sAAA焊縫及其熱影響區(qū)的組織和性能教學課件

第九章焊縫及其熱影響區(qū)的

組織和性能HistoryReview7/22/20231材料成形原理-焊接

公元前，已出現(xiàn)焊接工藝，鑄焊、擴散釬焊（秦始皇陵銅車馬等）。19世紀，現(xiàn)代焊接技術得以發(fā)展（C弧、金屬弧、電阻熱）。20世紀，金屬電弧用于金屬結構生產(chǎn)，發(fā)明厚藥皮焊條。7/22/20232材料成形原理-焊接7/22/20233材料成形原理-焊接7/22/20234材料成形原理-焊接1921年，第一艘全焊遠洋船；30年代，大規(guī)模制造焊接結構；60年代，焊接結構空前普及；中國：上海金茂大廈；葛洲壩船閘閘門；三峽水電站船閘閘門；三峽工程水輪機轉子；九江長江大橋、蕪湖長江大橋等。7/22/20235材料成形原理-焊接7/22/20236材料成形原理-焊接7/22/20237材料成形原理-焊接7/22/20238材料成形原理-焊接1-1焊接及其冶金特點1、焊接（welding)的實質借助加熱或加壓，或者同時實施加熱和加壓以實現(xiàn)材料之間的原子結合。加熱：電弧電弧焊等離子焊化學熱氧－乙炔焊電子束電子束焊光束（包括激光束）光束焊激光焊加壓：冷焊加壓/加熱：鍛焊、電阻焊、摩擦焊、超聲波焊、爆炸焊7/22/20239材料成形原理-焊接從冶金角度液相焊接：基材和填充材料熔化－液相互溶－材料間原子結合。固相焊接：壓力使連接表面緊密接觸－表面之間充分擴散－實現(xiàn)原子結合。固－液相焊接：待接表面不接觸，通過兩者之間的毛細間隙中的液相金屬在固液界面擴散，實現(xiàn)原子結合。（釬焊）7/22/202310材料成形原理-焊接2、焊接方法的分類

（1）熔化焊(fusionwelding)（2）固態(tài)焊(solidstatewelding)/壓力焊（3）釬焊(brazing,soldering)7/22/202311材料成形原理-焊接7/22/202312材料成形原理-焊接3、熔化焊焊接接頭的形成

及其冶金過程焊接接頭焊接熱過程+焊接化學冶金+焊接物理冶金7/22/202313材料成形原理-焊接焊接熱過程焊接加熱的特點：熱作用集中性(局部熔化)、熱作用的瞬時性(熱源移動)溫度場、熱循環(huán)焊接化學冶金過程熔焊時，液態(tài)金屬、熔渣及氣相之間進行一系列的化學冶金反應。焊接物理冶金過程凝固結晶、固態(tài)相變7/22/202314材料成形原理-焊接7/22/202315材料成形原理-焊接焊接接頭示意圖7/22/202316材料成形原理-焊接

熔化焊的本質:在焊接條件下的小熔池熔煉和冷凝，金屬熔化和結晶的冶金過程。焊接接頭（weldedjoint）的組成：母材（basemetal）熱影響區(qū)（heataffectzone）熔合線（bondline）焊縫（weld）熔化焊的冶金特點：1）反應區(qū)的溫度高于一般的冶煉溫度2）熔池小冷卻速度快，液態(tài)金屬高溫停留時間短3）冶金條件差7/22/202317材料成形原理-焊接7/22/202318材料成形原理-焊接7/22/202319材料成形原理-焊接7/22/202320材料成形原理-焊接焊絲母材熔池焊道導電嘴

保護氣體溶滴電弧7/22/202321材料成形原理-焊接1-2焊縫金屬的組織與性能1、焊接熔池的凝固(1)焊接熔池的特征：1）熔池的體積小

熔池的形狀與尺寸

(≤30cm3,≤100g)7/22/202322材料成形原理-焊接2）熔池的溫度高1770±100℃>鋼錠:1550℃3）液體金屬處于運動狀態(tài)

熔池處于液態(tài)時間只有幾秒到幾十秒,各種力:電弧力、電磁力、熔滴，表面張力強烈的攪拌和對流運動4）熔池界面的導熱條件好母材導熱7/22/202323材料成形原理-焊接7/22/202324材料成形原理-焊接熔池中的流體動力學狀態(tài)及其對焊縫質量的影響熔池中的金屬是強烈運動著的：1）熱源產(chǎn)生的機械力的攪拌作用（如熔滴落下的沖擊力、電弧氣流的吹力；電磁力、離子的轟擊力以及熔池金屬蒸發(fā)所產(chǎn)生的反作用力等）；2）溫差引起的表面張力的變化，強迫金屬發(fā)生對流；3）溫差引起的液態(tài)金屬密度變化造成的對流；

熔池中的化學冶金反應以及生成的氣泡和熔渣的上?。?/22/202325材料成形原理-焊接有利作用：1）使母材和焊條金屬的成分充分混合，幫助形成成分和組織均勻的焊縫；2）加速了金屬和氣體及熔渣的反應速度，有利于有害氣體和非金屬夾雜物的逸出；3）避免焊接缺陷的產(chǎn)生，提高焊接質量；熔合線部位的問題7/22/202326材料成形原理-焊接(2)熔池凝固的特點1）聯(lián)生結晶（交互結晶、外延結晶）7/22/202327材料成形原理-焊接2)焊縫凝固:擇優(yōu)生長7/22/202328材料成形原理-焊接柱狀晶指向焊縫中心7/22/202329材料成形原理-焊接7/22/202330材料成形原理-焊接3）凝固速度7/22/202331材料成形原理-焊接晶粒成長的平均線速度是變化的:cosθ=0,θ=90°,Vc=0,說明在熔合區(qū)上晶粒開始成長的瞬間，成長的方向垂直于熔合區(qū)，晶粒成長的平均線速度等于零。cosθ=1,θ=0°,Vc=Vw,說明晶粒成長到接觸X軸時，晶粒成長的平均線速度等于焊接速度。

焊接工藝參數(shù)對晶粒成長方向和平均線速度均有影響當焊接速度大時，角越大，晶粒主軸的成長方向越垂直于焊縫的中心線；相反，當焊接速度小時，則晶粒主軸的成長方向越彎曲。7/22/202332材料成形原理-焊接平均成長速度與焊接速度有關;柱狀晶的最大成長速度不可能超過焊速;焊接熔池的實際凝固過程并不是連續(xù)的。柱狀晶成長速度的變化并不是十分有規(guī)律，有不規(guī)則的波動現(xiàn)象。焊縫凝固速度快7/22/202333材料成形原理-焊接(3)凝固金屬的組織形態(tài)柱狀晶+少量等軸晶柱狀晶內(nèi)：平面晶、胞狀晶、樹枝狀晶等軸晶內(nèi)：樹枝晶與熔池凝固過程密切相關。濃度梯度、成分過冷7/22/202334材料成形原理-焊接結晶形態(tài)主要決定于合金中的溶質的濃度C0、結晶速度R和液相中溫度梯度G的綜合作用。其關系如圖所示。G/R1/2平面晶胞狀晶胞狀樹枝晶樹枝晶等軸晶C0

％7/22/202335材料成形原理-焊接焊縫凝固特點焊縫組織7/22/202336材料成形原理-焊接7/22/202337材料成形原理-焊接2、焊縫金屬的組織（1）低碳鋼焊縫金屬的室溫組織a、先共析鐵素體b、針狀鐵素體c、珠光體（2）低合金鋼焊縫金屬的顯微組織a、先共析鐵素體b、針狀鐵素體c、珠光體d、馬氏體f、貝氏體7/22/202338材料成形原理-焊接3、焊縫金屬性能的控制（1）焊縫合金化與變質處理（2）工藝措施（振動結晶、焊后熱處理）7/22/202339材料成形原理-焊接

焊縫組織的強韌性熔合區(qū)的特性同種鋼的熔合區(qū)7/22/202340材料成形原理-焊接1-3焊接熱影響區(qū)的組織與性能1、焊接熱循環(huán)(weldthermalcycle)

焊接熱循環(huán)：焊接加熱過程中，焊縫金屬附近某點的溫度由低到高，再由高到低的過程。由加熱速度Vh，最高溫度θm，相變以上高溫停留時間th，冷卻速度VC或冷卻時間tc四個參數(shù)組成。2、焊接熱影響區(qū)的組織轉變特點

焊接熱循環(huán)的特點（1）加熱溫度高（2）加熱速度快（3）高溫停留時間短（4）局部加熱

焊接加熱過程中奧氏體化的特點7/22/202341材料成形原理-焊接焊接熱循環(huán)1、焊接熱循環(huán)的意義焊件上某一點P的溫度隨時間的變化過程叫作焊接熱循環(huán)。7/22/202342材料成形原理-焊接7/22/202343材料成形原理-焊接預熱溫度T0的影響7/22/202344材料成形原理-焊接7/22/202345材料成形原理-焊接2、焊接熱循環(huán)的主要特征參數(shù)加熱速度H

峰值溫度Tp高溫（相變溫度）停留時間tH某一溫度Tc瞬時冷卻速度C（800-500）某一溫度區(qū)間的冷卻時間tA7/22/202346材料成形原理-焊接焊接熱影響區(qū)在焊接熱源作用下，焊縫兩側發(fā)生組織成份性能變化的區(qū)域叫“熱影響區(qū)”.又叫“近縫區(qū)”。7/22/202347材料成形原理-焊接焊接熱影響(Heat-AffectedZone,簡稱HAZ)材料因受焊接熱影響（但未熔化）而發(fā)生金相組織和力學性能變化的區(qū)域。7/22/202348材料成形原理-焊接在焊接加熱及冷卻條件下熱影響區(qū)的組織轉變特點

(1)由于金屬的相變需要一段孕育擴散時間，在快速加熱和冷卻條件下，這一孕育過程來不及完成，因而相變點將發(fā)生較大變化，出現(xiàn)較大的“過熱度”及“過冷度”(Ac1、Ac3升高，Ar1、Ar2降低)，另外，轉變組織的均質化程度也進行得很不充分；(2)由于近縫區(qū)溫度很高，所以高溫下晶粒長大比較嚴重；(3)由于冷卻速度快，熱影響區(qū)的淬火傾向將增大。7/22/202349材料成形原理-焊接3、焊接熱影響區(qū)的組織與性能變化

低碳鋼和不易淬火鋼（1）熔合區(qū)（2）過熱區(qū)（1100℃以上）（3）相變重結晶區(qū)（正火區(qū)）（850~1100℃）（4）不完全重結晶區(qū)(部分相變區(qū))（700~850℃)易淬火鋼（1）完全淬火區(qū)（2）不完全淬火區(qū)）

HAZ的性能變化HAZ的硬化HAZ的軟化7/22/202350材料成形原理-焊接1.熔合區(qū)2.過熱區(qū)3.正火區(qū)4.不完全重結晶區(qū)5.母材6.淬火區(qū)7.部分淬火區(qū)8.軟化區(qū)熱影響區(qū)的組織與性能7/22/202351材料成形原理-焊接7/22/202352材料成形原理-焊接Q235鋼HAZ組織特點母材2267/22/202353材料成形原理-焊接Q235鋼HAZ組織特點過熱區(qū)2267