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3.2.1 焊接热影响区的组织转变特点
表3-3 加热速度对相变温度A和A的影响
钢材牌号
相变温度/ ℃
加热速度/(℃/s)
平衡状态 730 770 40 740 780 40 735 6～8 770 820 50 735 775 40 750 40～50 775 835 60 750 800 50 770 250～300 790 860 70 770 850 80 785 1400～170 0 840 950 110 840 940 100 830
较小的成分过冷区，如图3-7a所示。
图3-7 胞状结晶形态 a) 成分过冷条件 b) 形成机理示意图 c) 胞状晶微观照片
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3.1.2 焊接熔池的结晶形态
(3) 胞状树枝结晶 随固-液界面前方液相中的温度梯度G的
减小，液相温度曲线T与结晶温度曲线TL相交的距离x增大，
所形成的成分过冷区增大，如图3-8a所示。
第3章 焊接接头的组织和性能
3.1 焊接熔池和焊缝 3.2 焊接热影响区
3.3 熔合区
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3.1 焊接熔池和焊缝
焊接熔池是指由熔化的局部母材和填加 材料所组成的具有一定几何形状的液态 区域，而焊缝是指熔池凝固后所形成的 固态区域。因此，焊接熔池和焊缝之间 存在着内在的、必然的联系。也就是说， 焊缝金属的组织和性能不仅取决于焊缝 的相变行为，而且受到焊接熔池结晶行 为的直接影响。
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固态相变后的组织主要由铁素体和少量的珠光体组成。
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3.1.3 焊缝的相变组织
表3-2 冷却速度对低碳钢焊缝组织和硬度的影响
冷却速度/(℃/s)
焊缝组织的体积分数(%)
铁素体 珠光体 18 21 35 39 60
焊缝硬度 HV
1 5 10 35 50
82 79 65 61 40
165 167 185 195 205
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3.1.4 焊缝组织和性能的控制
2) 锤击处理。 (3) 焊后热处理
1) 跟踪热处理。
2) 整体或局部热处理。
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3.2 焊接热影响区
焊接热影响区是焊接接头的重要组成部 分，是焊缝两侧未经过熔化但组织和性 能发生变化的区域。由于焊接热影响区 不同部位所受热作用的不一致性，造成 其内部组织和性能的分布极不均匀，以 致可能使其成为焊接接头的最薄弱环节。 因此，研究热影响区在焊接热循环作用 下组织和性能的变化规律，对于解决焊 接问题、提高焊接质量具有十分重要的 意义。
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3.2.1 焊接热影响区的组织转变特点
1.焊接加热过程的组织转变特点 (1) 组织转变向高温推移 由于焊接加热速度快，导致钢铁 奥氏体均
材料的相变温度Ac1和Ac3升高。
(2) 奥氏体均质化程度降低、部分晶粒严重长大 质化过程也是扩散过程，由于焊接加热速度快，高温停留 时间短，不利于扩散过程的进行，因而使奥氏体均质化程 度降低。
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3.1.1 焊接熔池的结晶特点
(2) 成长速度和方向的变化
由式(3-2)可以看出，在焊接速
度v一定的条件下，晶粒成长速度R仅取决于结晶等温面法 线方向与焊接方向的夹角α或晶粒成长方向与焊接方向的夹 角
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3.1.1 焊接熔池的结晶特点
图3-2
晶粒成长速度与焊接速度的关系
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3.1.2 焊接熔池的结晶形态
2.焊缝中的结晶组织 (1) 结晶组织的分布 在焊接熔池中，不同部位具有不同的
温度梯度G和结晶速度R，因而具有不同的成分过冷，出现
不同的结晶形态，从而在焊缝中形成分布不同的结晶组织， 如图3-12所示。 (2) 焊接条件对结晶组织的影响 如前所述，对结晶组织起 控制作用的成分过冷主要受到熔池金属中溶质含量W、熔池 结晶速度R和液相温度梯度G的影响。
3) 针状铁素体AF。
4) 细晶铁素体FGF。 (2) 珠光体P 珠光体是铁素体和渗碳体的层状混合物，是 低合金钢在接近平衡状态下(如热处理时的连续冷却过程)， 在Ac1～550℃温区内发生扩散相变的产物。
图3-17
含有不同珠光体的低合金钢焊缝组织 a) b) c)
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3.1.3 焊缝的相变组织
线TL相交，因而液相中不存在成分过冷区，如图3-6a所示。
图3-6 平面结晶形态 a) 成分过冷条件 b) 形成机理示意图 c) 平面晶微观照片
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3.1.2 焊接熔池的结晶形态
(2) 胞状结晶 当固-液界面前方液相中的温度梯度G较大时，
液相温度曲线T与结晶温度曲线TL在短距离x内相交，形成
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3.1.1 焊接熔池的结晶特点
1.非平衡的动态结晶 (1) 熔池体积小、冷却速度大 焊接熔池体积小，其周围被
体积很大的母材金属所包围，熔池界面导热条件很好，故
熔池冷却速度很快，其平均值可达到100℃/s，约为铸造时 的104倍。 (2) 熔池过热、温度梯度大 焊接熔池中的液态金属处于过 热状态，如低碳钢的焊接熔池平均温度可达到1870℃，远 高于铸造时的最高平均温度1550℃。
W、R和G对结晶形态的影响
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3.1.2 焊接熔池的结晶形态
图3-12
焊缝中结晶组织的分布
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3.1.2 焊接熔池的结晶形态
图3-13 不同母材的焊缝组织 a) 1100Al b) Fe-15Cr-15Ni c) ZM6
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3.1.3 焊缝的相变组织
1.低碳钢焊缝的相变组织 (1) 铁素体和珠光体 低碳钢焊缝具有较低的含碳量，发生
马氏体形态示意图 a) b)
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3.1.3 焊缝的相变组织
图3-18
含有不同贝氏体的低合金钢焊缝组织 a) b) c)
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3.1.3 焊缝的相变组织
2) 片状马氏体MT。 (5) 焊缝最终组织的构成 以上介绍了低合金钢焊缝中可能
出现的全部组织，但每个焊缝不可能完全包含这些组织，
图3-24 药皮中钇的加入量 对焊缝韧性的影响
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3.1.4 焊缝组织和性能的控制
2.工艺方面的控制 (1) 焊接工艺优化
1) 工艺参数调整。
2) 采用多层焊接。 (2) 振动结晶与锤击处理 1) 振动结晶。
图3-25
电磁振动对铁素体不锈钢焊缝组织的影响 a) 无电磁振动 b) 有电磁振动
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3.1.2 焊接熔池的结晶形态
表3-1 焊接参数对HY-80钢焊缝结晶组织的影响
焊接速度/(mm/min)
焊接电流/A
150 300 胞状树枝晶 细小的胞状树枝晶 450 粗大的胞状树枝晶 粗大的胞状树枝晶
50 100
胞状晶 胞状晶
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3.1.2 焊接熔池的结晶形态
图3-11
45钢
A A A-A
40Cr
A A A-A
23Mn
A
A
A-A
830
95
810
60
850
80
890
105
940
110
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表3-3 加热速度对相变温度A和A的影响
30CrMnSi
A
A A-A
740
820 80 710 810 100
740
790 50 800 860 60
775
835 60 860 930 70
825
890 65 930 1020 90
920
980 60 1000 1120 120
18Cr2WV
A A A-A
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3.2.1 焊接热影响区的组织转变特点
2.焊接冷却过程的组织转变特点 (1) 组织转变向低温推移、可形成非平衡组织 材料的相变温度Ac1、Ac3以及Acm均降低。 (2) 马氏体转变临界冷速发生变化 在焊接热循环的作用下， 熔合线附近的晶粒因过热而粗化，增加了奥氏体的稳定性， 使淬硬倾向增大；另一方面，钢中的碳化物由于加热速度 快、高温停留时间短而不能充分溶解在奥氏体中，降低了 奥氏体的稳定性，使淬硬倾向降低。 在奥氏体均
(3) 焊接速度对成长速度和方向的影响 如绪论中所述，焊
接速度增加时，焊接温度场的范围变小，熔池形状变得细
长。
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3.1.2 焊接熔池的结晶形态
1.熔池结晶的典型形态 (1) 平面结晶 当固-液界面前方液相中的温度梯度G(即温度
曲线的斜率dT/dx)很大时，液相温度曲线T不与结晶温度曲
而只是由其中的几种组织所构成。
图3-20
典型低合金钢焊缝的CCT图
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3.1.4 焊缝组织和性能的控制
1.冶金方面的控制 (1) 锰和硅的作用 锰和硅是焊缝中最常用的合金化元素，
它们不仅能脱氧而使焊缝得到强化，还能改变焊缝组织形
态而影响焊缝的韧性。
图3-21 锰和硅的含量对低强 焊缝金属韧性的影响
(3) 贝氏体B 贝氏体是在550℃～Ms温区内发生的扩散-切
变型相变的产物。
1) 上贝氏体Bu。
2) 下贝氏体BL。 3) 粒状贝氏体BG或条状贝氏体BP。 (4) 马氏体M 变的产物。 1) 板条马氏体MD。 马氏体是在Ms点以下温区内发生的切变型相
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3.1.3 焊缝的相变组织
图3-19
钼含量对焊缝金属韧性的影响
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3.1.4 焊缝组织和性能的控制
(3) 钼的作用 在低合金钢焊缝中只要加入少量的钼，就能
降低奥氏体的分解温度，抑制先共析铁素体的形成，从而