焊缝的成分、组织与性能

1、焊缝的成分、组织与性能 熔池 焊缝的成分 焊缝的组织 焊缝的性能3.1 焊缝的成分、组织与性能熔池的形状HmaxLBmaxP2:比例常数；q: 电弧功率q=IU熔池的形状和尺寸与熔池的形状和尺寸与焊接规范有关。焊接规范有关。提高焊接电流，熔池的最大熔深Hmax增加，最大宽度Bmax减小；提高焊接电压，熔池的最大熔深Hmax减小，最大宽度Bmax增加； 熔合比 局部熔化的母材金属在焊缝金属中所占的比例base metaldeposited metalFbFdd不同时，即使采用相同的焊材，焊缝的成分亦不相同焊缝的成分通常填充金属的成分与母材是不同的，特别是在异种接头或合金堆焊时。当堆焊金属的合金成

2、分主要来自于填充金属时，局部熔化的母材在焊缝中的效果可认为是稀释。故熔合比又称稀释率。不考虑焊接冶金反应的焊缝成分计算不考虑焊接冶金反应的焊缝成分计算焊缝中某种元素的浓度为焊缝中某种元素的浓度为0wx bx dx母材中该元素的浓度母材中该元素的浓度焊接材料中该元素的浓度焊接材料中该元素的浓度 焊缝实际成分因为焊接冶金反应，焊材中的合金元素会有一因为焊接冶金反应，焊材中的合金元素会有一定量的损失，熔池中熔化的母材也会有烧损。定量的损失，熔池中熔化的母材也会有烧损。故有元素的过渡系数故有元素的过渡系数凡是对氧亲合力大的元素， 则小。1800 时各元素对氧的亲合力顺序为： Al-Zr-Mg-C-B-

3、Ti-Si-V-Mn-Nb-Cr-Fe-Mo-W-P-S-Co-Ni-Cu活性元素惰性元素 影响焊缝成分的因素 熔合比d d 通过焊丝、焊剂（药皮）、母材渗合金时，合金元素的过渡系数是不同的，依次为：母材、焊丝、焊剂（药皮）Ivd 焊缝成分的变化，常常是有益元素的烧损，有害杂质的增多如：n、Si、C N27倍、9倍、12倍 焊接方法及焊接工艺规范 电弧气氛的氧化性，保护气体，规范参数I、U、v 如：I烧损， 埋弧焊从150180A，则Mnw从0.57%0.40%焊缝的组织焊缝是由熔池凝固结晶形成的；焊缝形成后还会发生固态相变；焊缝的组织由熔池的凝固结晶过程和焊缝的固态相变过程决定。熔池的体积小

4、，冷却速度大在一般电弧焊条件下，熔池的体积最大只有30cm3, 质量不超过100g，冷却速度平均为4100/s。因此，对于含碳量高、含合金元素较多的钢种，易产生淬硬组织。由于冷却很快，温度梯度大，使焊缝中柱状晶得到很大的发展。熔池结晶的特点熔池中的液态金属处于过热状态对于低碳钢或低合金钢来讲，在一般电弧 焊 条 件 下 ， 熔 池 的 平 均 温 度 可 达1 7 0 0 1 0 0 ， 而 熔 滴 温 度 更 高 ， 为2300200。由于液态金属的过热度较大，合金元素的烧损比较严重，熔池非自发晶核的质点大为减少，也促使焊缝柱状晶的发展。熔池在运动状态下凝固在热源作用下，熔池的前半部熔化的同

5、时，熔池的后半部开始凝固。同时，熔池是随着焊接热源一起运动的。此外，在焊接条件下，熔池在各种力的作用下被搅拌，这对于排除气体、夹杂及焊缝成分均匀化都是有利的。熔池金属结晶的形态 合金元素或杂质的悬浮质点 为了细化焊缝晶粒，有时在焊接材料中加入一定的合金元素，如Mo、V、Ti、Nb等，作为非自发晶核质点。交互结晶 熔合区半熔化晶粒表面，在此表面上非自发形核，形成所谓交互结晶，或称联生结晶。熔池凝固以非自发晶核为主熔池凝固以非自发晶核为主联生结晶 焊缝中的晶体形态主要是柱状晶和少量的等轴晶。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。 合金结晶时，由于成分过冷，在过冷度不是很大的情况下就

6、可出现树枝状晶。 根据成分过冷理论，熔池结晶可能出现以下五种形态。成分过冷constitutional supercoolingTx实际温度实际温度实际结晶实际结晶温度温度因合金的选分结晶，已结晶的固体前沿低熔点物质多，造成成分过冷。1）平面晶当液相温度高于固相温度，温度梯度G很大时，G不与实际结晶温度线T相交，因此不出现成分过冷现象。此时结晶所释放的热量向界面后方的固体散去，使结晶界面缓慢地向前推移，结晶呈平面形态，称为平面晶。这种平面结晶多发生在高纯度的焊缝金属，如纯铌板氩弧焊。 Tx实际温度实际温度实际结晶实际结晶温度温度2）胞状晶当温度梯度当温度梯度G与实际结晶温与实际结晶温度度T相交

7、较少时，即具有较相交较少时，即具有较小的成分过冷，便出现胞小的成分过冷，便出现胞状结晶。此时因平面结晶状结晶。此时因平面结晶界面处于不稳定状态，凝界面处于不稳定状态，凝固界面长出许多平行束状固界面长出许多平行束状的芽胞伸入过冷液体内，的芽胞伸入过冷液体内，断面是六角形的胞状结晶断面是六角形的胞状结晶形态，如同蜂窝状。形态，如同蜂窝状。 3）胞状树枝晶当成分过冷稍大时，界面上凸当成分过冷稍大时，界面上凸起部分能够深入液体内部较长起部分能够深入液体内部较长的距离。与此同时，凸起部分的距离。与此同时，凸起部分也向周围排出溶质，于是在横也向周围排出溶质，于是在横向也产生了成分过冷，这时从向也产生了成分

8、过冷，这时从主干向横向伸出短小的二次横主干向横向伸出短小的二次横枝形成树枝晶。但由于主干的枝形成树枝晶。但由于主干的间距较小，所以二次横枝也比间距较小，所以二次横枝也比较短，这样就形成了特殊的胞较短，这样就形成了特殊的胞状树枝晶。状树枝晶。 4）树枝状晶当成分过冷进一步增大时，当成分过冷进一步增大时，即温度梯度即温度梯度G，与实际结晶，与实际结晶温度温度T相交的面积很大时，相交的面积很大时，在一个晶体内除产生一个在一个晶体内除产生一个很长的主干之外，还向四很长的主干之外，还向四周伸出二次横枝，因而形周伸出二次横枝，因而形成了明显的树枝结晶。成了明显的树枝结晶。 5）等轴晶当液相中的温度梯度当液

9、相中的温度梯度G很小，能在液相中形成很宽的成分很小，能在液相中形成很宽的成分过冷区，此时不仅在结晶前沿形成树枝晶，同时也能在过冷区，此时不仅在结晶前沿形成树枝晶，同时也能在液相内部生核，产生新的晶粒，这些晶粒的四周不受阻液相内部生核，产生新的晶粒，这些晶粒的四周不受阻碍，可以自由生长，形成等轴晶碍，可以自由生长，形成等轴晶。影响结晶形态的主要因素有合金中溶质的浓度C0(成分过冷)、晶粒长大速度R(结晶速度)、和液相中的温度梯度G 等轴晶等轴晶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柱状晶柱状晶溶质浓度溶质浓度GR由于熔池结晶过程中，冷却速度很大，合金元素来不及扩

10、散均匀，带来了焊缝金属化学成分的不均匀性，即出现所谓偏析现象。显微偏析区域偏析层状偏析 焊缝金属中的化学不均匀性焊缝金属中的化学不均匀性 1）显微偏析 焊缝金属在凝固过程中，先凝固的固相含溶质浓度较低，后凝固的固相含溶质浓度较高，并富集了许多杂质。 当焊缝的凝固呈胞状晶长大时，在胞状晶体的中心溶质浓度最低，而在胞状晶相邻的边界上，溶质浓度最高。 当固相呈树枝晶长大时，先凝固的树干含溶质的浓度最低，后凝固的树枝含溶质浓度稍低，最后凝固部分，也就是相邻树枝晶间的晶界上，溶质浓度最高。是含有镍铬的合金结构钢枝枝晶内不同部位的镍、铬和锰的分布。m表示树枝中心，I表示树枝区域，A和M表示树枝晶的晶界。m

11、IMA2）区域偏析 在焊缝凝固时，由于柱状晶在焊缝凝固时，由于柱状晶不断长大推移，把溶质和杂不断长大推移，把溶质和杂质推向熔池的中心部位，使质推向熔池的中心部位，使最后凝固部位产生较严重的最后凝固部位产生较严重的区域偏析。区域偏析。 在焊速较大时，成长的柱状晶在焊速较大时，成长的柱状晶最后都在焊缝中心附近相遇，最后都在焊缝中心附近相遇，使焊缝中心出现溶质和杂质的使焊缝中心出现溶质和杂质的偏析，在焊接应力作用下，将偏析，在焊接应力作用下，将会导致焊缝纵向裂纹的产生。会导致焊缝纵向裂纹的产生。 SMAWEBW3）层状偏析 由于在熔池凝固中放出的结晶潜热和高温熔滴的过渡由于在熔池凝固中放出的结晶潜热和高温熔滴的过渡周期性的变化，使得凝固界面的液体金属成分也发生周期性的变化，使得凝固界面的液体金属成分也发生周期性的变化，因而造成了所谓层状