第三章 熔池凝固和焊缝固态相变.ppt

1 第三章熔池凝固和焊缝固态相变 2 第四节焊缝性能的控制 第一节熔池凝固 第二节焊缝固态相变 第三节焊缝中的气孔和夹杂 第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 3 重点内容 1 熔池凝固条件和特点及一般规律2 各钢种焊缝的固态相变组织的转变3 焊缝中的气孔和夹杂问题4 焊缝性能问题讨论 4 第一节熔池凝固 一 熔池的凝固条件和特点 1 熔池体积小 冷却速度大2 熔池中的液态金属处于过热状态3 熔池在运动状态下结晶 5 二 熔池结晶的一般规律 焊接时 熔池金属的结晶与一般炼钢时钢锭的结晶一样 也是在过冷的液体金属中 首先形成晶核和晶核长大的结晶过程 生核热力学条件是过冷度而造成的自由能降低 生核的动力学条件是自由能降低的程度 6 1 生核熔池中晶核的生成分为 非自发晶核 自发晶核 形成两种晶核都需要能量1 自发晶核 自发临界晶核所需的能量 新相与液相间的表面张力系数 Fr 单位体积内液固两相自由能之差 7 2 非自发形核 非自发晶核的浸润角 0 EK 0 8 焊接时存在两种非自发晶核质点 一种是合金元素 另一种是现成表面 焊接熔池边界 正是固液相的相界石 熔池边界半熔化的母材晶粒表面为新相晶核的 基底 9 2 成长 原子由液相不断地向固相转移 晶核的成长是通过二维成核方式长大 但并不是齐步前进 长大趋势不同 有的一直向焊缝中部发展 有的只长大很短距离就被抑制停止长大 当晶体最易长大方向与散热最快方向相一致 最有利长大晶核的成长是一个原子厚度从液相中吸收原子集团来进行的并连续不断地吸附在晶体表面的小台阶处而迅速长大 10 焊接熔池边界正是固液相的相界面 熔池边界的部分熔化的母材晶粒表面完全可能成为新相晶核的 基底 非均匀生核 焊缝金属呈柱状晶形式与母材相联系 好似母材晶粒外延长大 这种依附于母材晶粒现成表面而形成共同晶粒的凝固方式 称为外延结晶或联生结晶 11 三 熔池结晶线速度 12 在厚大焊件的表面上快速堆焊 热扩散率 cm2 s vc 晶粒成长的平均速度v 焊速 v0和vc的夹角 薄板上自动焊接 13 1 晶粒成长的平均线速度是变化的 晶粒成长方向和线速度是变化的 在熔合线处最小 在焊道中心处最大 为焊速 2 焊接规范的影响 当焊速大时 则 越大 晶粒主轴的成长方向垂直于焊缝中心线 称为定向晶 当焊速小时 晶粒主轴的成长方向弯曲 形成偏向晶 14 15 四 金属的微观结晶形态 一 纯金属的结晶形态 G 0时G 温度梯度 正的温度梯度 液相温度高于固相温度 过冷度小 结晶缓慢 形成平面晶 G 0液体内部温度比界面低 进过冷度大 晶粒成长速度大 形成树枝晶 16 a G 0时的温度分布 b G 0时的温度分布 c G 0时的界面结晶形态 d G 0时的界面结晶形态 17 二 固溶体合金的结晶形态 在任意T 溶质B在液态A中的浓度为CL 在固态A中浓度为CS 分配系数金属结晶 温度过冷 合金的结晶形态除了温度过冷 还存在成分起伏造成成分过冷 由于过冷程度不同形成不同的结晶形态 18 三 成分过冷对结晶形态的影响 1 平面结晶产生条件 过冷度 0 无成分过冷特征 平面晶 G正温度梯度很大时 平面结晶形态发生在结晶前沿没有浓度过冷的情况下 19 20 2 胞状结晶 产生条件 过冷度很小 特征 断面六角形 细胞或蜂窝状 21 3 胞状树枝结晶产生条件 过冷度稍大 特征 主干四周伸出短小二次横枝 纵向树枝晶断面胞状 22 4 树枝状结晶产生条件 过冷度圈较大 特征 主枝长 主枝向四周伸出二次横枝 并能得到很好的生长 23 5 等轴晶产生条件 过冷度大 特征 结晶前沿长出粗大树枝晶 液相内 可自发生核 形成自由长大的等轴树枝晶 24 四 焊接条件下的凝固形态 焊缝成分对结晶形态有影响 还与焊接规范参数有关 熔池中成分过冷的分布在焊缝的不同部位是不同的 将会出现不同的结晶形态 25 1 溶质浓度影响纯AL99 99 焊缝熔合线附近为平面晶 中心为胞状晶 若纯AL99 6 焊缝出现胞状晶 中心为等轴晶2 焊接速度的影响V 熔池中心出现等轴晶 V小 熔合线附近出现胞状树枝晶 26 3 电流的影响 I小 胞状晶 I较大 胞状树枝晶I大 粗大树枝晶焊接速度过大时 焊缝中心出现等轴晶 低速时 焊缝中心有胞状树枝晶 焊接电流大时 出现粗大的树枝晶 27 28 29 五 焊缝金属的化学不均匀性 一 焊缝中的化学不均匀性化学不均匀性 结晶过程中化学成分的一种偏析现象 1 显微偏析 枝晶偏析指晶粒边界或一个晶粒内部亚晶界或树枝状晶的晶枝之间的偏析 30 晶轴上含有熔点较高的成分 熔点较低的成分则集中在枝晶枝干与枝干间的孔隙以及柱状枝晶的晶粒边界 称枝晶偏析 31 32 2 宏观偏析 区域偏析 指焊缝边缘到焊缝中心 宏观上的成分不均匀性 焊缝金属以柱状晶长大 把杂质推向熔池中心 中心杂质浓度逐渐升高 使最后凝固的部位发生较严重的偏析 33 3 层状偏析 由于化学成分分布不均匀引起分层现象 焊缝横断面经浸蚀之后 可以看到颜色深浅不同的分层结构形态称为结晶层 1 特征 晶粒主轴与层状线垂直 越先靠近熔合线处越清析 远离熔合线不清晰 线距越宽 2 层状线与熔合线轮廓相似 但层与层的间距并不相等 34 3 层状线的存在 一般相溶质 特别是硫 的不均匀分布有重要关系 可将每一个结晶层大体区分为三个小区域 初始区溶质富集区 即溶质成分高于平均浓度的区域 在侵蚀照片上呈最暗黑的颜色 中间区为平均浓度区 是结晶层中最宽的一段 其特征为溶质成分均匀 颜色稍暗 结尾区为溶质贫化区 即溶质成分低于平均浓度的区域 颜色最为浅淡 层状线不是连续的 是间断的链状偏析带 35 危害 层状偏析不仅造成焊缝力学性能不均匀性 还可沿层状线形成裂纹或气孔 产生原因 R变化快速凝固时析出潜热及熔滴过渡带来的附加热脉冲作用等 是促使成长速度R发生变化以及凝固过程发生瞬间停顿的主要原因 成长中的柱晶前沿的温度梯度G 对凝固过程的瞬间停顿有相当大的影响 枝晶前沿的温度梯度G较大时 结晶潜热或其他附加热作用容易使柱晶前沿的温度急剧增高 而易于促使凝固过程停顿 36 二 熔合区的化学不均匀性 1熔合区的形成热传播不均匀晶粒的传热方向不同2熔合区的宽度 其中 A 熔合区的宽度 mm 温度梯度 mm TL 被焊金属的液相线 TS 被焊金属的固相线 37 38 3 熔合区的成分分布 1 化学不均匀性对于一般钢铁材料而言 合金元素在液相中的溶解度大于固相中的溶解度 熔合区是液固两本共存的地方 39 40 本节结束 41 凝固过渡层的形成 由于凝固过程中母材与焊条熔敷金属末能很好混合而形成未混合区 或不完全混合区 焊后可以立即发现 这是一种表现化学不均匀性的过渡层 由于与凝固过程有关 可称为 凝固过渡层 42 碳迁移过渡层的形成 是 类钢 体心立方的珠光体钢 与 类钢 面心立方的奥氏体钢 焊接时出现的一种熔合区碳迁移现象 碳在 Fe中的扩散活动能力均比在 Fe中大得多 43 44 晶界液化现象 在近缝区 特别是在半熔化区 常可因下一些过程而促使产生化学不均匀性 晶界发生迁移 从而使最易扩散活动的物质 C S P等 易于被推动而析集干晶界 母材的带状偏析组织与原奥氏体晶界交合时的局部熔化而造成的溶质偏析 共存因液相间的相互作用 分布系数K0 1 使溶质易于转入液相之中 从而使晶界偏析增大 上坡 扩散 45 不均匀的局部熔化所造成的溶质偏析现象 与晶格位向不同的晶界具有不同的能量有关 不均匀的新相沉淀 硫化物 碳化物 氮化物 近缝区的晶界偏析常常会促使在真实固相线以下产生所谓晶界局部液化现象 46 2 物理不均匀性近缝区 半熔化区在不平衡加热时 出现空位和位错 残余应力 因此熔合区组织 性能不均的 成为焊接接头薄弱环节 温度对空位数量的影响如下式所示 47 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 而半熔化区本身就易于形成较多空位 因此 熔合线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 48 熔合区不仅存在化学不均匀性 还有物理性质 导热系数和膨胀系数 的不均匀性 甚至也有力学 屈服强度和弹性模量 的不均匀性 这些都会在熔合区引起较大的残余应力 残余应力的形成 49 50 第二节焊缝固态相变 一 低碳钢焊缝的固态相变组织低碳钢焊缝组织 F 少量P过热时产生W 改善组织条件 1 多层焊 使焊缝获得细小和少量珠光体 使柱状晶组织破坏 2 焊后热处理 加热A3 20 30 消失柱状晶 3 冷却速度 冷却速度 硬度 51 低碳钢焊缝的魏氏组织 52 二 低合金钢焊缝的固态相变组织 低合金钢焊缝二次组织 随匹配焊接材料化学成分和冷却条件的不同 可由不同的组织 以F为主 P B M占次要地位 以F为主 F越细小 则延性 脆性转变 温度越低 一般以V型缺口冲击试件断口中纤维区占50 时的温度VTS为判断 53 一 铁素体转变 焊缝中铁素体的类型 1 粒界铁素体 GBF 先共析铁素体PF 先共析铁素体 PF 是沿原奥氏体晶界析出的铁素体 先共析铁素体也称晶界铁素体 有的沿晶界呈长条状扩展 有的以多边形形状互相连结沿晶界分布 在高温区发生 相变时优先形成 因晶界能量较高而易于形成新相核心 先共析铁素体的位错密度较低 54 2 侧板条铁素体 FSP 生成于700一500 是由晶界向晶内扩展的板条状或锯齿状铁素体 实质是魏氏组织 其长宽比在20 以上 侧板条铁素体在低合金钢焊缝中不一定总是存在 但出现的机会比母材多 当先共析铁素体和侧板条铁素体长大时 其 界面上 一侧的碳浓度增加 极为接近共析成分 故 易分解为珠光体而出现于侧板条铁素体的间隙之中 侧板条铁素体晶内位错密度大致和先共析块素体相当或稍高一些 55 56 3 针状铁素体 AF 出现于原奥氏体晶内的有方问性的细小铁素体 宽约2 m左右 长宽比多在3 1以至10 1的范围内 针状铁素体可能是以氧化物或氮化物 如TiO或TiN 为基点 呈放射状生长 相邻AF间的方位差为大倾角 其间隙存在有渗碳体或马氏体 多半是M A组元 决定于合金化程度 针状铁素体晶内位错密度较高 为先共析铁素体的2倍左右 位错之间也互相缠结 分布也不均匀 但又不同于经受剧烈塑性形变后出现的位错形态 57 4 细晶铁素体 FGF 贝氏体铁素体 生成于 50 以下 板条间为小倾角 板条内的位错密度很高 如在用不同强度级别焊条所焊接的焊缝 J507焊条的焊缝中有FSP 其间存在的确为珠光体 未见M A J707焊条的焊缝中 出现的是块状M A组元 J807焊条的焊缝中已无PF M A组元呈颗粒状 J907焊条的焊缝中 因合金化程度提高而出现板条状马氏体 部分M A组元由颗粒状变成条状 58 AF FGF P 59 随着合金化程度的提高 AF组织增多的同时 焊缝强度也随之提高 AF增多 有利于改善韧性 60 合金元素的增加使固溶强化作用大大增加 而强度提高带来的有害作用 会抵消AF的有利作用 最终反而会恶化韧性 另外 随着合金化程度的提高 焊缝组织可能出现LF以及M 在强度提高同时 焊缝韧性就势必降低 61 二 珠光体转变 热处理平衡状态珠光体转变Ar 550 C Fe原子扩散比较容易 珠光体转变扩散型相变 P是F和Fe3C的层状混合物领先相Fe3C 焊接状态 非平衡转变 得到P量少 珠光体转变量小 若B Ti合金元素 P转变全部被抑制 62 P F 粒P AF 63 三 贝氏体转变 贝氏体转变机理复杂上贝氏体特征 在光学金相显微镜下观察呈羽毛状 沿奥氏体晶界析出 在平行的条状F间分布有渗碳休形成温度550 Ms之间 64 粒贝 羽状Bu 板M 65 粒状贝氏体 块状铁素体形成之后 待转变的富碳A呈岛状分布 块状F中 这些高碳A 富碳M 和残余奥氏体 称为M A组织在块状F中 M A组织以粒状分布 因此称粒状贝氏体 若以条状存在称为条状B氏体 强度韧性影响争论不一 若以条状存在称为条状B氏体 下贝氏体 针状 力学性能优异 66 67 四 马氏体转变 当焊缝含碳量偏高或合金元素较复杂时 冷却速度快 Ms形成M 1 板条M 含碳量很低 特征 奥氏体晶粒内形成几束M板条 束与束之间有一定高角 位错量多 位错M含碳量低 低碳M强度好 韧性高 68 板条马氏体显微组织特征示意图 69 板M与M A M M A 70 2 片状M C 0 4 马氏体片不相互平行 初始形成的M片较大 往往贯穿A晶粒 透射电镜观察 片M存在许多细小平行的带纹 孪晶带 硬度高 脆 71 M M A 72 第三节焊缝中的气孔和夹杂 一 焊缝中的气孔 一 气孔的类型及分布特征气孔有的产生在焊缝表面 也有的产生在内部 有的以单个存在 有的成堆出现 一类 高温时溶解的气体H2N2二类 冶金反应产生的气体CO和H2O 73 74 1 氢气孔 特征 多出现在焊缝表面 断面形状多为螺钉状 从焊缝表面看呈园喇叭口形 气孔的四周有光滑内壁 有个别残存在内部 以小圆球状存在 产生原因 焊接过程中 熔池金属吸收大量的氢气 在冷却和结晶过程中 氢的溶解度发生了急剧下降 熔池冷却速度快 来不及逸出 残存在内部 发生了氢的过饱和 使焊缝中形成具有喇叭口形的表面气孔 75 2 CO气孔 特征 焊缝内部 条虫状 表面光滑 产生原因 高温冶金反应 CO不溶于液态金属 在高温时 CO以气泡的形式猛烈地逸出 但熔池结晶时 熔池金属粘度不断增加 CO不易逸出 氧化铁和碳生成一氧化碳的反应为吸热反应 促使结晶速度加快 CO形成气泡不能逸出 沿结晶方向形成条虫形内气孔 76 二 气孔形成机理 气孔的形成 生核 长大 逸出 1 浮出 无气孔2 浮不出 气孔1 气泡的生核具备条件 液态金属中有过饱和的气体 要消耗一定的能量 77 消耗的能量单位时间形成气泡核的数目 形成气泡核所需能量为 78 2 长大 Ph P0 Ph PH2 PN2 PCO P0 Pa Pm Ps 79 即气泡长大的条件为 气泡形成初期 r很小 附加压Pc则很大 气泡很难形成 焊接时 由于熔池内存在着很多现成表面 如柱状晶粒和液态金属相接触的地方形成 这些地方由于界面张力的作用 气泡不成园形 可以得到较大的曲率半径r使Pc减小 80 3 气泡上浮 1 气泡核脱离表面主要与气泡 液体金属 现成表面界面张力及接触角有关 平衡时 当 90 有利于气泡上浮 气泡形成的快 完全脱离现成表面 当 90 由于形成细颈过程需要时间 若结晶速度 气泡脱离现成表面的速度 就会形成气孔 81 2 结晶速度 v较小时 气泡有充分时间逸出 无气孔 气泡易上浮 v大时 气泡上浮时间短 可能残余在焊缝内部 3 气泡上浮速度 当r v 易浮出 液体金属密度越大 v 不易形成气孔 82 三 影响生成气孔的因素及防止措施 冶金因素 工艺因素二个方面讨论 1 冶金因素的影响 1 熔渣与弧柱气氛的氧化性熔渣氧化性增大时 CO H2 C 0 为31 36 10 4 时 酸性焊条还未出现气孔 为27 30 10 4时 碱性焊条就出现更多的气孔 83 2 熔渣成分影响氟化钙脱氢机理氧化物脱氢机理酸性焊条脱氢是靠较强氧化物 碱性焊条脱氢是靠碳酸盐分解 产生较强氧化性 OH氟化物脱氢 84 3 铁锈及水份的影响 3Fe2O3 2Fe3O4 O2Fe3O4 H2O 3Fe2O3 H2Fe H2O FeO H2 85 2 工艺因素影响 1 焊接规范的影响 电流 熔池存在时间 气体外逸 熔滴尺寸 比表面积 易产生气孔熔深 不易使气体逸出焊条电阻热 药皮提前脱落 易产生气孔 电压 N气孔 焊速 气孔增加 86 2 电流种类及极性 3 工艺操作 直流反接 气孔小 溶滴为正 直流正接 气孔多 溶滴为阴极收 交流焊接比直流焊接的气孔倾向较大 焊件去油 锈 烘干焊条 短弧焊 87 二 焊缝夹杂 一 焊缝夹杂焊缝或母材中有夹杂物存在时 不仅降低焊缝金属的韧性 增强低温脆性 同时也增加了热裂纹和层状撕裂的倾向 88 焊缝中夹杂物的种类 1 氧化物SiO2 MnO TiO2 Al2O3等 一般多以硅酸盐的形式存在 如果密集的以块状或片状分布时 在焊缝中会引起热裂纹 在母材中也易引起层状撕裂 2 氮化物Fe4N脆硬相 使焊缝的硬度 塑性 韧性 一般很少出现 只有在保护不好的情况下才能发生 3 硫化物FeSMnS等 来源于母材和焊接材料 是引起热裂纹的主要原因 89 防止措施 1 选用合理规范 以利于熔渣的浮出 2 多层焊时 清渣 3 焊条摆动 4 保护溶池 防止空气侵入 但如果原材料中的夹杂物过多时 势必会形成焊缝中的夹杂物 本节结束 90 第四节焊缝性能控制 控制焊缝性能是控制焊接质量的主要目标 具有相同化学成分的焊缝金属 由于结晶形态和组织不同 在性能上会有很大的差异 一般常规的焊接构件 焊后都不再进行热处理 因此 应尽可能保证焊缝凝固相变就具有良好的性能 在焊接工作中用于改善焊缝金属性能的途经很多 但主要是焊缝的固溶强化 变质处理 微合金化 和调整焊接工艺 91 一 焊缝金属的固溶强化和变质处理 对于低合金结构钢的焊缝金属 最有害的脆化元素是S P N o H 必须加以限制 铁素体化元素与奥氏体化元素的影响有些差异 一般来说 铁素体化元素对韧性不太有利 强化作用越强烈 对韧性越有害 奥氏体化元素中c的作用最为不利 而Mn与N 则在相当大的含量范围内有利于改善焊缝韧 92 改善焊缝金属凝固组织的有效方法之一就是向焊缝金属中添加某些合金元素 起固溶强化和变质处理的作用 根据目的和要求的不同 可以加入不同的合金元素 以改变凝固组织的形态 从而提高焊缝金属的性能 特别是近年来采用了多种微量合金元素 大幅度提高了焊缝金属的强度和韧性 研究表明 通过焊接材料向熔池中加入细化晶粒的合金元素如 Mo V Nb B Ti Zr Al和稀土元素等 可以改变结晶形态 使焊缝金属的晶粒细化 既提高强度和韧性 又可改善抗裂性能 93 一 锰和硅对焊缝性能的影响 锰和硅是一般低碳钢和低合金钢焊缝中不可缺少的合金元素 它们一方面可以使焊缝金属充分脱氧 同时可以提高焊缝的抗拉强度 属固溶强化 但对韧性的影响比较复杂 94 强度较低的Mn si系焊缝金属 Mn Si数量少时 形成粗大的铁素体 提高Mn Si数量则可形成针状铁素体AF 超过一定量后 可形成块状铁素体LF Mn Si量有最佳范围 Mn Si值为3 6 95 强度较高的高强钢焊缝 在AF之间会产生一定数量的M A组元 调整Mn Ni数量以获得单一的微细AF Mn Ni数量较少时 岛状相部分分解为铁素体和渗碳体 还可有先共析铁素体 Mn Ni过多 形成LF 还可能产生M MnSi单纯加入提高焊缝韧性有限 96 97 98 二 铌和钒对焊缝韧性的影响 适当的Nb和V 焊缝的冲击韧性 通过固溶 推迟A F转变 抑制焊缝中先共析铁素体 包括GBF粒界铁素体和FSP侧板条铁素体 利于形成细小的AF NbN VN以微细共格沉淀相存在 焊缝强度 韧性 只有正火处理 改善焊缝韧性 因此 一般不加Nb和V 99 100 三 钛 硼对焊缝韧性的影响 研究表明 低合金焊缝中有钛和硼的存在可以大幅度提高焊缝韧性 但钛和硼对焊缝组织细化的作用很复杂 与氧和氮有密切的关系 101 Ti和B同时存在可提高焊缝韧性Ti和O亲和力比较大 形成细小的 TiO 细化晶粒 Ti保护B不被氧化 B偏聚A晶界 抑制GBF 粒界铁素体 和PF 先共析铁素体 利于形成AP 合适加入量Ti 0 01 0 02 B 0 002 0 006 102 四 钼对焊缝韧性的影响 MO焊缝的强度 韧性 MO0 5 时 A F转变降低 形成B上合适量0 2 0 35 形成细晶铁素体 103 104 五 稀土元素对焊缝金属性能的影响 稀土分为两类 重稀土 Y 钇组 轻稀土 Ce 铈组 作用 脱氢 脱氧 脱氮改变夹杂物形态提高韧性减少裂纹 105 有关稀土元素对焊缝金属的作用已经有很多的研究