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1、1.7熔化焊接头的组织与性能,1.7.1 焊缝金属的组织与性能1.7.2 焊接热影响区的组织与性能,1.7.1 焊缝金属的组织与性能,一、熔池凝固二、焊缝固态相变三、焊缝性能的控制,一、熔池凝固,1、焊接熔池凝固过程与铸造凝固过程的差别焊接熔池体积小，冷却速度高；平均100/s，约为铸造的104。冷速大温度梯度大裂纹此外柱状晶发展大，一般焊缝没有等轴晶。焊接熔池的液态金属处于过热状态熔池边界的温度梯度比铸造时高103 104倍。焊接温度高。合金元素烧损严重，非自发形核质点减少，促使柱状晶发展。熔池在运动状态下结晶结晶前沿随热源同步运动液态金属受到力的搅拌运动熔池金属存在对流运动，有利于除气和除
2、渣。化学成分不均匀,2、熔池结晶的一般规律（1）形核自发形核和非自发形核在焊接熔池中，温度达到1600，自发形核几乎不可能，非自发形核起主要作用。,一、熔池凝固,在焊接条件下，熔池中存在两种所谓现成表面：一种是合金元素或杂质的悬浮质点表面；另一种是熔合区附近加热到半熔化状态基体金属的晶体表面，非自发形核就依附在这个表面上，并以柱状晶的形态向焊缝中心成长，形成所谓交互结晶（联生结晶）。,在焊接材料中加入一定的合金元素可作为熔池非自发形核的质点，细化晶粒。,2、熔池结晶的一般规律（2）晶核长大择优生长每一种晶体点阵都存在一个最优结晶取向,对于立方点阵的金属（Fe,Ni,Cu,Al），最优结晶取向为
3、。温度梯度大的方向，也是晶粒易于生长的方向。与焊接熔池边界垂直的方向温度梯度G最大。当母材晶粒取向与导热最快的方向一致时，即垂直熔池边界时，晶粒生长最快而优先长大。,一、熔池凝固,焊缝金属柱状晶的择优生长,3、焊接工艺对一次组织结构的影响焊接熔池的外形是椭球状的曲面，即结晶的等温面，熔池的散热方向是垂直于结晶等温面，因此晶粒的生长方向也是垂直于结晶等温面。由于等温面是曲线，那么晶粒生长的主轴也是弯曲的。,一、熔池凝固,3、焊接工艺对一次组织结构的影响,一、熔池凝固,熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，成分过冷的分布不同，焊缝各部位出现不同的结晶形态：平面晶、胞状晶、树枝状晶、等轴晶。,一、熔
4、池凝固,1.焊接速度的影响 焊速大，熔池中心的温度梯度下降很多，使熔池中心的成分过冷加大，在焊缝中心出现大量的等轴晶；而低焊速，在熔合线附近出现胞状树枝晶，在焊缝中心出现较细的胞状树枝晶。2.焊接电流的影响 焊速一定，焊接电流小得到胞状组织；增加电流，得到胞状树枝晶；电流继续增大，出现粗大的胞状树枝晶。,4.焊缝金属化学成分不均匀性宏观偏析、微观偏析、熔合线偏析（1）宏观偏析层状偏析、焊缝中心偏析、焊道偏析、弧坑偏析,一、熔池凝固,4.焊缝金属化学成分不均匀性宏观偏析、微观偏析、熔合线偏析（2）微观偏析柱状晶偏析、树枝晶偏析、胞状晶偏析,一、熔池凝固,4.焊缝金属化学成分不均匀性宏观偏析、微观
5、偏析、熔合线偏析（3）熔合线偏析1）熔合区是母材与熔池的界面，熔合区及其附近微小区域的化学成分与母材和焊缝存在显著不同；2）碳的偏析3）硫磷的偏析,一、熔池凝固,二、焊缝固体相变,低碳钢焊缝的相变组织低合金钢焊缝的相变组织,1、低碳钢焊缝的相变组织,组织：F少量P，过热时产生W。,改善组织的措施：,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：A3+2030，破坏柱状晶。,3)冷却速度：冷却速度，组织细化，硬度,2、低合金钢焊缝的相变组织,铁素体珠光体贝氏体马氏体焊缝最终组织的构成,1）铁素体,先共析铁素体(GBFgrain boundary ferrite)产生
6、温度770一680；沿原奥氏体晶界析出的铁素体,呈长条状或块状多边形分布，降低焊缝的韧性。,侧板条铁素体（FSPferrite side plate）产生温度700一550；是从先共析铁素体的侧面向晶内生长的板条状铁素体，其长宽比在20：以上，使韧性显著降低。也有人称之为“无碳贝氏体”,针状铁素体（AFacicular ferrite）产生温度500附近（中等冷速）；在原奥氏体晶内以针状生长的铁素体常以某些质点为核心放射性生长。宽约2m左右，长宽比多在3:15:1的范围内，可改善焊缝的韧性。,细晶铁素体(FGFfine grain ferrite）产生温度500以下（细化晶粒的元素）；在原奥氏
7、体内形成晶粒尺寸较小的铁素体。一般有细化晶粒元素存在，在细晶之间有珠光体和碳化物析出。,1）铁素体,2）珠光体,P=F+Fe3C低合金钢在接近平衡状态下，Ac1550 间发生扩散转变的产物。,根据片层的细密程度分为：,焊接状态下属非平衡转变，得到P量少；,珠光体转变量小，冷速快，铁素体和贝氏体的转变区域增大；,若含B、Ti合金元素，P转变全部被抑制。,特点：,2）珠光体,3）贝氏体,550Ms 间发生扩散切变型相变的产物。,分类：,上贝氏体：形成温度：550450之间；呈羽毛状，韧性最差。,下贝氏体：形成温度：450Ms之间；针状，力学性能优异。,粒状贝氏体：形成温度：稍高于上贝氏体转变温度（
8、中等冷速）。M-A组元以粒状分布在块状F上所得的组织；,条状贝氏体：形成温度：稍高于上贝氏体转变温度和中等冷速。M-A组元以条状分布在块状F上所得的组织；,块状F中，富碳A在一定合金成分和冷却速度下，转变为富碳M和残余奥氏体,3）贝氏体,4）马氏体,Ms 以下温区发生切变型相变的产物。当焊缝金属含碳量偏高或合金元素较多时，在快速冷却条件下，将得到马氏体。,分类：,板条M-又称为低碳M或位错M；特征：奥氏体晶粒内形成M板条，束与束之间有一定交角。强度好，韧性高；是综合力学性能最好的M。一般低碳低合金钢焊缝中出现的M主要是低碳马氏体。,片状M：C04-又称为高碳M或孪晶M；特征：马氏体片不相互平行
9、，初始形成的M片较大，往 往贯穿A晶粒。硬度高、脆；易导致冷裂纹。对于中高碳合金钢焊接时，甚至采用奥氏体焊条。在含碳较高的焊接热影响区，在预热温度不足情况下才会出现孪晶马氏体。,4）马氏体,5）焊缝最终组织的构成,焊缝成分,冷却速度,三、焊缝性能控制,1、焊缝金属的固溶强化和变质处理2、调整焊接工艺改善焊缝的性能,1、焊缝金属的固溶强化和变质处理,硅和锰矾和铌钛和硼钼稀土,1）锰和硅的作用,最常用的合金化元素；,脱氧和提高强度（固溶强化）；,比例合适，可提高韧性改变焊缝组织形态而影响 焊缝的韧性。,2）矾和铌,Nb和V在低合金钢焊缝中可固溶，推迟冷却时奥氏体向铁素体转变，抑制焊缝中先共析铁素体
10、析出，而激发细小的AF组织。另外还可以固定焊缝中的N，提高韧性。但氮化物如以微细共格沉淀相存在则降低韧性，可通过正火处理，消除共格关系，提高韧性。,3）钛和硼,Ti 和 B同时存在可细化晶粒提高焊缝韧性。Ti：+硼、氧、氮形成小颗粒的化合物。结晶过程中非自发形核的质点细化晶粒。FeFe Fe的转变过程中，阻碍晶 粒长大，得到细小晶粒。,存在最佳的含量范围,硼：高温时可抑制AF的转变促进针状F的形成细化组织提高韧性。,4）钼的作用,低合金钢中加MoA转化温度抑制粗大的先 共析F强度和韧性。,存在最佳的含量范围。,5）稀土元素的作用,存在最佳的含量范围。,化学活性强与合金元素作用改善焊缝的组织和夹
11、杂物的形态和分布提高焊缝的韧性。,如脱氢、脱氧、脱氮；硅酸盐夹杂物成球形。,采用微量元素改善焊缝金属的组织和韧性是一项十分复杂的问题，特别是不同合金体系最佳韧化效果的合适微量元素，有时很难解释。但最终都能改善焊缝的微观组织。对于低合金钢来讲，就是增加焊缝金属中的针状铁素体，抑制先共析铁素体，这是最重要的韧化机制。,2、调整焊接工艺改善焊缝的性能,焊接工艺优化,振动结晶与锤击处理,焊后热处理,1）焊接工艺优化,工艺参数调整,控制焊接热输入得到晶粒细小的组织强度和韧性；,控制冷却速度控制固态相变过程及相变组织；,多层焊,降低热输入减少熔池的过热，改善结晶条件，细化晶粒；附加热处理作用改善组织。,2
12、）振动结晶与锤击处理,振动结晶利用机械、超声振动或电磁振动等方法，破 坏大晶粒，增大非自发形核的质点，细化组织。,锤击处理指锤击焊道，破碎晶粒，细化组织；降低残余应力，提高焊缝的韧性及疲劳性能。,3）焊后热处理,跟踪热处理每焊完一道焊缝，立即用火焰加热焊 道表面进行热处理；可改善焊缝组织，提高性能。,整体或局部热处理消除残余应力，改善焊缝和整个接头的组织和性能。,焊缝热影响区的组织与性能,1.焊接热影响区的组织转变2.焊接热影响区的组织分布3.焊接热影响区的性能,（1）焊接过程的特殊性：加热速度快 比热处理时快几十倍甚至几百倍；加热温度高 在熔合线附近温度可达13501400；高温停留时间短
13、在AC3以上保温的时间很短(一般手工电弧焊约为420s，埋弧焊时30100s)；自然条件下连续冷却，冷却速度快；加热的局部性和移动性；在应力状态下进行组织转变。,1.焊接热影响区的组织转变,（2）焊接加热过程组织转变组织转变向高温推移；A均质化程度降低，部分晶粒严重长大；,1.焊接热影响区的组织转变,1）组织转变向高温推移,焊接过程的快速加热，使各种金属的相变温度比起等温转变时大有提高。原因：F 或P A扩散重结晶需要孕育期；碳化物形成元素减慢A的进程。,2）A 均质化程度降低，部分晶粒严重长大；,高温停留时间短，不利于扩散均质化。,熔合区附近的热影响区温度高，晶粒严重长大。,（3）焊接冷却过
14、程的组织转变特点组织转变向低温推移，可形成非平衡组织；M转变临界冷速发生变化,1.焊接热影响区的组织转变,1）组织转变向低温推移，可形成非平衡组织,A条件相同时：冷却速度，各相变点和温度线均发生偏移。45钢在焊接条件下比热处理条件下的CCT曲线稍向右移，说明在相同冷却条件下，焊接时比热处理时的淬硬倾向大。40Cr的CCT曲线则向左移，即淬硬倾向小。,奥氏体铁素体或珠光体：由扩散过程控制的。,2）M转变临界冷速发生变化,晶粒粗大A稳定性淬硬倾向；,碳化物A稳定性淬硬倾向；,M转变临界温度,影响,碳化物合金元素要全部溶解在奥氏体中才能增加其稳定性，增加淬硬倾向。45钢不存在碳化物溶解过程，在焊接时
15、近逢区组织粗大，奥氏体稳定。,（4）HAZ组织的确定方法,焊接CCT曲线,Q 345钢的CCT曲线,实际上代表钢的淬硬倾向,1）影响因素a）母材成分除钴之外所有元素使曲线右移，增加淬硬倾向，并降低Ms点。b)热循环峰值温度：,峰值温度对CCT的影响,温度 A晶粒粗化 稳定性 淬硬倾向 CCT曲线右移。,（4）HAZ组织的确定方法,加热速度对CCT的影响,加热速度，高温停留时间，碳化物在A中溶解不充分，A稳定性，淬硬性，CCT曲线左移。,（4）HAZ组织的确定方法,1）影响因素c)加热速度和冷却速度：,2）CCT曲线的应用,一：预测给定工艺条件下接头的组织性能；,二：根据接头组织性能的要求制定相
16、应的焊接工艺,（4）HAZ组织的确定方法,不易淬火钢HAZ的组织分布,2、HAZ的组织分布,易淬火钢HAZ的组织分布,（1）不易淬火钢HAZ的组织分布,低碳钢和某些低合金钢,（1）不易淬火钢HAZ的组织分布,1）HAZ尺寸如下表所示：,2）不易淬火钢HAZ的构成,HAZ过热区+完全重结晶区+不完全重结晶区+再结晶区,热轧态母材,冷轧态母材,HAZ过热区+完全重结晶区+不完全重结晶区,冷轧态低碳钢HAZ的组织分布及温度区间,过热区：紧靠熔合区加热温度：11001490组织：粗大的F和P。特点：宽度为13mm，塑性和韧性下降。,完全重结晶区：紧靠着过热区加热温度：9001100组织：均匀细小的F和
17、P（近似于正火组织）特点：宽度约1.24.0mm，力学性能优于母材。,不完全重结晶区：加热温度：AC1AC3之间组织：F+P(F粗、细不均)特点：部分组织发生相变，晶粒不均匀，力学性能差。,再结晶区：冷作硬化的母材。加热温度：500Ac1组织：等轴F晶粒；特点：塑性和韧性提高，强度和硬度低于母材。,不易淬火钢焊接热影响区的组织分布,（2）易淬火钢HAZ的组织分布,HAZ完全淬火区+不完全淬火区+回火区,退火或正火态母材,调质态母材,HAZ完全淬火区+不完全淬火区,低碳调质钢、中碳钢、中碳调质钢,1）完全淬火区,温度：Ac3以上（与不易淬火钢的过热区、正火区对应）。组织：M 相当于过热区的部位粗
18、大的马氏体；相当于正火区的部位细小的马氏体。性能：硬度大，塑性、韧性较低。,（2）易淬火钢HAZ的组织分布,2）不完全淬火区,温度：Ac1Ac3 之间；（与不易淬火钢的不完全重结晶区对应）。组织：M+F（粗大）加热时，F很少溶入A冷却成粗大F；加热P、B变为A冷却成M。性能：脆性较大，韧性较低。,3）回火区（调质态母材）,温度：调质回火温度Ac1之间；,组织和性能：变化的程度决定于焊前调质的回火温度t：t，回火区，组织和性能变化。回火区经历的峰值温度，软化程度，强度,不同类型母材的热影响区的组织分布,过热区；完全重结晶区；不完全重结晶区；母材；完全淬火区；不完全淬火区；回火区,（1）焊缝热影响
19、区的硬化（2）焊缝热影响区的脆化（3）焊缝热影响区的韧化（4）焊缝热影响区的软化,3、焊接热影响区的性能,影响硬度的因素最高硬度最低硬度,（1）焊缝热影响区的硬化,1）影响硬度的因素,a)母材的淬硬倾向（内因）取决于化学成分材料淬硬倾向的评价指标 碳当量。它是把钢中合金元素（包括碳）按其对淬硬（包括冷裂、脆化等）的影响程度折合成碳的相当含量。b）HAZ的冷却速度（外因）取决于焊接规范,焊接热影响区 Hmax 与 t8/5 的关系板厚20mm，成分：C=0.12%，Mn=1.4%，Si=0.48%，Cu=0.15%,2)最高硬度,图3-33 不易淬火钢（20Mn）HAZ硬度分布,熔合线附近,图3
20、-33 易淬火调质钢的HAZ硬度分布,不易淬火钢：与母材相接处；易淬火钢（调质态）：在Ac1附近的区域；,3)最低硬度,（2）焊接热影响区的脆化,脆化:脆性或韧性;接头的一个薄弱环节,1）粗晶脆化,2）组织脆化,3）时效脆化,2.焊接热影响区的脆化,1）粗晶脆化,HAZ因晶粒粗大发生韧性降低的现象。,晶粒，晶界结构越疏松，抗冲击，韧性,化学成分-碳、氮化物形成元素-阻碍晶界 迁移-防止晶粒长大。热源和热输入-能量密度-热输入-晶粒,措施：应用热量集中的热源+较低的热输入。,影响因素：,2）组织脆化,焊接HAZ中由于出现脆硬组织而产生的脆化称之组织脆化。,片状M脆化,M-A组元,a)片状M脆化,
21、材质低碳调质钢、中碳钢、中碳调质钢；,影响因素冷却速度，片状M，脆性倾向。,预防措施,提高焊接热输入，冷却速度，但，粗晶脆化。,采用缓冷、预热。,b)M-A 组元,*形成条件,*危害,*影响因素,*预防措施,b)M-A 组元,焊接低碳低合金钢；先析出F残余A的碳浓度增高；高碳A 高碳M+残余A，即M-A组元。,*形成条件：,*危害,M-A中的M-高碳M（片状），增加脆性。,M-A：数量，脆性转变温度，HAZ脆化。,*影响因素,钢材的合金成分、合金化程度：,即：低碳低合金钢+中等冷速-M-A组元。,成分简单、合金化程度较小：A稳定性小，不形成M-A组元。,含碳量和合金成分高：片状M，不形成M-A
22、组元。,冷却速度：图3-37b,冷速较大片状M；冷速较小F和碳化物；中等冷速易形成。,*预防措施,焊后低温（250）或中温（450500）回火：M-A 分解，降低脆性；,控制焊接热输入+预热、缓冷:提高韧性，降低脆性。,3）时效脆化,指HAZ在AC1以下的一定温度范围内,碳、氮原子的聚集或析出碳、氮的化合物沉淀相,一定时间的时效,脆化,a)热应变时效脆化,原因:200-400的温度范围内热应变碳、氮原子聚集到位错的周围对位错产生钉扎和阻塞作用使材料脆化。,b)相析出时效脆化,原因：400-600的区域内，快速冷却碳、氮过饱和；经过时效，在晶界析出碳化物和氮化物的沉淀相，阻 碍位错运动导致脆化。
23、,若析出物以弥散的细颗粒分布于晶内，改善韧性。若析出物分布于晶界并聚集或以膜状分布材料脆化。,3、力学性能的分布,不易淬火钢HAZ的力学性能,易淬火钢HAZ的力学性能,不易淬火钢HAZ的力学性能,总体上力学性能分布不均。,特点：,能量集中的热源，降低焊接热输入+预热、缓冷：HAZ宽度，晶粒粗化,冷速综合力学 性能。,s min不完全重结晶区；bmax、smax过热区:min、min 过热区；冷速b、s，、,特点,措施：,易淬火钢HAZ的力学性能,图3-35 30CrMnSiA钢HAZ的强度分布,能量集中的热源，降低焊接热输入。,b变化范围大:bmax完全淬火区，bminAc1附近的回火区。,特点,措施：,
