第四章焊接接头焊缝组织与性能

第四章焊接接头的组织与性能

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）。4.1熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固过程的研究目的1)熔池凝固过程对焊缝金属的组织、性能具有重要影响。2)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。3)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。4)焊接过程是处于非平衡的热力学条件，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）。这些缺陷的严重影响焊缝金属性能。4.1.1熔池凝固的特点1)熔池的凝固条件和特点a.结晶过程：晶核生成和晶核长大b.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。周围冷金属包围→冷速非常大，4100℃/s。钢锭平均冷速（3150）10-4℃/s。2）熔池中的金属处于过热状态

电弧焊条件下，熔池温度1770100

℃，熔滴2300200

℃。钢锭不超过1550℃。3）熔池在运动状态下结晶4.1.2熔池结晶的一般规律结晶—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？1）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，熔池中存在两种表面：

a.合金元素或杂质的悬浮质点

b.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）。2)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、焊缝位置、熔池搅拌与振动等。粗大的柱状晶4.1.3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。1）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。2）熔合区的化学不均匀性

整个焊接接头的最为薄弱环节。易出现缺陷，如：裂纹。A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

B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

低合金钢熔合区附近的温度梯度约为300～80℃/mm，液固相线温度差约40℃，因此，一般电弧焊条件下，熔合区宽度为：A=40/（300～80）=0.133～0.50mm

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；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，甚至出现裂纹。第三章熔池凝固与焊缝固态相变

C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。问题：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。

4.2焊缝固态相变

4.2.1低碳钢焊缝的固态相变

含C量低→铁素体F+珠光体P。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：粗大柱状晶改善措施1)多层焊：焊缝获得细小和少量珠光体(P)，使柱状晶组织破坏。2)焊后热处理：加热A3,柱状晶消失。3)冷却速度：冷却速度↑，硬度↑。4.2.2低碳钢焊缝的固态相变组织

低合金钢焊缝二次组织，随匹配焊接材料化学成分和冷却条件的不同，可有不同的组织。以F为主，P、B、M占次要地位。以F为主，F越细小，则韧脆转变温度越低，以V型缺口冲击试件断口中纤维区占50%时的温度VTS为判断。1）铁素体铁素体形态不同a先共析铁素体ProeutectoidFerrite(PF)

晶界铁素体GrainBoundaryFerrite(GBF)b侧板条铁素体FerriteSidePlate(FSP)c针状铁素体AcicularFerrite(AF)d细晶铁素体FineGrainFerrite(FGF)a晶界铁素体(GBF)(先共析铁素体PF)

先共析铁素体(PF)——是沿原奥氏体晶界析出的铁素体。先共析铁素体也称晶界铁素体。沿晶界呈长条状扩展和以多边形形状互相连结沿晶界分布。在高温区发生γ→α，相变时优先形成，因晶界能量较高而易于形成新相核心。先共析铁素体的位错密度较低。b侧板条铁素体（FSP）生成于500-700℃。

是由晶界向晶内扩展的板条状或锯齿状铁素体，实质是魏氏组织。其长宽比在20：1以上。侧板条铁素体在低合金钢焊缝中不一定总是存在，但出现的机会比母材多。当先共析铁素体和侧板条铁素体长大时，其γ／α界面上γ一侧的碳浓度增加，极为接近共析成分，故γ易分解为珠光体而出现于侧板条铁素体的间隙之中。侧板条铁素体晶内位错密度大致和先共析块素体相当或稍高一些。侧板条铁素体FerriteSidePlate(FSP)c针状铁素体（AF）出现于原奥氏体晶内的有方向性的细小铁素体。宽约2μm左右，长宽比多在3：1至10：1的范围内。针状铁素体可能是以氧化物或氮化物(如：TiO或TiN)为基点，呈放射状生长，相邻AF间的方位差为大倾角，其间隙存在有渗碳体或马氏体，多半是M－A组元，决定于合金化程度。针状铁素体晶内位错密度较高，为先共析铁素体的2倍左右。位错之间互相缠结，分布不均匀，但又不同于经受剧烈塑性形变后出现的位错形态。d细晶铁素体(FGF)(贝氏体铁素体)生成于450℃以下。板条间为小倾角，板条内的位错密度很高。用不同强度级别焊条所焊接焊缝J507焊条:焊缝中有FSP，其间存在珠光体，未见MA；J707焊条:焊缝中是块状MA组元；J807焊条:焊缝中已无PF，MA组元呈颗粒状；J907焊条:焊缝中因合金化程度提高,出现板条状马氏体，部分MA组元由颗粒状变成条状。针状铁素体AcicularFerrite(AF)FGF+PP+F粒P+AF2)珠光体没有什么变化。3)贝氏体对焊缝性能影响很复杂。粒贝羽状Bu+板M板条M与MAM+MA4)马氏体有淬硬倾向的钢，焊后冷却时可能形成马氏体。冷裂纹形成概率增大4.3焊缝性能的控制

4.3.1焊缝金属的固溶强化和变质处理

合金元素的作用复杂。结合具体的钢种、焊接方法和焊接工艺规范具体分析。

微合金化，Mo、V、Ti、Nb、B、Zr、Al和稀土，细化晶粒→强韧性提高。1）Mn和Si对焊缝性能的影响

低碳钢和低合金钢焊缝中不可缺少的元素；焊缝金属充分脱氧；提高焊缝的抗拉强度（固溶强化）。w(Mn)=0.8%～1.0%时，焊缝冲击吸收功最高

焊缝中w(Mn)0.8%，w(Si)0.10%，组织为粗大的先共析铁素体（PF）。

焊缝中w(Mn)1.0%，w(Si)0.10%，组织为粗大的侧板条铁素体（FSP）。w(Mn)=0.8～1.0%，w(Si)=0.10～0.25%，组织为细晶铁素体（FGF）和针状铁素体（AF），韧性最好（-20℃，

AKV100J）。

加入细化晶粒的合金元素，进一步改善组织，提高焊缝韧性。2）Nb和V对焊缝韧性的影响适量的Nb和V可以提高焊缝冲击韧性。改善组织，得到细小的AF。

w(Nb)=0.03～0.04%，w(V)=0.05～0.10%时，焊缝韧性良好。

形成难熔氮化物（NbN、VN），固定焊缝中的N，韧性提高。

恰当的焊后热处理。强烈共格沉淀强化作用，强度大幅度提高，韧性下降。3）Ti、B对焊缝韧性的影响大幅度提高焊缝韧性。a.TiO

亲和力很大，TiO微小颗粒弥散分布，细化晶粒。b.最佳含量焊缝化学成分：w(C)=0.11～0.14%，w(Si)=0.20～0.35%，w(Mn)=1.2～1.5%，w(O)=0.027～0.032%，w(N)=0.0028～0.0055%，

w(Ti)=0.01～0.02%，w(B)=0.0020～0.0060%。c.Ti保护B不被氧化。原子B偏聚于晶界(rB=9.8nm)，降低晶界能，抑制PF(GBF和FSP)析出，促进AF形成，改善焊缝组织。4)Mo对焊缝韧性的影响w(Mo)=0.20～0.35%，FGF+AF，韧性最佳。Mo和Ti联合作用。w(Mo)=0.20～0.35%，w(Ti)=0.03～0.05%，良好韧性。大能量埋弧焊，当0oC时，夏