焊接原理PPT电子教案课件-第四章 熔池凝固及焊缝固态相变.ppt

第四章 熔池凝固及焊缝 固态相变,熔焊时，在高温热源作用下，母材发生局部溶化，并与溶化了的焊丝金属搅拌混合形成焊接熔池。发生冶金反应。当焊接热源离开以后，熔池金属开始凝固。 熔池凝固过程对焊缝金属的组织和性能具有重要影响： 由于冶金条件和冷却条件的差异，焊缝组织差异 大； 产生各种缺陷： 晶体缺陷：点缺陷空位、间隙原子； 面缺陷界面； 线缺陷位错 组织性能缺陷：气孔、裂纹、夹渣、偏析,焊缝生长,2. 凝固过程 （1）形核:可分为自发形核和非自发形核。 晶核的形成和长大需要一定的能量，该能量由两部分所组成: 体积长大使体系自由能下降； 产生新的固相表面使体系自由能增高。 设形成的晶核，或在某现成表面上长出一块小长方体，每边长为a, 高度为b，如图4-1所示。总的自由能变化分别为： f1= -a2bfv+(4ab+2a2)se f2= -a2bfv+4abse 式中，fv单位体积内两相间的自由能差值； se比表面能。 可以看出：晶核从现成表面上生长使自由能的升高要比直接从熔池中形核所增加的自由能小 2a2se 。 长大比形核所需的过冷度要小 焊缝金属开始凝固时并不形核，而是在母材基体上联生长大。焊接熔池的结晶主要非自发形核。,图4-1 形核及生长对体系表面内的影响,（2）晶核长大： 按照传热学理论： 熔池散热沿等温面的外法线方向最快（dt/dr最大）； 奥氏体晶粒生长最快的方向是晶向； 当dt/dr与方向一致时，晶粒生长最快，抑制了方向不一致的晶 粒的生长，一直长到焊缝中心相交为止。焊缝柱状晶的选择长大。 从统计学角度： 晶粒生长方向垂直于熔池等温面，自下而上、由外及里生长成柱状晶。 自发形核就依附在母材金属的半熔化晶 粒表面，并以柱状晶的 形态向焊缝中心成长。联生结晶（交互结晶）。如图4-2示。,焊接速度快 焊接速度慢,在熔合区上晶粒开始成长的瞬时（图中 h 和f点）, 晶粒生长线速度r为零，即焊缝边缘的生长速度最慢。而在热源移动后面的焊缝中心（d点），晶粒生长速度r与焊接速度相等，生长最快。一般情况下，由于等温线是弯曲的，其曲线上各点的法线方向不断地改变，因此晶粒生长的有利方向也随之变化，形成了特有的弯曲柱状晶的形态。,二.熔池的结晶形态 熔池的结晶形态与散热条件及金属纯度有关。宏观焊缝为柱状晶组织，柱状晶中存在微观结构亚晶（亚结构）。 1. 纯金属的结晶形态 结晶形态受过冷度的影响，而过冷度的大小只取决于温度梯度。 （1）正温度梯度： tl tl-s ts 晶体生长呈平滑的界面(平面晶) 图4-5a ,b （2）负温度梯度： tl ts 树枝晶生长（纯金属少见） 图4-5c,d,总结: 结晶形态主要决定于合金中溶质的浓度、结晶速度和液相中温度梯度的综合作用。 co、 r 、gl对结晶形态的影响如图4-14所示。,图4-14,焊缝结晶形态 焊缝中各部位具有不同的 g/r值，具有不同的结晶形态： 熔池两侧：r0， ggmax ，tx 0 平面晶生长 熔池中心：rv，ggmin，tx txmax 树枝晶生长 熔池两侧 熔池中心：r逐渐增大，g逐渐减小，tx增大 平面晶 包状晶包状树枝晶树枝晶 柱状晶内部存在亚结构亚晶，由焊缝周侧至中心依次为： 平面晶包状晶包状树枝晶树枝晶等轴晶 参看p127 图3-29 影响焊缝结晶形态的因素： （1）化学成分：见溶质浓度co 的影响。 （2）焊接规范： a. 焊接电流： i，熔池体积，g ， t x , 平面晶 包状晶包状树枝晶树枝晶 b.焊接速度：v，熔池中心 g ， t x , 快速焊接时焊缝中心出现等轴晶。,熔池结晶组织的细化,通过提高形核率和抑制晶粒长大两个方面 1变质处理 通过焊接材料向熔池加入一定量的合金元素(如b、mo、v、ti、nb等) , 作为熔池中非自发晶核的质点,从而使焊缝晶粒细化。 2振动结晶 采用振动的方法来打断正在成长的柱状晶，增大晶粒游离倾向，达到细化晶粒的目的。振动方式主要有机械振动、超声振动和电磁搅拌。 3焊接工艺 采用恰当的焊接工艺措施，也可改善熔池凝固结晶。主要方法是小线能量、多层焊和锤击焊道表面等。,四.焊缝金属的化学成分不均匀性 在熔池进行结晶的过程中，由于冷却速度很快，已凝固的焊缝金属中化学成分来不及扩散，合金元素的分布是不均匀的偏析现象。 1.焊缝中化学成分不均匀性 （1）显微偏析（微观偏析） 由结晶过程的先后顺序引起的同一晶粒内部化学成分不均匀性。先结晶的固相含溶质浓度较低，后结晶的固相溶质浓度和杂质含量较高。例如：焊缝中的胞状晶中心，溶质浓度最低，而相邻边界上的溶质浓度最高；树枝晶和相邻树枝晶之间的晶界上，溶质浓度最高。图4-15示 结果： a.使得焊缝中的晶界、亚晶界、枝晶间均存在不同程度的显微偏析； b.在同一柱状晶内部，焊缝边缘偏析小，中心偏析大。希望细化晶粒， 以降低偏析。,图4-15 胞状晶和树枝晶的偏析 a) 胞状晶 b)树枝晶,二.低合金钢焊缝的固态相变组织 1.低碳钢固态相变组织 a. 相变前为奥氏体。 相变过程复杂，根据化学成分和冷却条件的不同，相变后可能 出现的组织有：铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体。 b. 各种相变组织具有不同的形态。 根据焊缝化学成分和冷却条件，可出现四种固态转变组织： 1）体素体转变 低合金钢焊缝中铁素体大体分为以下四种： （1）先共析铁素体 （2）侧板条铁素体 （3）针状铁素体 （4）细晶铁素体,3.气孔形成机理 形成过程可分为相互联系，彼此不同的三个阶段。 （1）形核 按照表面张力理论，一旦形核，球形气核附加压力为： 气核受外力：p外1atm+(me液s渣液)静压力p附1atm2/r 气核内部压力：p内ph2+pn2+pco+ 气核要存在，必须：p外p内 即： 若1350达因，rr=5106 mm，则p附 2/r5500 atm 也就是说气核要存在，要求p内5500atm，这实际上根本不可能。 但事实上气体还是自发地形核了。 气核形成的途径： 熔池内部许多现成的表面和界面： 半熔化母材表面的微气孔； 焊缝枝晶间获枝晶质点； 熔池中高熔点的氧化膜上的空穴等。,4.影响生成气孔的因素及防治措施 a. 影响生成气孔的因素 （1）冶金因素的影响 熔渣氧化性的影响 当熔渣的氧化性增大时，则由co引起气孔的倾向是增加的； 当熔渣的氧化性减弱时，则氢气孔的倾向增加。 仅适于酸性熔渣。 焊条药皮和焊剂的影响 a.碱性焊条药皮中: caf2 可除氢：caf2+h2o=cao+2hf caf2+2h=ca+2hf caf2+h=caf+hf 碳酸盐可防氢：加热分解co2,在高温下可与氢形成oh和h2o，具有 防止氢气孔的作用。,（2）工艺因素的影响（产生的气体如何排出） 焊接规范影响 a. 增大焊接电流，熔池存在时间增长，气体易于逸出，但吸 气量增大。 b. 增大焊接电压，保护效果减弱，气孔倾向增大。 c. 焊接速度增加，气体无时间逸出。 电流种类和极性影响 气孔倾向：直流交流 直流反接直流正接 工艺操作技巧 焊前清理； 焊条、焊剂烘干； 焊接规范稳定。,b. 防止气孔的措施 不同焊接方法和工艺，产生气孔的原因是不同的，应区别对待。 （1）手弧焊： j507焊条： j422焊条： a. 烘干焊条：350400/ 2小时； 无须 b. 焊前清理铁锈、油污、水分； 无须，但最好清理 c. 短弧焊接；（2mm左右） 长弧、短弧均可 d. 直流反接极； 交、直流两用 e. 电流不能太大 ：i40d（焊丝直径） 不能过大： i45d f. 可焊接高硫钢： 不可焊接高硫钢（易形成结晶裂纹） fes+(cao)=(cas)+feo （2）埋弧焊： a. 焊前清理； b. 焊剂烘干： 250350/ 2小时； 烘焙： 1000/ 0.51小时（除s p） （3）气体保护电弧焊： a. 焊丝充分脱氧(h08mn2sia)，防co气孔;(si mn联合脱氧) b. 防n2气 侵入：h04mn2sialtia ; c. 焊枪前加一硅胶干燥器； d. 气体流量充足，保护充分。,二.焊缝中的夹杂 1.危害：增加焊缝脆性，增大裂纹和层状撕裂趋向。 2.来源： （1）冶金反应产物 氧化物：脱氧反应的产物 mnosio2 0.0010.01mm球形； al2o3 多角形 块状； mnotio2 粒状。 氮化物：fe4n 针状、片状 脆硬相，使焊缝强度和硬度升高，塑韧性降低。 硫化物：mns 球状质点，存在于枝晶间，