第一章 熔化焊连接原理1.3下

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一．焊缝金属的组织二．焊缝金属性能的控制三．焊接热影响区的组织四．焊接热影响区的性能五．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热影响区组织和性能低碳钢→→焊缝高强钢、不锈钢、耐热钢铝合金、钛合金、镍基合金→→热影响区(非均匀的连续体)复合材料、陶瓷1.3熔化焊接头的组织与性能重点内容:1)快速加热,连续冷却的金属组织转变特点2)CCT图的应用3)热影响区的划分方法4)不易淬火钢及淬火钢的焊接热影响区分布和组织转变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造成HAZ组织性能不均匀的根本原因是各部位所经历的热循环不同1.3熔化焊接头的组织与性能焊接热影响区的组织转变焊接热循环的主要参数1.加热速度(WH)2.加热的最高温度(Tm)3.在相变温度以上的停留时间(tH)4.冷却速度(Wc)或冷却时间焊接热循环:在焊接热流作用时,焊件上某一点P的温度随时间的变化过程叫作焊接热循环.1.3熔化焊接头的组织与性能（一）焊接过程的特点1.加热温度高:一般热处理加热温度Ac3以上100~200℃;远超过Ac3，熔合线附近1350~1400℃2.加热速度快:热源强烈集中，是热处理加热速度的几十倍甚至几百倍3.高温停留时间短:手工焊以上停留时间最大20秒,埋弧自动焊时20~100秒。1.3熔化焊接头的组织与性能4.自然冷却:热处理可控制冷却速度或在冷却过程中不同阶段进行保温；焊接时,自然条件下冷却,冷却速度快。5.各点的温度随时间及热源的位置而变化:热处理时,工件是在炉中整体加热；焊接时,局部集中加热,随热源的移动,局部加热的范围也移动.6.在应力状态下进行组织转变:组织转变是在复杂应力下完成。特殊的热循环——局部加热，升温快，冷却快，扩散难分布极不均匀的温度场——热影响区组织性能极不均匀1.3熔化焊接头的组织与性能（二）快速加热的金属组织转变特点１.加热速度对相变点的影响焊接时的加热速度很快,相变点Ac1和Ac3提高，之间间隔越大。扩散型相变——形核、长大、均匀化，来不及完成孕育，都移向更高的温度范围孕育期缩短，转变时间缩短,奥氏体初始晶粒度小（Ac3以上不太高的范围）1.3熔化焊接头的组织与性能２.加热速度对Ａ均质化影响加速速度快和相变以上停留时间短，不利于扩散均匀，均质化的程度很差３.近缝区的晶粒长大近缝区由于强烈过热（1100℃）,使晶粒发生严重长大,影响焊接接头塑性,韧性,产生热裂纹,冷裂纹.1.3熔化焊接头的组织与性能（三）连续冷却时的金属组织转变特点根据焊接热循环的特点建立焊接条件下的组织转变理论。研究焊接热影响区的熔合线附近的情况,这一区域是焊接接头的薄弱地带。以45钢、40Cr为例,比较焊接条件下和热处理条件下,在相同的冷却速度下组织转变的差异.不平衡的热力学过程，V增加，各相变点和温度线均向下偏移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1.CCT图的建立：采用焊接热模拟试验装置来建立某种钢的CCT图.2.意义:可预先估计HAZ的组织性能,或作为制定工艺,选择焊接线能量、选择预热温度的依据.3.CCT图的应用:通过CCT图可得到在不同的冷却速度下的组织,即估计组织.连续冷却组织转变图的应用1.3熔化焊接头的组织与性能16Mn钢的CCT图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影响CCT图的因素有(一)母材化学成分根本决定CCT曲线的形状(二)冷却速度碳化物或氮化物并未溶解于A中，快冷会降低奥氏体的稳定性，使奥氏体提前转变，M片增多(三)峰值温度使过冷A的稳定性加大，也促使A晶粒粗化(四)晶粒粗化近缝区由于强烈地过热而使晶粒发生严重的长大，产生裂纹(五)应力应变应力和应变会增加A的内能，加速扩散过程1.3熔化焊接头的组织与性能二、焊接热影响区的组织分布TmaxAc1发生α→γ相变；Ac3相变转变终了；Ac3+300℃晶粒长大焊接结构钢根据热处理特性不同分为两类:淬火钢,不易淬火钢1.不易淬火钢:低碳钢,某些不易淬硬的低合金钢,16Mn.15MoV.15MnTi2.淬火钢:淬硬倾向很大的钢种：低碳调质钢，中碳调质高强钢,18MnMoNb.45.30CrMnSi1.3熔化焊接头的组织与性能（一）不易淬火钢的热影响区的组织分布1)熔合区（半熔化区）宏观上不规则的锯齿状曲线，三维薄层.化学不均匀性,溶合区是产生裂纹、脆性破坏的发源地。2)过热区(固相线以下到1100℃)晶粒严重粗化3)相变重结晶区(AC3以上)正火区4)不完全重结晶区(AC1-AC3之间)没有相变的F晶粒高温下粗大；晶粒大小不一，组织不均匀1.3熔化焊接头的组织与性能对于低碳钢,一些淬硬倾向不大的钢(16Mn.15MnTi等)除过热区外其它各区组织基本相同.低碳钢过热区主要是魏氏组织W决定于母材的化学成分，还受板厚、接头形式、焊接规范的影响。1.3熔化焊接头的组织与性能16Mn钢焊接热影响区焊缝金属母材熔合区过热区不完全重结晶区1.3熔化焊接头的组织与性能（二）易淬火钢的热影响区组织1)完全淬火区Ac3以上，容易得到马氏体2)不完全淬火区Ac1和Ac3之间，F+M混合组织3)Ac1以下的区域•焊前正火或退火态保持原始组织•焊前淬火态，回火处理，瞬时高温回火•焊前处于调质状态,温度高于调质温度的,发生回火软化.组织性能变化取决于焊前调质状态的温度.热影响区的组织分布与母材焊前热处理有关1.3熔化焊接头的组织与性能注意问题HAZ组织分布是不均匀的1)熔合区,过热区晶粒严重长大,是焊接接头的薄弱地带.2)低碳钢的不完全重结晶区,急冷急热时,表现高碳钢的行为.3)成分偏析严重,C.P.S高时易产生淬硬组织、裂纹.1.3熔化焊接头的组织与性能焊接热影响区的性能(一)HAZ的硬化硬度主要取决于被焊钢材的化学成分和冷却条件，其实质是反映了不同的金相组织和性能。用硬度的变化来判定热影响区的性能变化,硬度高的区域,强度也高,塑性.韧性下降,测定热影响区的硬度分布可以间接来估计热影响区的强度、塑性和裂纹倾向1.3熔化焊接头的组织与性能影响硬度的因素•碳当量•是反映钢中化学成分对硬化程度的影响，是把钢中合金元素按对淬硬的影响程度折合成碳的相当含量。•碳当量和热影响区的最高硬度值的关系联系起来，间接判断母材的焊接性。1.3熔化焊接头的组织与性能1)碳当量（CarbonEquivalent)碳0.18%的钢种国际焊接学会（中等强度的非调质低合金钢）5156)(VMoCrNiCuMnCCEIIW144540246)(VMoCrNiSiMnCCeqWES近年来常用的公式BNbVMoCrNiCUMnSiCACCEN5520151624)(日本焊接学会（强度级别高的低合金高强钢）1.3熔化焊接头的组织与性能2)碳当量及冷却时间t8/5与HAZ最高硬度Hmax的关系1.3熔化焊接头的组织与性能熔合线附近的硬度最高，远离熔合线，硬度迅速降低至接近母材的硬度水平，说明该钢焊后热影响区出现了硬化。1.3熔化焊接头的组织与性能3）焊接HAZ最高硬度的计算公式国产钢硬度计算公式287y)-t8/5lg(exp1884HmaxaKKCHmax(HV10)=140+1089Pcm–8.2t8/5287y)-t8/5lg(exp1884HmaxaKKCHmax(HV10)=140+1089Pcm–8.2t8/51.3熔化焊接头的组织与性能(二)焊接热影响区的脆化1)粗晶脆化产生原因:处在焊缝与母材的过渡地带,组织状态、化学成分的不均匀性。合金因素→C化物、N化物，不易产生焊接结构使用过程中产生失效不易淬火钢,主要是A晶粒长大,形成粗大魏氏组织(W)，∴小的热输入易淬火钢,产生脆硬的孪晶M.∴大的热输入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)组织脆化焊后热影响区出现的脆性组织现象M-A组元脆化低碳低合金高强钢,A’增碳后易形成孪晶M3）HAZ的热应变时效脆化加工引起的局部应变、塑性变形对接头性能的影响，特别是断裂韧性显微裂纹容易扩展为宏观裂纹，钢材在脆性温度区间进行塑形变形时，其强度和硬度随时间增加，塑形韧性继续下降导致时效脆化。1.3熔化焊接头的组织与性能(三)焊接热影响区的韧化1、控制组织2、焊后热处理1.3熔化焊接头的组织与性能（四）调质钢焊接HAZ的软化1、调质钢焊接时HAZ的软化，不可避免焊前退火，焊后无软化调质处理，软化程度较低淬火+低温回火，软化程度最大，失强率最大。焊后强度硬度低于焊前母材，出现在焊前冷作硬化或热处理的金属或合金中软化的部位在回火区，加热温度t回~Ac1软化区的宽度，通常热源越集中，热输入越小，软化区越窄。1.3熔化焊接头的组织与性能2、热处理强化合金焊接HAZ的软化过时效软化1.3熔化焊接头的组织与性能（五）焊接HAZ力学性能对HAZ力学性能的研究主要是从两方面进行：研究HAZ不同部位的力学性能专门研究熔合区附近的性能.对于淬硬倾向不大的钢种(如16Mn钢)采用焊接热模拟技术，HAZ不同部位常规力学性能如下图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小结•由于快速不均匀加热和冷却引起热影响区组织性能的变化•HAZ的组织主要由焊接热循环所决定。由于HAZ中各点经历的焊接热循环不同，使得整个热影响区的组织是极不均匀的。•HAZ的组织控制比焊缝要困难的多。•HAZ的脆化往往是导致焊接裂纹或接头性能下降的重要原因。•粗晶脆化和M-A组元脆化是低合金高强钢近缝区脆化的主要形式.1.3熔化焊接头的组织与性能小结•硬化现象是低合金高强钢近缝区表现的又一特征。•决定HAZ硬度的主要因素是钢种的碳当量和冷却条件。•常用热影响区的最高硬度Hmax来评定钢种的焊接性，通过它可以间接预测HAZ的韧性、脆性、抗裂性。1.3熔化焊接头的组织与性能思考题1、焊接热循环对被焊金属近缝区的组织、性能有何影响？2、低合金钢焊接时，HAZ粗晶区奥氏体的均质化程度对冷却时相变有何影响？3、探讨低合金钢焊接HAZ受应力应变时对相变的影响4、焊接条件下组织转变与热处理条件下组织转变有何不同？1.3熔化焊接头的组织与性能5、建立低合金钢HAZ最大硬度计算公式有可意义？6、何谓HAZ的热应变时脆性？在焊接工艺上如何防止？7.如何提高焊接HAZ的韧化？在焊接工艺上如何防止？8.何谓“组织遗传”？受哪些因素影响？如何改善？9.中碳调质钢焊接HAZ软化的机制？应如何改善和控制？1.3熔化焊接头的组织与性能本节结束谢谢观看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