现代焊接及连接工程学(章3)

1、现代焊接与连接工程学现代焊接与连接工程学Modern Welding and Joining Engineering2现代焊接与连接工程学3.1 先进材料发展概述先进材料发展概述3.1.1 新型金属结构材料新型金属结构材料 1) 1) 通过控轧、控冷、控制杂质含量以及微合金化等措施生产出高强、通过控轧、控冷、控制杂质含量以及微合金化等措施生产出高强、高韧和抗裂性能好的高强钢。高韧和抗裂性能好的高强钢。 2) 2) 通过定向结晶、单晶化和微晶化等控制凝固技术获得的高级合金。通过定向结晶、单晶化和微晶化等控制凝固技术获得的高级合金。 3) 3) 通过快速冷却获得非晶态金属、微晶和纳米晶。通过快速冷

2、却获得非晶态金属、微晶和纳米晶。 4) 4) 通过机械合金化生产出具有优异性能的新型合金，如高熔点氧化通过机械合金化生产出具有优异性能的新型合金，如高熔点氧化物弥散强化超级合金，表面纳米化材料。物弥散强化超级合金，表面纳米化材料。 5) 5) 通过合金成分设计及微量元素控制获得的新型合金，如高比强度通过合金成分设计及微量元素控制获得的新型合金，如高比强度铝锂合金，高熔点、抗氧化和低密度的金属间化合物高温合金等。铝锂合金，高熔点、抗氧化和低密度的金属间化合物高温合金等。第三章第三章 先进材料的焊接性和质量控制先进材料的焊接性和质量控制 Chapter 3 Weldability and Qual

3、ity Control for Advanced MaterialsWeldability and Quality Control for Advanced Materials3现代焊接与连接工程学3.1.2 先进陶瓷先进陶瓷 在组成、性能、制造工艺以及应用等方面与传统陶瓷截然不同。在组成、性能、制造工艺以及应用等方面与传统陶瓷截然不同。由原来的由原来的SiOSiO2 2、AlAl2 2OO3 3、MgOMgO等发展到了等发展到了Si Si3 3N N4 4、SiCSiC和和ZrOZrO2 2。具有特。具有特定的精细结构和性能。这类陶瓷又称定的精细结构和性能。这类陶瓷又称精细陶瓷精细陶瓷。 根

4、据用途分为根据用途分为结构陶瓷结构陶瓷和和功能陶瓷功能陶瓷两大类。两大类。功能陶瓷功能陶瓷使用最广，使用最广，除具有各种特殊电性能和磁性能外，还有对声、光、热、压力等敏除具有各种特殊电性能和磁性能外，还有对声、光、热、压力等敏感的陶瓷，在发展高新技术中占有极为重要的地位，产量约占精细感的陶瓷，在发展高新技术中占有极为重要的地位，产量约占精细陶瓷的陶瓷的9090。结构陶瓷结构陶瓷由于高强度、耐磨、耐高温和耐腐蚀等优异由于高强度、耐磨、耐高温和耐腐蚀等优异特性而受到重视。与金属和高分子材料相比，突出优点就是能耐更特性而受到重视。与金属和高分子材料相比，突出优点就是能耐更高温度，由于脆性限制了应用。

5、目前做机械零件和切削刀具。高温度，由于脆性限制了应用。目前做机械零件和切削刀具。4现代焊接与连接工程学3.1.3 先进复合材料先进复合材料1) 1) 树脂基复合材料树脂基复合材料 由碳纤维和芳酰胺纤维等高性能纤维增强的耐热性好的热固由碳纤维和芳酰胺纤维等高性能纤维增强的耐热性好的热固性和热塑性树脂基复合材料。主要特点：高比强、高弹性模量、性和热塑性树脂基复合材料。主要特点：高比强、高弹性模量、低膨胀系数、优良的尺寸稳定性，优异的减振性和抗疲劳性能。低膨胀系数、优良的尺寸稳定性，优异的减振性和抗疲劳性能。2) 2) 金属基复合材料金属基复合材料 除了高强度、高弹性模量和低膨胀系数，与树脂基复合材

6、料除了高强度、高弹性模量和低膨胀系数，与树脂基复合材料相比，还具有优良的韧性，抗冲击，耐热性高，横向力学性能好，相比，还具有优良的韧性，抗冲击，耐热性高，横向力学性能好，导电和导热性好，耐辐射，高真空环境性能稳定等优点。其中铝导电和导热性好，耐辐射，高真空环境性能稳定等优点。其中铝基复合材料发展最成熟，已成功用于航空航天和汽车制造业。目基复合材料发展最成熟，已成功用于航空航天和汽车制造业。目前正在研究钛基复合材料以及能耐更高温度的镍基、金属间化合前正在研究钛基复合材料以及能耐更高温度的镍基、金属间化合物基等复合材料。物基等复合材料。5现代焊接与连接工程学3) 3) 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料

7、 陶瓷基复合材料中的纤维主要通过分散裂纹前端的应力集中，陶瓷基复合材料中的纤维主要通过分散裂纹前端的应力集中，改变裂纹走向和终止裂纹扩展，起补强增韧作用。由于陶瓷基复改变裂纹走向和终止裂纹扩展，起补强增韧作用。由于陶瓷基复合材料要求在更高温度下使用，对增韧材料、成形工艺及界面设合材料要求在更高温度下使用，对增韧材料、成形工艺及界面设计要求更高。这类复合材料离实用化还有距离。计要求更高。这类复合材料离实用化还有距离。4) 4) 碳碳- -碳复合材料碳复合材料 碳碳- -碳复合材料已不仅是一种很好的防烧蚀防热材料和耐高温、碳复合材料已不仅是一种很好的防烧蚀防热材料和耐高温、抗磨损材料，经渗硅处理后

8、已具有一定的抗氧化能力，成功用于抗磨损材料，经渗硅处理后已具有一定的抗氧化能力，成功用于航天飞机作为能重复使用的热结构材料。但强度和抗氧化性能还航天飞机作为能重复使用的热结构材料。但强度和抗氧化性能还不够理想，主要受防护层抗氧化能力的限制。一旦这一问题有所不够理想，主要受防护层抗氧化能力的限制。一旦这一问题有所突破，将成为能在突破，将成为能在20002000以上长期工作的最好的耐热结构材料。以上长期工作的最好的耐热结构材料。6现代焊接与连接工程学3.2 低合金高强钢焊接低合金高强钢焊接 -Welding of High Strength Low Alloy Steels 低合金钢高强钢简称低合

9、金钢高强钢简称HSLAHSLA钢，在碳钢基础上加上总量不超过钢，在碳钢基础上加上总量不超过5%5%的合金元素，一般不超过的合金元素，一般不超过3%3%。常常也指微合金化钢。常常也指微合金化钢。HSLAHSLA钢的屈服钢的屈服强度一般在强度一般在50130ksi50130ksi（350900MPa350900MPa），其用途十分广泛：），其用途十分广泛： 容器以容器以“R”R”表示，如表示，如16Mn 16Mn 16MnR 16MnR； 桥梁以桥梁以“q”q”表示，如表示，如16Mn 16Mn 16Mnq 16Mnq； 管线钢以管线钢以“X”X”打头，打头，X42X42X120X120； 海洋船

10、舶结构；海洋船舶结构； 建筑用钢；建筑用钢； 低温用钢；低温用钢； 高、中温用钢；高、中温用钢；7现代焊接与连接工程学 钢中杂质元素主要是钢中杂质元素主要是S S、P P、OO、N N、H H及五害元素及五害元素PbPb（铅）、（铅）、SnSn（锡）、（锡）、AsAs（砷）、（砷）、SbSb（锑）、（锑）、Bi Bi（铋）（铋）。u 80 80年代第一代微合金沉淀硬化钢（高强韧钢）：纯度年代第一代微合金沉淀硬化钢（高强韧钢）：纯度N+O+P+SN+O+P+S 150ppm150ppm，细晶粒，细晶粒10-1510-15 mm，微碳微碳200-1000ppm200-1000ppm，微量微量Nb+

11、V+TiNb+V+Ti 150ppm150ppm。形成形成3-10nm3-10nm的弥散沉淀相；的弥散沉淀相；P Pcmcm 0.250.25。u 90 90年代，微合金高强高韧钢：纯度年代，微合金高强高韧钢：纯度N+O+P+SN+O+P+S 150ppm150ppm，晶，晶粒粒3-83-8 mm；CC 500ppm500ppm；P Pcmcm 0.200.20；u 目前，超纯、超细、高均匀性的超级钢研究有可能成为本世纪目前，超纯、超细、高均匀性的超级钢研究有可能成为本世纪的主要结构用钢：的主要结构用钢：S+O+P+NS+O+P+N 100ppm 100ppm，晶粒，晶粒2-52-5 mm。u

12、 轧制工艺发展趋势：一般热轧轧制工艺发展趋势：一般热轧控轧控轧TMCPTMCPF F区轧制。区轧制。8现代焊接与连接工程学3.2.1 焊接性试验焊接性试验)(%)(51)(15161VMoCrCuNiMnCCeqBVMoNiCuCrMnSiCPCM5101151601)(201301*CM111111PCSi(MnCrCu)NiMoVNb23B30206015321、根据化学成分进行焊接性评定根据化学成分进行焊接性评定 焊接热影响区硬度和冷裂倾向与钢材化学成分有密切关系。焊接热影响区硬度和冷裂倾向与钢材化学成分有密切关系。IIWIIW规规定的碳当量的公式定的碳当量的公式是以是以4040年代生产

13、的钢为基础建立起来的年代生产的钢为基础建立起来的： 6060年代出现了焊接性良好的低碳低合金钢与微合金化的高强钢，年代出现了焊接性良好的低碳低合金钢与微合金化的高强钢，ItoIto提出了冷裂敏感指数提出了冷裂敏感指数P PCMCM公式：公式： TMCPTMCP钢的出现考虑了钢的出现考虑了NbNb、B B影响，影响，19851985年年ItoIto提出新的提出新的P PCMCM公式：公式：9现代焊接与连接工程学2、热影响区最高硬度法热影响区最高硬度法 判断钢材的淬硬倾向与冷裂纹敏感性。判断钢材的淬硬倾向与冷裂纹敏感性。 试板标准厚度为试板标准厚度为20mm20mm，长、宽为，长、宽为200mm2

14、00mm、75mm75mm。采用。采用 4.0mm4.0mm焊条，焊接电流焊条，焊接电流170170 10A10A，焊接速度，焊接速度150150 10 mm10 mm/min/min。宽度宽度75mm75mm的试件在室温下焊接，如硬度超标，则采用宽度的试件在室温下焊接，如硬度超标，则采用宽度150mm150mm的试件并进行预热焊接。试件焊后放置的试件并进行预热焊接。试件焊后放置1212小时以上切开。小时以上切开。 采用采用HVHV法法, , 测点间距测点间距0.5mm0.5mm。在硬度较低区域，可适当放宽测定在硬度较低区域，可适当放宽测定间距。硬度测定线必须与焊缝剖面间距。硬度测定线必须与焊

15、缝剖面熔合线相切。熔合线相切。10现代焊接与连接工程学3、斜、斜Y型坡口焊接裂纹试验法型坡口焊接裂纹试验法 采用规定材料和温度，检测试验焊缝表面、根部和断面裂纹数量，采用规定材料和温度，检测试验焊缝表面、根部和断面裂纹数量，计算裂纹率，评价低合金高强钢焊接热影响区的冷裂纹敏感性。裂纹率计算裂纹率，评价低合金高强钢焊接热影响区的冷裂纹敏感性。裂纹率低于低于20%20%时认为实际试件不会出现开裂。时认为实际试件不会出现开裂。11现代焊接与连接工程学4、窗形拘束裂纹试验法、窗形拘束裂纹试验法 评定低合金钢多层焊时焊缝的横向裂纹敏感性（包括热裂纹和冷评定低合金钢多层焊时焊缝的横向裂纹敏感性（包括热裂纹

16、和冷裂纹裂纹) )，可作为选择焊接材料和施焊工艺的试验方法。试件为两块，可作为选择焊接材料和施焊工艺的试验方法。试件为两块500500 180mm180mm钢板，先焊在窗口部位，然后用在坡口两面填满焊缝。钢板，先焊在窗口部位，然后用在坡口两面填满焊缝。 焊后放置焊后放置4848小时以上，取下试板用小时以上，取下试板用X X射线探伤。再把试板沿焊缝射线探伤。再把试板沿焊缝金属纵向剖开，磨片后在纵断面上检查裂纹。评定方法一般以裂纹有金属纵向剖开，磨片后在纵断面上检查裂纹。评定方法一般以裂纹有无为据，亦可按断面裂纹率进行计算。无为据，亦可按断面裂纹率进行计算。12现代焊接与连接工程学3.2.2 焊缝

17、金属的韧性控制焊缝金属的韧性控制 焊缝是化学冶金与物理冶金的综合产物。熔化焊接的特点：焊缝是化学冶金与物理冶金的综合产物。熔化焊接的特点：（1 1）温度高：弧柱温度）温度高：弧柱温度5000-80005000-8000 CC；熔滴金属的平均温度；熔滴金属的平均温度2100-22002100-2200 CC；熔池温度；熔池温度1600-20001600-2000 CC；熔渣温度；熔渣温度16001600 CC。（2 2）焊接冶金过程分区进行（分区连续反应）：药皮反应区（造）焊接冶金过程分区进行（分区连续反应）：药皮反应区（造渣反应区）；熔滴反应区；熔池反应区。渣反应区）；熔滴反应区；熔池反应区。

18、（3 3）反应界面大；）反应界面大；（4 4）反应过程短促，达不到平衡状态；）反应过程短促，达不到平衡状态；（5 5）熔池的对流与搅拌。）熔池的对流与搅拌。 对于快速反应的小熔池，化学冶金基本采用大冶金数据，不准对于快速反应的小熔池，化学冶金基本采用大冶金数据，不准确，已出现数值模拟方法。下面主要介绍物理冶金方面内容。确，已出现数值模拟方法。下面主要介绍物理冶金方面内容。13现代焊接与连接工程学1 1、低合金钢焊接接头区域组成、低合金钢焊接接头区域组成（1 1）混合区）混合区1 1：焊缝金属的主要部分，：焊缝金属的主要部分，由填充金属与熔化母材混合形成。由填充金属与熔化母材混合形成。（2 2）

19、未混合区）未混合区2 2：未与填充金属相混：未与填充金属相混的熔化母材。是各种裂纹的发源地，的熔化母材。是各种裂纹的发源地，如液化裂纹，氢致裂纹等，韧性很差。如液化裂纹，氢致裂纹等，韧性很差。（3 3）部分熔化区）部分熔化区3 3：对于异种钢来说，除了未混合区与部分熔化区以：对于异种钢来说，除了未混合区与部分熔化区以外，还会存在一稀释过渡区，在该区中可能出现脆性的马氏体组织，外，还会存在一稀释过渡区，在该区中可能出现脆性的马氏体组织，有的还会出现冷裂纹。该区与热影响区的交界称为有的还会出现冷裂纹。该区与热影响区的交界称为熔合线熔合线5 5。（4 4）热影响区）热影响区4 4：包括粗晶区、细晶区

20、、不完全重结晶区、回火或时：包括粗晶区、细晶区、不完全重结晶区、回火或时效脆化区。效脆化区。14现代焊接与连接工程学2、焊缝金属的组织形态及定义、焊缝金属的组织形态及定义（1 1）初共析铁素体）初共析铁素体( (简称简称PFPF，Primary Ferrite)Primary Ferrite)：在原奥氏体晶界或：在原奥氏体晶界或晶内首先形成的组织，形成温度晶内首先形成的组织，形成温度1000-6501000-650 CC。如在晶界形成，称晶。如在晶界形成，称晶界铁素体界铁素体GBFGBF。如在晶内形成，称晶内多角形铁素体。如在晶内形成，称晶内多角形铁素体IPFIPF。（2 2）侧板条铁素体）侧

21、板条铁素体( (简称简称FSFS，Ferrite Side Plate)Ferrite Side Plate)：形成温度：形成温度750-750-650650 CC，如板条间含排列的第二相，如，如板条间含排列的第二相，如M-AM-A组元，则称组元，则称FS(A)FS(A)。包括。包括魏氏组织、上贝氏体与粒状贝氏体等组织。侧向板条一般从晶界往魏氏组织、上贝氏体与粒状贝氏体等组织。侧向板条一般从晶界往晶内生长。晶内生长。（3 3）针状铁素体）针状铁素体( (简称简称AFAF，Acicular Ferrite)Acicular Ferrite)：比较细小，长宽比约：比较细小，长宽比约4:14:1，宽

22、度为，宽度为1-31-3 mm。在奥氏体晶内形成，形成温度在。在奥氏体晶内形成，形成温度在650650 CC以下。以下。通过第二相质点或夹杂形核，也可以在已形成的铁素体上形核。通过第二相质点或夹杂形核，也可以在已形成的铁素体上形核。（4 4）含碳化物的铁素体：如上贝氏体，下贝氏体及珠光体。）含碳化物的铁素体：如上贝氏体，下贝氏体及珠光体。（5 5）马氏体）马氏体 15现代焊接与连接工程学3、焊缝金属韧性的影响因素、焊缝金属韧性的影响因素 A A）焊缝金属凝固组织）焊缝金属凝固组织 受溶质浓度、温度梯度及凝固速度影响，焊缝一般为粗大胞状受溶质浓度、温度梯度及凝固速度影响，焊缝一般为粗大胞状晶、胞

23、状枝晶或柱状枝晶。细化晶粒是改善焊缝性能最有效办法。晶、胞状枝晶或柱状枝晶。细化晶粒是改善焊缝性能最有效办法。可利用可利用变质剂、振动法、电磁搅拌变质剂、振动法、电磁搅拌等方法来细化晶粒。等方法来细化晶粒。 由于焊缝的结晶是联生生长，阻止由于焊缝的结晶是联生生长，阻止或减少母材过热区晶粒长大的因素直接或减少母材过热区晶粒长大的因素直接影响焊缝晶粒大小，加微量元素影响焊缝晶粒大小，加微量元素Ti Ti的钢，的钢，过热区晶粒细化。减少焊接热输入也能过热区晶粒细化。减少焊接热输入也能减少过热区晶粒的长大。减少过热区晶粒的长大。 在多层焊中，下层焊缝部分区域已看不清柱状晶的特征，即采在多层焊中，下层焊

24、缝部分区域已看不清柱状晶的特征，即采用用多层焊多层焊能使焊缝组织得到一定程度的细化。能使焊缝组织得到一定程度的细化。结束结束 开始开始16现代焊接与连接工程学B）化学成分的影响）化学成分的影响碳碳：严格控制焊缝中的含碳量。严格控制焊缝中的含碳量。锰：锰：既是脱氧元素，又可提高强度。降低固态相变温度、增加焊缝既是脱氧元素，又可提高强度。降低固态相变温度、增加焊缝中针状铁素体含量，一定范围内可改善焊缝韧性。中针状铁素体含量，一定范围内可改善焊缝韧性。硅：硅：脱氧元素。大于脱氧元素。大于0.5%0.5%损害韧性。损害韧性。钼：钼：增加针状铁素体含量，改善焊缝金属韧性。增加针状铁素体含量，改善焊缝金属

25、韧性。镍：镍：细化焊缝组织，改善低合金钢焊缝韧性，特别是低温韧性。细化焊缝组织，改善低合金钢焊缝韧性，特别是低温韧性。钛和硼钛和硼：微量微量Ti Ti和和B B对焊缝金属韧性有很大影响，出现加对焊缝金属韧性有很大影响，出现加Ti Ti、B B的高的高韧性焊材。最佳含量韧性焊材。最佳含量Ti Ti为为0.01-0.05%0.01-0.05%，B B为为0.001-0.003%0.001-0.003%。Ti Ti在熔池中形成在熔池中形成TiOTiO成为针状铁素体形核核心，保护成为针状铁素体形核核心，保护B B不被氧化与不被氧化与N N化。化。B B与与N N形成形成BNBN，减少自由氮含量，阻止晶

26、界铁素体形成。，减少自由氮含量，阻止晶界铁素体形成。17现代焊接与连接工程学铌与钒铌与钒：造成回火脆性。：造成回火脆性。气体元素气体元素：焊缝中的气体元素主要是：焊缝中的气体元素主要是氮和氧氮和氧。N N对韧性有害影响的对韧性有害影响的原因之一是促进了含原因之一是促进了含M-AM-A组元的片状组织产生。组元的片状组织产生。OO与许多合金元素与许多合金元素形成第二相夹杂，降低了由微孔聚合引起的延性断裂的抗力。形成第二相夹杂，降低了由微孔聚合引起的延性断裂的抗力。夹杂夹杂：钢中的夹杂物将降低它抗裂纹的扩展能力。但焊缝中的夹杂：钢中的夹杂物将降低它抗裂纹的扩展能力。但焊缝中的夹杂起着双重的作用。焊缝

27、中的夹杂来不及长大，密度也比钢材中高得起着双重的作用。焊缝中的夹杂来不及长大，密度也比钢材中高得多，在一定程度上有利于针状铁素体的形成，如多，在一定程度上有利于针状铁素体的形成，如TiOTiO夹杂。夹杂。母材成分母材成分：母材中的一些元素将进入焊缝中（特别是埋弧焊母材的：母材中的一些元素将进入焊缝中（特别是埋弧焊母材的稀释率可达稀释率可达50%50%），要考虑可能进入的），要考虑可能进入的CC、Si Si、NbNb、V V等对焊缝性能等对焊缝性能的影响。的影响。18现代焊接与连接工程学CC）焊接工艺的影响）焊接工艺的影响热输入热输入：一般来说，焊接热输入偏小对焊缝韧性有益。：一般来说，焊接热输

28、入偏小对焊缝韧性有益。预热与层间温度预热与层间温度：对焊缝韧性的影响并不清晰。过高的预热温度与：对焊缝韧性的影响并不清晰。过高的预热温度与层间温度会产生粗大的晶粒而使韧性变坏。层间温度会产生粗大的晶粒而使韧性变坏。根部焊道根部焊道：韧性最差，施工中常把根部焊道全部清除。原因是：韧性最差，施工中常把根部焊道全部清除。原因是：1 1）由后继焊道施加的动态应变时效；由后继焊道施加的动态应变时效；2 2）母材的稀释量大；）母材的稀释量大；3 3）冷却速）冷却速度过快。度过快。4 4）背面保护效果差。）背面保护效果差。热应变脆化热应变脆化：与焊接过程中产生的应力应变、钢中的自由：与焊接过程中产生的应力应

29、变、钢中的自由CC、N N原原子的数量等因素有关。子的数量等因素有关。19现代焊接与连接工程学4、焊缝金属韧性控制措施、焊缝金属韧性控制措施1）选用合适的焊材选用合适的焊材 低合金钢焊接一般根据强度的匹配来选用焊低合金钢焊接一般根据强度的匹配来选用焊 接材料，不同厂家生产的同一类型的焊条韧性会有差别。接材料，不同厂家生产的同一类型的焊条韧性会有差别。2 2）选择合适的焊接热输入）选择合适的焊接热输入 焊接热输入不宜偏高，但焊接热输入焊接热输入不宜偏高，但焊接热输入 过小，生产率低，也易造成工艺缺陷。过小，生产率低，也易造成工艺缺陷。3 3）选择合适预热温度与层间温度。）选择合适预热温度与层间温

30、度。4 4）选择合适的焊层厚度）选择合适的焊层厚度 一般焊层厚度控制在一般焊层厚度控制在3-4mm3-4mm左右。左右。5 5）选择合适的焊后热处理制度。）选择合适的焊后热处理制度。6 6）控制电弧长度）控制电弧长度 电弧过长，合金元素烧损大，气体污染严重。电弧过长，合金元素烧损大，气体污染严重。7 7）仔细清除焊根）仔细清除焊根 除了清除缺陷外，把打底焊道全部清理干净。除了清除缺陷外，把打底焊道全部清理干净。8 8）焊前仔细清理坡口。）焊前仔细清理坡口。20现代焊接与连接工程学3.2.4 焊接热影响区（粗晶区）韧性控制焊接热影响区（粗晶区）韧性控制1 1、热影响区相变特点及产物、热影响区相变

31、特点及产物1 1）加热速度高。电弧焊时，几秒钟加热到各区的峰值温度，相变）加热速度高。电弧焊时，几秒钟加热到各区的峰值温度，相变点远偏离平衡状态。点远偏离平衡状态。2 2）高温停留时间短。升温相变后的奥氏体化学成分极不均匀，第）高温停留时间短。升温相变后的奥氏体化学成分极不均匀，第二相质点溶解后来不及扩散均匀。二相质点溶解后来不及扩散均匀。3 3）峰值温度在很大范围内变化。从近缝区固相线温度至母材热应）峰值温度在很大范围内变化。从近缝区固相线温度至母材热应变脆化温度（变脆化温度（300300 CC），近缝区的峰值温度使晶粒急剧长大。），近缝区的峰值温度使晶粒急剧长大。4 4）冷却速度快。）冷却

32、速度快。5 5）在加热、冷却循环过程中伴有应力应变循环，对相变产生影响。）在加热、冷却循环过程中伴有应力应变循环，对相变产生影响。6 6）在多层焊中，产生多次热循环，使相变组织更为复杂。）在多层焊中，产生多次热循环，使相变组织更为复杂。21现代焊接与连接工程学19Mn5钢钢SMAW接头接头正火区正火区母材母材粗晶区粗晶区焊缝焊缝熔合区熔合区不完全正火区不完全正火区22现代焊接与连接工程学粗晶区相变组织的类型：粗晶区相变组织的类型：1 1）网状铁素体网状铁素体 初共析铁素体，奥氏体晶界产生，热输入偏大时出现。初共析铁素体，奥氏体晶界产生，热输入偏大时出现。2 2）魏氏组织魏氏组织 从奥氏体晶界向

33、晶内生长的片状铁素体，损害材料韧性。从奥氏体晶界向晶内生长的片状铁素体，损害材料韧性。3 3）贝氏体贝氏体 上贝为较高温度下条状铁素体与渗碳体混合组织，下贝为上贝为较高温度下条状铁素体与渗碳体混合组织，下贝为较低温度下转变的针状铁素体，针间呈一定角度，针内分布碳化物。较低温度下转变的针状铁素体，针间呈一定角度，针内分布碳化物。 贝氏体三种形态：贝氏体三种形态：B BI I形成于形成于600-500600-500 CC高温阶段，为无碳贝氏体；高温阶段，为无碳贝氏体；B BII II形成于形成于500-450500-450 CC的温度区间，在铁素体条之间有碳化物析出，为的温度区间，在铁素体条之间有

34、碳化物析出，为上贝氏体。上贝氏体。B BIII III形成形成450450 CC-M-MS S温度区间，在铁素体条上析出碳化物，呈温度区间，在铁素体条上析出碳化物，呈板条状。板条状。 还常出现含有还常出现含有M-AM-A组元的中温转变组织，称为粒状贝氏体（组元的中温转变组织，称为粒状贝氏体（B Bg g）。）。M-AM-A组元的出现可能使材料韧性受到损害。组元的出现可能使材料韧性受到损害。23现代焊接与连接工程学2、影响热影响区韧性的因素影响热影响区韧性的因素A）组织影响组织影响 低碳微合金钢低碳微合金钢HAZHAZ中常出现的粒状贝氏体，低温韧性比低碳马氏中常出现的粒状贝氏体，低温韧性比低碳马

35、氏体、下贝氏体差。由于这类钢中含碳量低于体、下贝氏体差。由于这类钢中含碳量低于0.10%0.10%，比粗大的晶界铁，比粗大的晶界铁素体素体 珠光体或魏氏组织韧性要好。珠光体或魏氏组织韧性要好。 由由24现代焊接与连接工程学B）主要合金元素的影响）主要合金元素的影响 C对韧性影响很大。对韧性影响很大。C-MnC-Mn钢中从钢中从0.14%0.14%增加到增加到0.20%0.20%，母，母材和热影响区的韧性变得很差。材和热影响区的韧性变得很差。 影响：冷却快时形成含影响：冷却快时形成含碳量高的马氏体，韧性差；碳量高的马氏体，韧性差；冷却慢时形成较多的碳化物冷却慢时形成较多的碳化物或或M-AM-A组

36、元，韧性也变坏。组元，韧性也变坏。含碳量与冷却速度对含碳量与冷却速度对16Mn钢粗晶区钢粗晶区冲击韧性的影响冲击韧性的影响C 0.14% C 0.20% Mn Mn在钢中的含量一般小于在钢中的含量一般小于1.6%1.6%，对，对HAZHAZ韧性的影响远小于碳。韧性的影响远小于碳。 Ni Ni是低温钢中的重要元素，它会改善是低温钢中的重要元素，它会改善HAZHAZ的韧性。的韧性。25现代焊接与连接工程学CC）微量合金元素的影响）微量合金元素的影响 微量元素加入可以保证强度降低碳含量，降低冷裂敏感性。微量元素加入可以保证强度降低碳含量，降低冷裂敏感性。 Ti Ti、AlAl等等固定自由固定自由N

37、N，形成形成N N化物阻碍奥氏体晶粒长大，促进化物阻碍奥氏体晶粒长大，促进生成生成IPFIPF，使，使M-AM-A组元从条状组元从条状粒（块）状，粒（块）状，V V有类似作用有类似作用； B B降低晶界相变温度，使晶内、晶界相变温度趋于一致，使降低晶界相变温度，使晶内、晶界相变温度趋于一致，使F F有可能在晶内析出，分割奥氏体晶粒；有可能在晶内析出，分割奥氏体晶粒；D D）杂质元素与气体元素的影响）杂质元素与气体元素的影响 S S，P P杂质元素含量对母材韧性有损害，对杂质元素含量对母材韧性有损害，对HAZHAZ韧性影响研韧性影响研究不多。球状硫化物增加熔合区韧性，长条状硫化物对韧性有究不多。

38、球状硫化物增加熔合区韧性，长条状硫化物对韧性有害。气体元素中自由害。气体元素中自由N N会降低会降低HAZHAZ的韧性。的韧性。26现代焊接与连接工程学E E）焊接热输入影响）焊接热输入影响 取决于钢的化学成分及强度级别取决于钢的化学成分及强度级别。对。对600-800MPa600-800MPa强度级别的强度级别的钢，热输入钢，热输入15-55KJ/cm15-55KJ/cm时，随着能量增加韧性恶化。钢中含碳量时，随着能量增加韧性恶化。钢中含碳量不同，热输入的影响也不一样。含碳量较低，热输入应选小些，防不同，热输入的影响也不一样。含碳量较低，热输入应选小些，防止魏氏组织的产生。当含碳量高时，热输

39、入应选大一些，防止脆性止魏氏组织的产生。当含碳量高时，热输入应选大一些，防止脆性马氏体的产生。马氏体的产生。F F）焊后热处理制度影响）焊后热处理制度影响 焊后热处理的主要目的是消除焊接残余应力。钢中含有焊后热处理的主要目的是消除焊接残余应力。钢中含有CrCr、MoMo时，应考虑二次硬化现象，含有时，应考虑二次硬化现象，含有NbNb、V V时，应考虑消应处理可时，应考虑消应处理可能产生的再热脆化现象。能产生的再热脆化现象。27现代焊接与连接工程学3、热影响区韧性控制技术、热影响区韧性控制技术1 1）根据使用要求选用适当板材）根据使用要求选用适当板材 如果母材韧性不良，焊接热影响如果母材韧性不良

40、，焊接热影响区韧性会更差。如在低温使用，又要消除应力热处理，最好不选用区韧性会更差。如在低温使用，又要消除应力热处理，最好不选用含含N N高的高的V V钢或钢或NbNb钢。钢。2 2）正确控制热输入）正确控制热输入 由工艺评定确定。还要考虑材料使用温度，由工艺评定确定。还要考虑材料使用温度，如如CF60CF60钢使用温度钢使用温度-20-20 CC，最大热输入可达，最大热输入可达50KJ/cm50KJ/cm。使用温度。使用温度- -4040 CC，最大热输入应在，最大热输入应在40KJ/cm40KJ/cm以下。以下。3 3）尽量采用多层焊）尽量采用多层焊 有时采用回火焊道可消除已有焊道过硬组织

41、。有时采用回火焊道可消除已有焊道过硬组织。4 4）正确选用焊后热处理制度）正确选用焊后热处理制度 对于调质钢，特别是含对于调质钢，特别是含NbNb、V V钢，钢，焊后消除应力处理温度应偏低一些。焊后消除应力处理温度应偏低一些。5 5）预热与层间温度的控制）预热与层间温度的控制 较高的预热温度可由后热措施来代替，较高的预热温度可由后热措施来代替，以免预热温度过高，以免预热温度过高，t t8/58/5增大而使组织变坏。增大而使组织变坏。28现代焊接与连接工程学本节思考题本节思考题1 1、新型金属结构材料的特征有哪些？给焊接带来了什么样、新型金属结构材料的特征有哪些？给焊接带来了什么样的问题？的问题

42、？2 2、金属焊接性的试验方法有哪些？目的是什么？、金属焊接性的试验方法有哪些？目的是什么？3 3、影响低合金钢焊缝金属韧性的因素有哪些，如何控制？、影响低合金钢焊缝金属韧性的因素有哪些，如何控制？4 4、影响低合金钢热影响区韧性的因素有哪些，如何控制？、影响低合金钢热影响区韧性的因素有哪些，如何控制？29现代焊接与连接工程学3.3 （双相）不锈钢的焊接（双相）不锈钢的焊接 The welding of dual-phase SS 抵抗大气腐蚀的钢叫不锈钢，但不锈钢常常用于耐腐蚀和耐高温抵抗大气腐蚀的钢叫不锈钢，但不锈钢常常用于耐腐蚀和耐高温场合。按用途分，不锈钢包括耐蚀钢（主要耐酸）和耐热钢

43、（高温下场合。按用途分，不锈钢包括耐蚀钢（主要耐酸）和耐热钢（高温下有好的能抗氧化能力和强度）两类。从制造和加工角度，常常从化学有好的能抗氧化能力和强度）两类。从制造和加工角度，常常从化学成分和组织结构方面进行分类。成分和组织结构方面进行分类。不锈钢不锈钢（高）铬不锈钢（高）铬不锈钢铬镍奥氏体不锈钢（铬镍奥氏体不锈钢（18-818-8，25-2025-20）铬锰氮奥氏体不锈钢（铬锰氮奥氏体不锈钢（Cr17Mn13Mo2N (A4)Cr17Mn13Mo2N (A4)）铁素体铁素体- -奥氏体双相不锈钢（奥氏体双相不锈钢（Cr21Ni5TiCr21Ni5Ti，00Cr18Ni5Mo3Si200Cr

44、18Ni5Mo3Si2）马氏体不锈钢（马氏体不锈钢（Cr13Cr13系不锈钢，系不锈钢，Cr12Cr12基耐热钢）基耐热钢） 铁素体不锈钢（铁素体不锈钢（Cr17Cr17，Cr28Cr28）30现代焊接与连接工程学3.3.1 一般不锈钢的焊接问题一般不锈钢的焊接问题 马氏体不锈钢：淬硬倾向大，易开裂，需预热并采用大规范；马氏体不锈钢：淬硬倾向大，易开裂，需预热并采用大规范； 奥氏体不锈钢：奥氏体不锈钢：CrCr迁移形成贫迁移形成贫CrCr区的晶间腐蚀、热裂纹和应力区的晶间腐蚀、热裂纹和应力腐蚀开裂（腐蚀开裂（SCCSCC）。为避免晶间腐蚀需要采用超低碳焊接材料并）。为避免晶间腐蚀需要采用超低碳

45、焊接材料并用小规范焊接，必要时作固溶处理。为避免热裂纹需采用适当的用小规范焊接，必要时作固溶处理。为避免热裂纹需采用适当的焊接材料控制焊缝的组织成分，同时采用小电流、快速焊工艺。焊接材料控制焊缝的组织成分，同时采用小电流、快速焊工艺。奥氏体不锈钢的奥氏体不锈钢的SCCSCC倾向要比马氏体或铁素体不锈钢突出得多，倾向要比马氏体或铁素体不锈钢突出得多，焊后消除应力处理工艺往往十分必要；焊后消除应力处理工艺往往十分必要； 铁素体不锈钢：粗晶脆化，焊接时需要预热并防止过热。铁素体不锈钢：粗晶脆化，焊接时需要预热并防止过热。 31现代焊接与连接工程学3.3.2 双相不锈钢概述双相不锈钢概述 强度高（强度

46、高（Cr-NiCr-Ni钢的钢的2 2倍）、韧性好、耐蚀性好、焊接性好的新倍）、韧性好、耐蚀性好、焊接性好的新型结构材料。具有铁素体加奥氏体（型结构材料。具有铁素体加奥氏体（ ）双相组织（）双相组织（1:11:1），广），广泛应用于存储和运输氯化物和硫化物的设备和管道，运输潮湿天然泛应用于存储和运输氯化物和硫化物的设备和管道，运输潮湿天然气的高压系统，海上冷却系统，原子能工业再热器和热交换器。气的高压系统，海上冷却系统，原子能工业再热器和热交换器。 主要成分为主要成分为CrCr、NiNi、MoMo和和N N。CrCr和和MoMo是铁素体形成元素，是铁素体形成元素，NiNi和和N N为稳定奥氏体

47、元素，为稳定奥氏体元素，N N同时又是固溶强化元素。同时又是固溶强化元素。CrCr、MoMo、N N对对提高双相不锈钢的耐点蚀性能具有重要作用，常用提高双相不锈钢的耐点蚀性能具有重要作用，常用耐点蚀当量耐点蚀当量表示：表示：PRENPRENCr+3.3Mo+16NCr+3.3Mo+16N。PREN40PREN40的钢称为超级双相不锈钢。的钢称为超级双相不锈钢。 双相不锈钢综合了双相不锈钢综合了 相（铁素体）和相（铁素体）和 相（奥氏体）的优点，可相（奥氏体）的优点，可简单认为铁素体提供了高的屈服强度和耐氯化物应力腐蚀的性能，简单认为铁素体提供了高的屈服强度和耐氯化物应力腐蚀的性能，奥氏体提供了

48、好的韧性和耐全面腐蚀性能。奥氏体提供了好的韧性和耐全面腐蚀性能。32现代焊接与连接工程学3.3.3 双相不锈钢焊接冶金双相不锈钢焊接冶金1、焊缝凝固和奥氏体相的形成焊缝凝固和奥氏体相的形成 保持合理的保持合理的 / / 比例是焊接比例是焊接双相钢最重要冶金问题。供货双相钢最重要冶金问题。供货态态 相以长条状分布在相以长条状分布在 相基体相基体中中，熔化后形成粗大铸态组织，熔化后形成粗大铸态组织. .含含Cr22%的双相不锈钢的母材组织的双相不锈钢的母材组织a) 和焊缝组织和焊缝组织b) 焊缝中焊缝中 相数量和形态与化学成分和冷却速度有关。焊缝条件下相数量和形态与化学成分和冷却速度有关。焊缝条件

49、下形成的形成的 相一般呈魏氏组织。冷却速度增加相一般呈魏氏组织。冷却速度增加 相含量减少。提高焊缝中相含量减少。提高焊缝中的的NiNi、MnMn、N N等奥氏体形成元素含量，促使等奥氏体形成元素含量，促使 相增加，相增加，N N的作用最显著的作用最显著。 通过通过CrCr、NiNi当量组织相图对焊缝室温组织进行预测。预测当量组织相图对焊缝室温组织进行预测。预测 相含相含量的组织图有量的组织图有SchaefflerSchaeffler图和图和DeLongDeLong图。图。33现代焊接与连接工程学2、焊接热影响区的组织转变、焊接热影响区的组织转变 如何控制热影响区组织构成仍是一个重要问题。当加热

50、到接近如何控制热影响区组织构成仍是一个重要问题。当加热到接近熔化温度时，熔化温度时， 单相组织在随后快冷过程中单相组织在随后快冷过程中转变来不及充分进转变来不及充分进行，冷却后行，冷却后 相含量较多。相含量较多。N N含量较高时，含量较高时， 相的含量受冷却速度的相的含量受冷却速度的影响较小，所以含影响较小，所以含N N量较高的双相不锈钢可采用低的热输入。量较高的双相不锈钢可采用低的热输入。 粗晶区外的低温热影响区组织变化稍弱。一般规律是随着峰值粗晶区外的低温热影响区组织变化稍弱。一般规律是随着峰值温度的提高，温度的提高， 相增加，相增加， 相减少。相减少。 相的晶粒尺寸随峰值温度的升相的晶粒

51、尺寸随峰值温度的升高而增大。高而增大。 相晶界和晶内析出相晶界和晶内析出CrCr2 2N N碳化物的总量随峰值温度升高碳化物的总量随峰值温度升高或冷却速度的增加而增加。或冷却速度的增加而增加。 双相不锈钢中双相不锈钢中CrCr、MoMo含量较高，在含量较高，在800800 CC附近停留时间较长附近停留时间较长有析出脆性金属间化合物（有析出脆性金属间化合物（ 相）的危险。相）的危险。 34现代焊接与连接工程学3.3.3 双相不锈钢的焊接性双相不锈钢的焊接性1、N含量对焊缝组织性能影响含量对焊缝组织性能影响 同样同样 相含量（相含量（60%60%），母材），母材的抗拉强度和延伸率均高于焊缝。的抗拉

52、强度和延伸率均高于焊缝。拉伸试样的断口表明，只有母材拉伸试样的断口表明，只有母材和含和含N N量高的焊缝金属（接近量高的焊缝金属（接近0.4%0.4%）才表现为明显的韧窝断裂。）才表现为明显的韧窝断裂。 焊缝金属的冲击功虽随焊缝金属的冲击功虽随N N的增加而增加，的增加而增加，但都低于母材，焊缝金属的脆性转变温度也但都低于母材，焊缝金属的脆性转变温度也都高于母材。这是由于焊缝中都高于母材。这是由于焊缝中 相的晶粒粗大，相的晶粒粗大，焊缝金属的韧度受焊缝金属的韧度受 相和相和CrCr2 2N N的影响所致。而的影响所致。而N N量增加会导致量增加会导致 相增多和相增多和CrCr2 2N N析出的

53、减少。析出的减少。35现代焊接与连接工程学2 2、热输入对热影响区冲击韧性影响、热输入对热影响区冲击韧性影响 热影响区中热影响区中N N含量不会发生变化，影响热影响区组织性能的含量不会发生变化，影响热影响区组织性能的因素主要是热输入。热输入太低，导致因素主要是热输入。热输入太低，导致 相含量增加以及相含量增加以及CrCr2 2N N析析出增多，冲击韧度下降。热输入太高引起晶粒严重长大，同样会出增多，冲击韧度下降。热输入太高引起晶粒严重长大，同样会使冲击韧性降低。影响冷却速度因素，如板厚和层间温度等都会使冲击韧性降低。影响冷却速度因素，如板厚和层间温度等都会影响冲击韧性。影响冲击韧性。3 3、双

54、相不锈钢及其焊缝的、双相不锈钢及其焊缝的 脆化脆化 研究研究750750 CC和和850850 CC加热时间对加热时间对SUS3291J1SUS3291J1双相不锈钢及焊双相不锈钢及焊缝金属缝金属 脆化时发现：脆化时发现：u 试件脆性开裂都发生于试件脆性开裂都发生于 相以及基体与相以及基体与 相的界面。相的界面。u 焊缝中析出焊缝中析出 相要比母材快得多，韧性下降也比母材剧烈。相要比母材快得多，韧性下降也比母材剧烈。u 母材有母材有很多很多 相时韧性才下降，焊缝有少量就引起韧性降低。相时韧性才下降，焊缝有少量就引起韧性降低。36现代焊接与连接工程学4、焊接接头中的氢致破坏、焊接接头中的氢致破坏

55、 包括氢脆、氢致裂纹和氢致应力腐蚀开裂（包括氢脆、氢致裂纹和氢致应力腐蚀开裂（HESCCHESCC）。）。 双相不锈钢焊接热影响区中的双相不锈钢焊接热影响区中的氢脆氢脆可在可在 相中产生，氢脆敏相中产生，氢脆敏感性随峰值温度提高而增加。主要是感性随峰值温度提高而增加。主要是 相减少、相减少、 相增多以及在相增多以及在 相内部或边界析出相内部或边界析出CrCr2 2N N。 相的体积分数低于相的体积分数低于50%50%时，焊缝金属对时，焊缝金属对氢致裂纹氢致裂纹不敏感，不敏感，大于大于50%50%后，敏感性明显增加。后，敏感性明显增加。 双相不锈钢本身只有达到拉断强度的双相不锈钢本身只有达到拉断

56、强度的90%90%才会发生才会发生氢脆型应氢脆型应力腐蚀开裂力腐蚀开裂。TIGTIG焊缝金属的临界开裂应力达到拉断应力的焊缝金属的临界开裂应力达到拉断应力的70%70%、屈服强度的屈服强度的95%95%。考虑到焊接接头附近存在可达材料屈服点的残。考虑到焊接接头附近存在可达材料屈服点的残余拉伸应力，因此焊接接头中产生余拉伸应力，因此焊接接头中产生HESCCHESCC的可能性很大。的可能性很大。37现代焊接与连接工程学3.3.4 双相不锈钢的焊接工艺特点双相不锈钢的焊接工艺特点 为了获得满意的为了获得满意的 / / 比以及力学性能和耐腐蚀性能的最佳组合，比以及力学性能和耐腐蚀性能的最佳组合，需要控

57、制：焊缝化学成分、接头冷却速度。需要控制：焊缝化学成分、接头冷却速度。1 1、焊接方法的选择、焊接方法的选择 焊接含焊接含N N量不是很高（量不是很高（0.4%0.4%）的钢时，尽量采用填充材料进）的钢时，尽量采用填充材料进行焊接。若无填充材料，可采用行焊接。若无填充材料，可采用Ar+NAr+N2 2（1-21-2）的混合气体。）的混合气体。2 2、填充材料的选择、填充材料的选择 考虑到焊接冷速很大以及奥氏体形成元素考虑到焊接冷速很大以及奥氏体形成元素N N的损失等，对的损失等，对转变的抑制作用引起转变的抑制作用引起 含量严重不足，对于焊后不做热处理的构件，含量严重不足，对于焊后不做热处理的构

58、件，应选择比母材具有更高奥氏体形成元素含量的填充材料。如使焊应选择比母材具有更高奥氏体形成元素含量的填充材料。如使焊缝中的缝中的NiNi相对于母材高相对于母材高2-32-3，增加焊缝奥氏体化倾向。，增加焊缝奥氏体化倾向。38现代焊接与连接工程学3 3、焊接热过程控制、焊接热过程控制 热输入、层间温度、预热及材料厚度都会影响焊接冷却速度，热输入、层间温度、预热及材料厚度都会影响焊接冷却速度，从而影响焊缝和热影响区组织（如从而影响焊缝和热影响区组织（如 / / 和和CrCr2 2N N析出）和性能。冷却析出）和性能。冷却速度太快会引起过多的速度太快会引起过多的 相及相及CrCr2 2N N析出；太

59、慢会造成晶粒严重长大，析出；太慢会造成晶粒严重长大，甚至可能析出金属间脆性化合物（甚至可能析出金属间脆性化合物（ 相）。相）。 焊接焊接Cr25%Cr25%双相钢和超级双相不锈钢时，最高层间温度控制在双相钢和超级双相不锈钢时，最高层间温度控制在100100 CC以内。要求焊后热处理时，可不考虑控制层间温度。以内。要求焊后热处理时，可不考虑控制层间温度。4 4、焊后热处理、焊后热处理 双相不锈钢焊后最好不进行热处理，当焊态下双相不锈钢焊后最好不进行热处理，当焊态下 相含量超过要相含量超过要求或析出求或析出 有害相时，可采用焊后固溶处理改善，热处理温度有害相时，可采用焊后固溶处理改善，热处理温度1

60、1001100 CC。热处理时加热速度应尽可能快，退火温度下的保温时间。热处理时加热速度应尽可能快，退火温度下的保温时间为为5-30min5-30min，采用惰性气体保护防止氧化。，采用惰性气体保护防止氧化。39现代焊接与连接工程学3.4 钛合金的焊接钛合金的焊接 The Welding of Titanium alloys 密度密度4.51g/cm3，高的比强度（强度和密度之比），优异的抗腐高的比强度（强度和密度之比），优异的抗腐蚀、耐高温性能，广泛应用于航空航天、石油化工等部门。蚀、耐高温性能，广泛应用于航空航天、石油化工等部门。 3.4.1 钛及其合金的种类和特性钛及其合金的种类和特性