焊接热输入对X100管线钢粗晶区组织及性能的影响

焊接热输入对X100管线钢粗晶区组织及性能的影响
焊接热输入对X100管线钢粗晶区组织及性能的影响

第31卷第3期2010年3月

焊 接 学 报

TRANSACTI ONS OF T HE C H I N A W ELDI NG I N STI TUTI ON

Vo.l 31 No .3M arch

2010

收稿日期:2009-04-09

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50874090)

焊接热输入对X100管线钢粗晶区组织及性能的影响

张骁勇1,2

, 高惠临2

, 庄传晶3

, 吉玲康

3

(1.西安建筑科技大学材料科学与工程学院,西安 710048;2.西安石油大学材料科学与工程学院,西安 710065;

3.中国石油天然气集团公司管材研究所,西安 710065)摘 要:采用热模拟技术、显微分析方法和力学性能测试等手段,对X100管线钢在不同焊接热输入下粗晶区的组织及性能的变化规律进行了研究.结果表明,随着焊接热输入的增加,X100管线钢的强韧性降低.当热输入为10kJ/c m 左右时,焊接粗晶热影响区的显微组织以贝氏体铁素体和粒状贝氏体为主,这种组织赋予材料以最佳的强韧性水平;当热输入为20kJ/c m 左右时,焊接粗晶热影响区的显微组织以粒状贝氏体和准多边形铁素体为主,材料有较好的强韧配合;而当热输入大于30kJ/c m 时,由于多边形铁素体增多,材料的强韧性降低.因此可将10~20kJ/c m 作为X 100管线钢的推荐热输入.

关键词:X100管线钢;焊接热输入;组织;性能中图分类号:TG 142.1

文献标识码:A

文章编号:0253-360X (2010)03-0029-

04

张骁勇

0 序 言

X100是超高强度管线钢中的一种典型钢种.采用X100作为高压、大流量天然气输送管线管材,

具有较大的经济效益.资料显示[1,2]

,在油气管道建设中,采用X80代替X70,可降低成本7%;采用X100代替X70,则可降低成本30%.所以X100管线钢的研究和开发,日益受到人们的关注.X100是一种新型的微合金化管线钢,在国内外的研究历史不长.在已有的文献中

[3-5]

,多限于管线钢钢板性

能的研究,对X100管线钢在焊接热过程中组织及

性能的特征及其变化规律却知之不多.焊接热影响区粗晶区是整个焊接接头中性能最为薄弱的区域,因此研究X100管线钢在不同焊接热输入条件下的粗晶区组织及性能的变化规律及其焊接脆化的特征,对掌握X100管线钢焊接冶金的基本规律和推动X100管线钢的工业应用具有重要的意义.

1 试验方法

试验用X100管线钢板厚度为14.3mm,化学成

分见表1,力学性能见表2,其基本金相组织为针状铁素体.

表1 X100的化学成分(质量分数,%)

Tab l e 1 C hem i c a l composition o f X100p ipe li n e s t ee l

C S i M n P S C r M o 0.050.252.000.0120.00320.330.33N i Nb V T i Cu A l Fe 0.46

0.055

0.007

0.022

0.20

0.046

余量

表2 X100的常规力学性能

Tab l e 2 Mechan ica l p roper ties o f X100p ipe li n e st ee l

屈服强度R e L /M Pa 抗拉强度R m /M Pa 断后伸长率A (%)屈强比R eL /R m 冲击吸收功A KV /J 730

805

20.5

0.91

191

采用热模拟试验获取X100管线钢在不同焊接热输入条件下粗晶热影响区(coarse gra i n hea t affect zone ,CGHAZ)的组织结构.热模拟试验在G leeble 1500型热模拟机上进行,热模拟参数如表3所示.其中热循环的几种t 8/5覆盖了石油、天然气输送钢管在制管焊接和野外施工焊接过程中所采用的不同焊接热输入下的冷却参数.

热模拟试样分别采用 10mm 65mm 和10.5mm 10.5mm 55mm 的初始试样,试样于板厚中部(沿板厚方向两面对称加工)横向截取.热模拟试验后再将试样加工 5mm 25mm 的标准比例拉伸试样和10mm 10mm 55mm 的标准Charpy 冲击试样,沿板厚方向开制V 形缺口.拉伸试验在

30

焊 接 学 报第31卷

表3 X100焊接粗晶影响区热模拟参数

Tab l e 3 Ther m a l sm i u la tion parame ters for CGHA Z

热输入

E /(kJ c m -1)加热速度v /(! s -1)

峰值温度T /!冷却时间t 8/5/s 高温停留时间t H /s

900!1100!10130130053.622.95151301300105.433.602013013002010.867.203013013004021.7114.414013013007038.0025.2350

130

1300

100

54.28

36.03

MTS ?880型万能试验机上进行;冲击试验在JBC -300电子测力冲击试验机上进行.

光学金相试样经机械抛光后以3%硝酸酒精溶液进行腐蚀,在REC HART MEF3A 光学显微镜下观察.TE M 试样经机械减薄至50 m 后,在双喷电解装置上以10%高氯酸+90%醋酸溶液进行双喷,在JE M 200CX 透射电子显微镜上观察.SE M 试验在TESLA ?BS ?300型扫描电子显微镜上进行.

2 试验结果及分析

2.1 力学性能特征

2.1.1 强塑性

X100焊接粗晶热影响区的强塑性与焊接热输入的关系如图1所示.从图中可以看出,随着热输入的增加,屈服强度和抗拉强度降低,断后伸长率略有变化.在低的焊接热输入条件下可获得高的强度水平

.

图1 X100在不同热输入下的拉伸力学性能

F i g 1 Tensile m echan i c a l p rope rty o f X100a t d ifferen t

hea t inpu t s

2.1.2 冲击吸收功

在不同焊接热输入条件下,X100焊接粗晶热影响区在-20!时的夏比冲击吸收功变化规律如图2所示

.

图2 X100在不同热输入下的冲击吸收功(-20!)Fig 2

I

m pact abso rp tion energy o f X100a t d iff erent hea t inpu ts(-20!)

试验结果表明,X100CGHAZ 的冲击吸收功随着热输入的增加而降低.当热输入在10~20kJ/c m 范围内,CGHAZ 的韧性符合工程要求.当热输入超过20kJ/c m 时,CGHAZ 的韧性明显降低,表现为焊接局部脆化.

为了研究X100CGHAZ 的韧脆转变能力,测试了X100CGHAZ 在热输入为10kJ/c m 下的系列温度冲击吸收功.试验结果如图3所示.试验结果表明,在不同的试验温度下,焊接粗晶热影响区的韧性变化不大,具有优良的韧脆转变能力

.

图3 E =10kJ/c m 时CGHAZ 系列冲击吸收功Fig 3 I mpact abso rp tion ene rgy a t ser i a l t empe ra ture a t

E =10kJ /cm

2.2 组织结构特征及其对性能的影响

现代管线钢是一种控轧、控冷状态的低碳微合

金化钢.由于低碳、超低碳和多元的微合金化设计,以及在焊接过程中加热速度快、加热温度高和冷却速度范围较广的工艺特点,管线钢焊接粗晶热影响区(CGHAZ)的显微组织形态呈现多样性和复杂性

[6]

.

X100管线钢母材典型的光学显微组织为针状

铁素体.在TE M 下,这种针状铁素体的形态如图4,

第3期张骁勇,等:焊接热输入对X100管线钢粗晶区组织及性能的影响31

由平行的板条贝氏体铁素体组成,板条间分布有M A 组元

.

图4 X100母材的透射电镜组织Fig 4 TEM m icrostructure o f X100base stee l

具有针状铁素体特征的这种X100管线钢在经受不同焊接参数的热过程后,其显微组织发生较大的变化.图5是在不同的焊接热输入下,X100焊接粗晶热影响区的光学显微组织.已有的研究结果表明

[7]

,在管线钢的焊接热过程中,根据焊接热输入

不同,所形成的主要组织形态主要有多边形铁素体(PF)、准多边形铁素体(QF)、粒状贝氏体(GB )和贝氏体铁素体(BF).

图5a 表明,在较低的焊接热输入下(10kJ/c m ),由于冷却速度较大,CGHAZ 的组织形态多为从奥氏体晶界向晶内平行生长的细密板条,不同

位向的板条使原奥氏体晶界清晰可见.分析表明,这种细密的板条组织为BF+GB,板

条间为薄膜状

图5 X100在不同焊接热输入下的光学显微组织F ig 5 OM m icrostruct u re o f X100a t d iff e ren twe l d ing inp uts

或条状M A,组织较为细小.这种BF+GB 的SE M 和TE M 的电子显微形态如图6所示.这一组织形态所具有的细小的有效晶粒、高密度的位错亚结构

和弥散分布的微合金碳、氮化合物的沉淀析出等组织结构因素,赋予材料优良的强韧特性

[8]

.

在中等焊接热输入下(20kJ/c m ),管线钢C GH

图6 E =10kJ/cm 时的组织F ig 6 M icrostruc t u rea l at E =10kJ /cm

AZ 组织形态有所不同.由图5b 可以看出,由于冷速有所降低,C GHAZ 的组织主要为GB +QF .这种组织形态的SE M 形貌如图7所示.比较图6和图7可以发现,在图6的快冷条件下,板条细小,板条间

的岛状组织纵横比较大,并由这种岛状组织勾画出板条的痕迹.而在图7的较慢冷却速度下,这种岛状组织多呈块状,并出现部分QF ,因而使得CGHAZ 的强韧性有所降低.

32 焊 接 学 报

第31

图7 E =20kJ/c m 时的扫描电镜形貌Fig 7 SEM mo rpho l o gy a t E =20kJ /cm

在高的焊接热输入下(50kJ/c m ),由于冷却速度的降低,管线钢的组织形态发生了明显的变化.由图5c 的组织观察可以发现:一方面,晶粒粗化的

倾向比较明显;另一方面,组织中的QF+PF 增多.在TE M 下(图8),这种多边形铁素体或等轴铁素体的组织特征揭示得更为清晰.一般认为

[7]

,多边形

铁素体不是管线钢的理想组织状态.随着多边形铁素体或等轴铁素体组织含量的增加,材料的强韧性降低

.

图8 E =50kJ/c m 时形成的多边形铁素体

F i g 8 PF a t E =50kJ /c m

3 结 论

(1)随着焊接热输入的增加,X100管线钢的强韧性降低.当焊接热输入在10~20kJ/c m 范围内,X100管线钢的焊接粗晶热影响区有较好的强韧特

性,可作为X100管线钢推荐的热输入.

(2)在10kJ/c m 左右的较低热输入下,X100管线钢焊接粗晶热影响区的显微组织为BF+GB .这种组织赋予材料以最佳的强韧性水平.

(3)在20kJ/c m 左右的中等焊接热输入下,X100管线钢焊接粗晶热影响区的显微组织以GB+QF 为主,材料有较好的强韧配合.

(4)当热输入为50kJ/c m 时,一方面晶粒粗化比较明显,另一方面粗晶区中的BF 和GB 被QF 和

PF 替代,致使材料的强韧性降低.参考文献:

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li ne p i p es [C ]#B eiji ng :Internati onal S e m inar Forum of X100/X120Grate H igh Perf or m ance P i pe Steels ,2005.

[2] 罗海文,董 瀚.高级别管线钢X80-X120的研发与应用

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Luo H ai w en,DongH an .Devel opm en t of X80-X120h i gh grade li nep i p e steels and t h ei r app li cati on s [J ].Ch i na M etallurgy ,

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[3] G l overA.Research and app licati on ofX100and X120[C ]#B ei

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[M ].西安:陕西科学技术出版社,2008.

[8] 李鹤林,郭生武,冯耀荣,等.高强度微合金管线钢显微组织

分析与鉴别图谱[M ].北京:石油工业出版社,2001.

作者简介:张骁勇,男,1971年出生,博士研究生.主要从事管线

钢的研究和教学工作.发表论文10余篇.

Em ai :l

xyzhang @https://www.360docs.net/doc/941072043.html,

MA I N TOPI C S,ABSTRACTS&KE Y WORDS2010,Vo.l31,N o.3

Abstrac t:The effec ts of w elding speed and we l d i ng d irec ti on on N d:YAG l ase r s hort currentM AG hybri d we l d i ng stab ili ty were i nvestigated.The expe ri m en tal results sho w ed tha t we l d i ng arc stability o fM AG and laser+MAG wou l d decrease w ith the i ncreasi ng of w elding speed,but the a rc o f laser+M AG get m ore stab l e compar i ng w it h M AG arc.The max i m a l w e l d i ng speed o f laser+MAG is m ore than one ti m e fast comparing w ith tha t of MAG.The hybr i d w eldi ng arc i n arc l eading d irec ti on w ou l d get m ore stable co m pari ng w i th that o f lase r lead i ng d irec ti on.

K ey word s: GM AW;laser w eldi ng;hyb ri d we ldi ng; w elding pro cess stability

Anal ysis of laser M AG hybrid we l d i ng p las m a rad i ation L I Zhiyong1,W ANG W ei2,W ANG X uyou2,L I H uan3(1. W e l d i ng R esearch Cen ter,N orth U n i ve rs i ty of Ch i na,T aiyuan 100081,Ch i na;2.H arbin W elding Institute,H arb i n150080, Ch i na;3.Schoo l of M ate rial Sc i ence and Eng i neer i ng,T ian jin U n i versity,T ian jin300072,Ch i na).p21-24,28

Abstrac t: H o llow probe i s used t o detect the p l as m a rad i a ti on o f specific po i nt pass i ng the probe for spectru m co llecti ng. T he rad i a ti on o fMAG and l ase r M AG hybrid we l d i ng are co llect ed w ith fi ber spectrom eter.The spa ti a l distr i buti on o f t he rad i a ti on is ana l yzed to compare the d ifferences bet w een w e l d i ng process w it h and w it hou t laser hybr i d.Further m ore,h i gh speed v ideo is a lso appli ed to study the coupli ng m echanics o f l aser M AG hybr i d.The res u lt sho w s t hat a h i ghe r radiati on i ntensity zone w ill be for m ed i n the arc center.Bes i de t he cen ter zone, there is a so m ewhat l owe r rad i a ti on i ntensity zone.An?ion ized duct zone%w ill be f o r m ed near the lase r f o cused po i nt.T he ion ized duc t i s dom ina ted by F e fu m e.The ion ized duct m akes the w elding arc m ore stable w hen t he l aser is appli ed.The h i gher ra d i ation i n tensity zone changes the distr i bution o f plas m a energy, thus m akes t he energy f ocus on the arc center.The coupli ng e ffect of l aser MAG hybrid w eldi ng w ill f o r m w eld bead w it h dee per pene trati on than M AG w e l d i ng.

K ey word s: laser;M AG;hybrid we l d i ng;plas ma;spec trum

Feature evalua ti on and selection of pen etration arc sound si gna l based on n eural n et work L I U L ij un1,2,LAN H u2, ZHENG H ongyan3(1.N i ngbo Institute of T echno l ogy,Zhe ji ang U n i versity,N i ngbo315100,Zhe ji ang,Ch i na;2.Schoo l ofM a teria l Sc ience&Eng i neeri ng,H arb i n U niversity o f Science and T echnology,H a rbin150080,Chi na;3.A pplied Science Col leg e,H arb i n U n i versity of Sc i ence and T echno l ogy,H a rbin 150080,Ch i na).p25-28

Abstrac t: In we l d i ng processi ng pene trati on detecti on and d i agnos i s based on arc sound,how t o choose its proper para m e ters is v i ta l t o diagnosis.The feature ev al uation and se l ec ti on m ethods w ere presented,t he resu lts tra i ned by neura l net w ork w ere used to eva l uate fea t ure param eters.Because neural net w ork sati sfied the non li near m app i ng requ i re m ent for high reso l u ti on i nfor m ation compression,the co m plex class ificati on proble m in w elding penetration pattern recogn iti on was transferred to fea t ure pro cessi ng stag e,and fea t ure extra tion w as rea lized by neu ra l net w ork effecti ve l y.An ill ustrati on vali dated t he e ffecti veness o f the m e t hod.

K ey words: neural net w ork;penetrati on;arc sound;fea t u re eva l uati on;patte rn recognition

Influence of w elding heat i npu t on m icrostructure and prop erties of coarse grai n h eat affected zon e i n X100p ipe li n e steel Z HANG X i aoyong1,2,GAO H u ilin2,Z HUANG Chuan ji ng3,JI L i ngkang3(1.Schoo l of M ater i a l s Science and Eng i neering,X i an U n i versity o f A rchitecture and T echno l ogy,X i an 710055,Ch i na;2.School o f M ater i a ls Science and Eng i nee r i ng,X i an Sh i you U n i versity,X i an710065,Ch i na;3.T ubu lar G oods R esearch Center o f China N ati onal P etro l eu m Corporati on, X i an710065,China).p29-32

Abstract: The i nfl uence o fw e l d i ng heat i nput on t he m i crostructure character izati on and properties of coarse g ra i n heat affected zone(CGHA Z)i n a X100pi pe li ne stee l we re investi ga ted by m eans of t her m a l si m u lati on techn i que,m icroscopic ana l ys i s m ethod and m echan i ca l property testi ng.T he resu lts sho w ed tha t the streng th and toughness o f X100p i pe li ne stee l decreased w it h t he w e l d i ng hea t i npu t i ncreasi ng.T he m icro structure of CGHAZ was m a i nly m ade up o f bainitic ferrit and granular ba i n iti c w hich cou l d bring ex ce llent streng t h and toughness when w e l ding heat w as about10kJ/c m.The quasi po lygonal ferr i te and g ranu l ar bai n itic were for m ed w ith w eldi ng heat i nput about 20kJ/c m,w hich could g et fine streng t h toughness.W hen the w e l ding heat i nput w as higher than30kJ/c m,the streng t h and toughness decreased because of t he i ncreas i ng o f po l ygonal fe r rite.Therefore,w eldi ng hea t i nput at rang e o f10-20kJ/cm w as reco mm ended i n t he we ldi ng process of X100pipe li ne stee ls.

K ey w ords: X100p i peli ne stee;l w e l d i ng hea t i nput;m i crostructure;properties

E stab lish of u ltrason ic residual stress m easure m ent s ystem based on ent i re en ve l op e w eigh ti ng algorith m W U Zhong hua1,2,Z HANG Shipi ng3,S UN H aoyu2,Z HU Z heng3(1.Co l leg e ofM echanical and E lectron ic Eng i neeri ng,Chi na U n i ve rs i ty o f P etro l eu m,Dongy i ng257061,Shandong,China;2.D rilli ng T echno l ogy R esearch Institute,Sheng li P etro l eu m Adm i n istra ti on Bureau,D ongy i ng257017,Shandong,Ch i na;3.Schoo l o f E lectr ica l Eng i neer i ng and A utoma ti c,H a rb i n Institute o fT echno l ogy,H arb i n150001,China).p33-36

Abstract: The entire enve l ope w e i ghti ng algor i th m is pro posed in th i s paper and rea lized by v irtual i nstru m ent to obtain res i dua l stress by ultrason i c m easure m ent.D ifferent we i ght of re ference po i nt i s assi gned to m easure ti m e of echo signa l m ore accura https://www.360docs.net/doc/941072043.html,pared w ith trad i tiona l si ng l e t hreshold m ethod, the experi m ent results sho w tha t t he a lgo rith m i m proved t he sta b ili za ti on of repea t m easure m ent at t he sa m e po i nt by different cond iti ons.T he uncerta i nty is ca l culated to vali date t he accuracy o f the ultrasonic measure m ent.

K ey words: u ltrason ic m easurem ent;we l d i ng resi dua l stress;w e i ghti ng algor it h m

H igh grad ien t residua l stresses during l aser deep penetrat i on we l d i ng of titan i um a lloy ZHANG K e rong,Z HANG Jianx un(School of M ater ials Science&Eng i neer i ng,X i an Jiaotong

&

焊接接头的组成

1、焊接接头的组成,影响焊接接头组织和性能的因素。 (1)接头组成:包括焊缝、熔合区和热影响区。 (2)组织1)焊缝区接头金属及填充金属熔化后,又以较快的速度冷却凝固后形成。焊缝组织是从液体金属结晶的铸态组织,晶粒粗大,成分偏析,组织不致密。 但是,由于焊接熔池小,冷却快,化学成分控制严格,碳、硫、磷都较低,还通过渗合金调整焊缝化学成分,使其含有一定的合金元素,因此,焊缝金属的性能问题不大,可以满足性能要求,特别是强度容易达到。 2)熔合区熔化区和非熔化区之间的过渡部分。熔合区化学成分不均匀,组织粗大,往往是粗大的过热组织或粗大的淬硬组织。其性能常常是焊接接头中最差的。 熔合区和热影响区中的过热区(或淬火区)是焊接接头中机械性能最差的薄弱部位,会严重影响焊接接头的质量。 3)热影响区被焊缝区的高温加热造成组织和性能改变的区域。低碳钢的热影响区可分为过热区、正火区和部分相变区。 (1)过热区最高加热温度1100℃以上的区域,晶粒粗大,甚至产生过热组织,叫过热区。过热区的塑性和韧性明显下降,是热影响区中机械性能最差的部位。 (2)正火区最高加热温度从Ac3至1100℃的区域,焊后空冷得到晶粒较细小的正火组织,叫正火区。正火区的机械性能较好。 (3)部分相变区最高加热温度从Ac1至Ac3的区域,只有部分组织发生相变,叫部分相变区。此区晶粒不均匀,性能也较差。在安装焊接中,熔焊焊接方法应用较多。焊接接头是高温热源对基体金属进行局部加热同时与熔融的填充金属熔化凝固而形成的不均匀体。根据各部分的组织与性能的不同,焊接接头可分为三部分。, 在焊接发生熔化凝固的区域称为焊缝,它由熔化的母材和填充金属组成。而焊接时基体金属受热的影响(但未熔化)而发生金相组织和力学性能变化的区域称为热影响区。熔合区 是焊接接头中焊缝金属与热影响区的交界处,熔合区一彀很窄,宽度为0.1~0.4mm。(3)影响焊接接头性能的因素焊接材料焊接方法焊接工艺 2、减少焊接应力常采用的措施有哪些? (1)选择合理的焊接顺序(2)焊前预热(3)加热“减应区”(4)焊后热处理 3焊接变形的基本形式有哪些?消除焊接变形常用的措施有哪些? (1)焊接变形1)收缩变形2)角变形3)弯曲变形4)波浪形变形5)扭曲变形 (2)措施1)合理设计焊接构件 2)采取必要的技术措施①反变形法②加裕量法③刚性夹持法④选择合 理的焊接顺序⑤采用合理的焊接方法

焊接接头的组织

焊接接头的组织 一、实验目的 1.掌握焊接接头各区域典型的金相组织。 2.熟悉焊接接头各区域的性能变化。 二、实验设备及材料 1.金相显微镜。 2.焊接试样。 3.预磨机 4.抛光机 三、实验原理 熔化焊是局部加热的过程,焊缝及其附近的母材都经历一个加热和冷却的过程。焊接热过程将引起焊接接头组织和性能的变化,从而影响焊接质量。 焊接接头组织由焊缝金属和热影响区两部分组成。现以低碳钢为例,根据焊缝横截面的温度分布曲线,结合铁碳合金相图,对焊接接头各部分的组织和性能变化加以说明,见图13-1。 1.焊缝金属 焊缝区的金属在焊接时处于完全熔化状态,它的结晶是从熔池底壁上许多未熔化的晶粒开始的。因结晶时各个方向冷却速度不同,垂直于熔合线方向冷却速度最大,所以晶粒由垂直于熔合线向焙池中心生长,最终呈柱状晶,如图13-2所示。熔池中心最后结晶,聚集了等轴状低熔点合金和夹杂物,并可能在此处形成裂纹。 焊缝金属结晶后,其成分是填充材料与熔化母材混合后的 平均成分。在随后的冷却过程 中,若发生相变,则上述组织均 要发生不同程度的转变。对低碳 钢来说,焊缝组织大部分是柱状的铁素体加少量的珠光体。 2.热影响区 热影响区是指焊缝两侧因焊接热作用而发生组织和性能变化的区域。按受热影响的大小,热影响区可分为熔合区、过热区、正火区和部分相变区。 1)熔合区 熔合区是焊缝和基体金属的交界区,相当于加热到固相线和液相线之间的区域。由于该区域温度高,基体金属部分熔化,所以也称为“半熔化区”。熔化的金属凝固成铸态组织,未熔化金属因温度过高而长大成粗晶粒。此区域在显微镜下一般为2~3 个晶粒 图13-1 低碳钢焊接接头组织变化示意图 1-熔合区;2-过热区;3-正火区;4-部分相变区

3第三章 焊接接头的组织和性能

第3章焊接接头的组织和性能 ?焊接熔池的结晶特点:非平衡结晶、联生结晶和竞争成长以及成长速度动态变化。 联生结晶:一般情况下,以柱状晶的形式由半熔化的母材晶粒向焊缝中心成长,而且成长的取向与母材晶粒相同,从而形成所谓的联生结晶。(焊缝的柱状晶是从半熔化的母材晶粒开始成长的,其初始尺寸等于焊缝边界母材晶粒的尺寸,因而可以预料,在焊接热循环的作用下,晶粒易过热粗化的母材,其焊缝柱状晶也会发生粗化。) 竞争成长: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。 ?焊接熔池的结晶形态:主要存在两种晶粒,柱状晶粒(有明显方向性)和少量的等轴晶粒。 其中,柱状晶粒是通过平面结晶、胞状结晶、胞状树枝结晶或树枝状结晶所形成。等轴晶粒一般是通过树枝状结晶形成的。具体呈何种形态,完全取决于结晶期间固-液界面前沿成分过冷的程度。 熔池结晶的典型形态:(1)平面结晶:固-液界面前方液相中的温度梯度G很大,液相温度曲线T不与结晶温度曲线T 相交,因而液相中不存在成分过冷(实际温度低于结晶温度) L 区。 在短距离内相交,形成较小的成分过冷(2)胞状结晶:液相温度曲线T与结晶温度曲线T L 区。断面呈六角形胞状形态。 (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 相交的距离增大,所形成的成分过冷区增大。 度曲线T L (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T 相交的距离进一步增大,从而形成较大的成分过冷区。 L (5)等轴结晶:自由成长,几何形状几乎对称。 随着成分过冷程度的增加,依次出现平面晶(形成较缓慢)、胞状晶、胞状树枝晶、树枝晶、等轴晶形态。 影响成分过冷的主要因素:熔池金属中溶质含量W、熔池结晶速度R、液相温度梯度G。 溶质含量W增加,成分过冷程度增大;结晶速度R越快,成分过冷程度越大;温度梯度G越大,成分过冷程度越小。 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,成分过冷区液逐渐加大,因而结晶形态将依次向胞状晶、胞状树枝晶及树枝晶发展。熔池中心附近可能导致等轴晶粒的形成。 ?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。冷却速度越快,焊缝金属中珠光体越多,而且组织细化, 显微硬度增高。采用多层焊或对焊缝进行焊后热处理,也可破坏焊缝的柱状晶,得 到细小的铁素体和少量珠光体,从而起到改善焊缝组织的性能。 (2)魏氏组织。由过热导致。焊缝含碳量和冷却速度处在一定范围内时产生,更易在粗晶奥氏体内形成。 2、低合金钢焊缝的相变组织。低合金钢焊缝中可能形成铁素体F、珠光体P、贝氏体 B、马氏体M。 (1)铁素体F:先共析铁素体GBF、侧板条铁素体FSP、针状铁素体AF、细晶铁素体FGF。

焊缝接头组织的金相观察与分析

焊缝接头组织的金相观察与分析 一、实验说明 焊接是工业生产中用来连接金属材料的重要加工方法。根据工艺特点不同,焊接方法又分为许多种,其中熔化焊应用得最广泛。 熔化焊的实质就是利用能量高度集中的热源,将被焊金属和填充材料快速熔化,热后冷却结晶而形成牢固接头。 由于熔化焊过程的这一特点,不仅焊缝区的金属组织与母材组织不一样,而且靠近焊缝区的母材组织也要发生变化。这部分靠近焊缝且组织发生了变化的金属称为热影响区。热影响区内,和焊缝距离不一样的金属由于在焊接过程中所达到的最高温度和冷却速度不一样,相当于经受了不同规范的热处理,因而最终组织也不一样。 以低碳钢为例,根据热影响区内各区段在焊接过程中所达到的最高温度范围,依次分为熔合区(固相线一液相线),过热区(1100℃——固相线);完全正火区(AC3——1100℃);不完全旺火区(AC1~AC3)。对易淬火钢而言,还会出现淬火组织。 焊接结构的服役能力和工作可靠性,既取决于焊缝区的组织和质量,也取决于热影响区的组织和宽窄。因此对焊接接头组织进行金相观察与分析已成为焊接生产与科研中用以评判焊接质量优劣,寻找焊接结构的失效原因的一种重要手段。 本实验采用焊接生产中应用最多的低碳钢为母材,用手工电弧施焊,然后对焊接接头进行磨样观察。 二、实验目的 1、学会正确截取焊接接头试样。 2、认识焊缝区和热影响区各区段的组织特征。 3。深刻领会熔化焊焊接过程特点。 三、实验设备及器材 1、施焊设备及器材(手弧焊机、结422焊条,面罩)。 2、200×100×8mmA3钢板一块。施焊前用牛头刨床沿其长度方向中心线刨一条深2mm,宽4~5mm的弧形槽。 3、砂轮切割机一台。 4、钳工工具一套。 5,制备金相试样的全部器材。 6、金相显微镜若干台。 四、实验方法与步骤 1、在钢板上沿刨槽用F4mm结422焊条一根施焊。焊接电流取140~150A。 2、待钢板冷至室温后,用砂轮切割机截取试样。截取部位如下图所示,切割时须用水冷却。以防止组织发生变化(图中虚线为砂轮切割线,两端30mm长焊缝舍弃不用)。 焊接接头金相试样取样位置示意图 3、依照实验一步骤3所述方法截下的焊缝接头制备成金相试样。注意磨制面应选择与焊缝走向垂直的横截面。 4、在金相显微镜上观察制备好的焊接接头试样。光用低倍镜镜头(放大150倍)观察焊缝区及热影响区全貌,再用高倍镜镜头(450倍)逐区进行观察,注意识别各区的金相组织特征, 并画出草图。 五、实验报告要求 1、明确实验目的。

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 8 385、、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8 3t ,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

影响焊接接头组织与性能的因素分析

影响焊接接头组织与性能的因素分析 1.材料的匹配 材料的匹配主要是指焊接材料(包括焊剂)的选用,焊接材料将直接影响接头的组织和性能。通常情况下,焊缝金属的化学成分及力学性能与母材相近。但考虑到铸态焊缝的特点和焊接应力的作用,焊缝的晶粒比较粗大并有存在偏析,产生裂纹、气孔和夹渣等焊接缺陷的可能性,因此常通过调整焊缝金属的化学成分以改善焊接接头的性能。 2. 指定母材和焊材时,焊接热输入量,焊接层数,道数,层间温度都有影响。一般来说,热输入不要太大,焊接层数多一些,焊层偏薄一些,热输入量是指热源功率与焊接速度之比。热输入量的大小,不仅影响过热区晶粒粗大的程度,而且直接影响到焊接热影响区的宽度。热输入量越大,则焊接接头高温停留时间越长,过热区越宽,过热现象也越严重,晶粒也越粗大,因而塑性和韧性下降也越严重,甚至会造成冷脆。因此,应尽量采用较小的热输入量,以减小过热区的宽度,降低晶粒长大的程度。在低温钢焊接时尤为重要,应严格控制热输入量,防止晶粒粗化而降低低温冲击韧性。 3要控制好焊接的层间温度,层间温度主要影响的是相变区间,也就是说,不同的层间温度会造成不同的相变温度与相转变时间从而得到不同比例的相组织。一般来说,层间温度过高,会使晶粒长大,强度指标会偏低。低合金钢焊材的层间温度以控制在150℃±15℃为宜。

4另外每一焊道间一定要清理干净,见金属光泽。如果是不锈钢,还应注意冷却速率,注意t-800/500区间不能停留太久。 5.熔合比 熔合比是指在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例。熔合比对焊缝性能的影响与焊接材料和母材的化学成分有关。当焊接材料与母材的化学成分基本相近且熔池保护良好时,熔合比对焊缝的熔合区的性能没有明显的影响。当焊接材料与母材的化学成分不同时,如碳、合金元素和硫、磷等杂质元素的含量不同,那么,在焊缝中紧邻熔合区的部位化学成分变化比较大,变化的幅度与焊接材料同母材间化学成分的差异及熔合比有关。化学成分相差越大,熔合比越大,则变化幅度也越大,不均匀程度及其范围也增加,从而使该区组织变得较为复杂,在一定条件下还会出现不利的组织带,导致性能大大下降。 在生产实践中,为了调节熔合比的大小,除了调节焊接线能量及其他工艺参数(如焊件预热温度、焊条直径等)以外,调节焊接坡口的大小,对熔合比有较大的影响。因为不开坡口,熔合比最大;坡口越大,熔合比就越小。 6.焊接工艺方法 在选择焊接工艺方法时,应根据其对焊接接头组织和性能的影响,结合其他要求综合考虑。 7.焊后热处理 (1)消氢处理消氢处理主要是为了加速氢的扩散逸出,防止产生延迟裂纹。其加热温度很低,不会使焊接接头的组织和性能发生变化。

焊接接头金相组织分析

焊接接头金相组织分析 实验目的 ?观察与分析焊缝的各种典型结晶形态; ?掌握低碳钢焊接接头各区域的组织变化。 二、实验装置及实验材料 ?粗细金相砂纸1套 ?平板玻璃1块 ?不同焊缝结晶形态的典型试片若干 ?低碳钢焊接接头试片1块 ?正置式金相显微镜1台 ?抛光机1台 ?工业电视(或幻灯机)1台 ?吹风机1个 ?4%硝酸酒精溶液无水醇脱脂棉若干 ?典型金相照片(或幻灯照片)一套 三、实验原理 焊接过程中,焊接接头各部分经受了不同的热循环,因而所得组织各异。组织的不同,导致机械性能的变化。对焊接接头进行金相组织分析,是对接头机械性能鉴定的不可缺少的环节。 焊接接头的金相分析包括宏观和显微分析两个方面。 宏观分析的主要内容为:观察与分析焊缝成型,焊缝金属结晶方向和宏观缺陷等。 显微分析是借助于放大100倍以上的光学金相显微镜或电子显微镜进行观察,分析焊缝的结晶形态,焊接热影响区金属的组织变化,焊接接头的微观缺陷等。 焊接接头由焊缝金属和焊接热影响区金属组成。焊缝金属的结晶形态与焊接热影响区的组织变化,不仅与焊接热循环有关,也和所用的焊接材料和被焊材料有密切关系。 ?焊缝凝固时的结晶形态

?焊缝的交互结晶 熔化焊是通过加热使被焊金属的联接处达到熔化状态,焊缝金属凝固后实现金属的焊接。联接处的母材和焊缝金属具有交互结晶的特征,图1为母材和焊缝金属交互结晶示意图。由图可见,焊缝金属与联接处母材具有共同的晶粒,即熔池金属的结晶是从熔合区母材的半熔化晶粒上开始向焊缝中心成长的。这种结晶形式称为交互结晶或联生结晶。当晶体最易长大方向与散热最快方向一致时,晶体便优先得到成长,有的晶体由于取向不利于成长,晶粒的成长会被遏止,这就是所谓选择长大,并形成焊缝中的柱状晶。 ?焊缝的结晶形态 根据浓度过冷的结晶理论,合金的结晶形态与溶质的浓度C0、结晶速度(或晶粒长大速度)R和温度梯度G有关。图1-16为C0、R和G对结晶形态的影响。 由图可见,当结晶速度R和温度梯度G不变时,随着金属中溶质浓度的提高,浓度过冷增加,从而使金属的结晶形态由平面晶变为胞状晶,胞状树枝晶,树枝状晶及等轴晶。 当合金成分一定时,结晶速度越快,浓度过冷越大,结晶形态由平面晶发展到胞状晶树枝状晶,最后为等轴晶。 当合金成分C0和结晶速度R一定时,随着温度梯度G的长升高,浓度过冷将减小,因而结晶形态会由等轴晶变为树枝晶,直至平面晶。 随着晶粒的成长,熔池中晶粒界面前的浓度过冷和温度梯度也随着发生变化。因而,熔池全部凝固以后,各处将会出现不同的结晶形态。在焊接熔池的熔化边界上,温度梯度G较大,结晶速度R很小,因此此处的浓度过冷最小,随着焊接熔池的结晶,温度梯度G由熔化过边界处直到焊缝中心渐变小,熔池的结晶速度却渐增大,焊缝中心处,温度梯度最小,结晶速度最大,故浓度过冷最大。由上述分析可知,焊缝中结晶形态的变化,

焊接接头金相组织分析

焊接接头金相组织分析 一、试验目的 (一)观察与分析焊缝的各种典型结晶形态 (二)掌握低碳钢焊接接头各区域的组织变化 (三)了解低碳钢焊接热影响区的组织变化规律。二、试验装置 及试验材料 (一)粗、细金相砂纸一套 (二)平板玻璃2块 (三)金相显微镜4台 (四)吹风机1个 (五)抛光机4台 (六)低碳钢焊接接头试片1个 (七)腐蚀液: 4%硝酸酒精溶液 (八)乙醇、丙酮、棉花等 三、试验原理 (一)焊缝凝固时的结晶形态 1、焊缝的交互结晶,如图1所示

熔池金属的结晶是从熔合区母材的半熔化晶粒上开始向焊缝中心成长 2、焊缝的结晶形态 根据成分过冷的结晶理论,合金的结晶形态与溶质的浓度C0、结晶速度R和温度剃度G有关。 图2 C0、R和G对结晶形态的影响 (二)低碳钢焊缝热影响区金属的组织变化 以低碳钢为例,根据其热影响区金属组织的特性,可分为四个区域,如图3所示:

图3低碳钢焊接热影响区分布特征 1-熔合区;2-粗晶区;3-结晶区;4-不完全重结晶区;5-母材 a、接头金相组织: 1、未受热影响的焊缝金属区; 2、受影响的层间金属区,结晶形态消失; 3、受过热作用的热影响区; 4、母材;

b、过热粗晶区魏氏体组织 C、左侧一次正火细晶区,右侧二次正火,晶粒较粗 d、不完全结晶区组织

e、母材组织 (三)30CrMnSiA钢焊缝热影响区金属组织变化 30CrMnSiA钢的连续冷却转变曲线

四、实验方法及步骤 (一)低碳钢焊接接头金相分析 1、试样的准备; 2、用金相砂纸打磨试片; 3、抛光试片; 4、腐蚀; 5、在显微镜下观察与分析 (二)30CrMnSiA钢试片的制作 1、将厚度为2.5mm的30CrMnSiA钢板切成180× 20mm和180× 35mm两种规格的试片; 2、试片焊前进行退火处理; 3、去除试片表面油污及氧化物; 4、分别用电弧焊和气焊焊接试片; 5、制作金相试样:打磨、抛光、腐蚀等; 6、在显微镜下观察已制备好的金相试样;

焊缝接头组织的金相观察与分析

焊缝接头组织的金相观察分析 一、实验目的 1、认识焊缝区和热影响区各区段的组织特征。 2、了解焊缝金相检验方法和焊接接头的形成过程 3、掌握焊接组织对性能的影响 二、实验原理 焊接是工业生产中用来连接金属材料的重要加工方法。根据工艺特点不同,焊接方法又分为许多种,其中熔化焊应用得最广泛。熔化焊的实质就是利用能量高度集中的热源,将被焊金属和填充材料快速熔化,热后冷却结晶而形成牢固接头。 由于熔化焊过程的这一特点,不仅焊缝区的金属组织与母材组织不一样,而且靠近焊缝区的母材组织也要发生变化。这部分靠近焊缝且组织发生了变化的金属称为热影响区。热影响区内,和焊缝距离不一样的金属由于在焊接过程中所达到的最高温度和冷却速度不一样,相当于经受了不同规范的热处理,因而最终组织也不一样。根据组织和性能区别,焊接接头分为焊接区和焊接影响区。 焊缝区,是熔池泠凝后为铸态组织,在冷却过程中,液态金属自熔合区向焊缝的中心方向结晶形成的柱状晶组织,焊缝金属的性能一般不低于母材性能,但易产生裂纹。 以低碳钢为例,根据热影响区内各区段在焊接过程中所达到的最高温度范围,依次分为熔合区(固相线一液相线),过热区(1100℃——固相线);完全正火区(AC3——1100℃);不完全旺火区(AC1~AC3)。对易淬火钢而言,还会出现淬火组织。热影响区如图所示如图所示 (1)熔合区即融合线附近焊缝金属到基体金属的过渡部分,温度处在固相线附近与液相线之间,金属处于局部熔化状肪,晶粒十分粗大,化学成分和组织极不均匀,冷却后的组织为过热组织,呈典型的魏氏组织。这段区域很窄(0.1-1mm),金相观察实际上很难明显的区分出来,但该区对于焊接接头的强度、塑性都有很大影响,往往熔合线附近是裂纹和脆断的发源地。 (2)过热区(粗晶粒区)加热温度范围Tks-Tm(Tks为开始晶粒急剧长大温度,Tm 为熔点),当加热至1100℃以上至熔点,奥氏体晶粒急剧长大,尤其在1300℃以上,奥氏体晶粒急剧粗化,焊后空冷条件下呈粗大的魏氏组织,塑性、韧性降低,使接头处易出现裂纹。 (3)正火区(细晶粒区)即相变重结晶区,加热温度范围AC3- Tks之间,约为900-1100℃,全部为奥氏体,空冷后得到均匀细小的铁素体+珠光体组织,相当于热处理中的正火组织,故又称正火区。 (4)部分相变区,即不完全重结晶区,加热温度AC1- AC3,约750-900℃,钢被加热奥氏体+ 部分铁素体区域,冷却后的组织为细小铁素体+珠光体+部分大块未变化的铁素体,晶粒大小不均匀。

实验一 低碳钢熔化焊焊接接头组织分析

实验一低碳钢熔化焊焊接接头组织分析 一、实验目的 1. 观察焊接接头的宏观组织及焊接缺陷 2. 观察焊缝、热影响区及母材的各种典型结晶形态 3. 掌握低碳钢焊接接头各区域的组织变化 4. 测定在不同的焊接工艺下热影响区的宽度 二、实验概述 在焊接过程中,由于焊接接头各部分经受了不同的热循环,因而所得组织各异。组织的不同,导致机械性能的变化。对焊接接头进行金相组织分析,是对接头机械性能鉴定的不可缺少的环节。 焊接接头的金相分析包括宏观和显微分析两个方面。 宏观分析的主要内容为:观察与分析焊缝成型、焊缝金属结晶方向和宏观缺陷等。 显微分析的主要内容为:借助于放大100倍以上的光学金相显微镜或电子显微镜进行观察,分析焊缝的结晶形态,焊接热影响区金属的组织变化,焊接接头的微观缺陷等。 焊接接头由焊缝金属和焊接热影响区金属组成。焊缝金属的结晶形态与焊接热影响区的组织变化不仅与焊接热循环有关,而且与所用的焊接材料和被焊材料有密切关系。 (一)焊缝凝固时的结晶形态 熔化焊是通过加热使被焊金属的联接处达到熔化状态,焊缝金属凝固后实现金属的焊接。联接处的母材和焊缝金属具有交互结晶的特征,图1-2为母材和焊缝金属交互结晶的示意图。由图可见,焊缝金属与联接处母材具有共同的晶粒,即熔池金属的结晶是从熔合区母材的半熔化晶粒上开始向焊缝中心成长的。这种结晶形式称为交互结晶或联生结晶。当晶体最易长大方向与散热最快方向一致时,晶体便优先得到成长,有的晶体由于取向不利于成长,晶粒的成长会被竭止,这就是所谓选择长大,并形成焊缝中的柱状晶形态,如图1-3(a)所示。 图1-2 焊缝金属的交互结晶示意图

(a) (b) (c)

焊缝接头组织的金相观察与分析

焊缝接头组织的金相观察与分析 姓名: 学号: 班级: 专业:

焊缝接头组织的金相观察与分析 一、实验说明 焊接是工业生产中用来连接金属材料的重要加工方法。根据工艺特点不同,焊接方法又分为许多种,其中熔化焊应用得最广泛。 熔化焊的实质就是利用能量高度集中的热源,将被焊金属和填充材料快速熔化,热后冷却结晶而形成牢固接头。 由于熔化焊过程的这一特点,不仅焊缝区的金属组织与母材组织不一样,而且靠近焊缝区的母材组织也要发生变化。这部分靠近焊缝且组织发生了变化的金属称为热影响区。热影响区内,和焊缝距离不一样的金属由于在焊接过程中所达到的最高温度和冷却速度不一样,相当于经受了不同规范的热处理,因而最终组织也不一样。 以低碳钢为例,根据热影响区内各区段在焊接过程中所达到的最高温度范围,依次分为熔合区(固相线一液相线),过热区(1100℃——固相线);完全正 火区(AC3——1100℃);不完全正火区(AC1~AC3)。对易淬火钢而言,还会出现淬火组织。 焊接结构的服役能力和工作可靠性,既取决于焊缝区的组织和质量,也取决于热影响区的组织和宽窄。因此对焊接接头组织进行金相观察与分析已成为焊接生产与科研中用以评判焊接质量优劣,寻找焊接结构的失效原因的一种重要手段。 本实验采用焊接生产中应用最多的低碳钢为母材,用手工电弧施焊,然后对焊接接头进行磨样观察。 二、实验目的 1、学会正确截取焊接接头试样。 2、认识焊缝区和热影响区各区段的组织特征。 3、深刻领会熔化焊焊接过程特点。 4、理解焊缝、热影响区到基体的硬度变化规律。 三、实验设备及器材 1、施焊设备及器材(手弧焊机、结422焊条,面罩)。 2、200×100×8mmA3钢板一块(45钢)。施焊前用牛头刨床沿其长度方 向中心线刨一条深2mm,宽4~5mm的弧形槽。 3、砂轮切割机一台。 4、钳工工具一套。 5,制备金相试样的全部器材。 6、金相显微镜若干台。 7、显微硬度仪一台

焊接接头的金相组织

焊接接头的金相组织(metallurgical structure of the weld joint ) 1.焊接接头的组成及区域特征 典型的对接焊接接头主要由三个部分组成: (1)焊缝( weld ) 焊缝金属的结晶凝固冷却方式主要依靠母材金属热传导,所以液态金属结晶很自然呈柱状晶成长,且成长方向垂直于焊接熔池壁,最终汇交于熔池中部形成八字形柱状树枝晶结晶形式。 (2)熔合区( fusion zone ) 指焊缝与母材交接的过渡区,即熔合线处微观显示的母材半熔化区。在焊接时,液态的焊缝金属与固态母材金属的交界面,便形成了熔合线(fusion line),即接头横截面上宏观腐蚀所显示的焊缝轮廓线。 以大多数(低碳)碳素钢和低合金钢为例:熔合区的温度处于固相线和液相线之间。焊缝与母材产生不规则结合,形成了参差不齐的分界面。该区晶粒十分粗大,化学成分和组织极不均匀,冷却后为过热组织。区域很窄,金相观察难以区分,但对接头强度和韧性却有很大影响,常是产生裂纹和脆性破坏的发源地。 (3)热影响区(heat affected zone) 在焊接和切割过程中,材料因受热的影响(但未熔化)而发生金相组织和机械性能变化的区域。 焊接是一个不均匀加热和冷却的过程,距焊缝不同距离的点上经历着不同的焊接热循环,这些点实质上都受到一次特殊的热处理。 和一般金属热处理一样,每个点都引起不同的组织转变,于是就形成了在组织和性能上不均匀的焊接热影响区。在这个区中,有些部位的组织和性能可能是优于也可能劣于母材焊前的组织性能。显然,劣于母材的部位便成为焊接接头中最薄弱环节。 决定热影响区的分区及特征的因素是多方面的,大致可分为三个方面: ○1母材的冶金特征 母材金属在焊接热循环作用下是否存在固相转变;有固相转变的材料是纯金属、单相合金或多相合金;是否是同素异构转变;是否是扩散型的相变。 例如,焊接无固相转变的金属,在热影响区上主要出现的是晶粒粗大现象,有时也有再结晶现象。焊接有固相转变的金属,如果是碳钢,其热影响区上不仅有过热和再结晶现象,还有重结晶和淬火现象。 ○2母材焊前的状态 同一种金属材料,焊前状态不同,焊后热影响区的组织和性能是不同的,例如,焊前经过冷作硬化或热处理强化的金属,焊后热影响区内就会出现回火软化区。对于易淬火钢,若焊前处于退火状态,则焊后会出现硬化区。也即焊接热循环改变了母材焊前的状态,焊后在热影响区就可出现不希望的硬化、软化或脆化现象。 ○3焊接方法及其工艺参数 因为不同的焊接方法其热源集中程度不同,通过工艺参数的选择又可以获得不同的热输入,这两者实质上是焊接温度场和焊接热循环的特征参数对热影响区的范围大小,以及范围内各部位的组织和性能的影响。温度场分布影响着热影响的宽窄,而热循环曲线的特征参数,如加热速度、高温停留时间和冷却速度等直接影响着组织和性能的变化。 2.焊接热影响区的组成

8.焊接接头金相组织分析报告报告材料

焊接接头金相组织分析 一、实验目的 (一)观察与分析焊缝的各种典型结晶形态; (二)掌握低碳钢焊接接头各区域的组织变化。 二、实验装置及实验材料 (一)粗、细金相砂纸 1套 (二)平板玻璃 1块 (三)不同焊缝结晶形态的典型试片若干 (四)低碳钢焊接接头试片 1块 (五)正置式金相显微镜 1台 (六)抛光机 1台 (七)工业电视(或幻灯机) 1台 (八)吹风机 1个 (九)4%硝酸酒精溶液、无水乙醇、脱脂棉若干 (十)典型金相照片(或幻灯照片) 一套 三、实验原理 焊接过程中,焊接接头各部分经受了不同的热循环,因而所得组织各异。组织的不同,导致机械性能的变化。对焊接接头进行金相组织分析,是对接头机械性能鉴定的不可缺少的环节。 焊接接头的金相分析包括宏观和显微分析两个方面。 宏观分析的主要内容为:观察与分析焊缝成型、焊缝金属结晶方向和宏观缺陷等。 显微分析是借助于放大100倍以上的光学金相显微镜或电子显微镜进行观察,分析焊缝的结晶形态,焊接热影响区金属的组织变化,焊接接头的微观缺陷等。 焊接接头由焊缝金属和焊接热影响区金属组成。焊缝金属的结晶形态与焊接热影响区的组织变化,不仅与焊接热循环有关,也和所用的焊接材料和被焊材料有密切关系。 (一)焊缝凝固时的结晶形态 1.焊缝的交互结晶 熔化焊是通过加热使被焊金属的联接处达到熔化状态,焊缝金属凝固后实现金属的 焊接。联接处的母材和焊缝金属具有 交互结晶的特征,图4—1为母材和焊缝 金属交互结晶的示意图。由图可见,焊缝 金属与联接处母材具有共同的晶粒,即熔 池金属的结晶是从熔合区母材的半熔化晶 粒上开始向焊缝中心成长的。这种结晶形 式称为交互结晶或联生结晶。当晶体最易 长大方向与散热最快方向一致时,晶体便 图4-1焊缝金属的交互结晶示意图 优先得到成长,有的晶体由于取向不利于 成长,晶粒的成长会被遏止。这就是所谓选择长大,并形成焊缝中的柱状晶。 2.焊缝的结晶形态 根据浓度过冷的结晶理论,合金的结晶形态与溶质的浓度C0、结晶速度(或晶粒长大速度)及和温度梯度G有关。图4—2为C0、R和G对结晶形态的影响。 由图可见,当结晶速度及和温度梯度G不变时,随着金属中溶质浓度的提高,浓度过冷增加,从而使金属的结晶形态由平面晶变为胞状晶,胞状树枝晶,树枝状晶及等

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。

低碳钢熔化焊焊接接头组织分析

低碳钢熔化焊焊接接头组织分析 一、实验目的 1、观察焊接接头的宏观组织及焊接缺陷 2、观察焊缝、热影响区及母材的各种典型结晶形态 3、掌握低碳钢焊接接头各区域的组织变化 4、测定在不同的焊接工艺下热影响区的宽度 二、实验概述 手工电弧焊的焊接过程如图1所示。当电弧在焊条与焊件之间引燃后,电弧热使焊件(与电弧接触部分)及焊条末端熔化,熔化的焊件和焊条(以熔滴形式下落)形成共同的金属熔池。焊条外面的药皮受热熔化并发生分解反应,产生液态熔渣和大量气体。液态熔渣包围着熔滴,当其进入金属熔池后,因其比重小而浮在熔池表面。所产生的气体则包围在电弧和熔池周围。 图1 手工电弧焊过程示意图 1、焊条芯 2、焊条药皮 3、液态熔渣 4、固态渣壳 5、气体 6、金属熔滴 7、熔池 8、焊缝 9、工件 焊条因不断熔化下滴而应连续向下送进,以保持一定的电弧长度。同时,焊条还应沿焊接方向前进。当电弧离开熔池后,被熔渣覆盖的熔化金属就缓慢冷却凝固成焊缝金属,液态熔渣也凝固成固态熔壳。在电弧移达的下方,又形成新的熔池及其上的液态熔渣,以后又凝固成新的焊缝金属和渣壳。上述过程继续进行下去,只至整个焊缝被焊完为止。从而形成一条连续的焊缝金属。

在焊接过程中,由于焊接接头各部分经受了不同的热循环,因而所得组织各异。组织的不同,导致机械性能的变化。对焊接接头进行金相组织分析,是对接头机械性能鉴定的不可缺少的环节。 焊接接头的金相分析包括宏观和显微分析两个方面。 宏观分析的主要内容为:观察与分析焊缝成型、焊缝金属结晶方向和宏观缺陷等。 显微分析的主要内容为:借助于放大100倍以上的光学金相显微镜或电子显微镜进行观察,分析焊缝的结晶形态,焊接热影响区金属的组织变化,焊接接头的微观缺陷等。 焊接接头由焊缝金属和焊接热影响区金属组成。焊缝金属的结晶形态与焊接热影响区的组织变化不仅与焊接热循环有关,而且与所用的焊接材料和被焊材料有密切关系。 (一)焊缝凝固时的结晶形态 熔化焊是通过加热使被焊金属的联接处达到熔化状态,焊缝金属凝固后实现金属的焊接。联接处的母材和焊缝金属具有交互结晶的特征,图2为母材和焊缝金属交互结晶的示意图。由图可见,焊缝金属与联接处母材具有共同的晶粒,即熔池金属的结晶是从熔合区母材的半熔化晶粒上开始向焊缝中心成长的。这种结晶形式称为交互结晶或联生结晶。当晶体最易长大方向与散热最快方向一致时,晶体便优先得到成长,有的晶体由于取向不利于成长,晶粒的成长会被竭止,这就是所谓选择长大,并形成焊缝中的柱状晶形态,如图3(a)所示。 图2 焊缝金属的交互结晶示意图 (a)

实验二 低碳钢熔化焊焊接接头组织分析

实验二低碳钢熔化焊焊接接头组织分析 一、实验目的 1、观察焊接接头的宏观组织及焊接缺陷 2、观察焊缝、热影响区及母材的各种典型结晶形态 3、掌握低碳钢焊接接头各区域的组织变化 4、测定在不同的焊接工艺下热影响区的宽度 二、实验概述 在焊接过程中,由于焊接接头各部分经受了不同的热循环,因而所得组织各异。组织的不同,导致机械性能的变化。对焊接接头进行金相组织分析,是对接头机械性能鉴定的不可缺少的环节。 焊接接头的金相分析包括宏观和显微分析两个方面。 宏观分析的主要内容为:观察与分析焊缝成型、焊缝金属结晶方向和宏观缺陷等。 显微分析的主要内容为:借助于放大100倍以上的光学金相显微镜或电子显微镜进行观察,分析焊缝的结晶形态,焊接热影响区金属的组织变化,焊接接头的微观缺陷等。 焊接接头由焊缝金属和焊接热影响区金属组成。焊缝金属的结晶形态与焊接热影响区的组织变化不仅与焊接热循环有关,而且与所用的焊接材料和被焊材料有密切关系。 (一)焊缝凝固时的结晶形态 熔化焊是通过加热使被焊金属的联接处达到熔化状态,焊缝金属凝固后实现金属的焊接。联接处的母材和焊缝金属具有交互结晶的特征,图2-2为母材和焊缝金属交互结晶的示意图。由图可见,焊缝金属与联接处母材具有共同的晶粒,即熔池金属的结晶是从熔合区母材的半熔化晶粒上开始向焊缝中心成长的。这种结晶形式称为交互结晶或联生结晶。当晶体最易长大方向与散热最快方向一致时,晶体便优先得到成长,有的晶体由于取向不利于成长,晶粒的成长会被竭止,这就是所谓选择长大,并形成焊缝中的柱状晶形态,如图2-3(a)所示。

图2-2 焊缝金属的交互结晶示意图 (a) (b) (c)

焊接接头的金相分析

实验一焊接接头的金相分析 一、实验目的 1.初步掌握焊接接头金相试样的制备方法。 2.了解低碳钢、管线钢焊接接头各区域金相组织及分布特点。 二、实验内容 1.自制低碳钢焊接接头试样,观察与分析其金相组织。 2.对实验室制备好的低碳钢、管线钢试样进行金相组织观察、分析和比对。 三、实验原理 金属材料焊接成型的过程中,焊接接头的各区域经受了不同的热循环过程,因而所获得的组织也有很大的差异,从而导致机械性能的变化。对焊接接头进行金相分析,是对接头性能进行分析和鉴定的一个重要手段,它在科研和生产中已得到了广泛的应用。 焊接接头的金相分析包括宏观和显微分析两方面。 宏观分析的主要内容为:用肉眼、放大镜、或低倍显微镜(<100×)观察与分析焊缝成形、焊缝金属结晶方向和宏观缺陷等。图1-1是在50倍显微镜下所观察到的焊接接头的宏观照片: 图1-1 焊接接头的宏观照片 50X 显微分析是借助于光学显微镜或电子显微镜(>100×)进行观察、分析焊缝的结晶形态、焊接热影响区的组织、分布特点以及微观缺陷等。 焊接接头由焊缝金属、焊接热影响区及母材等三部分组成。焊缝金属的结晶形态及焊接热影响区的组织变化不仅与焊接热循环有关,也和所使用的焊接材料及被焊材料有密切的关系。 1.焊缝的交互结晶

熔化焊是通过加热使被焊金属的联接处达到熔化状态,焊缝金属凝固后实现金属的联接。联接处的母材和焊缝金属具有交互结晶的特征,图1-2为母材和焊缝金属交互结晶的示意图。 图1-2 母材和焊缝金属的交互结晶 由图可见,焊缝金属与联接处的母材具有共同的晶粒,即熔池金属的结晶是从熔合区母材的半熔化晶粒上开始向焊缝中心成长的。这种结晶形式称为交互结晶或联生结晶。当晶体最易长大方向与散热最快方向一致时,晶体便优先得到成长,有的晶体由于取向不利于成长,晶粒的成长会被抑制,这就是所谓的选择长大,并形成焊缝中的柱状晶。 2.不易淬火钢焊接热影响区金属的组织变化 不易淬火钢包括低碳钢和热轧、正火低合金钢等。以低碳钢为例,根据其焊接热影响区的组织特征可分为四个区域,如图1-3所示: 图1-3 低碳钢焊接接头的组织变化 ① 熔合区 熔合区处于焊缝金属与母材相邻的熔合线附近,又称半熔化区,温度处于固液相线之间。此区在化学成分和组织性能上都有较大的不均匀性,特别是异种金

焊接接头组织的金相观察与分析

接头焊缝组织的金相观察与分析 1.实验说明 焊接是工业生产中用来连接金属材料的重要加工方法。根据工艺特点不同,焊接方法又分为许多种,其中熔化焊应用得最广泛。 熔化焊的实质就是利用能量高度集中的热源,将被焊金属和填充材料快速熔化,热后冷却结晶而形成牢固接头。 由于熔化焊过程的这一特点,不仅焊缝区的金属组织与母材组织不一样,而且靠近焊缝区的母材组织也要发生变化。这部分靠近焊缝且组织发生了变化的金属称为热影响区。热影响区内,和焊缝距离不一样的金属由于在焊接过程中所达到的最高温度和冷却速度不一样,相当于经受了不同规范的热处理,因而最终组织也不一样。 以低碳钢为例,根据热影响区内各区段在焊接过程中所达到的最高温度范围,依次分为熔合区(固相线一液相线),过热区(1100℃——固相线);完全正火区(AC3——1100℃);不完全旺火区(AC1~AC3)。对易淬火钢而言,还会出现淬火组织。 焊接结构的服役能力和工作可靠性,既取决于焊缝区的组织和质量,也取决于热影响区的组织和宽窄。因此对焊接接头组织进行金相观察与分析已成为焊接生产与科研中用以评判焊接质量优劣,寻找焊接结构的失效原因的一种重要手段。 本实验采用焊接生产中应用最多的低碳钢为母材,用手工电弧施焊,然后对焊接接头进行磨样观察。 二、实验目的 1、学会正确截取焊接接头试样。 2、认识焊缝区和热影响区各区段的组织特征。 3。深刻领会熔化焊焊接过程特点。 三、实验设备及器材 1、施焊设备及器材(手弧焊机、结422焊条,面罩)。 2、200×100×8mmA3钢板一块。施焊前用牛头刨床沿其长度方向中心线刨一条深2mm,宽4~5mm的弧形槽。 3、砂轮切割机一台。 4、钳工工具一套。 5,制备金相试样的全部器材。 6、金相显微镜若干台。 四、实验方法与步骤 1、在钢板上沿刨槽用F4mm结422焊条一根施焊。焊接电流取140~150A。 2、待钢板冷至室温后,用砂轮切割机截取试样。截取部位如下图所示,切割时须用水冷却。以防止组织发生变化(图中虚线为砂轮切割线,两端30mm长焊缝舍弃不用)。 焊接接头金相试样取样位置示意图 3、依照实验一步骤3所述方法截下的焊缝接头制备成金相试样。注意磨制面应选择与焊缝走向垂直的横截面。 4、在金相显微镜上观察制备好的焊接接头试样。光用低倍镜镜头(放大150倍)观察焊缝区及热影响区全貌,再用高倍镜镜头(450倍)逐区进行观察,注意识别各区的金相组织特征, 并画出草图。 五、实验报告要求 1、明确实验目的。

焊接接头金相组织分析

实验十二 焊接接头金相组织分析 一、实验目的 1、熟悉焊接热影响区的组织分布特征及金相显微镜的使用方法; 2、掌握焊接接头的分区组成; 3、了解焊接参数对焊接接头显微组织的影响; 二、实验原理 焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区(HAZ )三部分组成,其组织特征存在明显差异。熔合区是焊接接头中焊缝向母材HAZ 过渡的区域,由半熔化区与未混合区两部分组成,熔合区的构成及附近各区的相对位置如图1所示。 焊缝是由熔池金属结晶凝固形成的,由于熔池金属冷却速度快且在运动状态下结晶,因此形成的组织为非平衡组织。多数情况下晶体从熔合区半熔化的晶粒上以柱状晶形态向焊缝中心生长,具有联生结晶的特点。焊接工艺参数对凝固形态影响较大,不同工艺条件下,焊缝中心可能是柱状晶组织,也可能出现等轴晶组织。焊缝金属凝固时的结晶形态见图2。HAZ 是指在焊接热源作用下焊缝外侧处于固态的母材发生组织和性能变化的区域。由于焊接时HAZ 上各点距离焊缝的远近不同,各点所经历的焊接热循环不同,因此整个HAZ 的组织和性能分布是不均匀的。HAZ 的组织分布与钢的种类、不同部位的加热最高温度有关。对于焊后空冷条件下不易形成马氏体的不易淬火钢,焊接HAZ 包括过热区、正火区和不完全重结晶区。过热区的峰值温度在固相线以下到晶粒开始急剧长大的温度,相应区域组织粗大;正火区的峰值温度在A c3以上到晶粒开始急剧长大的温度范围内,加热时发生完全奥氏体相变, 冷却后组织由细小的铁素体和珠光体组成;不完全重结晶区的峰值温度处于A c1~A c3之间, 加热时发生奥氏体相变的组织冷却时转变为细小的铁素体和珠光体,未发生相变的铁素体继图1 熔合区的构成示意图 1-焊缝区(富焊条成分); 2-焊缝区(富母材成分); 3-半熔化区; 4-HAZ; 5-熔合区

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