第二章焊接接头

3.冷却速度快
4～100℃/s。 原因： ◆熔池周围的母材金属相当于熔池金属的“模壁”。 ◆熔池的织，在焊道上易产生裂纹。
4.熔池在运动状态下结晶
—在熔池中，金属的熔化和凝固过程同时进行。 另外，电弧吹力、焊条的摆动、熔池内部气体的 外逸都会产生搅拌作用，这有利于排除熔池中的 气体和夹物。
珠光体比铁素体： 强度高，塑性和韧性低。 铁素体、奥氏体比珠光体： 强度低、塑性和韧性好，具有良好的抗裂性。 马氏体： 是一种淬硬组织。强度高、硬而脆。含碳量 低的马氏体具有较高的强度、良好的塑性和韧性。 粒状贝氏体： 其强度、塑性和韧性介于马氏体和铁素体之间。
焊缝金属的性能控制措施：
熔池一次结晶由于冷却速度快，结晶组织易产生粗大 的柱状晶，这会降低焊缝金属的力学性能。 1.焊缝合金化 通过焊接材料向熔池中加入适量的合金元素，提高焊缝 金属的强度、塑性，又保证焊缝金属的抗裂性。 固溶强化——锰Mn、硅Si等合金元素； 细晶强化——钛Ti、铌Nb、钒V等合金元素； 弥散强化——钛Ti、钒V、鉬Mo等合金元素。 2.变质处理 熔池中加入少量的钛Ti、硼B、锆Zr、稀土等元素来 细化晶粒。 如；E5015MOV焊条—E5015焊条的基础上加入MO 、V提高 抗裂性。
4.焊缝偏析与夹杂物
（1）偏析 指合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象。 偏析的结果： 焊缝中的化学成分不均匀、杂质聚集、性能 改变，易产生裂纹、气孔和夹杂等。
◆显微偏析： 在一个柱状晶内部和晶粒之间化学成分不均匀 现象。 熔池一次结晶时最先结晶的含杂质量少，最后 结晶的含杂质量多。高碳钢和高合金钢偏析程度较 严重。 ◆区域偏析： 熔池一次结晶时，从熔合线开始，逐渐向熔 池中心生长。因此最后凝固部位的杂质比其它部 位多，这种偏析叫做区域偏析。 区域偏析的分布与焊缝断面形状、母材成分、 冷却速度、焊接方法等有关。
焊后冷却时的组织转变（见59页表2-8）
焊接和热处理条件下的组织成分
第三节 热影响区（近缝区）的组织和性能
特点： 位于母材上，受到焊接热源的作用但未熔化。离焊缝 远近不同，各点的组织和性能也不同。
一、熔合区的组织和性能
组织： 熔合区虽然很窄，但 其组织为晶粒粗大的过热 组织，同时存在化学和物 理不均匀性。 性能： 所以熔合区是整个焊接接头中的最薄弱地带， 甚至可以说焊接接头中性能最差的区域。 （如：冷裂纹、再热裂纹、脆性破坏等）
四、控制和改善焊接接头性能的措施
措施：调整化学成分；选择适当的焊接工艺。
（一）选择合适的焊接材料
1）低碳钢、低合金钢焊接时，主要考虑焊缝的 力学性能和母材一样，一般不要求焊缝金属 的化学成分和母材一样。 2）耐热钢、低温钢、不锈钢等焊接时，主要考 虑高温性能、低温性能和抗腐蚀性能等。因 此，要求焊接材料的化学成分和母材一样。
第二节 焊缝金属的组织和性能
熔池的凝固过程对焊缝金属的组织和性能具有重要的影响。
一、焊接熔池的特征
1.熔池体积小
If↑→Hmax↑
Uf↑→Bmax↑ υ↑→熔池体积↓
（P139）
焊接熔池体积一般30cm3左右，质量240g以下。
2.熔池金属处于过热状态
（1770±100）℃，高于金属的熔点温度。 合金元素烧损比较严重，焊缝中柱状晶得到很大发展。
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（4）再结晶区
冷塑性变形状态的金属 （经过冷轧、冷成型压力加工 的），其破碎的晶粒又将变 为完整的细小等轴晶粒。所 以称为再结晶区。 再结晶区的组织没有发 生改变。 但晶粒变细小，因此塑性和韧性提高，强度有所下降。 热轧等非冷塑性变形状态的母材，由于晶粒没有破碎 现象，就不存在再结晶区。
Q235钢HAZ组织特点
特点： 强度、硬度会增加，而塑性和韧性会下降，易产生冷裂纹。
（2）不完全淬火区 在加热时，母材组织全部变为奥氏体，冷却时奥氏体 组织转变为马氏体组织，铁素体保持不变。马氏体+铁素体 组织。所以称为不完全淬火区。
特点：组织和性能是很不均匀。
（3）回火区
回火区的组织和性能取决于母材焊接之前调质状态的 回火温度。
二、焊缝的凝固过程
熔池的一次结晶和焊缝二次结晶
1.熔池一次结晶（从液态凝固成晶体的过程）
组织特征：
从熔合线上还未熔化的晶粒开始，最后 形成柱状晶。
2.焊缝二次结晶
（凝固的晶体在固态下从高温冷却到室温的过程） 熔池一次结晶后，其显微组织一般为奥氏体。 焊缝二次结晶时，奥氏体又会发生组织变化。
◇低碳钢焊缝的二次结晶组织 粗大的柱状铁素体+少量的珠光体 冷却速度越快，焊缝中的珠光体越多，晶粒越 细小。 随珠光体含量的增加，就会增加焊缝的硬度。
（二）选择合理的焊接方法
（三）调整恰当的熔合比 熔合比：（稀释率）
熔化的母材金属在焊缝金属中所占的百分比。
熔合比只对焊缝金属有影响，熔合比的大小可 以调节焊缝金属的化学成分和力学性能。
选择熔合比的原则
1）焊接材料化学成分＝母材金属化学成分时，熔 合比对焊缝或熔合区无明显影响。 2）焊接材料和母材金属化学成分差别较大时，应 调整熔合比。 ①母材中含有较多的碳、硫、磷时，应减小熔 合比。避免降低焊缝的塑性和韧性，防止裂 纹的产生。 ②母材中合金元素含量比焊接材料少时，应减 小熔合比，保证焊缝性能。
◇低合金高强钢焊缝的二次结晶组织 合金含量较少的低合金钢 铁素体+少量珠光体 合金含量较多的低合金钢 低碳马氏体或贝氏体 ◇铬钼耐热钢焊缝的二次结晶组织 珠光体+少量的淬硬组织 高温回火后为珠光体 ◇奥氏体不锈钢焊缝的二次结晶组织 少量的铁素体（2～6%）+奥氏体
3.焊缝组织与性能的关系
◇一次结晶组织与性能的关系 晶粒的粗细将决定焊缝金属的性能。 粗大的柱状晶会降低金属的强度、塑性 和韧性。 ◇二次结晶组织与性能的关系 焊缝金属的最终组织取决于焊缝二次 结晶组织的类型、特征、形态（铁素体、 珠光体、贝氏体、淬硬组织）。其形态的 主要因素是焊缝金属的冷却速度。
和脱磷；
2）选择合适的焊接参数，使熔池存在的时间
加长，以利于熔渣的浮出；
3）多层焊时，认真清理前层焊道的熔渣；
4）焊条作适当的摆动，使熔渣充分浮到熔池表面。
焊缝金属在焊接加热时的组织转变特点
1.相变温度大大提高 （见58页表2-7） 加热速度越快，被焊金属的相变点越高。
2.成分均质化过程不充分 新相中的合金元素往往来不及充分扩散就已 冷却下来，造成成分不均匀。 3.高温区晶粒急剧长大 峰值温度高达1100℃以上时，晶粒会发生严 重的长大现象。粗大晶粒的遗传作用不仅使冷却 转变后的组织塑性差，同时还会增大产生热裂纹 和冷裂纹的倾向。
第二章 焊接接头的组织和性能
第一节 焊接接头的构成 （P57）
焊接接头：用焊接方法连接而得到的接头。 接头的作用：
▲连接—把原来分离的零件连接成一个整体。 ▲传递载荷—传递焊接结构所承受的载荷。
焊接接头的构成
▲焊缝—由局部熔化的母材金属或填充金属冷却凝 固后形成的。 ▲熔合区—焊缝与热影响区交界的过渡区。其温度 处于液相线和固相线之间，因此又称为 半熔化区。 ▲热影响区—焊缝两侧的母材因受热的影响而发生 （HAZ） 金相组织和力学性能变化的区域。
Q235钢HAZ组织特点（魏氏组织）
过热区
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（2）正火区（再结晶区或细晶区）
在加热时，母材 金属的铁素体和珠光 体全部转变为奥氏体 ，空冷后，有转变为 均匀细小的铁素体和 珠光体组织。相当于 热处理时的正火组织。 晶粒细小而均匀，强度、塑性和韧性较好， 比母材金属还好的综合力学性能。
Q235钢HAZ组织特点 正火区
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（3）部分相变区（不完全重结晶区或不完全正火区） 在加热时，母材金属 的一部分铁素体和珠光体 转变为奥氏体，空冷后， 有转变为均匀细小的铁素 体和珠光体组织。但另一 部分铁素体且转变为粗大 的晶粒。
这导致该区的组织和性能不均匀，其力学性能略下降。
Q235钢HAZ组织特点
不完全重结晶区（不完全正火区）
（五）焊接操作
1）大电流、单道焊时热输入大。 2）小电流、多层多道焊时热输入小。
（六）焊后热处理
思考题
1.焊接接头由哪几部分组成？ 2.焊接接头的作用是什么？ 3.焊接熔池的特征是什么？ 4.简述焊缝的凝固过程。 5.简述焊缝组织和性能间有何关系？ 6.偏析是怎么产生的？焊接接头中的偏析有哪几种？ 各有什么特点？ 7.焊缝中夹杂物的种类有哪些？如何防止焊缝中夹杂物 的产生？ 8.调整熔合比对改善焊接接头性能有何作用？ 9.采取哪些操作措施对提高焊接接头性能帮助？
母材
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三、易淬火钢的焊接热影响区的组织和性能
碳钢（35、40、45钢）、低碳调质高强钢（18MnMoNb）、 中碳调质高强钢（30CrMnSi）、耐热钢等。
特点： 淬硬倾向大，空冷后能得到马氏体组织。 热影响区的组织分布与母材焊前的热处理状态有关。
（1）完全淬火区 在加热时，母材组织全部变为奥氏体，冷却 时奥氏体组织转变为淬火组织马氏体。靠近焊缝 距离不同马氏体组织的粗细程度不同。
二、不易淬火钢的焊接热影响区的组织和性能
低碳钢、低合金钢（16Mn、15MnV、15MnTi等）
（1）过热区（粗晶区） 母材金属的铁素体和 珠光体全部转变为奥氏体， 且晶粒粗大，与母材相比 其韧性很低，通常要降低 20～30%。
过热区大小的主要因素： 焊接方法、热输入、焊件厚度。 气焊和电渣焊的热影响区比较宽，手工焊和埋弧焊 的热影响区较窄。
（四）选择合理的焊接参数 焊接参数直接影响焊缝的成形和焊接热循环， 从而影响整个焊接接头的组织和性能。 焊接参数对焊接接头的影响常用热输入来表示。
1.焊接参数对焊缝性能的影响及其选择 1）焊接电流If、电弧电压Uf：
If大 Uf小时，焊缝窄而深，产生区域偏析，焊 缝中心线部位的性能下降，容易产生热裂纹； If小Uf大时，焊缝宽而浅，可改善焊缝中心线 部位的性能，防止中心线部位产生裂纹。