第一章 熔化焊连接原理1.3上

第一章熔化焊连接原理1.1熔化焊热过程及接头形成1.2熔化焊接化学冶金1.3熔化焊接头的组织和性能1.4焊接冶金缺陷1.3熔化焊接头的组织与性能焊缝金属的组织焊缝金属性能的控制焊接热影响区的组织焊接热影响区的性能焊接热模拟技术获得良好接头的条件:合适的热源,良好的熔池保护,焊缝填充金属焊接热过程,焊接化学冶金,焊接物理冶金1.3熔化焊接头的组织与性能焊缝中的气孔和夹杂裂纹焊缝金属性能的控制焊接热影响区的组织性能熔池凝固和焊缝固态相变1.3熔化焊接头的组织与性能•焊接接头主要由焊缝和热影响区构成，其间窄的过渡区称为熔合区。•焊缝与母材相比①两种以上金属高温混合，化学冶金反应②HAZ没有化学成分变化，焊接热循环，短时高温热处理③化学冶金反应不均匀，成分不均匀，偏析④热效应的不均匀，组织梯度一、焊缝金属的组织1.3熔化焊接头的组织与性能1——焊缝区（熔化区）2——熔合区（半熔化区）3——热影响区4——母材1.3熔化焊接头的组织与性能1.3熔化焊接头的组织与性能1、焊缝金属的结晶一、焊缝金属的凝固条件和特点①熔池体积小，加热温度高，冷却速度大②熔池中的液态金属处于过热状态，温度不均匀③熔池在运动状态下结晶④熔池存在时间短,成分不均匀加热熔化—结晶—固态相变气孔、夹杂、偏析裂纹1.3熔化焊接头的组织与性能1.3熔化焊接头的组织与性能2、焊缝金属的凝固组织焊接时，熔池金属的结晶与一般炼钢时钢锭的结晶一样，也是在过冷的液体金属中，形成晶核和晶核长大的结晶过程。生核热力学条件是过冷度而造成的自由能降低；生核的动力学条件是自由能降低的程度。1.3熔化焊接头的组织与性能（1）生核熔池中晶核的生成分为：1)自发晶核2)非自发形核形成两种晶核都需要能量焊接熔池：非常过热焊接时存在两种非自发晶核质点，一种是合金元素质点，另一种是焊接熔池边界现成表面，熔池边界半熔化的母材晶粒表面为新相晶核的“基底”。1.3熔化焊接头的组织与性能焊缝金属与联接处母材具有共同的晶粒，即熔池金属的结晶是从熔合区母材的半熔化晶粒上开始向焊缝中心成长的。这种结晶形式称为交互结晶或联生结晶。1.3熔化焊接头的组织与性能（2）成长熔合区附近母材晶粒作为现成表面向焊缝中心生长原子由液相不断地向固相转移，晶核的成长是通过二维成核方式长大，但并不是齐步前进，长大趋势不同，有的一直向焊缝中部发展；有的长大很短距离就被抑制停止长大。选择长大当晶体最易长大方向与散热最快方向相一致，最有利长大晶核的成长是一个原子从液相中吸收原子集团来进行的，并连续不断地吸附在晶体表面的小台阶处而迅速长大。1.3熔化焊接头的组织与性能焊接熔池边界正是固液相的相界面，熔池边界的部分熔化的母材晶粒表面完全可能成为新相晶核的“基底”，非均匀生核，焊缝金属呈柱状晶形式与母材相联系，好似母材晶粒外延长大。这种依附于母材晶粒现成表面而形成共同晶粒的凝固方式，称为外延结晶或联生结晶。1.3熔化焊接头的组织与性能（3）焊接工艺对一次组织结构的影响VR=VSCOSαVR熔池结晶速度VS焊接速度熔池结晶线速度1.3熔化焊接头的组织与性能1）晶粒成长的平均线速度是变化的晶粒成长方向和线速度是变化的，在熔合线处最小，在焊道中心处最大，为焊速。2）焊接规范的影响当焊速大时，则θ越大，晶粒主轴的成长方向垂直于焊缝中心线，称为定向晶。当焊速小时，晶粒主轴的成长方向弯曲，形成偏向晶。1.3熔化焊接头的组织与性能1.3熔化焊接头的组织与性能（3）焊缝的凝固组织形态1）纯金属的结晶形态①G0时G------温度梯度（正的温度梯度）液相温度高于固相，过冷度小，结晶缓慢，形成平面晶。②G0液体内部温度比界面低，过冷度大，晶粒成长速度大，形成树枝晶1.3熔化焊接头的组织与性能a)G0时的温度分布b)G0时的温度分布c)G0时的界面结晶形态d)G0时的界面结晶形态1.3熔化焊接头的组织与性能2）固溶体合金的结晶形态在任意T，溶质B在液态A时的浓度为CL，在固态A中浓度为CS，平衡分配系数金属结晶，温度过冷，合金的结晶形态除了温度过冷，还存在成分起伏造成成分过冷，由于过冷度不同形成不同的结晶形态。当液相的实际温度低于理论结晶温度T，出现成分过冷只要熔体某处的实际温度T(x)低于同一地点的液相线温度TL(x)，也能在界面前方熔体中获得过冷。LSCCK01.3熔化焊接头的组织与性能3)浓度过冷对结晶形态的影响①平面结晶产生条件：过冷度＝0，无成分过冷特征：平面晶（G正温度梯度很大时）平面结晶形态发生在结晶前沿没有浓度过冷的情况下。只有通过固相不断散热而使界面前沿熔体温度进一步降低，晶体才能得以生长，而界面本身则始终处于(T0-ΔTk)的等温状态下。这种界面生长方式称为平面生长（planargrowth）。生长中，每个晶体逆着热流平行向内伸展成一个个柱状晶，1.3熔化焊接头的组织与性能1.3熔化焊接头的组织与性能②胞状结晶产生条件：过冷度很小。特征：断面六角形，细胞或蜂窝状。1.3熔化焊接头的组织与性能③胞状树枝结晶产生条件：过冷度稍大。特征：主干四周伸出短小二次横枝，纵向树枝晶断面胞状。1.3熔化焊接头的组织与性能④树枝状结晶产生条件：过冷度较大。特征：主枝长，主枝向四周伸出二次横枝，并能得到很好的生长。1.3熔化焊接头的组织与性能⑤等轴晶产生条件：过冷度大。特征：结晶前沿长出粗大树枝晶，液相内，可自发生核，形成自由长大的等轴树枝晶。1.3熔化焊接头的组织与性能（4）焊接条件下的凝固形态焊缝成分对结晶形态有影响，还与焊接规范参数有关。熔池中成分过冷的分布在焊缝的不同部位是不同的，将会出现不同的结晶形态。1.3熔化焊接头的组织与性能1、溶质浓度影响纯AL99.99%焊缝熔合线附近为平面晶，中心为胞状晶。若纯AL99.6%，焊缝出现胞状晶，中心为等轴晶2、焊接速度的影响V↑，熔池中心的温度梯度下降很多，熔池中心的成分过冷很大，中心往往出现等轴晶。V小，熔合线附近出现胞状树枝晶。中心出现较细的胞状树枝晶1.3熔化焊接头的组织与性能3、电流的影响I小，胞状晶,I较大，胞状树枝晶I大，粗大树枝晶1.3熔化焊接头的组织与性能1.3熔化焊接头的组织与性能1.3熔化焊接头的组织与性能3、焊缝金属的化学不均匀性（1）焊缝中的化学不均匀性焊接熔池一次结晶过程中，由于冷却速度快，已凝固的焊缝金属中化学成分来不及扩散，造成分布不均，产生偏析。1）显微偏析：→枝晶偏析晶轴上含有熔点较高的成分，熔点较低的成分则集中在枝晶枝干与枝干间的孔隙以及柱状枝晶的晶粒边界，称枝晶偏析。指晶粒边界或一个晶粒内部亚晶界或树枝状晶的晶枝之间的偏析1.3熔化焊接头的组织与性能晶轴上溶质含量低，溶质集中在枝晶枝干与枝干间的孔隙以及柱状枝晶的晶粒边界枝晶偏析1.3熔化焊接头的组织与性能2）宏观偏析指焊缝边缘到焊缝中心，宏观上的成分不均匀性，焊缝金属以柱状晶长大和推移，把杂质“赶”向熔池中心，中心杂质浓度逐渐升高，使最后凝固的部位发生较严重的偏析.①焊缝中心偏析1.3熔化焊接头的组织与性能•焊缝的断面形状对区域偏析的分布影响很大。•窄而深的焊缝，各柱状晶的交界在其焊缝的中心，因此焊缝中心聚集有较多的杂质，这种焊缝在其中心部位极易产生热裂纹。•宽而浅的焊缝，杂质则聚集在焊缝的上部，这种焊缝具有较高的抗热裂能力。•焊缝末端的弧坑，最后凝固积累较多杂质，弧坑裂纹1.3熔化焊接头的组织与性能②层状偏析由于化学成分分布不均匀引起分层现象。焊缝横断面经浸蚀之后，可以看到颜色深浅不同的分层结构形态称为结晶层。1）特征（1）晶粒主轴与层状线垂直,越靠近熔合线处越清晰，远离熔合线不清晰，线距越宽(2)层状线与熔合线轮廓相似，但层与层的间距并不相等。(3)层状线的存在，一般与溶质(特别是硫)的不均匀分布有重要关系。可将每一个结晶层大体分为三个小区域：溶质富集区、平均含量区、溶质贫化区。（4）层状线不是连续的，是间断的链状偏析带。1.3熔化焊接头的组织与性能危害：层状偏析不仅造成焊缝力学性能不均匀性，还可沿层状线形成裂纹或气孔。耐腐蚀和断裂韧性降低。产生原因：R变化①快速凝固时析出潜热及熔滴过渡带来的附加热脉冲作用等，是促使成长速度R发生变化以及凝固过程发生瞬间停顿的主要原因。②枝晶前沿的温度梯度G较大时，结晶潜热或其他附加热作用容易使柱晶前沿的温度急剧增高，而易于促使凝固过程停顿。③结晶界面上溶质原子或杂质浓聚程度周期性变化。1.3熔化焊接头的组织与性能（2）熔合区的化学不均匀性1）熔合区的形成热传播不均匀尽管焊接规范稳定，但由于熔滴周期过渡造成热传播不稳定晶粒的传热方向不同由以上原因可知，熔合区不可能是一个线，而是一个区域，具有一定的宽度1.3熔化焊接头的组织与性能熔合线（焊缝轮廓线）——不规则的锯齿形1.3.5晶粒取向有利于导热1.3熔化焊接头的组织与性能本节结束2-未混合区1.3熔化焊接头的组织与性能2）熔合区的成分分布①化学不均匀性对于一般钢铁材料而言，合金元素或杂质在液相中的溶解度大于固相中的溶解度.堆积在固液前沿的液相中，溶质浓度突变，来不及扩散到液相中心熔合区是液固两相共存的区域.实线：固液共存虚线：熔池完全凝固后1.3熔化焊接头的组织与性能凝固过渡层的形成由于凝固过程中母材与焊条熔敷金属未能很好混合而形成未混合区(或不完全混合区)，焊后可以立即发现。这是一种表现化学不均匀性的过渡层，由于与凝固过程有关，称为“凝固过渡层”。1.3熔化焊接头的组织与性能碳迁移过渡层的形成是α类钢(体心立方的珠光体钢)与γ类钢(面心立方的奥氏体钢)焊接时出现的一种熔合区碳迁移现象。碳在α—Fe中的扩散活动能力比在γ—Fe中大得多1.3熔化焊接头的组织与性能②物理不均匀性近缝区,半熔化区在不平衡加热时,出现空位、位错、残余应力.空位的平衡浓度与温度成比例。接头冷却过程中，空位的平衡浓度显然要下降，在不平衡冷却时，空位必处于过饱和状态，超过平衡浓度的空位则要向高温部位发生运动，而半熔化区本身就易于形成较多空位，因此，熔合线附近将是空位密度最大的部位。这种空位的聚合可能是熔合区延迟断裂的原因之一。1.3熔化焊接头的组织与性能存在化学不均匀性，物理性质(导热系数和膨胀系数)的不均匀性，力学(屈服强度和弹性模量)的不均匀性，都在熔合区引起较大的残余应力。残余应力的形成熔合区存在严重的化学和物理不均匀,成为焊接接头薄弱环节。1.3熔化焊接头的组织与性能（3）合金元素对焊缝成分不均匀性的影响•元素的偏析程度用偏析系数来表示•硫和磷是极易偏析的元素，镍不存在偏析•碳在焊缝树枝晶间存在很大偏析。•含碳量高，其他合金元素偏析程度明显提高，对锰和钼影响最大。1.3熔化焊接头的组织与性能4、焊缝固态相变•一次组织：焊接熔池由液态凝固后首先所得到的组织•焊缝金属二次结晶组织：一次结晶组织随后冷却到室温，焊缝将发生组织转变，在室温下所获的的组织；固态相变•低碳钢固态相变组织铁素体+少量珠光体•低碳钢焊缝再次加热后，（多层焊或焊后热处理）破坏粗大柱状晶，•900℃以下,柱状组织破坏，晶粒细化；1100,晶粒粗化,•500-600℃碳,氮发生时效,冲击韧度降低.1.3熔化焊接头的组织与性能低碳合金钢1.3熔化焊接头的组织与性能铁素体转变焊缝中铁素体的类型（1）(先析铁素体PF)从过冷奥氏体高温首先析出且转变机制是扩散型的铁素体1）晶界铁素体是沿原奥氏体晶界析出的铁素体。转变温度：约770～680℃，(数量少)沿晶界呈长条状扩展，(数量较多)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，位错密度较低。1.3熔化焊接头的组织与性能2）侧板条铁素体魏氏组织铁素体（FSP）生成于700～550℃在奥氏体晶界的先析铁素体侧面以板条状向晶内生长。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，形态上有些象层状铁素体。魏氏组织特征：铁素体在原奥氏体晶界上网状析出；或在原奥氏体晶粒内部沿一定方向析出的呈长短不一的针状或片条状脆性组织。1.3熔化焊接头的组织与性能1.