第四章焊接接头的组织与性能

第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
侧板条铁素体 Ferrite Side Plate (FSP)
（3）针状铁素体（AF）
出现于原奥氏体晶内的有方问性的细小铁素体 ．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。
第四章 焊接接头的组织与性 能
第一节 熔池凝固和焊缝固态相变
熔焊时，在高温热源的 作用下，母材将发生局部熔 化，并与熔化了焊丝金属搅 拌混合而形成焊接熔池。 与此同时，进行了短暂而复 杂的冶金反应。 当焊接热源离开以后，熔池 金属便开始凝固（结晶）， 如图3-1。
• 熔池凝固过程的研究目的： • 熔池凝固过程对焊缝金属的组织、性能具有重要 影响。 • 焊接工程中，由于熔池中的冶金条件和冷却条件 不同，可得到性能差异很大的组织。 • 同时有许多缺陷是在熔池凝固的过程中产生的， 如气孔、夹杂、偏析和结晶裂纹等。 • 另一方面，焊接过程是处于非平衡的热力学条件， 因此熔池金属在凝固过程中会产生许多晶体缺陷， 如点缺陷（空位和间隙原子）、线缺陷（位错） 和面缺陷（界面）。这些缺陷的发展严重影响焊 缝的金属的性能。
合适的焊后热处理。必要焊后不再热处理，强烈 的共格沉淀强化作用，强度大幅度提高，韧性下降
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
（三）Ti、B对焊缝韧性的影响 大幅度提高焊缝韧性 （1）TiO 亲和力很大，TiO微小颗粒弥散分布，细化晶粒
（2）最佳含量 焊缝化学成分：w(C)=0.11～0.14%，w(Si)=0.20 ～0.35%，w(Mn)=1.2～1.5%，w(O)=0.027～ 0.032%，w(N)=0.0028～0.0055%， w(Ti)=0.01～0.02%，w(B)=0.0020～0.0060%。
（2）侧板条铁素体（FSP）生成于700一500℃ 是由晶界向晶内扩展的板条状或锯齿状铁 素体，实质是魏氏组织。其长宽比在20：１以上。 侧板条铁素体在低合金钢焊缝中不一定总是存在， 但出现的机会比母材多。
当先共析铁素体和侧板条铁素体长大时，其γ ／α界面上γ一侧的碳浓度增加，极为接近共析成 分，故γ易分解为珠光体而出现于侧板条铁素体的 间隙之中。侧板条铁素体晶内位错密度大致和先共 析块素体相当或稍高一些。
一、 熔池凝固的特点
1、熔池的凝固条件和特点 1）结晶过程：晶核生成、晶核长大 2）熔池的体积小、冷却速度大
熔池的体积最大只有30cm3，重量不超过 100g。周围冷金属→冷速非常大， 4100oC/s。钢锭平均冷速（3 150） 10-4 oC/s。
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2、熔池中的金属处于过热状态
电弧焊条件下，熔池温度1770100 oC，熔滴 2300200 oC。钢锭不超过1550oC。 3、熔池在运动状态下结晶
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二、熔池结晶的一般规律
形核与长大过程 在熔池状态下，结晶过程规律？焊缝金属结晶形态？ （一）熔池中晶核的形成 均匀形核与非均匀形核。过冷度，形核功。 焊接条件下，熔池中存在两种现成表面： 一种是合金元素或杂质的悬浮质点
（1）粒界铁素体(GBF)(先共析铁素体PF) 先共析铁索体(PF)——是沿原奥 氏体晶界析出的铁素体。先共析铁素体也称晶 界铁素体。有的沿晶界呈长条状扩展，有的以 多边形形状互相连结沿晶界分布。
在高温区发生γ→α，相变时优 先形成，因晶界能量较高而易于形成新相核心 。先共析铁素体的位错密度较低。
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二、调整焊接工艺参数改善焊缝的性能
（一）振动结晶 （1）低频机械振动 振动频率10000Hz以下，振幅2mm以下 （2）高频超声振动 超声波发生器，频率20000Hz以上，振幅10-4mm （3）电磁振动 强磁场，搅动，细化晶粒；降低残余应力
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
（3）Ti保护B不被氧化。原子B偏聚于晶 界(rB=9.8nm)，降低晶界能，抑制PF(GBF和 FSP)析出，促进AF形成，改善焊缝组织。
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（四）Mo对焊缝韧性的影响 w(Mo)=0.20～0.35%，得到FGF+AF，韧性最佳。 Mo和Ti联合作用。w(Mo)=0.20～0.35%， w(Ti)=0.03～0.05%，良好的韧性。 大能量埋弧焊，0oC时，夏比冲击功100J以上 。 （五）稀土元素对焊缝金属性能的影响 降低焊缝中的扩散氢含量，改善焊缝抗热裂倾向 ，改善焊缝金属韧性
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
w(Mn)=0.8%～1.0%时，焊缝冲击吸收功最高
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
焊缝中w(Mn)0.8%，w(Si) 0.10%，组织为 粗大的先共析铁素体（PF）
w(Mn)1.0%，w(Si) 0.10%，组织为粗大的 侧板条铁素体（FSP）
w(Mn)=0.8～1.0%，w(Si) =0.10～0.25%，组 织为细晶铁素体（FGF）和针状铁素体（AF）， 韧性最好（-20oC AKV100J）
（4）细晶铁素体(FGF)、(贝氏体铁素体)
生成于450℃以下。板条间为小倾角，板条内 的位错密度很高。
如在用不同强度级别焊条所焊接的焊缝， J507焊条的焊缝中有FSP，其间存在的确为珠光体 ，未见M－A； J707焊条的焊缝中，出现的是块状M－A组元； J807焊条的焊缝中已无PF，M—A组元呈颗粒状； J907焊条的焊缝中，因合金化程度提高而出现板 条状马氏体，部分M－A组元由颗粒状变成条状。
**熔合区的宽度对焊缝性能影响很大。由于焊接 工艺的因素，当熔合区宽度大时，焊缝的整体性能下 降。如奥氏体不锈钢的熔合区宽度在0.1mm时，对不 锈钢焊接接头的抗腐蚀性影响不大；但当该宽度较大 ，达到接近1mm时，则焊接接头的耐蚀性显著下降， 甚或出现裂纹。
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
3、熔合区的成分分布 成分严重不均匀→性能下降 熔合区固液界面附近元素（溶质）的浓度分布 决定于该元素在固、液相中的扩散系数和分配系数。
一种是熔合区附近半熔化的金属界面晶粒表面 （主要的非自发形核表面）。
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
（二）熔池中的晶核长大
粗大的柱状晶
柱状晶生长的形态与焊接条件密切相关，如焊接 线能量、焊缝的位置、熔池的搅拌与振动等。
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
五、焊缝金属的化学成分不均匀性
冷速快，化学成分扩散不充分→偏析 （一）焊缝中的化学不均匀性 显微偏析 成分偏析 区域偏析 层状偏析 晶界、亚晶界、树枝晶之间 杂质等在焊缝中心区域聚集 结晶过程的周期性变化
二、调整焊接工艺参数改善焊缝的性能
（二）焊后热处理 （三）多层焊接 （四）锤击焊道表面
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
超声冲击改善焊接接头疲劳强度
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
加入细化晶粒地合金元素，进一步改善组织， 提高焊缝韧性
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
（二）Nb和V对焊缝韧性的影响 适量的Nb和V可以提高焊缝冲击韧性。改善组 织，得到细小的AF。
w(Nb)=0.03～0.04%，w(V) =0.05～0.10%
时，焊缝韧性良好。
形成难熔的氮化物（NbN、VN），固定焊缝中 的N，韧性提高。
层状偏析往往聚集有害元素，也易于形成缺陷， 尤其是气孔→力学性能不均匀，抗腐蚀性下降，断 裂韧性降低等。
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
（二）熔合区的化学不均匀性 整个焊接接头的薄弱环节。易出现缺陷，裂纹等。
1、熔合区的形成 半熔化过渡状态、热传播不均匀、晶粒的传热方向不同
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
一、焊缝金属的固溶强化和变质处理 合金元素的作用，复杂。结合具体的钢种、焊 接方法和焊接工艺规范具体分析。
微合金化，Mo、V、Ti、Nb、B、Zr、Al和稀 土，细化晶粒→强韧性提高。
（一）Mn和Si对焊缝性能的影响 低碳钢和低合金钢焊缝中不可缺少的元素 焊缝金属充分脱氧 提高焊缝的抗拉强度（固溶强化）
针状铁素体 Acicular Ferrite (AF)
FGF+P
（二）珠光体
没有什么变化。
P+F
粒P+AF
（三）贝氏体 对焊缝性能影响很复杂。
粒贝
羽状Bu+板M
ຫໍສະໝຸດ Baidu
（四）马氏体 有淬硬倾向的钢，焊后冷却时可能形成马氏体。 冷裂纹形成概率增大
M+M-A
板M与M-A
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第四节 焊缝性能的控制
2、熔合区宽度
材料的液—固温度范围、被焊材料自身的热物 理性质和组织状态：
被焊金属的液相线温度 被焊金属的固相线温度
温度梯度
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
低合金钢熔合区附近的温度梯度约为300～ 80oC/mm，液固相线温度差约40 oC，因此，一般电弧 焊条件下，熔合区宽度为： A=40/（300～80）=0.133～0.50（mm） 奥氏体钢电弧焊：A=0.06～0.12mm
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第二节 焊缝固态相变
一、低碳钢焊缝的固态相变 含碳量低→铁素体+珠光体。 特点：组织粗大，过热时铁素体中有粗大魏氏组织 一次结晶组织：粗大的柱状晶
改善措施： 1)多层焊：使焊缝获得细小和少量珠光体，使柱状晶 组织破坏。 2 )焊后热处理：加热A3+20~30%消失柱状晶。 3)冷却速度：冷却速度↑，硬度↑
*异种钢焊接时，特别注意这一问题。很多焊接 接头的早期失效与此有关。
分析焊缝和熔合区的化学不均匀性,为什么 会形成这种不均匀性?
1、从冷态开始到加热熔化，形成熔池的温度可达 2000℃以上，母材又是冷态金属，两者温差巨大。 并且随热源的移动局部受热区也在不断移动，造 成组织转变差异和整个接头组织不均匀。 2、焊接熔池体积小，焊缝金属从熔化到凝固只有 几秒钟时间。在如此短时间内，冶金反应是不平 衡的，使焊缝金属的成分分布不均匀，有时区域 偏析很大。 3、焊接过程中温度高，液体金属蒸发，化学元素 烧损，有些元素在焊缝金属和母材金属之间相互 扩散，近缝区各段所处的温度不同，冷却后焊接 区的显微组织差别极大。
二、低合金钢焊缝的固态 相变组织
低合金钢焊缝二次组织，随匹配焊接 材料化学成分和冷却条件的不同，可由不 同的组织。以F为主，P、B、M占次要地 位。以F为主，F越细小，则韧脆转变温度 越低，一般以V型缺口冲击试件断口中纤 维区占50%时的温度VTS为判断.
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
（一）铁素体 铁素体的形态不同： 1、先共析铁素体 Pro eutectoid Ferrite (PF) 粒界铁素体Grain Boundary Ferrite (GBF) 2、侧板条铁素体 Ferrite Side Plate (FSP) 3、针状铁素体 Acicular Ferrite (AF) 4、细晶铁素体 Fine Grain Ferrite (FGF)