焊縫成分、組織與性能課件

3焊接接頭的組織及性能焊縫成分、組織與性能3焊接接頭的組織及性能焊縫成分、組織與性能1熔池焊縫的成分焊縫的組織焊縫的性能3.1焊縫的成分、組織與性能焊縫成分、組織與性能熔池3.1焊縫的成分、組織與性能焊縫成分、組織與性能2熔池的形狀HmaxLBmaxP2:比例常數；q:電弧功率q=IU熔池的形狀和尺寸與焊接規(guī)范有關。焊縫成分、組織與性能熔池的形狀HmaxLBmaxP2:比例常數；熔池的形狀和尺寸3提高焊接電流，熔池的最大熔深Hmax增加，最大寬度Bmax減??；提高焊接電壓，熔池的最大熔深Hmax減小，最大寬度Bmax增加；焊縫成分、組織與性能提高焊接電流，熔池的最大熔深Hmax增加，最大寬度Bmax減4熔合比局部熔化的母材金屬在焊縫金屬中所占的比例basemetaldepositedmetalFbFdd不同時，即使采用相同的焊材，焊縫的成分亦不相同焊縫的成分焊縫成分、組織與性能熔合比局部熔化的母材金屬在焊縫金屬中所占的比例bas5通常填充金屬的成分與母材是不同的，特別是在異種接頭或合金堆焊時。當堆焊金屬的合金成分主要來自于填充金屬時，局部熔化的母材在焊縫中的效果可認為是稀釋。故熔合比又稱稀釋率。焊縫成分、組織與性能通常填充金屬的成分與母材是不同的，特別是在異種接頭或合金6不考慮焊接冶金反應的焊縫成分計算焊縫中某種元素的濃度為母材中該元素的濃度焊接材料中該元素的濃度焊縫成分、組織與性能不考慮焊接冶金反應的焊縫成分計算焊縫中某種元素的濃度為母材中7焊縫實際成分因為焊接冶金反應，焊材中的合金元素會有一定量的損失，熔池中熔化的母材也會有燒損。故有元素的過渡系數μ焊縫成分、組織與性能焊縫實際成分因為焊接冶金反應，焊材中的合金元素會有一定量的損8凡是對氧親合力大的元素，μ則小。1800℃時各元素對氧的親合力順序為：Al-Zr-Mg-C-B-Ti-Si-V-Mn-Nb-Cr-Fe-Mo-W-P-S-Co-Ni-Cu活性元素惰性元素焊縫成分、組織與性能凡是對氧親合力大的元素，μ則小。1800℃時各元素對氧的9影響焊縫成分的因素熔合比dd∝通過焊絲、焊劑（藥皮）、母材滲合金時，合金元素的過渡系數是不同的，依次為：

母材、焊絲、焊劑（藥皮）d焊縫成分、組織與性能影響焊縫成分的因素d焊縫成分、組織與性能10焊縫成分的變化，常常是有益元素的燒損，有害雜質的增多如：Ｍn、Si、C↓N↑27倍、Ｏ↑9倍、Ｈ↑1～2倍焊接方法及焊接工藝規(guī)范電弧氣氛的氧化性，保護氣體，規(guī)范參數I、U、v

如：I↑燒損↑，埋弧焊Ｉ從150↑180A，則[Mn]w從0.57%↓0.40%焊縫成分、組織與性能焊縫成分的變化，常常是有益元素的燒損，有害雜質的增多焊縫成分11焊縫的組織焊縫是由熔池凝固結晶形成的；焊縫形成后還會發(fā)生固態(tài)相變；焊縫的組織由熔池的凝固結晶過程和焊縫的固態(tài)相變過程決定。焊縫成分、組織與性能焊縫的組織焊縫是由熔池凝固結晶形成的；焊縫成分、組織與性能12熔池的體積小，冷卻速度大在一般電弧焊條件下，熔池的體積最大只有30cm3,質量不超過100g，冷卻速度平均為4~100℃/s。因此，對于含碳量高、含合金元素較多的鋼種，易產生淬硬組織。由于冷卻很快，溫度梯度大，使焊縫中柱狀晶得到很大的發(fā)展。熔池結晶的特點焊縫成分、組織與性能熔池的體積小，冷卻速度大熔池結晶的特點焊縫成分、組織與性能13熔池中的液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài)對于低碳鋼或低合金鋼來講，在一般電弧焊條件下，熔池的平均溫度可達1700±100℃，而熔滴溫度更高，為2300±200℃。由于液態(tài)金屬的過熱度較大，合金元素的燒損比較嚴重，熔池非自發(fā)晶核的質點大為減少，也促使焊縫柱狀晶的發(fā)展。焊縫成分、組織與性能熔池中的液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài)焊縫成分、組織與性能14熔池在運動狀態(tài)下凝固在熱源作用下，熔池的前半部熔化的同時，熔池的后半部開始凝固。同時，熔池是隨著焊接熱源一起運動的。此外，在焊接條件下，熔池在各種力的作用下被攪拌，這對于排除氣體、夾雜及焊縫成分均勻化都是有利的。焊縫成分、組織與性能熔池在運動狀態(tài)下凝固焊縫成分、組織與性能15熔池金屬結晶的形態(tài)合金元素或雜質的懸浮質點為了細化焊縫晶粒，有時在焊接材料中加入一定的合金元素，如Mo、V、Ti、Nb等，作為非自發(fā)晶核質點。交互結晶熔合區(qū)半熔化晶粒表面，在此表面上非自發(fā)形核，形成所謂交互結晶，或稱聯(lián)生結晶。熔池凝固以非自發(fā)晶核為主焊縫成分、組織與性能熔池金屬結晶的形態(tài)合金元素或雜質的懸浮質點熔池凝固以非自發(fā)16聯(lián)生結晶焊縫成分、組織與性能聯(lián)生結晶焊縫成分、組織與性能17焊縫中的晶體形態(tài)主要是柱狀晶和少量的等軸晶。結晶形態(tài)的不同，是由于金屬的純度和散熱條件的不同所致。合金結晶時，由于成分過冷，在過冷度不是很大的情況下就可出現(xiàn)樹枝狀晶。根據成分過冷理論，熔池結晶可能出現(xiàn)以下五種形態(tài)。焊縫成分、組織與性能焊縫中的晶體形態(tài)主要是柱狀晶和少量的等軸晶。結晶形態(tài)的不同，18成分過冷constitutionalsupercoolingTx實際溫度實際結晶溫度因合金的選分結晶，已結晶的固體前沿低熔點物質多，造成成分過冷。焊縫成分、組織與性能成分過冷constitutionalsupercoolin191）平面晶當液相溫度高于固相溫度，溫度梯度G很大時，G不與實際結晶溫度線T相交，因此不出現(xiàn)成分過冷現(xiàn)象。此時結晶所釋放的熱量向界面后方的固體散去，使結晶界面緩慢地向前推移，結晶呈平面形態(tài)，稱為平面晶。這種平面結晶多發(fā)生在高純度的焊縫金屬，如純鈮板氬弧焊。焊縫成分、組織與性能1）平面晶當液相溫度高于固相溫度，溫度梯度G很大時，G不與實20Tx實際溫度實際結晶溫度焊縫成分、組織與性能Tx實際溫度實際結晶溫度焊縫成分、組織與性能212）胞狀晶當溫度梯度G與實際結晶溫度T相交較少時，即具有較小的成分過冷，便出現(xiàn)胞狀結晶。此時因平面結晶界面處于不穩(wěn)定狀態(tài)，凝固界面長出許多平行束狀的芽胞伸入過冷液體內，斷面是六角形的胞狀結晶形態(tài)，如同蜂窩狀。焊縫成分、組織與性能2）胞狀晶當溫度梯度G與實際結晶溫度T相交較少時，即具有較小223）胞狀樹枝晶當成分過冷稍大時，界面上凸起部分能夠深入液體內部較長的距離。與此同時，凸起部分也向周圍排出溶質，于是在橫向也產生了成分過冷，這時從主干向橫向伸出短小的二次橫枝形成樹枝晶。但由于主干的間距較小，所以二次橫枝也比較短，這樣就形成了特殊的胞狀樹枝晶。

焊縫成分、組織與性能3）胞狀樹枝晶當成分過冷稍大時，界面上凸起部分能夠深入液體內234）樹枝狀晶當成分過冷進一步增大時，即溫度梯度G，與實際結晶溫度T相交的面積很大時，在一個晶體內除產生一個很長的主干之外，還向四周伸出二次橫枝，因而形成了明顯的樹枝結晶。

焊縫成分、組織與性能4）樹枝狀晶當成分過冷進一步增大時，即溫度梯度G，與實際結晶245）等軸晶當液相中的溫度梯度G很小，能在液相中形成很寬的成分過冷區(qū)，此時不僅在結晶前沿形成樹枝晶，同時也能在液相內部生核，產生新的晶粒，這些晶粒的四周不受阻礙，可以自由生長，形成等軸晶。焊縫成分、組織與性能5）等軸晶當液相中的溫度梯度G很小，能在液相中形成很寬的成分25影響結晶形態(tài)的主要因素有合金中溶質的濃度C0(成分過冷)、晶粒長大速度R(結晶速度)、和液相中的溫度梯度G等軸晶等軸晶樹枝狀晶胞狀樹枝晶胞狀晶平面晶柱狀晶溶質濃度焊縫成分、組織與性能影響結晶形態(tài)的主要因素有合金中溶質的濃度C0(成分過冷)、晶26由于熔池結晶過程中，冷卻速度很大，合金元素來不及擴散均勻，帶來了焊縫金屬化學成分的不均勻性，即出現(xiàn)所謂偏析現(xiàn)象。顯微偏析區(qū)域偏析層狀偏析焊縫金屬中的化學不均勻性焊縫成分、組織與性能由于熔池結晶過程中，冷卻速度很大，合金元素來不及擴散均勻，帶271）顯微偏析焊縫金屬在凝固過程中，先凝固的固相含溶質濃度較低，后凝固的固相含溶質濃度較高，并富集了許多雜質。當焊縫的凝固呈胞狀晶長大時，在胞狀晶體的中心溶質濃度最低，而在胞狀晶相鄰的邊界上，溶質濃度最高。焊縫成分、組織與性能1）顯微偏析焊縫金屬在凝固過程中，先凝固的固相含溶質濃度較低28當固相呈樹枝晶長大時，先凝固的樹干含溶質的濃度最低，后凝固的樹枝含溶質濃度稍低，最后凝固部分，也就是相鄰樹枝晶間的晶界上，溶質濃度最高。是含有鎳鉻的合金結構鋼枝枝晶內不同部位的鎳、鉻和錳的分布。m表示樹枝中心，I表示樹枝區(qū)域，A和M表示樹枝晶的晶界。mIMA焊縫成分、組織與性能當固相呈樹枝晶長大時，先凝固的樹干含溶質的濃度最低，后凝固的292）區(qū)域偏析在焊縫凝固時，由于柱狀晶不斷長大推移，把溶質和雜質推向熔池的中心部位，使最后凝固部位產生較嚴重的區(qū)域偏析。在焊速較大時，成長的柱狀晶最后都在焊縫中心附近相遇，使焊縫中心出現(xiàn)溶質和雜質的偏析，在焊接應力作用下，將會導致焊縫縱向裂紋的產生。SMAWEBW焊縫成分、組織與性能2）區(qū)域偏析在焊縫凝固時，由于柱狀晶不斷長大推移，把溶質和303）層狀偏析由于在熔池凝固中放出的結晶潛熱和高溫熔滴的過渡周期性的變化，使得凝固界面的液體金屬成分也發(fā)生周期性的變化，因而造成了所謂層狀偏析；層狀偏析常集中了一些有害的元素，如碳、硫、磷等，因而容易在偏析層出現(xiàn)焊接缺陷。氣孔焊縫成分、組織與性能3）層狀偏析由于在熔池凝固中放出的結晶潛熱和高溫熔滴的過渡31焊縫金屬的顯微組織與性能熔池各部位成分過冷不同，凝固形態(tài)也有所不同焊縫成分、組織與性能焊縫金屬的顯微組織與性能熔池各部位成分過冷不同，凝固形態(tài)也32凝固形態(tài)對焊縫的力學性能有很大的影響。粗大的柱狀晶會降低焊縫金屬的強度和韌性。低碳鋼焊縫晶粒大小對沖擊韌性的影響溫度ak細晶粗晶粗大柱狀晶焊縫成分、組織與性能凝固形態(tài)對焊縫的力學性能有很大的影響。粗大的柱狀晶會降低焊縫333焊接接頭的組織及性能焊縫成分、組織與性能3焊接接頭的組織及性能焊縫成分、組織與性能34熔池焊縫的成分焊縫的組織焊縫的性能3.1焊縫的成分、組織與性能焊縫成分、組織與性能熔池3.1焊縫的成分、組織與性能焊縫成分、組織與性能35熔池的形狀HmaxLBmaxP2:比例常數；q:電弧功率q=IU熔池的形狀和尺寸與焊接規(guī)范有關。焊縫成分、組織與性能熔池的形狀HmaxLBmaxP2:比例常數；熔池的形狀和尺寸36提高焊接電流，熔池的最大熔深Hmax增加，最大寬度Bmax減??；提高焊接電壓，熔池的最大熔深Hmax減小，最大寬度Bmax增加；焊縫成分、組織與性能提高焊接電流，熔池的最大熔深Hmax增加，最大寬度Bmax減37熔合比局部熔化的母材金屬在焊縫金屬中所占的比例basemetaldepositedmetalFbFdd不同時，即使采用相同的焊材，焊縫的成分亦不相同焊縫的成分焊縫成分、組織與性能熔合比局部熔化的母材金屬在焊縫金屬中所占的比例bas38通常填充金屬的成分與母材是不同的，特別是在異種接頭或合金堆焊時。當堆焊金屬的合金成分主要來自于填充金屬時，局部熔化的母材在焊縫中的效果可認為是稀釋。故熔合比又稱稀釋率。焊縫成分、組織與性能通常填充金屬的成分與母材是不同的，特別是在異種接頭或合金39不考慮焊接冶金反應的焊縫成分計算焊縫中某種元素的濃度為母材中該元素的濃度焊接材料中該元素的濃度焊縫成分、組織與性能不考慮焊接冶金反應的焊縫成分計算焊縫中某種元素的濃度為母材中40焊縫實際成分因為焊接冶金反應，焊材中的合金元素會有一定量的損失，熔池中熔化的母材也會有燒損。故有元素的過渡系數μ焊縫成分、組織與性能焊縫實際成分因為焊接冶金反應，焊材中的合金元素會有一定量的損41凡是對氧親合力大的元素，μ則小。1800℃時各元素對氧的親合力順序為：Al-Zr-Mg-C-B-Ti-Si-V-Mn-Nb-Cr-Fe-Mo-W-P-S-Co-Ni-Cu活性元素惰性元素焊縫成分、組織與性能凡是對氧親合力大的元素，μ則小。1800℃時各元素對氧的42影響焊縫成分的因素熔合比dd∝通過焊絲、焊劑（藥皮）、母材滲合金時，合金元素的過渡系數是不同的，依次為：

母材、焊絲、焊劑（藥皮）d焊縫成分、組織與性能影響焊縫成分的因素d焊縫成分、組織與性能43焊縫成分的變化，常常是有益元素的燒損，有害雜質的增多如：Ｍn、Si、C↓N↑27倍、Ｏ↑9倍、Ｈ↑1～2倍焊接方法及焊接工藝規(guī)范電弧氣氛的氧化性，保護氣體，規(guī)范參數I、U、v

如：I↑燒損↑，埋弧焊Ｉ從150↑180A，則[Mn]w從0.57%↓0.40%焊縫成分、組織與性能焊縫成分的變化，常常是有益元素的燒損，有害雜質的增多焊縫成分44焊縫的組織焊縫是由熔池凝固結晶形成的；焊縫形成后還會發(fā)生固態(tài)相變；焊縫的組織由熔池的凝固結晶過程和焊縫的固態(tài)相變過程決定。焊縫成分、組織與性能焊縫的組織焊縫是由熔池凝固結晶形成的；焊縫成分、組織與性能45熔池的體積小，冷卻速度大在一般電弧焊條件下，熔池的體積最大只有30cm3,質量不超過100g，冷卻速度平均為4~100℃/s。因此，對于含碳量高、含合金元素較多的鋼種，易產生淬硬組織。由于冷卻很快，溫度梯度大，使焊縫中柱狀晶得到很大的發(fā)展。熔池結晶的特點焊縫成分、組織與性能熔池的體積小，冷卻速度大熔池結晶的特點焊縫成分、組織與性能46熔池中的液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài)對于低碳鋼或低合金鋼來講，在一般電弧焊條件下，熔池的平均溫度可達1700±100℃，而熔滴溫度更高，為2300±200℃。由于液態(tài)金屬的過熱度較大，合金元素的燒損比較嚴重，熔池非自發(fā)晶核的質點大為減少，也促使焊縫柱狀晶的發(fā)展。焊縫成分、組織與性能熔池中的液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài)焊縫成分、組織與性能47熔池在運動狀態(tài)下凝固在熱源作用下，熔池的前半部熔化的同時，熔池的后半部開始凝固。同時，熔池是隨著焊接熱源一起運動的。此外，在焊接條件下，熔池在各種力的作用下被攪拌，這對于排除氣體、夾雜及焊縫成分均勻化都是有利的。焊縫成分、組織與性能熔池在運動狀態(tài)下凝固焊縫成分、組織與性能48熔池金屬結晶的形態(tài)合金元素或雜質的懸浮質點為了細化焊縫晶粒，有時在焊接材料中加入一定的合金元素，如Mo、V、Ti、Nb等，作為非自發(fā)晶核質點。交互結晶熔合區(qū)半熔化晶粒表面，在此表面上非自發(fā)形核，形成所謂交互結晶，或稱聯(lián)生結晶。熔池凝固以非自發(fā)晶核為主焊縫成分、組織與性能熔池金屬結晶的形態(tài)合金元素或雜質的懸浮質點熔池凝固以非自發(fā)49聯(lián)生結晶焊縫成分、組織與性能聯(lián)生結晶焊縫成分、組織與性能50焊縫中的晶體形態(tài)主要是柱狀晶和少量的等軸晶。結晶形態(tài)的不同，是由于金屬的純度和散熱條件的不同所致。合金結晶時，由于成分過冷，在過冷度不是很大的情況下就可出現(xiàn)樹枝狀晶。根據成分過冷理論，熔池結晶可能出現(xiàn)以下五種形態(tài)。焊縫成分、組織與性能焊縫中的晶體形態(tài)主要是柱狀晶和少量的等軸晶。結晶形態(tài)的不同，51成分過冷constitutionalsupercoolingTx實際溫度實際結晶溫度因合金的選分結晶，已結晶的固體前沿低熔點物質多，造成成分過冷。焊縫成分、組織與性能成分過冷constitutionalsupercoolin521）平面晶當液相溫度高于固相溫度，溫度梯度G很大時，G不與實際結晶溫度線T相交，因此不出現(xiàn)成分過冷現(xiàn)象。此時結晶所釋放的熱量向界面后方的固體散去，使結晶界面緩慢地向前推移，結晶呈平面形態(tài)，稱為平面晶。這種平面結晶多發(fā)生在高純度的焊縫金屬，如純鈮板氬弧焊。焊縫成分、組織與性能1）平面晶當液相溫度高于固相溫度，溫度梯度G很大時，G不與實53Tx實際溫度實際結晶溫度焊縫成分、組織與性能Tx實際溫度實際結晶溫度焊縫成分、組織與性能542）胞狀晶當溫度梯度G與實際結晶溫度T相交較少時，即具有較小的成分過冷，便出現(xiàn)胞狀結晶。此時因平面結晶界面處于不穩(wěn)定狀態(tài)，凝固界面長出許多平行束狀的芽胞伸入過冷液體內，斷面是六角形的胞狀結晶形態(tài)，如同蜂窩狀。焊縫成分、組織與性能2）胞狀晶當溫度梯度G與實際結晶溫度T相交較少時，即具有較小553）胞狀樹枝晶當成分過冷稍大時，界面上凸起部分能夠深入液體內部較長的距離。與此同時，凸起部分也向周圍排出溶質，于是在橫向也產生了成分過冷，這時從主干向橫向伸出短小的二次橫枝形成樹枝晶。但由于主干的間距較小，所以二次橫枝也比較短，這樣就形成了特殊的胞狀樹枝晶。

焊縫成分、組織與性能3）胞狀樹枝晶當成分過冷稍大時，界面上凸起部分能夠深入液體內564）樹枝狀晶當成分過冷進一步增大時，即溫度梯度G，與實際結晶溫度T相交的面積很大時，在一個晶體內除產生一個很長的主干之外，還向四周伸出二次橫枝，因而形成了明顯的樹枝結晶。

焊縫成分、組織與性能4）樹枝狀晶當成分過冷進一步增大時，即溫度梯度G，與實際結晶575）等軸晶當液相中的溫度梯度G很小，能在液相中形成很寬的成分過冷區(qū)，此時不僅在結晶前沿形成樹枝晶，同時也能在液相內部生核，產生新的晶粒，這些晶粒的四周不受阻礙，可以自由生長，形成等軸晶。焊縫成分、組織與性能5）等軸晶當液相中的溫度梯度G很小，能在液相中形成很寬的成分58影響結晶形態(tài)的主要因素有合金中溶質的濃度C0(成分過冷)、晶粒長大速度R(結晶速度)、和液相中的溫度梯度G等軸晶等軸晶樹枝狀晶胞狀樹枝晶胞狀晶平面晶柱狀晶溶質濃度焊縫成分、組織與性能影響結晶形態(tài)的主要因素有合金中溶質的濃度C0(成分過冷)、晶59由于熔池結晶過程中，冷卻速度很大，合金元素來不及擴散均勻，帶來了焊縫金屬化學成分的不均勻性，即出現(xiàn)所謂偏析現(xiàn)象。顯微偏析區(qū)域偏析層狀偏析焊縫金屬中的化學不均勻性焊縫成分、組織與性能由于熔池結晶過程中，冷卻速度很大，合金元素來不及擴散均勻