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1、徐 州 工 程 学 院 教 案 纸第三章 熔池的凝固和焊缝的固态相变焊接时，在高温热源的作用下，母材要发生局部熔化，并和熔化了的焊丝金属混合而形成熔池。与此同时，也进行了短暂而复杂的冶金反应，当焊接热源离开以后便开始结晶。熔池的结晶情况对焊缝的组织、性能有重要的影响,焊缝的许多缺陷:气孔,夹杂,偏析和结晶裂纹均是在熔池的凝固过程中产生的,另一方面,焊接过程是处于非平衡的热力学条件下，因此凝固过程会产生许多晶体缺陷,如点缺陷(空位和间隙原子)、线缺陷(位错)和面缺陷(界面). 3-1 熔池的凝固一、熔池凝固的条件和特点(特殊性)熔池的结晶规律和钢锭一样.都是晶核的生长和晶核的长大.由于其凝固条件
2、不同.其特殊性如下:1、熔池的体积小,冷却速度大（1）Vmax=30cm3 Gmax=100g 钢锭几吨到几十吨（2）V冷熔池=4100/s V冷钢锭= (3150)10-4 /s作用:a.高碳钢、合金元素较多的钢种易产生淬硬组织和裂纹 b.熔池V冷大，故易产生柱状晶,一般情况下焊缝中无等轴晶，只有在焊缝断面上部有少量等轴晶(电渣焊除外)2、熔池的液态金属处于过热状态 低碳钢施焊 熔池 1770100 熔滴 2300100 钢锭 Tmax=1500作用:Me烧损严重.非自发晶核质点, 柱状晶 3、熔池在运动状态下结晶作用：温度的不同导致的运动，气体的吹力，焊条的摆动，熔池内部的气体排出有利于搅
3、拌作用，有利于排出气体和夹杂物，从而获得致密的焊缝。二、熔池结晶的一般规律。1、熔池中晶核的形成：自发晶核和非自发晶核。（生成晶核的热力学条件是过冷度而造成的自由能降低，进行结晶的过程的动力学条件是自用由能降低的程度。这两个条件在焊接过程中都是具备的。）对于熔池来说，非自发晶核起重要作用。焊接时，为了改善焊缝金属的力学性能，通过焊接材料加入一定量的Me(Mo、V、Nb、Ti B等)可以作为熔池中的非自发晶核的质点，从而使焊缝晶粒细化。2、熔池中的晶核长大（1）从靠近熔合线处母材上联生地长大起来（2）当晶粒长大的方向与散热最快方向（温度梯度最大的方向）一致有利于晶粒的长大。实践证明：熔池结晶的方
4、向和结晶速度对焊接质量影响很大，特别是对裂纹、气孔，夹杂等形成影响很大。三、熔池结晶的线速度1、晶粒成长的平均线速度是变化的：熔合线上最小（等于零），焊缝中心最大（等于焊速）。2、焊接速度对晶粒的长大方向及平均线速度的影响很大（1）V焊晶粒主轴的成长方向越垂直于焊缝中心。故采用过大焊速时，主轴的成长方向垂直于焊缝中心易形成脆性结合面，常在焊缝的中心产生纵向裂纹。（2）V焊，晶粒成长的平均线速度（Vc=Vcos）易利于柱状晶的形成。对于焊缝金属，开始凝固时并不形核，而是在母材基础上联生长大。四、熔池的结晶形态：易出现柱状晶和少量等轴晶（等轴树枝晶）显微镜下观察，每个柱状晶内部还有不同的形态：如平
5、面晶、胞晶、树枝状晶。1、纯金属结晶的形态：凝固点为恒温度，过冷度的大小取决于温度梯度。（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，因此过冷度小或为负，使伸入液态金属内部的晶体成长缓慢形成平面晶。（G0）（2）负温度梯度：液态内部的温度比界面低，过冷度大形成树枝晶，（使伸入液态金属内部的晶体长成速度很快），距界面越远液相的温度越低。（G900短时间加热可使柱状组织消失冲击韧性，但T1100晶粒粗化。 （3）V冷P量而组织细化，硬度总之，低碳钢焊缝的固态相变组织随匹配焊材的化学成份和冷却条件不同得到组织不同，但由于CwmCBM所以组织为F+P.二、低合金钢焊缝的固态相变组
6、织F+P+（B+M）（在高强钢焊缝中有）1、F的转变（1）先共折F（粒界F） PF( Proeutectoid ferrite) GBF(Grain Boundary ferrite)温度:770680形成：由A晶界析出呈细条状或块状分布（2）侧板条F（Ferrite side plate）FSP温度：700-550形成：在A晶界析出，向晶内以板条状生长。（3）针状F（Aciaclar Ferrite）AF温度:500附近。形成：在A晶内形成，以某些质点（氧化物夹杂）为核心放射性生成。（4）细晶F（Fxime grain Ferrite）FGF温度：450形成：A晶内形成，细晶之间有P和K(F
7、e3C)形成（析出）介于F和B之间的转变产物，称贝氏F。(主要是由细化晶粒的元素存在)2、P的转变焊接条件是属非平衡的介稳状态，所以一般情况下，低合金钢焊缝组织的固态转变很少能有P的转变，除非在很缓慢的冷却速度下，才有少量的P组织存在。细晶粒元素B.Ti抑制P的转变。按细密程度，P分：层状P，粒状P（屈氏体），细P-索氏体3、B的转变：属于中温转变 550-Ms(此时合金元素不能扩散，只有C能够扩散上B：呈羽毛状，沿A晶界析出。下B：与回火针状M相似粒状B:块状F上M-A组元以粒状分布时条状B：针状F上M-A组元以条状分布时4、M的转变（1）板条M（lath martensite）低CM或位错
8、M在低C的合金焊缝中特点：在A晶粒内部形成细条状M板条，条与条之间有一定的交角。（2）片状M（plate martensite），孪晶M焊缝的含C量高。特点：M不相互平形，初始形成M较粗大。5、低合金钢焊缝金属连续冷却组织转变图P141图3-55，WM-CCT（1）冷速较小时，得到块状F+P；冷速较大时，得到针状F，B和M。（2）Me%，WM-CCT曲线右移易形成针状F+B+M三、改善焊缝固态相变组织的措施（焊缝性能的控制措施）1、固溶处理和变质处理（有效方法之一）固溶处理（MnSi）提高焊缝韧性是有限的，因此最有效的方法还是变质处理。通过焊接材料向熔池中加入细化晶粒的元素：Mo、Ti、Nb、Zr、Al、B、N稀土等细化晶粒，改变结晶的形态，强度、韧性和抗裂性。2、振动结晶通过破坏正在成长的晶粒，从而获得细晶粒的组织。（1）机械振动（低频振动）f1000HZ A=2mm工件上 f=20-60HZ A=0.05-2.0mm焊丝上 f=100HZ A=0.5-1.5mm作用：a.细化晶粒 b.熔池的搅拌作用，使气体和夹杂上浮，气孔和夹杂（2）超声波 振动（高频） f20000HZ A10-4mm.直接接到熔
