材料成型理论基础(焊接)-9.ppt

第三章第三章 焊接质量控制焊接质量控制各种焊接缺陷严重危害焊接接头的使用性能，常见的焊接缺陷包括：理想的焊接接头应该是与母材无任何差异成分、组织、性能，这样的焊接接头实际上永远也不可实现；能做到的只是最大限度地满足焊接接头的设计使用要求v气孔，夹杂，偏析，结晶裂纹等焊缝；v液化裂纹、再热裂纹、冷裂纹等热影响区；v焊接变形、剩余应力等焊接结构13.1 焊缝组织与缺陷焊缝组织与缺陷运动状态体积小、冷却速度大比普通钢锭的冷却速度大10000倍熔池边缘到中心温度梯度高过热焊接熔池经历高温热过程，合金元素烧损比较严重熔池随焊接热源移动；熔池中液体金属在各种力的作用下处于流动状态n焊接熔池结晶的特点23一、焊接熔池结晶的一般规律1 形核熔合线母材晶粒提供了晶核，实质为母材晶粒的外延生长，焊缝与母材形成共同晶粒42 晶核长大晶核长大的快慢受两个因素制约：晶体学各向异性晶体学各向异性和温度梯度，和温度梯度，焊缝晶粒的形态是选择长大的结果53 熔池的结晶形态根据凝固理论，晶体的结晶形态取决于固液界面前沿液相中的过冷度，即液体金属的实际温度低于其液相线温度的量纯金属的液相温度为常数，过冷度只取决于温度梯度。

平面晶树枝晶6固溶体的液相线与溶质含量有关，过冷度包括温度过冷和成分过冷平面晶树枝晶胞状晶7焊缝的结晶形态取决于被焊材料的性质和焊接工艺在焊接参数中焊速是影响结晶形态的主要因素柱状晶兴旺是焊缝一次组织的显著特征8二、焊缝结晶组织缺陷二、焊缝结晶组织缺陷主要是由于液体金属吸收过量的气体氮、氢和氧等，在结晶过程中，气体的溶解度发生突变，在固液界面前沿液相中析出气泡，假设气泡不能及时从液体金属中浮出，即成为气孔形式保存在焊缝中1 焊缝气孔92 焊缝夹杂主要是由于液体金属吸收过量的能与金属形成稳定化合物的元素焊接钢铁材料时如氧、氮、硫和磷等，在熔池尾部液体金属结晶过程中，在固液界面前沿液相中富集这些元素，浓度到达一定时促进化合反响，生成金属氧化物、金属氮化物或硫化物、磷化物等，假设生成物不能及时从液体金属中浮出进入熔渣，即残留在焊缝金属中成为夹杂103 焊缝成分偏析成分偏析即成分不均匀性根据合金相图，固溶体合金在凝固过程中固液相界面两侧的成分是不相同的焊缝边缘先结晶，溶质含量少，焊缝中心溶质多区域偏析区域偏析11焊缝中的溶质分布出现分层现象层状偏析层状偏析结晶过程释放潜热以及熔滴过渡的周期性，熔池结晶呈现周期性快慢交替。

层状偏析层中往往富集有害元素，并可能形成层状分布的气孔12填充材料与母材的成分相差较大时，焊缝的边缘熔合线附近成分存在很大波动即使是不填充焊接方法，其熔合线处溶质浓度也发生跳跃式波动13a)分析位置， b)Ni元素分布 TiNi合金激光焊接接头的电子探针微区分析14焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的收缩，剩余液体金属缺乏，不能及时填充，在应力作用下发生的沿晶开裂4 结晶裂纹15结晶裂纹成因结晶裂纹成因液体金属凝固分为多液、液膜和液滴阶段液膜阶段是结晶裂纹敏感温度区间16影响因素与防治措施冶金因素a)合金相图类型和结晶温度区间b)一次结晶组织及其形态17工艺因素a)焊接线能量b)焊缝位置与施焊顺序18三、一次结晶组织的改善三、一次结晶组织的改善焊缝的一次结晶组织对性能有明显的影响一般来讲，粗大的柱状晶不但形成热裂纹，而且降低焊缝金属的韧性和强度改善一次结晶组织的方法有两大类：v变质处理；v振动结晶；低频机械振动；超声振动；电磁振动等19稀土元素对NiTi合金激光焊接焊缝组织的影响20距焊缝不同距离的各点所经历的焊接热循环不同，热影响区的组织和性能是不均匀的焊接时在热源作用下，焊缝两侧发生组织和性能变化的区域，称为热影响区或近缝区。

3.2 焊接热影响区组织与缺陷焊接热影响区组织与缺陷一、热影响区的组织与性能焊接热影响区的组织分布特征与母材的材质、焊前状态有关1 热影响区的组织分布特点21焊接热影响区的分布特征1熔合区；2过热区；3正火区；4不完全重结晶区；5母材；6淬火区；7局部淬火区；8回火区22钢铁材料焊接接头的组织分布232 热影响区的性能分布特点通常为了方便，常用硬度测试表征热影响区的性能，借此预测热影响区的韧性、脆性和抗裂性等右图为相当于20Mn钢单道焊时热影响区的硬度分布在熔合线附近硬度最高，距熔合线越远，硬度逐渐接近母材F熔合线是整个焊接接头出现问题较多的地方硬度24时效强化铝合金热影响区的软化时效强化铝合金热影响区的软化A淬火+低温回火B淬火+高温回火C退火25采用焊接热模拟可以制备焊接热影响区各部位的试样进行力学性能试验强度的演化规律与硬度的相似，在熔合区出现最大值；热循环温度越高，塑性越差强度与塑性26模拟冷却速度对熔合区力学性能的影响随冷却速度增加大，强度和硬度升高，而塑性和韧性降低273 SH-CCT图模拟焊接热条件下的连续冷却组织转变图28二、热影响区的裂纹二、热影响区的裂纹1 液化裂纹在焊接过程中，熔合区母材局部发生熔化，在拉伸应力作用下开裂。

液化裂纹是一种沿晶界开裂的微裂纹，常常成为冷裂纹、脆性破坏和疲劳断裂的发源地29严重时，液化裂纹从熔合线贯穿整个粗晶区30晶界迁移席卷溶质尤其是杂质元素，粗晶区的晶界熔点低于合金的平均熔点312 冷裂纹冷裂纹是焊后冷至较低的温度下发生的开裂对于低合金高强钢，大约在钢的马氏体转变温度Ms附近，由于拘束应力、淬硬组织和氢的共同作用下产生的氢32焊接应力在焊接条件下主要存在三种应力：不均匀加热及冷却过程中所产生的热应力；金属相变时产生的组织应力；结构自身拘束条件下所造成的应力焊接热循环过程中熔合区的应力演变33氢致裂纹的扩展过程热影响区淬硬组织在焊接应力作用下，会在裂纹敏感的部位形成有应力集中的三向应力区；氢自发向这个地区扩散，使应力进一步随之提高，当此部位氢的浓度到达临界值时，就会发生启裂和相应扩展；裂纹尖端形成新的三向应力区，重复上述两步骤，微裂纹逐渐长大，最后开展成宏观裂纹34冷裂纹的判据：冷裂纹的判据：碳当量t8/5crHmaxcrcr冷裂纹敏感指数T0 = 1440Pc39235冷裂纹的预防措施：冷裂纹的预防措施：选用焊接性良好母材；低氢焊接材料；低匹配焊接接头冶金措施冶金措施焊接顺序；焊接线能量；预热；紧急后热；多层焊。

工艺措施工艺措施36。