焊接冶金学基本原理第3章熔池凝固和焊缝固态相变课件

1、第3章 熔池凝固和焊缝固态相变主要内容：3.1熔池凝固3.2焊缝固态相变3.3焊缝中的气孔、夹杂焊接热过程 焊接化学冶金过程 焊缝结晶及焊接组织 焊接热影响区的组织与性能 焊接裂纹焊接冶金学主要内容焊接接头形成以熔化焊为例，焊接过程经过了加热熔化冶金反应结晶固态相变接头熔池凝固-形成焊缝焊缝的相变过程熔池的结晶过程焊缝的组织气孔、夹杂、偏析、结晶裂纹焊缝的性能3.1 熔池凝固3.1.1 熔池凝固的条件和特点3.1.2 熔池结晶的一般规律3.1.3 熔池结晶速度和方向3.1.4 熔池结晶的形态3.1.5 焊缝金属的化学成份不均匀性3.2焊缝固态相变3.3焊缝中的气孔、夹杂3.4 焊缝性能的控制3

2、.5 焊接熔合区3.1 熔池凝固3.1.1 熔池凝固的条件和特点1.熔池凝固的条件: 晶核生成和晶核长大2.熔池凝固的特点（相比较钢锭的差别）（1）焊接熔池体积小，冷却速度高； 最大100g，平均4100 /s，约为铸造的104。淬硬。裂纹。（2）焊接熔池的液态金属处于过热状态 熔池1770100; 钢锭1550 。烧损严重（3）熔池在运动状态下结晶结晶前沿随热源同步运动液态金属受到力的搅拌运动3.1.2 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。 生核的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

3、件是自由能降低的程度。 下面来分析焊接条件下有那些特点。 1、熔池中晶核的形成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）自发形核：新相与液相间的表面张力系数。FK：单位体积内液固两相自由能之差。（2）非自发形核 ：非自发晶核的浸润角 f()=01。如=10，f()=0.0017=0,EK=0,液相中存在悬浮质点和 某些现成表面。形核容易。=180,EK=EK，只存在自发形核。 形核较难。研究表明，焊接熔池结晶，非自发形核主导。关于： 越小，湿润性越好， 大小取决于新相晶核与现成表面之间的表面张力。若结构相似，表面张力越小，越小，那么形核需要能量越小。这说明，在已

4、有同一物质的固体表面形核所需能量最小，形核最容易。焊接条件下非自发形核：熔合区加热到半熔融状态基本金属的晶粒表面，并以柱状晶的形态向焊缝中心成长，联生结晶（起主要作用）。合金元素或杂质（一般作用不大）。如何细化晶粒？2.熔池中晶核的长大a 联生结晶起主导作用b 当晶体最易长大方向（bcc，fcc 方向）与散热最快方向（温度梯度）相一致，最有利长大。3.1.3 熔池结晶速度和方向 熔池的结晶方向和结晶速度对焊接质量有很大的影响，特别是对裂纹、夹杂、气孔等缺陷的形成影响很大。 熔池在结晶过程中晶粒成长的方向与晶粒主轴成长的线速度vc及焊接速度v有密切关系。晶粒主轴成长方向与结晶等温面正交，并以弯曲

5、状向焊缝中心生长。焊接工艺参数与（090）关系：(熔池半椭球体假设）厚大件上快速堆焊：薄板上自动焊：结论：（1） 晶粒成长的平均线速度是变化的，在熔合线上最小，在焊缝中心最大，vc=0v。 Ky=1， cos=0, =90,Vc=0, 说明熔合区上晶粒开始成长的瞬间，成长的方向垂直于熔合区，晶粒成长的平均线速度等于零。 Ky=0，cos =1, =0,Vc=V, 说明晶粒成长到接触X轴时，晶粒成长的平均线速度等于焊接速度，且方向一致。（2） 焊接工艺参数对晶粒成长方向和平均线速度均有影响 。当焊接速度越大时，角越大，晶粒主轴的成长方向越垂直于焊缝的中心线；相反，当焊接速度小时，则晶粒主轴的成长

6、方向越弯曲。 3.1.4 熔池结晶的形态符合 一般结晶理论，本课程仅分析焊接中的特色部分。1、纯金属的结晶理论（1） 正温度梯度 液相温度高于固相温度，且距界面越远，液相温度越高， 称为正温度梯度，G0。纯金属焊缝凝固时，属于此类，是 平晶。 （2） 负温度梯度 当距界面越远液相的温度越低，称为负温度梯度，G0时的温度分布b)G0时的界面结晶形态d)G0时的界面结晶形态2.固溶体合金的结晶形态合金结晶温度与成分有关，先结晶与后结晶的固液相成分也不相同，造成固液界面一定区域的成分起伏，因此合金凝固时，除了由于实际温度造成的过冷外( 温度过冷)，还存在由于固液界面处成分起伏而造成的过冷，称为成分过

7、冷。所以合金结晶随过冷的不同晶体成长也不同。3、成分过冷对结晶形态的影响 过冷度不同，就会使焊缝出现不同的形态，大致可以分五种结晶形态。 （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成分过冷的情况下。 (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。（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。（4）、 树枝状结晶产生条件：过冷度进一步增大。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。（5）、等轴晶产生条件：过冷度大，温度梯度小。特征：结晶前沿

8、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。结晶形态主要决定于合金中的溶质的浓度C0、结晶速度R和液相中温度梯度G的综合作用。等轴晶树枝状晶胞状树枝晶胞状晶平面晶G / R 1/2 C0 图328 C0、R和G对结晶形态的影响4、焊接条件下的凝固（结晶）形态(1)温度梯度及结晶速度的影响（基本趋势） 在焊缝的熔化边界，由于温度梯度G较大，结晶速度R又较小，故成分过冷接近与零，所以平面晶得到发展。向焊缝中心过渡时，温度梯度G逐渐变小，而结晶速度逐渐增大，所以结晶形态有平面向胞状晶、树枝晶、等轴晶发展。 （2）成分（ 溶质浓度）的影响。 （3）工艺参数的影响 b 焊接速度的影响。

9、 V，熔池中心出现等轴晶。 V小，熔合线附近出现胞状树枝晶。 c 焊接电流的影响。 I小，胞状晶,I较大，胞状树枝晶I大，粗大树枝晶3.1.5 焊缝金属的化学成份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。 （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.（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。3.1 熔池凝固

10、3.2焊缝固态相变3.3焊缝中的气孔、夹杂3.4 焊缝性能的控制3.5 焊接熔合区3.2 焊缝固态相变对于具有同素异构转变的焊缝金属（例如钢），焊接熔池完全结晶后形成的固态焊缝（一次组织），在随后的连续冷却过程中还将发生相变，从而形成相变组织（二次组织），即焊缝最终组织。对钢铁而言，相变组织主要取决于焊缝金属的化学成分和冷却条件。过冷奥氏体的连续冷却转变图-即CCT曲线（复习）焊缝金属连续冷却组织转变图（简称WM-CCT图）3.1 熔池凝固3.2焊缝固态相变3.3焊缝中的气孔、夹杂3.3.1 焊缝中的气孔3.3.2 焊缝中的夹杂3.4 焊缝性能的控制3.5 焊接熔合区3.3 焊缝中的气孔和夹杂

11、1、气孔的类型及其分布特征 （1）焊缝中气孔产生的根本原因 a.高温时金属溶解了较多的气体（H,N),凝固时来不及逸出。 b.焊接冶金反应也会产生气体（CO),凝固时来不及逸出。3.3.1 焊缝中的气孔焊接缺陷：按照GB/T6417.1-2019金属熔化焊焊缝缺欠分类及说明，焊接缺欠分为六类：裂纹、孔穴、固体夹杂、未熔合和未焊透、形状缺陷、其他缺陷。焊接缺欠的存在是焊接结构失效的重要原因之一。裂纹、气孔、夹杂对焊接结构至关重要又容易出现。（2）能形成气孔的气体有2种。 a.高温溶解于液相，凝固相变溶解度下降，来不及逸出(H,N) b.由于冶金反应产生的不溶于金属的气体，如CO. （3）气孔的类

12、型 不同的分类方式，如内部的，表面的；单个的，密集的； 析出的，反应的； 按照产生气孔的气体种类，可分为氢气孔、氮气孔、CO气孔。a. 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（轻金属中），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。 氮气孔一般较少，形成机理同氢气孔。 b.CO气孔 特征：焊缝内部，条虫状，表面光滑。 产生原因：冶金反应。 CO不溶于液态金属。

13、 在高温时C被氧，氧化物氧化，CO以气泡的形式猛烈地逸出。 熔池结晶时FeO氧化C，CO不易逸出，此反应为吸热反应，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。2 焊缝中的形成气孔的机理气孔的形成：气泡生核-长大-上浮： 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 形成气泡核的数目：在纯金属中n非常小，在极纯金属中形成气泡核的可能性很小。焊接熔池现成表面形核需要的能量：结论：a）气泡依附在现成表面，降低和提高Aa/A,Ep减少。 如树枝晶凹陷处，母材尚未熔化晶粒表面。 b）越大，形成气泡核所需能量越小。（2

14、）.气泡长大气泡形成初期，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，气泡成椭圆形，可以得到较大的曲率半径r使Pc减小。（3）、气泡上浮 1）脱离、上浮 气泡核脱离表面主要与 气泡-液体金属-现成表面之间的表面张力有关。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 。(减小2.g1.2,增大1.g 使90)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 2）结晶速度 vc较小时，气泡有充分时间逸出，无气孔，气泡易上浮； v

15、c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3. 影响生成气孔的因素及防治措施（1）冶金因素的影响 a.熔渣氧化性 b.焊条药皮和焊剂的影响 c.铁锈及水分的影响（2） 工艺因素（3）防治措施a 焊件去油、锈；b 烘干焊条；c 短弧焊3.3.2 焊缝中的夹杂1、焊缝夹杂 （1）氧化物 （2）氮化物 （3）硫化物2、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。3.4 焊缝性能的控制1、调整一次组织措施 （1）固溶强化和变质处理 （2） 振动结晶2、改善二次组织的措施 （1）焊后热处理 （2）多层焊接 （3

16、）锤击焊道焊缝 （4）跟踪回火处理3.5 焊接熔合区由部分熔化的母材和部分未熔化的母材组成的窄小区域，化学成分、微观组织和力学性能不均匀，焊接接头最薄若环节。1、熔合区的形成（1）理论（平滑）边界母材上TSTTL（2）实际（参差不齐）边界 a.热源不均匀及晶粒散热不一致 b.局部化学成分不均匀熔合区or线？2.熔合区的特征（1）几何尺寸小 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()母材液固线温度范围越小，熔合区宽度越小。母材导热性越差，热源能量密度高，温度梯度大，熔合区小。比如，一般电弧焊，碳钢低合金钢：0.1330.5mm； 奥氏体