第3章焊接接头的组织和性能
第三章__焊接接头
坡口二等分平面之间的夹角.
▪ 2、常见的焊接位置 ▪ 〔1〕平焊位置 ▪ 〔2〕横焊位置 ▪ 〔3〕立焊位置 ▪ 〔4〕仰焊位置
焊条
上端
焊 接 方 向
下端
下
▪ 3、常用的焊接位置的名词术语 ▪ 〔1〕船形焊 ▪ 〔2〕平焊 ▪ 〔3〕横焊 ▪ 〔4〕立焊 ▪ 〔5〕仰焊 ▪ 〔6〕向上〔下〕立焊,热源自下〔上〕向上〔下〕
▪ 7．控制熔合比
▪ 熔化焊时,被融化的母材在焊缝金属中所占的百分 比叫熔合比.控制它在焊后获得希望得到的焊缝. 当母材和焊材化学成分基本相同时,熔合比对焊缝 金属性能无明显影响.当母材与焊接材料有较大差 别或较多杂质时,一般选择较小的熔合比.
T形〔十字〕接头
T形接头的承载能力
Fy M
Fx
Fy
Fz
M Fx
T形接头是典型的电弧焊接头,能承受各种方向的力和 力矩,这类接头应避免采用单面角焊缝,因为这种接头的 根部有很深的缺口,其承载能力低.
角接接头
两板件端面构成30°~135°夹角的焊接接 头称作角接接头,角接接头多用于箱形构件.
二、坡口形式和几何尺寸
▪ 3〕CO2气体保护焊
▪ 利用从送丝焊嘴中喷出的CO2气体隔离空气,保护焊接 电弧和熔化金属,并且不断地向熔池送进焊丝与熔化的 母材金属熔合形成焊接接头的工艺方法,简称MAG焊.除 去气体保护焊的共同优点外,还具有抗氢气孔能力强、 适合薄板焊接、易进行全位置焊接等优点.也是一种高 效节能成本低的焊接方法.在不同的焊接条件下,正确地 调整焊丝成分,将对焊接过程产生很大的影响,也是CO2 气体保护焊得到高质量焊接接头的保证.
改善焊接接头性能的方法焊缝和热影响区的组织特征对接头的力学性能影响很大改善方法有1选择合适的焊接工艺方法同一接头同一材料采用不同的焊接方法焊接工艺时接头性能会有很大差异
《金属熔焊原理及材料焊接》习题答案
《金属熔焊原理及材料焊接》习题答案绪 论一、填空题1．连接金属材料的方法主要有____________、____________、____________、____________等形式，其中，属于可拆卸的是___________、____________属于永久性连接的是____________、____________。
2． 按照焊接过程中金属所处的状态不同，可以把焊接分为___________、___________ 和__________三类。
3．常用的熔焊方法有_____________、_______________、_______________等。
4．焊接是通过____________或___________或两者并用，用或不用______________，使焊件达到结合的一种加工工艺方法。
5．压焊是在焊接过程中，必须对焊件施加___________，以完成焊接的方法。
二、判断题（正确的划“√”，错的划“×”）1．焊接是一种可拆卸的连接方式。
﹙ ﹚2．熔焊是一种既加热又加压的焊接方法。
﹙ ﹚3．钎焊是将焊件和钎料加热到一定温度，使它们完全熔化，从而达到原子结合的一种连接方法。
﹙ ﹚4．钎焊虽然在宏观上也能形成不可拆卸的接头，但在微观上与压焊和熔焊是有本质区别的。
﹙ ﹚5．焊接接头由焊缝和因焊接热传递的影响而产生组织和性能变化的焊接热影响区构成。
﹙ ﹚6．焊接是通过加热或加压，或两者并用，用或不用填充材料，使焊件达到原子结合的一种方法。
﹙ ﹚答案一、填空题1．螺纹连接 键连接 铆接 焊接 螺纹连接 键连接 铆接 焊接2．熔焊 钎焊 压焊3．气焊 焊条电弧焊 CO气体保护焊24．加热 加压 填充材料5．压力二、判断题1．× 2．× 3× 4．√ 5．√第一章 焊接热源及其热作用一、填空题1．常用焊接热源有_____________热、_____________热、_____________热、_____________和_____________等。
焊接接头和焊缝形式3
4.接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头，均属D类焊接接头，但已规定为A、B类的焊接接头除外。
（五）压力容器焊接接头种类划分及要求
3.平盖、管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体、接管连接的接头，内封头与圆筒的搭接接头以及多层包扎容器层板层纵向接头，均属C类焊接接头。
这是选择坡口的最基本要求
两件表面构成大于或等于135°，小于或等于180°夹角的接头，叫做对接接头。应力集中相对较小，且易于降低和消除（例如将余高去除）。所以从力学角度看对接接头是比较理想的接头形式，不但静载荷可靠，而且抗疲劳强度也高。如图1所示。
第三章 焊条电弧焊
二、焊接接头的类型及特点
4．焊缝厚度
焊缝计算厚度是设计焊缝时使用的焊缝厚度。
对接接头单面焊时，计算厚度不小于0.7δ
在角焊缝的横截面中画出的最大等腰直角三角形中直角边的长度叫焊脚尺寸，见上图。
6．焊缝成形系数
熔焊时，在单道焊缝横截面上焊缝宽度(C)与焊缝计算厚度(H)的比值(ф＝C／H)见下图。该系数值小，则表示焊缝窄而深，这样的焊缝中容易产生气孔和裂纹，该系数值大，则表示焊缝宽而浅，这样的焊缝抗气孔和裂纹的能力强，所以焊缝成形系数应该保持一定的数值，例如埋弧自动焊的焊缝成形系数ф要大于1.3。
2.按施焊时焊缝在空间所处位置分：
3.按焊缝断续情况分：
连续焊缝和断续焊缝两种形式。
焊缝表面与母材的交界处叫焊趾。焊缝表面两焊趾之间的距离叫焊缝宽度，如下图
图：焊缝宽度
（二）焊缝的形状尺寸
焊缝的形状用一系列几何尺寸来表示，不同形式的焊缝，其形状参数也不一样。
1．焊缝宽度C
（2）.但在动载或交变载荷下，它非但不起加强作用，反 而因焊趾处应力集中易于促使脆断。所以余高不能低于母材但也不能过高。
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。 • •
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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。
第三章-焊接接头的不均匀性
角接头
§3-2 焊接接头的工作应力分布和工作性能
一,应力集中的定义
σ max KT = σm
二,电弧焊接头的工作应力分布和工作性能 一对接接头
二丁字接头,十字接头
三搭接接头
1.正面角焊缝的工作应力分布
正面搭接焊缝的弯曲变形
2.侧面角焊缝的工作应力分布
3.联合角焊缝搭接接头中的工作应力分布
二,焊接接头的不均匀性及其力学行为
一热影响区的力学性能
1.强度和塑性
2.韧性
3.热塑变脆化
二焊缝金属的力学性能
三低强焊缝金属的力学性能
低组配-硬夹软 高组配-软夹硬
三,焊接接头的基本形式
一焊缝的基本形式 1.对接焊缝
2.角焊缝
二接头的基本形式
搭接接头: 开槽焊和塞焊
丁字(十字)接头
�
4.盖板接头中的工作应力分布
三,接触焊接头的工作应力分布和工作性能
点焊接头
多排点焊接头排数多于三排是不合理的, 因为不能增加承载能力.
单排点焊缝焊点间距小,对降低应力集中有利; 但会使接头强度降低
Байду номын сангаас
正应力
四,铆焊联合接头与铆焊联合结构
铆焊联合接头是不合理接头形式
铆焊联合结构的优点
1.刚度小 2.应力集中系数低 3.内应力低 4.止裂性好 5.减少工地焊接,保证质量
焊接知识点总
四焊接概述一什么是焊接?焊接实质是用加热或同时加压并用或不用填加材料使焊件到达原子或离子结合的一种加工方法.实际上被焊接的可以是非金属,如塑料,用钎焊还可以把金属与非金属连接起来.二焊接特点及应用1特点1）省工省料（与铆接比）可省料12~20%.2）能化大为小,拚小为大.大型构造,复杂零件,用焊接组合构造,焊接可将铸件,锻件连接起来,简化铸锻工艺和设备.3）可以制造双金属构造,节省贵重金属.（联想铸造离心铸造）车刀,钻头硬质合金刀片+金刚石膜4）生产率高便于实现机械化,自动化.2应用桥梁大容器水压机飞机汽车轮船电子组件….三焊接分类（按焊接过程特点）1熔化焊:局部加热将焊接接头加热熔化,并形成共同的熔池,冷却结晶形成结实接头,将两工件焊接成整体.2压力焊:利用加压力（或同时加热）的方法,使两工件结合面严密接触在一起,并产生一定的塑性变形或熔化,使他们的原子组成新的结晶,将两工件焊接起来.包括:电阻焊摩擦焊冷压焊等3钎焊:对工件和作为填充金属的钎料进展适当的加热,工件金属不熔化,但熔点低的钎料被熔化,后填在工件之间与固态的被焊接金属互相扩散,钎料凝固后,将两工件焊接在一起.如铜焊银焊锡焊第一章熔化焊电弧焊气焊激光焊等§1手工电弧焊（焊条电弧焊）利用焊条与焊件之间产生的电弧热,将工件和焊条熔化而进展焊接的手工操作.一焊接过程及特点1焊接过程:回忆实习2特点:优点:设备简单.接头形式、焊缝形状、焊接位置、长度不受限制。
缺点：有弧光，劳动条件下降，质量不稳，生产率低。
3应用：单件小批，碳钢，低合金钢，不锈钢，铸铁焊补。
适宜板厚3~20mm o二焊接冶金过程特点〔焊条和局部被焊接金属在电弧高温作用下的再熔炼过程高于一般冶金温度，可以看成是一个冶金过程〕1焊接电弧和熔池温度高：造成金属氧化烧损，电弧区气体分解，增大气体活拨性，氧化、氮化〔Fe4N、Fe2N〕易形成气孔、夹渣等缺陷。
降低焊缝的塑性、韧性。
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。
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
熔焊原理：焊接接头的组织与性能
熔焊原理：焊接接头的组织与性能
层状偏析的存在，说明焊缝的凝固速度在作周期性变化，但造成这种变化的 原因，目前尚未完全认识清楚。层状偏析对焊缝质量的影响目前研究的也不够充 分。现已发现，层状偏析不仅可能使焊缝金属的力学性能不均匀，有时还会沿层 状线产生裂纹或气孔等缺陷。
三、焊缝金属的固态相变 熔池凝固后得到的组织通常叫做一次组织，对大多数钢来说是高温奥氏体。 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，二者承前启后，对焊缝金属的性能都有 着决定性的作用。 1．低碳钢焊缝的固态相变 低碳钢焊缝的二次组织主要是铁素体十少量的珠光体，这是因为其含碳量很 低所致。一般情况下，铁素体首先沿原奥氏体柱状晶晶界析出，可以勾画出凝固 组织的轮廓。当焊缝在高温停留时间较长而冷速又较高时，铁索体也可从奥氏体 晶粒内部沿一定方向析出，以长短不一的针状或片状直接插入珠光体晶粒之中， 而形成所谓魏式组织。而在冷却速度特别大时，低碳钢焊缝中也可能出现马氏体 组织。
熔焊原理：焊接接头的组织与性能
1．焊缝金属的变质处理 液体金属中加人少量合金元素使结晶过程发生明显变化，从而使晶粒细化的方 法叫做变质处理。 2．振动结晶 振动结晶是通过不同途径使熔池产生一定频率的振动，打乱柱状晶的方向并 对熔池产生强烈的搅拌作用，从而使晶粒细化并促进气体排出。常用的振动方法 有机械振动、超声振动和电磁振动等。
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。
焊接接头的组织和性能
G/R
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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。
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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。
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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
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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。
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粒状贝氏体
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(4) 马氏体转变
第三章(高温合金的焊接)
70年代以后，我国开始引进欧美发动机WS-8、WS-9、WZ-6、 WZ-8，并研制生产出WP-13 等发动机，相应引进和试制了一批欧美体 系的高温合金，并按欧美标准进行质量管理和生产，使我国高温合金 生产水平接近西方工业国家的水平。与此同时，我国自行研究和开发 了一批新的镍基高温合金，如GH4133、GH4133B、GH3128、GH170、 K405、K423A、K419和537等。
● Al、Ti同时存在，部分Ti代替Al， γ′相变为Ni3（Al， Ti），Ti促进γ′相变析出，并提高γ′相的强度；。
● Al、Ti总量决定γ′相数量。 γ′相越多，合金高温性 能越高；
● W、Mo、Nb、Ta等原子半径大的元素，不同程度地进入 γ′，使合金的热稳定性提高；
● Ni基合金中Fe控制得很低。ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
具体归纳为： (a) 在镍中能形成无限固溶体或者溶解度很大的元素。 (b) 原子半径比镍大的合金元素，加入到镍的固溶体中时，将会使点
阵常数增大。 (c) 高温蠕变时应考虑扩散型变形机构的影响，利于加强原子间的结
合力。 (d) 固溶体中溶质原子的补给、不均分布有助于合金热强性的提高。 (e) 溶质原子的加入，还可以通过改变位错的某种属性、阻止位错高
航空喷气发动机生产的需要是我国高温合金发展的动力。材料 标准是高温合金设计、生产、验收的技术依据，1956年我国正式 开始研制生产高温合金，第一种高温合金是GH3030，WP-5火焰筒 ，有抚顺钢厂、鞍山钢铁公司、冶金部钢铁研究总院、航空材料 研究所和410厂共同承2担试制任务，1957年顺利通过长期试车后 投入生产。到1957年底，继GH3030合金之后，WP-5 发动机用的 GH4033、GH34和K412合金相继试制成功。
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）
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(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）
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滚焊视频
材料工艺基础（焊接技术）
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(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）
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(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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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
3.1.1 焊接熔池的结晶特点
路吾漫将漫 上其下修而远求20兮索9,21-3A
图3-5 焊接速度对晶粒成长速度的影响
3.1.1 焊接熔池的结晶特点
(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。
3.1.2 焊接熔池的结晶形态
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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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3.1.2 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。
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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。
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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。
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图3-1 联生结晶及竞争成长 a) 示意图 b) 微观照片
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。
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
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x增大 ，所形成的成分过冷区增大，如图3-8a所示。
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
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
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 成较小的成分过冷区，如图3-7a所示。
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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℃。
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
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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3.1.2 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)
50 100
焊接电流/A 150 胞状晶 胞状晶
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
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3.1.1 焊接熔池的结晶特点
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图3-2 晶粒成长速度与焊接速度的关系
3.1.1 焊接熔池的结晶特点
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图3-3 晶粒成长速度和方向的变化
3.1.1 焊接熔池的结晶特点
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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 线TL相交，因而液相中不存在成分过冷区，如图3-6a所示。
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第3章焊接接头的组织和 性能
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
2020年4月11日星期六
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。