西安工大焊接冶金学基本原理-第3章 熔池凝固与焊缝固态相变

共需4学时第3章熔池凝固和焊缝固态相变主要内容：3.1熔池凝固3.2焊缝固态相变3.3焊缝中的气孔、夹杂焊接热过程焊接化学冶金过程焊缝结晶及焊接组织

焊接热影响区的组织与性能焊接裂纹焊接冶金学主要内容焊接接头形成

以熔化焊为例，焊接过程经过了加热—熔化—冶金反应—结晶—固态相变—接头焊缝热影响区熔池凝固------形成焊缝熔池的固液相变（凝固）熔池的结晶过程焊缝的组织气孔、夹杂、偏析、结晶裂纹焊缝的性能正常不正常（缺陷）3.1熔池凝固3.1.1熔池凝固的条件和特点3.1.2熔池结晶的一般规律3.1.3熔池结晶速度和方向3.1.4熔池结晶的形态3.1.5焊缝金属的化学成份不均匀性3.2焊缝固态相变3.3焊缝中的气孔、夹杂3.4焊缝性能的控制3.1熔池凝固3.1.1熔池凝固的条件和特点（与普通钢铁凝固相比较）（1）焊接熔池体积小，冷却速度高；最大100g，平均4~100℃/s，约为铸造的104倍。

淬硬倾向大、易开裂。（2）焊接熔池的液态金属处于过热状态熔池1770±100℃;钢锭<1550℃。冶金反应剧烈、烧损严重（3）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实图3.1.2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，也是在过冷的液体金属中，首先形成晶核和晶核长大的结晶过程。

形核的热力学条件是过冷度而造成的自由能降低；

形核的动力学条件是自由能降低的程度。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生成分为：非自发晶核、自发晶核。形成两种晶核都需要能量。（1）自发形核：σ：新相与液相间的表面能。ΔFK：单位体积内液固两相自由能差。（2）非自发形核θ：非自发晶核的浸润角f(θ)=0~1。如θ=10°，f(θ)=0.0017θ=0°,E’K=0,液相中存在悬浮质点和某些现成表面。形核容易。θ=180°,E’K=EK，只存在自发形核。形核较难。研究表明，焊接熔池结晶，非自发形核主导。接触角基底形状对临界晶核的影响对临界晶核的影响关于θ：

θ取决于新相晶核与现成表面之间的表面张力，若结构相似，表面张力越小,θ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0，即不需形核，直接长大。焊接条件下非自发形核：熔合区的液态金属依附于母材晶粒表面长大，而形成同一晶粒，并以柱状晶的形态向焊缝中心成长，即联生结晶（起主要作用）。合金元素或杂质（一般作用不大）。如何细化晶粒？2.熔池中晶核的长大a联生结晶起主导作用b当晶体最易长大方向（bcc，fcc<100>方向）与散热最快方向（温度梯度）相一致，最有利长大。不锈钢自动焊时的联生结晶3.1.3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，特别是对裂纹、夹杂、气孔等缺陷的形成影响很大。熔池在结晶过程中晶粒成长的方向与晶粒主轴成长的线速度vc及焊接速度v有密切关系。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。ds

θ

dx图晶粒成长线速度分析图焊接工艺参数与θ（0~90°）关系：(熔池半椭球体假设）厚大件上快速堆焊：薄板上自动焊：结论：（1）晶粒成长的平均线速度是变化的，在熔合线上最小，在焊缝中心最大，vc=0～v。

Ky=1，cosθ=0,θ=90°,Vc=0,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等于零。

Ky=0，cosθ=1,θ=0°,Vc=V,说明晶粒成长到接触X轴时，晶粒成长的平均线速度等于焊接速度，且方向一致。（2）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，θ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向越弯曲。

3.1.4熔池结晶的形态符合一般结晶理论，本课程仅分析焊接中的特色部分。1、纯金属的结晶理论（1）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，称为正温度梯度，G>0。纯金属焊缝凝固时，属于此类，是

平面晶。（2）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，G<0。由于过冷度大，晶体成长速度快，形成树枝状晶。a)G>0时的温度分布b)G<0时的温度分布c)G>0时的界面结晶形态d)G<0时的界面结晶形态2、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(温度过冷)，还存在由于固液界面处成分起伏而造成的过冷，称为成分过冷。所以合金结晶随过冷的不同晶体成长也不同。温度TAT0T0’ω0ω0’液固前沿实际温度T0’T=T0’+Gz与界面的距离zω0’ω0T0T0’温度ω/%T0T0’与界面的距离zω/%（1）平面结晶产生条件：过冷度＝0，无成分过冷特征：平面晶（G正温度梯度很大时）3、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。(2)胞状结晶产生条件：过冷度很小。特征：断面六角形，细胞或蜂窝状。（3）、胞状树枝结晶产生条件：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。（4）、树枝状结晶

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，并能得到很好的生长。（5）、等轴晶产生条件：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，形成自由长大的等轴树枝晶。正确结晶形态主要决定于合金中的溶质的浓度C0、结晶速度R和液相中温度梯度G的综合作用。等轴晶树枝状晶胞状树枝晶胞状晶平面晶G/R1/2

C0

％

图3－28C0、R和G对结晶形态的影响等轴晶树枝晶平面晶G/R1/2

ω％

胞状树枝晶胞状晶G、R、成分对结晶形态的影响温度TAω0ω0’T0T0’与界面的距离z4、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）

在焊缝的熔化边界，由于温度梯度G较大，结晶速度R又较小，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G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。

等轴晶树枝状晶平面晶G/R1/2

C0％

（2）纯度的影响。99.99%99.96%等轴晶树枝晶平面晶G/R1/2

C0

％

胞状树枝晶胞状晶C0、R、G对结晶形态的影响纯度

（3）工艺参数的影响

b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↓，粗大树枝晶等轴晶树枝晶平面晶G/R1/2

胞状树枝晶胞状晶G、R、成分对结晶形态的影响ω％

3.1.5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。（一）焊缝中的化学不均匀性1、显微偏析：→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。焊缝熔合区

2、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，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。※焊接速度过大时出现定向晶，焊缝中心易出现裂纹

3、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。焊缝横断面经浸蚀之后，可以看到颜色深浅不同的分层结构。由部分熔化的母材和部分未熔化的母材组成的窄小区域，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。1、熔合区的形成（1）理论（平滑）边界 母材上TS<T<TL（2）实际（参差不齐）边界热源不均匀及晶粒散热

不一致熔合区or线？（二）焊接熔合区与化学不均匀性2、熔合区的特征（1）几何尺寸小熔合区的宽度估算：其中，A----------熔合区的宽度（mm）

---------温度梯度(℃/mm)TL---------被焊金属的液相线(℃)TS----------被焊金属的固相线(℃)母材液固线温度范围越小，熔合区宽度越小。母材导热性越差，热源能量密度高，温度梯度G大，熔合区小。比如，一般电弧焊，碳钢低合金钢：0.133~0.5mm；奥氏体钢0.06~0.12mm区or线？TL-TSGSL（2）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。平衡凝固k0焊缝凝固k0线能量E=11.76kJ/cm结果（不同线能量下规律类似数值稍有差异）线能量E=23.94kJ/cm结果枝晶偏析引起的波动3.1熔池凝固3.2焊缝固态相变3.3焊缝中的气孔、夹杂3.4焊缝性能的控制3.2焊缝固态相变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（一次组织），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（二次组织），即焊缝最终组织。对钢铁而言，相变组织主要取决于焊缝金属的化学成分和冷却条件。过冷奥氏体的连续冷却转变图-即CCT曲线（复习）焊缝金属连续冷却组织转变图（简称WM-CCT图）3.1熔池凝固3.2焊缝固态相变3.3焊缝中的气孔、夹杂3.3.1焊缝中的气孔3.3.2焊缝中的夹杂3.4焊缝性能的控制3.3焊缝中的气孔和夹杂焊接缺陷：按照GB/T6417.1-2005《金属熔化焊焊缝缺欠分类及说明》，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。焊接缺欠的存在是焊接结构失效的重要原因之一。裂纹、气孔、夹杂对焊接结构至关重要又容易出现。冶金缺欠（2）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；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、CO气孔。1、气孔的类型及其分布特征（1）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（H,N),凝固时来不及逸出。

b.焊接冶金反应产生不溶解气体（CO),凝固时来不及逸出。3.3.1焊缝中的气孔图电渣焊焊缝的内部气孔图手弧焊的表面气孔a.氢气孔

特征：多出现在焊缝表面，断面形状多为螺钉状，从焊缝表面看呈园喇叭口形，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。

产生原因：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，来不及逸出，残存在内部，发生了氢的过饱和，使焊缝中形成具有喇叭口形的表面气孔。氮气孔一般较少，形成机理同氢气孔。b.CO气孔

特征：焊缝内部，条虫状，表面光滑。产生原因：冶金反应。CO不溶于液态金属。在高温时C被氧、氧化物氧化，CO以气泡的形式猛烈地逸出。熔池结晶时FeO氧化C，vc↑，及树枝晶凹陷处，CO不易逸出，为吸热反应，促使结晶速度加快，CO形成气泡不能逸出，沿结晶方向形成条虫形内气孔。2焊缝中的形成气孔的机理气孔的形成：气泡生核——长大——上浮：

1）浮出：无气孔

2）浮不出：气孔（1）气泡的生核具备条件：①液态金属中有过饱和的气体②要消耗一定的能量形成气泡核的数目：在纯金属中n非常小，在极纯金属中形成气泡核的可能性很小。

焊接熔池现成表面形核需要的能量：（固、液、气三相）动力阻力结论：a）降低σ和提高Aa/A，Ep减少，比如气泡依附在现成表面（树枝晶凹陷处，母材尚未熔化晶粒表面）。

b）θ越大，形成气泡核所需能量越小。阻力θ不同于凝固形核σ2.gθσ1.2σ1.g（2）.气泡长大气泡形成初期，r很小，附加压Pc则很大，气泡很难形成。焊接时，由于熔池内存在着很多现成表面，如柱状晶粒和液态金属相接触的地方形成，这些地方由于界面张力的作用，气泡成椭圆形，可以得到较大的曲率半径r使Pc减小。忽略气泡核脱离表面主要与气泡---液体金属---现成表面之间的表面张力有关。（3）、气泡上浮

σ2.g

θσ1.2σ1.g2,液相

g,气相

1,固相影响上浮因素：1）浸润角θ当θ<90°，有利于气泡上浮，气泡形成的快，完全脱离现成表面。（气泡与固体接触面收缩趋势大，固体表面对气体吸附力小）当θ>90°,

由于形成细颈过程需要时间，若结晶速度＞气泡脱离现成表面的速度，就会形成气孔（气泡与固体接触面收缩趋势小，固体表面对气体吸附力大）保持θ不变2）结晶速度R较小时，气泡有充分时间逸出，无气孔，气泡易上浮；

R大时，气泡上浮时间短，可能残余在焊缝内部。图不同结晶速度对气孔形成的影响a）小结晶速度，b）大结晶速度上有等轴晶阻挡，形成螺钉状气孔3）气泡上浮速度3.影响生成气孔的因素及防治措施（1）冶金因素的影响

a.熔渣氧化性

b.焊条药皮和焊剂的影响

c.铁锈及水分的影响（2）工艺因素（3）防治措施

a焊件去油、锈；

b烘干焊条；

c短弧焊3.3