焊缝及其热影响区的组织和性能

(1)焊接熔池的特征： 1）熔池的体积小 熔池的形状与尺寸 (≤30cm3, ≤100g)
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2）熔池的温度高 1770±100℃ > 钢锭:1550 ℃
3）液体金属处于运动状态
熔池处于液态时间只有几秒到几十秒, 各种力:电弧力、电磁力、熔滴，表面张力 强烈的搅拌和对流运动
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Q235钢HAZ组织特点 过热区
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Q235钢HAZ组织特点 正火区
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Q235钢HAZ组织特点 不完全重结晶区（不完全正火区）
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预热温度T0的影响
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2、焊接热循环的主要特征参数
加热速度H 峰值温度Tp
高温（相变温度）停留时间tH 某一温度Tc瞬时冷却速度C（800-500） 某一温度区间的冷却时间tA
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2、焊接方法的分类
（1）熔化焊 (fusion welding) （2）固态焊 (solid state welding)/压力焊 （3）钎焊 (brazing, soldering)
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焊缝凝固速度快
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(3)凝固金属的组织形态
柱状晶+少量等轴晶
柱状晶内：平面晶、胞状晶、树枝状晶 等轴晶内：树枝晶
与熔池凝固过程密切相关。 浓度梯度、成分过冷
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结晶形态主要决定于合金中的溶质的浓度 C0、结晶速度R和液相中温度梯度G的综 合作用。其关系如图所示。
4）熔池界面的导热条件好 母材导热
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熔池中的流体动力学状态及其对焊缝质量的 影响
熔池中的金属是强烈运动着的：
1）热源产生的机械力的搅拌作用（如熔滴落下 的冲击力、电弧气流的吹力；电磁力、离子的轰 击力以及熔池金属蒸发所产生的反作用力等）；
焊接热循环的特点 （1）加热温度高 （2）加热速度快 （3）高温停留时间短（4）局部加热 焊接加热过程中奥氏体化的特点
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焊接热循环
1、焊接热循环的意义
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。
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2）温差引起的表面张力的变化，强迫金属发生 对流；
3）温差引起的液态金属密度变化造成的对流； 熔池中的化学冶金反应以及生成的气泡和熔
渣的上浮；
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有利作用： 1）使母材和焊条金属的成分充分混合， 帮助形成成分和组织均匀的焊缝； 2）加速了金属和气体及熔渣的反应速度， 有利于有害气体和非金属夹杂物的逸出； 3）避免焊接缺陷的产生，提高焊接质量；
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3）凝固速度
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晶粒成长的平均线速度是变化的: cosθ=0, θ=90°,Vc=0, 说明在熔合区上晶粒开始
成长的瞬间，成长的方向垂直于熔合区， 晶粒成 长的平均线速度等于零。
cosθ=1, θ=0°,Vc=Vw, 说明晶粒成长到接触X轴 时，晶粒成长的平均线速度等于焊接速度。
加压：冷焊 加压/加热：锻焊、电阻焊、摩擦焊、超声波焊、 爆炸焊
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从冶金角度
液相焊接：基材和填充材料熔化－液相互 溶－材料间原子结合。
固相焊接：压力使连接表面紧密接触－ 表面之间充分扩散－实现原子结合。
固－液相焊接：待接表面不接触，通过 两者之间的毛细间隙中的液相金属在固液界 面扩散，实现原子结合。 （钎焊）
C
等轴晶
0
％
树枝晶
胞状树枝晶 胞状晶
平面晶
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G/R1/2
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焊缝凝固特点 焊缝组织
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2、焊缝金属的组织
（1）低碳钢焊缝金属的室温组织 a、先共析铁素体 b、针状铁素体 c、
珠光体 （2）低合金钢焊缝金属的显微组织
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焊接热影响区
在焊接热源作用下，焊缝两侧发生组织成份性能变化的 区域叫“热影响区”.又叫“近缝区”。
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焊接热影响(HeatAffected Zone,简 称HAZ)
材料因受焊接 热影响（但未熔化） 而发生金相组织和 力学性能变化的区 域。
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HAZ组织
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a、先共析铁素体 b、针状铁素体 c、 珠光体
d、马氏体 f、贝氏体
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3、焊缝金属性能的控制
（1）焊缝合金化与变质处理
（2）工艺措施（振动结晶、焊后热处理）
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焊缝组织的强 韧性 熔合区的特性 同种钢的熔合区
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3、熔化焊焊接接头的形成 及其冶金过程
焊接接头
焊接热过程 + 焊接化学冶金
+ 焊接物理冶金
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焊接热过程
焊接加热的特点：热作用集中性(局部熔化)、热作
用的瞬时性(热源移动) 温度场、热循环
焊接化学冶金过程
熔焊时，液态金属、熔渣及气相之间进行一系列的化学 冶金反应。
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3、焊接热影响区的组织与性能变化 低碳钢和不易淬火钢
（1）熔合区 （2）过热区（1100℃以上） （3）相变重结晶区（正火区）（850~1100℃ ） （4）不完全重结晶区(部分相变区)（700~850 ℃) 易淬火钢 （1）完全淬火区 （2）不完全淬火区） HAZ的性能变化
第九章 焊缝及其热影响区的 组织和性能
History Review
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公元前，已出现焊接工艺，铸焊、扩散 钎焊（秦始皇陵铜车马等）。
19世纪，现代焊接技术得以发展（C弧、 金属弧、电阻热）。
20世纪，金属电弧用于金属结构生产， 发明厚药皮焊条。
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在焊接加热及冷却条件下热影响 区的组织转变特点
(1)由于金属的相变需要一段孕育扩散时间，在快速 加热和冷却条件下，这一孕育过程来不及完成，因 而相变点将发生较大变化，出现较大的“过热度” 及“过冷度”(Ac1、Ac3升高，Ar1、Ar2降低)，另外， 转变组织的均质化程度也进行得很不充分； (2)由于近缝区温度很高，所以高温下晶粒长大 比较 严重； (3)由于冷却速度快，热影响区的淬火倾向将增大。
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1921年，第一艘全焊远洋船； 30年代，大规模制造焊接结构； 60年代，焊接结构空前普及； 中国：
上海金茂大厦；葛洲坝船闸闸门； 三峡水电站船闸闸门；三峡工程 水轮机转子；九江长江大桥、芜 湖长江大桥等。
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1-3焊接热影响区的组织与性能
1、焊接热循环(weld thermal cycle) 焊接热循环：焊接加热过程中，焊缝金属附近某
点的温度由低到高，再由高到低的过程。 时由间加th，热冷速却度速V度h，V最C或高冷温却度时θm间，t相c四变个以参上数高组温成停。留 2、焊接热影响区的组织转变特点
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焊道
保护气体
导电嘴 溶滴 熔池
焊丝 电弧
母材
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1-2 焊缝金属的组织与性能
1、焊接熔池的凝固
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1-1 焊接及其冶金特点
1、焊接（welding)的实质
借助加热或加压，或者同时实施加热和加压以实 现材料之间的原子结合。
加热：电弧 电弧焊 等离子焊 化学热 氧－乙炔焊 电子束 电子束焊 光束（包括激光束）光束焊 激光焊
HAZ的硬化 HAZ的软化
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热影响区的组织与性能
1.熔合区 2.过热区 3.正火区 4.不完全重结晶区 5.母材 6.淬火区 7.部分淬火区 8.软化区
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Q235钢HAZ组织特点 母材
焊接工艺参数对晶粒成长方向和平均线速度均有 影响 当焊接速度大时，角越大，晶粒主轴的成长 方向越垂直于焊缝的中心线；相反，当焊接速度小 时，则晶粒主轴的成长方向越弯曲。
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平均成长速度与焊接速度有关;
柱状晶的最大成长速度不可能超过焊速;
焊接熔池的实际凝固过程并不是连续的。 柱状晶成长速度的变化并不是十分有规律， 有不规则的波动现象。
焊接物理冶金过程
凝固结晶、固态相变
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焊接接头示意图
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熔化焊的本质:在焊接条件下的小熔池熔炼和冷凝， 金属熔化和结晶的冶金过程。
焊接接头（welded joint）的组成： 母材（base metal） 热影响区（heat affect zone） 熔合线（bond line） 焊缝（weld） 熔化焊的冶金特点： 1）反应区的温度高于一般的冶炼温度 2）熔池小冷却速度快，液态金属高温停留时间短 3）冶金条件差
熔合线部位的问题
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(2)熔池凝固的特点
1）联生结晶 （交互结晶、外延结 晶）
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2)焊缝凝固: 择优生长
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柱状晶指向焊缝中心
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