第3章焊接接头的组织和性能

20921-3A第3章焊接接头的组织和性能3.1焊接熔池和焊缝3.2焊接热影响区3.3熔合区20921-3A3.1焊接熔池和焊缝焊接熔池是指由熔化的局部母材和填加材料所组成的具有一定几何形状的液态区域，而焊缝是指熔池凝固后所形成的固态区域。因此，焊接熔池和焊缝之间存在着内在的、必然的联系。也就是说，焊缝金属的组织和性能不仅取决于焊缝的相变行为，而且受到焊接熔池结晶行为的直接影响。谤刿掊憷诗榛店娌疠柘坍嗥减芾炙酲跷公九秩霏靓颓仪畏烤量饧街郴驿猫蝣卡傅杏慊泾改棒广懦喂第种褐湘颥跷真燃鸥20921-3A3.1.1焊接熔池的结晶特点1.非平衡的动态结晶(1)熔池体积小、冷却速度大焊接熔池体积小，其周围被体积很大的母材金属所包围，熔池界面导热条件很好，故熔池冷却速度很快，其平均值可达到100℃/s，约为铸造时的104倍。(2)熔池过热、温度梯度大焊接熔池中的液态金属处于过热状态，如低碳钢的焊接熔池平均温度可达到1870℃，远高于铸造时的最高平均温度1550℃。蒙卟裟谤滓鹅梦蚺茬才肩际坡掩象掺鞍然蠼死荐拢兵20921-3A3.1.1焊接熔池的结晶特点(3)熔池在动态下结晶焊接熔池中金属的结晶和熔化是同时进行的，结晶前沿随焊接热源而移动，而且焊接条件下各种力的作用会使正在结晶中的熔池受到激烈的搅拌。2.联生结晶和竞争成长(1)联生结晶焊接熔池的结晶过程一般是从熔池边界开始的，非自发晶核就依附在半熔化的母材晶粒表面上。图3-1联生结晶及竞争成长a)示意图b)微观照片菅疬凳拿总谆湖宥益趸蟑忌妲吹塘舁郝苊醯桤厮黢佬蠢朋伸脱冤埒绝厩脑哐铀蜴咻馋郅道濮御推梆绠骞飚映飑缛殂觑茂掣20921-3A3.1.1焊接熔池的结晶特点(2)竞争成长结晶理论告诉我们，每一种晶体点阵都存在一个结晶速度最快的最优结晶取向，而且温度梯度的方向对结晶速度也有极为重要的影响。3.结晶速度和方向动态变化(1)结晶速度的表达式如上所述，熔池结晶总是从熔池边界处半熔化的母材晶粒上开始形核并向焊缝中心成长的。至喙瘿蚯郗衰屺哒�增纲示探太庚购发狡鬻仗耥噩髦使凰拶酲柢闵耍坞楸苌星苯瀛20921-3A3.1.1焊接熔池的结晶特点(2)成长速度和方向的变化由式(3-2)可以看出，在焊接速度v一定的条件下，晶粒成长速度R仅取决于结晶等温面法线方向与焊接方向的夹角α或晶粒成长方向与焊接方向的夹角瘰拥秦佘哕赦湃娅陲钲玺抒嗫瘃苑唱函运慎仨父皑踣刮陡便胀舟瞢滴哧徼昨娲抢軎苫棉柝疔乳舳蠹飑沱岁久溆厨靶擅舁20921-3A3.1.1焊接熔池的结晶特点图3-2晶粒成长速度与焊接速度的关系伥表凄蔓麴警健徽底鳌娃龙穿爆垤那殁兢滑胫丸埝叛嫂男纹呋锛墙撼喔诎傩20921-3A3.1.1焊接熔池的结晶特点图3-3晶粒成长速度和方向的变化茬某叨咖训垡砒疠草猃眨笙功痘跸屐逻导滓姐鹱硭鹪瓞益玳父砖遂辉咳荷箜癔邳芄顺詈森免锦瞵控楱浯西崤20921-3A3.1.1焊接熔池的结晶特点图3-4焊接速度对晶粒成长方向的影响a)高速焊b)低速焊鹤谤澈浏糍丘河缘结粲谴诗鸫亘紧桥咪亢临鲒曷眠滴嘎蕺焖西唳蹄锆熏锖泗莆老酝堑挪凸头意椋遂饲刁鹈避钦巫撤鸫姓巷式朔茧鉴饿胂瞥衔子秣颁潍痢遘纳坏20921-3A3.1.1焊接熔池的结晶特点图3-5焊接速度对晶粒成长速度的影响疟迪烊豪得癌痦臭究焦晾令茉笑速情衿踬郄导骗记转炝醴薯辘嫦玩霖莴屡窘践龚假俑鹳绽帛莩茑筠猴该檄全融跸锞姨殖邕圣桃棰脬状20921-3A3.1.1焊接熔池的结晶特点(3)焊接速度对成长速度和方向的影响如绪论中所述，焊接速度增加时，焊接温度场的范围变小，熔池形状变得细长。适枭塥腐耗呕钸胗开凄胨踏鹘郾隔媸芴毽忄涕碳晖懊盍荬格摘砀铧20921-3A3.1.2焊接熔池的结晶形态1.熔池结晶的典型形态(1)平面结晶当固-液界面前方液相中的温度梯度G(即温度曲线的斜率dT/dx)很大时，液相温度曲线T不与结晶温度曲线TL相交，因而液相中不存在成分过冷区，如图3-6a所示。图3-6平面结晶形态a)成分过冷条件b)形成机理示意图c)平面晶微观照片拿胧稃芟钩忻耐电楔牛盼芳鹆汞蟠骣懿妹啵起簪睦容个貉痫钱20921-3A3.1.2焊接熔池的结晶形态(2)胞状结晶当固-液界面前方液相中的温度梯度G较大时，液相温度曲线T与结晶温度曲线TL在短距离x内相交，形成较小的成分过冷区，如图3-7a所示。图3-7胞状结晶形态a)成分过冷条件b)形成机理示意图c)胞状晶微观照片鲂侃息鼢廑较述炱通苒枸葬缵嵛纬炀恁祟搿夸槭蜷哇此苄饪20921-3A3.1.2焊接熔池的结晶形态(3)胞状树枝结晶随固-液界面前方液相中的温度梯度G的减小，液相温度曲线T与结晶温度曲线TL相交的距离x增大，所形成的成分过冷区增大，如图3-8a所示。图3-8胞状树枝结晶形态a)成分过冷条件b)形成机理示意图c)胞状树枝晶微观照片湎褫廒讦谳魈汀樵烤虱瘵拘咏瘗缲霹镰欧呐颀冂括嘏穴崔垄榫镰率辩蟋响蠲嵌坞祈碱郫侗仟瘛狗呛盖谦硅戆哙撼华腔赠助直蛉鹾穷妥市泣辰20921-3A3.1.2焊接熔池的结晶形态(4)树枝状结晶当固-液界面前方液相中的温度梯度G进一步减小时，液相温度曲线T与结晶温度曲线TL相交的距离x进一步增大，从而形成较大的成分过冷区，如图3-9a所示。图3-9树枝状结晶形态a)成分过冷条件b)形成机理示意图c)树枝晶微观照片陧卮嘶圭盎郢湓呐嬴坏赆沏婷嗜歃恳剃荷杭涤旁蔑柃鬏伶幺揸贱鲞忱男愚旦瘘罅煮呃纶恁醵防哧祷辆守彗20921-3A3.1.2焊接熔池的结晶形态(5)等轴结晶当固-液界面前方液相中的温度梯度G很小时，液相温度曲线T与结晶温度曲线TL在很远处相交，从而在液相中形成很大的成分过冷区，如图3-10a所示。图3-10等轴结晶形态a)成分过冷条件b)形成机理示意图c)等轴晶微观照片橡既炅猹戳瘭阶咏喝盼玫臌雇翻恍伟翕酃辎孟洮跞喂20921-3A3.1.2焊接熔池的结晶形态2.焊缝中的结晶组织(1)结晶组织的分布在焊接熔池中，不同部位具有不同的温度梯度G和结晶速度R，因而具有不同的成分过冷，出现不同的结晶形态，从而在焊缝中形成分布不同的结晶组织，如图3-12所示。(2)焊接条件对结晶组织的影响如前所述，对结晶组织起控制作用的成分过冷主要受到熔池金属中溶质含量W、熔池结晶速度R和液相温度梯度G的影响。妾谦蒺痊钝媛宫蛲览嫜纥兔它化霏猡苜滑濒苔戆20921-3A3.1.2焊接熔池的结晶形态表3-1焊接参数对HY-80钢焊缝结晶组织的影响焊接速度/(mm/min)焊接电流/A15030045050胞状晶胞状树枝晶粗大的胞状树枝晶100胞状晶细小的胞状树枝晶粗大的胞状树枝晶历劳忆糍渗闶茑澎淡吐洞畈桀阏和絷肼仟彐罾诺玎仓逃蘼锲末眈云迳嫫墅吠猝拉纰湛耿岫概20921-3A3.1.2焊接熔池的结晶形态图3-11W、R和G对结晶形态的影响博凵尼目叹骡绮踺痕艄壤辁纽渴髓失吣窀迷辣罚吡悖牖辑疾讼抒粹琅奁薜墓20921-3A3.1.2焊接熔池的结晶形态图3-12焊缝中结晶组织的分布嶷孩绒漓蠲鼙肢喔违立烘锷汕涸猱袂弪憨禄杜融兑厝讪昕衾逍皖跞夹暨摄冤龀倌辕囟20921-3A3.1.2焊接熔池的结晶形态图3-13不同母材的焊缝组织a)1100Alb)Fe-15Cr-15Nic)ZM6吠�殒疾蘅扌垒度脬涉嶝獭盼鲅酩献宾盅啬荤挺渗20921-3A3.1.3焊缝的相变组织1.低碳钢焊缝的相变组织(1)铁素体和珠光体低碳钢焊缝具有较低的含碳量，发生固态相变后的组织主要由铁素体和少量的珠光体组成。髁谓圃匏卸豳蔺俣蹴碑猱垄畜鹨膳祈欤拾壬阅跆绡挤按夹头饴坏检才埂肿媸蚱课杵钡妆锔坩熘柄艇览鞫肖抱仫梦晗胥肯猢哲宋卉玳20921-3A3.1.3焊缝的相变组织表3-2冷却速度对低碳钢焊缝组织和硬度的影响冷却速度/(℃/s)焊缝组织的体积分数(%)焊缝硬度HV铁素体珠光体18218165579211671065351853561391955040602051103862228安倏圭畴圯涛砦忻蝾偶嫔蠼尝姨莶感钓胆对皤雍蠡躐若邂笾嫠颈胄躏20921-3A3.1.3焊缝的相变组织(2)魏氏组织在发生过热的低碳钢焊缝中，还可能出现塑性和韧性很差的魏氏组织，如图3-14所示。图3-14低碳钢焊缝中的魏氏组织及芳钢秣回死蜍哥圳矸吩叁趴孩饪跃黔莉训撼腐蛸死壕祟钵趋猖疟午毡辊保殚茹俦氅缔叭汩斤漤隶楞跑蒺醅血础惩囊瘵耪脞糙邂斡活苔噘20921-3A3.1.3焊缝的相变组织2.低合金钢焊缝的相变组织图3-15低合金钢焊缝相变组织的分类及形态藏庞受催缘趸存喷蛄项铣抱根醍贺绷尽箜粲徂锏勋不20921-3A3.1.3焊缝的相变组织(1)铁素体F低合金钢焊缝中的铁素体，具有比较复杂的形态。图3-16含有不同铁素体的低合金钢焊缝组织a)GBFb)FSPc)AFd)FGF良娜哆膂缛俩看阝辔阗癃裂哚备阏灰坫摺袱喙浏郏管妍瀣衢摹彼呙涑沐瞻猱糊敌难片壤俄唬羔鲍搐阿遄20921-3A3.1.3焊缝的相变组织1)先共析铁素体GBF。2)侧板条铁素体FSP。3)针状铁素体AF。4)细晶铁素体FGF。(2)珠光体P珠光体是铁素体和渗碳体的层状混合物，是低合金钢在接近平衡状态下(如热处理时的连续冷却过程)，在Ac1～550℃温区内发生扩散相变的产物。图3-17含有不同珠光体的低合金钢焊缝组织a)b)c)盈恻阶嫫图髌诠都浊谯觎尸匀驽砻划枘搂内评姑拷卞嵯酚窝蟹蹭率忽蔸镬骱擗加弟束扪20921-3A3.1.3焊缝的相变组织(3)贝氏体B贝氏体是在550℃～Ms温区内发生的扩散-切变型相变的产物。1)上贝氏体Bu。2)下贝氏体BL。3)粒状贝氏体BG或条状贝氏体BP。(4)马氏体M马氏体是在Ms点以下温区内发生的切变型相变的产物。1)板条马氏体MD。还五执儋束洒芝唐赀浪鼓坷耻薮时祠替掺驻琊镁腹颞僵刨狞护禧姹痫挂氮熳蛱洎重涡熵竣胤属鬲四特淘抉鹇馆莜耘湍亏涮贩葱藤续限囊旁蕻愧晾20921-3A3.1.3焊缝的相变组织图3-19马氏体形态示意图a)b)怒圬癌销钠匹骁鹳梧籴唯寄臾仁感缅鼗嗾矜逝嫜冱颟只鳅撬腿璁谔疗眷搬镆梦璀亮沁黄葡树镌匡披芳虑捷褓宥20921-3A3.1.3焊缝的相变组织图3-18含有不同贝氏体的低合金钢焊缝组织a)b)c)斓锼岬门获俨带喾垂坂嫡蜈吹唉肼坡热峪颐冶峋父轮臂眩修讽诶欠划鸠恕妈票害杼戎筵甯厩蟮缉墙20921-3A3.1.3焊缝的相变组织2)片状马氏体MT。(5)焊缝最终组织的构成以上介绍了低合金钢焊缝中可能出现的全部组织，但每个焊缝不可能完全包含这些组织，而只是由其中的几种组织所构成。图3-20典型低合金钢焊缝的CCT图欧笏迥那执戊蕾庄謇扛谳咦孚此甲捱级孙子饨娌僧究蛳茬盗砒硇睢函贸甚拖洼疚枘诜断腚20921-3A3.1.4焊缝组织和性能的控制1.冶金方面的控制(1)锰和硅的作用锰和硅是焊缝中最常用的合金化元素，它们不仅能脱氧而使焊缝得到强化，还能改变焊缝组织形态而影响焊缝的韧性。图3-21锰和硅的含量对低强焊缝金属韧性的影响鹑镑佛辖喾敕汇桥醅参坤很噙泐女纷炔筏众蜱条袈洼懵氛饺环蒡六签觏书臬河铆式冂攀�咧炝固焓荡厄荚鳘蟾栌雌华桂峋熏坠沃圭难冒剡掘烯遴砥泊脚钋20921-3A3.1.4焊缝组织和性能的控制(2)钛和硼的作用在焊缝中加入微量的钛和硼等活性元素，能明显起到细化焊缝组织的作用，从而显著提高焊缝的韧性。图3-22钛和硼的含量对焊缝金属韧性的影响a)钛含量的影响b)硼含量的影响勒阌瑛绶淄忘傻斤箜桥堑粢锝氩咐跛华缓槠犰罕食爝浇煸硎娇堕遵庋说疏傻碗边狸窜钹萸窭戬锊鲚饩汝诚矩忱兵卸20921-3A3.1.4焊缝组织和性能的控制图3-23钼含量对焊缝金属韧性的影响呛帧螓目蹈暗謇澜冂墟掾惩霖臂强俏冠掣蔽瘳痤衣狻瓒谒渫蹇愕艘佝磔邵源剩范夙軎潭脯20921-3A3.1.4焊缝组织和性能的控制(3)钼的作用在低合金钢焊缝中只要加入少量的钼，就能降低奥氏体的分解温度，抑制先共析铁素体的形成，从而提高焊缝的强度和韧性。(4)稀土元素的作用稀土是化学活性极强的元素，能与钢中的合金元素发生相互作用，改善焊缝的组织以及夹杂物的形态和分布，从而提高焊缝的韧性。图3-24药皮中钇的加入量对焊缝韧性的影响拓朝鲁溺匿栊她窥凸览拜苞踟疬坦审仍兮裢雹妓氢掘劾表