焊接冶金原理课件：5焊接熔合区2

材料焊接冶金原理与工艺主讲：陈树海E-mail:[e-mail]电话：[phone]第5章焊接熔合区5.1熔合区的特征5.2非对流混合区5.3熔合线5.4部分熔化区5.4部分熔化区在某些材料过程的焊接过程中，在接近熔合线附近的母材可能发生部分熔化，形成部分熔化区（或半熔化区）。5.4.1部分熔化区的特征填充4145焊丝的熔化极气体保护焊接6061铝合金形成的部分熔化区组织形貌部分熔化区峰值温度的边界大致与母材的液相线温度TL和固相线温度Ts相对应。因此部分熔化区的大小取决于材料的固/液温度范围、被焊材料本身的物理性质和组织状态。一般情况下，部分熔化区的宽度可以由下式估计：LsTTATY式中A—部分熔化区的宽度（mm）—温度梯度（℃/mm）/TY实例：对于碳钢、低合金钢附近的温度梯度约为300~80℃/mm，固/液相线的温度差约为40℃。部分熔化区的宽度为：400.133~0.50(mm)300~80A5.4.1部分熔化区液化机理部分熔化区液化机理示意图四种液化机制：共晶组织直接液化；析出相与基体反应液化；基体直接液化；晶界偏析液化。1、共晶组织直接熔化机制成分为w2的合金（例如铸态2219铝合金）为典型的亚共晶合金，其合金的铸态组织为α+（α+AxBy）共晶。在焊接过程中，如果在接近熔合线的母材区的温度在TETTL2范围时，这些共晶组织开始熔化，形成部分熔化区。部分熔化区液化机理示意图成分为w1的合金在离异共晶的条件下可能存在着残余的α+AxBy共晶组织，例如Al-4.5Cu铸造铝合金。焊接过程加热速度快，当温度加热到固相线TV以上时，由于固相扩散需要一定的时间，很快的加热速度使得共晶组织来不及完全溶解到基体α相中。当合金进一步被加热到共晶温度TE时，残余共晶组织熔化，形成共晶液相。部分熔化区液化机理示意图AZ91D镁合金电弧焊接部分熔化区组织2、AxBy与基体的共晶反应机制在合金中孤立的AxBy粒子也可以与基体发生共晶反应出现液化。成为C2的合金（例如2219铝合金），在焊接过程中达到共晶温度TE时，将发生共晶反应：α+AxBy→α，液化开始。在共晶温度TE以上时，部分熔化区内液化程度更大。成分为C1的合金，通过时效处理的方法可以获得α+AxBy组织，在焊接的过程中快速加热到固相线TV以上时，仍有可能存在着残余的AxBy相。当合金进一步被加热到共晶温度TE时，残余的AxBy相将与周围的基体α相在界面处发生反应形成成分为CE的共晶液相。在升温速度很快的条件下，即使在远低于该成分的平衡固相线温度TS1时，也可能出现局部液化现象，这种液化现象通常又称为组分液化。加热速度不能太快也不能太慢才能出现组分液化。AxBy与基体的共晶反应机制示意图738镍基高温合金焊接部分熔化区组分液化组织形貌2219铝合金电弧焊部分熔化区微观组织有时，共晶组织直接液化机制与AxBy与基体的共晶反应机制会出现在同一个接头的部分熔化区。3、基体直接熔化机制在焊接过程中，如果接近于熔合线的母材区域的峰值温度直接加热到固/液两相区，也可以发生基体的直接熔化。对于成分为C1的合金组织中可以既不包含AxBy颗粒也不包含α+AxBy共晶，例如焊前经固溶处理的Al-4.5Cu铝合金。当温度达到固相线TS1时，α基体将开始发生部分熔化。基体直接熔化机制微观组织，图b）为在a）中的局部放大4、晶界偏析液化对于奥氏体不锈钢和双相不锈钢等金属，某些能够降低熔点的合金元素或杂质元素在晶界处偏析，降低了熔点从而导致晶界液化。特点：晶界偏析在先，而晶界液化在后。其他机制均为先发生晶界液化，然后再液相凝固过程中出现偏析。机制：晶界扫荡机制熔化区管道扩散理论1、液化金属凝固的方向性5.4.2部分熔化区微观组织特征液化金属定向凝固示意图，时间顺序依次为a)，b)，c)在焊接局部热源的作用下，距离热源越远，温度越低。在冷却过程中，液化金属的凝固总是从远离焊缝的一侧向接近焊缝一侧凝固，从而形成了液化金属的凝固方向总是指向焊缝金属。2、晶界偏析晶界偏析示意图，a)组织示意图，b)在图a)中沿线段AB的溶质浓度分布液化金属定向凝固的过程中，如果平衡分配系数k1，则溶质原子被固相排斥到液相中。晶界液相首先凝固为贫溶质的α相，最终当液相成分达到CE时凝固为富溶质的共晶相，形成明显的偏析组织。2219铝合金焊缝部分熔化区的晶界偏析，(a)显微照片，(b)浓度分布熔化极气体保护焊焊接2219、2024、6061及7075铝合金时，焊缝中能够观察到合金元素的严重晶界偏析4、晶界凝固模式2219铝合金部分熔化区晶界液相凝固模式一般情况下，沿着共晶晶界生长的带状α相主要是平面凝固模式生长，而非树枝凝固或者包晶凝固模式。但是在某些条件下，包状晶凝固也时有发生。这些胞状α带具有两个共同特点：一是通常位于接近熔池的底部；二是他们明显比临近的平面状α带更厚。5.4.3部分熔化区对接头性能的影响1、液化裂纹部分熔化区中的液化裂纹a)电弧AA4043铝合金，b)激光焊接IN738LC镍基高温合金2、强度与韧性损伤垂直于轧制方向上2219铝合金熔化极气体保护焊抗拉测试结果部分熔化区的液化成份在凝固过程中会发生严重的偏析，导致弱化的部分熔化区组织是由软的贫溶质相与脆而硬的共晶相相互毗邻而组成的混合组织。在拉伸载荷的作用下，贫溶质相由于固溶强化水平的降低，在很小的变形抗力下发生屈服，而共晶相则发生了严重的脆性断裂