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α，晶粒成长方向与焊接方向之间的夹角为β，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。

(2)成长速度和方向不断变化
熔池边界上不同位臵的等温线的法线方向不同，晶粒成长过程中的成长方向不断变化，成长速度也在发生变化。

当晶粒由熔池两侧开始结晶一直成长到最后的过程中，晶粒成长的方向和速度均随结晶进程而动态变化，其成长方向由垂直于焊接方向逐渐转向焊接方向，而成长速度由零逐渐增大到焊接速度。

(3)焊接速度对成长速度和方向的影响
1)对成长方向的影响
焊接速度增加，焊接温度场范围变小，熔池形状变得细长，晶粒成长的方向角变大，晶粒越向垂直于熔池中心线的方向成长，易于形成垂直于焊缝中心线的柱状晶。

焊接速度较小时，晶粒成长的方向角可以由90º逐渐变小，并达到很小的数值，从而形成弯曲的晶粒。

2)对成长速度的影响
焊接热源功率一定时，焊接速度增大时，晶粒成长速度增大，成长速度的增长率增大。

在固态焊缝中主要存在两种晶粒（宏观）
柱状晶粒（平面结晶、胞状结晶、胞状树枝结晶、树枝状结晶）
等轴晶粒：树枝状结晶
二.焊接熔池的结晶形态
1. 熔池结晶的典型形态
(1)平面结晶
过冷条件：固-液界面前方液相温度梯度G 很大，液相温度曲线T不与结晶温度曲线T L相交，液相中不存在成分过冷区。

形成机理：固-液界面前方温度较高，一旦晶芽向前凸出生长，将被较热的液态金属所熔化，结晶过程只能以平面形式向前推进，从而形成平滑的结晶界面。

出现部位：平面结晶形态多发生在高纯度金属的焊缝中，或位于温度梯度很高而结晶速度很小的焊缝边界层内。

(2)胞状结晶
过冷条件：当G 较大时，T与T L在短距离x内相交，形成较小的成分过冷区。

形成机理：平面结晶界面处于不稳定状态，其上长出许多平行束状芽胞，凸入过冷液相，并向前生长，于是在晶内形成了相互平行的胞状亚晶，其断面呈现六角形的胞状形态。

(3)胞状树枝结晶
过冷条件：随G的减小，T与T L相交的距离x增大，形成的成分过冷区增大。

形成机理：晶体成长加快，胞状晶前沿更向液相凸出，深入液相较长距离。

同时，凸出部分向其周围排除溶质，使横向产生成分过冷，并在主干的横向上长出二次分枝。

但由于主干的间距较小，因而二次分枝较短，从而形成了特殊的胞状树枝晶。

(4)树枝状结晶
过冷条件：当G 进一步减小时，T与T L相交的距离x进一步增大，形成较大的成分过冷区。

形成机理：晶体成长速度更快，在一个晶粒内除产生一个很长的主干外，还向四周长出很多二次横枝，甚至在二次横枝上还长出三次横枝。

这些横枝不断长大，直至邻近横枝接触为止，从而形成典型的树枝晶。

(5)等轴结晶
过冷条件：当G 很小时，T与T L在很远处相交，从而在液相中形成很大的成分过冷区。

形成机理：不但结晶前沿出现树枝状结晶，而且在液相内也产生新的晶核。

这些晶核周围所处状态相同，可以自由成长，从而形成几何形状几乎对称的等轴晶粒。

(6)综合分析
熔池的结晶形态取决于液相的成分过冷程度。

随成分过冷程度的增大，依次出现平面晶、胞状晶、胞状树枝晶、树枝晶和等轴晶等结晶形态。

成分过冷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，可直接从W、R和G的综合作用考察熔池结晶形态的变化规律。

溶质含量W的影响：在R和G一定的情况下，随W的增加，成分过冷程度增大，结晶形态将由平面晶依次过渡到胞状晶、胞状树枝晶、树枝晶和等轴晶。

结晶速度R的影响：当W和G一定时，R越快，成分过冷程度越大，结晶形态也将由平面晶依次过渡到胞状晶、胞状树枝晶、树枝晶和等轴晶。

温度梯度G的影响：当W和R不变时，G越大，成分过冷程度越小，结晶形态演变方向将变为由等轴晶依次过渡到树枝晶、胞状树枝晶、胞状晶和平面晶。

2. 焊缝中的结晶组织
(1)结晶组织的分布：焊接熔池中的不同部位，具有不同的温度梯度和结晶速度，因而具有不同的成分过冷，出现不同的结晶形态，形成分布不同的结晶组织。

焊缝边界
温度梯度G大，结晶速度R小，难于形成成分过冷，故多以平面结晶的形态成长。

过渡区域
随晶体逐渐远离焊缝边界而向焊缝中心生长，温度梯度G逐渐减小，结晶速度R逐渐增大，溶质含量逐渐增加，成分过冷区逐渐加大，结晶形态将依次向胞状晶、胞状树枝晶及树枝晶发展。

焊缝中心
在焊缝中心附近，温度梯度G变得最小，结晶速度R达到最大，溶质含量最高，成分过冷显著，可能导致等轴晶粒的形成。

三.焊缝的相变组织
对于有同素异构转变的焊缝金属，焊接熔池完全结晶后所形成的固态焊缝，在随后的冷却过程中将发生相的转变，从而形成相变组织，亦即焊缝最终的组织。

随焊缝化学成分和冷却条件的变化，低合金钢焊缝中可能形成铁素体F、珠光体P、贝氏体B及马氏体M等相变组织，而且它们会呈现出多种形态，从而具有不同的性能。

1. 铁素体F：低合金钢焊缝中的铁素体具有比较复杂的形态，按其形态特征和出现的部位分为先共析铁素体GBF、侧板条铁素体FSP、针状铁素体AF和细晶铁素体FGF。

(1)先共析铁素体GBF
形成条件：先共析铁素体又称晶界铁素体，是焊缝冷却到770~680℃的较高温区内，沿奥氏体晶界首先析出的铁素体。

形态特征：先共析铁素体的形态可以是沿晶扩展的长条形，也可以是沿晶分布的块状多边形。

合金含量越低，高温停留时间越长，冷却速度越慢，先共析铁素体的数量越多。

性能影响：先共析铁素体为低屈服点的脆性相，因而使焊缝金属的韧性降低。

(2)侧板条铁素体FSP
形成条件：侧板条铁素体又称无碳贝氏体，是焊缝冷却到700~550 ℃的较宽温区内，从先共析铁素体的侧面以板条状向原奥氏体晶内生长的铁素体。

形态特征：侧板条铁素体的形态呈现镐牙状，长宽比在20以上。

性能影响：侧板条铁素体内部的位错密度比先共析铁素体高，使焊缝金属的韧性显著降低.
(3)针状铁素体AF
形成条件：针状铁素体是在500℃附近的中等冷却速度下，在原奥氏体晶内以针状生长的铁素体。

形态特征：针状铁素体宽度约为2μm，长宽比在3~5之间，常以某些弥散氧化物或氮化物质点为核心放射性成长，使形成的针状铁素体相互制约而不能自由成长。

性能影响：针状铁素体内部的位错密度更高，位错之间相互缠结，分布也不均匀，但对于屈服强度低于550MPa、硬度在175~225HV之间的焊缝来讲，针状铁素体的增加可显著改善焊缝金属的韧性。

(4)细晶铁素体FGF
形成条件：细晶铁素体又称贝氏铁素体，是在有细化晶粒的元素（如钛、硼等）存在且在稍低于500℃的温度下，在原奥氏体晶内形成的晶粒尺寸较小的铁素体。

形态特征：细晶铁素体是介于铁素体与贝氏体之间的转变产物，晶粒细小，且在细晶之间有珠光体和渗碳体析出。

性能影响：细晶铁素体因其晶粒细小而对焊缝的强度和韧性具有较好的作用。

2. 珠光体P
形成条件：珠光体是低合金钢在接近平衡状态下，在Ac1~550℃温区内发生扩散相变的产物。

在焊接的非平衡状态下，原子不能充分扩散，抑制了珠光体转变。

只有在预热、缓冷及后热等使冷速变得极其缓慢的情况下，才能在焊缝中形成少量的珠光体。

形态特征：珠光体是铁素体和渗碳体的层状混合物，根据层片的细密程度可分为层状珠光体PL、粒状珠光体Pr和细珠光体PS。

其中，粒状珠光体Pr又称托氏体，而细珠光体PS又称索氏体。

性能影响：焊缝中的珠光体能增加焊缝的强度，但使韧性降低。

3. 贝氏体B
（1）上贝氏体Bu
形成温区:550-450
形态特征：呈羽毛状沿原奥氏体晶界析出，其内的平行条状铁素体间分布有渗碳体。

(2)下贝氏体BL
形成温区：450℃~Ms 左右。

形态特征：许多针状铁素体和针状渗碳体机械混合，针与针之间成一定的角度，铁素体内还分布有碳化物颗粒。

性能影响：下贝氏体中铁素体针成一定交角，碳化物弥散析出于铁素体内，使得裂纹不易穿过，因而具有良好的强度和韧性。

(3)粒状贝氏体BG或条状贝氏体BP
形成条件：在稍高于上贝氏体转变温度且中等冷却速度下形成的。

形态特征：块状铁素体上分布有富碳的马氏体和残余奥氏体，即M-A组元。

粒状贝氏体：当M-A组元以粒状分布在块状铁素体上时对应的组织。

条状贝氏体：当M-A组元以条状分布在块状铁素体上时对应的组织。

岛状马氏：体粒状贝氏体中的M-A组元也称岛状马氏体，其硬度高，在载荷下可能开裂或在相邻铁素体薄层中引起裂纹而使焊缝韧性下降。

4. 马氏体M马氏体是在Ms 点以下温区内发生的切变型相变的产物。

在快速冷却条件下，会发生由过冷奥氏体向马氏体的转变，形成板条马氏体MD或片状马氏体MT。

(1)板条马氏体MD
形态特征：在低碳、低合金焊缝中形成，其特征是在原奥氏体晶粒内部形成具有一定交角的马氏体板条，每个马氏体板条内部是平行生长的束状细条。

别称：板条马氏体含碳量低，板条内存在许多位错，因而又称低碳马氏体或位错马氏体。

性能影响：板条马氏体具有较高的强度和良好的韧性，是综合性能最好的一种马氏体。

5. 焊缝最终组织的构成
焊缝具体由哪些组织所构成，是由焊缝的化学成分和冷却条件决定的。

根据化学成分所建立的焊接连续冷却组织转变图（焊接CCT图），可以确定焊缝最终组织的构成。

焊接CCT图是焊接条件下连续冷却组织转变图的简称，它给出了一定成分的焊缝或热影响区组织（有时还有硬度）与冷却时间（或冷却速度）的关系。

对于Fe-0.11C-1.44Mn-0.31Si-0.071O焊缝金属而言，当缓慢冷却时，焊缝组织由先共析铁素体GBF 和珠光体P构成；而当快冷时，焊缝组织变成针状铁素体AF、细晶铁素体FGF和马氏体M。

四.焊缝组织和性能的控制
通过冶金方面和工艺方面的控制来实现焊缝组织的控制，从而保证焊缝具有足够高的强度和韧性，亦即使焊缝具有良好的综合力学性能。

1. 冶金方面的控制
冶金方面的控制是指通过向焊缝中添加合金化元素来改善焊缝金属的组织和性能。

合金化元素主要包括锰、硅、钛、硼、钼、铌、钒、锆、铝以及稀土等。

(1)锰和硅的作用
锰和硅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。

当锰和硅的含量适中时，得到细晶铁素体和针状铁素体的焊缝组织，具有较高的韧性。

反之，含量较低时得到粗大的先共析铁素体，含量较高时得到侧板条铁素体，二者均使韧性降低。

应当指出，单纯采用锰和硅来提高焊缝韧性是有限的，特别是大线能量焊接时，难以避免产生粗大的先共析铁素体和侧板条铁素体，此时必须向焊缝中加入晶粒细化元素，以进一步改善焊缝的组织和韧性。

(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，显著提高焊缝的韧性。

钛能与硼、氮和氧形成TiB2、TiN和TiO等微小颗粒，作为非自发形核的质点而细化晶粒；在由δ向γ转变中，像“钉子”一样阻碍奥氏体晶粒的长大；在由γ向α转变中，促进针状铁素体的大量形核，从而形成细小均匀的针状铁素体，改善焊缝的韧性。

硼是表面活性元素，在钛的保护作用下得以自由存在，高温下极易向奥氏体晶界扩散，降低晶界能，增强奥氏体的稳定性，使其向铁素体转变的开始温度降低，因而抑制了先共析铁素体和侧板条铁素体的形核与长大，促进了针状铁素体的生成，改善了焊缝的韧性。

2. 工艺方面的控制
(1)工艺优化及多层焊接
（2）震动与锤击处理
（3）焊后热处理
一、焊接热影响区组织转变特点
1、加热过程组织转变的的特点。

（1）焊接加热速度快，导致ac1和ac3升高，而且ac1和ac3之间的温差越大。

即焊接加热过程中的组织转变不同于平衡状态的组织转变。

本质原因：铁素体和珠光体向奥氏体转变过程是扩散重结晶过程，需要孕育期。

快速加热来不及完成孕育过程，造成相变温度提高。

钢中含有碳化物形成元素时，其扩散速度慢，还阻止碳的扩散过程，明显减慢奥氏体均质化过程，使转变温度升的更高。

（2）奥氏体均质化程度降低，部分晶粒严重长大
奥氏体均质化是扩散过程，焊接的快速加热和短暂的高温停留，不利于扩散过程的进行，试奥氏体均质化程度降低；熔合线附近的峰值温度很高，造成晶粒过热而发生严重长大。

2、冷却过程组织转变的的特点。

（1）ac1和ac3均降低，转变过程向低温推移。

此时的共析成分不在是一个点，而是一个成分区间。

（2）冷却过程中马氏体转变临界冷速发生变化，即焊接连续冷却组织转变图(焊接CCT图）上Ms点附近的曲线左移或右移。

其本质原因：在焊接热循环的作用下，熔合线附近的晶粒因过热而粗化，不存在碳化物的溶解过程，增加了奥氏体的稳定性，使淬火倾向增大；钢种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，使脆硬倾向降低。