相关标准与焊接接头组织

1、材料科学与工程学院王永东1、重要的金属性能及特征值、重要的金属性能及特征值2、拉伸试验相关标准、拉伸试验相关标准拉伸试验拉伸试验ISO6892-1998（EN10002，GB/T228-2002）焊缝拉伸试验横向拉伸焊缝拉伸试验横向拉伸ISO4136-2001（EN895）焊缝拉伸试验纵向拉伸焊缝拉伸试验纵向拉伸EN876拉伸曲线拉伸曲线材料特征值材料特征值屈服极限：屈服极限：ReH N/mm2屈服点：屈服点： Rp0.2 N/mm2抗拉强度：抗拉强度： Rm N/mm2断裂延伸率：断裂延伸率：A%断面收缩率：断面收缩率：Z%3、工艺弯曲试验相关标准、工艺弯曲试验相关标准弯曲试验：弯曲试验：I

2、SO5173-2000（EN910）4、硬度试验相关标准、硬度试验相关标准布式硬度试验：布式硬度试验：EN ISO6506-1999（EN100003）维氏硬度试验：维氏硬度试验： EN ISO6507洛氏硬度试验：洛氏硬度试验： EN ISO6508（EN10109）焊缝的硬度试验：焊缝的硬度试验： ISO9015-2001（EN1043）5、缺口冲击试验相关标准、缺口冲击试验相关标准冲击试验：冲击试验：ISO148-1-2006（EN10045，GB/T229）焊缝的冲击试验：焊缝的冲击试验： ISO9016-2001（875）-80-60-40-200204030354045505560

3、657075 T/()AV试验温度的影响试验温度的影响特征值：特征值：缺口冲击功：缺口冲击功：AV J缺口冲击韧性：缺口冲击韧性：a k J/cm2焊接接头组织与性能焊接接头组织与性能一、焊接工件上温度的变化与分布一、焊接工件上温度的变化与分布1）距焊缝中心不同，受热最高温度不同。）距焊缝中心不同，受热最高温度不同。2）各点到达最高温度的时间不同。）各点到达最高温度的时间不同。3）各点均经过冷）各点均经过冷-热热冷，相当于受到一次不冷，相当于受到一次不同规范的热处理。因此，必然有相应的组织和同规范的热处理。因此，必然有相应的组织和性能的变化。性能的变化。焊接接头的组织与性能焊接接头的组织与性能

4、1焊接接头的概念焊接接头的概念 用焊接方法连接的接头称为焊接接头。用焊接方法连接的接头称为焊接接头。它包括：焊缝区、熔合区、焊接热影响区它包括：焊缝区、熔合区、焊接热影响区三部分，焊接接头的性能取决于三部分中三部分，焊接接头的性能取决于三部分中最薄弱的部分。最薄弱的部分。母材母材热影响区热影响区焊缝焊缝熔合区熔合区焊接接头焊接接头母材母材焊缝焊缝熔合区熔合区热影响区热影响区焊接接头焊接接头低碳钢焊接接头的组织变化低碳钢焊接接头的组织变化1熔化金属熔化金属 2熔合区熔合区 3过热区过热区4正火区正火区 5部分相变区部分相变区 6母材母材2结构钢焊接接头的组织和性能结构钢焊接接头的组织和性能1）焊

5、缝区）焊缝区(TT液液) 在焊接接头横截面上测量的焊缝金属在焊接接头横截面上测量的焊缝金属(焊缝表面焊缝表面和熔合线所包围的部分和熔合线所包围的部分)的区域。的区域。 组织：铸造组织，化学成分取决于焊芯和母材化组织：铸造组织，化学成分取决于焊芯和母材化学成分及熔合比，焊接时元素的氧化损失率等因素。学成分及熔合比，焊接时元素的氧化损失率等因素。焊缝具有成分焊缝具有成分 偏析现象，焊接工艺或操作不当，可偏析现象，焊接工艺或操作不当，可能出现气孔、夹杂、裂缝、咬边等缺陷。能出现气孔、夹杂、裂缝、咬边等缺陷。 性能：焊缝合金元素含量一般比母材高，合格焊性能：焊缝合金元素含量一般比母材高，合格焊缝的机械

6、缝的机械 性能一般不低于母材。性能一般不低于母材。 2）熔合区）熔合区(T固固T液液) 焊接接头中焊缝向热影响区过渡的区域。焊接接头中焊缝向热影响区过渡的区域。 组织：过热的半熔化粗晶粒上联生的束状树枝晶组织。组织：过热的半熔化粗晶粒上联生的束状树枝晶组织。 性能：塑性、韧性差，是影响焊接接头性能的关键部性能：塑性、韧性差，是影响焊接接头性能的关键部位。位。3）焊接热影响区）焊接热影响区 焊接焊接(或热切割或热切割)过程中，材料因受热的影响过程中，材料因受热的影响(但未但未熔化熔化)发生金相组织和性能变化的区域。发生金相组织和性能变化的区域。（1）过热区：过热区：温度高于温度高于AC3温度以上

7、温度以上100-200。 组织：晶粒产生急剧长大，过热组织。组织：晶粒产生急剧长大，过热组织。 性能：塑性韧性性能：塑性韧性 对于易淬硬钢材，危害更大。接头中对于易淬硬钢材，危害更大。接头中 性能较差性能较差（2）正火区：正火区：温度高于温度高于AC1至至AC3温度以上温度以上100-200。 组织：发生重结晶，组织：发生重结晶， 晶粒细化，正火组织（晶粒细化，正火组织（P和和F） 性能：机械能提高性能：机械能提高（3）部分相变区：部分相变区：温度在温度在AC1-AC3温度之间温度之间 组织：部分相变组织：部分相变 （F、P）晶粒不均（部分）晶粒不均（部分F和和P重结晶成重结晶成 为较细晶粒，

8、未转变的为较细晶粒，未转变的F长大）长大） 性能：稍差性能：稍差 对焊缝渗透合金，加强脱氧、脱硫、脱磷；加强对对焊缝渗透合金，加强脱氧、脱硫、脱磷；加强对焊缝的保护。焊缝的保护。 选择焊接方法，控制焊接加热温度和加热时间，尽选择焊接方法，控制焊接加热温度和加热时间，尽量减小热影响区宽度。量减小热影响区宽度。 焊后热处理，消除内应力和淬硬组织，细化晶粒。焊后热处理，消除内应力和淬硬组织，细化晶粒。3改善焊接接头组织性能的措施改善焊接接头组织性能的措施第四节 焊缝性能的控制第一节 熔池凝固第二节 焊缝固态相变第三节 焊缝中的气孔和夹杂熔池凝固和焊缝熔池凝固和焊缝 固态相变固态相变重点内容重点内容1

9、 1、熔池凝固条件和特点及一般规律、熔池凝固条件和特点及一般规律2 2、各钢种焊缝的固态相变组织的转变、各钢种焊缝的固态相变组织的转变3 3、焊缝中的气孔和夹杂问题、焊缝中的气孔和夹杂问题4 4、焊缝性能问题讨论、焊缝性能问题讨论3-1 3-1 熔池凝固熔池凝固一、熔池的凝固条件和特点一、熔池的凝固条件和特点 1. 熔池体积小，冷却速度大2熔池中的液态金属处于过热状态3熔池在运动状态下结晶 二、熔池结晶的一般规律二、熔池结晶的一般规律 焊接时，熔池金属的结晶与一般炼钢时钢锭的结晶一样，也是在过冷的液体金属中，首先形成晶核和晶核长大的结晶过程。生核热力学条件是过冷度而造成的自由能降低；生核的动力

10、学条件是自由能降低的程度。 1. 1.生核生核熔池中晶核的生成分为：非自发晶核、自发晶核。形成两种晶核都需要能量 1) 1)自发晶核自发晶核 自发临界晶核所需的能量23316FrEr：新相与液相间的表面张力系数。Fr：单位体积内液固两相自由能之差。 2)2)非自发形核非自发形核：非自发晶核的浸润角=0 EK=04coscos32316323rFkE焊接时存在两种非自发晶核质点，一种是合金元素，另一种是现成表面，焊接熔池边界，正是固液相的相界面，熔池边界半熔化的母材晶粒表面为新相晶核的“基底”。2 2成长成长 原子由液相不断地向固相转移，晶核的成长是通过二维成核方式长大，但并不是齐步前进，长大趋

11、势不同，有的一直向焊缝中部发展；有的只长大很短距离就被抑制停止长大。当晶体最易长大方向与散热最快方向相一致，最有利长大晶核的成长是一个原子厚度从液相中吸收原子集团来进行的并连续不断地吸附在晶体表面的小台阶处而迅速长大。 焊接熔池边界正是固液相的相界面，熔池边界的部分熔化的母材晶粒表面完全可能成为新相晶核的“基底” ，非均匀生核，焊缝金属呈柱状晶形式与母材相联系，好似母材晶粒外延长大。这种依附于母依附于母材晶粒现成表面而形成材晶粒现成表面而形成共同晶粒的凝固方式，共同晶粒的凝固方式，称为外延结晶或联生结称为外延结晶或联生结晶晶。1 1、晶粒成长的平均线速度是变化的、晶粒成长的平均线速度是变化的

12、晶粒成长方向和线速度是变化的，在熔合线处最小，在焊道中心处最大，为焊速。 2 2、焊接规范的影响焊接规范的影响 当焊速大时， 晶粒主轴的成长方向垂直于焊缝中心线，称为定向晶。当焊速小时，晶粒主轴的成长方向弯曲，形成偏向晶。三、熔池结晶线速度三、熔池结晶线速度 四、金属的微观结晶形态四、金属的微观结晶形态 （一）纯金属的结晶形态（一）纯金属的结晶形态 G0时 G-温度梯度（正的温度梯度）液相温度固相，过冷度小，结晶缓慢，形成平面晶。 G0时的温度分布b)G0时的界面结晶形态d)GP0PhPH2+PN2+PCO+.P0Pa+Pm+Ps+即气泡长大的条件为 21capPPn 气泡形成初期，r很小，附

13、加压Pc则很大，气泡很难形成。焊接时，由于熔池内存在着很多现成表面，如柱状晶粒和液态金属相接触的地方形成，这些地方由于界面张力的作用，气泡不成园形，可以得到较大的曲率半径r使Pc减小。3 3、气泡上浮、气泡上浮 1）气泡核脱离表面主要与气泡-液体金属-现成表面界面张力及接触角有关平衡时：气液液现气现气液液现气现coscos当90，有利于气泡上浮，气泡形成的快，完全脱离现成表面。当90, 由于形成细颈过程需要时气，若结晶速度气泡脱离现成表面的速度，就会形成气孔 2）结晶速度 ： v较小时，气泡有充分时间逸出，无气孔，气泡易上浮；v大时，气泡上浮时间短，可能残余在焊缝内部。 3）气泡上浮速度 ：2

14、2192grv当r,v易浮出液体金属密度越大，v不易形成气孔影响最大，T,易上浮v。T,V易形成气孔 （三）影响生成气孔的因素及防（三）影响生成气孔的因素及防止措施止措施 冶金因素、工艺因素二个方面讨论。1、 冶金因素的影响 1）熔渣与弧柱气氛的氧化性C0 COH2 氧的活度 ax 2）熔渣成分影响 氟化钙脱氢机理氧化物脱氢机理酸性焊条脱氢是靠较强氧化物.碱性焊条脱氢是靠碳酸盐分解,产生较强氧化性.OH氟化物脱氢3）铁锈及水份的影响3Fe2O3=2 Fe3O4+O2 Fe3O4+H2O=3 Fe2O3+H2Fe+H2O= FeO+H22、工艺因素影响 1）焊接规范的影响 电流, 熔池存在时间,

15、气体外逸;熔滴尺寸，比表面积，易产生气孔熔深,不易使气体逸出焊条电阻热，药皮提前脱落，易产生气孔.电压,N气孔；焊速,气孔增加.2 2）电流种类及极性）电流种类及极性 3.3.工艺操作工艺操作 直流反接，气孔小（溶滴为正）直流正接，气孔多（溶滴为阴极收）交流焊接，气孔更多焊件去油、锈；烘干焊条；短弧焊二、焊缝夹杂二、焊缝夹杂 一、一、 焊缝夹杂焊缝夹杂 1、 氧化物SiO2、MnO、TiO2、Al2O3- 热裂，层状撕裂 2、 氮化物Fe4N 脆硬相，硬度韧性 硫化物 FeS MnS 防止措施防止措施1）选用合理规范，以利于熔渣的浮出；2）多层焊时，清渣；3）焊条摆动；4）保护溶池，防止空气侵

16、入。本节结束焊缝性能控制焊缝性能控制 控制焊缝性能是控制焊接质量的主要目标，具有相同化学成分的焊缝金属，由于结晶形态和组织不同，在性能上会有很大的差异。一般常归的焊接构件，焊后都不再进行热处理，因此，应尽可能保证焊缝凝固以后，经过凝固相变就具有良好的性能。 在焊接工作中用于改善焊缝金属性能的途经很多，但主要是焊缝的固溶强化、变质处理（微合金化）和调整焊接工艺 。一、焊缝金属的固溶强化和一、焊缝金属的固溶强化和变质处理变质处理 对于低合金结构钢的焊缝金属，最有害的脆化元素是S，P，N，o，H，必须加以限制。铁素体化元素与奥氏体化元素的影响有些差异。一般来说，铁素体化元素对韧性不太有利，强化作用越

17、强烈，对韧性越有害。奥氏体化元素中c的作用最为不利；而Mn与N则在相当大的含量范围内有利于改善焊缝韧。（一） 锰和硅对焊缝性能的影响强度较低的Mnsi系焊缝金属：Mn，Si数量少时，形成粗大的铁素体；提高Mn，Si数量则可形成针状铁素体AF，超过一定量后，可形成块状铁素体LF。Mn，Si量有最佳范围，MnSi值为36。强度较高的高强钢焊缝：在AF之间会产生一定数量的M-A组元。调整Mn，Ni数量以获得单一的微细AF。Mn，Ni数量较少时，岛状相部分分解为铁素体和渗碳体，还可有先共析铁素体；Mn，Ni过多：形成LF，还可能产生M。Mn Si单纯加入提高焊缝韧性有限。（二） 铌和钒对焊缝韧性的影响

18、适当的Nb和 V,焊缝韧性通过固溶,推迟AF转变,抑制GBF和FSP,利于形成AF.NbN,VN以微细共格沉淀相存在，焊缝强度韧性。只有正火处理，改善焊缝韧性。因此，一般不加Nb和 V。（三） 钛、硼对焊缝韧性的影响 Ti Ti 和和 B B同时存在可提高焊缝韧性同时存在可提高焊缝韧性Ti和O亲和力比较大，形成细小的（TiO）细化晶粒。Ti保护B不被氧化，B偏聚A晶界，抑制GBF和PF，利于形成AP。合适加入量Ti0.010.02% B=0.0020.006%.（四） 钼对焊缝韧性的影响M0 焊缝的强度韧性M00.5%时， AF转变降低,形成B上合适量0.2-0.35%,形成细晶铁素体.（五）

19、 稀土元素对焊缝金属性能的影响稀土分为两类:重稀土:Y(钇组)轻稀土:Ce(铈组)作用：脱氢、脱氧、脱氮 改变夹杂物形态 提高韧性 减少裂纹（六） 碲在焊缝中的作用碲：去H2 抗冷裂与稀土一同加入，提高韧性。总结：Mn、Si固溶强化Ti、B、Zr、变质处理V、Nb、Mo二者兼有。二、调整焊接工艺改善焊缝的二、调整焊接工艺改善焊缝的性能性能 （一）振动结晶低频机械振动高频超声振动电磁振动振动频率10000Hz以下振动频率20000Hz以下（二）（二） 焊后处理焊后处理（三）（三） 多层焊接多层焊接（四） 锤击焊道表面BTRBTR焊接方向熔池锤击位置焊接方向沿焊缝中心线温度分布沿焊缝中心线温度分布

20、熔池锤击位置（五） 跟踪回火处理 本章小结本章小结本章重点介绍了熔池凝固条件和特点及一般规律以及各钢种焊缝的固态相变组织的转变，对于焊缝中的气孔、夹杂和焊缝性能问题进行了讨论,并论述了合金元素改善焊缝性能及处理工艺.4-3 4-3 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能 一一. .焊接热影响区的组织分布焊接热影响区的组织分布 焊接结构钢根据热处理特性不同分为两类:淬火钢,不易淬火钢,分别讲述淬火钢和不易淬火钢的组织分布. 1.不易淬火钢:如低碳钢,某些不易淬硬的低合金钢,如16Mn.15MoV.15MnTi等 热影响区的组织分布热影响区的组织分布 1).熔全区 2).过热区 3).相

21、变重结晶区 4).不完全重结晶区 对于低碳钢,一些淬硬倾向不大的钢(16Mn.15MnTi等)除过热区外其它各区组织基本相同. 低碳钢过热区主要是魏氏组织W 16Mn钢焊接热 影响区焊缝金属母材熔合区过热 区不完全重结晶区2.2.易淬火钢易淬火钢 此类钢热影响区的组织分布与母材焊前热处理有关焊前热处理.退火,正火,调质(淬火+高回火) 1).完全淬火区 2).不完全淬火区 3).对于调质处理的钢(母材焊前处于调质状态)回火区以下,发生不同程度的回火处理回火区.组织性能变化取决于焊前调质状态的温度.3.注意问题注意问题 1).热影响区中熔合区,过热区晶粒严重长大,是焊接接头的薄弱地带.2).低碳

22、钢的不完全重结晶区,在急冷急热的条件下,会表现出高碳钢的行为. 3).成分偏析严重,C.P.S高时易产生淬硬组织,裂纹. 二二.焊接热影响区的性能焊接热影响区的性能 (一)HAZ的硬化 硬度硬度 为了方便起见,常常用硬度的变化来判定热影响区的性能变化,硬度高的区域,强度也高,塑性.韧性下降,测定热影响区的硬度分布可以间接来估计热影响区的强度,塑性和裂纹倾向影响硬度的因素。 1)碳当量（碳当量（Carbon Equivalent)国际焊接学会5156)(VMoCrNiCuMnCCEIIW日本焊接学会144540246)(VMoCrNiSiMnCCeqWES近年来常用的公式BNbVMoCrNiCUMnSiCA