第10章 熔化焊接头的组织与性能

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表10.1 加热速度对相变点Ac1和Ac3及其温差的影响
钢 种 相变点 AC1
AC3 AC1 AC3 AC1 AC3 AC1 AC3 AC1 AC3 平衡状 态 /℃ 45钢 40Cr 23Mn 30CrMn Si 加热速度ω H/（℃· S-1） 6~8 40~50 AC1与AC3的温差/℃
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（二）焊接加热过程的组织转变
• 焊接过程的快速加热，将使各种金属的相变温度比 起等温转变时大有提高。当钢中含有较多的碳化物 形成元素(Cr、W、Mo、V、Ti、Nb等)时，这一影 响更为明显。这是因为碳化物形成元素的扩散速度 很小(比碳小1000～10000倍)，同时它们本身还阻 碍碳的扩散，因而大大地减慢了奥氏体转变过程。
熔池在运动状态下结晶
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（4）液态金属对流激烈
• 熔池中存在许多复杂的作用力，如电弧的机械力、 气流吹力、电磁力，以及液态金属中密度差，使 熔池金属产生强烈的搅拌和对流，在熔池上部其 方向一般从熔池头部向尾部流动，而在熔池底部 的流动方向与之正好相反，这一点有利于熔池金 属成分分布的均匀化与纯净化。
热影响区 焊接接头示意图 1-焊缝；2-熔合区；3-热影响区；4-母材
熔焊时在高温热源作用下，靠近焊缝两侧一定范围内发生 组织和性能变化的区域称为“焊接热影响区” 。
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一、研究焊接热循环的意义
焊接热循环：在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度 随时间的变化过程称为焊接热循环。
焊接线能量：熔焊时由焊接热源输入给单位长度焊缝上 的能量，又称为线能量。 线能量的计算公式： q = IU/υ 式中：I—焊接电流 A U— 电弧电压 V υ—焊接速度 cm/s q—线能量 J/cm 焊接热循环反映了热源对焊件金属的热作用。焊件上距 热源远近不同的位置，所受到热循环的加热参数不同， 从而会发生不同的组织与性能变化。
1600℃左右，熔池平均温度为1700±100℃。
•
由于过热温度高，非自发形核的原始质点数大为
减少，这也促使焊缝柱状晶的发展。
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（3）动态凝固过程
• 处于热源移动方向前端的母材不断熔化，连同过渡到熔 池中的熔融的焊接材料一起在电弧吹力作用下流至熔池 后部。随着热源的离去，熔池后部的液态金属立即开始 凝固。因此，凝固过程是连续进行并随熔池前进。
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研究焊接热循环的意义
① 找出最佳的焊接热循环； ② 用工艺手段改善焊接热循环； ③ 预测焊接应力分布及改善热影响区组织 与性能。
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二、焊接热循环的参数及特征
• 加热速度ωH • 最高加热温度Ｔm
晶粒 大小
• 相变温度以上的停
留时间tH
• 冷却速度Ωc
(或冷却时间t8 / 5)
相变 组织
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三、焊接热循环条件下的金属组织转 变特点
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主要内容
10.1 焊接热循环及熔池组织转变 10.2 焊接熔池的凝固与控制 10.3 焊接热影响区的组织与性能
10.4 熔焊过程温度场及其影响因素
10.5 焊接冶金缺陷
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10.1 焊接热循环
一、研究焊接热循环的意义 二、焊接热循环的参数及特征
三、焊接热循环条件下的金属组织转变特点
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焊接熔池
4 3 1 2
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二、熔池结晶特征
• • 联生结晶 柱状晶生长方向与速度的变化
•
熔池凝固组织形态的多样性
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（1）联生结晶
• 在熔池中存在两种现成固相表 面：一种是合金元素或杂质的 悬浮质点（在正常情况下所起 作用不大）；另一种就是熔池
边界未熔母材晶粒表面，非自
发形核就依附在这个表面，在 较小的过冷度下以柱状晶的形
与热处理条件下的组织转变相比，其基本原理 相同，又具有与热处理不同的特点。 • 焊接过程的特殊性 • 焊接加热过程的组织转变 • 焊接时冷却过程的组织转变
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（一）焊接过程的特殊性
• • •
• • 五个特点（以低合金钢为例）： 加热温度高 在熔合线附近温度可达l350～l400℃； 加热速度快 加热速度比热处理时快几十倍甚至几 百倍； 高温停留时间短 在AC3以上保温的时间很短(一般 手工电弧焊约为4～20s，埋弧焊时30～l00s) ； 在自然条件下连续冷却（个别情况下进行焊后保温 缓冷）； 有热应力作用状态下进行的组织转变。
250~30 1400~170 250~30 1400~170 40~50 0 0 0 0
730
770 740 780 735 830 740 820 710 810
770
820 735 775 750 810 740 790 800 860
775
835 750 800 770 850 775 835 860 930
的冷却速度; • 由于冷却快，温度梯度大，致使焊缝中柱状晶 得到充分发展。这也是造成高碳、高合金钢以 及铸铁材料焊接性差的主要原因之一。
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（2）温差大、过热温度高
• 熔池金属中不同区域 因加热与冷却速度很快，
熔池中心和边缘存在较大的温度梯度，例如，对 于电弧焊接低碳钢或低合金钢，熔池中心温度高
达2100～2300℃，而熔池后部表面温度只有
18Cr2W V
（三）焊接冷却过程中的组织转变
• 焊接条件下的组织转 变不仅与等温转变不
同，也与热处理条件
下的连续冷却组织转 变不同 。 • 随冷却速度增大，平 衡状态图上各相变点
共析成分成为一个成分范围
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
和温度线均发生偏移。
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10.2 焊接熔池的凝固及控制
一、熔池凝固条件 二、熔池结晶特点 三、熔池结晶组织的细化
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一、熔池凝固条件及特点
• 体积小、冷速快 • 温差大、过热度高
• 动态凝固过程
• 液态金属对流激烈
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（1）熔池金属的体积小，冷却速度快
• • 在一般电弧焊条件下，熔池的体积最大也只有
30cm3 ，重量不超过100g;
周围被冷态金属所包围，所以熔池的冷却速度
很大，通常可达4～100℃/s，远高于一般铸件
790
860 770 850 785 890 825 890 930 1020
840
950 840 940 830 940 920 980 1000 1120
45
65 15 25 35 40 35 45 60 70
60
90 35 75 50 80 85 100 130 160
110
180 105 165 95 130 180 190 200 260 11