第四章焊接接头的组织与性能.ppt

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。 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，4?100oC/s。钢锭平均冷速（3 ? 150）?10-4 oC/s。 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。 * 第三章 熔池凝固与焊缝固态相变 2、熔池中的金属处于过热状态 电弧焊条件下，熔池温度1770?100 oC，熔滴 2300?200 oC。钢锭不超过1550oC。 3、熔池在运动状态下结晶 第三章 熔池凝固与焊缝固态相变 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 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 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。 粗大的柱状晶 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 成分偏析 显微偏析 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 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 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： 被焊金属的固相线温度 温度梯度 被焊金属的液相线温度 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 **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。 *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。 第三章 熔池凝固与焊缝固态相变 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