第三章焊池凝固和焊缝固态相变

焊接原理

第三章

焊池凝固和焊缝固态相变主要内容§1熔池凝固p116~131Weldpoolsolidification§2焊缝固态相变p132~141Weldsolidphasetransition§3焊缝中的气孔和夹杂p142~150§4焊缝性能的控制p151~160材料成型及控制工程0707、0708班0804~0806班，0904~0906班1熔池的形状半个双椭球模型2第一节熔池凝固

一、熔池的凝固条件和特点1焊接熔池体积小，冷却速度高；一般小于100g，或30cm3，平均4~100℃/s，约为铸造的104。2焊接熔池的液态金属处于过热状态一般钢材熔池温度平均1770±100℃熔池边界的温度梯度比铸造时高103–104倍。3熔池在运动状态下结晶结晶前沿随热源同步运动液态金属受到各种力的搅拌运动熔池金属存在对流运动在运动状态下凝固，凝固速度高，常比铸造的高10~100倍。（4熔池界面的导热条件好）3二、熔池结晶的一般规律（一）熔池中晶核的形成生成晶核的两个条件：热力学：过冷度——使得系统自由能降低动力学：系统自由能降低的程度自发晶核和非自发晶核自发晶核所需能量：非自发晶核所需能量：图３-３4研究已证明：

焊接熔池结晶，非自发晶核起主要作用θ=0~180°，能量比=E’k/Ek=0~1能量比=0，大量质点成为现成表面能量比=1，无现成表面θ角的大小，取决于新相晶核与现成表面间的表面张力。两者晶体结构相似（

类型、常数），两者间的表面张力就越小。焊接熔池有两种现成表面：合金元素或杂质质点＿作用较小半熔化态的晶粒表面＿主导作用,外延结晶、联生结晶图3-4，3-55联生结晶或外延结晶：从熔池边界半熔化的母材开始生长非均质形核主要为柱状、枝状晶形态外延结晶示意图6（二）熔池中的晶核长大择优生长——晶粒的位向不同；散热方向优先条件？不利的晶粒位向，其生长将被抑制晶粒的生长情况还与其他因素有关：El、焊缝的位置、搅拌如何、振动？7择优生长当母材金属（Fe,Ni,Cu,Al）晶粒取向<001>与导热最快的方向（温度梯度G最大）一致时，垂直熔池边界时，晶粒生长最快而优先长大。常规速度焊接较高速度焊接8高低速焊接的焊缝

TIG，99.96w%Al1M/min0.25M/min源于《WeldingMetallurgy》(Kou,2002)9三、熔池结晶线速度柱状晶体的成长：一般讲，熔池晶粒生长的主轴是弯曲的；图3-7与焊接速度有密切关系，图3-8公式推导——10结晶线速度：焊接速度一定，主要取决于cosθ：cosθ又决定于焊接规范和材料热物性定性推导：公式3-5厚板表面快速堆焊公式3-6薄板上自动焊接看出问题：1、晶粒生长定平均线速度是变化的；2、工艺参数对生长方向和平均线速度均有影响3、还有，结晶潜热、周期性、成分不均匀性、元素扩散等诸多因素相关！11四、熔池结晶的形态熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，成分过冷的分布不同，形成的晶体亦不同；焊缝晶体的主要形态是：柱状晶和少量等轴晶。仔细观察还可发现：柱状晶或等轴晶内部还有亚晶结构：平面晶、胞晶、树枝状晶等。（一）纯金属的结晶形态：无成分变化，恒温凝固；正温度梯度：G＞0,平面晶的生长条件负温度梯度：G＜0，树枝状晶的生长条件12金属凝固的四种基本形态源于《WeldingMetallurgy》(Kou,2002)13（二)固溶体合金的结晶形态工业纯金属也是合金热过冷——结晶动力结晶温度与成分有关：先结晶的成分更纯，使溶质聚集在固液界面的前沿。成分过冷——固液界面处成分起伏而造成的过冷。成分过冷的程度不同，结晶形态各异14定向凝固-溶质再分配-成分过冷15成分过冷的程度与结晶形态的变化从a~d，成分过冷增加源于《WeldingMetallurgy》(Kou,2002)16（三）成分过冷条件对结晶形态的影响1、温度梯度G＞0，平面结晶，图3-182、温度梯度G与实际结晶温度T有少量相交，胞状结晶，图3-203、G—T相交较大，胞状树枝结晶，图3-224、G—T相交很大，树枝状结晶，图3-245、两线平行，等轴结晶，图3-26冷却条件和结晶形态比对171、温度梯度G＞0，平面结晶182、温度梯度G与实际结晶温度T有少量相交，胞状结晶19G—T相交较大，胞状树枝结晶204、G—T相交很大，树枝状结晶215、两线平行，等轴结晶22（四）焊接条件下的结晶形态熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，成分过冷的分布不同，焊缝各部位出现不同的结晶形态：平面晶、胞状晶、树枝状晶、等轴晶。——非平衡结晶1、成分的影响2、焊接速度的影响3、焊接电流的影响23焊缝中的等轴晶源于《WeldingMetallurgy》(Kou,2002)24线能量对过冷河结晶形态的影响源于《WeldingMetallurgy》(Kou,2002)25（例）脉冲电弧焊下的等轴晶26（例）电子束焊缝中的结晶电子束单晶合金焊缝中的柱状晶和等轴枝晶27五、焊缝金属的化学成分不均匀性偏析：凝固后微观到宏观尺度上化学成分的不均匀叫~。偏析的主要原因是冷却速度快，来不及扩散造成的。偏析可分为两类：即微观偏析和宏观偏析。microscopicsegregation—grosssegregation

微观偏析：范围约1/10~1/10000cm数量级；有胞状、枝晶和晶界偏析；组织受化学试剂腐蚀时才显露出来。宏观偏析：范围达cm~m数量级。宏观偏析按其性质和形状可分为：正、逆、V、逆V、带、密度、区域和层状偏析等。28（一）焊缝中的化学不均匀性焊缝中的偏析主要有三种情况:显微偏析区域偏析（属于宏观偏析）层状偏析（属于宏观偏析）1、显微偏析特点 晶界偏析：胞晶、枝晶的晶界溶质浓度最高； 枝晶偏析大于胞晶偏析； 细晶偏析大于粗晶偏析；29微观偏析可以消除：方法：在低于固相线100~200℃之间，较长时间保温——均匀化退火。302、宏观偏析之——区域偏析最后凝固的区域如焊缝中心地带，会出现大量的偏析；这是焊缝中心纵向热裂纹的根源。与工艺规范有关：偏析的结果：低熔点共晶聚集313、宏观偏析之——层状偏析层状偏析a）手工电弧焊接头b）电子束焊接接头323、宏观偏析之——层状偏析经过用放射性同位素S35对焊缝中元素分布规律的实验观察，认为：周期性的热作用是层状偏析的主要原因。晶体生长速度与溶质浓度有关C0——溶质的平均浓度图中的气孔有夸张分布也难寻——xq33（二）熔合区的化学不均匀性1、熔合区的形成 半熔化区的晶粒熔化不均匀2、熔合区的宽度 取决于L-S温度范围、热物理性能和组织有公式描述：试算：温度梯度300~80℃/mm；液固相温差40℃：A=？343、熔合区的成分分布严重的化学不均匀性，薄弱地带原因之一；35第二节焊缝固态相变

（低碳和低合金钢——非平衡固态相变）一、低碳钢焊缝的固态相变组织主要是：F+P少量F常在原奥氏体晶界析出，其晶粒大，甚至会有魏氏组织。魏氏组织特征：F在奥氏体晶界网状析出，也可以从奥氏体晶粒内沿一定晶向析出。图3-41——魏氏组织出现在过热的焊缝中。多层焊接或焊后热处理可消除粗大柱状晶，得细小F+P少量，在A3+20~30℃即可，如图3-42注意再加热的温度对焊缝韧性的影响图3-4336相同成分，冷却速度对组织性能的影响HV16516718519520522837二、低合金钢焊缝的固态相变组织因成分增加，出现了新的组织，如多了贝氏体和马氏体；得到什么样的组织？与低碳钢的有何区别？主要与成分和冷速相关；非平衡相变：焊缝是铸态组织；含气量比母材高10倍；氧含量达数百ppm。这使得焊缝的相变组织更复杂，影响性能，使CCT图左移。分别介绍：（一）铁素体转变（Ferritetransformation）38低合金钢焊缝中F主要分为4类：1先共析铁素体(ProeutectoidFerrite，简称PF)温度：770-680℃；位置：沿奥氏体晶界形态：长条形或多边形块状性能特点：韧性下降图3-442侧板条铁素体(FerriteSidePlate，简称FSP)温度：700-550

℃位置：从晶界铁素体侧面生长形状：板条状性能特点：韧性下降图3-4539另外的两类铁素体：3针状铁素体(AcicularFerrite，简称AF)温度：500℃；位置：在奥氏体晶粒内部形态：针状条件：中等冷却速度性能特点：韧性好图3-464细晶铁素体（FineGrainFerrite，简称FGF）温度：500

℃以下位置：在奥氏体晶粒内部形状：细晶状条件：存在细化晶粒的元素（Ti，B等）性能特点：韧性好图3-4740附A晶界FB多边形FC魏氏FD针状F

E上贝氏体F下贝氏体41珠光体是接近平衡下的组织，焊接条件下很少产生。只有在近乎平衡条件下才能得到；——铁素体和渗碳体两相层状混合物Ar1~550℃时P体扩散转变，焊接冷速下，扩散来不及进行，P体转变受到抑制，但扩大了F、B体的转变区域；按P体片层的细密程度，珠光体又分为：层状珠光体图3-49a）粒状珠光体——称为屈氏体图3-49b）细珠光体——称为索氏体图3-49c）（二）珠光体转变（低合金钢）42层状珠光体+F43贝氏体在典型的钢的时间-温度转变（TTT）图中存在一个较宽的中间温度范围，在这个温度范围内既不形成珠光体也不形成马氏体，而是形成细铁素体条（或板条）与渗碳体颗粒的集合体。这些中间组织通常称为贝氏体贝氏体。当冷速对珠光体形成来说太快、而对形成马氏体来说又太慢时会发生贝氏体转变。随转变温度的下降，贝氏体的性质发生变化。可以分成两类：上贝氏体和下贝氏体。44（三）贝氏体转变贝氏体：过冷奥氏体在中温区域转变而成的铁素体和渗碳体两相混合组织（有时可能有奥氏体）。1上贝氏体——呈羽毛状-温度：550-450℃；-位置：沿奥氏体晶界析出-形态：平行的条状铁素体之间分布有渗碳体图3-50a）-性能特点：韧性较差2下贝氏体——针状-温度：450

℃-Ms-形态：针状铁素体和针状渗碳体的机械混合物，铁素体内分布有碳化物颗粒图3-50b）-性能特点：强度和韧性都较好3粒状贝氏体的不同说法：韧性的高低？《贝氏体与贝氏体相变》\刘宗昌45粒状贝氏体与M-A组元在块状铁素体形成后待转变的富碳奥氏体岛形成了富碳马氏体和残余奥氏体的机械混合物。M-A组元的性能如强度和韧性的说法不一，原因是奥氏体岛的形成产物不同，而形成产物主要取决于冷却速度。富碳的奥氏体岛形成M+A残——韧性降低富碳的奥氏体岛分解成F+C+A残——韧性提高在块状铁素体上M-A组元以粒状分布时叫“粒状贝氏体”。图3-5146附：上贝氏体形态羽毛状为上贝氏体，白色基体为马氏体，16Mn（Q345），500℃等温10％盐水淬火,2％硝酸酒精腐蚀。47附：下贝氏体形态放大160倍-黑色针状为下贝氏体白色基体为马氏体，白色粒状为碳化物；T10钢，300℃等温淬火,

4％硝酸酒精侵蚀48附：《钢中的贝氏体》

作者：H.K.D.H.Bhadeshia译者：哈尔滨工业大学，甄良49下贝氏体的显微组织。注意在下贝氏体型铁素体薄片内析出的几种碳化物变体。下贝氏体也是由排列成束的细薄片组成的，每一薄片部分地被富碳残余奥氏体分割开。引自BhadeshiaandEdmonds,MetallurgicalTransactionsA,volume10A(1979)895-907.上贝氏体的显微组织这种钢富硅，硅抑制了渗碳体的析出。在贝氏体中的铁素体板条间奥氏体薄膜取代了渗碳体。(a)光学显微镜照片；(b)透射电镜明场像；(c)残余奥氏体暗场像；(d)贝氏体束的透射电镜照片（在光学显微镜照片中这一贝氏体束看起来象一个独立的黑色板条）引自BhadeshiaandEdmonds,Acta

Metallurgica,volume28(1980)1265-1273.50（四）马氏体（martensite）转变马氏体是黑色金属材料的一种组织名称。最先由德国冶金学家AdolfMartens(1850-1914)于19世纪90年代在一种硬矿物中发现。马氏体的三维组织形态通常有片状(plate)或者板条状(lath)，但是在金相观察中（二维）通常表现为针状（needle-shaped），这也是为什么在一些地方通常描述为针状的原因。M形态简图3-52电镜下的M形态图3-53马氏体的晶体结构为体心四方结构（BCT）。中、高碳钢中加速冷却通常能够获得这种组织。高的强度和硬度是钢中马氏体的主要特征之一。511、板条马氏体（位错型）MD在低碳、低合金钢中在奥氏体内部呈不同晶向细条状综合性能在马氏体中最好，强度高、韧性好

TEM照片522、片状马氏体（孪晶型）Mr焊缝中含碳量≥0.4%时产生粗大，经常成一定角度贯穿奥氏体晶粒内部，片中的亚结构有许多细小平行的带纹（孪晶带）。硬度高而脆TEM照片53对比：

(a)板条马氏体(b)针状马氏体

54低合金钢焊缝的组织比较复杂见图3-54，组织形态简图汇总表55附：低碳钢焊缝金属CCT图56附：合金元素，晶粒尺寸、氧含量对低碳钢焊缝CCT图的影响57焊缝金属连续冷却组织转变图（WM-CCT图）见P141，图3-55和下图WM-CCT图C=0.11%，Si=0.31%，Mn=1.44%，O=0.017%图中：No.1~No.10:不同的冷却速度曲线；大写字母代表着组织转变区；冷却曲线和转变区的交点常用数字表示组织的体积含量（如下图）；圆圈内的数字用于表示HV硬度值。58第三节焊缝中的气孔和夹杂P142~150主要内容：气孔的种类气孔的形成机理影响气孔的因素及其防止措施夹杂物59一、焊缝中的气孔对气孔的一般描述：物料、环境中和反应的气体在高温下溶入金属，随温度降低其溶解度也显著降低，在金属凝固前没有逸出的以分子形式残留在固体金属内部而形成气孔。作用：其主要作用是降低构件的有效截面，还会引起应力集中，使金属材料出现断裂和疲劳，降低构件的强度。分类：金属中的气孔主要有析出性气孔和反应性气孔两类：

60气孔形式

Surfacebreakingpores(Tfilletweldinprimedplate)表面气孔（N2气孔）Uniformlydistributedporosity内部气孔（H2气孔）61

（一）气孔的类型及其分布特征1、析出性气孔H2、N2因气体溶解度的下降，析出的气体来不及从液面排除而产生的气孔叫做~。金属液在冷却及凝固过程中，结晶前沿特别是枝晶内液相气体浓度聚集区将超过其饱和浓度，被枝晶封闭的液相内，其气体的过饱和浓度更大，有更大的析出压力，而使液固界面的浓度最高。此处还有其它溶质的偏析使此处液固界面析出的气泡又难以排除，保留下来形成气孔。62析出性气孔——1）氢气孔对低碳钢和低合金钢焊接，氢气孔出现在焊缝的表面上。对于铝、镁合金时，由于液态金属中氢溶解度随温度下降而急剧降低，析出气体，在凝固时来不及上浮而残余在焊缝中。气孔的断面形状如同螺钉状，在焊缝的表面上堪称喇叭口形，气孔的四周有光滑的内壁，如图所示。这是由于氢气是在液态金届和枝晶界面上浓聚析出，随枝晶生长而逐渐形成气孔的。氢气孔63Fig.—宏观气孔macroporosity由不稳定的熔孔产生producedbytheinstabilityofthekeyhole.A—Sphericalporosity;B—irregular-shapedporosity.Nominalpower3kW,weldingspeed150in./min(63.5mm/s)andshieldinggasflowrate200in./min(5.66m3/h)ofhelium.化学成分：ContinuousWaveNd:YAGLaserWeldingofThinPlatesofAluminumAlloys5754（连续激光焊接铝-镁合金）64三种典型的微观气孔：

ThreetypesofmicroporosityinAlloy5754weld.Fig.A—Irregular-shapedporosity;不规则气孔Fig.Bsphericalporosity;球Fig.C—randomlydistributedporosityhavingsphericalorinterdendriticshape.不规则群气孔65对低碳钢和低合金钢焊接而言，在大多数情况下，氮气孔出现在焊缝的表面上。氮气孔成群出现，如孔洞细小的蜂窝。析出型气孔——2）氮气孔662、反应性气孔金属液内部或与铸型间发生反应所产生的气孔，叫做~。反应性气孔主要是CO气孔。特征：金属-铸型反应气孔主要分布在表皮之下1~3mm处，又叫皮下气孔。呈球状或梨状。金属内部反应或与非金属夹杂物发生反应产生，呈梨形或球形，均匀分布。67熔池中的冶金反应产生CO[C]+[O]=CO当液态金属中的碳含量较高，同时脱氧不足，会生成CO[FeO]+[C]=CO+[Fe]不熔于液态金属的CO：68气孔的特征——反应型气孔CO气孔高温时生成的CO会以气泡的形式从液态金属中高速逸出形成飞溅，而不形成气孔。热源离开后，熔池开始凝固时，CO形成的气泡来不及逸出时便产生了气孔。由于CO形成的气泡是在结晶面上产生的，因此形成了沿结晶方向条虫状的内部气孔。CO气孔69（二）焊缝中形成气孔的机理1、气泡的形核条件：

形核的两个条件：存在过饱和气体（物质条件）、满足气泡生核的能量消耗（即系统中形成新的界面，需要额外的界面能）。2、气泡的长大条件：其中：70焊缝中形成气孔的机理3、气泡的逸出（1）气泡脱离固体表面

（2）气泡上浮气泡脱离现成表面示意图71焊缝中形成气孔的机理4、困于熔池中-熔池结晶速度与气孔的形成示意图a)结晶速度慢b)结晶速度快吸附在熔合面上没有浮出熔池的气孔浮到半道的气孔72（三）防止焊缝形成气孔的措施概括起来主要是冶金与工艺两个方面：1.冶金因素在焊接材料已经研制定型的条件下，生产中往往应注意两点：(1)正确选择焊接材料特别是气体保护焊，焊丝成分影响很大，须能满足脱氧要求，有时也会有一定气氛的要求。(2)适当控制气氛性质

从防止溶氢角度考虑，气氛具有适当的氧化性有时是比较有利的，例如焊接铝及铝镁合金时，在Ar中混配少量CO2或02，对防止产生氢气孔是有好处的。但对那些对脱氧要求较高的金属(如上述Cu和Ni)．焊接气氛则不应具有氧化性，应尽可能提高保护气体Ar的纯度。

73防止焊缝形成气孔的措施2．工艺条件(1)消除各种气体来源清除氧化膜和铁锈，清理油污，正确烘干焊条与焊剂，合理保管、存放焊接材料，去除保护气体中的气体杂质(H2，O2，N2）。对于易形成氧化膜的活性金属，如A1,Ti，焊前清理工作最为重要，不仅须对焊丝与焊件进行化学清洗，还须进行机械清理，例如用刮刀利削。铲根的作用非常明显，有利于减少气孔。

74防止焊缝形成气孔的措施(2)加强保护注意引弧。低氢焊条引弧时易产生气孔、就是由于CaCO3未能及时分解所造成。为此，对低氢焊条曾有许多改进．如焊芯尖端磨尖或顶部钻小孔(为增大电流密度)，采用双层药皮，引弧端额外添加强引弧成分等。不能破坏正常保护条件。75防止焊缝形成气孔的措施(3)正确控制焊接工艺目的是创造熔池中气体逸出的有利条件。但焊接工艺参数的影响比较复杂，须具体分析。焊接工艺参数改变既可影响气体选出条件，也可影响气体溶入条件，只有逸出条件比吸入条件更有利，才有减少气孔的可能性。76焊接气孔实质是，在熔池凝固期间未能来得及逸出而残留于焊缝金属中的气泡。形成气孔的气体是由多种成分所构成,如CO、H2和N2,其中会有一、二种成分是主体。由于铝镁合金不含碳,不存在CO气孔的生成条件,而氮又不溶于铝镁及其合金,因此,铝镁合金焊缝中的气孔一般为氢气孔。防止焊缝形成气孔的措施77铝镁合金焊缝中的形成气孔的冶金因素：由于液态铝在高温时能吸收大量的氢,冷却时氢在其中的溶解能力急剧下降,在固态时又几乎不溶解氢,致使原来溶于液态铝的氢大量析出,形成气泡。同时,因铝及铝合金密度小、导热性很强,不利于气泡的逸出,因此,铝及铝合金焊接易产生气孔。此外,铝镁合金化学活泼性强,表面极易形成熔点高的氧化膜Al2O3和MgO,由于MgO的存在,形成的氧化膜疏松且吸水性强,这就更难避免焊缝中产生密集气孔。用交流TIG焊,虽然负半周瞬间氩离子对氧化膜具有“阴极雾化”作用,但并不能去除氧化膜中的水