第三章_熔池凝固和焊缝固态相变

1、第一节第一节 熔池凝固熔池凝固 一、熔池凝固的条件和特点一、熔池凝固的条件和特点 焊接熔池与铸钢锭的凝固过程基本相同，凝固又有其特殊性。焊接熔池与铸钢锭的凝固过程基本相同，凝固又有其特殊性。 1 熔池的体积小，冷却速度大。熔池的体积小，冷却速度大。非平衡结晶，熔池中心和边沿的非平衡结晶，熔池中心和边沿的 gradT大，一般得到柱状晶，很少出现等轴晶。大，一般得到柱状晶，很少出现等轴晶。 2 熔池金属处于过热状态。熔池金属处于过热状态。合金元素烧损严重，熔池中非自发晶合金元素烧损严重，熔池中非自发晶 核的质点大为减少，促使焊缝中柱状晶发展。核的质点大为减少，促使焊缝中柱状晶发展。 3 熔池在运动

2、状态下凝固熔池在运动状态下凝固 4 联生结晶联生结晶 熔池壁相当于铸型熔池壁相当于铸型 壁，熔池内金属和熔池壁局部熔壁，熔池内金属和熔池壁局部熔 化的母材在凝固过程中长成共同化的母材在凝固过程中长成共同 晶粒（体）。熔池壁作为非自发晶粒（体）。熔池壁作为非自发 形核的基底。形核的基底。 二、熔池凝固的一般规律二、熔池凝固的一般规律 熔池金属凝固结晶也是形核和核长大过程。熔池金属凝固结晶也是形核和核长大过程。 （一）溶池中晶核的形成（一）溶池中晶核的形成 形核热力学条件是过冷度而造成的自由能降低，形核热力学条件是过冷度而造成的自由能降低， 动力学条件是自由能降低的程度。动力学条件是自由能降低的程

3、度。 自发晶核自发晶核 非自发晶核非自发晶核 形核功形核功（临界形核功）（临界形核功） 液相中无论形成自发晶核或非自发晶核都需要消耗一定能量。液相中无论形成自发晶核或非自发晶核都需要消耗一定能量。 Formation of Nucleii Molecules are always bumping into each other sometimes they stick at lower kinetic energies more stick (T) D DG = -4/3 p p r 3D DGv + 4p 4p r 2s s d(Gr) = 0 = -4/ r*2 G* + 8r*s.s.

4、r* = 2s s/GVG* = 16s s3/3GV2 Surface Energy Volume Energy Critical radius Total Free Energy of a Solid Liquid System 自发形核自发形核 在液相中形成非自发晶核所需临界形核功在液相中形成非自发晶核所需临界形核功G*： G* = 16g gab ab3/3(GV-GS)2 f(q q) f(q q) =1/4(2 + cosq q)(1 - cosq q)2 G*= G* f(q q) =0时，时， G* =0，非自发晶核；，非自发晶核； =180时，时， G* = G*，自发晶核，

5、自发晶核， =0180时，时， G* / G*=01，液相中有现成表面存在时，将会，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。降低形成临界晶核所需的能量。 非自发行核非自发行核 形核位置：形核位置： 熔池中的现成表面熔池中的现成表面 熔池中悬浮的质点熔池中悬浮的质点 基体金属的半熔化晶粒表面基体金属的半熔化晶粒表面 (二二)熔池中的晶核长大熔池中的晶核长大 熔池中晶核形成之后，向熔池中成长。熔池中晶核形成之后，向熔池中成长。 长大方向：长大方向： 择优取向择优取向 原子排列最疏松的方向（原子排列最疏松的方向（ fcc、bcc结构为结构为方方 向）获得最大长大速度。向）获得最大长

6、大速度。 沿最大温度梯度方向，并与散热反方向。沿最大温度梯度方向，并与散热反方向。 凡凡轴与最大温度梯度方向一致，具有长大的最有利条轴与最大温度梯度方向一致，具有长大的最有利条 件，即选择长大。件，即选择长大。 三、熔池结晶线速度三、熔池结晶线速度 任一个晶粒主轴，在任任一个晶粒主轴，在任一点一点A的成长方向是的成长方向是A点的切线点的切线(S-S线线),与与X 轴夹角为轴夹角为，如果结晶等温面在，如果结晶等温面在dt时间内，沿时间内，沿X轴移动了轴移动了dx，此时，此时结结 晶面从晶面从A移到移到B，同时晶粒主轴由，同时晶粒主轴由A成长到成长到C。当。当dx很小时，可把很小时，可把 AC弧看

7、作是弧看作是AC直线，认为直线，认为ACB是直角三角形。是直角三角形。 令令AC弧弧=ds， 则则ds=dxcos， ds/dt=dx/dtcos, Vc=Vcos Vs-晶粒成长平均线速度；晶粒成长平均线速度；V-焊接速度焊接速度 晶粒成长的平均线速度，决定于晶粒成长的平均线速度，决定于cos值值. Vc=Vcos 对于厚大件对于厚大件 1 晶粒成长的平均线速度是变晶粒成长的平均线速度是变 化的化的 当当Y=OB时，时，Ky=1，cos=0，=90， Vc=0， Y=0时，时，cos=1，=0，Vc=V Y=OB0时时,=900，Vc=0V，晶，晶 粒成长方向和线速度都是变化，粒成长方向和线

8、速度都是变化，熔熔 合线上最小，在焊缝中心最大。合线上最小，在焊缝中心最大。 2 焊接工艺参数对晶粒成长方焊接工艺参数对晶粒成长方 向及平均线速度均有影响向及平均线速度均有影响 焊速越大时，焊速越大时， 角越大，晶粒主轴角越大，晶粒主轴 成长方向越垂直于焊缝的中心线；成长方向越垂直于焊缝的中心线； 焊速越小时，晶粒主轴的成长方向焊速越小时，晶粒主轴的成长方向 越弯曲。越弯曲。 薄板薄板 厚板厚板 2/ 1 22 22 1 1cos zy zy M KK KK Ta qv A q 2/ 1 2 2 2 1 1cos y y M K K T q A q 四、焊缝金属的结晶形态四、焊缝金属的结晶形态

9、 （一）纯金属结晶形态（一）纯金属结晶形态 1 正温度梯度正温度梯度 G0。液体金属的温度高，过冷度小或为负，伸入液液体金属的温度高，过冷度小或为负，伸入液 体金属内部的晶体成长缓慢，形成平滑的晶界。体金属内部的晶体成长缓慢，形成平滑的晶界。 2 负温度梯度负温度梯度 Gp0 气泡内部压力气泡内部压力( ph)是各种气体分压的总和。是各种气体分压的总和。 ph=pH2+pN2+pCO+pH2O+pH2S+pSO2+ 阻碍气泡长大压力阻碍气泡长大压力(p0)是由大气压是由大气压(pa)、气泡上部的金属和熔渣的压、气泡上部的金属和熔渣的压 力力(pM+ps)，以及表面张力所产生的附加压力，以及表面

10、张力所产生的附加压力(pc)组成。组成。 p0=pa+pM+pS+pc php0pa+pc=1+2/r 气泡开始形成时体积很小气泡开始形成时体积很小(即即r很小很小)，附加压力很大。，附加压力很大。 当当r=10-4 cm，=10-3 J/cm2时，则时，则pc=2.1MPa(20.4大气压大气压)，附，附 加压力大，气泡很难长大。加压力大，气泡很难长大。 熔池内有现成表面，熔池内有现成表面， 形成椭圆形气泡，因此有较大的曲率半径形成椭圆形气泡，因此有较大的曲率半径r， 从而降低了附加压力从而降低了附加压力pc。 3 气泡上浮气泡上浮 g g . 2 2 . 1. 1 cos s ss q （

11、1）气泡与现成表面之间的关系）气泡与现成表面之间的关系 90，气泡长大过程中有细颈出，气泡长大过程中有细颈出 现，当气泡长大到脱离现成表面时，现，当气泡长大到脱离现成表面时， 仍会仍会残留一个不大的透镜状的气泡残留一个不大的透镜状的气泡 核，它可以作为新的气泡核心。核，它可以作为新的气泡核心。 由于气泡形成细颈需要时间，当由于气泡形成细颈需要时间，当 结晶速度较大的情况下，气泡来不结晶速度较大的情况下，气泡来不 及逸出而形成气孔。及逸出而形成气孔。 减小减小1.2.和和2.g以及增大以及增大1g的因素的因素 都可以有利于气泡快速逸出。都可以有利于气泡快速逸出。 -气泡与现成表面的润湿角；气泡与

12、现成表面的润湿角； 1.g-现成表面与气泡间的表面张力；现成表面与气泡间的表面张力； 1.2-现成表面与熔池金属间表面张力；现成表面与熔池金属间表面张力； 2.g-熔池金属与气泡间的张力熔池金属与气泡间的张力 （2）气泡与溶池结晶速度的关系）气泡与溶池结晶速度的关系 结晶速度结晶速度V较小，较小，气泡有充分时间逸出，易得到无气孔的焊缝。气泡有充分时间逸出，易得到无气孔的焊缝。 当当V较大时，较大时，气泡有可能来不及选出而形成气孔。气泡有可能来不及选出而形成气孔。 结晶速度越大越易引起气孔结晶速度越大越易引起气孔 在结晶过程中，在结晶过程中，如果速度很大，而气泡的逸出速度更大，那么焊如果速度很大

13、，而气泡的逸出速度更大，那么焊 缝中也不会产生气孔。缝中也不会产生气孔。 结晶速度结晶速度V小小 结晶速度结晶速度V大大 (3) 气泡上浮速度气泡上浮速度 a） V与与r的平方成正比。的平方成正比。r， F浮 浮， ， V 。 b） V与与(L-G)差成正比。差成正比。 L ， V 。 若若G L，则，则V仅与液体金属的密度仅与液体金属的密度L有关有关。 焊接焊接轻金属轻金属(如如Al、Mg及其合金及其合金)时，由于液体金属密度小，时，由于液体金属密度小， 因而产生气孔的倾向比焊接低碳钢时大得因而产生气孔的倾向比焊接低碳钢时大得多。多。 c c）V V与与成反比。成反比。熔池高温区形成的气泡容

14、易熔池高温区形成的气泡容易逸出，而在结晶温逸出，而在结晶温 度下，由于温度低，粘度大，形成的气泡上浮比较困难，容度下，由于温度低，粘度大，形成的气泡上浮比较困难，容 易产生气孔。易产生气孔。 F浮 浮=V(L-G)=4/3r3(L-G)g F阻 阻=6 rV 牛顿粘滞定律 牛顿粘滞定律 2 )( 9 2gr V GL (三三)影响生成气孔的因素及防治措施影响生成气孔的因素及防治措施 冶金因素和工艺因素冶金因素和工艺因素 1 冶金因素的影响冶金因素的影响 (1)熔渣氧化性的影响熔渣氧化性的影响 熔渣的氧化性增大时，熔渣的氧化性增大时，CO引起气孔倾向增加；引起气孔倾向增加； 熔渣的还原性增大时，

15、则氢气孔的倾向增加。熔渣的还原性增大时，则氢气孔的倾向增加。 调整熔渣的氧化性，可有效地防止焊缝中这两种类型的气孔。调整熔渣的氧化性，可有效地防止焊缝中这两种类型的气孔。 (2)焊条药皮和焊剂的影响焊条药皮和焊剂的影响 碱性药皮碱性药皮含有含有萤石萤石(CaF2)，焊接时与氢发生作用进行反应：，焊接时与氢发生作用进行反应： CaF2+H2O=CaO+2HF；CaF2+H=CaF+HF；CaF2+2H=Ca+2HF 含有萤石和含有萤石和SiO2，消除氢气孔最为有效。，消除氢气孔最为有效。 CaF2+3SiO2=SiF4+9CaSiO3； SiF4+2H2O=4HF+SiO2 SiF4+3H=3H

16、F+SiF； SiF4+4H+O=4HF+SiO HF较稳定，高温不易分解，氢被较稳定，高温不易分解，氢被HF占据，可降低氢气孔倾向。占据，可降低氢气孔倾向。 若若焊条药皮中含有较多的焊条药皮中含有较多的CaF2时，一方面影响电弧的稳定性，另时，一方面影响电弧的稳定性，另 一方面也会产生可溶性氟一方面也会产生可溶性氟(KF和和NaF)，影响焊工的健康。，影响焊工的健康。 增加氧化性组成物增加氧化性组成物, 如如SiO2、MnO、FeO等等,消除氢气孔也有效。消除氢气孔也有效。 反应如下：反应如下： FeO+H=Fe+OH；MnO+H=Mn+OH；SiO2+H=SiO+OH 酸性焊条药皮酸性焊条

17、药皮中不含中不含CaF2，控制氢主要依靠药皮中有较强氧化性，控制氢主要依靠药皮中有较强氧化性 的组成物，防止氢气孔的产生。的组成物，防止氢气孔的产生。 碱性焊条药皮碱性焊条药皮中碳酸盐中碳酸盐(如如CaCO3、MgCO3等等)，加热后分解出，加热后分解出 CO2，它是具有氧化性的气氛，在高温时可与氢形成，它是具有氧化性的气氛，在高温时可与氢形成OH和和H2O， 同样具有防止氢气孔的作用。同样具有防止氢气孔的作用。 CO2的氧化性较强，如还原不足时，有可能产生的氧化性较强，如还原不足时，有可能产生CO气孔。气孔。 (3)铁锈及水分对产生气孔的影响铁锈及水分对产生气孔的影响 铁锈铁锈 mFe2O3

18、nH2O (Fe2O3=83.28,FeO=5.7，H2O=10.70)。 含有较多的是含有较多的是Fe2O3和结晶水，和结晶水，对熔池金属一方面有氧化作用，对熔池金属一方面有氧化作用， 另一方面又析出大量的氢。另一方面又析出大量的氢。 加热时，铁锈将进行下列反应：加热时，铁锈将进行下列反应： 3Fe2O3=2Fe3O4+O； 2Fe3O4+H2O=3 Fe2O3+H2O；Fe+H2O=FeO+H2 由于增加氧化作用，在结晶时就会促使生成由于增加氧化作用，在结晶时就会促使生成CO气孔。铁锈中的气孔。铁锈中的 结晶水结晶水(H2O)，高温时分解出氢气，增加了生成氢气孔的可能性。，高温时分解出氢气

19、，增加了生成氢气孔的可能性。 铁锈是一个极其有害的杂质，对于两类气孔均有敏感性。铁锈是一个极其有害的杂质，对于两类气孔均有敏感性。 氧化铁皮氧化铁皮主要是主要是Fe3O4，少量，少量Fe2O3，虽无结晶水，但虽无结晶水，但对产生对产生CO 气孔有较大的影响。气孔有较大的影响。 生产中应尽可能清除钢板上的铁锈、氧化铁皮等杂质。生产中应尽可能清除钢板上的铁锈、氧化铁皮等杂质。 一般碱性焊条烘干温度为一般碱性焊条烘干温度为350450，酸性焊条为，酸性焊条为200左右。左右。 2 工艺因素的影响工艺因素的影响 主要有焊接工艺参数、电流种类，及操作技巧等方面的影响。主要有焊接工艺参数、电流种类，及操作

20、技巧等方面的影响。 (1)焊接工艺参数的影响焊接工艺参数的影响 I、U、V I，熔池存在时间延长，有利于气体逸出；，熔池存在时间延长，有利于气体逸出； 熔滴变细，比表面积增大，熔滴吸收的气体较多，反而增加了熔滴变细，比表面积增大，熔滴吸收的气体较多，反而增加了 气孔倾向。气孔倾向。 不锈耐热钢焊条，不锈耐热钢焊条，I，焊芯电阻热增大，药皮中组成物，焊芯电阻热增大，药皮中组成物(如碳酸如碳酸 盐盐)提前分解，增加气孔倾向。提前分解，增加气孔倾向。 U，氮与空气作用时间，氮与空气作用时间，N侵入熔池，因而出现氮气孔。侵入熔池，因而出现氮气孔。 V，结晶速度，结晶速度Vs，气体滞留焊缝出现气孔。，气

21、体滞留焊缝出现气孔。 (2)电流种类和极性的影响电流种类和极性的影响 交流焊时较直流焊气孔倾向较大；直流反接较正接时气孔倾向小。交流焊时较直流焊气孔倾向较大；直流反接较正接时气孔倾向小。 氢是以质子的形式向液态金属中溶解：氢是以质子的形式向液态金属中溶解：H=H+e0； 直流反接，直流反接，工件是负极，熔池表面上的电子过剩，不利于产生氢工件是负极，熔池表面上的电子过剩，不利于产生氢 质子的反应，气孔的倾向最小。质子的反应，气孔的倾向最小。 直流正接，直流正接，易发生氢质子的反应，一部分氢质子溶入熔池，另一易发生氢质子的反应，一部分氢质子溶入熔池，另一 部分在电场作用下，飞向负极，部分在电场作用

22、下，飞向负极，故气孔倾向比直流反接时要大。故气孔倾向比直流反接时要大。 交流焊接时交流焊接时，在电流通过零点的瞬时，质子可以顺利溶入熔池，在电流通过零点的瞬时，质子可以顺利溶入熔池. (3)工艺操作方面的影响工艺操作方面的影响 焊前仔细清除焊件、焊丝上的污锈，油质，焊前仔细清除焊件、焊丝上的污锈，油质， 焊条、焊剂严格烘干，烘干后不得放置时间过长，最好存放在焊条、焊剂严格烘干，烘干后不得放置时间过长，最好存放在 保温筒保温筒(箱箱)内，随用随取；内，随用随取； 焊接时规范要保持稳定，低氢型焊条应尽量采用短弧焊，适当焊接时规范要保持稳定，低氢型焊条应尽量采用短弧焊，适当 配合摆动，以利气体逸出。

23、配合摆动，以利气体逸出。 二、焊缝中的夹杂二、焊缝中的夹杂 焊缝或母材中有夹杂物存在时，不仅降低焊缝金属的韧性，增焊缝或母材中有夹杂物存在时，不仅降低焊缝金属的韧性，增 加低温脆性，同时也增加了热裂纹和层状撕裂的倾向。加低温脆性，同时也增加了热裂纹和层状撕裂的倾向。 (一一)焊缝中央杂物的种类及其危害性焊缝中央杂物的种类及其危害性 焊缝中常遇到的夹杂物有以下三种：焊缝中常遇到的夹杂物有以下三种： 1 氧化物氧化物 氧化物夹杂主要是氧化物夹杂主要是SiO2，其次是，其次是MnO、TiO2和和Al2O3等，等， 以硅酸盐的形式存在。以硅酸盐的形式存在。 夹杂物如果密集地以块状或片状分布时，在焊缝中

24、会引起热裂夹杂物如果密集地以块状或片状分布时，在焊缝中会引起热裂 纹，在母材中也易引起层状撕裂。纹，在母材中也易引起层状撕裂。 焊接过程中熔池的脱氧越完全，焊缝中氧化物夹杂物越少。焊接过程中熔池的脱氧越完全，焊缝中氧化物夹杂物越少。 氧化物夹杂主要是在熔池进行冶金反应时产生的，如氧化物夹杂主要是在熔池进行冶金反应时产生的，如SiO2、 MnO等，只有少量夹杂物是由于操作不当而混入焊缝中。等，只有少量夹杂物是由于操作不当而混入焊缝中。 2 氮化物氮化物 氮化物夹杂是氮化物夹杂是Fe4N。 Fe4N是焊缝在时效过程中由过饱和固溶体中析出的，并以针状是焊缝在时效过程中由过饱和固溶体中析出的，并以针状

25、 分布在晶粒上或贯穿晶界。分布在晶粒上或贯穿晶界。 由于由于Fe4N是一种脆硬的化合物，会使焊缝的硬度增高，塑性、韧是一种脆硬的化合物，会使焊缝的硬度增高，塑性、韧 性急剧下降。性急剧下降。 氮化物具有强化作用。氮化物具有强化作用。 钢中含有钢中含有Mo、V、Nb、Ti和和Al等合金元素时，若能与氮形成弥等合金元素时，若能与氮形成弥 散状的氮化物，从而在不过多损失韧性的条件下，大幅度地提高散状的氮化物，从而在不过多损失韧性的条件下，大幅度地提高 强度。强度。经过热处理后经过热处理后(如正火如正火)，可使钢具有良好的力学性能，如，可使钢具有良好的力学性能，如 15MnVN钢、钢、06A1NbCu

26、N钢等。钢等。 3 硫化物硫化物 硫化物夹杂主要来源于焊条药皮或焊剂，经冶金反应转入熔池的。硫化物夹杂主要来源于焊条药皮或焊剂，经冶金反应转入熔池的。 有时是母材或焊丝中含硫量偏高而形成硫化物夹杂。有时是母材或焊丝中含硫量偏高而形成硫化物夹杂。 硫在铁中的溶解度随温度而有较大的变化。高温时，硫在硫在铁中的溶解度随温度而有较大的变化。高温时，硫在铁中铁中 的溶解度为的溶解度为0.18，而在，而在铁中的溶解度只有铁中的溶解度只有0.005%，冷却过程，冷却过程 中，硫从过饱和固溶体中析出而成为硫化物夹杂。中，硫从过饱和固溶体中析出而成为硫化物夹杂。 硫化物夹杂主要有两种，即硫化物夹杂主要有两种，即

27、MnS和和FeS。 MnS影响较小，而影响较小，而FeS的影响较大。因的影响较大。因FeS是沿晶界析出，并与是沿晶界析出，并与 Fe或或FeO形成低熔共晶形成低熔共晶(988)，它是引起热裂纹主要原因之一。，它是引起热裂纹主要原因之一。 硫化物夹杂的危害性有不同的看法：硫化物夹杂的危害性有不同的看法： 当钢中的含硫量极低当钢中的含硫量极低(S=0)，反而会引起裂纹。，反而会引起裂纹。 当有微量硫化物，以弥散状态分布于金属，它具有溶氢的作用，当有微量硫化物，以弥散状态分布于金属，它具有溶氢的作用， 使氢不易聚集，降低了氢的有害作用使氢不易聚集，降低了氢的有害作用，因而提高了抗裂性能，因而提高了抗

28、裂性能。 (二二)防止焊缝中夹杂物的措施防止焊缝中夹杂物的措施 防止焊缝中产生夹杂物的最重要方面就是正确选择焊条、焊剂，防止焊缝中产生夹杂物的最重要方面就是正确选择焊条、焊剂， 使之更好地脱氧、脱硫等。其次是注意工艺操作：使之更好地脱氧、脱硫等。其次是注意工艺操作： (1)选用合适的焊接工艺参数，以利于熔渣的浮出；选用合适的焊接工艺参数，以利于熔渣的浮出； (2)多层焊时，应注意清除前层焊缝的熔渣；多层焊时，应注意清除前层焊缝的熔渣； (3)焊条要适当的摆动，以便熔渣浮出；焊条要适当的摆动，以便熔渣浮出； (4)操作时注意保护熔池，防止空气侵入。操作时注意保护熔池，防止空气侵入。 第四节第四节

29、 焊缝性能的控制焊缝性能的控制 一般焊件焊后不再进行热处理，特别是一些大型的结构，尽可一般焊件焊后不再进行热处理，特别是一些大型的结构，尽可 能保证焊缝凝固以后，经过固态相变就具有良好的性能。能保证焊缝凝固以后，经过固态相变就具有良好的性能。 控制焊缝性能是控制焊接质量的主要目标控制焊缝性能是控制焊接质量的主要目标 。 改善焊缝金属性能的途径：改善焊缝金属性能的途径： 固溶强化、变质处理固溶强化、变质处理(微合金化微合金化)，调整焊接工艺。调整焊接工艺。 1)添加添加Si、Mn元素，起固溶强化，提高焊缝金属性能（强度）。元素，起固溶强化，提高焊缝金属性能（强度）。 2)加入加入Mo、V、Ti、

30、Nb、B、Zr、A1和和Re等，起变质处理等，起变质处理 (Modification)的作用，以改变凝固组织和结晶形态，使焊缝金的作用，以改变凝固组织和结晶形态，使焊缝金 属的晶粒细化，提高焊缝的强度、韧性，改善抗裂性能。属的晶粒细化，提高焊缝的强度、韧性，改善抗裂性能。 多种微量合金元素，大幅度地提高焊缝金属强度和韧性。多种微量合金元素，大幅度地提高焊缝金属强度和韧性。 3)调整焊接工艺，控制固态相变组织、减少焊接缺陷。调整焊接工艺，控制固态相变组织、减少焊接缺陷。 一一、焊缝的固溶强化和变质处理焊缝的固溶强化和变质处理 1 Mn （1）含锰量对焊缝组织影）含锰量对焊缝组织影 响响 含锰量增

31、加，含锰量增加，PF数量明显减数量明显减 少，少，AF数量显著增加，数量显著增加， FSP的数量稍有下降。的数量稍有下降。AF 本身也逐渐变得更细小。本身也逐渐变得更细小。 （2）含锰量对焊缝含锰量对焊缝拉伸性能拉伸性能影响影响 随着含锰量的增加，焊缝的屈服随着含锰量的增加，焊缝的屈服 强度和抗拉强度均呈直线上升。强度和抗拉强度均呈直线上升。 焊态下：焊态下： s=314+108Mn, b=394+108Mn 消除应力状态下：消除应力状态下： s=311+89Mn；b=390+98Mn 2 硅硅 (1)含硅量对焊缝组织的影响含硅量对焊缝组织的影响 焊态焊态AF随含硅量的增加而增随含硅量的增加而

32、增 多多。 1.4Mn焊缝中针状铁素体的焊缝中针状铁素体的 体积分数变化不大，但其长体积分数变化不大，但其长 宽比变化较大，二次相数量宽比变化较大，二次相数量 增多。增多。 (2)含硅量对焊缝力学性能的影响含硅量对焊缝力学性能的影响 (a)对硬度的影响对硬度的影响 HV5=107+56Mn+158Si-57Si2- 39MnSi (b)对拉伸性能的影响对拉伸性能的影响 抗拉强度与含抗拉强度与含 硅量呈非线性变化硅量呈非线性变化: 焊后状态焊后状态 s=293+91Mn+228Si-122Si2 b=365+89Mn+169Si-44Si2 消除应力状态消除应力状态 s=288+91Mn+95S

33、i-10Si2 b=344+89Mn+212Si-79Si2 Si对焊态焊缝金属硬对焊态焊缝金属硬 度影响度影响 (3)锰和硅共同作用锰和硅共同作用 焊缝中含焊缝中含Mn0.8%，含，含Si1.0，Si0.25时，组织为时，组织为FSP. 这两种组织的韧性都这两种组织的韧性都 比较低。比较低。 只有只有Mn=0.81.0，Si=0.100.25时，得到细晶铁素体和时，得到细晶铁素体和 针状铁素体的组织，才具有较好的韧性。针状铁素体的组织，才具有较好的韧性。 单纯采用单纯采用Mn、Si提高焊缝的韧性是有限的，特别是在大线能量提高焊缝的韧性是有限的，特别是在大线能量 进行焊接时，仍难以避免产生粗大

34、进行焊接时，仍难以避免产生粗大PF和和FSP。 因此，因此，必须向焊缝中加入其他细化晶粒的合金元素才能进一步必须向焊缝中加入其他细化晶粒的合金元素才能进一步 改善组织，提高焊缝的韧性。改善组织，提高焊缝的韧性。 3 Mo （1）含）含Mo量对焊缝组织的影响量对焊缝组织的影响 组织由组织由PF、含二次相、含二次相F和和AF组成。组成。 PF体积分数随着含钼量的增加而连体积分数随着含钼量的增加而连 续减少，在续减少，在1.1Mo时消失。时消失。 AF的体积分数开始时随含钼量的增的体积分数开始时随含钼量的增 加而增加，当钼超过加而增加，当钼超过0.5后连续减后连续减 少。少。 含二次相含二次相F的体

35、积分数开始时随含的体积分数开始时随含 钼量的增加稍有减少，而超过钼量的增加稍有减少，而超过0.5 Mo后开始增多。后开始增多。 随着焊缝中含钼量的增加，随着焊缝中含钼量的增加，AF的板的板 条尺寸减小，条尺寸减小，M-A二次相体积分数二次相体积分数 增加。最后，增加。最后，AF被含有二次相的被含有二次相的F 所取代。所取代。 （2） 含钼量对焊缝力学性能的影响含钼量对焊缝力学性能的影响 (a)对硬度的影响对硬度的影响 含钼量增加，焊缝硬度增大。含钼量增加，焊缝硬度增大。无钼焊缝和无钼焊缝和1.1 Mo焊缝之间的硬度相差焊缝之间的硬度相差4050HV。 (b)对拉伸性能的影响对拉伸性能的影响 钼

36、对含不同锰量的焊缝拉伸性能的影响是钼对含不同锰量的焊缝拉伸性能的影响是 呈线性变化，其直线基本上是平行的。呈线性变化，其直线基本上是平行的。 钼对焊缝强度的影响比锰大。钼对焊缝强度的影响比锰大。含钼量超过含钼量超过0.5焊缝经消除应力焊缝经消除应力 后强度有所提高由于是钼引起的固溶强化和碳化物析出所致。后强度有所提高由于是钼引起的固溶强化和碳化物析出所致。 4 Cr （1） Cr对组织的影响对组织的影响 Cr，PF，AF，超过，超过1.0Cr, AF， 含二次相含二次相F。 在含在含Cr1.0，AF逐渐细化；逐渐细化；Cr 1.0，AF逐渐被贝氏体取代；逐渐被贝氏体取代； Cr=2.3，为贝氏

37、体组织。，为贝氏体组织。 铬对焊态焊缝组织铬对焊态焊缝组织 的影响的影响(1.0%Mn) 焊态下焊缝组织焊态下焊缝组织 630 （2） 含铬量对焊缝力学性能的影响含铬量对焊缝力学性能的影响 (a)硬度硬度 低低Cr时基本上是呈线性的时基本上是呈线性的 但在高但在高Cr时则呈非线性。时则呈非线性。 (b)对拉伸性能的影响对拉伸性能的影响 焊后状态焊后状态 s=320+113Mn+64Cr+42(MnCr) b395+107Mn+63Cr+36(MnCr) 消除应力状态消除应力状态 s 312+100Mn+58Cr+22(MnCr) b 393+106Mn+66Cr+10(MnCr) 5 钛和硼对

38、焊缝组织和性能的影响钛和硼对焊缝组织和性能的影响 1） 钛对焊缝组织的影响钛对焊缝组织的影响 焊缝含钛量由焊缝含钛量由7010-6增加到增加到70010-6 时，时，AF，PF，焊缝组织得到细化。，焊缝组织得到细化。 ， 含硼量少时含硼量少时(1110-6)，对组织影响不大。，对组织影响不大。 B4510-6时，时，Ti=20010-6可得到最多的可得到最多的AF量。量。 Ti20010-6时，只要有足够的含硼量，时，只要有足够的含硼量，PF的含量大幅度下降。的含量大幅度下降。 随着含钛量的增加，随着含钛量的增加，FSP减少，而上贝氏体增多。减少，而上贝氏体增多。 2） 硼对焊缝组织的影响硼对

39、焊缝组织的影响 B，PF量减少，得到细小的显微组织。量减少，得到细小的显微组织。Ti8010-6，对组织影，对组织影 响不大。响不大。 3）B含量最佳值与含量最佳值与Ti含量关系：含量关系： 当当Ti=70010-620010-6时，时，B最佳值是在最佳值是在3010-6 6010-6 ; 当当B=4210-6，Ti=42010-6，AF最多，最多，PF最少。最少。 钛对焊缝组织的影响钛对焊缝组织的影响硼对焊缝组织的影响硼对焊缝组织的影响 4） 钛、硼对焊缝金属冲击功的影响钛、硼对焊缝金属冲击功的影响 硼和钛提高焊缝韧性的原因可分析如下：硼和钛提高焊缝韧性的原因可分析如下：(希望得到最大希望得

40、到最大AF量量) (1)在凝固过程中，在凝固过程中，Ti保护保护B不被氧化，使不被氧化，使B与与N反应，生成反应，生成BN。 (2) Ti通过形成通过形成TiN而保护残余的而保护残余的B不被氮化，因而有一定量的自不被氮化，因而有一定量的自 由由B向向A晶界偏析，降低了晶界的能量，不利于晶界偏析，降低了晶界的能量，不利于PF形核。硼在形核。硼在 晶界上形成碳化物晶界上形成碳化物Fe23(C,B)6，先于，先于F的生成，当其尺寸很小的生成，当其尺寸很小 时可阻碍时可阻碍F形核。形核。 (3) TiO促进奥氏体晶粒内形核，有利于晶内促进奥氏体晶粒内形核，有利于晶内AF的生成。的生成。 (4) B和和

41、Ti形成形成BN和和TiN，减少了固溶于焊缝中的，减少了固溶于焊缝中的N量。量。 (5)Ti与氧的亲和力很大，与氧的亲和力很大，Ti以微小颗粒以微小颗粒TiO弥散分布，促进晶粒弥散分布，促进晶粒 细化。细化。 在在转变时，这些微小颗粒可以作为转变时，这些微小颗粒可以作为“钉子钉子”，位于晶粒边界，位于晶粒边界， 阻碍阻碍A晶粒的长大，细化晶粒。晶粒的长大，细化晶粒。 小颗粒状的小颗粒状的TiO可作为可作为AF的形核质点，在的形核质点，在转变阶段促进形转变阶段促进形 成成AF。 Ti对韧性的影响对韧性的影响 6 铌和钒对焊缝韧性的影响铌和钒对焊缝韧性的影响 Nb和和V可以提高焊缝的冲击韧性。可以

42、提高焊缝的冲击韧性。 Nb和和V推迟推迟FF转变，抑制焊缝中转变，抑制焊缝中PFPF(包括包括GBF和和FSP)的产生，的产生， 而激发形成细小的而激发形成细小的AF组织。组织。 Nb和和V可以形成氮化物可以形成氮化物(NbN、VN)，从而固定了焊缝中的可溶，从而固定了焊缝中的可溶 性氮，提高韧性。性氮，提高韧性。 焊后不进行正火处理时，焊后不进行正火处理时，V和和Nb的氮化物，以微细共格沉淀相的氮化物，以微细共格沉淀相 存在，焊缝的强度大幅度提高，使焊缝的韧性下降。存在，焊缝的强度大幅度提高，使焊缝的韧性下降。 只有经过正火处理的焊缝，才能使只有经过正火处理的焊缝，才能使V、Nb和和N的析出

43、相脱离与的析出相脱离与 基体的共格关系，改善韧性和降低强。基体的共格关系，改善韧性和降低强。 只有采用正火处理时，才可以通过焊接材料向焊缝添加只有采用正火处理时，才可以通过焊接材料向焊缝添加Nb或或V。 7 稀土元素对焊缝组织和性能的影响稀土元素对焊缝组织和性能的影响 稀土的主要作用：稀土的主要作用： 1)稀土可减轻和消除钢中有害杂质，如氧、氮、硫等。稀土可减轻和消除钢中有害杂质，如氧、氮、硫等。 2)稀土与钢中合金元素作用，可改善组织和提高韧性。稀土与钢中合金元素作用，可改善组织和提高韧性。 3)稀土降低焊缝中的扩散氢含量，改善焊缝的抗热裂倾向，特稀土降低焊缝中的扩散氢含量，改善焊缝的抗热裂

44、倾向，特 别是稀土能改善焊缝金属韧性。别是稀土能改善焊缝金属韧性。 4)轻轻稀土元素可使夹杂物球化，并以弥散状态分布，有利于针稀土元素可使夹杂物球化，并以弥散状态分布，有利于针 状铁素体状铁素体(AF)形核，抑制先共析铁素体形核，抑制先共析铁素体(PF)，使焊缝组织得，使焊缝组织得 到细化，提高焊缝韧性。到细化，提高焊缝韧性。 5)重稀土钇对焊缝金属的组织有改善作用，并能改善夹杂物分重稀土钇对焊缝金属的组织有改善作用，并能改善夹杂物分 布，从而提高了韧性。布，从而提高了韧性。 1） 稀土对夹杂物和晶粒尺寸的影响稀土对夹杂物和晶粒尺寸的影响 不加稀土的焊缝中硫化物不加稀土的焊缝中硫化物(40um

45、)、大量的氧化物、大量的氧化物(13um)及尖角及尖角 状的硅夹杂物状的硅夹杂物(30um)，未发现氧硫化物夹杂。未发现氧硫化物夹杂。 加稀土，夹杂物既细化又被球化加稀土，夹杂物既细化又被球化，硫化物夹杂，硫化物夹杂14um，氧化物，氧化物 夹杂夹杂6.5um，硅夹杂物，硅夹杂物10um，少量，少量12um氧硫化物夹杂。氧硫化物夹杂。 加入稀土的焊缝，夹杂物尺寸加入稀土的焊缝，夹杂物尺寸(dm)的峰值向较小尺寸一侧移动。的峰值向较小尺寸一侧移动。 无无Re 有有Re 稀土加入后，非金属夹杂弥散分布，稀土加入后，非金属夹杂弥散分布， 奥氏体晶粒尺寸逐渐减小，且奥氏奥氏体晶粒尺寸逐渐减小，且奥氏

46、体晶粒也趋于均匀化。体晶粒也趋于均匀化。 不加稀土不加稀土 加稀土加稀土 2） 稀土对焊缝力学性能的影响稀土对焊缝力学性能的影响 RE， s、b均有提高。均有提高。原因：原因：还原性增强，更多还原性增强，更多C、Si和和Mn 元素进入焊缝中而引起的。元素进入焊缝中而引起的。 RE，韧性呈曲线变化，并有一最大值，韧性呈曲线变化，并有一最大值。 由于夹杂物尺寸减小和球化进而使晶粒细化引起曲线的上升。由于夹杂物尺寸减小和球化进而使晶粒细化引起曲线的上升。 稀土含量更高时，有更多的硅和锰元素过渡到焊缝中，尖角形硅稀土含量更高时，有更多的硅和锰元素过渡到焊缝中，尖角形硅 的夹杂物也增多，冲击韧性下降。的

47、夹杂物也增多，冲击韧性下降。 低温下低温下(-40、-70)， RE，冲击韧性缓慢下降。，冲击韧性缓慢下降。 拉伸拉伸 冲击冲击 8 碲在焊缝中的作用碲在焊缝中的作用 向焊缝中过渡微量碲，焊缝中扩散氢含量显著降低，抗冷裂能力向焊缝中过渡微量碲，焊缝中扩散氢含量显著降低，抗冷裂能力 大为提高，并使焊条的抗潮性改善。大为提高，并使焊条的抗潮性改善。 稀土稀土(Y或或Ce)与碲同时加入焊缝中，将会进一步降氢，并使焊缝与碲同时加入焊缝中，将会进一步降氢，并使焊缝 组织细化，提高低温韧性。组织细化，提高低温韧性。 碲具有使铁水表面活化的作用，降低表面张力，使吸附和溶解于碲具有使铁水表面活化的作用，降低表面张力，使吸附和溶解于 液态金属的氢量大大减少。液态金属的氢量大大减少。 稀土是铁水稀土是铁水(熔池熔池)的表面活化剂，有较强的溶氢能力，并有使夹的表面活化剂，有较强的溶氢能力，并有使夹