中级焊工理论课件3-4 焊接电弧及焊接冶金知识-焊接熔池的一次结晶、二次结晶、焊接热循环的含义

中级第三章焊接电弧及焊接冶金知识焊工第四节：焊接熔池的一次结晶、二次结晶、焊接热循环的含义及焊接接头组织和性能的变化焊工·中级4.1焊接熔池的一次结晶4.2二次结晶4.3焊接热循环的含义及影响因素4.4焊接接头组织和性能的变化4.1焊接熔池的一次结晶焊缝金属从高温的液体状态冷却至常温的固体状态经历两次结晶过程（1）从液相转变为固相的一次结晶（2）在固相焊缝金属中出现同素异构转变的二次结晶4.1焊接熔池的一次结晶4.1.1特点焊缝金属由液态转变为固态的凝固过程称为焊缝金属的一次结晶。（1）熔池体积小、冷却速度大，产生淬硬、粒状晶等组织；（2）熔池中的金属处于过热状态，金属烧损严重，非自发形核少；（3）溶池在运动状态下结晶，随热源移动，熔化和凝固同时进行，搅拌作用有利于得到性能好的焊缝。4.1焊接熔池的一次结晶4.1.2过程

一次结晶过程：产生晶核、晶核长大。熔合线上最先出现晶核，晶核长大，晶体向熔池中心生长，形成柱状晶；柱状晶长大互相接触，时，焊缝结晶过程结束。图17-4焊接中柱状晶的长大图17-3焊接熔池的结晶过程a)开始结晶b)晶体长大c)柱状结晶的d)结晶结束a)c)b)d)4.1焊接熔池的一次结晶4.1.3一次结晶过程中的偏析偏析的定义焊缝金属中化学成分分布不均匀的现象称为偏析。偏析的影响

（1）偏析的化学成分分布不均导致性能改变；（2）产生裂纹、气孔、夹杂物等焊接缺陷。偏析的分类（1）显微偏析

熔池一次结晶时，最先结晶的结晶中心金属最纯，后结晶部分含其它合金元素和杂质略高，最后结晶部分，即结晶的外端和前缘所含其它合金元素和杂质最高。在一个晶粒内部和晶粒之间的化学成分分布不均匀现象称为显微偏析。

影响显微偏析的主要因素是金属的化学成分。4.1焊接熔池的一次结晶4.1.3一次结晶过程中的偏析偏析的分类（2）区域偏析熔池一次结晶时，由于柱状晶体的不断长大和推移，会把杂质“赶”向熔池中心，使熔池中心的杂质含量比其它部位多，这种现象称为区域偏析。焊缝的断面形状对区域偏析的分布影响很大。窄而深的焊缝，各柱状晶的交界在其焊缝的中心，因此焊缝中心聚集有较多的杂质，见图a)。这种焊缝在其中心部位极易产生热裂纹。宽而浅的焊缝，杂质则聚集在焊缝的上部，见图b)，这种焊缝具有较高的抗热裂能力

图17-5焊缝断面形状对偏析分布的影响a)b)4.1焊接熔池的一次结晶4.1.3一次结晶过程中的偏析偏析的分类（2）区域偏析焊接材料的合金成分或杂质越多，区域偏析越严重；熔池的冷却速度越慢，偏析越严重。焊接速度大越大，柱状晶成长越垂直于焊缝中心，易形成脆弱的结合面，如图a)，偏析聚集在焊接中心线附近，此处易产生焊缝的纵向裂纹。焊接速度越小，柱状晶成长方向越弯曲，偏析情况有所减轻，如图b)。a)b)图17-6焊接速度对柱状晶成长方向的影响a)快焊速b)慢焊速

4.1焊接熔池的一次结晶4.1.3一次结晶过程中的偏析偏析的分类（3）层状偏析熔池在一次结晶的过程中，要不断地放出结晶潜热，当结晶潜热达到一定数值时，熔池的结晶就出现暂时的停顿。以后随着熔池的散热，结晶又重新开始，形成周期性的结晶，伴随着出现结晶前沿液体金属中杂质浓度的周期变动，产生周期性的偏析称为层状偏析。层状偏析集中了一些有害元素，因此缺陷往往出现在层状偏析中。由层状偏析所造成的气孔（如图）。层状偏析同样使焊缝力学性能不均匀，耐腐蚀性能也不一致。a)b)图17-7层状分布的气孔a)焊缝横断面b)焊缝纵断面

4.1焊接熔池的一次结晶4.1.4夹杂由焊接冶金反应产生的，焊后残留在焊缝金属中的微观非金属杂质，称为夹杂物。夹杂物种类硫化物——MnS和FeS，其中FeS是促使热裂纹形成的主要因素之一。

氧化物——SiO2、MnO、TiO2和Al2O3等，一般都以硅酸盐的形式存在。

这些夹杂物是焊缝中引起夹渣的原因之一。氮化物——焊缝中很少出现（时效时可能出现Fe4N析出）。4.2二次结晶定义一次结晶结束后，熔池就转变为固体的焊缝。高温的焊缝金属冷却到室温时，要经过一系列的组织相变过程，这种相变过程称为焊缝金属的二次结晶。

低碳钢焊缝二次结晶组织性能低碳钢焊缝金属二次结晶结束时,其组织为铁素体加珠光体。低碳钢在材料极缓慢的冷却条件下获得的，实际上焊缝金属二次结晶时的冷却速度相当快，因此组织中的珠光体含量会增加，冷却速度越高，珠光体含量也越多，焊缝的硬度和强度也随之增加,塑性和韧性则随之降低。改善低碳钢焊缝二次结晶组织性能的措施（1）控制冷却速度（2）采用多层焊（3）焊后热处理4.3焊接热循环的含义及影响措施在焊接热源作用下，焊件上某一点的温度随时间的变化规律，叫该点的焊接热循环。规律（1）焊件上任意点的温度经历由低到高、又由高到低的加热和冷却过程，；（2）距离热源移动轴线位置不同的各点，所经历的热循环是不同的；（3）焊接方法不同，热循环曲线（如图17-8）的形状也不同。特点（1）加热速度快；（2）加热温度高；（3）

高温停留时间短（4）冷却速度快；（5）局部加热焊接是一个不均匀加热和冷却过程，结果导致：（1）焊接热影响区的组织和性能不均匀（2）接头中产生复杂的应力和应变4.3.1概念4.3焊接热循环的含义及影响措施焊接热循环主要参数（1）加热速度ωH加热速度ωH快，奥氏体化温度升高，奥氏体中的碳化物溶解不充分，奥氏体均质化程度低，稳定性差。（2）峰值温度Tm焊缝两侧各点的Tm不同，冷却过程中发生的相变不同，组织性能不同。（3）高温停留时间tA在相变温度TA以上停留的时间。一般指1100～1200℃以上的停留时间。tA越长，越有利于奥氏体的均质化，同时带来严重的晶粒长大。（4）冷却速度

冷却速度是决定焊接HAZ组织和性能的主要参数。

4.3焊接热循环的含义及影响措施加热速度ωH

最高加热温度Ｔm

相变温度以上停留时间tA冷却速度ωc相变组织晶粒大小图17-8焊接热循环曲线及各参数4.3焊接热循环的含义及影响措施（1）焊接参数和热输入焊接电流、电弧电压、焊接速度、线能量等对热循环影响很大。功率大、焊接速度快时，加热时间短、范围窄，冷却快；焊接速度慢时，则相反。熔焊时，由焊接能源输入给单位长度焊缝上的能量，称为焊接热输入。电弧焊时的热输入，可用下式表示：式中——热输入，J/cm;

I焊——焊接电流，A；

U焊——电弧电压，V;

v——焊接速度，cm/s;

η——电弧的有效热功率利用系数。焊条电弧焊η≈0.75~0.87；埋弧焊η≈0.77~0.90；钨极氩弧焊η≈0.70~0.85。4.3.2影响因素4.3焊接热循环的含义及影响措施（2）预热和层间温度焊接性差的钢材，一般要采取预热和保持层间温度的技术措施，以降低焊接接头的冷却速度，降低焊接过程的淬硬倾向，防止裂纹的产生。金属材料预热温度一般不超过350℃，在低温（600℃）时对冷却速度能起到显著的降低作用，对tA值影响不大，所以预热对焊接线能量不起增强作用，对焊接热循环是有利的。在多层多道焊接中，层间温度一般等于或略高于预热温度，控制层间温度的目的在于降低焊接接头在低温时的冷却速度，有利于焊接热循环的作用，另外，还可促使扩散氢逸出焊接区，利于防止延迟裂纹。（3）其他因素板厚、接头形式和材料的导热性对焊接热循环也有很大影响。板厚增大时，冷却速度增大，角焊缝比对接焊缝冷却速度大。4.3.2影响因素4.4焊接接头组织和性能的变化低碳钢和含合金元素较少的低合金高强度钢（Q345、Q390）,其热影响区分为过热区、正火区、部分相变区、再结晶区。（1）过热区过热区是处于1100℃至固相线间的高温部位，这部分加热温度大大超过相变温度，该区母材中铁素体和珠光体全部变为奥氏体，且奥氏体晶粒急剧长大，冷却后成为粗大的过热组织，使金属冲击韧性大大降低。过热区是焊接接头的最危险的易破坏区段，其性能最差。（2）正火区正火区处于AC3至1100℃间的部分金属，其铁素体和珠光体全部转变为奥氏体，由于焊接速度快，高温停留时间短，奥氏体来不及长大，冷却下来得到的是细小的铁素体和珠光体组织。焊接热循环对这部分金属的影响相当于热处理中的正火工艺，冷却后的组织比原基本金属细小，具有哦较高的强度，较好的塑性和韧性，故而正火区是焊接接头组织和性能最佳的部位。4.4.1不易淬火钢4.4焊接接头组织和性能的变化（3）部分相变区该区段金属被加热到AC1~AC3温度之间，珠光体转变为奥氏体，铁素体部分溶入奥氏体，在加热过程中，随着温度的升高奥氏体的转变随着增多，未溶入奥氏体的铁素体减少，在冷却过程中，奥氏体转变为细小的珠光体和铁素体，而未被溶入奥氏体铁素体不发生转变，可见，重结晶过程是不完全的，该区又称不完全重结晶区。部分相变区金属随着温度的升高晶粒略有长大，其晶粒的大小不均匀，而且相互混杂在一起，成为焊接接头强度最低的部位。（4）再结晶区金属加热的温度为400℃~AC1，对经过冷塑性变形而产生碎晶和晶格扭曲缺陷的基本金属，在该区的加热温度范围会发生再结晶过程，再结晶的结果，晶粒重新稍有长大，塑性稍有改变。对于无冷塑性变形的金属则本区不出现。4.4.1不易淬火钢4.4焊接接头组织和性能的变化图17-9焊接热影响区的温度分布与Fe-C状态图的关系4.4焊接接头组织和性能的变化包括中碳钢、低碳调制高强钢、中碳调制高强钢等，如果母材焊前处于退火状态，则可分为完全淬火区和不完全淬火区，如果母材焊前是调制状态，还要形成一个回火区。（1）完全淬火区淬火区是被加热到1100℃以上的金属部位，该区金属在冷却时，高碳当量的奥氏体转变为淬火组织马氏体，焊缝附近是粗大马氏体，相当于正火区域的是细小马氏体。室温下其组织硬而脆，塑韧性低，并且容易产生冷裂纹。（2）不完全淬火区该区被加热在AC1至AC3之间的温度范围内，加热时母材铁素体少量溶解，珠光体、贝氏体、索氏体转为奥氏体；冷却时其金属部分