第四章焊接接頭焊縫組織與性能

1、第四章第四章 焊接接頭的組織與性焊接接頭的組織與性能能 熔焊時(shí)，在高溫?zé)嵩吹娜酆笗r(shí)，在高溫?zé)嵩吹淖饔孟?，母材將發(fā)生作用下，母材將發(fā)生局部熔局部熔化化，并與熔化了焊絲金屬攪，并與熔化了焊絲金屬攪拌混合而形成焊接拌混合而形成焊接熔池熔池。與。與此同時(shí)，進(jìn)行了短暫而復(fù)雜此同時(shí)，進(jìn)行了短暫而復(fù)雜的的冶金反應(yīng)冶金反應(yīng)。當(dāng)焊接熱源離。當(dāng)焊接熱源離開以后，熔池金屬便開始凝開以后，熔池金屬便開始凝固（結(jié)晶）。固（結(jié)晶）。4.1 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變?nèi)鄢啬踢^(guò)程的研究目的熔池凝固過(guò)程的研究目的1) 熔池凝固過(guò)程對(duì)焊縫金屬的組織、性能具有重要影響。熔池凝固過(guò)程對(duì)焊縫金屬的組織、性能具有重要

2、影響。2) 焊接工程中，由于熔池中的焊接工程中，由于熔池中的冶金條件和冷卻條件冶金條件和冷卻條件不同，不同，可得到性能差異很大的組織。可得到性能差異很大的組織。3) 有許多有許多缺陷缺陷是在熔池凝固的過(guò)程中產(chǎn)生的，如是在熔池凝固的過(guò)程中產(chǎn)生的，如:氣孔、氣孔、夾雜、偏析和結(jié)晶裂紋夾雜、偏析和結(jié)晶裂紋等。等。4) 焊接過(guò)程是處于焊接過(guò)程是處于非平衡的熱力學(xué)條件非平衡的熱力學(xué)條件，熔池金屬在凝，熔池金屬在凝固過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生許多固過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生許多晶體缺陷晶體缺陷，如，如:點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷（空位和間（空位和間隙原子）、隙原子）、線缺陷線缺陷（位錯(cuò)）和（位錯(cuò)）和面缺陷面缺陷（界面）。這些缺（界面）。這些缺陷的

3、嚴(yán)重影響焊縫金屬性能。陷的嚴(yán)重影響焊縫金屬性能。4.1.1 熔池凝固的特點(diǎn)熔池凝固的特點(diǎn)1) 熔池的凝固條件和特點(diǎn)熔池的凝固條件和特點(diǎn)a. 結(jié)晶過(guò)程：晶核生成和晶核長(zhǎng)大結(jié)晶過(guò)程：晶核生成和晶核長(zhǎng)大b. 熔池的體積小、冷卻速度大熔池的體積小、冷卻速度大熔池的體積最大只有熔池的體積最大只有30 cm3，重量不超過(guò)，重量不超過(guò)100 g。周圍。周圍冷金屬包圍冷金屬包圍冷速非常大，冷速非常大，4 100 /s。鋼錠平均冷速。鋼錠平均冷速（3 150） 10-4 /s。2）熔池中的金屬處于過(guò)熱狀態(tài)）熔池中的金屬處于過(guò)熱狀態(tài) 電弧焊條件下，電弧焊條件下，熔池溫度熔池溫度1770 100 ，熔滴，熔滴230

4、0 200 。鋼錠不超過(guò)。鋼錠不超過(guò)1550 。 3）熔池在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下結(jié)晶）熔池在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下結(jié)晶 4.1.2 熔池結(jié)晶的一般規(guī)律熔池結(jié)晶的一般規(guī)律 結(jié)晶結(jié)晶形核與長(zhǎng)大過(guò)程。形核與長(zhǎng)大過(guò)程。 在熔池狀態(tài)下，結(jié)晶過(guò)程規(guī)律？焊縫金屬結(jié)晶形態(tài)？在熔池狀態(tài)下，結(jié)晶過(guò)程規(guī)律？焊縫金屬結(jié)晶形態(tài)？ 1）熔池中晶核的形成）熔池中晶核的形成 均勻形核與非均勻形核。過(guò)冷度，形核功。均勻形核與非均勻形核。過(guò)冷度，形核功。 焊接條件下，熔池中存在兩種表面：焊接條件下，熔池中存在兩種表面： a. 合金元素或雜質(zhì)的合金元素或雜質(zhì)的懸浮質(zhì)點(diǎn)懸浮質(zhì)點(diǎn) b. 熔合區(qū)熔合區(qū)附近附近半熔化的金屬界面晶粒表面半熔化的金屬界面晶粒表面（

5、主要（主要的非自發(fā)形核表面）。的非自發(fā)形核表面）。 2) 熔池中的晶核長(zhǎng)大熔池中的晶核長(zhǎng)大 柱狀晶生長(zhǎng)的形態(tài)與焊接條件密切相關(guān)，如柱狀晶生長(zhǎng)的形態(tài)與焊接條件密切相關(guān)，如: : 焊接焊接線能量、焊縫位置、熔池?cái)嚢枧c振動(dòng)等。線能量、焊縫位置、熔池?cái)嚢枧c振動(dòng)等。 粗大的柱狀晶粗大的柱狀晶4.1.3 焊縫金屬的化學(xué)成分不均勻性焊縫金屬的化學(xué)成分不均勻性 冷速快，化學(xué)成分?jǐn)U散不充分冷速快，化學(xué)成分?jǐn)U散不充分偏析。偏析。 1 1）焊縫中的化學(xué)不均勻性）焊縫中的化學(xué)不均勻性 成分偏析成分偏析 顯微偏析顯微偏析 區(qū)域偏析區(qū)域偏析 層狀偏析層狀偏析 晶界、亞晶界、樹枝晶之間晶界、亞晶界、樹枝晶之間雜質(zhì)等在焊縫中

6、心區(qū)域聚集雜質(zhì)等在焊縫中心區(qū)域聚集 結(jié)晶過(guò)程的周期性變化結(jié)晶過(guò)程的周期性變化 層狀偏析往往聚集有害元素，也易于形成缺陷，尤其層狀偏析往往聚集有害元素，也易于形成缺陷，尤其是氣孔是氣孔力學(xué)性能不均勻，抗腐蝕性下降，斷裂韌性降力學(xué)性能不均勻，抗腐蝕性下降，斷裂韌性降低等。低等。 2 2）熔合區(qū)的化學(xué)不均勻性）熔合區(qū)的化學(xué)不均勻性 整個(gè)焊接接頭的最為薄弱環(huán)節(jié)。易出現(xiàn)缺陷，如：裂紋。整個(gè)焊接接頭的最為薄弱環(huán)節(jié)。易出現(xiàn)缺陷，如：裂紋。 A 熔合區(qū)的形成熔合區(qū)的形成 半熔化過(guò)渡狀態(tài)、熱傳播不均勻、晶粒的傳熱方向不同。半熔化過(guò)渡狀態(tài)、熱傳播不均勻、晶粒的傳熱方向不同。 B B 熔合區(qū)寬度熔合區(qū)寬度 材料的液

7、材料的液固溫度范圍、被焊材料自身的熱物固溫度范圍、被焊材料自身的熱物理性質(zhì)和組織狀態(tài)：理性質(zhì)和組織狀態(tài)： YTTTASL被焊金屬的固相線溫度被焊金屬的固相線溫度溫度梯度溫度梯度被焊金屬的液相線溫度被焊金屬的液相線溫度 低合金鋼低合金鋼熔合區(qū)附近的溫度梯度約為熔合區(qū)附近的溫度梯度約為30080/mm，液固相線溫度差約，液固相線溫度差約40 ，因此，一般電弧焊條件下，因此，一般電弧焊條件下，熔合區(qū)寬度為：熔合區(qū)寬度為：A=40/（30080）=0.1330.50 mm 奧氏體鋼奧氏體鋼電弧焊：電弧焊：A=0.060.12 mm 熔合區(qū)的寬度對(duì)焊縫性能影響很大。熔合區(qū)的寬度對(duì)焊縫性能影響很大。由于焊

8、接工藝的由于焊接工藝的因素，當(dāng)熔合區(qū)寬度大時(shí)，焊縫的整體性能下降。如：因素，當(dāng)熔合區(qū)寬度大時(shí)，焊縫的整體性能下降。如：奧氏體不銹鋼的熔合區(qū)寬度在奧氏體不銹鋼的熔合區(qū)寬度在0.1 mm時(shí)，對(duì)不銹鋼焊接時(shí)，對(duì)不銹鋼焊接接頭的抗腐蝕性影響不大；當(dāng)該寬度較大，達(dá)到接近接頭的抗腐蝕性影響不大；當(dāng)該寬度較大，達(dá)到接近1 mm時(shí)，則焊接接頭的耐蝕性顯著下降，甚至出現(xiàn)裂紋時(shí)，則焊接接頭的耐蝕性顯著下降，甚至出現(xiàn)裂紋。 C 熔合區(qū)的成分分布熔合區(qū)的成分分布 成分嚴(yán)重不均勻成分嚴(yán)重不均勻性能下降性能下降 熔合區(qū)固熔合區(qū)固- -液界面附近元素（溶質(zhì)）的濃度分布液界面附近元素（溶質(zhì)）的濃度分布決定于該元素在固、液相中

9、的擴(kuò)散系數(shù)和分配系數(shù)。決定于該元素在固、液相中的擴(kuò)散系數(shù)和分配系數(shù)。 異種鋼焊接時(shí)，特別注意這一問題。很多焊接異種鋼焊接時(shí)，特別注意這一問題。很多焊接接頭的早期失效與此有關(guān)。接頭的早期失效與此有關(guān)。問題：分析焊縫和熔合區(qū)的化學(xué)不均勻性問題：分析焊縫和熔合區(qū)的化學(xué)不均勻性, 為為什么會(huì)形成這種不均勻性什么會(huì)形成這種不均勻性? 1、從冷態(tài)開始到加熱熔化，形成熔池的溫度可達(dá)、從冷態(tài)開始到加熱熔化，形成熔池的溫度可達(dá)2000 以上，母材又是冷態(tài)金屬，兩者溫差巨大。并且隨以上，母材又是冷態(tài)金屬，兩者溫差巨大。并且隨熱源的移動(dòng)局部受熱區(qū)也在不斷移動(dòng)，造成組織轉(zhuǎn)變熱源的移動(dòng)局部受熱區(qū)也在不斷移動(dòng)，造成組織轉(zhuǎn)

10、變差異和整個(gè)接頭組織不均勻。差異和整個(gè)接頭組織不均勻。 2、焊接熔池體積小，焊縫金屬?gòu)娜刍侥讨挥袔酌搿⒑附尤鄢伢w積小，焊縫金屬?gòu)娜刍侥讨挥袔酌腌姇r(shí)間。在如此短時(shí)間內(nèi)，冶金反應(yīng)是不平衡的，使鐘時(shí)間。在如此短時(shí)間內(nèi)，冶金反應(yīng)是不平衡的，使焊縫金屬的成分分布不均勻，有時(shí)區(qū)域偏析很大。焊縫金屬的成分分布不均勻，有時(shí)區(qū)域偏析很大。 3、焊接過(guò)程中溫度高，液體金屬蒸發(fā)，化學(xué)元素?zé)龘p，、焊接過(guò)程中溫度高，液體金屬蒸發(fā)，化學(xué)元素?zé)龘p，有些元素在焊縫金屬和母材金屬之間相互擴(kuò)散，近縫有些元素在焊縫金屬和母材金屬之間相互擴(kuò)散，近縫區(qū)各段所處的溫度不同，冷卻后焊接區(qū)的顯微組織差區(qū)各段所處的溫度不同，冷卻后焊接

11、區(qū)的顯微組織差別極大。別極大。 4.2 焊縫固態(tài)相變焊縫固態(tài)相變 4.2.1 低碳鋼焊縫的固態(tài)相變低碳鋼焊縫的固態(tài)相變 含含C量低量低鐵素體鐵素體F+珠光體珠光體P。特點(diǎn)：組織粗大，特點(diǎn)：組織粗大，過(guò)熱時(shí)過(guò)熱時(shí)鐵素體中有粗大魏氏組織鐵素體中有粗大魏氏組織一次結(jié)晶組織：粗大柱狀晶一次結(jié)晶組織：粗大柱狀晶改善措施改善措施1) 多層焊：焊縫獲得細(xì)小和少量珠光體多層焊：焊縫獲得細(xì)小和少量珠光體(P)，使柱狀晶組織，使柱狀晶組織破壞。破壞。2 ) 焊后熱處理：加熱焊后熱處理：加熱A3, 柱狀晶消失。柱狀晶消失。3) 冷卻速度：冷卻速度冷卻速度：冷卻速度，硬度，硬度。低碳鋼焊縫的固態(tài)相變組織低碳鋼焊縫的固

12、態(tài)相變組織1）鐵素體）鐵素體鐵素體形態(tài)不同鐵素體形態(tài)不同a 先共析鐵素體先共析鐵素體 Pro eutectoid Ferrite (PF) 晶界鐵素體晶界鐵素體Grain Boundary Ferrite (GBF)b 側(cè)板條鐵素體側(cè)板條鐵素體 Ferrite Side Plate (FSP)c 針狀鐵素體針狀鐵素體 Acicular Ferrite (AF)d 細(xì)晶鐵素體細(xì)晶鐵素體 Fine Grain Ferrite (FGF)a 晶界鐵素體晶界鐵素體(GBF) (先共析鐵素體先共析鐵素體PF) 先共析鐵素體先共析鐵素體(PF)是沿原奧氏體晶界析出的鐵是沿原奧氏體晶界析出的鐵素體。先共析鐵

13、素體也稱素體。先共析鐵素體也稱晶界鐵素體晶界鐵素體。沿晶界。沿晶界呈長(zhǎng)條呈長(zhǎng)條狀擴(kuò)展?fàn)顢U(kuò)展和和以多邊形形狀互相連結(jié)沿晶界分布以多邊形形狀互相連結(jié)沿晶界分布。 在高溫區(qū)發(fā)生在高溫區(qū)發(fā)生，相變時(shí)優(yōu)先形成，因，相變時(shí)優(yōu)先形成，因晶界能量較晶界能量較高高而易于形成新相核心。而易于形成新相核心。先共析鐵素體的位錯(cuò)密度較先共析鐵素體的位錯(cuò)密度較低。低。b 側(cè)板條鐵素體（側(cè)板條鐵素體（FSP）生成于生成于500-700 。 是由晶界向晶內(nèi)擴(kuò)展的板條狀或鋸齒狀鐵素體，實(shí)是由晶界向晶內(nèi)擴(kuò)展的板條狀或鋸齒狀鐵素體，實(shí)質(zhì)是質(zhì)是魏氏組織魏氏組織。其長(zhǎng)寬比在。其長(zhǎng)寬比在20：1以上。側(cè)板條鐵素體在以上。側(cè)板條鐵素體在低

14、合金鋼焊縫中不一定總是存在，但出現(xiàn)的機(jī)會(huì)比母材低合金鋼焊縫中不一定總是存在，但出現(xiàn)的機(jī)會(huì)比母材多。多。 當(dāng)當(dāng)先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體長(zhǎng)大時(shí)，其長(zhǎng)大時(shí)，其界面界面上上一側(cè)的碳濃度增加，極為接近共析成分，故一側(cè)的碳濃度增加，極為接近共析成分，故易分解易分解為為珠光體珠光體而出現(xiàn)于側(cè)板條鐵素體的間隙之中。側(cè)板條鐵而出現(xiàn)于側(cè)板條鐵素體的間隙之中。側(cè)板條鐵素體晶內(nèi)位錯(cuò)密度大致和先共析塊素體相當(dāng)或稍高一些素體晶內(nèi)位錯(cuò)密度大致和先共析塊素體相當(dāng)或稍高一些。側(cè)板條鐵素體側(cè)板條鐵素體 Ferrite Side Plate (FSP)c 針狀鐵素體（針狀鐵素體（AF） 出現(xiàn)于出現(xiàn)于原奧

15、氏體晶內(nèi)原奧氏體晶內(nèi)的有方向性的的有方向性的細(xì)小細(xì)小鐵素體。寬鐵素體。寬約約2m左右，長(zhǎng)寬比多在左右，長(zhǎng)寬比多在3：1 至至10：1的范圍內(nèi)。針狀的范圍內(nèi)。針狀鐵素體可能是以鐵素體可能是以氧化物或氮化物氧化物或氮化物(如：如：TiO或或TiN)為基點(diǎn)為基點(diǎn)，呈放射狀生長(zhǎng)，相鄰，呈放射狀生長(zhǎng)，相鄰AF間的方位差為大傾角，其間隙間的方位差為大傾角，其間隙存在有存在有滲碳體或馬氏體滲碳體或馬氏體，多半是，多半是MA組元，決定于合組元，決定于合金化程度。針狀鐵素體晶內(nèi)金化程度。針狀鐵素體晶內(nèi)位錯(cuò)密度較高位錯(cuò)密度較高，為先共析鐵，為先共析鐵素體的素體的2倍左右。位錯(cuò)之間互相纏結(jié)，分布不均勻，但又倍左右。

16、位錯(cuò)之間互相纏結(jié)，分布不均勻，但又不同于經(jīng)受劇烈塑性形變后出現(xiàn)的位錯(cuò)形態(tài)。不同于經(jīng)受劇烈塑性形變后出現(xiàn)的位錯(cuò)形態(tài)。d 細(xì)晶鐵素體細(xì)晶鐵素體(FGF) (貝氏體鐵素體貝氏體鐵素體) 生成于生成于450以下。板條間為小傾角，板條內(nèi)的以下。板條間為小傾角，板條內(nèi)的位錯(cuò)位錯(cuò)密度很高密度很高。用不同強(qiáng)度級(jí)別焊條所焊接焊縫用不同強(qiáng)度級(jí)別焊條所焊接焊縫J507焊條焊條: 焊縫中有焊縫中有FSP，其間存在珠光體，未見，其間存在珠光體，未見MA；J707焊條焊條: 焊縫中是塊狀焊縫中是塊狀MA組元；組元；J807焊條焊條: 焊縫中已無(wú)焊縫中已無(wú)PF，MA組元呈顆粒狀；組元呈顆粒狀；J907焊條焊條: 焊縫中因合

17、金化程度提高焊縫中因合金化程度提高, 出現(xiàn)出現(xiàn)板條狀馬氏體板條狀馬氏體，部分部分MA組元由顆粒狀變成條狀。組元由顆粒狀變成條狀。針狀鐵素體針狀鐵素體 Acicular Ferrite (AF)FGF+PP+F粒粒P+AF2) 珠光體珠光體 沒有什么變化。沒有什么變化。3) 貝氏體貝氏體 對(duì)焊縫性能影響很復(fù)雜。對(duì)焊縫性能影響很復(fù)雜。粒貝粒貝羽狀羽狀Bu+板板M板條板條M與與MAM+MA4) 馬氏體馬氏體 有淬硬傾向的鋼，焊后冷卻時(shí)可能形成馬氏體。有淬硬傾向的鋼，焊后冷卻時(shí)可能形成馬氏體。冷裂紋形成概率增大冷裂紋形成概率增大 4.3 焊縫性能的控制焊縫性能的控制 4.3.1 焊縫金屬的固溶強(qiáng)化和變

18、質(zhì)處理焊縫金屬的固溶強(qiáng)化和變質(zhì)處理 合金元素的作用復(fù)雜。結(jié)合具體的合金元素的作用復(fù)雜。結(jié)合具體的鋼種、焊接方法鋼種、焊接方法和焊接工藝規(guī)范和焊接工藝規(guī)范具體分析。具體分析。 微合金化，微合金化，Mo、V、Ti、Nb、B、Zr、Al和稀土，細(xì)和稀土，細(xì)化晶粒化晶粒強(qiáng)韌性提高。強(qiáng)韌性提高。 1）Mn和和Si對(duì)焊縫性能的影響對(duì)焊縫性能的影響 低碳鋼和低合金鋼低碳鋼和低合金鋼焊縫中不可缺少的元素；焊縫中不可缺少的元素； 焊縫金屬充分焊縫金屬充分脫氧脫氧； 提高焊縫的提高焊縫的抗拉強(qiáng)度（固溶強(qiáng)化）抗拉強(qiáng)度（固溶強(qiáng)化）。 w(Mn)=0.8%1.0%時(shí)，焊縫沖擊吸收功最高時(shí)，焊縫沖擊吸收功最高 焊縫中焊縫

19、中w(Mn) 0.8%，w(Si) 0.10%，組織為，組織為粗大的粗大的先共析鐵素體（先共析鐵素體（PF）。 焊縫中焊縫中w w (Mn) 1.0%，w(Si) 0.10%，組織為，組織為粗大的粗大的側(cè)板條鐵素體（側(cè)板條鐵素體（FSP）。 w(Mn)=0.81.0%，w(Si) =0.100.25%，組，組織為織為細(xì)晶鐵素體（細(xì)晶鐵素體（FGF）和針狀鐵素體（）和針狀鐵素體（AF），韌性最好（韌性最好（-20， AKV 100J）。）。 加入加入細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒的合金元素，進(jìn)一步改善組織，的合金元素，進(jìn)一步改善組織，提高焊縫韌性。提高焊縫韌性。 2）Nb和和V對(duì)焊縫韌性的影響對(duì)焊縫韌性的影響

20、 適量的適量的Nb和和V可以提高焊縫沖擊韌性。改善組織，可以提高焊縫沖擊韌性。改善組織，得到得到細(xì)小的細(xì)小的AF。 w(Nb)=0.030.04%，w(V) =0.050.10%時(shí)，焊縫時(shí)，焊縫韌性良好。韌性良好。 形成難熔氮化物（形成難熔氮化物（NbN、VN），固定焊縫中的），固定焊縫中的N，韌性提高。韌性提高。 恰當(dāng)?shù)暮负鬅崽幚怼?qiáng)烈共格恰當(dāng)?shù)暮负鬅崽幚?。?qiáng)烈共格沉淀強(qiáng)化作用沉淀強(qiáng)化作用，強(qiáng)度大，強(qiáng)度大幅度提高，韌性下降。幅度提高，韌性下降。 3）Ti、B對(duì)焊縫韌性的影響對(duì)焊縫韌性的影響 大幅度提高焊縫韌性。大幅度提高焊縫韌性。 a. TiO 親和力很大，親和力很大，TiO微小顆粒彌散分布，細(xì)化晶粒。微小顆粒彌散分布，細(xì)化晶粒。 b. 最佳含量最佳含量焊縫化學(xué)成分：焊縫化學(xué)成分：w(C)=0.110.14%，w(Si)=0.200.35%，w(Mn)=1.21.5%，w(O)=0.02