TiO或TiN)为基点，呈放射状生长，相邻AF间的方位差为大倾角，其间隙存在有渗碳体或马氏体，多半是M－A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2倍左右。位错之间也互相缠结，分布也不均匀，但又不同于经受剧烈塑性形变后出现的位错形态。（4）细晶铁素体(FGF)、(贝氏体铁素体)生成于450℃以下。板条间为小倾角，板条内的位错密度很高。如在用不同强度级别焊条所焊接的焊缝，J507焊条的焊缝中有FSP，其间存在的确为珠光体，未见M－A；J707焊条的焊缝中，出现的是块状M－A组元；J807焊条的焊缝中已无PF，M—A组元呈颗粒状；J907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M－A组元由颗粒状变成条状。针状铁素体AcicularFerrite(AF)FGF+PP+F粒P+AF（二）珠光体没有什么变化。（三）贝氏体对焊缝性能影响很复杂。粒贝羽状Bu+板M板M与M-AM+M-A（四）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第三章熔池凝固与焊缝固态相变第四节焊缝性能的控制一、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、焊接方法和焊接工艺规范具体分析。微合金化，Mo、V、Ti、Nb、B、Zr、Al和稀土，细化晶粒→强韧性提高。（一）Mn和Si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焊缝金属充分脱氧提高焊缝的抗拉强度（固溶强化）第三章熔池凝固与焊缝固态相变w(Mn)=0.8%～1.0%时，焊缝冲击吸收功最高第三章熔池凝固与焊缝固态相变焊缝中w(Mn)0.8%，w(Si)0.10%，组织为粗大的先共析铁素体（PF）w(Mn)1.0%，w(Si)0.10%，组织为粗大的侧板条铁素体（FSP）w(Mn)=0.8～1.0%，w(Si)=0.10～0.25%，组织为细晶铁素体（FGF）和针状铁素体（AF），韧性最好（-20oCAKV100J）加入细化晶粒地合金元素，进一步改善组织，提高焊缝韧性第三章熔池凝固与焊缝固态相变（二）Nb和V对焊缝韧性的影响适量的Nb和V可以提高焊缝冲击韧性。改善组织，得到细小的AF。w(Nb)=0.03～0.04%，w(V)=0.05～0.10%时，焊缝韧性良好。形成难熔的氮化物（NbN、VN），固定焊缝中的N，韧性提高。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，韧性下降第三章熔池凝固与焊缝固态相变（三）Ti、B对焊缝韧性的影响大幅度提高焊缝韧性（1）TiO亲和力很大，TiO微小颗粒弥散分布，细化晶粒（2）最佳含量焊缝化学成分：w(C)=0.11～0.14%，w(Si)=0.20～0.35%，w(Mn)=1.2～1.5%，w(O)=0.027～0.032%，w(N)=0.0028～0.0055%，w(Ti)=0.01～0.02%，w(B)=0.0020～0.0060%。第三章熔池凝固与焊缝固态相变第三章熔池凝固与焊缝固态相变（3）Ti保护B不被氧化。原子B偏聚于晶界(rB=9.8nm)，降低晶界能，抑制PF(GBF和FSP)析出，促进AF形成，改善焊缝组织。第三章熔池凝固与焊缝固态相变（四）Mo对焊缝韧性的影响w(Mo)=0.20～0.35%，得到FGF+AF，韧性最佳。Mo和Ti联合作用。w(Mo)=0.20～0.35%，w(Ti)=0.03～0.05%，良好的韧性。大能量埋弧焊，0oC时，夏比冲击功100J以上。（五）稀土元素对焊缝金属性能的影响降低焊缝中的扩散氢含量，改善焊缝抗热裂倾向，改善焊缝金属韧性第三章熔池凝固与焊缝固态相变二、调整焊接工艺参数改善焊缝的性能（一）振动结晶（1）低频机械振动振动频率10000Hz以下，振幅2mm以下（2）高频超声振动超声波发生器，频率20000Hz以上，振幅10-4mm（3）电磁振动强磁场，搅动，细化晶粒；降低残余应力第三章熔池凝固与焊缝固态相变二、调整焊接工艺参数改善焊缝的性能（二）焊后热处理（三）多层焊接（四）锤击焊道表面第三章熔池凝固与焊缝固态相变超声冲击改善焊接接头疲劳强度第三章熔池凝固与焊缝固态相变