第三章熔池凝固

第三章熔池凝固和焊缝固态相变熔池金属的凝固问题：

研究熔池凝固过程的意义所在？研究内容：第一节熔池凝固的特点第二节焊缝固态相变第三节焊缝中的气孔和夹渣第四节焊缝性能的控制1.熔池的体积小冷却速度大

熔池：30cm3100g4~100℃/s

铸钢锭：几吨~几十吨（3~150）×10-4℃/s2.熔池中的液态金属处于过热状态熔池：1770±100℃铸钢锭：＜1550℃3.熔池在运动状态下结晶

一熔池凝固的条件和特点1.

熔池中晶核的形成

①自发形核所需能量：

其中：σ——新相-液相界面张力

ΔFv

——单位体积内固液两相自由能之差

二熔池结晶的一般规律1.

熔池中晶核的形成

②非自发形核所需能量：

θ=0°→Ek´=0→现成晶核

θ=180°→Ek´=Ek→全自发形核

θ=0~180°→Ek´/Ek=0~1

二熔池结晶的一般规律熔合区母材晶粒上成长的柱状晶不锈钢自动焊时的交互结晶二熔池结晶的一般规律2.

熔池中晶核的长大

①晶粒生长有方向性，某一方向的生长速度最大

②当最大的生长速度方向与最大温度梯度方向一致时，可优先长成

–选择性

图3-6焊缝中柱状晶体的选择长大二熔池结晶的一般规律晶粒主轴生长线速度

分析三熔池结晶线速度焊接工艺参数与θ角之间的关系厚大焊件表面快速堆焊：薄板上自动焊接：其中：三熔池结晶线速度总结：

1

晶粒成长的平均线速度是变化的

a)晶粒成长的方向和线速度是变化的

b)在熔合线上最小（等于零）在焊缝中心最大（等于焊速）

2

焊接工艺参数对晶粒成长方向及平均速度均有影响

a)焊速越大θ角越大，晶粒主轴成长方向越垂直于焊缝中心线三熔池结晶线速度总结：

2

焊接工艺参数对晶粒成长方向及平均速度均有影响

a)焊速越大θ角越大，晶粒主轴成长方向越垂直于焊缝中心线b)当功率不变时，焊速越大,晶粒成长平均速度增大三熔池结晶线速度晶粒(核)长大同样需要一定的能量:（1）因为体积长大而使体系自由能下降（2）因长大而产生的新固相表面使体系的自由能升高三熔池结晶线速度（一）纯金属的结晶

①正的温度梯度：平面晶，生长缓慢（主要）②负的温度梯度：生长速度快，除主轴外，还有分枝，生成树枝晶（较少）四熔池结晶的形态平面晶树枝状晶（二）固溶体合金的结晶形态

①工业上使用金属都是合金②固液金属的结晶取决于两个因素a温度过冷b

成分过冷

四熔池结晶的形态（三）成分过冷对结晶形态的影响

①平面结晶：

四熔池结晶的形态（三）

成分过冷对结晶形态的影响

②胞状结晶：

四熔池结晶的形态（三）

成分过冷对结晶形态的影响

②胞状结晶：

四熔池结晶的形态（三）

成分过冷对结晶形态的影响

③胞状树枝结晶：

四熔池结晶的形态（三）

成分过冷对结晶形态的影响

④树枝状结晶：

四熔池结晶的形态（三）

成分过冷对结晶形态的影响

⑤等轴晶：

四熔池结晶的形态（三）

成分过冷对结晶形态的影响

四熔池结晶的形态（四）

焊接条件下的凝固(结晶)形态

四熔池结晶的形态（四）

焊接条件下的凝固(结晶)形态

四熔池结晶的形态（四）

焊接条件下的凝固(结晶)形态

四熔池结晶的形态（四）

焊接条件下的凝固(结晶)形态焊接工艺参数对结晶形态的影响1）焊接速度a焊接速度增大，成分过冷加大，易出现等轴晶b焊接速度减小，成分过冷减小，易出现饱状晶

四熔池结晶的形态（四）

焊接条件下的凝固(结晶)形态焊接工艺参数对结晶形态的影响1）焊接速度2）焊接电流

四熔池结晶的形态（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晶界与晶内成分不均匀性产生原因：

结晶先后所产生的成分

不均匀性

五焊缝金属的化学成分不均匀性（一）

焊缝中的化学不均匀性1.显微偏析：→枝晶偏析

五焊缝金属的化学成分不均匀性（一）

焊缝中的化学不均匀性1.显微偏析：→枝晶偏析

五焊缝金属的化学成分不均匀性（一）

焊缝中的化学不均匀性2.宏观偏析（区域偏析）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

五焊缝金属的化学成分不均匀性（一）

焊缝中的化学不均匀性3.层状偏析焊缝金属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形态称为结晶层。

五焊缝金属的化学成分不均匀性（一）

焊缝中的化学不均匀性3.层状偏析

产生原因：1)结晶前沿，溶质浓度高，且富集杂志，快速冷却时来不及均匀化。2)R变化快速凝固时析出潜热及熔滴过渡带来的附加热脉冲作用等，是促使成长速度R发生变化以及凝固过程发生瞬间停顿的主要原因。

五焊缝金属的化学成分不均匀性（二）熔合区的化学不均匀性1.熔合区的形成1）热传播不均匀2）晶粒各向异性

五焊缝金属的化学成分不均匀性（二）熔合区的化学不均匀性2.熔合区的宽度

五焊缝金属的化学成分不均匀性其中，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(℃)（二）熔合区的化学不均匀性3.熔合区的成分分布

五焊缝金属的化学成分不均匀性（二）熔合区的化学不均匀性3.熔合区的成分分布

五焊缝金属的化学成分不均匀性（二）熔合区的化学不均匀性3.熔合区的成分分布

五焊缝金属的化学成分不均匀性第二节焊缝固态相变低碳钢焊缝的固态相变组织1

固态相变后主要是铁素体加少量珠光体2

有时出现魏氏体组织

一低碳钢焊缝的固态相变组织一低碳钢焊缝的固态相变组织一低碳钢焊缝的固态相变组织低碳钢焊缝的多层焊或热处理后组织一低碳钢焊缝的固态相变组织冷却速度对低碳钢焊缝的组织影响(一)铁素体转变（1）粒界铁素体(GBF)(先共析铁素体PF)转变温度：770～680度二低合金钢焊缝的固态相变组织(一)铁素体转变（2）侧板条铁素体（FSP）（无碳贝氏体）转变温度：700～550度二低合金钢焊缝的固态相变组织(一)铁素体转变（3）针状铁素体（AF）转变温度：500度附近二低合金钢焊缝的固态相变组织(一)铁素体转变（3）细晶铁素体(FGF)(贝氏体铁素体)转变温度：500度以下

二低合金钢焊缝的固态相变组织(二)珠光体转变转变温度：Ar1～500度扩撒型转变

二低合金钢焊缝的固态相变组织(二)珠光体转变二低合金钢焊缝的固态相变组织(三)贝氏体转变转变温度：上：550～450度下：450～MS二低合金钢焊缝的固态相变组织(三)贝氏体转变二低合金钢焊缝的固态相变组织(四)马氏体转变1板条马氏二低合金钢焊缝的固态相变组织(四)马氏体转变2片状马氏二低合金钢焊缝的固态相变组织二低合金钢焊缝的固态相变组织焊缝中的组织不是单一的二低合金钢焊缝的固态相变组织二低合金钢焊缝的固态相变组织第三节焊缝中的气孔和夹渣焊缝中的气孔和夹渣

的有害性：1消弱焊缝有效工作断面承载能力↓2应力集中疲劳强度↓3降低焊缝强度、韧性

4引发裂纹一焊缝中的气孔（一）气孔的类型及分布特征形成气孔的气体：第一类：高温时溶解的气体H2、N2

第二类：冶金反应产生的气体CO和H2O

一焊缝中的气孔（一）气孔的类型及分布特征1.氢气孔特征：a

多出现在焊缝表面b

断面形状多为螺钉状从焊缝表面看呈喇叭口形，气孔的四周有光滑内壁。c

有个别残存在内部，以小圆球状存。产生原因：a

溶解度b

扩撒能力大

一焊缝中的气孔（一）气孔的类型及分布特征N2气孔形状

在焊缝表面，成堆出现，蜂窝状。产生原因：

保护不当，空气侵入造成。

一焊缝中的气孔（一）气孔的类型及分布特征2.CO气孔特征：a

焊缝内部b条虫状c表面光滑

d

内壁有氧化色

一焊缝中的气孔（一）气孔的类型及分布特征2.CO气孔产生原因：各种结构钢总是含有一定量的碳，在焊接时由于冶金反应而产生大量的CO气体。[C]+[O]====CO[FeO]+[C]====CO+[Fe][MnO]十[C]====CO+[Mn][SiO2]+2[C]====2CO+[Si]

一焊缝中的气孔（一）气孔的类型及分布特征2.CO气孔产生原因：A高温时不会产生CO气孔B熔池凝固时成分偏析且η↑[FeO]+[C]====CO+[Fe]C反映是吸热反应

一焊缝中的气孔（二）焊缝中气孔形成机理

研究表明，产生气孔的过程是由三个相互联系而又彼此不同的阶段所组成，即气泡的生核、长大和上浮。

一焊缝中的气孔（二）焊缝中气孔形成机理1.气泡的生核具备条件：

1）液态金属中有过饱和的气体高温溶解的过饱和气体H2N2。冶金反应产生气体COH2O

2）要消耗一定的能量。一焊缝中的气孔（二）焊缝中气孔形成机理1.气泡的生核根据金属物理知识，形成气泡核的数目由下式决定：在纯金属中

一焊缝中的气孔（二）焊缝中气孔形成机理1.气泡的生核在焊接熔池中有现成表面的条件下，形成气泡核所需能量为：

一焊缝中的气孔Ph-气泡内气体的压力PL-液体压力V-气泡核体积σ-相间张力A-气泡核表面积Aa-吸附力的作用面积θ-气泡核与现成表面的浸润角（二）焊缝中气孔形成机理2.气泡长大气泡长大应满足以下条件：Ph>P0Ph-气泡内部的压力Po-阻碍气泡长大的外界压力Ph＝PH2+PN2+PC0+PH2O

＋.........

一焊缝中的气孔（二）焊缝中气孔形成机理2.气泡长大

P0