模块8 焊接接头组织性能及主要金属的焊接《焊接科学与工程》教学课件

第X章XXXX模块8

焊接接头组织性能及主要金属的焊接第八章焊接接头组织性能及主要金属的焊接焊缝结晶及其组织焊接热影响区及其组织材料的焊接性碳素钢的焊接合金结构钢的焊接高合金钢焊接铸铁的焊接有色金属的焊接特种合金及其材料的焊接8.1

焊缝结晶及其组织1、晶体结构与晶粒体心立方：Cr、V、Nb、W、α-Fe、δ-Fe、δ-Mn等面心立方：Al、Ni、Cu、γ-Fe、γ-Mn等密排六方：Mg、Zn、RE、α-Ti、α-Zr等8.1

焊缝结晶及其组织

8.1.1晶体结构与晶粒2、液态金属的结晶与组织8.1

焊缝结晶及其组织

8.1.1晶体结构与晶粒3、钢的固态相变与组织类型1）固溶体：

α-Fe、δ-Fe、γ-Fe，塑性和韧性好，强度和硬度低2）化合物：

Fe3C，硬而脆，塑性几乎为零3）混合物

F+Fe3C，P，随着C含量增加，渗碳体含量增多，硬度和强度增加，塑性和韧性下降。8.1.2铁-碳平衡图及其组织形成0.008%C（0.0218%C）以下：工业纯铁0.8%C（0.77%C）：共析钢P2.0%C（2.11%C）：过共析钢与铸铁分界成分4.3%C：亚共晶铸铁和共晶铸铁的分界成分8.1.3焊缝结晶及其结晶缺陷1、焊缝结晶焊缝结晶有其特殊性，焊缝的成分是由熔化的焊丝合金、焊药渗入合金和母材成分组成，与焊缝溶合比和焊药中合金过渡系数有关。熔池在固体母材冷壁开始结晶，由多处结晶核心向焊缝中心成树枝状生长而成柱状晶结构。如加有Al、Ti、Nb、RE等微量元素，有可能在熔池各处都有结晶核心形成而打乱柱状晶结构而使晶粒细化。8.1.3焊缝结晶及其结晶缺陷2、焊缝结晶偏析区域偏析：先结晶处金属纯度高，后结晶处杂质多晶内偏析（冷速快）：晶界处杂质多，晶粒中心纯度最高8.1.3焊缝结晶及其结晶缺陷3、焊缝夹杂氧化物夹杂在焊缝中，影响焊缝的机械性能，增加焊缝脆性和热裂倾向，降低耐蚀性。原因：熔渣在熔池金属凝固时来不及上浮；来源于熔渣比重大、焊缝形状系数小、熔深大、冷却速度快等因素及脱氧产物（MnO、SiO2、Al2O3等）尺寸过小而不易上浮。4、焊缝中的气孔原因：高温吸气，冷速快，气体来不及排出而成内气孔：焊缝内部，CO外气孔：焊缝表层，H28.2

焊缝热影响区及其组织8.2.1、热处理和焊接两种工艺的热循环焊接热循环与常规热处理存在明显差异，不能由人为简单控制，与很多复杂因素有关。加热速度快、最高温度高、高温停留时间短，冷却速度不完全由介质决定，而与接头材料、厚度、形式、焊接方法规范和材料初始温度有关，且各部位有不同的热循环，因此组织也不同。8.2.2

热影响区组织及性能1、熔合区焊缝金属与母材相邻的熔合线附近，温度处于固液相线之间；成分和组织不均匀，易产生裂纹和局部破坏2、过热区固相线以下至1100℃，奥氏体晶粒严重长大，塑性和韧性很低，焊接刚度较大结构时，此区易产生裂纹3、相变重结晶区

AC3至1100℃，金属发生重结晶（F+P至γ再至F+P

），组织细小，相当于正火组织，又称正火区或细晶区。此区韧性上升。4不完全重结晶区

AC1至AC3之间，只有一部分组织发生了重结晶过程，而始终未溶入奥氏体中的铁素体发生长大，该区组织不均匀，晶粒大小不一，性能不均匀5亚临界热影响区一般组织变化不大，但当母材事先受过冷加工变形，或由于焊接应力而造成的应变，在AC1以下至450度就将发生再结晶，组织也明显变化。对于时效敏感性钢质此区将发生脆化；对于调质高强钢此区软化6、兰脆区

200至400度的热影响区发生的脆化现象，强度提高、塑性和韧性降低。原因：晶界析出，表现为缺口敏感性增加，但组织无显著变化7、母材

200以下区为母材，实际上常把AC1以下组织无显著变化的区域都称为母材。8.2.3影响焊接接头性能的主要因素1、母材成分和性能2、焊接材料的匹配3、结构因素：对t8/5有重要影响：如板厚和接头形式4、坡口形式：对熔合比有重要影响5、焊接线能量8.2.4热影响区组织性能控制由式可知，表征冷速的冷却时间t8/5或t8/3与板厚、接头形式和焊接方法有关，当这些因素一定时，可以调整焊接线能量来调整冷速或冷却时间8.2.4热影响区组织性能控制8.2.4热影响区组织性能控制8.3

材料的焊接性8.3.1、材料焊接性的意义及分级焊接性是用来相对衡量金属材料，在一定的焊接工艺条件下，实现优质接头的难易程度的尺度。8.3.2

材料焊接性的冷裂倾向冷裂纹主要有三类：延迟裂纹：冷裂纹的普遍形态淬硬脆化裂纹：淬硬倾向大合金易发生，主要发生在热影响区，少量出现在焊缝。基本无延迟时间低塑性脆化裂纹：脆性材料，由于低温收缩应变超过材料本身的塑性储备而产生裂纹8.3.2

材料焊接性的冷裂倾向1、延迟裂纹特点发生和分布形态焊道下裂纹：距熔合线0.1-0.2mm微小裂纹，不露出表面缺口裂纹：缺口处应力集中引起横向裂纹：由淬硬倾向引起，起源并垂直于熔合线，可能向焊缝及热影响区延伸形成时间特点：具有潜伏期，长可达数昼夜，短的几乎看不出，决定于氢含量和拘束应力大小，拘束应力越大，含氢量越多则强潜伏期越短，产生延迟裂纹倾向越大。断裂特点：晶间、晶内或混合，一般起源于晶间，扩展可能沿晶界或穿越晶粒8.3.2

材料焊接性的冷裂倾向2、延迟裂纹产生条件接头局部区域的塑性不足以承受当时所发生的塑性应变。氢、马氏体组织、拘束应力氢的影响来源:扩散氢，[H]扩散：由焊缝向表面和热影响区双向扩散聚集和延迟断裂：聚集在晶格缺陷内或应力集中处，形成较大局部应力，与焊接热应力和相变组织应力共同作用钢的淬硬倾向8.3.2

材料焊接性的冷裂倾向3、焊接接头的拘束应力高强钢焊接时，延迟裂纹不仅取决于淬硬倾向和氢的有害作用，还决定于焊接接头所处的应力状态——拘束应力。焊缝和热影响区在不均匀加热和冷却过程中所产生的——热应力金属相变时由于体积变化而引起的——组织应力结构自身拘束条件所造成的应力表征：拉伸拘束度RF——反映根部裂纹的难易程度弯曲拘束度RB——反映焊趾裂纹倾向拘束对裂纹性质的影响：RF大时，将从应力集中最大的根部首先产生裂纹，RB大时表明焊缝根部压应力大，表层拉应力大。RB的增大一定程度上减轻RF的不利影响8.3.2

材料焊接性的冷裂倾向4、冷裂倾向评定碳当量评定焊接性熔合区附近的最高硬度值评定冷裂敏感系数评定预热温度的确定8.3.2

材料焊接性的冷裂倾向5、冷裂产生原因及控制焊接工艺控制预热焊接线能量控制多层焊、细丝焊、多丝多弧细丝焊焊后热处理焊接材料选用——减少焊缝金属的含氢量降低焊接接头的拘束应力——结构和工艺因素8.3.3

热裂纹温度：焊缝冷凝过程中，高温阶段产生的裂纹位置：焊缝金属内，少量在近焊缝区方向：1)纵向，主要方向，沿焊缝中线，柱状晶成长相遇处或柱状晶之间2）横向，少数情况分类：1、结晶裂纹（或凝固裂纹）2、液化裂纹3、多边化裂纹和高温失塑裂纹1、结晶裂纹产生机理：凝固结晶过程中，通过“有效结晶区间”或“脆性温度区间”的温度范围，此温度范围内熔池中固相率增加，液相率减小，最后残留在固相晶体间的缝隙中成为液膜，由于液相抗变形阻力小，致使此时的变形集中在液膜上，极易拉断（结晶裂纹——晶间断裂）。扩展：焊件同时还受到外界或结构内部的刚性拘束（拘束应力），使结晶裂纹进一步扩展。如拉伸变形量未超过焊缝金属在脆性温度区间的塑性，则不出现裂纹。脆性温度区间内材料塑性很低，延伸率最低可到0.1-0.5%，过此温度区间下限后，塑性马上得到改善。1、结晶裂纹影响结晶裂纹倾向的因素：1）结晶期间作用在焊缝金属上的拉应力增长速度和大小。减少焊接时的拘束应力和预热2）焊缝的化学成分：决定了焊缝金属在结晶期的性质和在脆性状态下的停留时间。C、S、P是影响结晶裂纹最有害元素,C增大结晶温度区间,S、P会形成低熔点共晶（如Fe-FeS），在焊缝金属几乎都已结晶后依然以液膜形式分布于柱状晶间，促使结晶裂纹倾向增加Mn是最有利元素，能置换FeS形成高熔点的球状MnS，提高焊缝金属的抗裂性能1、结晶裂纹影响结晶裂纹倾向的因素：3）焊接熔池的形状——影响柱状晶成长方向。深窄焊缝，易产生结晶裂纹杯状焊缝，不易产生结晶裂纹宽而浅焊缝，结晶裂纹倾向大4）一次结晶形态：细化一次结晶晶粒，抑制柱状晶组织形成，形成等轴晶和打乱晶粒长大方向，改善抗热烈性常加入Ti、Mo、V、Nb、Al和RE等细化晶粒元素，形成难熔的氧、碳和氮化物，增加非自发形核核心，以细化晶粒（机械、电磁、超声）振动，破坏柱状晶生长，增加形核核心，细化晶粒，并打乱晶粒生长方向，改善抗热烈性2、液化裂纹定义：由于粗晶区的奥氏体晶界在焊接热循环的高温作用下发生局部熔化，在拉应力的作用下，液化层开裂而成，称为液化裂纹或热撕裂裂纹尺寸：长度、深度均很小（微裂纹），最小可在一个或几个晶粒范围，通常小于0.5mm，大的也很少超过1mm位置：主要位于热影响区的粗晶区产生原因：与结晶裂纹相似，即存在液态薄膜，但产生的温度在固相线以下一点（晶界含有过多的低熔点共晶），有时液化裂纹也可能是焊缝结晶裂纹沿近焊缝区晶间液化层扩展而成。元素影响：S、P等有害、Mn有益工艺因素：减少线能量，降低近焊缝区过热度3、多边化裂纹和高温失塑裂纹多边化裂纹：发生在焊缝中的正在成长的柱状晶多边化边界上,与液膜无关高温失塑裂纹：由于晶界偏析和扩散变形产生，发生在过热区和焊缝的二次结晶中，与液膜无关4、焊接热裂的控制8.3.4

再热裂纹

1、再热裂纹形成的特点和形成条件再热裂纹形成：去应力退火时（约500-700度），沉淀相析出造成沉淀硬化可能产生再热裂纹——消除应力处理裂纹SR。时效处理时（700-900度），沉淀硬化产生的再热裂纹——应变时效裂纹SA。位置：沿晶裂纹，大都沿熔合线方向在奥氏体粗晶区晶粒边界扩展原因：晶内硬化、晶界杂质脆化，在温度和应力变化下发生蠕变损伤1、再热裂纹形成的特点和形成条件再热裂纹特点：一般只有在沉淀强化的低合金高强钢、珠光体钢、奥氏体钢和镍基合金等材料中出现通常发生在焊接热影响区粗晶部分上，具有典型的晶间断裂性质，方向大致平行于熔合线、不一定连续、常有分支多起源于应力集中点必有大的残余应力作为先决条件产生在再热的升温过程1、再热裂纹形成的特点和形成条件再热裂纹形成条件：承受应力的金属在温度高于再结晶温度时会发生蠕变，使弹性应变逐渐变成塑性应变，应力随之减小——应力松弛。去应力退火时焊接接头的残余应力在高温下逐渐松弛消失，同时产生逐渐增大的塑性应变量。残余应力较大或应力集中严重的部位，应力松弛过程中产生的附加塑性应变量较大，当超过金属塑性变形能力，就会在该处发生开裂。2、再热裂纹的控制改善过热粗晶区的塑性、减少残余应力预热及后热处理：预热可降低焊接残余应力和减少过热区的硬化焊接线能量的控制：比较复杂，与成分、热影响区组织状态、残余应力等都相关，目前，其规律仍不明晰应用低强焊缝：降低焊缝金属强度可提高其塑性形变能力,从而减缓近焊缝区的应力集中，可降低再热裂纹敏感性减少残余应力：焊缝重熔（钨极氩弧焊）、去除焊缝余高、根除咬边、未焊透，可显著减少近焊缝区的应力集中8.3.5

层状撕裂

1、层状撕裂的特征和形成原因特征：层状撕裂时由若干沿着钢板轧向，且平行于表面发展的裂纹“平台”，通过大体上垂直板面的剪切“壁”而连接起来的阶梯状撕裂。在裂纹的平台部分常可找到各种形式的非金属夹杂物。位置在热影响区或离焊缝更远的母材中，不可能出现在焊缝中。一般发生在丁字接头或角接接头，极少发生在对接接头中1、层状撕裂的特征和形成原因原因：除Z向（厚度方向）上必须造成足以引起撕裂的拘束应力外，主要与轧制过程中在板厚方向上形成的非金属夹杂物的层状构造有关。非金属夹杂物与金属结合力极低并成为应力集中源，如果金属本身塑性、韧性差，就会因拘束应力而使同一平面的许多非金属夹杂物开裂、扩展，并连成平台。而“壁”则是由相邻平面内的裂纹通过剪切形成的。夹杂物的数量、大小、形状和分别比成分对层状撕裂的影响更大。1、层状撕裂的特征和形成原因影响因素：凡影响钢材塑性的因素如组织、应变时效、氢脆等都会给层状撕裂的产生带来影响。氢不是决定性因素。形成条件：Z向拘束应力——必要条件只有在角接接头、丁字接头这类形成较大Z向应力的情况才有可能引起层状撕裂；一般，对于对接接头，即使钢中夹杂物较多，也不至于发生层状撕裂。2、层状撕裂的防止选用对层状撕裂敏感性小的材料，减少Z向拘束应力可从结构上设计和工艺方面采取一些措施：改变或减少对钢板产生Z向拉伸的接头形式采用低强度焊缝预堆敷软焊道过渡层采用低氢焊条、小线能量和预热等有不少层状撕裂是其他焊接裂纹诱发而形成的，因此，防止这些裂纹产生也是十分重要的8.4

碳素钢的焊接1、碳素钢的焊接焊前预热和焊后缓冷,减小焊接前后温差,使冷速减慢,淬硬倾向减小,同时减小焊接应力,是防止裂纹的根本措施。8.4

碳素钢的焊接2、高碳钢焊接的其他措施选用合适的焊接方法：如气焊、埋弧焊，电渣焊焊缝冷速慢，可减少淬硬倾向选用合适的焊接规范：如较大焊接线能量焊缝冷速慢，可减少淬硬倾向采用多层分段焊或双弧焊焊接工艺第一层对第二层预热，第二层对第一层热处理前弧预热，后弧填充和热处理采用低碳微合金化高强焊接材料焊接、不锈钢打底焊接8.4

碳素钢的焊接3、高碳钢的焊接气孔含碳量增加，熔化的基体金属中碳向熔池扩散增加，冶金反应中会产生大量CO气体（不溶于金属），熔池冷却、凝固结晶时，粘度增加，尤其焊缝冷速较快时，CO来不及逸出，而在焊缝中形成CO内气孔。其防止办法有：减少基体金属的熔化量，以减少C来源。如开坡口，用细焊丝小电流焊接，多层焊等加强熔化金属脱氧，以减少O来源。8.5

合金结构钢的焊接合金结构钢按使用不同分为：强度钢、耐热钢和低温钢。8.5.1、低合金强度钢焊接1、焊接结构材料的选择强度刚主要要求强韧性。发展趋势：低C、S、P和微合金化2、焊接预热温度确定8.5.2

焊接结构材料的韧性影响材料韧性的因素主要是上下平台的韧性值和转变温度的高低.其因素主要是成分组织强度性能晶粒尺寸应力集中加载速度焊接工艺板厚8.5.3

焊接接头的韧性焊缝韧性取决于焊接材料与母材的匹配焊接接头各区韧性存在差异8.5.4

提高焊接接头韧性的途径微合金化是提高接头韧性的基础选用与母材匹配的焊接材料是提高焊缝韧性的保障选用合理的焊接方法和线能量是控制焊缝、熔合区及过热区韧性的保证8.6

高合金钢的焊接8.6.1、不锈钢焊接1、奥氏体不锈钢焊接导热系数小，膨胀系数大，结晶温度区间大，焊接应力大，区域偏析大，热裂倾向大，必须合理选择焊接材料和焊接规范和减少焊接拘束应力焊接后快冷以保证获得单一的良好塑性和防腐性的奥氏体组织。慢冷则合金元素易于析出碳形成碳化物，合金变脆选用超低C和微合金化的奥氏体不锈钢焊接材料细化晶粒，用小线能量、小层间温度、多层焊提高冷速和减少高温停留时间，并辅以风冷或水冷。为提高抗晶间腐蚀性能，焊后通常进行固溶处理8.6.1

不锈钢的焊接2、铁素体不锈钢焊接无淬硬冷裂倾向，当过热敏感性大，易使热影响区晶粒长大而脆化。低碳、高铬可有效解决热影响区晶粒长大而脆化的现象。焊接时常采用含C、N、O极低的焊接材料和低线能量和层间温度焊后加热到750-800度快冷可提高韧性和抗蚀性能8.6.1

不锈钢的焊接3、马氏体不锈钢焊接有较大淬硬和冷裂倾向，含C越高，倾向越大C含量较高马氏体不锈钢焊接时应注意：正确选择焊接材料、预热温度、提高线能量和正确的焊后热处理对于超低C马氏体钢无硬脆倾向，焊接性能较好，一般不需预热，但在高拘束和难以控制氢含量的情况下可预热到100-150度，焊后600度左右回火。8.6.2

高锰钢的焊接高锰钢属于奥氏体类高合金钢，焊后冷速快时生成单一奥氏体组织，塑性韧性均好，承受冲击后硬化，具有高的耐磨性；但如焊后缓冷，则析出碳并形成碳化物，大大降低塑性和韧性，同时过热敏感性大，易生成裂纹。焊接方法：用小的线能量，短焊缝，或水冷，且不预热提高焊接质量方法：通水加快冷速小电流焊接,快焊速，焊一层后充分冷后再焊大面积堆焊时分区堆焊，并最好用奥氏体焊条打底8.7

铸铁的焊接灰口铸铁焊接焊接时易成白口组织。焊接时，促进石墨化的C、Si大量烧损，焊缝中C、Si含量减少；同时冷速远高于铸造，因此，C不以游离态的石墨形态存在，而是以硬脆的碳化物形态存在，使焊缝成白口组织片状石墨尖端易形成冷裂纹防止白口及裂纹方法：焊前预热和焊后缓冷的电弧焊加热减应区方法焊补8.8

有色金属的焊接

8.8.1铝合金的焊接一、铝合金的焊接性能1、焊缝的气孔氢是铝合金焊接时产生气孔的主要原因。2、焊接热裂纹焊缝中—结晶裂纹，近焊缝区—液化裂纹焊缝结晶时易熔共晶的存在,是产生结晶裂纹重要原因之一线膨胀系数大(比钢大约1倍),在拘束条件下焊接时,易产生较大焊接应力,是促使铝合金具有较大裂纹倾向的原因之一防止焊接热裂纹途径：控制适量的易熔共晶并缩小结晶温度区间焊丝中加变质剂，细化晶粒，改善塑性、韧性和抗裂性采用能量集中的焊接方法，加快焊接过程，防止形成方向性强的粗大柱状晶，可改善抗裂性8.8.1铝合金的焊接3、焊接接头的等强性不热处理强化的铝合金（Al-Mg系），在退火状态下焊接时，接头与母材一