第7章 焊缝及其热影响区的组织和性能

2020/8/5
28
2)焊缝凝固: 择优生长
2020/8/5
29
柱状晶指向焊缝中心
2020/8/5
30
2020/8/5
31
3）凝固速度
2020/8/5
32
晶粒成长的平均线速度是变化的:
cosθ=0, θ=90°,Vc=0, 说明在熔合区上晶粒开 始成长的瞬间，成长的方向垂直于熔合区， 晶粒 成长的平均线速度等于零。
17
熔化焊的本质:在焊接条件下的小熔池熔炼和冷凝， 金属熔化和结晶的冶金过程。
焊接接头（welded joint）的组成：
母材（base metal）
热影响区（heat affect zone）
熔合线（bond line）
焊缝（weld）
熔化焊的冶金特点：
1）反应区的温度高于一般的冶炼温度
2）熔池小冷却速度快，液态金属高温停留时间短
26
有利作用： ❖1）使母材和焊条金属的成分充分混合， 帮助形成成分和组织均匀的焊缝； ❖2）加速了金属和气体及熔渣的反应速度， ❖有利于有害气体和非金属夹杂物的逸出； ❖3）避免焊接缺陷的产生，提高焊接质量；
❖熔合线部位的问题
2020/8/5
27
(2)熔池凝固的特点
1）联生结晶 （交互结晶、外延结 晶）
cosθ=1, θ=0°,Vc=Vw, 说明晶粒成长到接触X 轴时，晶粒成长的平均线速度等于焊接速度。
焊接工艺参数对晶粒成长方向和平均线速度均 有影响 当焊接速度大时，角越大，晶粒主轴的成
长方向越垂直于焊缝的中心线；相反，当焊接速度 小时，则晶粒主轴的成长方向越弯曲。
2020/8/5
33
❖平均成长速度与焊接速度有关;
2020/8/5
10
从冶金角度
液相焊接：基材和填充材料熔化－液相互 溶－材料间原子结合。
固相焊接：压力使连接表面紧密接触－ 表面之间充分扩散－实现原子结合。
固－液相焊接：待接表面不接触，通过 两者之间的毛细间隙中的液相金属在固液界 面扩散，实现原子结合。 （钎焊）
2020/8/5
11
2、焊接方法的分类
2020/8/5
35
结晶形态主要决定于合金中的溶质的浓度 C0、结晶速度R和液相中温度梯度G的综 合作用。其关系如图所示。
C0
等轴晶 ％
树枝晶
胞状树枝晶 胞状晶
平面晶
2020/8/5
G/R1/2
36
焊缝凝固特点 焊缝组织
2020/8/5
37
2020/8/5
38
2、焊缝金属的组织
（1）低碳钢焊缝金属的室温组织 a、先共析铁素体 b、针状铁素体 c、
❖柱状晶的最大成长速度不可能超过焊速;
❖焊接熔池的实际凝固过程并不是连续的。 柱状晶成长速度的变化并不是十分有规律， 有不规则的波动现象。
❖焊缝凝固速度快
2020/8/5
34
(3)凝固金属的组织形态
柱状晶+少量等轴晶
柱状晶内：平面晶、胞状晶、树枝状晶 等轴晶内：树枝晶
与熔池凝固过程密切相关。 浓度梯度、成分过冷
2020/8/5
14
焊接热过程
焊接加热的特点：热作用集中性(局部熔化)、热作
用的瞬时性(热源移动) 温度场、热循环
焊接化学冶金过程
熔焊时，液态金属、熔渣及气相之间进行一系列的化学 冶金反应。
焊接物理冶金过程
凝固结晶、固态相变
2020/8/5
15
2020/8/5
16
焊接接头示意图
2020/8/5
珠光体 （2）低合金钢焊缝金属的显微组织
a、先共析铁素体 b、针状铁素体 c、 珠光体
d、马氏体 f、贝氏体
2020/8/5
39
3、焊缝金属性能的控制
（1）焊缝合金化与变质处理
（2）工艺措施（振动结晶、焊后热处理）
2020/8/5
40
焊缝组织的强 韧性 熔合区的特性 同种钢的熔合区
2020/8/5
23
2）熔池的温度高 1770±100℃ > 钢锭:1550 ℃
3）液体金属处于运动状态
熔池处于液态时间只有几秒到几十秒, 各种力:电弧力、电磁力、熔滴，表面张力 强烈的搅拌和对流运动
4）熔池界面的导热条件好 母材导热
2020/8/5
24
2020/8/5
25
熔池中的流体动力学状态及其对焊缝质量的 影响
熔池中的金属是强烈运动着的：
1）热源产生的机械力的搅拌作用（如熔滴落下 的冲击力、电弧气流的吹力；电磁力、离子的轰 击力以及熔池金属蒸发所产生的反作用力等）；
2）温差引起的表面张力的变化，强迫金属发生 对流；
3）温差引起的液态金属密度变化造成的对流；
熔池中的化学冶金反应以及生成的气泡和熔
渣的上浮；
2020/8/5
（1）熔化焊 (fusion welding) （2）固态焊 (solid state welding)/压力 焊
（3）钎焊 (brazing, soldering)
2020/8/5
12
2020/8/5
13
3、熔化焊焊接接头的形成 及其冶金过程
焊接接头
焊接热过程 + 焊接化学冶金
+ 焊接物理冶金
7
2020/8/5
8
2020/8/5
9
1-1 焊接及其冶金特点
1、焊接（welding)的实质
借助加热或加压，或者同时实施加热和加压以实 现材料之间的原子结合。
加热：电弧 电弧焊 等离子焊
化学热 氧－乙炔焊
电子束 电子束焊
光束（包括激光束）光束焊 激光焊
加压：冷焊
加压/加热：锻焊、电阻焊、摩擦焊、超声波焊、 爆炸焊
连接成形理论基础
连接成形部分
2和性能
2020/8/5
2
History Review
公元前，已出现焊接工艺，铸焊、扩散钎焊 （秦始皇陵铜车马等）。
19世纪，现代焊接技术得以发展（C弧、金属 弧、电阻热）。
20世纪，金属电弧用于金属结构生产，发明厚 药皮焊条。
3）冶金条件差
2020/8/5
18
2020/8/5
19
2020/8/5
20
2020/8/5
21
焊道 2020/8/5
保护气体
导电嘴 溶滴 熔池
焊丝 电弧
母材
22
1-2 焊缝金属的组织与性能
1、焊接熔池的凝固
(1)焊接熔池的特征： 1）熔池的体积小 熔池的形状与尺寸 (≤30cm3, ≤100g)
2020/8/5
3
2020/8/5
4
2020/8/5
5
❖1921年，第一艘全焊远洋船； ❖30年代，大规模制造焊接结构； ❖60年代，焊接结构空前普及； ❖中国：
上海金茂大厦；葛洲坝船闸闸门； 三峡水电站船闸闸门；三峡工程 水轮机转子；九江长江大桥、芜 湖长江大桥等。
2020/8/5
6
2020/8/5