第3章 焊接接头的组织和性能
第三章 连接成形
3．焊条的牌号与型号(P134附表3-5、6)
(三) 焊接成形工艺设计
1.焊缝空间位臵、接头和坡口型式
(1) 焊缝的空间位臵
平焊 横焊
焊缝空间位臵有:
• 平焊缝
• 横焊缝 • 立焊缝 • 仰焊缝
立焊
仰焊
垂直平面，水平 方向上的焊接
垂直平面，垂直 方向上的焊接
倒悬平面，水平 方向上的焊接
水平面的焊 接
粗大的过热组织。
过热区是热 影响区中性能 最差的部位。 • 塑性差
• 韧度低
• 正火区： 焊后空冷使该区内的金属相当于进行了正火
处理，获得均匀而细小的铁素体和珠光体组织。
正火区是 热影响区中力 学性能最好的 区域。
• 塑性较高 • 韧度较高
• 不完全重结晶区(部分正火区)： 部分组织转变为奥氏体，冷却后获得细小铁 素体和珠光体，部分铁素体未发生相变，固该 区域晶粒大小不均匀。
(一) 氩弧焊
氩弧焊：利用惰性气体(氩气Ar)作为保护气
体的电弧焊。高温下，氩气不与金属起化学
反应，也不溶入金属。
氩弧焊机械保护作用好，电弧稳定性好， 金属飞溅小，焊接质量高。
按所用电极的不同，氩弧焊钨极(非熔 化极)和熔化极氩弧焊两种。
(二) 焊条
1．焊条的组成与作用
• 金属焊芯：作为电极，
产生电弧，并传导焊接电 流，焊芯熔化后作为填充 金属成为焊缝的一部分。
• 药皮：压涂在焊芯表
面的涂料层，主要作用
是保证电弧稳定燃烧。
2．焊条的种类
焊条可分为酸性焊条和碱性焊条。
• 酸性焊条：熔渣中以酸性氧化物为主。焊 缝塑性和韧度不高，且焊缝中氢含量高，抗 裂性差，但酸性焊条具有良好的工艺性。 • 碱性焊条(又称低氢焊条)：药皮中以碱性氧 化物与莹石为主，并含较多铁合金，焊缝力学 性能与抗裂性好，但碱性焊条工艺性较差。
第3章焊接接头的组织和性能
第3章焊接接头的组织与性能控制
• 焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区三部分组成、熔池金属在经历了一系列化学冶金反应后，随着热源远离温 度迅速下降，凝固后成为牢固的焊缝,并在继续冷却中发生固态相变。熔合区和热影响区在焊接热源的作用下，也将 发生不同的组织变化，很多焊接缺陷，如气孔、夹杂物、裂纹等都是在上述这些过程中产生，因此,了解接头组织与 性能变化的规律，对于控制焊接质量、防止焊接缺陷有重要的意义。 • •
• •ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ• • • • •
• • • • • • • •
3.1.3焊缝金属的固态相变 1、熔池结晶组织与焊缝固相转变组织的关系 （1）焊缝结晶的一次组织和二次组织 熔池凝固后得到的组织通常叫做一次组织，大多数钢高温奥氏体.在凝固后的继续冷却 过程中，高温奥氏体还要发生固态相变,又称为二次结晶，得到的组织称为二次组织。 焊缝经过固态相变得到的二次组织即为室温组织。二次组织是在一次组织的基础上转 变而成，对焊缝金属的性能都有着决定性的作用。 （2）焊缝一次组织对二次组织的影响 焊缝金属经历了从液态冷到室温的全过程，其二次组织是在快冷的条件下所形成的逸 出结晶组织的基础上在连续冷却的条件下形成的。因此，焊缝的最终组织不仅与γ→α 转变有关，而且与凝固过程有关。焊缝在不平衡条件下得到的一次组织，直接影响继 续冷却时过冷奥氏体的分解过程及分解产物。 1）焊缝一次组织组织粗大，影响焊缝对二次组织的晶粒度的大小，同时为产生魏氏 体创造了前提。 2）焊缝的偏析在熔池一次结晶时产生，对二次组织和性能产生影响。 2、焊缝金属固相转变 焊缝金属的固态相变遵循一般钢铁固态相变的基本规律。一般情况下，相变形式 取决于焊缝金属的化学成分与连续冷却过程的冷却速度。 1低碳钢焊缝的固态相变 材料极缓慢的冷却条件下，由铁碳合金状态图可知，在平衡状态下低碳钢的低碳钢其 中铁索体约占82％，珠光体约占18％ ，其硬度约为83 HB。 （1）焊缝的固态相变过程 熔池凝固后，全部变成A,继续冷却，冷至Ac3线A→A+F至Ac1线，剩余的A→P低碳钢 焊缝金属二次结晶结束时，其组织为F+ P。
5第三篇焊接成形工艺
J422 ——牌号（焊接行业中焊条代号）
药皮类型、电流种类、 1-5酸性、6、7碱性 抗拉强度 420MPa 结构钢焊条。
注意：
• 焊条型号是国家标准中的焊条代号；焊条牌号是焊 接行业的焊条代号，注意型号和牌号的对应关系。
• 按熔渣性质，焊条可分为两类： ➢ 酸性焊条：药皮熔渣中的酸性氧化物较多，适于各
5第三篇焊接成形工艺
第一章 回归分析的性质
焊接成型
• 焊接的实质 通过加热或加压等手段，使分离的两 部分金属借助于金属间原子的粘结与扩散作用， 使分离的金属材料牢固地连接起来，成为不可拆 卸的连接方式。
• 焊接特点 • 1）能化大为小，拼小为大：把大型复杂的机器零
部件，分解为简单的小零部件来准备毛坯，然后 再用焊接的方法把它们连接起来，这样可简化锻 造或锻压工艺，还可以解决铸锻能力的不足。
小，变形较小，焊缝致密无渣壳，成形美观。 • ③ 适用性广—可以焊接几乎所有的金属，特
别适于焊接易氧化材料。 • ④明弧可见，操作方便，可以全位置焊接。
•氩弧焊与熔渣保护焊相比的缺点
• ① 氩气成本高，设备比较复杂。 • ② 只能在室内进行焊接—以防保护气体被
破坏。 • 氩弧焊主要用于焊接铝、镁、钛及其合金，
• ④ 焊前预热，可减小温差，减少焊接应力 较为效。
• ⑤ 采用小能量焊接方法，或焊后立即捶击。 • ⑥ 需较彻底地消除焊接应力时，焊后去应
力退火。
• ⑦ 采用水压试验或振动法消除焊接应力。
（七）焊接变形
• 焊接变形：由焊接应力引起的变形。 • 变形种类： • 收缩变形 角变形 弯曲变形 扭曲变形 波浪变形
• 3）熔化金属与空气接触，产生氧化物，使钢中合金元素 C、Si、Mn烧蚀，氮、氢在高温下溶解于液态金属，产生 氮化物增加焊缝脆性，氢的溶入会引起氢脆化—空气在高 温电弧作用下分解出原子状态的氧、氮、氢。
第3章焊接接头组织和性能
第3章焊接接头组织和性能第3章焊接接头组织和性能焊接过程中焊缝及母材金属发生一系列金属形态的变化，包括焊缝金属的凝固和结晶，母材与热影响区金属在焊接加热和冷却过程中的组织变化，以及与凝固结晶相变有密切关系的各种缺陷的形成，这些过程直接关系到焊后接头的性能，因此，研究接头各区的组织特征和形成机制，对于提高接头性能具有重要的指导意义。
3.1焊接熔池和焊缝3.2焊接热影响区3.3熔合区3.1焊接熔池和焊缝基本概念：焊接熔池：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。
焊缝：焊接熔池凝固后形成的固态区域。
熔池的结晶行为(一次结晶)+焊缝金属的固态相变→焊缝金属的组织和性能。
3.1.13.1.23.1.33.1.4熔池的结晶特点熔池的结晶形态焊缝的固态相变组织焊缝组织和性能的控制3.1.1熔池的结晶特点1、非平衡的动态结晶1)熔池体积小，冷却速度大手工电弧焊V=2-10cm3,Vma某=30cm3υ焊泠=4~100℃/υ铸泠=(3~150)某10-4℃/S约为铸造的104倍由于体积小，冷却速度快，对含碳量高的合金钢易产生淬硬组织，裂纹，熔池中心与边缘有较大的温度梯度，焊缝中柱状晶发达。
2)熔池过热、温度梯度大熔池温度1770100℃溶滴2300℃±200℃铸件浇铸温度<1500℃熔池体积小、温度高，边界的温度梯度很大，可比铸造大104倍过热度大(烧损合金元素，自发晶核的质点减少)+大温度梯度→“柱状晶”发达3)熔池在运动中结晶熔池前部金属熔化，后部金属结晶。
焊接熔池所特有的金属结晶过程，与铸锭的金属结晶过程不同之处有下述各点。
(1)焊接熔池即受焊接热源的加热作用，同时又受到固体金属的冷却作用；(2)焊接熔池的液体金属为加热到不同温度的固体金属所包围。
焊接熔池侧壁的焊件金属加热的程度比熔池后壁焊缝金属的加热程度小。
(3)焊缝金属的平均结晶速度等于熔池的移动速度，也就是等于焊接速度。
焊接接头的组织和性能课件
搅拌摩擦焊是一种新型的固相焊接技术，具有低热输入、低变形、 无裂纹等优点，适用于铝合金、镁合金等轻质材料的焊接。
电子束焊接
电子束焊接具有高能量密度、深穿透、高精度等优点，适用于难熔金 属、复合材料等特殊材料的焊接。
高性能焊接接头的设计与制备
1 2
材料选择与匹配
根据材料的物理和化学性质，选择合适的母材和 填充材料，以提高焊接接头的性能。
实验研究
通过实验研究，测试焊接接头的 力学性能、耐腐蚀性能和疲劳性 能等，为实际应用提供依据。
THANKS。
04
环境因素对耐腐蚀性的 影响：如温度、湿度、 氧气浓度等。
04
焊接接头的影响因素
焊接工艺参数的影响
焊接电流
电流大小影响熔深和焊接速度。电流过大可能导致热影响 区扩大，焊接变形增大；电流过小则可能造成未熔合、未 焊透等缺陷。
电弧电压
电弧电压主要影响焊缝的宽度和余高。电压过高可能导致 焊缝宽而低，反之则窄而高。
焊接接头的无损检测技术
超声检测
利用超声波在材料中传播的特性，检测焊接接头 内部的缺陷和异常。
射线检测
通过X射线或γ射线的穿透和成像，检测焊接接头 内部的缺陷和异常。
磁粉检测
利用磁粉在磁场中的吸附特性，检测焊接接头表 面的裂纹和缺陷。
焊接接头的质量评估与改进
质量评估
根据无损检测和力学性能试验的结果，对焊接接头质量进行评估 ，确定是否满足设计要求和使用条件。
焊接工艺优化
通过调整焊接参数，如电流、电压、焊接速度等 ，优化焊接工艺，提高焊接接头的质量。
3
热处理与后处理
适当的热处理和后处理可以改善焊接接头的组织 和性能，进一步提高其力学性能和耐腐蚀性。
焊接工程学(第三章)
图3 试件形状 试件尺寸
试件名称 长L/mm 宽B/mm 焊缝长l/mm 1号试件 2号试件 200 200 75 150 125±10 125±10
焊接前先去除试件表面上的水分、铁 锈、油污及氧化皮等杂质。所用焊条 原则上应适合于所焊的试件，直径为4 mm。1号试件在室温下、2号试件在预 热温度下进行焊接。焊接参数为：焊 接电流：170±10A，焊接速度为150± 10mm/min。试件焊后在静止的空气中 自然冷却，不进行任何热处理。 不同强度等级和不同含碳量的钢种， 有不同的最高硬度值。
高碳钢
≥0.60
40HRC
弹簧、模具、钢轨
二、低碳钢的焊接
1、低碳钢的焊接特点： a、可装配成各种不同的接头，适合各种不 同位臵的施焊，且焊接工艺和技术简单，容 易掌握； b、焊前一般不需预热； c、塑性好，焊接接头产生裂纹的倾向小， 适合制造各类大型结构件和受压容器； d、不需使用特殊和复杂设备，对焊接电源 （交流直流）和焊接材料（酸性碱性）无特 殊要求。
三、金属焊接性的评定方法
1、工艺焊接性评定：主要评定对焊接缺陷的 敏感性，尤其是裂纹形成倾向。 A、直接模拟实验：按照实际焊接条件，通过 焊接过程观察焊接缺陷及其程度。主要有：冷 裂纹实验、热裂纹实验、应力腐蚀实验、脆性 断裂实验等。 B、间接推算法：根据材料的化学成分、金相 组织、力学性能的关系，并联系焊接热循环过 程对焊接进行评定。主要有：抗裂纹判据、焊 接应力模拟等。
4、未熔合和未焊透：在焊缝金属和 母材之间或焊道金属与焊道之间未完 全熔化的部分称为未熔合。未熔合常 出现在坡口的侧壁、多层焊的层间及 焊缝的根部。 未焊透是指母材金属之间应该熔合而 未焊上的部分。该缺陷一般出现在单 面焊的坡口根部及双面焊的坡口钝边。 未焊透易造成较大的应力集中，往往 从其末端产生裂纹。
焊接基础知识
在焊接时，使气体介质电离的方式主要有热电离、电场 作用下的电离、 光电离。 (1) 热电离 气体粒子受热的作用而产生的电离称为热电离。 温度越 高，热电离作用越大。 (2) 电场作用下的电离 带电粒子在电场的作用下，各作定向高速运动，产生较 大的动能，并不断与中性粒子相碰撞，不断地产生电离， 两电极间的电压越高，电场作用越大，则电离作用越强烈。 (3) 光电离 中性粒子在光辐射的作用下产生的电离，称为光电离。
(3) 角 接 接 头 两 焊 件 端 面 间 构 成 大 于 30° 、 小 于 135°夹角的接头，称为角接接头。角接接头承载能力较 差，一般用于不重要的结构中。
角接接头
a) I 形坡口 b) 单边 V 形坡口 c) 带钝边 V 形坡口 d) 带钝边双单边 V 形坡口
(4) 搭接接头
2个焊件部分重叠构成的接头称为搭接接头。
焊接时，根据阴极吸收能量的方式不同，所产生的电子发 射有以下几类： (1) 热发射 焊接时，阴极表面的温度很高，使阴极内部 的电子热运动速度增加，当电子的动能大于其逸出功时，电子 即冲出阴极表面而产生热电子发射。 (2) 电场发射 当阴极表面外部空间存在强电场时，电子 可获得足够的动能克服正电荷对它的静电引力，从阴极表面发 射出来ꎮ 两极间电压越高，则电场发射作用越大。 (3) 撞击发射 高速运动的正离子撞击阴极表面时，将能 量传递给阴极而产生电子发射的现象，称为撞击发射。电场强 度越大，在电场中正离子运动速度越快，产生撞击发射的作用 也越强烈。
a) 不开坡口
搭接接头形式 b) 圆孔塞焊缝 c) 长孔槽焊缝
(5) 坡口的选择原则 上述各种接头形式在选择坡口形式时，应尽量减少焊 缝金属的填充量，便于装配和保证焊接接头的质量，因此 应考虑下列几条原则： 1) 保证焊件焊透； 2) 坡口的形状容易加工； 3) 尽可能节省焊接材料，提高生产率； 4) 焊接后焊件变形尽可能小。
焊接接头的组织和性能
.
24
以上就是低合金高强钢焊缝金属可能存在 的几种组织。概括而言，我们希望得到较 多的针状细晶铁素体，不希望得到侧板条 铁素体，先共析铁素体，如果合金成分能 显著增加奥氏体稳定性，降低其分解温度， 这一愿望即可实现。试验表明Mn含量0.8～ 1.0%、Si0.1～0.25%，而Mn/ Si=3～6时，即 可得到细晶铁素体和针状铁素体。我们还 希望得到的贝氏体为下贝氏体，而不希望 产生上贝氏体或粒状贝氏体，以及孪晶高 碳马氏体，其办法是控制
.
25
冷却速度；使在600～450℃区间(贝氏体转变的 高温段)停留时间尽量短，以尽量减少形成粒 状贝氏体和上贝氏体的机会(可控制t8-5来实 现)、降低含C量，使一且发生马氏体转变时
能形成板条状位错型马氏体，它的存在有利 而无害。有资料表明，焊缝含有微量Ti、B有
利形成针状铁素体，而抑制先共析铁素体的 形成，Ti与B同时加入最佳，因为Ti优先和氧 反应对B不被氧化起到保护作用。B凝聚在A
学性能。
.
9
2、焊缝金属的显微组织与性能
低碳钢是亚共析钢，在焊接熔池冷却凝固 的一次结晶完成后，在一定温度下将发生 二次结晶即固态相变，这时的组织应该是 铁素体加少量珠光体。其组织质量分数的 不同和性能的不同取决于冷却速度，即冷 却速度越大，铁素体含量越少，
.
10
珠光体越高，硬度强度也随之增高，且组织 细小。反之则组织变粗，铁素体越多珠光体 越少、硬度强度降低。需要注意的是铁素体 的形态，在不同冷却速度下也是不同的。且 对性能有影响。
低温压力容器、锅炉专业用低合金高强度钢 标准。
.
18
1、低合金高强度钢的焊缝合金化
我们以焊条电弧焊为例来讨论。其实从焊条标
焊接接头组织和性能的控制
第七章 焊接接头组织和性能的控制1.焊接热循环对被焊金属近缝区的组织、性能有什么影响？怎样利用热循环和其他工艺措施改善HAZ 的组织性能？答：（1）在热循环作用下，近缝区的组织分布是不均匀的，融合去和过热去出现了严重的晶粒粗化，是整个接头的薄弱地带，而行能也是不均匀的，主要是淬硬、韧化和脆化，及综合力学性能，抗腐蚀性能，抗疲劳性能等。
（2）焊接热循环对组织的影响主要考虑四个因素：加热速度、加热的最高温度，在相等温度以上的停留时间，冷却速度和冷却时间，研究它是研究焊接质量的主要途径，而在工艺措施上，常可采用长段的多层焊合短道多层焊，尤其是短道多层焊对热影响区的组织有以定的改善作用，适于焊接晶粒易长而易淬硬的钢种。
2. 冷却时间100t t 8385、、t 的各自应用对象，为什么不常用某温度下（如540℃）的冷却速度？答：对于一般碳钢和低合金钢常采用相变温度范围800~500℃冷却时间（85t ）对冷裂纹倾向较大的钢种，常采用800~300℃的冷却时间83t ，各冷却时间的选定要根据不同金属材料做存在的问题来决定为了方便研究常用某一温度范围内的冷却时间来讨论热影响组织性能的变化，而某个温度下 比如540℃则为一个时刻即冷却至540℃时瞬时冷却速度 和组织性能。
故不常用某以温度下的冷却速度，对于一般低合金钢来讲，主要研究热影响区溶合线附近冷却过程中540℃时瞬时冷却速度3. 低合金钢焊接时，HAZ 粗晶区奥氏体的均质化程度对冷却时变相有何影响？ 答：奥氏体的均质化过程为扩散过程，因此焊接时焊接速度快和相变以上停留时间短都不利于扩散过程的进行，从而均质化过程差而 影响到冷却时间的组织相变，低合金钢在焊接条件下的CCT 曲线比热处理条件下的曲线向做移动，也就是在同样冷却速度下焊接时比热处理的淬硬倾向小，例如冷却速度为36s C / 时可得到100%的马氏体，在焊接时由于家人速度快，高温停留时间短使合金元素不能充分溶解在奥氏体内，奥氏体均质化过成差，使相变组织差。
第三章 焊接接头的组织和性能
1.1 焊接热影响区的组织转变特点
由于热影响区受热的瞬时性，即升温速度快、高温停留时 间短及冷却速度很快，使得扩散有关的过程都难以进行，进而 影响到组织庄边的过程及其进行的程度，由此出现了与等温过 程和热处理过程的组织转变明显不同的特点。
• 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，导致钢铁材料的相变温度Ac1和Ac3升高。 这就是说，焊接过程中的组织转变不同于平衡状态的组织转变，转 变过程已向高温推移。 焊接加热过程中组织转变向高温推移是由奥氏体化过程的性质 决定的。由铁素体或珠光体向奥氏体转变的过程是扩散重结晶过程， 需要有孕育期。在快速加热的条件下，来不及完成扩散过程所需的 孕育期，势必造成相变温度的提高。当钢中含有了碳化物形成元素 时，由于它们的扩散速度慢，而且本身还阻止碳的扩散，因而明显 减慢了奥氏体化的过程，促使转变温度升的更高。
硬度 HV
（1）最高硬度
图 3-33 所出了易淬 火和不易淬火两类钢 种焊接热影响区的硬 度分布情况。从右图 可以看出，无论是易 淬火钢和不易淬火钢， 其焊接热影响区的硬 度分布都是不均匀的， 而且在熔合线附近的 过热区中出现了比母 材还高的最高硬度 Hmax ，这正是过热区 发生淬硬及晶粒严重 粗化造成的结果。
一般而言，对组织其主要作用的冷
却时间是从某一特定温度冷却到另一种 特定温度所经历的时间。对于低合金钢 来说，这个特定的冷却时间往往选定相 变温度范围内的冷却时间，即从800 ℃ 冷却到500 ℃所经历的时间t8/5。采用解 析和作图方法可确定t8/5 与焊接参数的 关系。
图3-27给出了焊条电弧焊是t8/5 与工 艺参数关系的线算图， 可以确定给定的 焊接工艺参数下的t8/5 ，也可以按照t8/5 的要求来确定所需的焊接工艺参数。 例
第3章焊接接头的组织和性能
第3章焊接接头的组织和性能★焊接熔池和焊缝焊接熔池的结晶特点、结晶形态，焊缝的相变组织及焊缝组织和性能的控制。
★焊接热影响区焊接热影响区的组织转变特点、组织特性及性能。
★熔合区熔合区的边界，熔合区的形成机理，熔合区的特征焊接熔池：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。
焊缝：熔池凝固后所形成的固态区域。
焊缝组织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。
一. 焊接熔池的结晶特点(1) 熔池体积小、冷却速度大局部加热，熔池体积小；熔池被很大体积的母材包围，界面导热很好，熔池冷速很快。
碳当量高的钢种焊接时，易产生淬硬组织，甚至产生冷裂纹。
(2) 熔池过热、温度梯度大焊接加热速度快，熔池金属处于过热状态；熔池体积小，温度高，熔池边界的温度梯度很大。
非自发晶核质点显著减少，柱状晶得到显著发展。
(3) 熔池在动态下结晶熔池结晶和母材熔化同时进行，焊接区内各种力交互作用，使正在结晶中的熔池受到激烈的搅拌。
有利于气体的排除、夹杂物的浮出以及焊缝的致密化。
2. 联生结晶和竞争成长(1) 联生结晶焊接熔池结晶一般是从熔池边界开始，即在半熔化的母材晶粒表面上开始并长大。
结晶取向与焊缝边界母材晶粒的取向相同，初始晶粒尺寸等于焊缝边界母材晶粒的尺寸。
结晶取向与焊缝边界母材晶粒的取向相同，初始晶粒尺寸等于焊缝边界母材晶粒的尺寸。
(2) 竞争成长晶粒在不同方向上的成长趋势不同，只有最优结晶取向与温度梯度最大的方向(即散热最快的方向，亦即熔池边界的垂直方向)相一致的晶粒才有可能持续成长，并一直长到熔池中心；反之，只能长到一定尺寸而中止每个晶粒都是在不断的竞争中成长的，只有竞争优势明显的晶粒才能得到不断的成长，而竞争优势较弱的晶粒将在成长的中途夭折。
3. 结晶速度和方向动态变化(1) 结晶速度的表达式设任意晶粒主轴、任意点的结晶等温面法线方向与焊接方向的夹角为a,晶粒成长方向与焊接方向之间的夹角为在dt时间内熔池边界的结晶等温面从t时刻的位臵移到t+dt时刻的位臵。
第三章 焊接熔池和焊缝
焊接熔池和焊缝
主要内容 焊接熔池的结晶特点 焊接熔池的结晶形态
焊 接 冶 金
焊缝相变组织
焊缝组织和性能的控制
焊接熔池和焊缝 —— 焊缝相变组织
低碳钢焊缝的相变组织
铁素体和珠光体
焊缝具有较低的含碳量，相变后由铁素体和少量的珠光体组成，铁素 体在原奥氏体边界析出，其晶粒十分粗大，不同冷速晶粒尺寸不同。冷速 越快，珠光体越多，组织细化，显微硬度增高。多层焊或焊后热处理可破 坏柱状晶，得到细小的铁素体和少量容 焊接熔池的结晶特点 焊接熔池的结晶形态
焊 接 冶 金
焊缝相变组织
焊缝组织和性能的控制
焊接熔池和焊缝 —— 焊接熔池的结晶特点
同铸造凝固一样，熔池的结晶过程也是晶核的形成和长大过程， 由于凝固条件的巨大差异，使焊接熔池的结晶过程表现出非平衡结 晶、联生结晶和竞争成长以及成长速度动态变化的特征
的周期性波动。
焊接熔池和焊缝
主要内容 焊接熔池的结晶特点 焊接熔池的结晶形态
焊 接 冶 金
焊缝相变组织
焊缝组织和性能的控制
焊接熔池和焊缝 —— 焊接熔池的结晶形态
熔池结晶形成的固态焊缝中主要存在两种晶粒，柱状晶粒和少量 的等轴晶粒。柱状晶粒是通过平面结晶，胞状结晶，胞状树枝结晶 或树状结晶所形成。等轴晶粒是通过树枝状结晶形成的。
焊接熔池和焊缝 —— 焊接熔池的结晶特点
速度和方向动态变化
结晶速度的表达式
设任意晶粒主轴、任意点的结晶等温面 法线方向与焊接方向的夹角为a， 晶粒成长 方向与焊接方向直接的夹角为b, 在dt时间内， 熔池边界的结晶等温面从t时刻的位置一段 到t+dt时刻的位置，晶粒成长速度为R，焊 接速度为v，
焊接工艺原理及特点
2）焊缝的组织和性能
柱状树枝晶-热源移走后，熔池焊缝中的液体以垂直熔合 线的方式向熔池中心生长为柱状树枝晶（dh50）。
焊缝成型系数-焊缝宽度与高度之比B/H。当B/H很小时， 易形成中心线偏析，产生热裂纹。因低熔点物质将会被推 向焊缝最后结晶部位，形成成分偏析。宏观偏析的分布与 焊缝成型系数B/H有关，如图3-5所示。
氮和氢在高温时能溶解于液态金属中，氮还能与铁反 应形成FeN和Fe2N，Fe2N呈片状夹杂物，增加焊缝的脆性。 氢在冷却时保留在金属中造成气孔，引起氢脆和冷裂缝。
14
4.熔化焊焊接接头的组织与性能
1）焊接热循环 在焊接加热和冷却过程中，焊缝及其附近的母材上某
点的温度随时间变化的过程叫焊接热循环。(dh113)
1
2．焊接工艺特点
① 可将大而复杂的结 构分解为小而简单 的坯料拼焊。如汽 车车身生产过程， 先分别制造出车门、 驾驶室、前围和侧 围，再将各部件组 装拼焊。简化了工 艺，降低了成本。 又如汽缸体的生产。
2
2．焊接工艺特点
② 可实现不同材贵 重材料。
但焊接结构是不可拆卸的，更换修理部分的零部件不便， 焊接易产生残余应力，焊缝易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷 引起应力集中，降低承载能力，缩短使用寿命，甚至造成脆 断。因此，应特别注意焊接质量，否则易造成恶性事故。 起因是助推器两个部件之间的接头因为低温，变脆，破损， 喷出的燃气烧穿了助推器的外壳，继而引燃外挂燃料箱。燃 料箱裂开后，液氢在空气中剧烈燃烧爆炸。
② 熔池存在时间短，温度高；冶金过程进行不充分，氧 化严重；热影响区大。 ③ 冷却速度快，结晶后易生成粗大的柱状晶。
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2. 熔化焊的三要素
由熔化焊的本质及特点可知，要获得良好 焊接接头必须有合适的热源，良好的熔池 保护和焊缝填充金属。此称为熔化焊的三 要素。 1)热源 能量要集中，温度要高。以保证金属快速 熔化，减小热影响区。满足要求的热源有 电弧、等离子弧(dh143),电渣热、电子束 (dh156)和激光(dh92)。
焊接接头的性能及其影响因素
3．氢的影响
氢侵入焊缝的主要原因各种形态的水分： 焊接材料潮湿、坡口表面附近有油锈水 分，或焊接环境介质的湿度太大，氢在 高温条件下是以原子状态溶解到熔化的 金属中。
氢的存在危害极大，它使焊缝金属变脆， 塑性和韧性显著降低，导致氢致裂纹、 氢白点和氢气孔缺陷。
控制氢的措施：烘干焊条、焊剂，清除 锈、水、油污。选用低氢型焊条，采用 后热、消氢处理等。
4．不锈钢焊缝组织
奥氏体不锈钢一般为奥氏体加少量 （2%~6%）铁素体
铁素体不锈钢组织与采用的焊接材料有 关，焊接材料与母材金属化学成分相近 时，其焊缝组织为铁素体，焊接材料为 铬镍奥氏体时其焊缝组织为奥氏体。
马氏体不锈钢焊缝组织与焊接材料和热 处理状态有关，焊接材料与母材金属化 学成分相近时，焊态组织为马氏体，回 火后为回火马氏体，焊接材料为铬镍奥 氏体时，焊缝组织为奥氏体。
2．热影响区
受焊接热循环作用，组织和性能 发生变化的基本金属部分。 热影响区的宽度主要取决于焊接 线能量的大小。
3．熔合区
熔合区是焊缝区和热影响区的交 界处，在焊接过程中，处于固、 液状态的半熔化区。
熔合区一般很窄，约有 0.1~0.4mm宽，常称熔合线，在 合金钢焊接接头中很难区分出熔 合区。
第八章
焊接接头的性能及其影响因素
主要内容
第一节
焊 接 接头
第二节
焊 接 热循环
第三节 焊缝的金属组织和性能
第四节 熔合区和热影响区的组织和性
能
第 五节 影响焊接接头性能的因素及其
处理方法
第一节 焊 接 接 头
焊接接头是基本金属或基本金属和填充 金属在高温热源的作用下，经过加热和冷 却过程而形成不同组织和性能的不均匀体。
电焊接头的力学性能与强度分析
电焊接头的力学性能与强度分析电焊接头是一种常见的连接方法，在工业生产和建筑领域得到广泛应用。
它通过电弧将金属材料熔化并连接在一起，形成一个稳固的结构。
然而，电焊接头的力学性能和强度对于确保连接的可靠性和安全性至关重要。
本文将对电焊接头的力学性能和强度进行分析。
1. 电焊接头的构成和作用电焊接头由两个或多个金属工件通过电焊熔化连接而成。
它主要用于连接钢材、铝材等金属材料。
电焊接头的构成包括焊缝、熔合区和热影响区。
焊缝是焊接过程中形成的金属熔化区域，熔合区是焊接过程中热影响下的金属区域，热影响区是焊接过程中受热影响而发生的组织和性能变化的区域。
2. 电焊接头的力学性能电焊接头的力学性能包括强度、韧性和硬度等指标。
强度是指电焊接头在外力作用下能够承受的最大力量。
韧性是指电焊接头在受力过程中能够吸收能量而不发生破坏的能力。
硬度是指电焊接头的抗划伤能力。
这些性能指标直接影响着电焊接头的使用寿命和安全性。
3. 电焊接头的强度分析电焊接头的强度分析是对其承载能力进行评估和计算。
强度分析需要考虑焊接材料的强度、焊缝的形状和尺寸、焊接工艺参数等因素。
焊接材料的强度是指焊缝和母材的抗拉强度、屈服强度和冲击韧性等力学性能。
焊缝的形状和尺寸对于承载能力的影响很大，通常采用焊缝的有效截面面积进行计算。
焊接工艺参数包括焊接电流、焊接速度、焊接时间等，这些参数会影响焊缝的质量和强度。
4. 电焊接头的强度测试为了验证电焊接头的强度，需要进行强度测试。
常见的强度测试方法包括拉伸试验、冲击试验和硬度测试等。
拉伸试验通过施加拉力来测试电焊接头的抗拉强度和屈服强度。
冲击试验通过施加冲击载荷来测试电焊接头的韧性。
硬度测试通过测量焊缝和母材的硬度来评估电焊接头的硬度。
5. 电焊接头的强度提升措施为了提高电焊接头的强度，可以采取一些措施。
首先，选择合适的焊接材料，确保其具有良好的力学性能。
其次，优化焊接工艺参数，使焊接过程中的温度和应力分布均匀，减少焊接缺陷的产生。
焊接接头的组织和性能
G/R
30
2.焊缝中的结晶组织
(1)结晶组织的分布 熔池中成分过冷的分布在 焊缝的不同部位是不同的，将会出现不同的结 晶形态。Y↑, G↓、R ↑,过冷度↑
31
32
33
(2)焊接条件对结晶组织的影响
1) 溶质浓度影响 纯AL 99 .99%焊缝熔合线附近为平面晶， 中心为胞状晶。若纯AL99.6%，焊缝出现胞 状晶，中心为等轴晶 2) 焊接规范的影响 焊接速度过大时，焊缝中心出现等轴晶， 低速时，焊缝中心有胞状树枝晶。焊接电流 大时，出现粗大的树枝晶。
60
2)、片状M
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，容 易产生冷裂纹。
61
62
20μ
15μ
（a）
（b）
马氏体的显微组织 （a）板条状马氏体； （b）片状马氏体
63
3)、马氏体的强化和韧性
固溶强化，相变强化，时效强化 片状马氏体晶格畸变大，高密 度的显微裂纹，韧性差。
42
43
3）针状铁素体（AF）
生于500℃附近，出现于原奥氏体晶内的有方 向性的细小铁素体．宽约2μm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。
58
粒状贝氏体
59
(4) 马氏体转变
第三章 焊接接头组织与力学性能分析
第三章焊接接头组织与力学性能分析本章对不同焊接参数的接头试件，分别进行了拉伸、冲击、弯曲、硬度以及金相组织分析试验，通过接头的各项力学性能指标、组织和硬度，来研究不同焊接工艺对低温钢06Cr19Ni10与16MnDR的焊缝组织性能的影响，从中选择最优的焊接工艺。
3.1力学性能按照表2-7和表2-8提供的焊接工艺，焊制不同坡口和不同焊接参数条件下的异种钢接头，制备标准试样并按要求进行了拉伸、冲击及弯曲试验。
3.1.1拉伸试验结果及分析在WE-1000液压式万能试验机上对不同焊接接头分别作拉伸试验，每组焊接参数制备2个试样，共3组。
试验结果见表3-1。
表3-1 焊接接头拉伸试验参数试样编号试样厚度(mm)断裂载荷( kN )抗拉强度(Mpa)断裂部位和特征L1-A 16 175 545 断于焊缝L1-B 16 170 530 断于焊缝L2-A 16 172 540 断于焊缝L2-B 16 176 550 断于焊缝L3-A 16 168.0 525 断于焊缝L3-B 16 175.0 545 断于焊缝根据标准NBT 47014-2011拉伸试验合格指标，试验母材为两种金属材料时，每个试样的抗拉强度应不低于本标准规定的两种母材抗拉强度最低值中的较小值。
从试验结果看，不同焊接工艺下的焊接接头的抗拉强度基本上等同于两侧母材强度，且高于两种母材抗拉强度最低值中的较小值。
焊接的接头均满足关于拉伸试验的评定要求。
对比之下横位焊接中编号2的抗拉强度要略高于其他两组。
其焊接速度较快，虽然钝边略小，但焊接的坡口也较小，使其焊接时熔化的母材较少，因此熔合比相对其他组会较小。
这使其抗拉强度高的原因。
3.1.2 冲击试验结果及分析在JB-300B冲击试验机上对不同焊接接头分别进行冲击试验，每组焊接参数制备9个试样，在两侧热影响区和焊缝区各3个，共3组。
试验结果见表3-3。
表3-3 焊接接头的冲击试验参数试样编号试样尺寸（厚×宽×长）（mm）缺口类型缺口位置试验温度(℃) 冲击吸收功（J）C1-1-15×10×55 V型热影响区(不锈钢侧）-40℃C1-1-2C1-1-3C1-2-15×10×55 V型焊缝-40℃C1-2-2C1-2-3C1-3-15×10×55 V型热影响区（低温钢侧）-40℃C1-3-2 C1-3-3C2-1-15×10×55 V型热影响区(不锈钢侧）-40℃C2-1-2C2-1-3C2-2-15×10×55 V型焊缝-40℃C2-2-2C2-2-3C2-3-15×10×55 V型热影响区（低温钢侧）-40℃C2-3-2 C2-3-3C3-1-15×10×55 V型热影响区(不锈钢侧）-40℃C3-1-2C3-1-3C3-2-15×10×55 V型焊缝-40℃C3-2-2C3-2-3C3-3-15×10×55 V型热影响区（低温钢侧）-40℃C3-3-2C3-3-3根据标准NBT 47014-2011冲击试验合格指标，钢质焊接接头每个区3个标准试样为一组冲击吸收功平均值应符合设计文件或相关技术文件规定，且不低于表3-4中规定值，至多有一个试样的冲击吸收功低于规定值，但不得低于规定值的70%。
材料加工工艺第三章 焊接技术
材料工艺基础（焊接技术）
4
3.2.2 熔化焊接
(1) 氧－乙炔火焰焊（气焊）
可用于焊接大部分黑色金 属和有色金属工件，具有 设备简单，操作灵活，成 本低等优点，应用广泛。
特点：飞溅少，电弧稳定， 焊缝成形美观；焊丝熔敷速 度快，生产率高；调整焊剂 成分，可焊接多种材料；抗 气孔能力较强。但药芯焊丝 制造较困难，且容易变潮， 使用前应烘烤。
焊接材料：碳钢、低合金钢、不锈钢等
材料工艺基础（焊接技术）
14
(5) 电渣焊
电渣焊是利用电流通过熔渣所产生的电阻热作为热源进行 焊接的一种熔焊方法。
① 焊接温度低 ② 可焊接各种金属及合金 ③ 可焊接厚度差别很大的焊件
单件生产率低 焊前对焊件表面的加工清理和装配精度要求十分严格
在航空工业中，用扩散焊制成的钛制品可以代替多种制品、 火箭发动机喷嘴耐热合金与陶瓷的焊接。 机械制造工业中，将硬质合金刀片镶嵌到重型刀具上等。
材料工艺基础（焊接技术）
材料工艺基础（焊接技术）
29
滚焊视频
材料工艺基础（焊接技术）
30
(3) 对焊
利用焊件端面的电阻热，使断面达到热塑性状态，施加顶 压力实现焊接。可分为电阻对焊和闪光对焊。
材料工艺基础（焊接技术）
31
(4) 摩擦焊
利用焊件接触端面 相互摩擦产生的热 量，使端面达到热 塑性状态，然后迅 速施加顶锻力，实 现焊接的一种固相 压焊方法。
材料工艺基础（焊接技术）
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20921-3A
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
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。
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。
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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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3.1.4 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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3.2.1 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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3.1.1 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
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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。
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
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
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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℃。
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
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，
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
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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
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
740
820 80 710 810 100
740
790 50 800 860 60
775
835 60 860 930 70
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
(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
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
(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
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