西安工大焊接冶金學(xué)基本原理-第3章 熔池凝固與焊縫固態(tài)相變

共需4學(xué)時第3章熔池凝固和焊縫固態(tài)相變主要內(nèi)容：3.1熔池凝固3.2焊縫固態(tài)相變3.3焊縫中的氣孔、夾雜焊接熱過程焊接化學(xué)冶金過程焊縫結(jié)晶及焊接組織

焊接熱影響區(qū)的組織與性能焊接裂紋焊接冶金學(xué)主要內(nèi)容焊接接頭形成

以熔化焊為例，焊接過程經(jīng)過了加熱—熔化—冶金反應(yīng)—結(jié)晶—固態(tài)相變—接頭焊縫熱影響區(qū)熔池凝固------形成焊縫熔池的固液相變（凝固）熔池的結(jié)晶過程焊縫的組織氣孔、夾雜、偏析、結(jié)晶裂紋焊縫的性能正常不正常（缺陷）3.1熔池凝固3.1.1熔池凝固的條件和特點3.1.2熔池結(jié)晶的一般規(guī)律3.1.3熔池結(jié)晶速度和方向3.1.4熔池結(jié)晶的形態(tài)3.1.5焊縫金屬的化學(xué)成份不均勻性3.2焊縫固態(tài)相變3.3焊縫中的氣孔、夾雜3.4焊縫性能的控制3.1熔池凝固3.1.1熔池凝固的條件和特點（與普通鋼鐵凝固相比較）（1）焊接熔池體積小，冷卻速度高；最大100g，平均4~100℃/s，約為鑄造的104倍。

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)熔池1770±100℃;鋼錠<1550℃。冶金反應(yīng)劇烈、燒損嚴(yán)重（3）熔池在運動狀態(tài)下結(jié)晶結(jié)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(yīng)充分魚鱗紋示意圖魚鱗紋實圖3.1.2熔池結(jié)晶的一般規(guī)律

焊接時，熔池金屬的結(jié)晶與一般煉鋼時鋼錠的結(jié)晶一樣，也是在過冷的液體金屬中，首先形成晶核和晶核長大的結(jié)晶過程。

形核的熱力學(xué)條件是過冷度而造成的自由能降低；

形核的動力學(xué)條件是自由能降低的程度。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。（1）自發(fā)形核：σ：新相與液相間的表面能。ΔFK：單位體積內(nèi)液固兩相自由能差。（2）非自發(fā)形核θ：非自發(fā)晶核的浸潤角f(θ)=0~1。如θ=10°，f(θ)=0.0017θ=0°,E’K=0,液相中存在懸浮質(zhì)點和某些現(xiàn)成表面。形核容易。θ=180°,E’K=EK，只存在自發(fā)形核。形核較難。研究表明，焊接熔池結(jié)晶，非自發(fā)形核主導(dǎo)。接觸角基底形狀對臨界晶核的影響對臨界晶核的影響關(guān)于θ：

θ取決于新相晶核與現(xiàn)成表面之間的表面張力，若結(jié)構(gòu)相似，表面張力越小,θ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(zhì)，則形核所需能量為0，即不需形核，直接長大。焊接條件下非自發(fā)形核：熔合區(qū)的液態(tài)金屬依附于母材晶粒表面長大，而形成同一晶粒，并以柱狀晶的形態(tài)向焊縫中心成長，即聯(lián)生結(jié)晶（起主要作用）。合金元素或雜質(zhì)（一般作用不大）。如何細(xì)化晶粒？2.熔池中晶核的長大a聯(lián)生結(jié)晶起主導(dǎo)作用b當(dāng)晶體最易長大方向（bcc，fcc<100>方向）與散熱最快方向（溫度梯度）相一致，最有利長大。不銹鋼自動焊時的聯(lián)生結(jié)晶3.1.3熔池結(jié)晶速度和方向

熔池的結(jié)晶方向和結(jié)晶速度對焊接質(zhì)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。熔池在結(jié)晶過程中晶粒成長的方向與晶粒主軸成長的線速度vc及焊接速度v有密切關(guān)系。晶粒主軸成長方向與結(jié)晶等溫面正交，并以彎曲狀向焊縫中心生長。ds

θ

dx圖晶粒成長線速度分析圖焊接工藝參數(shù)與θ（0~90°）關(guān)系：(熔池半橢球體假設(shè)）厚大件上快速堆焊：薄板上自動焊：結(jié)論：（1）晶粒成長的平均線速度是變化的，在熔合線上最小，在焊縫中心最大，vc=0～v。

Ky=1，cosθ=0,θ=90°,Vc=0,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等于零。

Ky=0，cosθ=1,θ=0°,Vc=V,說明晶粒成長到接觸X軸時，晶粒成長的平均線速度等于焊接速度，且方向一致。（2）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(dāng)焊接速度越大時，θ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(dāng)焊接速度小時，則晶粒主軸的成長方向越彎曲。

3.1.4熔池結(jié)晶的形態(tài)符合一般結(jié)晶理論，本課程僅分析焊接中的特色部分。1、純金屬的結(jié)晶理論（1）正溫度梯度液相溫度高于固相溫度，且距界面越遠(yuǎn)，液相溫度越高，稱為正溫度梯度，G>0。純金屬焊縫凝固時，屬于此類，是

平面晶。（2）負(fù)溫度梯度當(dāng)距界面越遠(yuǎn)液相的溫度越低，稱為負(fù)溫度梯度，G<0。由于過冷度大，晶體成長速度快，形成樹枝狀晶。a)G>0時的溫度分布b)G<0時的溫度分布c)G>0時的界面結(jié)晶形態(tài)d)G<0時的界面結(jié)晶形態(tài)2、固溶體合金的結(jié)晶形態(tài)合金結(jié)晶溫度與成分有關(guān)，先結(jié)晶與后結(jié)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，除了由于實際溫度造成的過冷外(溫度過冷)，還存在由于固液界面處成分起伏而造成的過冷，稱為成分過冷。所以合金結(jié)晶隨過冷的不同晶體成長也不同。溫度TAT0T0’ω0ω0’液固前沿實際溫度T0’T=T0’+Gz與界面的距離zω0’ω0T0T0’溫度ω/%T0T0’與界面的距離zω/%（1）平面結(jié)晶產(chǎn)生條件：過冷度＝0，無成分過冷特征：平面晶（G正溫度梯度很大時）3、成分過冷對結(jié)晶形態(tài)的影響

根據(jù)過冷度不同，焊縫可出現(xiàn)五種結(jié)晶形態(tài)。(2)胞狀結(jié)晶產(chǎn)生條件：過冷度很小。特征：斷面六角形，細(xì)胞或蜂窩狀。（3）、胞狀樹枝結(jié)晶產(chǎn)生條件：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。（4）、樹枝狀結(jié)晶

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，并能得到很好的生長。（5）、等軸晶產(chǎn)生條件：過冷度大，溫度梯度小。特征：結(jié)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。正確結(jié)晶形態(tài)主要決定于合金中的溶質(zhì)的濃度C0、結(jié)晶速度R和液相中溫度梯度G的綜合作用。等軸晶樹枝狀晶胞狀樹枝晶胞狀晶平面晶G/R1/2

C0

％

圖3－28C0、R和G對結(jié)晶形態(tài)的影響等軸晶樹枝晶平面晶G/R1/2

ω％

胞狀樹枝晶胞狀晶G、R、成分對結(jié)晶形態(tài)的影響溫度TAω0ω0’T0T0’與界面的距離z4、焊接條件下的凝固（結(jié)晶）形態(tài)(1)溫度梯度及結(jié)晶速度的影響（基本趨勢）

在焊縫的熔化邊界，由于溫度梯度G較大，結(jié)晶速度R又較小，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G逐漸變小，而結(jié)晶速度逐漸增大，所以結(jié)晶形態(tài)由平面向胞狀晶、樹枝晶、等軸晶發(fā)展。

等軸晶樹枝狀晶平面晶G/R1/2

C0％

（2）純度的影響。99.99%99.96%等軸晶樹枝晶平面晶G/R1/2

C0

％

胞狀樹枝晶胞狀晶C0、R、G對結(jié)晶形態(tài)的影響純度

（3）工藝參數(shù)的影響

b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↓，粗大樹枝晶等軸晶樹枝晶平面晶G/R1/2

胞狀樹枝晶胞狀晶G、R、成分對結(jié)晶形態(tài)的影響ω％

3.1.5焊縫金屬的化學(xué)成份不均勻性化學(xué)不均勻性：結(jié)晶過程中化學(xué)成分的一種偏析現(xiàn)象。（一）焊縫中的化學(xué)不均勻性1、顯微偏析：→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。焊縫熔合區(qū)

2、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，焊縫金屬以柱狀晶長大，把雜質(zhì)推向熔池中心，中心雜質(zhì)濃度逐漸升高，使最后凝固的部位發(fā)生較嚴(yán)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

3、層狀偏析（宏觀偏析）

由于化學(xué)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(jié)構(gòu)。由部分熔化的母材和部分未熔化的母材組成的窄小區(qū)域，化學(xué)成分、微觀組織和力學(xué)性能不均勻，焊接接頭最薄若環(huán)節(jié)。1、熔合區(qū)的形成（1）理論（平滑）邊界 母材上TS<T<TL（2）實際（參差不齊）邊界熱源不均勻及晶粒散熱

不一致熔合區(qū)or線？（二）焊接熔合區(qū)與化學(xué)不均勻性2、熔合區(qū)的特征（1）幾何尺寸小熔合區(qū)的寬度估算：其中，A----------熔合區(qū)的寬度（mm）

---------溫度梯度(℃/mm)TL---------被焊金屬的液相線(℃)TS----------被焊金屬的固相線(℃)母材液固線溫度范圍越小，熔合區(qū)寬度越小。母材導(dǎo)熱性越差，熱源能量密度高，溫度梯度G大，熔合區(qū)小。比如，一般電弧焊，碳鋼低合金鋼：0.133~0.5mm；奧氏體鋼0.06~0.12mm區(qū)or線？TL-TSGSL（2）熔合區(qū)的化學(xué)成分不均勻，薄弱地帶熔合區(qū)是液固兩相共存的地方，嚴(yán)重化學(xué)不均勻性，性能下降。平衡凝固k0焊縫凝固k0線能量E=11.76kJ/cm結(jié)果（不同線能量下規(guī)律類似數(shù)值稍有差異）線能量E=23.94kJ/cm結(jié)果枝晶偏析引起的波動3.1熔池凝固3.2焊縫固態(tài)相變3.3焊縫中的氣孔、夾雜3.4焊縫性能的控制3.2焊縫固態(tài)相變對于具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的焊縫金屬（例如鋼），焊接熔池完全結(jié)晶后形成的固態(tài)焊縫（一次組織），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（二次組織），即焊縫最終組織。對鋼鐵而言，相變組織主要取決于焊縫金屬的化學(xué)成分和冷卻條件。過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖-即CCT曲線（復(fù)習(xí)）焊縫金屬連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖（簡稱WM-CCT圖）3.1熔池凝固3.2焊縫固態(tài)相變3.3焊縫中的氣孔、夾雜3.3.1焊縫中的氣孔3.3.2焊縫中的夾雜3.4焊縫性能的控制3.3焊縫中的氣孔和夾雜焊接缺陷：按照GB/T6417.1-2005《金屬熔化焊焊縫缺欠分類及說明》，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。焊接缺欠的存在是焊接結(jié)構(gòu)失效的重要原因之一。裂紋、氣孔、夾雜對焊接結(jié)構(gòu)至關(guān)重要又容易出現(xiàn)。冶金缺欠（2）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；析出的，反應(yīng)的；按照產(chǎn)生氣孔的氣體種類，可分為氫氣孔、氮氣孔、CO氣孔。1、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

a.高溫時金屬溶解了較多的氣體（H,N),凝固時來不及逸出。

b.焊接冶金反應(yīng)產(chǎn)生不溶解氣體（CO),凝固時來不及逸出。3.3.1焊縫中的氣孔圖電渣焊焊縫的內(nèi)部氣孔圖手弧焊的表面氣孔a.氫氣孔

特征：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（輕金屬中），以小圓球狀存在。

產(chǎn)生原因：焊接過程中，熔池金屬吸收大量的氫氣，在冷卻和結(jié)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，使焊縫中形成具有喇叭口形的表面氣孔。氮氣孔一般較少，形成機理同氫氣孔。b.CO氣孔

特征：焊縫內(nèi)部，條蟲狀，表面光滑。產(chǎn)生原因：冶金反應(yīng)。CO不溶于液態(tài)金屬。在高溫時C被氧、氧化物氧化，CO以氣泡的形式猛烈地逸出。熔池結(jié)晶時FeO氧化C，vc↑，及樹枝晶凹陷處，CO不易逸出，為吸熱反應(yīng)，促使結(jié)晶速度加快，CO形成氣泡不能逸出，沿結(jié)晶方向形成條蟲形內(nèi)氣孔。2焊縫中的形成氣孔的機理氣孔的形成：氣泡生核——長大——上浮：

1）浮出：無氣孔

2）浮不出：氣孔（1）氣泡的生核具備條件：①液態(tài)金屬中有過飽和的氣體②要消耗一定的能量形成氣泡核的數(shù)目：在純金屬中n非常小，在極純金屬中形成氣泡核的可能性很小。

焊接熔池現(xiàn)成表面形核需要的能量：（固、液、氣三相）動力阻力結(jié)論：a）降低σ和提高Aa/A，Ep減少，比如氣泡依附在現(xiàn)成表面（樹枝晶凹陷處，母材尚未熔化晶粒表面）。

b）θ越大，形成氣泡核所需能量越小。阻力θ不同于凝固形核σ2.gθσ1.2σ1.g（2）.氣泡長大氣泡形成初期，r很小，附加壓Pc則很大，氣泡很難形成。焊接時，由于熔池內(nèi)存在著很多現(xiàn)成表面，如柱狀晶粒和液態(tài)金屬相接觸的地方形成，這些地方由于界面張力的作用，氣泡成橢圓形，可以得到較大的曲率半徑r使Pc減小。忽略氣泡核脫離表面主要與氣泡---液體金屬---現(xiàn)成表面之間的表面張力有關(guān)。（3）、氣泡上浮

σ2.g

θσ1.2σ1.g2,液相

g,氣相

1,固相影響上浮因素：1）浸潤角θ當(dāng)θ<90°，有利于氣泡上浮，氣泡形成的快，完全脫離現(xiàn)成表面。（氣泡與固體接觸面收縮趨勢大，固體表面對氣體吸附力小）當(dāng)θ>90°,

由于形成細(xì)頸過程需要時間，若結(jié)晶速度＞氣泡脫離現(xiàn)成表面的速度，就會形成氣孔（氣泡與固體接觸面收縮趨勢小，固體表面對氣體吸附力大）保持θ不變2）結(jié)晶速度R較小時，氣泡有充分時間逸出，無氣孔，氣泡易上??；

R大時，氣泡上浮時間短，可能殘余在焊縫內(nèi)部。圖不同結(jié)晶速度對氣孔形成的影響a）小結(jié)晶速度，b）大結(jié)晶速度上有等軸晶阻擋，形成螺釘狀氣孔3）氣泡上浮速度3.影響生成氣孔的因素及防治措施（1）冶金因素的影響

a.熔渣氧化性

b.焊條藥皮和焊劑的影響

c.鐵銹及水分的影響（2）工藝因素（3）防治措施

a焊件去油、銹；

b烘干焊條；

c短弧焊3.3