第3章焊缝组织成份及其控制1

2.1.2.6利用粉末冶金的堆复
直接将粉末状合金混合物覆盖在待堆 焊的表面上，用电弧熔化。该方法主要 在硬质合金堆焊中采用，合金量的配合 可以任意，但不易在曲面上堆焊，成分 也难均匀控制。
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2.1.3 合金化的机理 2.1.3.1 通过焊芯 2.1.3.2通过药皮
通过药皮合金化时，合金元素的过渡主要是 在熔化金属与液态熔渣界面上进行的。药皮熔 化时，合金剂来不及完全熔化，合金剂的颗粒 以悬浮状态存在于液态熔渣中，部分被熔渣的 对流运动带到熔渣与金属的界面上被液态金属 表面层所溶解，然后再由表面扩散或对流到金 属的内部，并逐步使成分均匀化，最终实现焊 缝金属的合金化。
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(3)合金剂的颗粒度 焊条药皮中常用的合金剂一般为100％过40目，对 不易氧化的合金，颗粒度影响较小，反之则大。
粉体颗粒大小称颗粒粒度。由于颗粒形状很复杂，通常有筛分粒度、沉降粒度、 等效体积粒度、等效表面积粒度等几种表示方法。筛分粒度就是颗粒可以通过筛 网的筛孔尺寸，以1英寸（25.4mm）宽度的筛网内的筛孔数表示，因而称之为“目 数”。目前在国内外尚未有统一的粉体粒度技术标准，各个企业都有自己的粒度 指标定义和表示方法。在不同国家、不同行业的筛网规格有不同的标准，因此 “目”的含义也难以统一。目前国际上比较浒用等效体积颗粒的计算直径来表示 粒径。以μm或mm表示。 目数 微米 目数 微米 目数 微米 2.5 20 833 200 74 3 24 701 250 61 4 27 589 270 53 5 32 495 325 47 6 35 417 425 33 7 40 350 500 25 8 60 245 625 20 9 65 220 800 15 10 80 198 12 100 165 14 110 150 16 180 83 7925 5880 4599 3962 3327 2794 2362 1981 1651 1397 1165 991
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[Me]E包含焊丝金属中及药皮（或焊剂）中的合 金两部分。若前者为[Me]f，后者为[Me]c，则： [Me]E＝ [Me]f＋Kb[Me]c （3） Kb－药皮或焊剂熔化量与焊丝金属熔化量之比，称 为焊药相对熔化率，一般为药皮重量系数。 综合（1）、（2）。（3）得： η＝ [Me]W/(r [Me]p+(1-r)([Me]f +Kb[Me]c)) 若为堆焊或熔深极小的手工电弧焊，r→0，则 η＝ [Me]W/( [Me]f +Kb[Me]c) 若已知η值，则可根据焊缝化学成分的要求，即 可求得焊条药皮中应加的铁合金数量。 [Me]c＝（[Me]w－[Me]f η）/ηKb
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1.2.1.2侧板条铁素体 是由晶界向晶内扩展的板条状或锯齿状铁 素体，实质是魏氏组织。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， 但出现的机会比母材多。 当先共析铁素体和侧板条铁素体长大时，其 γ／α界面上γ一侧的碳浓度增加，极为接近共析 成分，故γ易分解为珠光体而出现于侧板条铁素 体的间隙之中。侧板条铁素体晶内位错密度大致 和先共析块素体相当或稍高一些。
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正常的药皮厚度下，熔滴金属与焊缝金属的化学 成分基本相同，表明焊缝金属的合金化主要是在熔 滴冶金反应区内完成。 当药皮厚度增大到某一临界值时，熔滴的成分基 本不变，而焊缝金属的合金成分高于熔滴。表明部 分熔渣直接流入熔池，使熔池阶段合金化过程得以 加强，此时，焊缝的合金化程度决定于熔滴反应区 和熔池反应区。 低碳钢芯A102Fe焊条熔滴及焊缝化学成分
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1.2.3贝氏体
1.2.3.1 上贝氏体 在光学金相显微镜下观察呈羽毛状，沿奥氏体 晶界析出，在平行的条状F间分布有渗碳休形成温度 550℃~Ms之间。 1.2.3.2粒状贝氏体 块状铁素体形成之后，待转变的富碳A呈岛状分布， 块状F中，这些高碳A→富碳M，和残余奥氏体。称为 M－A组织 在块状F中，M－A组织以粒状分布，因此称粒状贝 氏体，若以条状存在称为条状B氏体。 1.2.3.3下贝氏体 针状,力学性能优异. 2018/11/10 9
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(5)药皮重量系数和焊接工艺参数 当药皮较薄时，药皮中的合金元素在在熔滴阶 段就过渡到熔融金属中去；药皮较厚时，合金元素 的合金化在熔滴阶段未能完成，要在熔池阶段进行， 主要在熔池表面进行。 合金元素过渡平衡关系式为： Mo＝M1－（M2＋M3） 式中 Mo－过渡到熔敷金属中的某元素的含量 M1－某元素的原始含量 M2－该元素残留在渣中的损失 M3－被氧化等其他原因损失的该元素含量。
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随着合金化程度 的提高，AF组织 增多的同时，焊 缝强度也随之提 高。AF增多，有 利于改善韧性。
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1.2.2 珠光体
热处理平衡状态 珠光体转变Ar--550℃ C、Fe原子扩散比较 容易。珠光体转变扩散型相变。（P是F和Fe3C 的层状混合物领先相Fe3C） 焊接状态,非平衡转变，得到P量少，珠光体转变 量小。若B 、Ti合金元素，P转变全部被抑制，
1. 焊缝组织
1.1凝固组织
Co 溶 质 浓 度 (%) 等轴晶 等轴晶图
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焊缝金属结晶形态示意图[86]
平面 G/R 图 成分过冷对结晶形态的影响
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1.2 焊缝固态相变组织 1.2.1铁素体
1.2.1.1晶界铁素体 先共析铁索体(PF)——是沿原奥氏体晶界析出的 铁素体。先共析铁素体也称晶界铁素体。有的沿 晶界呈长条状扩展，有的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。先共析铁素体的位 错密度较低。
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(3)增加某些合金元素克制有害杂质的作用。
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2.1.2合金化的方式
2.1.2.1通过焊芯或管状药芯焊芯
该方式具有焊缝化学成分均匀、可靠、合金元 素损失少的优点。但一般只能选用与焊缝设计成 分相近的标准焊芯如H08A，H0Cr21Ni10，对非标 准焊丝受到限制。
2.1.2.2通过药皮
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2 合金元素对焊缝组织的影响
焊缝的组织与焊接接头使用性能密不可分， 控制焊缝的成分得到预期的组织与焊接材料的设 计或选用是直接相关的，因此必须在了解合金成 分对组织及性能的影响以及合金化的方式、机理 和规律的基础之上，才能正确设计或选用焊接材 料。
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2.1焊缝金属的合金化
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例：焊芯中w(Mn)=0.6%，用含80％的中碳 锰铁过渡锰，在低氢焊条中锰的过渡系 数为50％，要得到w(Mn)=1.2%的焊缝， 则需在药皮中加入多少锰铁（药皮重量 系数25％）？
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2.1.4.1 影响过渡系数的因素
(1)合金元素的物理化学性质 合金元素沸点低，饱和蒸汽压大，过渡系数越 小。另外，对氧亲和力小于Fe的元素几乎可全部 过渡，反之过渡系数越小。亲和力大的元素还可 起到保护作用。 合金元素对氧亲和力大小按递减顺序可排列 如下： Al＞Zr ＞ Mg ＞ C ＞ B ＞ Ti ＞ Si ＞ V ＞ Mn ＞ Nb ＞ Cr ＞ Fe ＞ Mo ＞ W ＞ P ＞ S ＞ Co ＞ Ni ＞ Cu
2.1.1合金化的目的
(1)补偿合金元素在焊接过程中的烧损及蒸发；
(2)满足焊缝金属成分设计的要求，以改善焊缝的组 织和性能。
不同的焊接材料种类，对焊缝金属合金化的要求也不同。 对于碳钢或低合金高强钢焊接材料，关键在于使焊缝金属具有 相应强度的同时，保证具有优良的抗裂性和足够的塑性和韧性； 对堆焊焊条主要是满足于对堆焊金属的硬度、耐磨、耐蚀或耐 热性的要求；对耐热钢、不锈钢等焊条则主要满足与母材化学 成分的匹配和耐热性或耐蚀等特殊性能的要求。
2.1.2.4 通过焊剂
将合金剂加入焊剂中，该方法虽然可满 足任意成分要求，但很容易受到焊接规范 的影响，使焊缝成分有较大的波动。改方 法合金利用率低。
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2.1.2.5利用金属氧化物的还原
利用与氧亲和力大的元素置换出一定 量的合金渗入焊缝中，该方法主要用于 埋弧焊。改方法渗合金是有限的，且易 于使焊缝增氧。
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1.2.4 马氏体
当焊缝含碳量偏高或合金元素较复杂时，冷 却速度快，Ms形成M。 1.2.4.1板条M（含碳量很低） 特征：奥氏体晶粒内形成几束M板条，束与束之间 有一定高角。 位错量多→位错M 含碳量低→低碳M 强度好，韧性高
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板条马氏体显微组织特征示意图
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(2)合金元素的含量 随药皮中合金元素含量的增加，其过渡系数也 相应增大，当其浓度超过某一个值时，其过渡系数 趋向于一个定值。 合金剂含量增加，氧化能力减弱；当合金剂浓 度继续增加，残留在渣中的损失增加。 残留在熔渣中的损 失是指悬浮在熔渣中的合 金颗粒没有被带到熔渣与 金属的界面上，没有来得 及过渡到金属中去，随 温度的下降而被凝固在 渣中。 2018/11/10
1250 2500 3250 12500 10 5 2 1
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(4)药皮的成分 药皮中含有高价氧化物和碳酸盐越多，气相氧 化性越大；药皮中含有Fe2O3越多，不仅气相氧化性 越大，熔渣的氧化性也越大，熔渣合金过渡系数越 小。 在碱性药皮中，由于熔渣氧化性小，且冶金反 应主要发生在熔渣与金属的界面上，因此相对说来， 以CaO－CaF2为主的碱性焊条，具有较高的合金过渡 系数。 当合金元素及其氧化物共存时，有利于提高该 元素的过渡系数；当其它条件相同，若过渡元素的 氧化物与熔池的酸碱性一致，有利于提高该元素的 过渡系数，反之则降低过渡系数。
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1.2.4.2片状马氏体 C≥0．4％ 马氏体片不相互平行，初始形成的M片较大， 往往贯穿A晶粒。 透射电镜观察，片M存在许多细小平行的带纹 －孪晶带，硬度高、脆。
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图 HSLA 钢 焊 缝 连续冷却组织转 变过程 (1) 夹杂物形成 (2) 液 态 凝 固 为 δ 铁 (3)奥氏体 (4)PF形核 (5)PF 沿 γ 边 界 长大 (6)SF形成 (7)AF形成
化学成分(％) 熔滴 熔敷金属
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C
─ 0.07
Mn
0.76 1.0
Si
0.53 0.72
Cr
18.88 20－21
Ni
10.01 10.5－11
Fe
72.17 －
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2.1.4 合金过渡系数
焊条中的合金元素在焊接冶金过程中 不可能全 部过渡到焊缝金属中，为了说明或评价合金剂的利 用程度，引入了合金过渡系数概念。它是指焊接材 料的合金元素过渡到焊缝金属中的数量与其原始含 量的百分比。 η＝[Me]w/[Me]o （1） [Me]w－焊接后，焊缝中合金的实际含量； [Me]o－原始计算含量。 [Me]o＝r [Me]p＋(1-r) [Me]E （2） [Me]p－改合金在基本金属中的含量 [Me]E－该合金在焊接材料中的含量 r－熔合比
将所需要的合金元素以纯金属或铁合金的形式 加入焊条药皮中。这种方法简单、灵活、方便且 制造容易。但氧化损失较大，合金利用率较低。
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2.1.2.3通过药芯焊丝
将所需要的元素以粉末的形式填充到焊 接用薄钢带卷成的焊丝中，经过拔制使之 密实。其优点是合金成分的配比任意可调， 得到成分变化达到额堆焊金属，合金的损 失较小。
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1.2.1.3针状铁素体
出现于原奥氏体晶内的有方问性的细小铁素体 ．宽约2μ m左右，长宽比多在3：1以至10：1的范 围内。针状铁素体可能是以氧化物或氮化物(如TiO 或TiN)为基点，呈放射状生长，相邻AF间的方位差 为大倾角，其间隙存在有渗碳体或马氏体，多半是 M－A组元，决定于合金化程度。针状铁素体晶内位 错密度较高，为先共析铁素体的2倍左右。位错之 间也互相缠结，分布也不均匀，但又不同于经受剧 烈塑性形变后出现的位错形态。