焊接冶金学及金属材料焊接-教案-模块二.pdf

1 授课题授课题目：目：模块二模块二 焊缝组织与性能的控制焊缝组织与性能的控制 授课方式（请打）理论课 讨论课 实验课 习题课 其他 课时 安排 教学大纲要求：焊接残余变形的种类和产生原因、减小和矫正焊接残余应力的方法。教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：1、了解熔池凝固的规律及焊缝化学成分不均匀的原因。2、掌握焊缝成分和性能控制的措施。教学重点及难点：重点：焊缝金属组织的调整及改善。难点：焊缝中的化学不均匀性。教 学内 容 备注 课题一课题一 熔池的凝固熔池的凝固 一熔池凝固的特点和规律一熔池凝固的特点和规律（一）熔池结晶的特点（1）熔池的体积小，冷却速度大 一般情况下焊缝中没有等轴晶，只有在焊缝断面的上部有少量的等轴晶（电渣焊除外）。（2）熔池中的液态金属处于过热状态 由于液态金属的过热程度较大，合金元素的烧损比较严重，使熔池中非自发晶核的质点大为减少，这也是促使焊缝中柱状晶得到发展的原因之一。（二）熔池结晶的一般规律 1、熔池中晶核的形成 2、熔池中的晶核长大 二熔池结晶的形态二熔池结晶的形态（一）纯金属的结晶形态 1、正温度梯度（G0）2、负温度梯度（G0）（二）固溶体合金的结晶形态 下面仅按成分过冷的程度不同对结晶形态的影响进行讨论。（三）成分过冷对结晶形态的影响 1、平面结晶 2、胞状结晶 3、胞状树枝结晶 4、树枝状结晶 5、等轴结晶 （四）焊接条件下的熔池结晶形态 实践证明，熔池中成分过冷的分布，在焊缝的不同部位是不同的，因此将会出现不同的结晶形态。在焊缝的熔化边界，由于温度梯度（G）较大，结晶速度（R）又较小，故成分过冷接近于零，所以平面晶得到发展。随着远离熔化边界向焊缝中心过渡时，温度梯度（G）逐渐变小，而结晶速度逐渐增大，所以结晶形态将由平面晶向胞状晶、树枝胞状晶（柱状晶区），一直到等轴晶发展。图 2-12 示意的表示了结晶形态的变化过程。在对焊缝 2 凝固组织的金相观察中，证实了上述结晶形态变化的趋势。1、焊接速度的影响 低速焊接时，在熔合线附近出现胞状树枝晶，在焊缝中心出现较细的胞状树枝晶。当焊接速度增大，熔池中心的温度梯度下降很多，使熔池中心的成分过冷加大，因此快速焊接时，在焊缝中心往往出现大量的等轴晶；2、焊接电流的影响 当焊接速度一定，焊接电流较小（150A）时，焊缝得到胞状组织；增加电流到 300A时，得到胞状树枝晶；电流继续增大到 450A 时，出现更粗大的胞状树枝晶。三焊缝金属的化学成分不均匀性三焊缝金属的化学成分不均匀性（一）焊缝中的化学不均匀性 1、显微偏析 2、区域偏析 当焊接速度较大时，成长的柱状晶最后都会在焊缝中心附近相遇（见图 2-15）。使溶质和杂质都聚集在那里，凝固后在焊缝中心附近出现区域偏析。一般来说，杂质含量越高的区域，熔点越低。在结晶后期，在应力作用下，容易产生焊缝纵向热裂纹。除了焊接速度较大，使结晶方向接近于垂直焊缝，易产生焊缝中心纵向裂纹外，存在下列情况，也会增加焊缝中心纵向热裂纹的产生倾向：1）焊缝中某些合金（一般是和铁可以形成共晶的元素）含量较高；2）焊接接头深而窄；3）焊缝中 S 杂质含量较高。3、层状偏析 试验证明，层状偏析常集中一些有害的元素（碳、硫、磷等），因而缺陷也往往出现在偏析层中。由层状偏析所造成的气孔见图 2-17。层状偏析也会使焊缝的力学性能不均匀。抗腐性能下降，以及断裂韧性降低等。（二）熔合区的化学不均匀性 1、熔合区的形成 母材与焊缝交界的地方并不是一条线，而是一个区，即所谓熔合区。2、熔合区宽度 一般电弧焊的条件下，熔合区宽度=0.1330.15mm 对于奥氏体钢的电弧焊时，熔合区宽度=0.060.12mm 3、熔合区的成分分布 见图 2-19 课题二课题二 焊缝组织与性能控制焊缝组织与性能控制 一焊缝金属的固态相变一焊缝金属的固态相变 下面重点介绍低碳钢与低合金焊缝的固态相变形式与组织。（一）低碳钢焊缝的固态相变 1、低碳钢固态相变 低碳钢焊缝冷速对组织和硬度的影响见表 2-2 2、低合金钢焊缝的固态相变（1）铁素体转变 1）先共析铁素体（Proeutectoid Ferrite 简称 PF）2）侧板条铁素体（Ferrite Side Plate 简称 FSP）3）针状铁素体（Acicular Ferrite 简称 AF）4）细晶铁素体(Fine Grain Ferrite 简称 FGF)应当说明，焊接条件下影响组织转变的因素很多，往往是多种组织同时存在，有时可能得到珠光体、贝氏体，甚至马氏体。上述四种形态的铁素体也不是低合金钢焊缝所独有，即使低碳钢焊缝也会有，只是比例不同而已。（2）珠光体转变 只有在冷却速度很低的情况下，才能得到少量的珠光体。重点讲解固态相变规律 3（3）贝氏体转变 （4）马氏体转变 1）板条马氏体 2）片状马氏体 低合金钢焊缝中可能出现的组织形态见表 2-3 二焊缝金属组织与性能的改善二焊缝金属组织与性能的改善（一）焊缝金属的固溶强化和变质处理 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某些合金元素，使结晶过程发生明显变化，从而使晶粒细化的方法叫做变质处理。目前变质处理常用的元素有o、V、Ti、Nb、Zr、Al 及稀土元素。这些元素的效果已为大量实践所证实，并在生产中获得广泛应用。现已研制出一系列的含有微量元素的焊接材料。1、Mn 和 Si 对焊缝性能的影响 Mn-Si 含量对焊缝金属显微组织及韧性的影响见表 2-4 2、铌（Nb）和钒（V）对焊缝性能的影响 3、钛（Ti）、硼（B）对焊缝韧性的影响 （讨论影响原因）4、钼（Mo）对焊缝韧性的影响 5、稀土元素对焊缝金属性能的影响（介绍稀土一般知识）6、碲（Te）在焊缝中的作用 7、焊缝硬度与针状铁素体韧化作用的关系 试验表明，低合金钢焊缝在一定硬度范围内（175225HV），针状铁素体的比例增加，才有利于提高焊缝的韧性，而硬度低于或高于这一范围，反而会降低韧性。应当说明，焊缝的固溶强化和变质处理，强韧化的机理是不同的。有的合金元素主要起到固溶强化（如 Mn、Si 等），有的主要起到变质处理作用（如 Ti、B、Zr、稀土等），而有的合金元素兼有以上两种作用（如 V、Nb、Mo 等）。（二）调整焊接工艺改善焊缝性能 1、调整焊接工艺参数 2、振动结晶 3、焊后热处理 4、多层焊 5、跟踪回火 6、锤击坡口或焊道表面 重点讲解各种元素对焊缝性能的影响机理 要求学生理解和掌握调整焊接工艺对焊缝性能改善的机理和方法