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1、（二）焊接方法（二）焊接方法1方法uu熔化焊uu固态焊uu钎焊uu硬钎焊（brazing)450uu软钎焊（soldering)450第1页/共83页2实现焊接所需要的温度与压力之间的关系第2页/共83页1.1 焊接热过程的特点焊接热过程的特点焊接热过程：在焊接过程焊接热过程：在焊接过程中，被焊金属由于热的输中，被焊金属由于热的输入和传播，而经历加热、入和传播，而经历加热、熔化（或达到热塑性状态）熔化（或达到热塑性状态），称之为焊接热过程。，称之为焊接热过程。焊接热过程的特点焊接热过程的特点局部性局部性热源的运动性热源的运动性瞬时性瞬时性传热过程的复合性传热过程的复合性第3页/共83页1.1
2、焊接热过程的特点焊接热过程的特点焊接热过程的作用焊接热过程的作用热量大小和分布状态决定了熔池的形状和尺热量大小和分布状态决定了熔池的形状和尺寸寸决定了焊接熔池进行冶金反应的程度决定了焊接熔池进行冶金反应的程度影响熔池金属凝固、相变过程影响熔池金属凝固、相变过程不均匀的加热和冷却，造成不均匀的应力状不均匀的加热和冷却，造成不均匀的应力状态态冶金、应力和被焊金属组织的共同影响，可冶金、应力和被焊金属组织的共同影响，可能产生各种焊接裂纹和其他缺陷能产生各种焊接裂纹和其他缺陷影响热影响区金属的组织的转变和性能的变影响热影响区金属的组织的转变和性能的变化化决定母材和焊材的熔化速度，因而影响焊接决定母材和
3、焊材的熔化速度，因而影响焊接生产率生产率第4页/共83页1.2 焊接热源及焊接方法焊接热源及焊接方法焊接热源的种类焊接热源的种类电弧热：利用气体介质中的电弧放电过程所产生的热电弧热：利用气体介质中的电弧放电过程所产生的热能作为热源（手工电弧焊、氩弧焊、埋弧焊等）能作为热源（手工电弧焊、氩弧焊、埋弧焊等）化学热：利用可燃气体（液化气、乙炔）或铝、镁热化学热：利用可燃气体（液化气、乙炔）或铝、镁热剂与氧或氧化物发生强烈反应时所产生的热能作为热剂与氧或氧化物发生强烈反应时所产生的热能作为热源（气焊、热剂焊）源（气焊、热剂焊）电阻热：利用电流通过导体及其界面时所产生的电阻电阻热：利用电流通过导体及其界
4、面时所产生的电阻热作为焊接热源（电阻焊和电渣焊）热作为焊接热源（电阻焊和电渣焊）摩擦热：由机械高速摩擦所产生的热能作为热源（摩摩擦热：由机械高速摩擦所产生的热能作为热源（摩擦焊、搅拌摩擦焊）擦焊、搅拌摩擦焊）电子束：在真空中利用高压下高速运动的电子猛烈轰电子束：在真空中利用高压下高速运动的电子猛烈轰击金数局部表面，使动能转换为热能（电子束焊）击金数局部表面，使动能转换为热能（电子束焊）激光束：利用受激辐射而增强的光，经聚焦产生能量激光束：利用受激辐射而增强的光，经聚焦产生能量高度集中的激光束作为焊接热源（激光焊接与切割）高度集中的激光束作为焊接热源（激光焊接与切割）第5页/共83页焊接热源及焊
5、接方法示例一焊接热源及焊接方法示例一双丝焊（熔化极气体保护焊）双丝焊（熔化极气体保护焊）第6页/共83页熔化极气体保护焊熔化极气体保护焊-三丝焊三丝焊 三丝焊接系统图例为采用电流相位控制脉冲，电弧在三条焊丝上轮流燃烧，在保证电弧挺度的同时，通过调节各焊丝之间的位置关系及其焊接方向的夹角，来改变能量分布，使焊接过程稳定，从而减少咬边及驼峰等成形缺陷。该方法可用于角焊缝的高速焊接，焊速可以达到1.8 m/min。第7页/共83页熔化焊过程熔化焊过程第8页/共83页焊接热源及焊接方法实例二焊接热源及焊接方法实例二搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊 Friction Stir Welding（FSW）焊缝焊缝搅拌肩
6、搅拌肩搅拌头搅拌头搅拌针搅拌针工件工件第9页/共83页uu焊接过程纵剖面示意搅拌摩擦焊原理搅拌摩擦焊原理 The Principle of Friction Stir Welding焊接方向焊接方向旋转方向旋转方向第10页/共83页uu焊接过程顶示图(Plan view of FSW)搅拌摩擦焊原理搅拌摩擦焊原理 The Principle of Friction Stir Welding第11页/共83页u焊缝顶视图搅拌摩擦焊原理搅拌摩擦焊原理 The Principle of Friction Stir Welding焊接焊接方向方向5083 5083 铝合金铝合金第12页/共83页搅拌摩
7、擦焊搅拌摩擦焊/Fraction Stir welding 第13页/共83页焊接热源的特点焊接热源的特点热热 源源最小加热面积最小加热面积cmcm2 2最大功率密度最大功率密度W.cmW.cm-2-2温度温度乙炔火焰乙炔火焰1010-2-22 2 10 103 332003200 金属极电弧金属极电弧1010-3-310104 46000K6000K钨极氩弧焊钨极氩弧焊（TIGTIG）1010-3-31.5 1.5 10 104 48000K8000K埋弧焊埋弧焊1010-3-32 2 10 104 46400K6400K电渣焊电渣焊1010-2-210104 420002000熔化极氩弧焊
8、熔化极氩弧焊(MIG)(MIG)1010-4-410104 4 10105 5COCO2 2气体保护焊气体保护焊1010-4-410104 4 10105 5等离子焰等离子焰1010-5-51.5 1.5 10 105 518000K 18000K 24000K24000K电子束电子束1010-7-710107 7 10109 9激光束激光束1010-8-810107 7 10109 9第14页/共83页焊接热效率焊接热效率电弧焊时的热量分配a)厚皮焊条（I=150-250A,U=35V）b)埋弧焊（I=1000A,U=36V,v=36mm/h第15页/共83页焊接热效率焊接热效率在电弧焊接过
9、程中，电弧功率，即：电弧在单位时间内放出的热量为：q q0 0=UI(W)=UI(W)，U-U-电弧电压（电弧电压（V V），），I-I-焊接电流焊接电流(A)(A)电弧有效热功率q=q=q q0 0，-焊接热效率焊接热效率第16页/共83页焊接热效率焊接热效率焊接焊接方法方法焊条焊条电弧焊电弧焊埋弧焊埋弧焊电渣焊电渣焊电子束电子束激光焊激光焊钨极氩弧钨极氩弧焊焊熔化极气熔化极气体保护焊体保护焊 077-0.87077-0.870.77-0.77-0.900.900.830.830.900.900.900.900.68-0.850.68-0.85钢：钢：0.66-0.66-0.690.69(铝
10、：铝：0.70-0.70-0.85)0.85)第17页/共83页焊件上的热量分布焊件上的热量分布加热斑点：热源传热给工加热斑点：热源传热给工件的加热面积件的加热面积斑点半径：电弧传给焊件斑点半径：电弧传给焊件的热能中，的热能中，95%95%落在加热落在加热斑点内，该半径为斑点半斑点内，该半径为斑点半径。径。热流密度：单位时间内通热流密度：单位时间内通过单位面积提供给焊件的过单位面积提供给焊件的热能。热能。加热斑点上热流密度的分布a)热源在焊件上的分布b)热源密度的分布第18页/共83页焊件上的热量分布焊件上的热量分布q(r)-A点的热流密度（w/m2）;qm加热斑点中心的最大热流密度（w/m2
11、）;K热能集中系数(1/m2);rA点距加热斑点的距离（m）。Gaussian 分布第19页/共83页焊件上的热量分布焊件上的热量分布高斯曲线下面所覆盖的全部热功率为：高斯曲线下面所覆盖的全部热功率为：K值说明热流集中的程度。焊条电弧焊：1.2-1.4；埋弧焊：6.0；TIG焊：3.0-7.0第20页/共83页直流直流TIG焊时的热能集中系数焊时的热能集中系数与焊接电流的关系与焊接电流的关系直流TIG焊弧长对热能集中系数焊件上的热量分布焊件上的热量分布第21页/共83页2.1 焊接化学冶金焊接化学冶金第22页/共83页vv焊接化学冶金：焊接区内各种物质之间在高焊接化学冶金：焊接区内各种物质之间
12、在高温下相互作用的过程。温下相互作用的过程。vv焊接化学冶金的特殊性焊接化学冶金的特殊性vv焊接区内的气体和焊接熔渣焊接区内的气体和焊接熔渣vv焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用vv焊缝金属的合金化及其成分控制焊缝金属的合金化及其成分控制前言第23页/共83页焊接化学冶金的特殊性焊接化学冶金的特殊性1、焊接区金属的保护、焊接区金属的保护保护目的n n减少和防止空气（氧、氮）进入焊接区，避免减少和防止空气（氧、氮）进入焊接区，避免合金元素烧损，合金元素烧损，降低焊缝的性能降低焊缝的性能。保护方法真空：电子束焊气体：TIG焊,CO2,MIG熔渣：埋弧焊气-渣：手工
13、焊、自保护药芯焊第24页/共83页焊接材料熔敷金属成分性能变化焊接材料熔敷金属成分性能变化低碳钢焊材熔敷金属成分及性能变化第25页/共83页焊接化学冶金的特殊性焊接化学冶金的特殊性2、焊接冶金反应区及其反应条件、焊接冶金反应区及其反应条件（1）药皮反应区n n温度：温度：100-1200 100-1200（钢材）（钢材）n n反应：水分的蒸发、某些物质的反应：水分的蒸发、某些物质的分解和铁合金的氧化分解和铁合金的氧化手工电弧焊（2）熔滴反应区第26页/共83页焊接化学冶金的特殊性焊接化学冶金的特殊性2、焊接冶金反应区及其反应条件、焊接冶金反应区及其反应条件（2）熔滴反应区n n熔滴平均温度：熔
14、滴平均温度：1800-2400 1800-2400 n n熔滴金属与气体和熔渣的接触面积：比面积：熔滴金属与气体和熔渣的接触面积：比面积：1000-10000cm1000-10000cm2 2/kg,/kg,比炼钢时大比炼钢时大10001000倍倍n n各相之间的反应时间（接触时间）：各相之间的反应时间（接触时间）：0.01-0.1s0.01-0.1sn n反应：气体的分解和溶解、金属的蒸发、反应：气体的分解和溶解、金属的蒸发、金属及其合金成分的氧化与还原以及焊缝金属及其合金成分的氧化与还原以及焊缝金属的合金化。金属的合金化。n n特点：反应激烈、反应物含量离平衡浓度特点：反应激烈、反应物含量
15、离平衡浓度较远。较远。第27页/共83页焊接化学冶金的特殊性焊接化学冶金的特殊性2、焊接冶金反应区及其反应条件、焊接冶金反应区及其反应条件（3）熔池反应区熔滴和熔渣同熔化的母材混合形成熔池熔滴和熔渣同熔化的母材混合形成熔池温度：温度：1600-1900 1600-1900 比表面积：比表面积：1300 1300 cmcm2 2/kg/kg反应时间：反应时间：3-8S3-8S（SMAWSMAW）特点：熔池金属有规律的对流和搅拌运动，冶特点：熔池金属有规律的对流和搅拌运动，冶金反应比较激烈、熔池温度不均匀、同一反应金反应比较激烈、熔池温度不均匀、同一反应在不同区域可能向相反方向进行。在不同区域可能
16、向相反方向进行。第28页/共83页焊接熔池与熔滴的平均温度焊接熔池与熔滴的平均温度第29页/共83页焊接熔池的物理参数焊接熔池的物理参数第30页/共83页焊接化学冶金的特殊性焊接化学冶金的特殊性3、焊接冶金反应分析、焊接冶金反应分析温度变化范围大；停留时间短；基本排除了整个系统达到热力学平衡的可能性；不同条件下焊接冶金反应离平衡的远近程度不同；利用热力学原理定性分析冶金反应的进行方向和影响因素；第31页/共83页焊接区内气体和焊接熔渣焊接区内气体和焊接熔渣1、焊接区内气体的来源和气相成分、焊接区内气体的来源和气相成分气体的来源气体的来源焊接材料、保护气体焊接材料、保护气体焊材表面和母材坡口附近
17、的吸附水、油、锈及氧化铁焊材表面和母材坡口附近的吸附水、油、锈及氧化铁皮等皮等物质的蒸发物质的蒸发100 100：吸附水蒸发：吸附水蒸发：吸附水蒸发：吸附水蒸发400-600 400-600 400-600 400-600：焊条药皮中的组分如白泥和云母中的结晶水被排：焊条药皮中的组分如白泥和云母中的结晶水被排：焊条药皮中的组分如白泥和云母中的结晶水被排：焊条药皮中的组分如白泥和云母中的结晶水被排除。除。除。除。电弧高温：金属元素和熔渣中的各种成分发生蒸发，如电弧高温：金属元素和熔渣中的各种成分发生蒸发，如电弧高温：金属元素和熔渣中的各种成分发生蒸发，如电弧高温：金属元素和熔渣中的各种成分发生蒸
18、发，如Fe,MnFe,Mn及氟化物等及氟化物等及氟化物等及氟化物等有机物的分解和燃烧有机物的分解和燃烧碳酸盐和高价氧化物的分解碳酸盐和高价氧化物的分解第32页/共83页有机物的分解和燃烧有机物的分解和燃烧有机物种类：淀粉、纤维素和藻酸盐作用：酸性焊条造气剂和增塑剂分解：220-320 分解50%；800 完全分解。分解产物：CO2,CO,H2第33页/共83页碳酸盐和高价氧化物的分解碳酸盐和高价氧化物的分解碳酸盐：碳酸盐：CaCOCaCO3 3、MgCOMgCO3 3、CaMg(COCaMg(CO3 3)2 2作用：焊条造气剂作用：焊条造气剂分解：分解：CaCOCaCO3 3 分解温度为分解温
19、度为545 545，剧烈分解温度为，剧烈分解温度为910 910；MgCOMgCO3 3 分解温度为分解温度为325325 ，剧烈分解温度为，剧烈分解温度为650650 。分解产物：分解产物：COCO2 2,CO,H,CO,H2 2高价氧化物：高价氧化物：FeFe2 2O O3 3和和MnOMnO2 2O O2 2和低价氧化物和低价氧化物FeOFeO和和MnOMnO第34页/共83页焊接区内气体和焊接熔渣焊接区内气体和焊接熔渣1、焊接区内气体的来源和气相成分、焊接区内气体的来源和气相成分气体的高温分解气体的高温分解简单气体的分解：简单气体的分解：N N2 2、H H2 2、O O2 2和和F
20、F2 2复杂气体的分解：复杂气体的分解：COCO2 2和和H H2 2O O双原子气体的分解度与温度的关系CO2分解时气相的平衡成分与温度的关系第35页/共83页焊接区内气体和焊接熔渣焊接区内气体和焊接熔渣1、焊接区内气体的来源和气相成分、焊接区内气体的来源和气相成分CO2分解时气相的平衡成分与温度的关系第36页/共83页焊接区内气体和焊接熔渣焊接区内气体和焊接熔渣1、焊接区内气体的来源和气相成分、焊接区内气体的来源和气相成分气相的成分气相的成分焊接区经常同时存在多种气体，之间存在复杂的反应。焊接区经常同时存在多种气体，之间存在复杂的反应。典型的反应：典型的反应：焊接方法焊接方法焊条焊条/焊剂
21、焊剂COCOCOCO2 2H H2 2H H2 2O ON N2 2SMAWSMAW钛钙型钛钙型50.750.75.95.937.737.75.75.7SMAWSMAW纤维素型纤维素型42.342.32.92.941.241.212.612.6SMAWSMAW低氢型低氢型79.879.816.916.91.81.81.51.5SAWSAW33033086.286.29.39.34.54.5SAWSAW43143189-9389-937-97-91.51.3第39页/共83页焊接区内气体和焊接熔渣焊接区内气体和焊接熔渣2、焊接熔渣的类型及理化性质、焊接熔渣的类型及理化性质（2 2）焊接熔渣的理化
22、性质）焊接熔渣的理化性质 2 2）熔渣的氧化性）熔渣的氧化性n n熔渣的氧化性取决于熔渣中的氧化物，熔渣的氧化性取决于熔渣中的氧化物，FeOFeO是熔渣的重是熔渣的重要氧化源。通常用要氧化源。通常用FeOFeO的活度来代表熔渣氧化能力的强的活度来代表熔渣氧化能力的强弱。弱。3 3）熔渣的熔点）熔渣的熔点n n一般比焊缝熔点低一般比焊缝熔点低200-450 200-450 n n焊接熔渣的熔点过高，将使其与液态金属间的反应不焊接熔渣的熔点过高，将使其与液态金属间的反应不充分，易形成夹渣。充分，易形成夹渣。n n熔点过低，使熔渣的覆盖性能变差，焊缝表面粗糙不熔点过低，使熔渣的覆盖性能变差，焊缝表面
23、粗糙不平。平。第40页/共83页焊接区内气体和焊接熔渣焊接区内气体和焊接熔渣2、焊接熔渣的类型及理化性质、焊接熔渣的类型及理化性质4）熔渣的粘度 (熔渣内部相对运动时各层之间的内摩擦力)n n主要影响对金属的保护效果、焊缝成形、熔池主要影响对金属的保护效果、焊缝成形、熔池中气体的外逸等；中气体的外逸等；n n温度下降、粘度下降；温度下降、粘度下降；n n酸性氧化物（酸性氧化物（SiO2SiO2）使粘度增加；）使粘度增加；第41页/共83页焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用1、焊接冶金过程中的氧化还原反应焊接冶金过程中的氧化还原反应1 1）氧对焊接质量的影氧对焊
24、接质量的影响响焊缝金属强度、塑性、韧焊缝金属强度、塑性、韧性下降；性下降；引起金属红脆、冷脆和时引起金属红脆、冷脆和时效硬化；效硬化；2 2）氧化还原反应判据）氧化还原反应判据 氧化物分解压氧化物分解达到平衡时氧的平衡分压，称为氧化物的分解压。反应系统中氧的分压第42页/共83页焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用1、焊接冶金过程中的氧化还原反应焊接冶金过程中的氧化还原反应uu3 3）氧化气体对金属的氧化）氧化气体对金属的氧化n n自由氧自由氧n nCO2CO2n nH2OH2O第43页/共83页焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用焊接区内金属、气体与熔渣的相互作
25、用焊接冶金过程中的氧化还原反应焊接冶金过程中的氧化还原反应4 4）熔渣对金属的氧化）熔渣对金属的氧化扩散氧化扩散氧化焊接钢时，焊接钢时，焊接钢时，焊接钢时，FeOFeO既溶于熔渣又溶于液态钢。既溶于熔渣又溶于液态钢。既溶于熔渣又溶于液态钢。既溶于熔渣又溶于液态钢。在两相中的含量符合分配定律在两相中的含量符合分配定律在两相中的含量符合分配定律在两相中的含量符合分配定律:L=w(FeO)/wFeO:L=w(FeO)/wFeO；温度不变时，增加熔渣中温度不变时，增加熔渣中温度不变时，增加熔渣中温度不变时，增加熔渣中FeOFeO的含量，的含量，的含量，的含量，FeOFeO将向熔池金属中扩散。将向熔池金
26、属中扩散。将向熔池金属中扩散。将向熔池金属中扩散。置换氧化当熔渣中含有较多的易分解氧化物，则与液态铁发生置换反应，使铁氧化，氧化物中的合金元素被还原。（SiO2)+2Fe=Si+2FeO 2FeO=FeO+(FeO)第44页/共83页焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用焊接冶金过程中的氧化还原反应焊接冶金过程中的氧化还原反应脱氧物不应溶于液态金属而应溶于熔渣，且熔点低、脱氧物不应溶于液态金属而应溶于熔渣，且熔点低、密度小，上浮至熔渣中，以减少夹杂物的数量。密度小，上浮至熔渣中，以减少夹杂物的数量。MnMn、SiSi、TiTi和和AlAl常用于脱氧剂。常用于脱氧剂
27、。5）金属的还原反应（脱氧反应）各种脱氧元素在焊接中被氧化，以降低焊接区的氧化性，使被焊金属及有益合金元素免受氧化；或使被氧化的金属从它们的氧化物中还原出来的反应。脱氧剂应在焊接温度下比被焊金属对氧具有更强的亲和力。1800 时，各种元素对氧亲和力从小到大的次序排列为：Ni、Cu、W、Mo、Fe、Cr、Nb、Mn、V、Si、B、Ti、Mg、C、Al、Ce。第45页/共83页氢在焊接冶金中的行为及其控制氢在焊接冶金中的行为及其控制氢对金属的影响氢对金属的影响氢脆氢脆气孔气孔裂纹裂纹控制氢的措施控制氢的措施限制焊接材料及母材中的含氢量限制焊接材料及母材中的含氢量冶金处理：通过调整焊接材料的成分，使
28、氢在焊接过冶金处理：通过调整焊接材料的成分，使氢在焊接过程中，生成比较稳定的、不溶于液态金属的氢化物，程中，生成比较稳定的、不溶于液态金属的氢化物，如如HFHF。焊后脱氢处理：消氢处理。焊后脱氢处理：消氢处理。（焊缝中氮、硫及磷同样需要控制）（焊缝中氮、硫及磷同样需要控制）第46页/共83页焊缝金属的合金化焊缝金属的合金化一、合金化方式一、合金化方式 合金化（渗合金）：将所需的合金元素由焊接合金化（渗合金）：将所需的合金元素由焊接材料通过焊接冶金过渡到焊缝金属的反应。材料通过焊接冶金过渡到焊缝金属的反应。3、通过药皮、药芯和焊剂中的合金元素氧化物与Fe置换反应，还原合金元素。2、将粉末状态的合
29、金加入药皮、焊剂中通过焊接过程过渡到焊缝金属中去。1、应用含所需合金元素的焊丝、带（板）极、焊条芯或药芯焊丝将合金元素过渡到焊缝或堆焊层中。第47页/共83页焊缝金属的合金化焊缝金属的合金化一、合金化方式一、合金化方式 药药 芯芯 焊焊 丝丝Flux cored wires药芯焊丝药芯焊丝第48页/共83页焊缝金属的合金化焊缝金属的合金化二、合金元素的过渡系数二、合金元素的过渡系数第49页/共83页焊缝金属的合金化焊缝金属的合金化二、合金元素的过渡系数二、合金元素的过渡系数第50页/共83页焊缝金属的合金化焊缝金属的合金化二、合金元素的过渡系数二、合金元素的过渡系数过渡系数：某元素在熔敷金属中
30、的实际含量与它在焊接材料中的原始含量之比。影响因素合金元素的物理化学性质合金元素的物理化学性质合金元素的含量合金元素的含量合金剂的粒度合金剂的粒度药皮、药芯或焊剂的氧化势（放氧量）药皮、药芯或焊剂的氧化势（放氧量）第51页/共83页焊缝金属的合金化焊缝金属的合金化三、焊缝金属化学成分的计算三、焊缝金属化学成分的计算熔合比：焊缝金属中熔化的母材所占的比例。熔合比概念示意图合金元素的实际含量：第52页/共83页焊缝金属的合金化焊缝金属的合金化四、焊缝金属化学成分的控制四、焊缝金属化学成分的控制焊缝金属化学成分的控制改变熔合比改变熔合比熔渣有效作用系数熔渣有效作用系数焊缝金属成分的预测数学模型数学模
31、型计算机计算机第53页/共83页2.2 焊接熔池的凝固及焊缝相变组织焊接熔池的凝固及焊缝相变组织焊接熔池凝固过程的特点焊接熔池凝固过程的特点焊接熔池凝固过程与铸造凝固过程的差别焊接熔池凝固过程与铸造凝固过程的差别焊接熔池体积小，冷却速度高；焊接熔池体积小，冷却速度高；平均平均平均平均100 100 /s/s，约为铸造的，约为铸造的，约为铸造的，约为铸造的10104 4。焊接熔池的液态金属处于过热状态焊接熔池的液态金属处于过热状态熔池边界的温度梯度比铸造时高熔池边界的温度梯度比铸造时高熔池边界的温度梯度比铸造时高熔池边界的温度梯度比铸造时高10103 3 10104 4倍。倍。倍。倍。熔池在运动
32、状态下结晶熔池在运动状态下结晶结晶前沿随热源同步运动结晶前沿随热源同步运动结晶前沿随热源同步运动结晶前沿随热源同步运动液态金属受到力的搅拌运动液态金属受到力的搅拌运动液态金属受到力的搅拌运动液态金属受到力的搅拌运动熔池金属存在对流运动熔池金属存在对流运动熔池金属存在对流运动熔池金属存在对流运动第54页/共83页2.2 焊接熔池的凝固及焊缝相变组织焊接熔池的凝固及焊缝相变组织焊接熔池凝固过程的特点焊接熔池凝固过程的特点焊接熔池凝固过程的焊接熔池凝固过程的特点特点外延结晶外延结晶从熔池边界半熔化的母从熔池边界半熔化的母从熔池边界半熔化的母从熔池边界半熔化的母材开始生长材开始生长材开始生长材开始生长
33、非均质形核非均质形核非均质形核非均质形核柱状晶形式柱状晶形式柱状晶形式柱状晶形式外延结晶示意图第55页/共83页2.2 焊接熔池的凝固及焊缝相变组织焊接熔池的凝固及焊缝相变组织焊接熔池凝固过程的特点焊接熔池凝固过程的特点焊接熔池凝固过程的特点焊接熔池凝固过程的特点择优生长择优生长每一种晶体点阵都存在一个最优每一种晶体点阵都存在一个最优每一种晶体点阵都存在一个最优每一种晶体点阵都存在一个最优结晶取向结晶取向结晶取向结晶取向,对于立方点阵的金属对于立方点阵的金属对于立方点阵的金属对于立方点阵的金属（Fe,Ni,Cu,AlFe,Ni,Cu,Al），最优结晶取），最优结晶取），最优结晶取），最优结晶取
34、向为向为向为向为。温度梯度大的方向，也是晶粒易温度梯度大的方向，也是晶粒易温度梯度大的方向，也是晶粒易温度梯度大的方向，也是晶粒易于生长的方向。与焊接熔池边界于生长的方向。与焊接熔池边界于生长的方向。与焊接熔池边界于生长的方向。与焊接熔池边界垂直的方向温度梯度垂直的方向温度梯度垂直的方向温度梯度垂直的方向温度梯度GG最大。最大。最大。最大。当母材晶粒取向当母材晶粒取向当母材晶粒取向当母材晶粒取向与导热最与导热最与导热最与导热最快的方向一致时，即垂直熔池边快的方向一致时，即垂直熔池边快的方向一致时，即垂直熔池边快的方向一致时，即垂直熔池边界时，晶粒生长最快而优先长大。界时，晶粒生长最快而优先长大
35、。界时，晶粒生长最快而优先长大。界时，晶粒生长最快而优先长大。焊缝金属柱状晶的择优生长第56页/共83页2.2 焊接熔池的凝固及焊缝相变组织焊接熔池的凝固及焊缝相变组织焊缝金属的结晶形态焊缝金属的结晶形态熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，成分过熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，成分过冷的分布不同，焊缝各部位出现不同的结晶形态：冷的分布不同，焊缝各部位出现不同的结晶形态：平面晶、胞状晶、树枝状晶、等轴晶。平面晶、胞状晶、树枝状晶、等轴晶。焊缝中结晶形态的变化第57页/共83页低合金钢焊缝的组织形态分类焊缝金属的显微组织与性能（低合金钢）焊缝金属的显微组织与性能（低合金钢）第58页/共83
36、页焊缝金属的显微组织与性能焊缝金属的显微组织与性能（低合金钢为例）（低合金钢为例）vv铁素体铁素体vv先共析铁素体先共析铁素体vv温度：温度：温度：温度：770-680 770-680；vv位置：沿奥氏体晶界位置：沿奥氏体晶界位置：沿奥氏体晶界位置：沿奥氏体晶界vv形态：长条形或多边形块状形态：长条形或多边形块状形态：长条形或多边形块状形态：长条形或多边形块状vv性能特点：使韧性下降性能特点：使韧性下降性能特点：使韧性下降性能特点：使韧性下降vv侧板条铁素体侧板条铁素体vv温度：温度：温度：温度：700-550700-550700-550700-550 vv位置：从晶界铁素体侧面生长位置：从晶
37、界铁素体侧面生长位置：从晶界铁素体侧面生长位置：从晶界铁素体侧面生长vv形状：板条状形状：板条状形状：板条状形状：板条状vv性能特点：使韧性下降性能特点：使韧性下降性能特点：使韧性下降性能特点：使韧性下降第59页/共83页焊缝金属的显微组织与性能焊缝金属的显微组织与性能vv铁素体铁素体vv针状铁素体针状铁素体vv温度：温度：温度：温度：500 500；vv位置：在奥氏体晶粒内部位置：在奥氏体晶粒内部位置：在奥氏体晶粒内部位置：在奥氏体晶粒内部vv形态：针状形态：针状形态：针状形态：针状vv条件：中等冷却速度条件：中等冷却速度条件：中等冷却速度条件：中等冷却速度vv性能特点：韧性好性能特点：韧性
38、好性能特点：韧性好性能特点：韧性好vv细晶铁素体细晶铁素体vv温度：温度：温度：温度：500500500500 以下以下以下以下vv位置：在奥氏体晶粒内部位置：在奥氏体晶粒内部位置：在奥氏体晶粒内部位置：在奥氏体晶粒内部vv形状：细晶状形状：细晶状形状：细晶状形状：细晶状vv条件：存在细化晶粒的元素（条件：存在细化晶粒的元素（条件：存在细化晶粒的元素（条件：存在细化晶粒的元素（TiTiTiTi，B B B B等）等）等）等）vv性能特点：韧性好性能特点：韧性好性能特点：韧性好性能特点：韧性好第60页/共83页焊缝金属的显微组织与性能焊缝金属的显微组织与性能vv珠光体珠光体vv接近平衡下的组织，
39、焊接条件下很少产生。接近平衡下的组织，焊接条件下很少产生。vv贝氏体贝氏体vv上贝氏体上贝氏体vv温度：温度：温度：温度：550-450 550-450；vv位置：沿奥氏体晶界析出位置：沿奥氏体晶界析出位置：沿奥氏体晶界析出位置：沿奥氏体晶界析出vv形态：平行的条状铁素体之间分布有渗碳体形态：平行的条状铁素体之间分布有渗碳体形态：平行的条状铁素体之间分布有渗碳体形态：平行的条状铁素体之间分布有渗碳体vv性能特点：韧性较差性能特点：韧性较差性能特点：韧性较差性能特点：韧性较差vv下贝氏体下贝氏体vv温度：温度：温度：温度：450450450450 -Ms-Ms-Ms-Msvv形态：针状铁素体和针
40、状渗碳体的机械混合物形态：针状铁素体和针状渗碳体的机械混合物形态：针状铁素体和针状渗碳体的机械混合物形态：针状铁素体和针状渗碳体的机械混合物vv性能特点：强度和韧性都较好性能特点：强度和韧性都较好性能特点：强度和韧性都较好性能特点：强度和韧性都较好第61页/共83页焊缝金属的显微组织与性能焊缝金属的显微组织与性能vv马氏体马氏体vv板条马氏体板条马氏体vv低碳低合金钢低碳低合金钢低碳低合金钢低碳低合金钢vv奥氏体内部奥氏体内部奥氏体内部奥氏体内部vv细条状细条状细条状细条状vv综合性能指标在马氏体中最好综合性能指标在马氏体中最好综合性能指标在马氏体中最好综合性能指标在马氏体中最好vv片状马氏体
41、片状马氏体vv焊缝中含碳量大于焊缝中含碳量大于焊缝中含碳量大于焊缝中含碳量大于0.4%0.4%vv粗大，经常贯穿奥氏体晶粒内部粗大，经常贯穿奥氏体晶粒内部粗大，经常贯穿奥氏体晶粒内部粗大，经常贯穿奥氏体晶粒内部vv硬度高而脆硬度高而脆硬度高而脆硬度高而脆vvM-AM-A组元组元vv富碳马氏体和残余奥氏体富碳马氏体和残余奥氏体富碳马氏体和残余奥氏体富碳马氏体和残余奥氏体vv硬度高硬度高硬度高硬度高第62页/共83页焊缝金属的显微组织与性能焊缝金属的显微组织与性能焊缝金属连续冷却组织转变图焊缝金属连续冷却组织转变图第63页/共83页焊缝金属的显微组织与性能焊缝金属的显微组织与性能焊缝金属连续冷却组
42、织转变图焊缝金属连续冷却组织转变图合金元素和含氧量对焊接CCT图的影响不同含氧量的Si-Mn系焊缝金属CCT图第64页/共83页焊缝金属的显微组织与性能焊缝金属的显微组织与性能改善焊缝金属显微组织和性能的途径改善焊缝金属显微组织和性能的途径1 1、优化合金成分、优化合金成分1 1）严格限制有害的杂质元素：）严格限制有害的杂质元素：S S、P P、N N、O O和和H H；2 2）通过合金元素来提高焊缝韧性）通过合金元素来提高焊缝韧性促使高熔点第二相质点的析出，通过定扎作用阻止奥氏体晶粒促使高熔点第二相质点的析出，通过定扎作用阻止奥氏体晶粒促使高熔点第二相质点的析出，通过定扎作用阻止奥氏体晶粒促
43、使高熔点第二相质点的析出，通过定扎作用阻止奥氏体晶粒长大；长大；长大；长大；降低奥氏体分解温度，减少边界铁素体的形成；降低奥氏体分解温度，减少边界铁素体的形成；降低奥氏体分解温度，减少边界铁素体的形成；降低奥氏体分解温度，减少边界铁素体的形成；在奥氏体内形成铁素体形核核心，促使奥氏体在在奥氏体内形成铁素体形核核心，促使奥氏体在在奥氏体内形成铁素体形核核心，促使奥氏体在在奥氏体内形成铁素体形核核心，促使奥氏体在500-550500-550温度温度温度温度区间分解得到针状铁素体，防止在奥氏体晶界形成侧板条铁素区间分解得到针状铁素体，防止在奥氏体晶界形成侧板条铁素区间分解得到针状铁素体，防止在奥氏体
44、晶界形成侧板条铁素区间分解得到针状铁素体，防止在奥氏体晶界形成侧板条铁素体；体；体；体；防止防止防止防止M-AM-A组元的形成；组元的形成；组元的形成；组元的形成；防止或减少低温产物马氏体、上贝氏体的形成；防止或减少低温产物马氏体、上贝氏体的形成；防止或减少低温产物马氏体、上贝氏体的形成；防止或减少低温产物马氏体、上贝氏体的形成；第65页/共83页焊缝金属的显微组织与性能焊缝金属的显微组织与性能改善焊缝金属显维组织和性能的途径改善焊缝金属显维组织和性能的途径3 3）配置多种微量合金元素，）配置多种微量合金元素，则可能在大幅度地提高焊则可能在大幅度地提高焊缝金属的强度的同时提高缝金属的强度的同时
45、提高韧性和抗裂性韧性和抗裂性MnMn和和SiSi最为常用的强化焊缝的元最为常用的强化焊缝的元最为常用的强化焊缝的元最为常用的强化焊缝的元素素素素例如，对于低合金钢例如，对于低合金钢例如，对于低合金钢例如，对于低合金钢（C:0.10-0.13%C:0.10-0.13%）埋弧焊时，）埋弧焊时，）埋弧焊时，）埋弧焊时，MnMn、SiSi分别处于分别处于分别处于分别处于0.8-1.0%0.8-1.0%和和和和0.1-0.25%0.1-0.25%时，可以得到时，可以得到时，可以得到时，可以得到细晶铁素体和针状铁素体，细晶铁素体和针状铁素体，细晶铁素体和针状铁素体，细晶铁素体和针状铁素体，具有较好的韧性具
46、有较好的韧性具有较好的韧性具有较好的韧性Mn和Si对低合金钢焊缝韧性的影响第66页/共83页焊缝金属的显微组织与性能焊缝金属的显微组织与性能改善焊缝金属显维组织和性能的途径改善焊缝金属显维组织和性能的途径在Mn-Si系基础上复合添加Ti和BB B在高温下易向奥氏体晶界扩散，在晶界沉淀在高温下易向奥氏体晶界扩散，在晶界沉淀聚集而降低晶界扩散，使晶界奥氏体的稳定性聚集而降低晶界扩散，使晶界奥氏体的稳定性增大，抑制了增大，抑制了PFPF和和FSPFSP的形核与生长，从而使的形核与生长，从而使转变开始温度向低温方向移动。转变开始温度向低温方向移动。TiTi与氧的亲和力很大，焊缝中的与氧的亲和力很大，焊
47、缝中的TiTi以微小颗粒以微小颗粒可以作为可以作为“钉子钉子”位于晶粒边界，阻碍奥氏体位于晶粒边界，阻碍奥氏体晶粒的长大。晶粒的长大。第67页/共83页焊缝金属的显微组织与性能焊缝金属的显微组织与性能改善焊缝金属显维组织和性能的途径改善焊缝金属显维组织和性能的途径MoMo降低奥氏体分解温度，抑制边界铁素体形成，加入少降低奥氏体分解温度，抑制边界铁素体形成，加入少量的量的MoMo不仅可以提高强度，同时也能改善韧性。不仅可以提高强度，同时也能改善韧性。NbNb和和V V焊缝金属中可固溶，推迟奥氏体向铁素体的转变，能焊缝金属中可固溶，推迟奥氏体向铁素体的转变，能够抑制焊缝中现共析铁素体的产生，而激发
48、形成细小够抑制焊缝中现共析铁素体的产生，而激发形成细小的的AFAF组织。组织。稀土元素稀土元素:Y:Y，CeCe，TeTe，SeSe促进组织细化，提高韧性促进组织细化，提高韧性第68页/共83页焊缝金属的显微组织与性能焊缝金属的显微组织与性能改善焊缝金属显微组织和性能的途径改善焊缝金属显微组织和性能的途径2 2、焊接工艺参数、焊接工艺参数1 1）焊接热输入）焊接热输入过大的热输入使结晶时产生粗大的柱状晶，同时，由于降低了过大的热输入使结晶时产生粗大的柱状晶，同时，由于降低了过大的热输入使结晶时产生粗大的柱状晶，同时，由于降低了过大的热输入使结晶时产生粗大的柱状晶，同时，由于降低了冷却速度，可能
49、得到较多的边界铁素体；冷却速度，可能得到较多的边界铁素体；冷却速度，可能得到较多的边界铁素体；冷却速度，可能得到较多的边界铁素体；过小的热输入，则在较高合金成分焊缝形成马氏体，也会使焊过小的热输入，则在较高合金成分焊缝形成马氏体，也会使焊过小的热输入，则在较高合金成分焊缝形成马氏体，也会使焊过小的热输入，则在较高合金成分焊缝形成马氏体，也会使焊缝韧性下降。缝韧性下降。缝韧性下降。缝韧性下降。2 2）多层焊）多层焊3 3）焊后热处理）焊后热处理第69页/共83页3.1焊接热影响区组织转变及其性能变化焊接热影响区组织转变及其性能变化vv焊接热影响区的形成vv焊接过程中，在形成焊接过程中，在形成焊缝
50、的同时，不可避焊缝的同时，不可避免地使其附近的母材免地使其附近的母材经受了一次特殊的热经受了一次特殊的热处理，形成组织和性处理，形成组织和性能及不均匀的热影响能及不均匀的热影响区。区。vv热影响区一些部位的热影响区一些部位的组织和性能很差，成组织和性能很差，成为整个接头的薄弱地为整个接头的薄弱地带。带。第70页/共83页vv影响焊接热影响区组影响焊接热影响区组织和性能的因素织和性能的因素vv被焊金属与合金系统被焊金属与合金系统的特点的特点vv有相变材料有相变材料有相变材料有相变材料vv无相变材料无相变材料无相变材料无相变材料vv焊前母材的原始状态焊前母材的原始状态vv冷作硬化状态冷作硬化状态冷