西安工大焊接冶金学基本原理-第3章 熔池凝固和焊缝固态相变

1、西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第2 2章章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接冶金学焊接冶金学-基本原理基本原理主讲主讲: 张文兴张文兴西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院2014年年11月月共需 4学时西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变第第3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变主要内容：主要内容：3.1熔池凝固熔池凝固3.2焊缝固态相

2、变焊缝固态相变3.3焊缝中的气孔、夹杂焊缝中的气孔、夹杂西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变焊接热过程焊接热过程 焊接化学冶金过程焊接化学冶金过程 焊缝结晶及焊接组织焊缝结晶及焊接组织 焊接热影响区的组织与性能焊接热影响区的组织与性能 焊接裂纹焊接裂纹焊接冶金学主要内容焊接冶金学主要内容v焊接接头形成以熔化焊为例，焊接过程经过了v加热加热v熔化熔化v冶金反应冶金反应v结晶结晶v固态相变固态相变v接头接头焊缝焊缝热影响区热影响区西安工业大学西安工业

3、大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固熔池凝固-形成焊缝形成焊缝熔池的固液相变熔池的固液相变（凝固）（凝固）熔池的结晶过程熔池的结晶过程焊缝的组织焊缝的组织气孔、夹杂、气孔、夹杂、偏析、结晶裂纹偏析、结晶裂纹焊缝的性能焊缝的性能 正常正常 不正常不正常（缺陷）（缺陷）西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变3.1 熔

4、池凝固熔池凝固3.1.1 熔池凝固的条件和特点熔池凝固的条件和特点3.1.2 熔池结晶的一般规律熔池结晶的一般规律3.1.3 熔池结晶速度和方向熔池结晶速度和方向3.1.4 熔池结晶的形态熔池结晶的形态3.1.5 焊缝金属的化学成份不均匀性焊缝金属的化学成份不均匀性3.2 焊缝固态相变焊缝固态相变3.3 焊缝中的气孔、夹杂焊缝中的气孔、夹杂3.4 焊缝性能的控制焊缝性能的控制西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变3.1 熔池凝固熔池凝固3.1.1

5、熔池凝固的条件和特点熔池凝固的条件和特点 （与普通钢铁凝固相比较）（与普通钢铁凝固相比较）（1）焊接熔池体积小，冷却速度高；）焊接熔池体积小，冷却速度高； 最大最大100g，平均，平均4100 /s，约为铸造的，约为铸造的104倍。倍。 淬硬倾向大、易开裂。淬硬倾向大、易开裂。（2）焊接熔池的液态金属处于过热状态）焊接熔池的液态金属处于过热状态 熔池熔池1770100; 钢锭钢锭1550 。冶金反应剧烈、烧损严重。冶金反应剧烈、烧损严重西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态

6、相变熔池凝固和焊缝固态相变（3）熔池在运动状态下结晶）熔池在运动状态下结晶结晶前沿随热源同步运动，焊缝组织和外形规律性变化结晶前沿随热源同步运动，焊缝组织和外形规律性变化液态金属受到力的搅拌运动，冶金反应充分液态金属受到力的搅拌运动，冶金反应充分鱼鳞纹示意图鱼鳞纹示意图鱼鳞纹实图鱼鳞纹实图西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变3.1.2 熔池结晶的一般规律熔池结晶的一般规律 焊接时，熔池金属的结晶与一般炼钢时钢锭的结晶一样，也是焊接时，熔池金属的结

7、晶与一般炼钢时钢锭的结晶一样，也是在在过冷过冷的液体金属中，首先的液体金属中，首先形成晶核形成晶核和和晶核长大晶核长大的结晶过程。的结晶过程。 形核的热力学条件形核的热力学条件是过冷度而造成的自由能降低；是过冷度而造成的自由能降低； 形核的动力学条件形核的动力学条件是自由能降低的程度。是自由能降低的程度。 下面来分析焊接条件下有那些特点。下面来分析焊接条件下有那些特点。 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为：非自发晶核、自发晶核。形成两种晶核熔池中晶核的生成分为：非自发晶核、自发晶核。形成两种晶核都需要能量。都需要能量。（1）自发形核：）自发形核：32163KKFE：新相

8、与液相间的表面能。：新相与液相间的表面能。FK：单位体积内液固两相自由能差。单位体积内液固两相自由能差。西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变（2）非自发形核）非自发形核3323162 3coscos342 3coscos4(0180 )( )KkFKKKEEEE f ：非自发晶核的浸润角：非自发晶核的浸润角 f()=01。如。如=10，f()=0.0017=0,EK=0,液相中存在悬浮质点和液相中存在悬浮质点和 某些现成表面。形核容易。某些现成表

9、面。形核容易。=180,EK=EK，只存在自发形核。只存在自发形核。 形核较难。形核较难。研究表明，焊接熔池结晶，非自发形核主导。研究表明，焊接熔池结晶，非自发形核主导。西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变 接触角接触角 基底形状基底形状对临界晶核的影响对临界晶核的影响 对临界晶核的影响对临界晶核的影响 AGG313162V3西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineeri

10、ng第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变关于关于： 取决于新相晶核与现成表面之间的表面张力，取决于新相晶核与现成表面之间的表面张力，若结构相似，若结构相似，表面张力越小表面张力越小, ,越小越小，湿润性越好，形核需要能量越小。，湿润性越好，形核需要能量越小。 如果新相与母材属于同一物质，则形核所需能量为如果新相与母材属于同一物质，则形核所需能量为0 0，即，即不需形核，直接长大。不需形核，直接长大。焊接条件下非自发形核焊接条件下非自发形核：熔合区的液态金属依附于熔合区的液态金属依附于母材母材晶粒表面长大，而形成同一晶粒，晶粒表面长大，而形成同一晶粒，并以柱状晶的形态向焊

11、缝中心成并以柱状晶的形态向焊缝中心成长，即长，即联生结晶（起主要作用）。联生结晶（起主要作用）。合金元素或杂质（一般作用不合金元素或杂质（一般作用不大）。大）。如何细化晶粒？如何细化晶粒？西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变2.熔池中晶核的长大熔池中晶核的长大a 联生结晶起主导作用联生结晶起主导作用b 当晶体最易长大方向（当晶体最易长大方向（bccbcc，fccfcc 方向）与散热最快方向（温方向）与散热最快方向（温度梯度）相一致，最有利长大。度

12、梯度）相一致，最有利长大。不锈钢自动焊时的联生结晶不锈钢自动焊时的联生结晶西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变3.1.3 熔池结晶速度和方向熔池结晶速度和方向 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很大。裂纹、夹杂、气孔等缺陷的形成影响很大。 熔池在结晶过程中熔池在结晶过程中晶粒成长的方向晶粒成长的方向与与晶粒主轴成长的线速度晶粒主轴成长的线

13、速度vc及及焊接速度焊接速度v有密切关系。有密切关系。晶粒主轴成长方向与结晶等温面正晶粒主轴成长方向与结晶等温面正交，并以弯曲状向焊缝中心生长。交，并以弯曲状向焊缝中心生长。西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变 cosdxds cosdtdxdtdscoscvvds dx图图 晶粒成长线速度分析图晶粒成长线速度分析图西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3

14、 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变焊接工艺参数与焊接工艺参数与（0 09090）关系：关系：( (熔池半椭球体假设）熔池半椭球体假设）212z2y2z2yMKK1KKTqVA1cos 212y2y2MK1KTqA1cos 厚大件上快速堆焊：厚大件上快速堆焊：薄板上自动焊：薄板上自动焊：西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变结论：结论：（1 1） 晶粒成长的平均线速度是变化的，在熔合线上最小，在焊晶粒成长的平均线速度是变化的，在熔

15、合线上最小，在焊缝中心最大，缝中心最大，v vc c=0=0v v。 K Ky y=1=1， coscos=0, =0, =90 =90,V,Vc c=0, =0, 说明熔合区上晶粒开始成说明熔合区上晶粒开始成长的瞬间，成长的方向垂直于熔合区，晶粒成长的平均线速度长的瞬间，成长的方向垂直于熔合区，晶粒成长的平均线速度等于零。等于零。 Ky=0Ky=0，coscos =1, =1, =0=0,V,Vc c=V, =V, 说明晶粒成长到接触说明晶粒成长到接触X X轴时，轴时，晶粒成长的平均线速度等于焊接速度，晶粒成长的平均线速度等于焊接速度，且方向一致且方向一致。（2 2） 焊接工艺参数对晶粒成长

16、方向和平均线速度均有影响焊接工艺参数对晶粒成长方向和平均线速度均有影响 。当焊接速度越大时，当焊接速度越大时，角越大，晶粒主轴的成长方向越垂直于角越大，晶粒主轴的成长方向越垂直于焊缝的中心线；相反，当焊接速度小时，则晶粒主轴的成长方焊缝的中心线；相反，当焊接速度小时，则晶粒主轴的成长方向越弯曲。向越弯曲。 西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical E

17、ngineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变3.1.4 熔池结晶的形态熔池结晶的形态符合符合 一般结晶理论，一般结晶理论，本课程仅分析焊接中的特色部分本课程仅分析焊接中的特色部分。1、纯金属的结晶理论、纯金属的结晶理论（1） 正温度梯度正温度梯度 液相温度高于固相温度，且距界面越远，液相温度越高，液相温度高于固相温度，且距界面越远，液相温度越高， 称为正温度梯度，称为正温度梯度，G0。纯金属焊缝凝固时，属于此类，是。纯金属焊缝凝固时，属于此类，是 平面晶平面晶。 （2） 负温度梯度负温度梯度 当距界面越远液相的温度越低，称为负温度梯度，当距界面越远液相的温度

18、越低，称为负温度梯度，G0时的温度分布b)G0时的界面结晶形态d)G0时的界面结晶形态西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变2、固溶体合金的结晶形态、固溶体合金的结晶形态合金结晶温度与成分有关，先结晶与后结晶的固液相成分也不相合金结晶温度与成分有关，先结晶与后结晶的固液相成分也不相同，造成固液界面一定区域的成分起伏，因此合金凝固时，除同，造成固液界面一定区域的成分起伏，因此合金凝固时，除了由于实际温度造成的过冷外了由于实际温度造成的过冷外( 温度过

19、冷温度过冷)，还存在由于固液界，还存在由于固液界面处成分起伏而造成的过冷，称为面处成分起伏而造成的过冷，称为成分过冷成分过冷。所以合金结晶随。所以合金结晶随过冷的不同晶体成长也不同。过冷的不同晶体成长也不同。西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变温度温度TAT0T00 0液固前沿实际温度液固前沿实际温度T0 T= T0 +Gz与界面的距离与界面的距离z00T0T0温度温度 /%T0T0与界面的距离与界面的距离z /%西安工业大学西安工业大学材材化化

20、学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变（1）平面结晶）平面结晶产生条件：过冷度产生条件：过冷度0，无成分过冷，无成分过冷特征：平面晶（特征：平面晶（G正温度梯度很大时）正温度梯度很大时）3、成分过冷对结晶形态的影响、成分过冷对结晶形态的影响 根据过冷度不同，焊缝可出现五种结晶形态。根据过冷度不同，

21、焊缝可出现五种结晶形态。 西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变(2) 胞状结晶胞状结晶产生条件：过冷度很小。产生条件：过冷度很小。特征：断面六角形，细胞或蜂窝状。特征：断面六角形，细胞或蜂窝状。西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变（3 3）、胞状树枝结晶）、胞状树枝结晶 产生条件：过冷度稍大。产生条

22、件：过冷度稍大。特征：主干四周伸出短小二次横枝，纵向树枝晶断面胞状。特征：主干四周伸出短小二次横枝，纵向树枝晶断面胞状。西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变（4 4）、树枝状结晶）、树枝状结晶产生条件：过冷度进一步增大。产生条件：过冷度进一步增大。特征：主枝长，主枝向四周伸出二次横枝，并能得到很好的生特征：主枝长，主枝向四周伸出二次横枝，并能得到很好的生长。长。西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and

23、Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变（5 5）、等轴晶）、等轴晶产生条件：过冷度大，温度梯度小。产生条件：过冷度大，温度梯度小。特征：结晶前沿长出粗大树枝晶，液相内，可自发生核，形成自特征：结晶前沿长出粗大树枝晶，液相内，可自发生核，形成自由长大的等轴树枝晶。由长大的等轴树枝晶。西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变结晶形态主要决定于结晶形态主要决定于合金中的合金中的溶质的浓度溶质的浓

24、度C C0 0、结晶速度结晶速度R R和和液相中温度梯度液相中温度梯度G G的综合作用。的综合作用。等轴晶等轴晶树枝状晶树枝状晶胞状树枝晶胞状树枝晶胞状晶胞状晶平面晶平面晶G / R 1/2 C0 图图328 C0、R和和G对结晶形态的影响对结晶形态的影响西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变等轴晶等轴晶树枝晶树枝晶平面晶平面晶G / R 1/2 胞状树枝晶胞状树枝晶胞状晶胞状晶G、R、成分对结晶形态的影响、成分对结晶形态的影响温度温度TA0 0T

25、0T0与界面的距离与界面的距离z西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变4、焊接条件下的凝固（结晶）形态、焊接条件下的凝固（结晶）形态(1)温度梯度及结晶速度的影响（基本趋势）温度梯度及结晶速度的影响（基本趋势） 在焊缝的熔化边界，由于温度梯度在焊缝的熔化边界，由于温度梯度G较大，结晶速度较大，结晶速度R又较小，又较小，故成分过冷接近与零，所以平面晶得到发展。故成分过冷接近与零，所以平面晶得到发展。向焊缝中心过渡时，温度梯度向焊缝中心过渡时，温度梯度

26、G逐渐变小，而结晶速度逐渐增大，逐渐变小，而结晶速度逐渐增大，所以结晶形态由平面向胞状晶、树枝晶、等轴晶发展。所以结晶形态由平面向胞状晶、树枝晶、等轴晶发展。 等等轴轴晶晶树枝树枝状晶状晶平面晶平面晶G / R 1/2 C0 西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变（2）纯度的影响。）纯度的影响。99.99%99.96%等轴晶等轴晶树枝晶树枝晶平面晶平面晶G / R 1/2 C0 胞状树枝晶胞状树枝晶胞状晶胞状晶C0、R、G对结晶形态的影响对结晶形态

27、的影响纯度纯度西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变 （3）工艺参数的影响）工艺参数的影响 b 焊接速度的影响。焊接速度的影响。 V，熔池中心出现等轴晶。 V，熔合线附近出现胞状树枝晶。 c 焊接电流的影响焊接电流的影响I小，G，胞状晶I 较大，胞状树枝晶I大，G，粗大树枝晶等轴晶等轴晶树枝晶树枝晶平面晶平面晶G / R 1/2 胞状树枝晶胞状树枝晶胞状晶胞状晶G、R、成分对结晶形态的影响、成分对结晶形态的影响 西安工业大学西安工业大学材材化化学院

28、学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变3.1.5 焊缝金属的化学成份不均匀性焊缝金属的化学成份不均匀性化学不均匀性：结晶过程中化学成分的一种偏析现象。化学不均匀性：结晶过程中化学成分的一种偏析现象。（一）焊缝中的化学不均匀性（一）焊缝中的化学不均匀性 1 1、显微偏析：、显微偏析：枝晶偏析枝晶偏析指晶粒边界或一个晶粒内部亚晶界或树枝状晶的晶枝之间的偏析。指晶粒边界或一个晶粒内部亚晶界或树枝状晶的晶枝之间的偏析。 焊缝焊缝熔合区熔合区西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School

29、 of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变 2、区域偏析（宏观偏析）、区域偏析（宏观偏析） 指焊缝边缘到焊缝中心，宏观上的成分不均匀性，指焊缝边缘到焊缝中心，宏观上的成分不均匀性，焊缝金属以柱状晶长大，把杂质推向熔池中心，中心杂焊缝金属以柱状晶长大，把杂质推向熔池中心，中心杂质浓度逐渐升高，使最后凝固的部位发生较严重的偏析。质浓度逐渐升高，使最后凝固的部位发生较严重的偏析。焊接速度过大时出现定向晶，焊缝中心易出现裂纹焊接速度过大时出现定向晶，焊缝中心易出现裂纹西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院Sc

30、hool of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变 3、层状偏析（宏观偏析）、层状偏析（宏观偏析） 由于化学成分分布不均匀引起分层现象。焊缝横断面由于化学成分分布不均匀引起分层现象。焊缝横断面经浸蚀之后，可以看到颜色深浅不同的分层结构。经浸蚀之后，可以看到颜色深浅不同的分层结构。西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变 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组成的窄小区域，材组成的窄小区域，化学成分、微观组织化学成分、微观组织和力学性能不均匀，焊接接头最薄若环节和力学性能不均匀，焊接接头最薄若环节。1、熔合区的形成、熔合区的形成（1）理论（平滑）边界）理论（平滑）边界母材上母材上TSTTL（2）实际（参差不齐）边界）实际（参差不齐）边界 热源不均匀及晶粒散热热源不均匀及晶粒散热 不一致不一致熔合区熔合区or线？线？（二）焊接熔合区与化学不均匀性（二）焊接熔合区与化学不均匀性西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固

32、和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变2、熔合区的特征、熔合区的特征（1）几何尺寸小）几何尺寸小 熔合区的宽度估算：熔合区的宽度估算： 其中，其中，A-熔合区的宽度（熔合区的宽度（mm） -温度梯度温度梯度(/mm) TL-被焊金属的液相线被焊金属的液相线() TS-被焊金属的固相线被焊金属的固相线()GTTTTSLYTSLAYTa. 母材液固线温度范围母材液固线温度范围越小，熔合区宽度越小。越小，熔合区宽度越小。b. 母材导热性越差，热源能量密度高，母材导热性越差，热源能量密度高，温度梯度温度梯度G大大，熔合区小。，熔合区小。比如，一般电弧焊，碳钢低合金钢：0.1330.5mm； 奥氏体钢0.

33、060.12mm 区or线？TL-TS GS L西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变（2）熔合区的化学成分不均匀，薄弱地带）熔合区的化学成分不均匀，薄弱地带熔合区是液固两相共存的地方，严重化学不均匀性，性能下降。熔合区是液固两相共存的地方，严重化学不均匀性，性能下降。平衡凝固平衡凝固k0焊缝凝固焊缝凝固k0西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章

34、熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变线能量线能量E=11.76kJ/cm结果结果（不同线能量下规律类似数值稍有差异）（不同线能量下规律类似数值稍有差异）线能量线能量E=23.94kJ/cm结果结果西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变3.1 熔池凝固熔池凝固3.2 焊缝固态相变焊缝固态相变3.3 焊缝中的气孔、夹杂焊缝中的气孔、夹杂3.4 焊缝性能的控制焊缝性能的控制西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Materia

35、l and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变3.2 焊缝固态相变焊缝固态相变p 对于具有同素异构转变的焊缝金属（例如钢），焊接熔池完全对于具有同素异构转变的焊缝金属（例如钢），焊接熔池完全结晶后形成的固态焊缝（结晶后形成的固态焊缝（一次组织一次组织），在随后的连续冷却过程），在随后的连续冷却过程中还将发生相变，从而形成相变组织（中还将发生相变，从而形成相变组织（二次组织二次组织），即焊缝最），即焊缝最终组织。终组织。p 对钢铁而言，相变组织主要取决于焊缝金属的对钢铁而言，相变组织主要取决于焊缝金属的化学成分化学成分和和冷却冷却

36、条件。条件。西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变过冷奥氏体的连续冷却转变图过冷奥氏体的连续冷却转变图-即即CCT曲线（复习）曲线（复习）西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变焊缝金属连续冷却组织转变图（简称焊缝金属连续冷却组织转变图（简称WM-CCT图）图）西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院Sc

37、hool of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变3.1 熔池凝固熔池凝固3.2 焊缝固态相变焊缝固态相变3.3 焊缝中的气孔、夹杂焊缝中的气孔、夹杂3.3.1 焊缝中的气孔焊缝中的气孔3.3.2 焊缝中的夹杂焊缝中的夹杂3.4 焊缝性能的控制焊缝性能的控制西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变3.3 焊缝中的气孔和夹杂焊缝中的气孔和夹杂焊接缺陷：按照焊接缺

38、陷：按照GB/T6417.1-2005金属熔化焊焊缝缺欠分类及金属熔化焊焊缝缺欠分类及说明说明，焊接缺欠分为六类：裂纹、孔穴、固体夹杂、未熔合及，焊接缺欠分为六类：裂纹、孔穴、固体夹杂、未熔合及未焊透、形状缺陷（形状和尺寸）、其他缺陷。焊接缺欠的存在未焊透、形状缺陷（形状和尺寸）、其他缺陷。焊接缺欠的存在是焊接结构失效的重要原因之一。是焊接结构失效的重要原因之一。裂纹、气孔、夹杂裂纹、气孔、夹杂对焊接结构至关重要又容易出现。对焊接结构至关重要又容易出现。冶金缺欠冶金缺欠西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering

39、第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变 （2）气孔的类型）气孔的类型 不同的分布方式，如内部的，表面的；单个的，密集的；不同的分布方式，如内部的，表面的；单个的，密集的； 析出的，反应的；析出的，反应的； 按照产生气孔的气体种类，可分为氢气孔、氮气孔、按照产生气孔的气体种类，可分为氢气孔、氮气孔、CO气孔。气孔。1、气孔的类型及其分布特征、气孔的类型及其分布特征 （1）焊缝中气孔产生的根本原因）焊缝中气孔产生的根本原因 a.高温时金属溶解了较多的气体（高温时金属溶解了较多的气体（H,N),凝固时来不及逸出。凝固时来不及逸出。 b.焊接冶金反应产生焊接冶金反应产生不溶解不溶

40、解气体（气体（CO),凝固时来不及逸出。凝固时来不及逸出。3.3.1 焊缝中的气孔焊缝中的气孔西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变图图 电渣焊焊缝的内部气孔电渣焊焊缝的内部气孔图图 手弧焊的表面气孔手弧焊的表面气孔西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变a. 氢气孔氢气孔 特征：特征：多出现在焊缝表面，

41、断面形状多为螺钉状，从焊缝表面多出现在焊缝表面，断面形状多为螺钉状，从焊缝表面看呈看呈园喇叭口形园喇叭口形，气孔的四周有光滑内壁。有个别残存在内部，气孔的四周有光滑内壁。有个别残存在内部（轻金属中），以小圆球状存在。（轻金属中），以小圆球状存在。 产生原因：产生原因：焊接过程中，熔池金属吸收大量的氢气，在冷却和焊接过程中，熔池金属吸收大量的氢气，在冷却和结晶过程中，氢的溶解度发生了急剧下降，熔池冷却速度快，结晶过程中，氢的溶解度发生了急剧下降，熔池冷却速度快，来不及逸出，残存在内部，发生了氢的过饱和，使焊缝中形成来不及逸出，残存在内部，发生了氢的过饱和，使焊缝中形成具有具有喇叭口形喇叭口形的表

42、面气孔。的表面气孔。 氮气孔一般较少，形成机理同氢气孔。氮气孔一般较少，形成机理同氢气孔。西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变 b.CO气孔气孔 特征：特征：焊缝内部，条虫状，表面光滑。焊缝内部，条虫状，表面光滑。 产生原因：产生原因：冶金反应。冶金反应。 CO不溶于液态金属。不溶于液态金属。 在高温时在高温时C被氧、氧化物氧化，被氧、氧化物氧化，CO以气泡的形式猛烈地逸出。以气泡的形式猛烈地逸出。 熔池结晶时熔池结晶时FeO氧化氧化C，vc，及

43、树枝晶凹陷处及树枝晶凹陷处，CO不易逸出，不易逸出，为吸热反应，促使结晶速度加快，为吸热反应，促使结晶速度加快，CO形成气泡不能逸出，形成气泡不能逸出，沿沿结晶方向结晶方向形成条虫形内气孔。形成条虫形内气孔。西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变2 焊缝中的形成气孔的机理焊缝中的形成气孔的机理气孔的形成：气泡生核气孔的形成：气泡生核长大长大上浮：上浮： 1）浮出：无气孔）浮出：无气孔 2）浮不出：气孔）浮不出：气孔（1）气泡的生核）气泡的生核具备条

44、件：液态金属中有过饱和的气体具备条件：液态金属中有过饱和的气体 要消耗一定的能量要消耗一定的能量 西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变形成气泡核的数目：形成气泡核的数目：在纯金属中在纯金属中n非常小，非常小，在极纯金属中形成气泡核的可能性很小。在极纯金属中形成气泡核的可能性很小。2216.2 1010n西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池

45、凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变焊接熔池焊接熔池现成表面现成表面形核需要的能量：（固、液、气三相）形核需要的能量：（固、液、气三相）11 cosaAphLAEPP VA 动力动力阻力阻力西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变结论结论：a）降低）降低和提高和提高A Aa a/A/A，E Ep p减少，比如减少，比如气泡依附在现成表气泡依附在现成表面（面（树枝晶凹陷处，母材尚未熔化晶粒表面）树枝晶凹陷处，母材尚未熔化晶粒表面） 。 b b）越大

46、，形成气泡核所需能量越小。越大，形成气泡核所需能量越小。阻力阻力不同于不同于凝固形核凝固形核2.g 1.2 1.g西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变（2）.气泡长大气泡长大21(hacPPPr 大气压）0(hoaMscPPPPPPP内压大于外压）0haMscPPPPPPr气泡中各种气体分压的总和；阻碍气泡长大的外界压力大气压力；气泡上部的金属的压力气泡上部的熔渣的压力由表面张力构成的附加压力；金属与气泡间的界面张力；气泡半径。气泡形成初期，气泡

47、形成初期，r很小，附加压很小，附加压Pc则很大，气泡很难形成。焊接则很大，气泡很难形成。焊接时，由于时，由于熔池内存在着很多现成熔池内存在着很多现成表面，如柱状晶粒和液态金属相表面，如柱状晶粒和液态金属相接触的地方形成接触的地方形成，这些地方由于，这些地方由于界面张力的作用，界面张力的作用，气泡成椭圆形，气泡成椭圆形，可以得到较大的曲率半径可以得到较大的曲率半径r使使Pc减小。减小。忽略忽略西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变气泡核脱离表面主要与

48、气泡核脱离表面主要与 气泡气泡-液体金属液体金属-现成表面现成表面之间的表面张之间的表面张力有关。力有关。 （3）、气泡上浮）、气泡上浮2.g 1.2 1.g2,2,液相液相 g,g,气相气相 1,1,固相固相西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变影响上浮因素：影响上浮因素：1）浸润角）浸润角当当90, 由于形成细颈过程需由于形成细颈过程需要时间，若结晶速度气泡脱离要时间，若结晶速度气泡脱离现成表面的速度，就会形成气孔现成表面的速度，就会形成气孔

49、（气泡与固体接触面收缩趋势小，（气泡与固体接触面收缩趋势小，固体表面对气体吸附力大）固体表面对气体吸附力大）保持保持不变不变西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变 2） 结晶速度结晶速度 R R较小时，气泡有充分时间逸出，无气孔，气泡易上浮；较小时，气泡有充分时间逸出，无气孔，气泡易上浮； R R大时，气泡上浮时间短，可能残余在焊缝内部。大时，气泡上浮时间短，可能残余在焊缝内部。 图图 不同结晶速度对气孔形成的影响不同结晶速度对气孔形成的影响a）小结晶速度，）小结晶速度， b）大结晶速度）大结晶速度上有等轴晶阻挡，上有等轴晶阻挡，形成螺钉状气孔形成螺钉状气孔西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变西安工业大学西安工业大学材材化化学院学院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变 3 3）气泡上浮速度）气泡上浮速度22192grv西安工业大学西安工业大学材材化化学院