1、材料焊接冶金原理与工艺 主 讲：陈树海 E-mail: 电 话：010-62334859 第5章 焊接熔合区 5.1 熔合区的特征 5.2 非对流混合区 5.3 熔合线 5.4部分熔化区 熔合区是焊缝与热影响区之间的过渡区域。熔合区既是 成分、组织与性能等极不均匀的区域，有可能是应力集中的区域。 熔合区常见问题： 液化裂纹、氢致裂纹、偏析和强度韧性损伤等 填充奥氏体不锈钢焊丝的碳钢焊接熔 合区处的层状偏析现象 填充Ni基合金焊丝焊接碳钢与奥氏体 不锈钢焊缝中碳钢侧熔合区的马氏体 5.1 熔合区的特征 典型的焊接接头结构示意图 非对流混合区是接近熔合线处熔化但未充分与填充材料混合的母材金属 ；
2、部分熔化区是接近熔合线处母材金属晶粒边界（或晶粒内部）发生不同 程度熔化的区域，在焊接过程中属固/液混合区； 熔合线为焊接接头横截面上焊缝和母材金属的分界线，即熔化焊时，未 熔化的母材金属晶粒上的边缘连线。 5.1.1熔合区的结构 焊缝区和熔合区有时会发生部分交叠，即焊缝区由对流混合区和 非对流混合区组成。 在焊接过程中，如果填充焊接材料与母材成分不同，溶质原子在 化学位梯度的作用下，对流混合区与非对流混合区还会出现扩散 混合的现象。 对于一个具体的焊接接头的熔合区，其三个组成结构有时并不是 同时存在的。特别是部分熔化区，主要取决于固相线与液相线的 宽度。熔合区具体由哪几种结构组成主要依赖于母
3、材的化学成 分、填充材料的成分、焊接工艺条件以及焊缝方法等等。 5.1.2熔合区的特性 1、化学成分不均匀性 在异种材料或同种材料填充材料不同于母材时，强烈的扩散形成既 不同于母材也不同于焊缝成分过渡区； 同种金属焊接甚至自熔焊，基于固液界面理论也会出现化学成分的不 均匀。 式中 固-液界面处溶质在固相中的质量分数； 溶质在合金材料中的初始质量分数； d固-液界面到开始结晶位置的距离； R液相的结晶速度（即凝固速度） k 溶质在固-液相中的分配系数； D 溶质的扩散系数 熔合区中硫的分布 2、组织不均匀性 成分不均匀性在一定程度上决定了组织不均匀性，焊接工艺与焊接方法 也会对熔合区的组织不均匀
4、性产生一定的影响。 非对流混合区过渡成分有可能导致其在凝固后形成的组织可能既不 同于母材组织也不同于焊缝组织，甚至可能出现一些不希望得到的 有害组织。如在异种钢焊接过程中可能会形成一个马氏体层，有时 还会形成铁素体带和富奥氏体带等等。 在部分熔化区，有时会发生严重的晶界液化。液化的晶界在凝固过 程中可能会发生严重的偏析，甚至会在晶界形成近共晶组织，导致 晶界发生严重的脆化。例如，在2219铝合金焊接过程中的部分熔化 区的晶界经常会出现共晶组织，在铸铁焊接过程中在部分熔化区经 常会观察到白口铁组织。 3、晶体缺陷不均匀性 近缝区或半熔化区在不平衡加热时，还会出现空位和位错的聚集或重 新分布，即所
5、谓晶体缺陷不均匀性。 空位的形成及分布对金属断裂强度有重大影响，由于空位的高度可 动性，常常可能成为焊接接头形成延迟裂纹的根源。 焊接时的高温加热可促使熔合区形成空位，因为原子的热振动加强 ，有利于激发原子离开静态平衡位置，而削弱原子的键合力。一般 情况下，空位的平衡浓度与温度成比例。接头冷却过程中，空位的 平衡浓度显然要下降，在不平衡冷却时，空位必处于过饱和状态， 超过平衡浓度的空位则要向高温部位发生运动，而熔合区本身就易 于形成较多空位。 在焊接过程中，熔合区的塑性形变也促使形成空位。在温度不太高 时，塑性形变量越大，越易于形成空位；而且空位往往趋向于应力 集中部位扩散运动。因此，熔合区的
6、高温特性与较大的变形量导致 其附近将是空位密度最大的部位。这种空位的聚合可能是熔合区延 迟断裂的原因之一。 4、力学不均匀性 奥氏体/铁素体接头熔合区硬度分布 在焊接熔合区，其力学不均匀性主要表现在硬度分布不均匀并具有较 高的残余应力。这种力学不均匀性导致了熔合区的力学性能可能要弱 于母材或者焊缝，是焊接接头的薄弱环节之一。 熔合区与焊缝及热 影响区的热膨胀系 数、屈服强度和弹 性模量不同导致较 大的残余应力。 5.2 非对流混合区 5.2.1 非对流混合区的形貌特征 在异种金属熔化焊接过程中，常常在熔池的边界出现与母材成分大体相 同而与熔池金属成分不同的熔化过渡区，被称为“非对流混合区”。
7、填充310不锈钢焊接304L不锈钢的非 对流混合区域 非对流混合区半岛状形貌a)与成分 分布b) 非对流混合区的边界并不是光滑的曲线，实际上存在着非对流混合区的 金属向焊缝内部楔入的现象，呈半岛状 5.2.2非对流混合区的形成机理 非对流混合区形成示意图 实际上，利用流体力学中流动边界层的理论可以很好的解释非对流 混合区的行为。流动边界层，是指贴近固壁附近的一部分流动区域 ，在这部分区域中，沿着固壁面切向速度由固壁处的0速度发展到接 近来流的速度，一般定义为在边界处的流速达到来流流速的99%。 边界层的厚度： 其中 为流体的密度，kg/m3; 为流体动态粘度，Pa.s; 为运动粘度，m2/s；
8、 X 为到固/液界面的距离，m； 是到固/液界面一定距离后的均匀流速，m/s。 5.2.3非对流混合区的控制措施 在适当的氧化环境中，当焊缝金属比基体金属惰性能大时，非 对流混合区是焊接接头中腐蚀速度最快的区域； 为了使超级不锈钢在腐蚀环境中应用，一般会在其中加入6%的 Mo以提高其抗点蚀的能力。但是，由于偏析的影响将导致在非 对流混合区极端贫钼，非对流混合区的耐腐蚀性急剧下降； 304不锈钢与310不锈钢采用312型填充材料焊接时，在非对流混 合区还有较强的应力腐蚀敏感性。 非对流混合区对接头性能的影响 ： 1、填充材料与母材匹配 焊丝与母材的匹配对非对流混合区的影响14 a）316焊丝与3
9、16LN不锈钢母材，b）316焊丝与800合金母材 c）镍182焊丝与316LN不锈钢母材 2、外加震动场 外加超声场对未混区的影响16 a）未加超声场，b）添加超声场 电磁场震荡电压对非对流混合区的影响17 a）0V，b）3V，c）12V，d）24V 3、熔焊方法和焊接参数的影响 焊接方法对非对流混合区平均宽度的影响 5.3 熔合线 5.3.1熔合线的本质 在焊接过程中，熔化的熔池金属（冷却后凝固）与固态母材金属之间 的分界线被称为熔合线。如果存在部分熔化区时，熔合线则为熔化金 属与部分熔化区的界线。熔合线指的是焊接过程中固/液界面的最终 形态。 熔合线在熔池阶段为数排原子组成的狭窄区域，并
10、非一条纯粹的 几何线； 熔合线不等同于熔合区或半熔化区，不是一个特征区 5.3.2熔合线的特征 从宏观上，一般用肉眼或低倍就能清晰地看到熔合线。对同种金属接 头，由于焊缝和母材金属侧组织相同或相近，尤其是发生固态相变后 ，或多或少地打乱了凝固组织的方向性，熔合线难以判断。当焊缝金 属成分与母材差别较大特别是异种金属接头中，由于焊缝和母材金属 的组织差别明显，使得熔合线在高倍下很容易观察到。 低活化马氏体钢电子束焊宏观界面与熔合线处的微观组织 熔合线在微观上并不是一条光滑的曲线，而是呈不规则的类似锯齿 形，甚至有“曲折”现象。显然，这种参差不齐的焊缝轮廓线，可表明 这是一个熔化不均匀的部位。 熔合线附近晶粒熔化示意图
