第3章 焊接接头的组织和性能

马氏体形态示意图 a) b)
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3.1.3 焊缝的相变组织
图3-18
含有不同贝氏体的低合金钢焊缝组织 a) b) c)
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3.1.3 焊缝的相变组织
2) 片状马氏体MT。 (5) 焊缝最终组织的构成 以上介绍了低合金钢焊缝中可能
出现的全部组织，但每个焊缝不可能完全包含这些组织，
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3.1.2 焊接熔池的结晶形态
表3-1 焊接参数对HY-80钢焊缝结晶组织的影响
焊接速度/(mm/min)
焊接电流/A
150 300 胞状树枝晶 细小的胞状树枝晶 450 粗大的胞状树枝晶 粗大的胞状树枝晶
50 100
胞状晶 胞状晶
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3.1.2 焊接熔池的结晶形态
图3-11
3) 针状铁素体AF。
4) 细晶铁素体FGF。 (2) 珠光体P 珠光体是铁素体和渗碳体的层状混合物，是 低合金钢在接近平衡状态下(如热处理时的连续冷却过程)， 在Ac1～550℃温区内发生扩散相变的产物。
图3-17
含有不同珠光体的低合金钢焊缝组织 a) b) c)
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3.1.3 焊缝的相变组织
(3) 贝氏体B 贝氏体是在550℃～Ms温区内发生的扩散-切
变型相变的产物。
1) 上贝氏体Bu。
2) 下贝氏体BL。 3) 粒状贝氏体BG或条状贝氏体BP。 (4) 马氏体M 变的产物。 1) 板条马氏体MD。 马氏体是在Ms点以下温区内发生的切变型相
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3.1.3 焊缝的相变组织
图3-19
20921-3A
3.1.4 焊缝组织和性能的控制
(2) 钛和硼的作用 在焊缝中加入微量的钛和硼等活性元素， 能明显起到细化焊缝组织的作用，从而显著提高焊缝的韧
性。
图3-22 钛和硼的含量对焊缝金属韧性的影响 a) 钛含量的影响 b) 硼含量的影响
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3.1.4 焊缝组织和性能的控制
图3-23
825
890 65 930 1020 90
920
980 60 1000 1120 120
18Cr2WV
A A A-A
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3.2.1 焊接热影响区的组织转变特点
2.焊接冷却过程的组织转变特点 (1) 组织转变向低温推移、可形成非平衡组织 材料的相变温度Ac1、Ac3以及Acm均降低。 (2) 马氏体转变临界冷速发生变化 在焊接热循环的作用下， 熔合线附近的晶粒因过热而粗化，增加了奥氏体的稳定性， 使淬硬倾向增大；另一方面，钢中的碳化物由于加热速度 快、高温停留时间短而不能充分溶解在奥氏体中，降低了 奥氏体的稳定性，使淬硬倾向降低。 在奥氏体均
线TL相交，因而液相中不存在成分过冷区，如图3-6a所示。
图3-6 平面结晶形态 a) 成分过冷条件 b) 形成机理示意图 c) 平面晶微观照片
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3.1.2 焊接熔池的结晶形态
(2) 胞状结晶 当固-液界面前方液相中的温度梯度G较大时，
液相温度曲线T与结晶温度曲线TL在短距离x内相交，形成
110
38
62
228
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3.1.3 焊缝的相变组织
(2) 魏氏组织 在发生过热的低碳钢焊缝中，还可能出现塑
性和韧性很差的魏氏组织，如图3-14所示。
图3-14
低碳钢焊缝中的魏氏组织
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3.1.3 焊缝的相变组织
2.低合金钢焊缝的相变组织
图3-15
低合金钢焊缝相变组织的分类及形态
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3.2.1 焊接热影响区的组织转变特点
表3-3 加热速度对相变温度A和A的影响
钢材牌号
相变温度/ ℃
加热速度/(℃/s)
平衡状态 730 770 40 740 780 40 735 6～8 770 820 50 735 775 40 750 40～50 775 835 60 750 800 50 770 250～300 790 860 70 770 850 80 785 1400～170 0 840 950 110 840 940 100 830
(3) 焊接速度对成长速度和方向的影响 如绪论中所述，焊
接速度增加时，焊接温度场的范围变小，熔池形状变得细
长。
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3.1.2 焊接熔池的结晶形态
1.熔池结晶的典型形态 (1) 平面结晶 当固-液界面前方液相中的温度梯度G(即温度
曲线的斜率dT/dx)很大时，液相温度曲线T不与结晶温度曲
图3-9 树枝状结晶形态 a) 成分过冷条件 b) 形成机理示意图 c) 树枝晶微观照片
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3.1.2 焊接熔池的结晶形态
(5) 等轴结晶 当固-液界面前方液相中的温度梯度G很小时，
液相温度曲线T与结晶温度曲线TL在很远处相交，从而在液
相中形成很大的成分过冷区，如图3-10a所示。
图3-10 等轴结晶形态 a) 成分过冷条件 b) 形成机理示意图 c) 等轴晶微观照片
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3.1.3 焊缝的相变组织
(1) 铁素体F 形态。 低合金钢焊缝中的铁素体，具有比较复杂的
图3-16
含有不同铁素体的低合金钢焊缝组织 a) GBF b) FSP c) AF d) FGF
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3.1.3 焊缝的相变组织
1) 先共析铁素体GBF。 2) 侧板条铁素体FSP。
较小的成分过冷区，如图3-7a所示。
图3-7 胞状结晶形态 a) 成分过冷条件 b) 形成机理示意图 c) 胞状晶微观照片
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3.1.2 焊接熔池的结晶形态
(3) 胞状树枝结晶 随固-液界面前方液相中的温度梯度G的
减小，液相温度曲线T与结晶温度曲线TL相交的距离x增大，
所形成的成分过冷区增大，如图3-8a所示。
钼含量对焊缝金属韧性的影响
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3.1.4 焊缝组织和性能的控制
(3) 钼的作用 在低合金钢焊缝中只要加入少量的钼，就能
降低奥氏体的分解温度，抑制先共析铁素体的形成，从而
提高焊缝的强度和韧性。
(4) 稀土元素的作用 稀土是化学活性极强的元素，能与钢 中的合金元素发生相互作用，改善焊缝的组织以及夹杂物 的形态和分布，从而提高焊缝的韧性。
图3-24 药皮中钇的加入量 对焊缝韧性的影响
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3.1.4 焊缝组织和性能的控制
2.工艺方面的控制 (1) 焊接工艺优化
1) 工艺参数调整。
2) 采用多层焊接。 (2) 振动结晶与锤击处理 1) 振动结晶。
图3-25
电磁振动对铁素体不锈钢焊缝组织的影响 a) 无电磁振动 b) 有电磁振动
W、R和G对结晶形态的影响
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3.1.2 焊接熔池的结晶形态
图3-12
焊缝中结晶组织的分布
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3.1.2 焊接熔池的结晶形态
图3-13 不同母材的焊缝组织 a) 1100Al b) Fe-15Cr-15Ni c) ZM6
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3.1.3 焊缝的相变组织
1.低碳钢焊缝的相变组织 (1) 铁素体和珠光体 低碳钢焊缝具有较低的含碳量，发生
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3.2.1 焊接热影响区的组织转变特点
1.焊接加热过程的组织转变特点 (1) 组织转变向高温推移 由于焊接加热速度快，导致钢铁 奥氏体均
材料的相变温度Ac1和Ac3升高。
(2) 奥氏体均质化程度降低、部分晶粒严重长大 质化过程也是扩散过程，由于焊接加热速度快，高温停留 时间短，不利于扩散过程的进行，因而使奥氏体均质化程 度降低。
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3.1.4 焊缝组织和性能的控制
2) 锤击处理。 (3) 焊后热处理
1) 跟踪热处理。
2) 整体或局部热处理。
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3.2 焊接热影响区
焊接热影响区是焊接接头的重要组成部 分，是焊缝两侧未经过熔化但组织和性 能发生变化的区域。由于焊接热影响区 不同部位所受热作用的不一致性，造成 其内部组织和性能的分布极不均匀，以 致可能使其成为焊接接头的最薄弱环节。 因此，研究热影响区在焊接热循环作用 下组织和性能的变化规律，对于解决焊 接问题、提高焊接质量具有十分重要的 意义。
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3.1.1 焊接熔池的结晶特点
图3-3
晶粒成长速度和方向的变化
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3.1.1 焊接熔池的结晶特点
图3-4
焊接速度对晶粒成长方向的影响 a) 高速焊 b) 低速焊
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3.1.1 焊接熔池的结晶特点
图3-5
焊接速度对晶粒成长速度的影响
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3.1.1 焊接熔池的结晶特点
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3.1.1 焊接熔池的结晶特点
(3) 熔池在动态下结晶 焊接熔池中金属的结晶和熔化是同
时进行的，结晶前沿随焊接热源而移动，而且焊接条件下
各种力的作用会使正在结晶中的熔池受到激烈的搅拌。
2.联生结晶和竞争成长 (1) 联生结晶 焊接熔池的结晶过程一般是从熔池边界开始 的，非自发晶核就依附在半熔化的母材晶粒表面上。
而只是由其中的几种组织所构成。
图3-20
典型低合金钢焊缝的CCT图
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3.1.4 焊缝组织和性能的控制
1.冶金方面的控制 (1) 锰和硅的作用 锰和硅是焊缝中最常用的合金化元素，
它们不仅能脱氧而使焊缝得到强化，还能改变焊缝组织形
态而影响焊缝的韧性。
图3-21 锰和硅的含量对低强 焊缝金属韧性的影响
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3.1.1 焊接熔池的结晶特点
1.非平衡的动态结晶 (1) 熔池体积小、冷却速度大 焊接熔池体积小，其周围被
体积很大的母材金属所包围，熔池界面导热条件很好，故
熔池冷却速度很快，其平均值可达到100℃/s，约为铸造时 的104倍。 (2) 熔池过热、温度梯度大 焊接熔池中的液态金属处于过 热状态，如低碳钢的焊接熔池平均温度可达到1870℃，远 高于铸造时的最高平均温度1550℃。
45钢
A A A-A
40Cr
A A A-A
23Mn
A
A
A-A
830
95
810
60
850
80
890
105
940
110
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表3-3 加热速度对相变温度A和A的影响
30CrMnSi
A
A A-A
百度文库
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820 80 710 810 100
740
790 50 800 860 60
775
835 60 860 930 70
第3章 焊接接头的组织和性能
3.1 焊接熔池和焊缝 3.2 焊接热影响区
3.3 熔合区
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3.1 焊接熔池和焊缝
焊接熔池是指由熔化的局部母材和填加 材料所组成的具有一定几何形状的液态 区域，而焊缝是指熔池凝固后所形成的 固态区域。因此，焊接熔池和焊缝之间 存在着内在的、必然的联系。也就是说， 焊缝金属的组织和性能不仅取决于焊缝 的相变行为，而且受到焊接熔池结晶行 为的直接影响。
图3-8 胞状树枝结晶形态 a) 成分过冷条件 b) 形成机理示意图 c) 胞状树枝晶微观照片
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3.1.2 焊接熔池的结晶形态
(4) 树枝状结晶 当固-液界面前方液相中的温度梯度G进一
步减小时，液相温度曲线T与结晶温度曲线TL相交的距离x
进一步增大，从而形成较大的成分过冷区，如图3-9a所示。
固态相变后的组织主要由铁素体和少量的珠光体组成。
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3.1.3 焊缝的相变组织
表3-2 冷却速度对低碳钢焊缝组织和硬度的影响
冷却速度/(℃/s)
焊缝组织的体积分数(%)
铁素体 珠光体 18 21 35 39 60
焊缝硬度 HV
1 5 10 35 50
82 79 65 61 40
165 167 185 195 205
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3.1.1 焊接熔池的结晶特点
(2) 成长速度和方向的变化
由式(3-2)可以看出，在焊接速
度v一定的条件下，晶粒成长速度R仅取决于结晶等温面法 线方向与焊接方向的夹角α或晶粒成长方向与焊接方向的夹 角
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3.1.1 焊接熔池的结晶特点
图3-2
晶粒成长速度与焊接速度的关系
图3-1 联生结晶及竞争成长 a) 示意图 b) 微观照片
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3.1.1 焊接熔池的结晶特点
(2) 竞争成长 结晶理论告诉我们，每一种晶体点阵都存在
一个结晶速度最快的最优结晶取向，而且温度梯度的方向
对结晶速度也有极为重要的影响。
3.结晶速度和方向动态变化 (1) 结晶速度的表达式 如上所述，熔池结晶总是从熔池边 界处半熔化的母材晶粒上开始形核并向焊缝中心成长的。
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3.1.2 焊接熔池的结晶形态
2.焊缝中的结晶组织 (1) 结晶组织的分布 在焊接熔池中，不同部位具有不同的
温度梯度G和结晶速度R，因而具有不同的成分过冷，出现
不同的结晶形态，从而在焊缝中形成分布不同的结晶组织， 如图3-12所示。 (2) 焊接条件对结晶组织的影响 如前所述，对结晶组织起 控制作用的成分过冷主要受到熔池金属中溶质含量W、熔池 结晶速度R和液相温度梯度G的影响。