焊接接头性能控制.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,模块二,子项目任务,知识技能训练内容,教学组织形,学时分配,熔池金属的,凝固与固态,相变控制,案例分析,分组讨论,0.5,焊缝金属一次组织控制,认识训练,1,焊缝金属二次组织控制,实训,2,焊缝金属的合金化,实训,2,经验交流,讨论,0.5,焊接熔合区,质量分析,案例分析,分组讨论,0.5,熔合区的形成与观察,认识训练,1,熔合区力学性能检测与分析,认识训练,1,经验交流,讨论,0.5,焊接热影响区 组织及力学性,能控制,案例分析,分组讨论,0.5,焊接热影响区组织变化,及特点分析,认识训练,1,焊接热影响区组织,及力学性能控制,实训,2,经验交流,讨论,0.5,焊接接头组织与性能控制,学习情境二,焊接接头组织与性能控制,焊接接头：,焊缝,+,熔合区,+,热影响区,知识能力模块二,焊接接头,焊缝,热影响区,熔合区,熔池的凝固与焊缝金属的固态相变,随着温度的下降，熔池金属开始了从,液态,到,固态,转变的凝固过程，并在继续冷却中发生固态相变,.,熔池的凝固与焊缝的固态相变决定了焊缝金属的结晶结构、组织与性能,。,在焊接热源的特殊作用下，大的冷却速度还会使焊缝的化学成分与组织出现不均匀的现象，并有可能产生,焊接缺陷,。,一、熔池的凝固,1,、熔池凝固的条件和特点,(1),焊接熔池体积小 质量不超过,100g,(2),焊接熔池的温度极不均匀 中心,2300,(3),熔池在运动状态下凝固,(4),焊接熔池凝固以熔化母材为基础,2,、熔池的凝固过程,熔池凝固从边界开始，在母材半熔化晶粒的基础上，沿着散热的反方向以柱状晶的形式向前推进，焊缝金属的晶粒实际是母材半熔化晶粒的延伸，二者之间不存在晶界面。,二、焊缝金属的化学不均匀性,1,、显微偏析,显微偏析的不均匀程度可用偏析度,K,e,表示,则,X,界,-X,轴,X,0,式中,x,0,合金中组分,x,在液相中的平均含量,;,x,轴,合金中最先凝固的晶轴上组分,x,的含量,;,x,界,晶界部位组分,x,的含量,.,K,e,值越大,表明偏析越严重硫、磷和碳是最易偏析的元素,.,2,、区域偏析,在焊缝凝固中，柱状晶前沿向前推进的同时,把低熔点物质排挤到焊缝中心,，,使焊缝中心杂质的浓度明显增大，造成整个焊缝横截面范围内形成明显的成分不均匀性，即区域偏析。,3,、层状偏析,这些分层是成分作,周期变化,的表现,.,因溶质浓度不同的区域，对浸蚀剂的反应不同，浸蚀后的颜色就不一样，溶质浓度最高的区域颜色最深，溶质为平均浓度的区域颜色较浅，较宽的浅淡色区则为溶质贫化区，这种偏析称为层状偏析,。,三、焊缝金属的固态相变,熔池凝固后得到的组织通常叫做,一次组织,，,对大多数钢来说是,高温奥氏体,.,高温奥氏体还要发生固态相变,又称为二次结晶，得到的组织称为,二次组织,。焊缝经过固态相变得到的二次组织即为室温组织。,1,、低碳钢焊缝的固态相变,铁素体,+,少量的珠光体,低碳钢焊缝中铁素体与珠光体的比例随冷却速度而变化。冷速越高，珠光体比例越大，与此同时,，组织细化，硬度上升。,2,、低合金钢焊缝的固态相变,固态相变除铁素体与珠光体转变外,还可能出现,贝氏体与马氏体转变,。,冷却速度,/,s,-1,焊缝组织的体积分数,(%),焊缝硬度,HV,铁素体 珠光体,1,5,10,35,50,110,82,79,65,61,40,38,18,21,35,39,60,62,165,167,185,195,205,228,组织分布,四、焊接一次组织与性能的改善,1,、焊缝金属的变质处理,焊接时通过焊接材料,(,焊条、焊丝或焊剂,),在金属熔池中加入少量合金元素，这些元素一部分固溶于基体组织,(,如铁素体,),中起固溶强化作用；另一部分则以难熔质点,(,大多为碳化物或氮化物,),的形式成为结晶核心，增加晶核数量使晶粒细化，从而较大幅度地提高焊缝金属的强度和韧性,.,目前常用的元素有,Mo,、,V,、,Ti,、,Nb,、,B,、,Zr,、,Al,及稀土元素。,2,、振动结晶,振动结晶是通过不同途经使熔池产生一定频率的振动，打乱柱状晶的方向并对熔池产生强烈的搅拌作用，从而使晶粒细化并促使气体排出，常用的振动方法有,机械振动、超声振动,和,电磁振动,等。,3,、锤击坡口或焊道表面,锤击坡口表面或多层焊层间金属使表面晶粒破碎，熔池以被打碎的晶粒为基面形核、长大，而获得较细晶粒的焊缝。此外，逐层锤击焊缝表面,还可以起到减小残余应力的作用。,4,、调整焊接工艺,实践证明,当功率,P,不变时,增大焊速,v,可使焊缝晶粒细化,;,而当线能量,E,不变而同时提高,P,和,v,也可使焊缝晶粒细化,.,此外,为了减少熔池过热,在埋弧焊时可向熔池中送进附加的冷焊丝,或在坡口面预置碎焊丝。,5,、焊后热处理,要求严格的焊接结构，焊后需进行热处理。按热处理规范不同，焊后热处理可分别起到改善组织、性能、消除残余应力或排除扩散氢的作用。焊后进行,正火,(,或正火,+,回火,),和,淬火,+,回火,，,可以改善焊缝的组织与性能。具体的选用应根据母材的成分、焊接材料、产品的技术条件及焊接方法而定。有些产品,(,如大型或在工地上装焊的结构,),进行整体热处理有困难，也可采用,局部热处理。,燃煤退火炉,6,、多层焊,根据多层焊热循环的特点可知，通过,调整焊层数,n,可以在较大范围内调整焊接参数，从而比单道焊调解焊接参数时细化晶粒的作用更为明显。同时多层焊逐层焊道间的后热作用可以改善焊缝的二次组织。,7,、跟踪回火,跟踪回火就是在焊完每道焊缝后用气焊火焰在焊缝表面跟踪加热。加热温度为,9001000,，可对焊缝表层下,310mm,深度范围内不同深度的金属起到不同的热处理。,焊 缝,原理正确否？,焊接行走方向,焊接熔合区,显微镜观测,显微镜观测,显微镜观测,裂纹,焊接熔合区最突出的特征是,具有明显的化学和物理,不均匀性,导致该区域组织结构发生突变。熔合区化学,成分和组织结构的变化不可避免的会造成晶格中的各,种微观缺陷,(,如空位、位错等,),，使熔合区成为整个焊,接接头区中最簿弱的部位。实践证明,高强钢焊接结构,的破坏起源大多是发生在焊接熔合区处。,熔合区的宽度,低碳钢或低合金钢,在电弧焊条件下，,G,在,30080/cm,之间，,t,L,-,t,s,约为,40,，其熔合区宽度：,奥氏体不锈钢,的熔合区宽度约为,0.060.12cm,。,焊接热影响区,在焊接或切割过程中,材料因受热的影响,(,但,未熔化,),而,发生金相组织和力学性能变化,的区域叫做热影响区。,焊缝,热影响区,熔合区,一、焊接热影响区组织变化的特点,1,、焊接热影响区热循环的特点,(1),加热温度高,(2),加热速度快,(3),高温停留时间短,(4),各点的温度随时间与位置而变化,(5),自然条件下的连续冷却,温度可达,1400,左右,10100s,2,、焊接加热时的热影响区的组织转变特点,(1),使相变温度升高,(2),影响奥氏体均质化程度,转变温度因相变的”滞后”而高于上述理论值。加热,速度越高，相变的”滞后”越严重,焊接的快速加热不利于元素扩散,使得已形成的奥,氏体来不及均匀化，加热速度越高,高温停留的时间,越短，不均匀的程度就越严重。这种不均匀的高温,组织，将影响冷却过程的组织转变。,3,、焊接冷却时热影响区的组织转变特点,焊接加热时，热影响区的组织转变特点对冷却时的转变有明显的影响，也就是说，即使是同一材料，在焊接或热处理条件下，尽管冷却速度相同，但因高温组织不完全相同，冷却后的室温组织并不一样。另外，具体的影响还与钢的成分有关。,二、焊接热影响区的组织,焊接接头加热时各部位组织转变的情况依,t,max,而定，如,t,max,达到,Ac,1,的部位开始发生,相变,达到,Ac,3,的部位转变终了；峰值温度达到,Ac,3,+300,(,t,ks,),，则晶粒急剧长大等。可见影响区的组织变化,取决于,t,max,.,因此按照,t,max,之不同将热影响区划分为,以下几个区。,1-,熔合区；,2-,过热区；,3-,相变重结晶区；,4-,不完全重结晶区；,5-,母材；,6-,完全淬火区,；,7-,不完全淬火区,；,8-,回火软化区,焊接热影响区的组织分布特征,不易,淬火钢,易淬,火钢,（,1,）,过热区,：紧靠熔合区,加热温度,：,1100,1490,（,1100,固相线）,组织,：粗大的过热组织。,特点：,宽度为,1,3mm,，塑性和韧性下降。焊,接刚度大的结构时，该区易产生裂纹。,（,2,）,正火区,：紧靠着过热区,加热温度,：,850,1100,（,AC3,至,1100,）,组织,：均匀细小的铁素体和珠光体组织（近似,于正火组织）,特点,：宽度约,1.2,4.0mm,，力学性能优于母材。,（,3,）,部分相变区,加热温度,：,AC1,AC3,之间,组织,：,F+P,（,F,粗、细不均）,相变的,F,，变细小；未相变的,F,，变粗大,特点,：部分组织发生相变，晶粒不均匀，力学,性能稍差,16Mn,钢,焊接热 影响区,焊缝金属,母材,熔合区,过热 区,不完全重结晶区,1).,热影响区中熔合区,过热区,晶粒严重长大,是焊接接头的薄弱地带,。,2).,低碳钢的不完全重结晶区,在急冷急热的条件下,会表现出,高碳钢,的行为,。,3).,成分,偏析严重,C.P.S,高时易产生淬硬组织、裂纹。,注 意,三、焊接热影响区的性能,1,、焊接热影响区的硬度分布,热影响区的最高硬度值可以通过实测确定，也可根据母材,的化学成分估算,.,最常用的办法是利用碳当量公式，即将钢中,各种元素的作用折合成碳的作用，相加而得到其碳当量,.,碳当,量的计算公式。,适用于强度级别较高的低合金高强度钢,(,b,=400700MPa),掌握一个钢种焊接热影响区最高硬度的大小，对于预测其接,头的力学性能及开裂的倾向有重要意义。,CE,越小，焊接性越好。,当,CE,0.25,时，接 性优良；,当,CE,0.25%,0.4%,时，焊接性良好；,CE,0.4,0.6,时，焊接性尚可；,当,CE,0.6,时，焊接性差。,焊接热影响区的软化,经冷作强化的金属,经热处理强化的金属,再结晶软化,过时效软化,焊接热循环作用,焊接母材性能变化,这种现象主要出现在焊前经过,淬火,+,回火,的钢中,.,软化,部位在回火区,(,加热温度为,T,回,Ac1,的部位,),。,母材焊前是,退火状态,，不存在软化现象。,为什么？,随着线能量的增加，强度下降,热影响区时效脆化,(1),粗晶脆化,粗晶脆化是由于晶粒严重粗化造成的，,晶粒尺寸越大，,tcr,值越高，脆化越严重。,(2),热应变时效脆化,热应变时效脆化多发生在低碳,钢和碳锰低合金钢的亚热影响区,(,加热温度低于,Ac3,的部位,),这种脆化，主要是由制造过程中各种加工,(,如下料、,剪切、弯曲、气割等,),或焊接热应力所引起的局部,塑性性应变与焊接热循环的作用叠加而造成的。,1,、焊接热影响区的硬化,HAZ,的硬度 高低取决于,母材的淬硬倾向,（内因）,HAZ,的冷却速度,（外因）,化学成分,焊接规范,焊接热影响区的,最高硬度,H,max,：,H,max,（,HV10,）,=140+1089,P,cm,-8.2,t,8,/5,粗晶脆化,在热循环的作用下，熔合线附近和过热区将发生晶粒粗化。粗化程度受钢种的,化学成分、组织状态、加热温度和时间,的影响。如：钢中含有碳、氮化物形成元素，就会阻碍晶界迁移，防止晶粒长大。例如,18CrWV,钢，晶粒显著长大温度可达,1140,之高，而不含碳化物元素的,23Mn,和,45,号钢，超过,1000,晶粒就显著长大,。,晶粒粗大严重影响组织的脆性，尤其是低温脆性。一般来讲，晶粒越粗，则脆性转变温度越高。,晶粒直径,d,对脆性转变温度,VT,rs,的影响,组织转变脆化,焊接,HAZ,中,由于出现脆硬组织而产生的脆化称之组织脆化,。,对于常用的低碳低合金高强钢，焊接,HAZ,的组织脆化主要是,M-A,组元、上贝氏体、粗大的魏氏组织等所造成。但对含碳量较高的钢（一般,0.2,），则组织脆化主要是高碳马氏体。,析出脆化,由于焊接过程的快速加热与冷却，其热影响区组织处于非平衡态。在时效或回火过程,中，,其过饱和固溶体中将析出碳化物、氮化物、金属间化合物及其它亚稳定的中间相等，使材料的强度、硬度和脆性提高，这种现象称为析出脆化。,热应变时效脆化,在制造过程中要对焊接结构进行一系列冷、热加工，如下料、剪切、弯曲成型、气割等。若加工引起的局部应变、塑性变形的部位在随后又经历焊接热循环作用（处于,HAZ,内）便会引起材料脆化，称为热应变时效脆化。,冷成形 静应变时效脆化,热成形 动应变时效脆化（,特别是在,200,400,的预应变,）,HAZ,焊缝,封头,16Mn,钢,焊接接头力学性能分布,焊接热影响区的性能控制,控制焊接工艺过程,改善母材的焊接性能,针对不同母材焊接热影响区的性能变化分析，合理制定焊接工艺 ，包括：,选择焊接线能量,预热与缓冷,焊后热处理（正火、调质、去应力退火）,控制焊接,热循环,控制,HAZ,组织,采用低碳微合金化钢：利用微量元素弥散强化、固溶强化，提高材料的热稳定性（控制析出相的尺寸及母材晶粒尺寸）。,采用控轧工艺 得到细晶粒钢。,近年来在国际上大力发展了冶金精炼技术，使钢中的杂质含量极低,(O,、,N,、,H,、,S,、,P,等杂质元素总和小于,50PPM),，得到高纯净钢，使钢材的韧性大为提高，也提高了焊接热影响区的韧性。,低碳调质钢焊条电弧焊完全淬火区组织,400,a),过热区,(,粗大马氏体,)b),细晶区,(,细小马氏体,),X60,管线钢,HAZ,在不同冷速下组织,思考题,1,、焊接热循环对被焊金属近缝区的组织、性能有何影响？,2,、低合金钢焊接时，,HAZ,粗晶区奥氏体的均质化程度对冷却时相变有何影响？,3,、探讨低合金钢焊接,HAZ,受应力应变时对相变的影响,4,、焊接条件下组织转变与热处理条件下组织转变有何不同？,5,、建立低合金钢,HAZ,最大硬度计算公式有,何,意义？,6,、何谓,HAZ,的热应变时脆性？在焊接工艺上如何防止？,7.,如何提高焊接,HAZ,的韧化？在焊接工艺上如何防止？,8.,何谓“组织遗传”？受哪些因素影响？如何改善？,9.,中碳调质钢焊接,HAZ,软化的机制？应如何改善和控制？,本章结束,谢谢观看,