焊接冶金原理05焊接熔合區(qū)1課件

1、第5章 焊接熔合區(qū)5.1 熔合區(qū)的特征5.2 非對(duì)流混合區(qū)5.3 熔合線5.4部分熔化區(qū) 熔合區(qū)是焊縫與熱影響區(qū)之間的過(guò)渡區(qū)域。熔合區(qū)既是成分、組織與性能等極不均勻的區(qū)域，有可能是應(yīng)力集中的區(qū)域。熔合區(qū)常見(jiàn)問(wèn)題：液化裂紋、氫致裂紋、偏析和強(qiáng)度韌性損傷等填充奧氏體不銹鋼焊絲的碳鋼焊接熔合區(qū)處的層狀偏析現(xiàn)象填充Ni基合金焊絲焊接碳鋼與奧氏體不銹鋼焊縫中碳鋼側(cè)熔合區(qū)的馬氏體5.1 熔合區(qū)的特征典型的焊接接頭結(jié)構(gòu)示意圖非對(duì)流混合區(qū)是接近熔合線處熔化但未充分與填充材料混合的母材金屬；部分熔化區(qū)是接近熔合線處母材金屬晶粒邊界（或晶粒內(nèi)部）發(fā)生不同程度熔化的區(qū)域，在焊接過(guò)程中屬固/液混合區(qū)；熔合線為焊接接頭

2、橫截面上焊縫和母材金屬的分界線，即熔化焊時(shí)，未熔化的母材金屬晶粒上的邊緣連線。5.1.1熔合區(qū)的結(jié)構(gòu)焊縫區(qū)和熔合區(qū)有時(shí)會(huì)發(fā)生部分交疊，即焊縫區(qū)由對(duì)流混合區(qū)和非對(duì)流混合區(qū)組成。在焊接過(guò)程中，如果填充焊接材料與母材成分不同，溶質(zhì)原子在化學(xué)位梯度的作用下，對(duì)流混合區(qū)與非對(duì)流混合區(qū)還會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)散混合的現(xiàn)象。對(duì)于一個(gè)具體的焊接接頭的熔合區(qū)，其三個(gè)組成結(jié)構(gòu)有時(shí)并不是同時(shí)存在的。特別是部分熔化區(qū)，主要取決于固相線與液相線的寬度。熔合區(qū)具體由哪幾種結(jié)構(gòu)組成主要依賴于母材的化學(xué)成分、填充材料的成分、焊接工藝條件以及焊縫方法等等。5.1.2熔合區(qū)的特性1、化學(xué)成分不均勻性在異種材料或同種材料填充材料不同于母材時(shí)，強(qiáng)

3、烈的擴(kuò)散形成既不同于母材也不同于焊縫成分過(guò)渡區(qū)；同種金屬焊接甚至自熔焊，基于固液界面理論也會(huì)出現(xiàn)化學(xué)成分的不均勻。式中 固-液界面處溶質(zhì)在固相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)； 溶質(zhì)在合金材料中的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)； d固-液界面到開(kāi)始結(jié)晶位置的距離； R液相的結(jié)晶速度（即凝固速度） k 溶質(zhì)在固-液相中的分配系數(shù)； D 溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)熔合區(qū)中硫的分布2、組織不均勻性成分不均勻性在一定程度上決定了組織不均勻性，焊接工藝與焊接方法也會(huì)對(duì)熔合區(qū)的組織不均勻性產(chǎn)生一定的影響。非對(duì)流混合區(qū)過(guò)渡成分有可能導(dǎo)致其在凝固后形成的組織可能既不同于母材組織也不同于焊縫組織，甚至可能出現(xiàn)一些不希望得到的有害組織。如在異種鋼焊接過(guò)程中可能會(huì)

4、形成一個(gè)馬氏體層，有時(shí)還會(huì)形成鐵素體帶和富奧氏體帶等等。在部分熔化區(qū)，有時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的晶界液化。液化的晶界在凝固過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的偏析，甚至?xí)诰Ы缧纬山簿ЫM織，導(dǎo)致晶界發(fā)生嚴(yán)重的脆化。例如，在2219鋁合金焊接過(guò)程中的部分熔化區(qū)的晶界經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)共晶組織，在鑄鐵焊接過(guò)程中在部分熔化區(qū)經(jīng)常會(huì)觀察到白口鐵組織。3、晶體缺陷不均勻性 近縫區(qū)或半熔化區(qū)在不平衡加熱時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)空位和位錯(cuò)的聚集或重新分布，即所謂晶體缺陷不均勻性。空位的形成及分布對(duì)金屬斷裂強(qiáng)度有重大影響，由于空位的高度可動(dòng)性，常?？赡艹蔀楹附咏宇^形成延遲裂紋的根源。焊接時(shí)的高溫加熱可促使熔合區(qū)形成空位，因?yàn)樵拥臒嵴駝?dòng)加強(qiáng)，有利于激

5、發(fā)原子離開(kāi)靜態(tài)平衡位置，而削弱原子的鍵合力。一般情況下，空位的平衡濃度與溫度成比例。接頭冷卻過(guò)程中，空位的平衡濃度顯然要下降，在不平衡冷卻時(shí)，空位必處于過(guò)飽和狀態(tài)，超過(guò)平衡濃度的空位則要向高溫部位發(fā)生運(yùn)動(dòng)，而熔合區(qū)本身就易于形成較多空位。在焊接過(guò)程中，熔合區(qū)的塑性形變也促使形成空位。在溫度不太高時(shí)，塑性形變量越大，越易于形成空位；而且空位往往趨向于應(yīng)力集中部位擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。因此，熔合區(qū)的高溫特性與較大的變形量導(dǎo)致其附近將是空位密度最大的部位。這種空位的聚合可能是熔合區(qū)延遲斷裂的原因之一。4、力學(xué)不均勻性?shī)W氏體/鐵素體接頭熔合區(qū)硬度分布在焊接熔合區(qū)，其力學(xué)不均勻性主要表現(xiàn)在硬度分布不均勻并具有較高的

6、殘余應(yīng)力。這種力學(xué)不均勻性導(dǎo)致了熔合區(qū)的力學(xué)性能可能要弱于母材或者焊縫，是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)之一。熔合區(qū)與焊縫及熱影響區(qū)的熱膨脹系數(shù)、屈服強(qiáng)度和彈性模量不同導(dǎo)致較大的殘余應(yīng)力。5.2 非對(duì)流混合區(qū)5.2.1 非對(duì)流混合區(qū)的形貌特征在異種金屬熔化焊接過(guò)程中，常常在熔池的邊界出現(xiàn)與母材成分大體相同而與熔池金屬成分不同的熔化過(guò)渡區(qū)，被稱為“非對(duì)流混合區(qū)”。填充310不銹鋼焊接304L不銹鋼的非對(duì)流混合區(qū)域非對(duì)流混合區(qū)半島狀形貌a)與成分分布b)非對(duì)流混合區(qū)的邊界并不是光滑的曲線，實(shí)際上存在著非對(duì)流混合區(qū)的金屬向焊縫內(nèi)部楔入的現(xiàn)象，呈半島狀5.2.2非對(duì)流混合區(qū)的形成機(jī)理非對(duì)流混合區(qū)形成示意圖實(shí)際上，

7、利用流體力學(xué)中流動(dòng)邊界層的理論可以很好的解釋非對(duì)流混合區(qū)的行為。流動(dòng)邊界層，是指貼近固壁附近的一部分流動(dòng)區(qū)域，在這部分區(qū)域中，沿著固壁面切向速度由固壁處的0速度發(fā)展到接近來(lái)流的速度，一般定義為在邊界處的流速達(dá)到來(lái)流流速的99%。邊界層的厚度：其中 為流體的密度，kg/m3; 為流體動(dòng)態(tài)粘度，Pa.s; 為運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s； X 為到固/液界面的距離，m； 是到固/液界面一定距離后的均勻流速，m/s。5.2.3非對(duì)流混合區(qū)的控制措施在適當(dāng)?shù)难趸h(huán)境中，當(dāng)焊縫金屬比基體金屬惰性能大時(shí)，非對(duì)流混合區(qū)是焊接接頭中腐蝕速度最快的區(qū)域；為了使超級(jí)不銹鋼在腐蝕環(huán)境中應(yīng)用，一般會(huì)在其中加入6%的Mo以提高其

8、抗點(diǎn)蝕的能力。但是，由于偏析的影響將導(dǎo)致在非對(duì)流混合區(qū)極端貧鉬，非對(duì)流混合區(qū)的耐腐蝕性急劇下降；304不銹鋼與310不銹鋼采用312型填充材料焊接時(shí)，在非對(duì)流混合區(qū)還有較強(qiáng)的應(yīng)力腐蝕敏感性。非對(duì)流混合區(qū)對(duì)接頭性能的影響：1、填充材料與母材匹配焊絲與母材的匹配對(duì)非對(duì)流混合區(qū)的影響14a）316焊絲與316LN不銹鋼母材，b）316焊絲與800合金母材c）鎳182焊絲與316LN不銹鋼母材2、外加震動(dòng)場(chǎng)外加超聲場(chǎng)對(duì)未混區(qū)的影響16a）未加超聲場(chǎng)，b）添加超聲場(chǎng)電磁場(chǎng)震蕩電壓對(duì)非對(duì)流混合區(qū)的影響17a）0V，b）3V，c）12V，d）24V3、熔焊方法和焊接參數(shù)的影響焊接方法對(duì)非對(duì)流混合區(qū)平均寬度的影響5.3 熔合線5.3.1熔合線的本質(zhì)在焊接過(guò)程中，熔化的熔池金屬（冷卻后凝固）與固態(tài)母材金屬之間的分界線被稱為熔合線。如果存在部分熔化區(qū)時(shí)，熔合線則為熔化金屬與部分熔化區(qū)的界線。熔合線指的是焊接過(guò)程中固/液界面的最終形態(tài)。熔合線在熔池階段為數(shù)排原子組成的狹窄區(qū)域，并非一條純粹的幾何線；熔合線不等同于熔合區(qū)或半熔化區(qū)，不是一個(gè)特征區(qū)5.3.2熔合線的特征從宏觀上，一般用肉眼或低倍就能清晰地看到熔合線。對(duì)同種金屬接頭，由于焊縫和母材金屬側(cè)組織相同或相近，尤其是發(fā)生固態(tài)相變后，或多或少地打亂了凝固組織的方向性，熔合線難以判斷。當(dāng)焊縫金屬成分與母材差別較大特別是異種金屬接頭中，由于