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1、第三章 熔池凝固和焊缝固态相变1主要内容第一节 熔池凝固 第二节 焊缝金属的一次结晶组织 第三节 焊缝固态相变 第四节 焊缝中的气孔和夹杂2熔池凝固过程的研究目的： 熔池凝固过程对焊缝金属的组织、性能具有重要影响。 焊接工程中，由于熔池 中的冶金条件和冷却条件不同，可得到性能差 异很大的组织。 同时有许多缺陷是在熔池凝固的过程中产生的，如气孔、夹杂、偏析 和结晶裂纹等。 另一方面，焊接过程是处于非平衡的热力学条件，因此熔池金属在凝 固过程中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）。这些缺陷的发展严重影响焊缝的金属 的性能。3熔焊时，在高温热源的作用下，母
2、材将发 生局部熔化，并与熔化了焊丝金属搅拌混 合而形成焊接熔池（Weld Pool）。与此同时，进行了短暂而复杂的冶金反应 。 当焊接热源离开以后，熔池金属便开始凝 固（结晶），如图3-1。第一节 熔池凝固一、熔池的凝固条件和特点 结晶过程：晶核生成、晶核长大 1.熔池的体积小、冷却速度大 含碳高、合金元素较多的钢种，容易产生淬硬组织，甚至焊道上 产生裂纹 熔池中心和边缘有较大的温度梯度，致使焊缝中柱状晶得到很大 发展，一般情况下没有等轴晶，只有在焊缝断面的上部有少量的 等轴晶（电渣焊除外）。 2.熔池中的液态金属处于过热状态 合金元素的烧损比较严重，使熔池中非自发形核的质点大为减少 （柱状晶
3、的形成原因之一）。 3.熔池是在运动状态下结晶（如图3-2） 熔池以等速随热源移动，熔化和凝固同时进行。气体吹力，焊条 摆动、内部气体逸出等产生搅拌作用，利于排除气体和夹杂，有 利于得到致密而性能好的焊缝。4二、熔池结晶的一般规律1.熔池中晶核的形成 自发形核所需能量： 其中：新相-液相的界面张力Fv单位体积内固液两相自由能之差非自发形核所需能量：=0 Ek=0 液相中有大量的悬浮质点和现成表面。=180Ek=Ek全自发形核，不存在非自发晶核的现成表面。= 0 180时，Ek/ Ek=01，说明在液相中有现成表面存在时，将会降 低形成临界晶核所需的能量。5二、熔池结晶的一般规律角的大小决定于新
4、相晶核与现成表面之间的表面张力。如果新核与 液相中的原有表面固体粒子的晶体结构越相似（即点阵类型与晶格常 数相似），则二者之间的表面张力越小， 角也越小，那么自发非自 发晶核的能量也越小。 因此，对于焊接熔池来讲，非自发晶核起了主要作用。6熔池中的现成表面 合金元素或杂质的悬浮质点（在一般情况下所起作用不大） 熔合区附近加热到半熔化状态的基体金属晶粒表面，非自发晶核 就依附在这个表面上，并以柱状晶的形态向焊缝中心成长，形成 所谓交互结晶（或称联生结晶），如图3-4、3-5所示。 焊接时，为改善焊缝金属的性能，通过焊接材料加入一定量的合 金元素（如钼、钒、钛、铌等），可以作为熔池中非自发形核的
5、质点，从而使焊缝金属晶粒细化。72.熔池中的晶核长大 熔池中晶核形成之后，就以这些新生的晶核为核心，不断 向焊缝中心成长。但是，长大的趋势各不相同，有的柱状 晶体严重长大，一直可以成长到焊缝中心，有的晶体却只 成长到半途而停止。 晶粒由为数众多的晶胞组成，在一个晶粒内部这些晶胞具 有相同的方位，称为“位向”。不同的晶粒具有不同的位向 ，称为各向异性。因此，在某一个方向上的晶粒就最易长 大。此外，散热的方向对晶粒的长大也有很大的影响。8 当晶体的最易长大方向与最大温度梯度方向（最快散热方 向）相一致时，可优先成长，可一直长至熔池的中心，形 成粗大的柱状晶体。 有的晶体由于取向不利于成长，与散热最
6、快的方向又不一 致，这时晶粒的成长就停止下来。 以上称之为焊缝中柱状晶体的选择长大，如图3-6。9三、熔池结晶的线速度 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 影响更大。 焊接熔池的外形为椭球状的曲面 ，即结晶的等温面，熔池的散热 方向是垂直于结晶等温面的，因 此，晶粒的成长方向也是垂直于 结晶等温面的。 由于结晶等温面是曲面，因此晶 粒成长的主轴必然是弯曲的。 如图3-7所示，晶粒主轴的成长方 向与结晶等温面正交，并且以弯 曲的形状向焊缝中心成长。101.晶粒主轴生长的线速度(Vc)分析 晶粒生长的线速度分析图（如图3-8） 在dt内，当结晶
7、等温面由AB时，变化的距离为dx，则 dx/dt=V（焊接速度），此时该晶粒生长由AC，变化距离为 ds，则ds/dt=Vc，当dt0时，BC垂直于AC，即： cos取决于焊接规范和材料的热物理性质及形状11cos值的确定 厚大件： 薄件： 对Vc的讨论 =0 时，Vc=V（焊缝中心线） =90时，Vc=0（熔合线，焊缝边界）即晶粒生长速度是变化的 V，生长越垂直于焊缝中心，易形成脆弱的结合 线，产生纵向裂纹 VVc，所以焊易裂材料时，不能用大的焊速1213四、熔池结晶的形态1.分类 结晶形态的不同，是由于金属的纯度和散热条件 的不同所致。 2.纯金属的结晶形态（如图3-16） 正的温度梯度：
8、平面晶，生长缓慢（主要） 负的温度梯度：生长速度快，除主轴外，还有分枝 ，生成树枝晶（较少）143.固溶体的结晶形态（如 图3-16b)、d)） 温度过冷：结晶潜热 所致固相前部温度高， 液相温度低 成分过冷：先结晶温 度高，后结晶温度低， 快速结晶时，易出现树 枝晶153.成分过冷对结晶形态的影响 平面结晶（如图3-24） GT 胞状结晶（如图3-25） G与T少量相交 胞状树枝结晶（如图3-26）G与T相交较大，晶 粒主轴快速伸向液相内部，横向排溶质，故横向也出 现分枝 树枝状结晶（如图3-27） 当成分过冷进一步增大 ，树枝晶显著 等轴结晶（如图3-28） 液相成分过冷区很宽， 不仅在前
9、沿生成树枝晶，内部也形成树枝晶等轴晶1617 温度梯度G 实际结晶温度T，无 成分过冷，平面晶，高纯度的金属18 G与T少量相交，具有较小的成分过冷19 G与T相交较大，具有较大的成分过冷区域 晶粒主轴快速伸向液相内部，横向排溶质，故 横向也出现分枝。20 当成分过冷进一步增大，即温度梯度G与实 际结晶温度相交的面积很大时，形成明显的树 枝晶。21 当液相的温度梯度G很小，能在液相中形成 很宽的成分过冷区，不仅在结晶前沿生成树枝 晶，同时液相的内部也形成树枝晶等轴晶综合（如图3-28）结晶形态的不同，主要决定于合金中溶质 的浓度（杂质）C0、结晶速度（或晶粒长 大速度）R和液相的温度梯度的综合
10、作用。 当结晶速度R和温度梯度G不变时，随 合金中溶质浓度的提高，则成分过冷增 加，从而使结晶形态由平面晶变为胞状 晶、胞状树枝晶、树枝状晶、最后到等 轴晶 当合金中溶质的浓度C0和温度梯度一定 时，结晶速度R越快，成分过冷的程度 越大，结晶形态也可由平面晶过渡到胞 状晶、树枝状晶，最后到等轴晶 当合金中溶质浓度C0和结晶速度R一定 时，随液相温度梯度的提高，成分过冷 的程度减小，因而结晶形态的演变方向 恰好相反，由等轴晶、树枝晶逐步演变 到平面晶2223 焊缝各部位结晶形态的变化 熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，成分过冷的分 布不同，焊缝各部位出现不同的结晶形态：平面晶、胞状 晶、树枝
11、状晶、等轴晶。24实际焊缝凝固金属的组织形态实际焊缝凝固金属的组织形态不一定 具有上述全部结晶形态，一般来说由 柱状晶和少量等轴晶构成。 柱状晶+少量等轴晶 柱状晶内：平面晶、胞状晶、树枝状 晶 等轴晶内：树枝晶25 焊条电弧焊接凝固组织Q235、14MnMoNbB钢26 埋弧焊接凝固组织Q235A钢五、焊缝的化学成分不均匀性1.焊缝中的化学成分不均匀性 显微偏析： 先结晶的合金溶质浓度C0低，后结晶的合金溶质浓度 C0高，即晶粒中心C0高，边缘低 原因：冷却速度快，来不及均匀化 要求细晶化，降低偏析 区域偏析 焊缝中心部位聚集较多低熔点杂质，柱状晶结晶的结 果 层状偏析 结晶（熔滴过渡）的周
12、期性所致272.熔合区的化学成分不均匀性 熔合区的形成 母材与焊缝交界的地方并不是一条线，而是一个区域 熔合区熔化不均（传热、半熔化晶粒散热不均匀） 熔合区宽度（P131）28熔合区成分分布（如图3-39) 溶质在液相中的溶解度 在固相中的溶解度 故：固相浓度 界面液相浓度 C0 C C0 C0 + C 分配取决于扩散系数和分配系数，特别是S、P、C、B、O、N等 熔合区还存在物理不均匀（组织、性能） 焊接接头的薄弱部位29第二节 焊缝金属的一次结晶组织一、焊接条件下的凝固结晶形态 1.理论上 熔合线处：G最大、R最小平面晶 焊缝中心处：G最小、R最大等轴晶 2.实际上（不一定全部形态都出现，
13、与许多因素有关） 成分：溶质浓度C0对成分过冷的影响 板厚和接头形式：影响温度梯度 焊接速度 VR,熔合线处G,焊缝中心处G出现大量等轴晶（否则 出现胞状晶或树枝晶） 焊接电流 IG,胞状晶粗大胞状树枝状晶3031 钨极氩弧焊接凝固组织纯度为99.99%的铝焊缝-a）：平面晶-胞状晶纯度为99.6%的铝焊缝-b）、c）：胞状树枝晶-等轴晶32焊接工艺参数对焊缝结晶形态的影响 p焊接速度的影响 VR成分过冷等轴晶胞状树枝晶33焊接工艺参数对焊缝结晶形态的影响焊接电流 IG成分过冷粗胞状树 枝晶胞状晶胞状树枝晶二、凝固组织形态对性能的影响 生成粗大的树枝状晶，韧性降低，对气孔、夹杂、热 裂都有影响
14、 消除粗大的树枝晶 三、焊缝金属的性能的改善措施 1.固溶强化和变质处理 加入Mo、V、Ti、Zr、Al、B、N、稀土Te等 2.振动结晶 机械振动、高频超声振动、电磁振动 3.焊接工艺 焊后热处理、多层焊（层间回火）、锤击、跟踪回火 等34第三节 焊缝固态相变完全凝固之后，在连续冷却过程中，对于 钢铁材料将发生组织转变，转变后的组织 是根据焊缝的化学成分和冷却条件而定的 。 一、低碳钢焊缝 组织特征：F（白色）+少量P，A晶界 析出F，有时F呈魏氏组织形态 魏氏组织特征：过热组织，铁素体在 奥氏体晶界呈网状析出，也可从奥氏 体晶粒内部沿一定方向析出，具有长 短不一的针状或片条状，可直接插入
15、珠光体晶粒之中，一般经A3点以上 2030正火后，柱状晶可消除。 冷速不同，组织不同：冷速增加，P 增多，F减少，硬度升高35魏 氏 组 织二、低合金钢的固态相变 1.总的来说，以F+P为主，有时出现B及M，具体是 否出现则与焊材及工艺有关（成分、冷速） 2.铁素体（F）转变（Firrite，F）转变 粒界F（高温转变770680）：为先共析F，由奥氏体晶界析出 向晶内生长，呈块状 侧板条F（700550）：由奥氏体晶界形核，以板条状向晶内生 长（由于F形成温度较低，F内含碳极低，故又称为无碳贝氏体） 针状F（500附近）：大都非自发形核，在奥氏体内形成 细晶F （500以下） ：奥氏体晶内形成，有细化晶粒元素（Ti、 B）出现时，晶界有Fe3C出现，接近上贝氏体3637焊缝中铁素体的类型（1）先共析铁素体（Pro-eutectoid Ferrite， PF） v温度：770-680 ； v位置：沿奥氏体晶界,又称为粒界铁素体（Grain Boundary Ferrite, GBF) v形态：长条形或多边形块状 v性能特点：使韧性下降（低屈服点）条状块状38（2）侧板条铁素体（Ferrite Side Plate，
