材料成形原理第7章.

1、第二篇连接成形理论基础第七章焊缝及其热影响区的组织和性能第八章成形过程中的冶金反应原理第九章成形缺陷的产生机理及防止措施第十章特种连接成形原理与方法第七章第七章 焊缝及其热影响区的焊缝及其热影响区的组织和性能组织和性能公元前，已出现焊接工艺，铸焊、扩散公元前，已出现焊接工艺，铸焊、扩散钎焊（秦始皇陵铜车马等）。钎焊（秦始皇陵铜车马等）。 19世纪，现代焊接技术得以发展（世纪，现代焊接技术得以发展（C弧、弧、金属弧、电阻热）。金属弧、电阻热）。 20世纪，金属电弧用于金属结构生产，世纪，金属电弧用于金属结构生产，发明厚药皮焊条。发明厚药皮焊条。v1921年，第一艘全焊远洋船；年，第一艘全焊远洋船

2、；v30年代，大规模制造焊接结构；年代，大规模制造焊接结构；v60年代，焊接结构空前普及；年代，焊接结构空前普及；v中国：中国：上海金茂大厦；葛洲坝船闸闸门；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、芜水轮机转子；九江长江大桥、芜湖长江大桥等。湖长江大桥等。-1-1 焊接及其冶金特点焊接及其冶金特点1、焊接（、焊接（welding)的实质的实质 借助加热或加压，或者同时实施加热和加压以实借助加热或加压，或者同时实施加热和加压以实现材料之间的原子结合。现材料之间的原子结合。 加热：电弧加热：电弧 电弧焊电弧焊 等离子焊等离子焊

3、 化学热化学热 氧乙炔焊氧乙炔焊 电子束电子束 电子束焊电子束焊 光束（包括激光束）光束焊光束（包括激光束）光束焊 激光焊激光焊 加压：冷焊加压：冷焊 加压加压/加热：锻焊、电阻焊、摩擦焊、超声波焊、加热：锻焊、电阻焊、摩擦焊、超声波焊、爆炸焊爆炸焊从冶金角度从冶金角度 液相焊接：基材和填充材料熔化液相液相焊接：基材和填充材料熔化液相互溶材料间原子结合。互溶材料间原子结合。 固相焊接：压力使连接表面紧密接触固相焊接：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。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

4、固液界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。面扩散，实现原子结合。 （钎焊）（钎焊）2、焊接方法的分类、焊接方法的分类 （1）熔焊）熔焊 (fusion welding) （2）固态焊）固态焊 (solid state welding)/压力压力焊焊 （3）钎焊）钎焊 (brazing, soldering)3、熔焊焊接接头的形成、熔焊焊接接头的形成及其冶金过程及其冶金过程焊接接头焊接接头 焊接热过程焊接热过程 + 焊接化学冶金焊接化学冶金 + 焊接物理冶金焊接物理冶金焊接热过程焊接热过程焊接加热的特点焊接加热的特点：热作用集中性热作用集中性(局部熔化局部熔化)、热作热作

5、用的瞬时性用的瞬时性(热源移动热源移动)温度场、热循环温度场、热循环焊接化学冶金过程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。冶金反应。焊接物理冶金过程焊接物理冶金过程凝固结晶、固态相变凝固结晶、固态相变焊接接头示意图 熔化焊的本质熔化焊的本质:在焊接条件下的小熔池熔炼和冷凝，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。金属熔化和结晶的冶金过程。 焊接接头（焊接接头（welded joint）的组成：）的组成： 母材（母材（base metal） 热影响区（热影响区（heat affect zone）

6、 熔合线（熔合线（bond line） 焊缝（焊缝（weld） 熔化焊的冶金特点：熔化焊的冶金特点： 1）反应区的温度高于一般的冶炼温度）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）熔池小冷却速度快，液态金属高温停留时间短 3）冶金条件差）冶金条件差焊丝母材熔池焊道导电嘴 保护气体溶滴电弧 焊缝金属的组织与性能焊缝金属的组织与性能1、焊接熔池的凝固、焊接熔池的凝固(1)焊接熔池的特征：焊接熔池的特征：1）熔池的体积小）熔池的体积小 熔池的形状与尺寸熔池的形状与尺寸(30cm3, 100g)2）熔池的温度高）熔池的温度高 (1770100) 钢锭钢锭:1550

7、:1550 3）液体金属处于运动状态）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熔池处于液态时间只有几秒到几十秒, 各种力各种力:电弧力、电磁力、熔滴，表面张力电弧力、电磁力、熔滴，表面张力 强烈的搅拌和对流运动强烈的搅拌和对流运动4）熔池界面的导热条件好）熔池界面的导热条件好 母材导热熔池中的流体动力学状态及其对焊缝质量的熔池中的流体动力学状态及其对焊缝质量的影响影响熔池中的金属是强烈运动着的：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）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、离子的轰的冲击力、电弧气流的吹力；电磁力、离

8、子的轰击力以及熔池金属蒸发所产生的反作用力等）；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）温差引起的表面张力的变化，强迫金属发生对流；对流；3）温差引起的液态金属密度变化造成的对流；）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熔池中的化学冶金反应以及生成的气泡和熔 渣的上浮；渣的上浮；有利作用：有利作用：v1）使母材和焊条金属的成分充分混合，）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；帮助形成成分和组织均匀的焊缝；v2）加速了金属和气体及熔渣的反应速度，）加速了金属和气体及熔渣的反应速度，v有利

9、于有害气体和非金属夹杂物的逸出；有利于有害气体和非金属夹杂物的逸出；v3）避免焊接缺陷的产生，提高焊接质量；）避免焊接缺陷的产生，提高焊接质量；v熔合线部位的问题熔合线部位的问题(2)熔池凝固的特点熔池凝固的特点1）联生结晶）联生结晶 （交互结晶、外延结（交互结晶、外延结晶）晶） 2)焊缝凝固焊缝凝固: 择优生长择优生长柱状晶指向焊缝中心柱状晶指向焊缝中心3）凝固速度）凝固速度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: cos=0, =90,vc=0, 说明在熔合区上晶粒开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，始成长的瞬间，成长的方向垂直于熔合区， 晶粒晶粒

10、成长的平均线速度等于零。成长的平均线速度等于零。 cos=1, =0,vc=vw, 说明晶粒成长到接触说明晶粒成长到接触X轴轴时，晶粒成长的平均线速度等于焊接速度。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。小时，则晶粒主轴的成长方向越弯曲。v平均成长速度与焊接速度有关平均成长速度与焊接速度有关;v柱状晶的最大成

11、长速度不可能超过焊速柱状晶的最大成长速度不可能超过焊速;v焊接熔池的实际凝固过程并不是连续的。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，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。有不规则的波动现象。v焊缝凝固速度快焊缝凝固速度快(3)凝固金属的组织形态凝固金属的组织形态柱状晶柱状晶+少量等轴晶少量等轴晶柱状晶内：平面晶、胞状晶、树枝状晶柱状晶内：平面晶、胞状晶、树枝状晶等轴晶内：树枝晶等轴晶内：树枝晶与熔池凝固过程密切相关。与熔池凝固过程密切相关。浓度梯度、成分过冷浓度梯度、成分过冷结晶形态主要决定于合金中的溶质的浓度结晶形态主要决定于合金中的溶

12、质的浓度C0、结晶速度、结晶速度R和液相中温度梯度和液相中温度梯度G的综的综合作用。其关系如图所示。合作用。其关系如图所示。G/R1/2平面晶胞状晶胞状树枝晶树枝晶等轴晶C0 焊缝凝固特点焊缝凝固特点焊缝组织焊缝组织2、焊缝金属的组织、焊缝金属的组织（1）低碳钢焊缝金属的室温组织）低碳钢焊缝金属的室温组织 a、先共析铁素体、先共析铁素体 b、针状铁素体、针状铁素体 c、珠光体珠光体（2）低合金钢焊缝金属的显微组织）低合金钢焊缝金属的显微组织 a、先共析铁素体、先共析铁素体 b、针状铁素体、针状铁素体 c、珠光体珠光体 d、马氏体、马氏体 f、贝氏体、贝氏体3、焊缝金属性能的控制、焊缝金属性能的

13、控制（1）焊缝合金化与变质处理）焊缝合金化与变质处理（2）工艺措施（振动结晶、焊后热处理）工艺措施（振动结晶、焊后热处理） 焊缝组织的强焊缝组织的强韧性韧性 熔合区的特性熔合区的特性 同种钢的熔合区同种钢的熔合区焊接热影响区的组织与性能焊接热影响区的组织与性能1、焊接热循环、焊接热循环(weld thermal cycle) 焊接热循环：焊接热循环：焊接加热过程中，焊缝金属附近某焊接加热过程中，焊缝金属附近某点的温度由低到高，再由高到低的过程。点的温度由低到高，再由高到低的过程。 由加热速度由加热速度vh，最高温度，最高温度m，相变以上高温停留，相变以上高温停留时间时间th，冷却速度，冷却速度

14、vC或冷却时间或冷却时间tc四个参数组成。四个参数组成。2、焊接热影响区的组织转变特点、焊接热影响区的组织转变特点 焊接热循环的特点焊接热循环的特点 （1）加热温度高）加热温度高 （2）加热速度快）加热速度快 （3）高温停留时间短（）高温停留时间短（4）局部加热）局部加热 焊接加热过程中奥氏体化的特点焊接加热过程中奥氏体化的特点焊接热循环1、焊接热循环的意义、焊接热循环的意义 焊件上某一点焊件上某一点P的温度随时间的变化过程叫作焊接的温度随时间的变化过程叫作焊接热循环热循环。预热温度T0的影响2、焊接热循环的主要特征参数、焊接热循环的主要特征参数q 加热速度加热速度 H q 峰值温度峰值温度T

15、pq 高温（相变温度）停留时间高温（相变温度）停留时间tHq 某一温度某一温度Tc瞬时冷却速度瞬时冷却速度 C（800-500）q 某一温度区间的冷却时间某一温度区间的冷却时间tA 焊接热影响区焊接热影响区在焊接热源作用下，焊缝两侧发生组织成分性能变化的在焊接热源作用下，焊缝两侧发生组织成分性能变化的区域叫区域叫“热影响区热影响区”，又叫，又叫“近缝区近缝区”。焊接热影响焊接热影响(Heat-Affected Zone,简简称称HAZ) 材料因受焊接材料因受焊接热影响（但未熔化）热影响（但未熔化）而发生金相组织和而发生金相组织和力学性能变化的区力学性能变化的区域。域。在焊接加热及冷却条件下热影

16、响区的组织转变特点 (1)由于金属的相变需要一段孕育扩散时间，在快速由于金属的相变需要一段孕育扩散时间，在快速加热和冷却条件下，这一孕育过程来不及完成，因加热和冷却条件下，这一孕育过程来不及完成，因而相变点将发生较大变化，出现较大的而相变点将发生较大变化，出现较大的“过热度过热度”及及“过冷度过冷度”(Ac1、Ac3升高，升高，Ar1、Ar2降低降低)，另，另外，外， 转变组织的均质化程度也进行得很不充分；转变组织的均质化程度也进行得很不充分； (2)由于近缝区温度很高，所以高温下晶粒长大由于近缝区温度很高，所以高温下晶粒长大 比比较严重；较严重； (3)由于冷却速度快，热影响区的淬火倾向将增大。由于冷却速度快，热影响区的淬火倾向将增大。3、焊接热影响区的组织与性能变化、焊接热影响区的组织与性能变化 低碳钢和不易淬火钢低碳钢和不易淬火钢（1）熔合区）熔合区 （2）过热区（）过热区（1100以上）以上） （3）相变重结晶区（正火区）（）相变重结晶区（正火区）（8501100 ） （4）不完全重结晶区）不完全