西安工大焊接冶金學基本原理-第3章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變

1、西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化學冶金焊接化學冶金焊接冶金學焊接冶金學-基本原理基本原理主講主講: 張文興張文興西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院2014年年11月月共需 4學時西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變第第3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：3.1熔池凝固熔池凝固3.2焊縫固態(tài)相

2、變焊縫固態(tài)相變3.3焊縫中的氣孔、夾雜焊縫中的氣孔、夾雜西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接熱過程焊接熱過程 焊接化學冶金過程焊接化學冶金過程 焊縫結晶及焊接組織焊縫結晶及焊接組織 焊接熱影響區(qū)的組織與性能焊接熱影響區(qū)的組織與性能 焊接裂紋焊接裂紋焊接冶金學主要內(nèi)容焊接冶金學主要內(nèi)容v焊接接頭形成以熔化焊為例，焊接過程經(jīng)過了v加熱加熱v熔化熔化v冶金反應冶金反應v結晶結晶v固態(tài)相變固態(tài)相變v接頭接頭焊縫焊縫熱影響區(qū)熱影響區(qū)西安工業(yè)大學西安工業(yè)

3、大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變?nèi)鄢啬倘鄢啬?形成焊縫形成焊縫熔池的固液相變?nèi)鄢氐墓桃合嘧儯蹋蹋┤鄢氐慕Y晶過程熔池的結晶過程焊縫的組織焊縫的組織氣孔、夾雜、氣孔、夾雜、偏析、結晶裂紋偏析、結晶裂紋焊縫的性能焊縫的性能 正常正常 不正常不正常（缺陷）（缺陷）西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變3.1 熔

4、池凝固熔池凝固3.1.1 熔池凝固的條件和特點熔池凝固的條件和特點3.1.2 熔池結晶的一般規(guī)律熔池結晶的一般規(guī)律3.1.3 熔池結晶速度和方向熔池結晶速度和方向3.1.4 熔池結晶的形態(tài)熔池結晶的形態(tài)3.1.5 焊縫金屬的化學成份不均勻性焊縫金屬的化學成份不均勻性3.2 焊縫固態(tài)相變焊縫固態(tài)相變3.3 焊縫中的氣孔、夾雜焊縫中的氣孔、夾雜3.4 焊縫性能的控制焊縫性能的控制西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變3.1 熔池凝固熔池凝固3.1.1

5、熔池凝固的條件和特點熔池凝固的條件和特點 （與普通鋼鐵凝固相比較）（與普通鋼鐵凝固相比較）（1）焊接熔池體積小，冷卻速度高；）焊接熔池體積小，冷卻速度高； 最大最大100g，平均，平均4100 /s，約為鑄造的，約為鑄造的104倍。倍。 淬硬傾向大、易開裂。淬硬傾向大、易開裂。（2）焊接熔池的液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài)）焊接熔池的液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài) 熔池熔池1770100; 鋼錠鋼錠1550 。冶金反應劇烈、燒損嚴重。冶金反應劇烈、燒損嚴重西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)

6、相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變（3）熔池在運動狀態(tài)下結晶）熔池在運動狀態(tài)下結晶結晶前沿隨熱源同步運動，焊縫組織和外形規(guī)律性變化結晶前沿隨熱源同步運動，焊縫組織和外形規(guī)律性變化液態(tài)金屬受到力的攪拌運動，冶金反應充分液態(tài)金屬受到力的攪拌運動，冶金反應充分魚鱗紋示意圖魚鱗紋示意圖魚鱗紋實圖魚鱗紋實圖西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變3.1.2 熔池結晶的一般規(guī)律熔池結晶的一般規(guī)律 焊接時，熔池金屬的結晶與一般煉鋼時鋼錠的結晶一樣，也是焊接時，熔池金屬的結

7、晶與一般煉鋼時鋼錠的結晶一樣，也是在在過冷過冷的液體金屬中，首先的液體金屬中，首先形成晶核形成晶核和和晶核長大晶核長大的結晶過程。的結晶過程。 形核的熱力學條件形核的熱力學條件是過冷度而造成的自由能降低；是過冷度而造成的自由能降低； 形核的動力學條件形核的動力學條件是自由能降低的程度。是自由能降低的程度。 下面來分析焊接條件下有那些特點。下面來分析焊接條件下有那些特點。 1、熔池中晶核的形成、熔池中晶核的形成熔池中晶核的生成分為：非自發(fā)晶核、自發(fā)晶核。形成兩種晶核熔池中晶核的生成分為：非自發(fā)晶核、自發(fā)晶核。形成兩種晶核都需要能量。都需要能量。（1）自發(fā)形核：）自發(fā)形核：32163KKFE：新相

8、與液相間的表面能。：新相與液相間的表面能。FK：單位體積內(nèi)液固兩相自由能差。單位體積內(nèi)液固兩相自由能差。西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變（2）非自發(fā)形核）非自發(fā)形核3323162 3coscos342 3coscos4(0180 )( )KkFKKKEEEE f ：非自發(fā)晶核的浸潤角：非自發(fā)晶核的浸潤角 f()=01。如。如=10，f()=0.0017=0,EK=0,液相中存在懸浮質點和液相中存在懸浮質點和 某些現(xiàn)成表面。形核容易。某些現(xiàn)成表

9、面。形核容易。=180,EK=EK，只存在自發(fā)形核。只存在自發(fā)形核。 形核較難。形核較難。研究表明，焊接熔池結晶，非自發(fā)形核主導。研究表明，焊接熔池結晶，非自發(fā)形核主導。西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變 接觸角接觸角 基底形狀基底形狀對臨界晶核的影響對臨界晶核的影響 對臨界晶核的影響對臨界晶核的影響 AGG313162V3西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineeri

10、ng第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變關于關于： 取決于新相晶核與現(xiàn)成表面之間的表面張力，取決于新相晶核與現(xiàn)成表面之間的表面張力，若結構相似，若結構相似，表面張力越小表面張力越小, ,越小越小，濕潤性越好，形核需要能量越小。，濕潤性越好，形核需要能量越小。 如果新相與母材屬于同一物質，則形核所需能量為如果新相與母材屬于同一物質，則形核所需能量為0 0，即，即不需形核，直接長大。不需形核，直接長大。焊接條件下非自發(fā)形核焊接條件下非自發(fā)形核：熔合區(qū)的液態(tài)金屬依附于熔合區(qū)的液態(tài)金屬依附于母材母材晶粒表面長大，而形成同一晶粒，晶粒表面長大，而形成同一晶粒，并以柱狀晶的形態(tài)向焊

11、縫中心成并以柱狀晶的形態(tài)向焊縫中心成長，即長，即聯(lián)生結晶（起主要作用）。聯(lián)生結晶（起主要作用）。合金元素或雜質（一般作用不合金元素或雜質（一般作用不大）。大）。如何細化晶粒？如何細化晶粒？西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變2.熔池中晶核的長大熔池中晶核的長大a 聯(lián)生結晶起主導作用聯(lián)生結晶起主導作用b 當晶體最易長大方向（當晶體最易長大方向（bccbcc，fccfcc 方向）與散熱最快方向（溫方向）與散熱最快方向（溫度梯度）相一致，最有利長大。度

12、梯度）相一致，最有利長大。不銹鋼自動焊時的聯(lián)生結晶不銹鋼自動焊時的聯(lián)生結晶西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變3.1.3 熔池結晶速度和方向熔池結晶速度和方向 熔池的結晶方向和結晶速度對焊接質量有很大的影響，特別是對熔池的結晶方向和結晶速度對焊接質量有很大的影響，特別是對裂紋、夾雜、氣孔等缺陷的形成影響很大。裂紋、夾雜、氣孔等缺陷的形成影響很大。 熔池在結晶過程中熔池在結晶過程中晶粒成長的方向晶粒成長的方向與與晶粒主軸成長的線速度晶粒主軸成長的線

13、速度vc及及焊接速度焊接速度v有密切關系。有密切關系。晶粒主軸成長方向與結晶等溫面正晶粒主軸成長方向與結晶等溫面正交，并以彎曲狀向焊縫中心生長。交，并以彎曲狀向焊縫中心生長。西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變 cosdxds cosdtdxdtdscoscvvds dx圖圖 晶粒成長線速度分析圖晶粒成長線速度分析圖西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3

14、 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接工藝參數(shù)與焊接工藝參數(shù)與（0 09090）關系：關系：( (熔池半橢球體假設）熔池半橢球體假設）212z2y2z2yMKK1KKTqVA1cos 212y2y2MK1KTqA1cos 厚大件上快速堆焊：厚大件上快速堆焊：薄板上自動焊：薄板上自動焊：西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變結論：結論：（1 1） 晶粒成長的平均線速度是變化的，在熔合線上最小，在焊晶粒成長的平均線速度是變化的，在熔

15、合線上最小，在焊縫中心最大，縫中心最大，v vc c=0=0v v。 K Ky y=1=1， coscos=0, =0, =90 =90,V,Vc c=0, =0, 說明熔合區(qū)上晶粒開始成說明熔合區(qū)上晶粒開始成長的瞬間，成長的方向垂直于熔合區(qū)，晶粒成長的平均線速度長的瞬間，成長的方向垂直于熔合區(qū)，晶粒成長的平均線速度等于零。等于零。 Ky=0Ky=0，coscos =1, =1, =0=0,V,Vc c=V, =V, 說明晶粒成長到接觸說明晶粒成長到接觸X X軸時，軸時，晶粒成長的平均線速度等于焊接速度，晶粒成長的平均線速度等于焊接速度，且方向一致且方向一致。（2 2） 焊接工藝參數(shù)對晶粒成長

16、方向和平均線速度均有影響焊接工藝參數(shù)對晶粒成長方向和平均線速度均有影響 。當焊接速度越大時，當焊接速度越大時，角越大，晶粒主軸的成長方向越垂直于角越大，晶粒主軸的成長方向越垂直于焊縫的中心線；相反，當焊接速度小時，則晶粒主軸的成長方焊縫的中心線；相反，當焊接速度小時，則晶粒主軸的成長方向越彎曲。向越彎曲。 西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical E

17、ngineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變3.1.4 熔池結晶的形態(tài)熔池結晶的形態(tài)符合符合 一般結晶理論，一般結晶理論，本課程僅分析焊接中的特色部分本課程僅分析焊接中的特色部分。1、純金屬的結晶理論、純金屬的結晶理論（1） 正溫度梯度正溫度梯度 液相溫度高于固相溫度，且距界面越遠，液相溫度越高，液相溫度高于固相溫度，且距界面越遠，液相溫度越高， 稱為正溫度梯度，稱為正溫度梯度，G0。純金屬焊縫凝固時，屬于此類，是。純金屬焊縫凝固時，屬于此類，是 平面晶平面晶。 （2） 負溫度梯度負溫度梯度 當距界面越遠液相的溫度越低，稱為負溫度梯度，當距界面越遠液相的溫度

18、越低，稱為負溫度梯度，G0時的溫度分布b)G0時的界面結晶形態(tài)d)G0時的界面結晶形態(tài)西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變2、固溶體合金的結晶形態(tài)、固溶體合金的結晶形態(tài)合金結晶溫度與成分有關，先結晶與后結晶的固液相成分也不相合金結晶溫度與成分有關，先結晶與后結晶的固液相成分也不相同，造成固液界面一定區(qū)域的成分起伏，因此合金凝固時，除同，造成固液界面一定區(qū)域的成分起伏，因此合金凝固時，除了由于實際溫度造成的過冷外了由于實際溫度造成的過冷外( 溫度過

19、冷溫度過冷)，還存在由于固液界，還存在由于固液界面處成分起伏而造成的過冷，稱為面處成分起伏而造成的過冷，稱為成分過冷成分過冷。所以合金結晶隨。所以合金結晶隨過冷的不同晶體成長也不同。過冷的不同晶體成長也不同。西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變溫度溫度TAT0T00 0液固前沿實際溫度液固前沿實際溫度T0 T= T0 +Gz與界面的距離與界面的距離z00T0T0溫度溫度 /%T0T0與界面的距離與界面的距離z /%西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化

20、學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變（1）平面結晶）平面結晶產(chǎn)生條件：過冷度產(chǎn)生條件：過冷度0，無成分過冷，無成分過冷特征：平面晶（特征：平面晶（G正溫度梯度很大時）正溫度梯度很大時）3、成分過冷對結晶形態(tài)的影響、成分過冷對結晶形態(tài)的影響 根據(jù)過冷度不同，焊縫可出現(xiàn)五種結晶形態(tài)。根據(jù)過冷度不同，

21、焊縫可出現(xiàn)五種結晶形態(tài)。 西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變(2) 胞狀結晶胞狀結晶產(chǎn)生條件：過冷度很小。產(chǎn)生條件：過冷度很小。特征：斷面六角形，細胞或蜂窩狀。特征：斷面六角形，細胞或蜂窩狀。西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變（3 3）、胞狀樹枝結晶）、胞狀樹枝結晶 產(chǎn)生條件：過冷度稍大。產(chǎn)生條

22、件：過冷度稍大。特征：主干四周伸出短小二次橫枝，縱向樹枝晶斷面胞狀。特征：主干四周伸出短小二次橫枝，縱向樹枝晶斷面胞狀。西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變（4 4）、樹枝狀結晶）、樹枝狀結晶產(chǎn)生條件：過冷度進一步增大。產(chǎn)生條件：過冷度進一步增大。特征：主枝長，主枝向四周伸出二次橫枝，并能得到很好的生特征：主枝長，主枝向四周伸出二次橫枝，并能得到很好的生長。長。西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and

23、Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變（5 5）、等軸晶）、等軸晶產(chǎn)生條件：過冷度大，溫度梯度小。產(chǎn)生條件：過冷度大，溫度梯度小。特征：結晶前沿長出粗大樹枝晶，液相內(nèi)，可自發(fā)生核，形成自特征：結晶前沿長出粗大樹枝晶，液相內(nèi)，可自發(fā)生核，形成自由長大的等軸樹枝晶。由長大的等軸樹枝晶。西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變結晶形態(tài)主要決定于結晶形態(tài)主要決定于合金中的合金中的溶質的濃度溶質的濃

24、度C C0 0、結晶速度結晶速度R R和和液相中溫度梯度液相中溫度梯度G G的綜合作用。的綜合作用。等軸晶等軸晶樹枝狀晶樹枝狀晶胞狀樹枝晶胞狀樹枝晶胞狀晶胞狀晶平面晶平面晶G / R 1/2 C0 圖圖328 C0、R和和G對結晶形態(tài)的影響對結晶形態(tài)的影響西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變等軸晶等軸晶樹枝晶樹枝晶平面晶平面晶G / R 1/2 胞狀樹枝晶胞狀樹枝晶胞狀晶胞狀晶G、R、成分對結晶形態(tài)的影響、成分對結晶形態(tài)的影響溫度溫度TA0 0T

25、0T0與界面的距離與界面的距離z西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變4、焊接條件下的凝固（結晶）形態(tài)、焊接條件下的凝固（結晶）形態(tài)(1)溫度梯度及結晶速度的影響（基本趨勢）溫度梯度及結晶速度的影響（基本趨勢） 在焊縫的熔化邊界，由于溫度梯度在焊縫的熔化邊界，由于溫度梯度G較大，結晶速度較大，結晶速度R又較小，又較小，故成分過冷接近與零，所以平面晶得到發(fā)展。故成分過冷接近與零，所以平面晶得到發(fā)展。向焊縫中心過渡時，溫度梯度向焊縫中心過渡時，溫度梯度

26、G逐漸變小，而結晶速度逐漸增大，逐漸變小，而結晶速度逐漸增大，所以結晶形態(tài)由平面向胞狀晶、樹枝晶、等軸晶發(fā)展。所以結晶形態(tài)由平面向胞狀晶、樹枝晶、等軸晶發(fā)展。 等等軸軸晶晶樹枝樹枝狀晶狀晶平面晶平面晶G / R 1/2 C0 西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變（2）純度的影響。）純度的影響。99.99%99.96%等軸晶等軸晶樹枝晶樹枝晶平面晶平面晶G / R 1/2 C0 胞狀樹枝晶胞狀樹枝晶胞狀晶胞狀晶C0、R、G對結晶形態(tài)的影響對結晶形態(tài)

27、的影響純度純度西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變 （3）工藝參數(shù)的影響）工藝參數(shù)的影響 b 焊接速度的影響。焊接速度的影響。 V，熔池中心出現(xiàn)等軸晶。 V，熔合線附近出現(xiàn)胞狀樹枝晶。 c 焊接電流的影響焊接電流的影響I小，G，胞狀晶I 較大，胞狀樹枝晶I大，G，粗大樹枝晶等軸晶等軸晶樹枝晶樹枝晶平面晶平面晶G / R 1/2 胞狀樹枝晶胞狀樹枝晶胞狀晶胞狀晶G、R、成分對結晶形態(tài)的影響、成分對結晶形態(tài)的影響 西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院

28、學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變3.1.5 焊縫金屬的化學成份不均勻性焊縫金屬的化學成份不均勻性化學不均勻性：結晶過程中化學成分的一種偏析現(xiàn)象?；瘜W不均勻性：結晶過程中化學成分的一種偏析現(xiàn)象。（一）焊縫中的化學不均勻性（一）焊縫中的化學不均勻性 1 1、顯微偏析：、顯微偏析：枝晶偏析枝晶偏析指晶粒邊界或一個晶粒內(nèi)部亞晶界或樹枝狀晶的晶枝之間的偏析。指晶粒邊界或一個晶粒內(nèi)部亞晶界或樹枝狀晶的晶枝之間的偏析。 焊縫焊縫熔合區(qū)熔合區(qū)西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School

29、 of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變 2、區(qū)域偏析（宏觀偏析）、區(qū)域偏析（宏觀偏析） 指焊縫邊緣到焊縫中心，宏觀上的成分不均勻性，指焊縫邊緣到焊縫中心，宏觀上的成分不均勻性，焊縫金屬以柱狀晶長大，把雜質推向熔池中心，中心雜焊縫金屬以柱狀晶長大，把雜質推向熔池中心，中心雜質濃度逐漸升高，使最后凝固的部位發(fā)生較嚴重的偏析。質濃度逐漸升高，使最后凝固的部位發(fā)生較嚴重的偏析。焊接速度過大時出現(xiàn)定向晶，焊縫中心易出現(xiàn)裂紋焊接速度過大時出現(xiàn)定向晶，焊縫中心易出現(xiàn)裂紋西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院Sc

30、hool of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變 3、層狀偏析（宏觀偏析）、層狀偏析（宏觀偏析） 由于化學成分分布不均勻引起分層現(xiàn)象。焊縫橫斷面由于化學成分分布不均勻引起分層現(xiàn)象。焊縫橫斷面經(jīng)浸蝕之后，可以看到顏色深淺不同的分層結構。經(jīng)浸蝕之后，可以看到顏色深淺不同的分層結構。西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變 由部分熔化的母材和部分未熔化的母由部分熔

31、化的母材和部分未熔化的母材組成的窄小區(qū)域，材組成的窄小區(qū)域，化學成分、微觀組織化學成分、微觀組織和力學性能不均勻，焊接接頭最薄若環(huán)節(jié)和力學性能不均勻，焊接接頭最薄若環(huán)節(jié)。1、熔合區(qū)的形成、熔合區(qū)的形成（1）理論（平滑）邊界）理論（平滑）邊界母材上母材上TSTTL（2）實際（參差不齊）邊界）實際（參差不齊）邊界 熱源不均勻及晶粒散熱熱源不均勻及晶粒散熱 不一致不一致熔合區(qū)熔合區(qū)or線？線？（二）焊接熔合區(qū)與化學不均勻性（二）焊接熔合區(qū)與化學不均勻性西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固

32、和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變2、熔合區(qū)的特征、熔合區(qū)的特征（1）幾何尺寸?。缀纬叽缧?熔合區(qū)的寬度估算：熔合區(qū)的寬度估算： 其中，其中，A-熔合區(qū)的寬度（熔合區(qū)的寬度（mm） -溫度梯度溫度梯度(/mm) TL-被焊金屬的液相線被焊金屬的液相線() TS-被焊金屬的固相線被焊金屬的固相線()GTTTTSLYTSLAYTa. 母材液固線溫度范圍母材液固線溫度范圍越小，熔合區(qū)寬度越小。越小，熔合區(qū)寬度越小。b. 母材導熱性越差，熱源能量密度高，母材導熱性越差，熱源能量密度高，溫度梯度溫度梯度G大大，熔合區(qū)小。，熔合區(qū)小。比如，一般電弧焊，碳鋼低合金鋼：0.1330.5mm； 奧氏體鋼0.

33、060.12mm 區(qū)or線？TL-TS GS L西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變（2）熔合區(qū)的化學成分不均勻，薄弱地帶）熔合區(qū)的化學成分不均勻，薄弱地帶熔合區(qū)是液固兩相共存的地方，嚴重化學不均勻性，性能下降。熔合區(qū)是液固兩相共存的地方，嚴重化學不均勻性，性能下降。平衡凝固平衡凝固k0焊縫凝固焊縫凝固k0西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章

34、熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變線能量線能量E=11.76kJ/cm結果結果（不同線能量下規(guī)律類似數(shù)值稍有差異）（不同線能量下規(guī)律類似數(shù)值稍有差異）線能量線能量E=23.94kJ/cm結果結果西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變3.1 熔池凝固熔池凝固3.2 焊縫固態(tài)相變焊縫固態(tài)相變3.3 焊縫中的氣孔、夾雜焊縫中的氣孔、夾雜3.4 焊縫性能的控制焊縫性能的控制西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Materia

35、l and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變3.2 焊縫固態(tài)相變焊縫固態(tài)相變p 對于具有同素異構轉變的焊縫金屬（例如鋼），焊接熔池完全對于具有同素異構轉變的焊縫金屬（例如鋼），焊接熔池完全結晶后形成的固態(tài)焊縫（結晶后形成的固態(tài)焊縫（一次組織一次組織），在隨后的連續(xù)冷卻過程），在隨后的連續(xù)冷卻過程中還將發(fā)生相變，從而形成相變組織（中還將發(fā)生相變，從而形成相變組織（二次組織二次組織），即焊縫最），即焊縫最終組織。終組織。p 對鋼鐵而言，相變組織主要取決于焊縫金屬的對鋼鐵而言，相變組織主要取決于焊縫金屬的化學成分化學成分和和冷卻冷卻

36、條件。條件。西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉變圖過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉變圖-即即CCT曲線（復習）曲線（復習）西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊縫金屬連續(xù)冷卻組織轉變圖（簡稱焊縫金屬連續(xù)冷卻組織轉變圖（簡稱WM-CCT圖）圖）西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院Sc

37、hool of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變3.1 熔池凝固熔池凝固3.2 焊縫固態(tài)相變焊縫固態(tài)相變3.3 焊縫中的氣孔、夾雜焊縫中的氣孔、夾雜3.3.1 焊縫中的氣孔焊縫中的氣孔3.3.2 焊縫中的夾雜焊縫中的夾雜3.4 焊縫性能的控制焊縫性能的控制西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變3.3 焊縫中的氣孔和夾雜焊縫中的氣孔和夾雜焊接缺陷：按照焊接缺

38、陷：按照GB/T6417.1-2005金屬熔化焊焊縫缺欠分類及金屬熔化焊焊縫缺欠分類及說明說明，焊接缺欠分為六類：裂紋、孔穴、固體夾雜、未熔合及，焊接缺欠分為六類：裂紋、孔穴、固體夾雜、未熔合及未焊透、形狀缺陷（形狀和尺寸）、其他缺陷。焊接缺欠的存在未焊透、形狀缺陷（形狀和尺寸）、其他缺陷。焊接缺欠的存在是焊接結構失效的重要原因之一。是焊接結構失效的重要原因之一。裂紋、氣孔、夾雜裂紋、氣孔、夾雜對焊接結構至關重要又容易出現(xiàn)。對焊接結構至關重要又容易出現(xiàn)。冶金缺欠冶金缺欠西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering

39、第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變 （2）氣孔的類型）氣孔的類型 不同的分布方式，如內(nèi)部的，表面的；單個的，密集的；不同的分布方式，如內(nèi)部的，表面的；單個的，密集的； 析出的，反應的；析出的，反應的； 按照產(chǎn)生氣孔的氣體種類，可分為氫氣孔、氮氣孔、按照產(chǎn)生氣孔的氣體種類，可分為氫氣孔、氮氣孔、CO氣孔。氣孔。1、氣孔的類型及其分布特征、氣孔的類型及其分布特征 （1）焊縫中氣孔產(chǎn)生的根本原因）焊縫中氣孔產(chǎn)生的根本原因 a.高溫時金屬溶解了較多的氣體（高溫時金屬溶解了較多的氣體（H,N),凝固時來不及逸出。凝固時來不及逸出。 b.焊接冶金反應產(chǎn)生焊接冶金反應產(chǎn)生不溶解不溶

40、解氣體（氣體（CO),凝固時來不及逸出。凝固時來不及逸出。3.3.1 焊縫中的氣孔焊縫中的氣孔西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變圖圖 電渣焊焊縫的內(nèi)部氣孔電渣焊焊縫的內(nèi)部氣孔圖圖 手弧焊的表面氣孔手弧焊的表面氣孔西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變a. 氫氣孔氫氣孔 特征：特征：多出現(xiàn)在焊縫表面，

41、斷面形狀多為螺釘狀，從焊縫表面多出現(xiàn)在焊縫表面，斷面形狀多為螺釘狀，從焊縫表面看呈看呈園喇叭口形園喇叭口形，氣孔的四周有光滑內(nèi)壁。有個別殘存在內(nèi)部，氣孔的四周有光滑內(nèi)壁。有個別殘存在內(nèi)部（輕金屬中），以小圓球狀存在。（輕金屬中），以小圓球狀存在。 產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：焊接過程中，熔池金屬吸收大量的氫氣，在冷卻和焊接過程中，熔池金屬吸收大量的氫氣，在冷卻和結晶過程中，氫的溶解度發(fā)生了急劇下降，熔池冷卻速度快，結晶過程中，氫的溶解度發(fā)生了急劇下降，熔池冷卻速度快，來不及逸出，殘存在內(nèi)部，發(fā)生了氫的過飽和，使焊縫中形成來不及逸出，殘存在內(nèi)部，發(fā)生了氫的過飽和，使焊縫中形成具有具有喇叭口形喇叭口形的表

42、面氣孔。的表面氣孔。 氮氣孔一般較少，形成機理同氫氣孔。氮氣孔一般較少，形成機理同氫氣孔。西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變 b.CO氣孔氣孔 特征：特征：焊縫內(nèi)部，條蟲狀，表面光滑。焊縫內(nèi)部，條蟲狀，表面光滑。 產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：冶金反應。冶金反應。 CO不溶于液態(tài)金屬。不溶于液態(tài)金屬。 在高溫時在高溫時C被氧、氧化物氧化，被氧、氧化物氧化，CO以氣泡的形式猛烈地逸出。以氣泡的形式猛烈地逸出。 熔池結晶時熔池結晶時FeO氧化氧化C，vc，及

43、樹枝晶凹陷處及樹枝晶凹陷處，CO不易逸出，不易逸出，為吸熱反應，促使結晶速度加快，為吸熱反應，促使結晶速度加快，CO形成氣泡不能逸出，形成氣泡不能逸出，沿沿結晶方向結晶方向形成條蟲形內(nèi)氣孔。形成條蟲形內(nèi)氣孔。西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變2 焊縫中的形成氣孔的機理焊縫中的形成氣孔的機理氣孔的形成：氣泡生核氣孔的形成：氣泡生核長大長大上?。荷细。?1）浮出：無氣孔）浮出：無氣孔 2）浮不出：氣孔）浮不出：氣孔（1）氣泡的生核）氣泡的生核具備條

44、件：液態(tài)金屬中有過飽和的氣體具備條件：液態(tài)金屬中有過飽和的氣體 要消耗一定的能量要消耗一定的能量 西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變形成氣泡核的數(shù)目：形成氣泡核的數(shù)目：在純金屬中在純金屬中n非常小，非常小，在極純金屬中形成氣泡核的可能性很小。在極純金屬中形成氣泡核的可能性很小。2216.2 1010n西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池

45、凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接熔池焊接熔池現(xiàn)成表面現(xiàn)成表面形核需要的能量：（固、液、氣三相）形核需要的能量：（固、液、氣三相）11 cosaAphLAEPP VA 動力動力阻力阻力西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變結論結論：a）降低）降低和提高和提高A Aa a/A/A，E Ep p減少，比如減少，比如氣泡依附在現(xiàn)成表氣泡依附在現(xiàn)成表面（面（樹枝晶凹陷處，母材尚未熔化晶粒表面）樹枝晶凹陷處，母材尚未熔化晶粒表面） 。 b b）越大

46、，形成氣泡核所需能量越小。越大，形成氣泡核所需能量越小。阻力阻力不同于不同于凝固形核凝固形核2.g 1.2 1.g西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變（2）.氣泡長大氣泡長大21(hacPPPr 大氣壓）0(hoaMscPPPPPPP內(nèi)壓大于外壓）0haMscPPPPPPr氣泡中各種氣體分壓的總和；阻礙氣泡長大的外界壓力大氣壓力；氣泡上部的金屬的壓力氣泡上部的熔渣的壓力由表面張力構成的附加壓力；金屬與氣泡間的界面張力；氣泡半徑。氣泡形成初期，氣泡

47、形成初期，r很小，附加壓很小，附加壓Pc則很大，氣泡很難形成。焊接則很大，氣泡很難形成。焊接時，由于時，由于熔池內(nèi)存在著很多現(xiàn)成熔池內(nèi)存在著很多現(xiàn)成表面，如柱狀晶粒和液態(tài)金屬相表面，如柱狀晶粒和液態(tài)金屬相接觸的地方形成接觸的地方形成，這些地方由于，這些地方由于界面張力的作用，界面張力的作用，氣泡成橢圓形，氣泡成橢圓形，可以得到較大的曲率半徑可以得到較大的曲率半徑r使使Pc減小。減小。忽略忽略西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變氣泡核脫離表面主要與

48、氣泡核脫離表面主要與 氣泡氣泡-液體金屬液體金屬-現(xiàn)成表面現(xiàn)成表面之間的表面張之間的表面張力有關。力有關。 （3）、氣泡上?。?、氣泡上浮2.g 1.2 1.g2,2,液相液相 g,g,氣相氣相 1,1,固相固相西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變影響上浮因素：影響上浮因素：1）浸潤角）浸潤角當當90, 由于形成細頸過程需由于形成細頸過程需要時間，若結晶速度氣泡脫離要時間，若結晶速度氣泡脫離現(xiàn)成表面的速度，就會形成氣孔現(xiàn)成表面的速度，就會形成氣孔

49、（氣泡與固體接觸面收縮趨勢小，（氣泡與固體接觸面收縮趨勢小，固體表面對氣體吸附力大）固體表面對氣體吸附力大）保持保持不變不變西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變 2） 結晶速度結晶速度 R R較小時，氣泡有充分時間逸出，無氣孔，氣泡易上?。惠^小時，氣泡有充分時間逸出，無氣孔，氣泡易上??； R R大時，氣泡上浮時間短，可能殘余在焊縫內(nèi)部。大時，氣泡上浮時間短，可能殘余在焊縫內(nèi)部。 圖圖 不同結晶速度對氣孔形成的影響不同結晶速度對氣孔形成的影響a）小結晶速度，）小結晶速度， b）大結晶速度）大結晶速度上有等軸晶阻擋，上有等軸晶阻擋，形成螺釘狀氣孔形成螺釘狀氣孔西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變 3 3）氣泡上浮速度）氣泡上浮速度22192grv西安工業(yè)大學西安工業(yè)大學材材化化學院