焊接熔池凝固
铜电阻焊焊缝裂纹
铜电阻焊焊缝裂纹
铜电阻焊焊缝裂纹的原因如下：
１．结晶裂纹：焊接熔池凝固结晶时，在液相与固相并存的温度区间，由于结晶偏析和收缩应力应变的作用，焊接金属沿一次结晶晶界形成的裂纹。
２．液化裂纹：焊接过程中，在焊接热循环峰值温度作用下，在多层焊缝的层间金属与母材近缝区金属中，由于晶间金属受热重新熔化，在一定的收缩应力作用下，沿奥氏体晶界开裂的现象。
３．高温低塑性裂纹：在液相结晶完成以后，焊接金属从材料的塑性恢复温度开始冷却，对于某些材料，当冷却到一定的温度范围内，由于应变速率和一些冶金因素的相互作用，引起塑性下降，导致焊接金属沿晶界开裂。
４．焊接温度过高或过低：焊接温度过高时，会导致焊点热裂；焊接温度过低时，会导致焊缝太窄，无法达到合适的强度。
５．热处理不当：热处理的过程和温度也会影响焊点的质量和强度。
６．材料质量问题：铜线本身的质量也是影响焊点质量的重要因素。
７．焊接过程中振动或应力过大：焊接过程中，若受到振动或者应力过大的作用，也会导致焊点开裂。
关于焊接熔池表面凝固速率测量的方法探究
关于焊接熔池表面凝固速率测量的方法探究摘要：随着我国经济的迅速发展，我国的工业取得了巨大的发展与进步。
而在工业生产与测量中，进行对于焊接熔池表面温度与凝固速率的测量计算是必不可少的。
目前状况下，国内对于其的测算方法基本上都是数值模拟法。
这一方法主要是通过分析测算出相应的值，然而，在实际的情况中，往往出现选择的数学模型与实际的过程不完全符合，有事甚至差距过大。
这样一来，其准确性就会大打折扣。
我们研究的课题是：焊接熔池表面凝固速率测量的新方法分析。
为了完成我们的课题研究，我们组织设计了一项工艺，可以进行低糖钢的激光点焊，可以较为清晰的显示出液态的熔池回缩凝固的整个过程。
凭借这一设计，我们开展对于焊接熔池表面温度与凝固速率的测量计算以及相应的分析。
对于其表面温度的测量，主要运用的是红外辐射测温法。
而对于熔池表面的速率测量，主要是先对信息进行相应的提取与采集，抓住其特征，进行对于凝固速率的推算。
然后进一步的进行工艺实验，验证熔池表面凝固速率与直径之间的相应关系。
关键词：焊接熔池表面温度凝固速率红外测温法低碳钢1、红外线测温法由于传统的数值模拟法存在一定的弊端，这一方法主要是通过分析测算出相应的值，然而，在实际的情况中，往往出现选择的数学模型与实际的过程不完全符合，有事甚至差距过大。
因此，在我们的课题研究中，所采用的方法是红外线测温法。
1.1红外测温原理运用红外线进行温度的测量，是一种非接触测量方法，也就是说测温的对象不会接触到测温的元件，其主要是通过热辐射来进行对于温度的测量的。
要想正确而有效的使用红外测温仪，就必须先对红外测温仪进行一定程度上的了解。
主要了解其工作的原理、相应的技术指标、进行工作时所需要的环境以及条件以及对其的操作以及维修。
红外测温仪的构成其实并不复杂，它主要是由几大部分组成的，分别是光学系统、光电探测器、信号放大器以及信号的处理、显示输出。
各个部分有着不同的分工，进行着不同的工作。
光学系统的主要作用是进行对于相应的红外辐射能量的聚集，而红外测温仪的光学零件以及其放置的位置决定了其视场是否广泛。
焊缝组织分析与质量控制
过热粗晶区魏氏组织
低碳钢中的魏氏组织
3、细晶区
此区加热温度在A~1100°之 间。在加热过程中，铁素体和 珠光体全部转变为奥氏体，即 产生金属的重结晶现象。由于 加热温度稍高于A ，奥氏体晶 粒尚未长大，冷却后将获得均 匀而细小的铁素体和珠光体， 相当于热处理时的正火组织， 故又称为正火区或相变重结晶 区。该区的组织比退火 (或轧制) 状态的母材组织细小，如图所 示。
纯钛加热快冷β→α’,钛马氏体。
3、有同素异构转变的多相合金
钢材（Fe-C合金) 过热区（1100--1490℃），易产生魏氏组织 重结晶区（900--1100℃）加热与冷却两次重
结晶，内部晶格发生变化。低碳钢相当于正火 组织
不完全重结晶区（750--900℃）粗晶与细 晶的混合组织
再结晶区 （晶粒外形变化）冷变形钢—晶粒细 化
1、焊接熔池体积小，冷却速度快（平均100℃/s，是铸造 104).
2、熔池液态金属高度过热，温度梯度大，熔池中心与边 缘的金属液态梯度比铸造高103– 104倍。
3、熔池在运动状态下结晶，结晶前沿随热源同步移动， 结晶主轴逆散热方向并向热源中心生长，到焊缝中心区停 止生长。此区是杂质易聚集区。
（一）焊接熔池的凝固
• 焊接熔池凝固的过程是从液相转变成固相的焊 接一次结晶过程。
• 此过程中易产生缺陷：气孔、裂纹、夹杂、宏 观偏析、粗大柱状晶等。
• 导致塑性降低、强度降低，断裂事故发生。
等轴晶
柱状晶
焊缝组织宏观分析
焊 接 区 域 低 倍 下 形 貌
20钢
（二）焊接熔池凝固与铸造凝固区别
元素较多时，熔合区
树
的结晶形态往往是胞
枝 晶
状树枝晶(或树枝晶)，
焊接熔池凝固ppt课件
等温线
晶粒成长线速度分析图 结晶形态：弯曲柱状晶
10
R= v·cos
式中，R—晶粒成长的平均线速度 v —焊接速度 —焊接方向与熔池边界法线方向的夹角
cos 值取决于焊接参数和被焊金属的热物理性质。 在熔池边界（熔合线上）
∵ ＝90°，∴ R=0 在焊缝中心（Y＝0）
∵ ＝0 °，∴ R＝v.
8
2.2 晶核长大
与焊接熔池边界垂直的方向， 温度梯度G最大，散热最快。
每一种晶体结构都存在一个 最优结晶取向（树枝晶或胞 状晶最易生长的方向）；
对于fcc和bcc点阵的金属 （Fe, Ni, Cu, Al），最优 结晶取向为<100>。
在凝固过程中，最优结晶取 向与与散热最快的方向一致 时，晶粒生长最快而优先长 大——择优长大；
焊缝中柱状晶体的选择长大
9
2.3 结晶线速度
设液相等温线上任一点A的 晶粒主轴，沿等温线法线方向 （S－S）生长，此方向与X轴的 夹角为。
设结晶速度为R，焊接速度 为V，经过dt时间后，焊接熔池 移动dx，A点便移至B点，A点晶 粒长大至C点。
当dx很小时， ds=dx cos ds/dt =dx/dt × cos 即 R= v cos
4
1.3 动态下凝固。
处于热源移动方向前端的母材不断熔化，连同过渡到 熔池中的焊丝熔滴一起在电弧吹力作用下，对流至熔池后 部。随热源的离去，熔池后部的液态金属立即开始凝固， 形成焊缝
1.4 对流强烈。
熔池中存在各种作用力，如电弧的机械力、气流吹力、 电磁力，以及液态金属中密度差别，使熔池中存在有强烈 的搅拌和对流，其方向一般趋于从熔池头部向尾部流动。
1
1.焊接熔池特征
熔焊总结解读
二、焊缝的结晶特点
1、焊接熔池的：非均匀形核和联生生长
择优长大
偏向晶和定向晶的形成
2、焊缝凝固后的结晶形态
主要是柱状晶和少量的等轴晶，其中柱状晶包括平面晶和包晶；等轴晶包括树枝晶。
3、不均匀性和夹杂
a)结晶的不均匀性会产生：偏析、气孔、裂纹
b)偏析指显微偏析、层状偏析和区域偏析。
c)区域偏析的危害：在应力作用下产生纵向裂纹。
4、熔合区的不均性。
会产生脆性线、冷裂纹、再裂裂纹。
5、熔合区划分
分为：半熔合区、结晶过渡区和未混合区
三、焊缝金属组织调整和改善
1、一次结晶
一次结晶组织形态：粗大柱状晶。
A、粗大柱状晶对低碳钢影响不大，对高温合金钢高强钢影响大
B、粗大柱状晶影响：冲击韧性下降易产生热裂纹、夹杂、气孔、腐蚀等。
高合金钢钢合金元素〉10%
2.按性能与用途分类：强度用钢（高强钢）
低中合金特殊用钢
二、高强钢及特殊用钢的分类
１.高强钢： 普通低合金钢（热轧正火钢）
调质钢：低碳调质钢、中碳调质钢
２.特殊用钢： 珠光体耐热钢Ｐ
低温用钢：Ｆ、Ｍ、Ａ
低合金耐蚀钢
三、高强钢的性能及特点
１，普低钢
ａ．屈服强度为２９４～４９０ＭＰａ，属于热轧正火钢，也叫普通低合金钢，代表：１６Ｍｎ，１５ＭｎＶ
1．宏观分类：表面裂纹、内部裂纹、热影响区纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹
2．本质分类：热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂裂纹、应力腐蚀裂纹
三、热裂纹
1．热裂纹的分布形态
结晶裂纹（凝固裂纹）：特点是沿一次结晶的晶界分布，主要在杂质多的碳钢中
液化裂纹：在母材近缝区或多层焊前-焊道，受热而在液化晶界上形成的，主要是高碳钢与不锈钢中
焊接冶金原理04熔池凝固与焊缝组织2课件
➢ G.R表征了凝固过程的冷却速率，影 响微观组织的尺度；
➢ 一个G/R值对应着一个结晶形态，随 G/R减小，凝固结晶形态由平面晶顺 序向胞状晶、树枝晶和等轴晶转变；
➢ 一个G.R值对应着一个结构尺度，随 G.R增大，微观组织尺度减小（细 化）。
G和R对凝固显微结晶形ห้องสมุดไป่ตู้和尺度的影响
➢ 焊接线能量恒定条件下，随焊 接速度增大，熔池结晶速率R将 增大、熔池边界温度梯度尤其 是熔池中心线附近边界温度梯 度G趋于减小，G/R值减小，焊 缝中心更容易出现等轴晶；
a
b
焊接速度对纯铝钨极氩弧焊焊缝组织的 影响：(a) 250mm/min；(b) 1000mm/min
4.3.3 焊缝凝固组织的调控
在组织形态上，柱状晶对焊缝性能不利，而等轴晶组织有利于获得 良好的强韧性；在结构尺度上，焊缝的显微组织越细小，焊缝综合性能 越好。为了获得良好的焊缝性能，一般希望焊缝凝固组织为细小的等轴 晶组织。
的显微结构依次为：平面晶、胞状晶、树枝晶； ➢ 所有的显微结晶形态不一定全部存在，有时柱状晶可以一直生长到焊
缝中心，而无等轴晶； ➢ 柱状晶主轴方向是弯曲的。
焊缝组织与熔池凝固行为的关系
T2紫铜埋弧焊接头平面结晶形成 的柱状晶
AISI 304 与 Inconel 600激光焊焊 缝胞状晶
AISI 316L 奥氏体不锈钢埋弧焊 焊缝胞状树枝晶
(a)
(b)
(c)
Ti的添加量对Al-2.5%Mg合金钨极氩弧焊焊缝组织的影响， (a) 0.005% Ti, (b) 0.011%Ti, (c) 0.029%Ti
(a)
(b)
合金元素Zr对7020 Al–Zn–Mg合金钨极氩弧焊焊缝组织的影 响[29]：(a)未做变质处理;(b) 添加0.5% Zr变质处理
焊接熔池凝固组织中等轴晶生长的模拟
ｂ ｓ ｄ ｏ ｏ ｕ ｅ ｄ ｆ ｓ ｎ ａ ｄ ｉ ｔｒａ ｉｌｅ ｅ ｇ ｈ ｏ ｙ，ｉ ａ ｏ ｔ ｄ ｃ ｌ ｌ ｒａ ｔ ｍａ ｏ ｔ ｏ ｏ ｓｍｕ ａ ｅ ｅ ｕ ａ ｉ ｌ ａ ｅ ｎ ｓ ｌ ｔ ｉ ｕ ｉ ｎ ｎ ｅｆ ｃ ａ ｎ ｒ ｙ ｔ ｅ ｒ ｆ ｏ ｔ ｄ ｐ ｅ ｅｌ ａ ｕ ｏ ｔ ｎ ｍｅ ｈ ｄ ｔ ｉ ｌｔ ｑ ｉｘ ａ ｕ
（ ｃ ｏｌｆ Ｓｈ ｏ ｏ ｅ Ｓｉ ｃ ｎ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｘ ’ Ｕ ｉ ｒ ｔ ｏ ｅｈ ｏ ｇ ， ｉａ １０ ８ Ｃ ｉａ ｃ ｎ ｅａｄＥ ｇｎ ｅｉ ， ｉｍ ｎｖ ｓｙ ｆＴｃ ｎｌ ｙ Ｘ ’ｎ７ ０ ４ ， ｈｎ ） ｅ ｎ ｅ ｉ ｏ
Ａｂｓ ｒ ｃ ： Ｃｏ ｉ ｅ ｉ ｇ ｃ ｍ ｐ ｎｅ ｔ ｕｐ ｒｃ ｏ ｉｇ， ｃ ｒ ａ ｕ ｅ ｕ ｒｃ ｌｎｇ ａ ｈ ａ ｉｏｒ ｐ ｏ ｎ ｅ ｆｃａ ｅ ｅ ｇ ｔａ ｔ ｎｓｄ ｒｎ ｏ ｏ ｎ ｓ ｅ － ｏ ｌｎ ｕ ｖ ｔ ｒ ｓ ｐｅ －ｏｏｉ ｎｄ ｔ ｅ ｎ ｓ ｔｏ ｙ ｆ ｉ ｔ ｒａ ｉｌ ｎ ｒ ｙ
用元 胞 动机 法对 焊接 熔 池凝 固过 程 中等轴 晶生 长进 行 了模 拟 。在 模 拟 过程 中．对 液相 中的
溶 质 传输 进 行 了计 算 ， 同时考 虑 了凝 固过 程 中 固相 分数 变化 对 溶质 传 输 的影 响 ，讨论 了理
想状 态、不 同过 冷度 、 施加 扰 动 对 枝 晶 形貌 及 成 分偏 析 的 影 响 。模 拟 结 果很 好 地 再现 了枝
ｃ ｙ ｔ ｌ ｒ ｗ ｈ ｄ ｒ ｇｔ ｅ ｓ ｌ ｉ ｃ ｔ ｎ ｃ ｕ ｓ ｎ ｗ ｌ ｉ ｇ ｐ ｏ ． ｎ ｓ ｌ ｔ ｎ ｈ ｏｕ ｅ ｔ ｎ ｍｉｓ ｎ ｗａ ａｃ ｌ ｔｄ ｉ ｒ ｓａ ｏ ｔ ｕ ｎ ｈ ｏ ｉ ｆ ａｉ ｏ ｒ ｅ ｉ ｅ ｄ ｎ ｏ １ Ｉ ｉ ａｉ ，ｔ ｅ ｓ ｌ ｔ ａ ｓ ｓ ｉ ｓｃ ｌｕ ａｅ ｎ ｇ ｉ ｄ ｉ ｏ ｍｕ ｏ ｒ ｏ ｌ ｕ ｄ ｐ ａ ｅ， ｔ ｈ ａ ｉ ， ｈ ｆ ｃ ｆ ｈ ｏｉ ａ ｔ ｎ ｅ ｏｕ ｉ ｎ ｏ ｈ ｏ ｕｅ ｔ ｎ ｍｉ ｉｎ ｗ ｓｃ ｎ ｉ ｅ ｅ Ｔ ｅ ｉ ｉ ｈ ｓ ａ ｅｓ ｍｅｔ ｑ ｔ ｍｅ ｔ ｅ ｅｆ ｔ ｅ ｓ ｌ ｆ ｃ ｉ ｖ ｌ ｔ ｎｔ ｅ ｓ ｌ ｔ ａ ｓ ｓ ｏ ａ ｏ ｓｄ ｒ ｄ． ｈ ｅ ｏｔ ｄｒ ｏ ｏ ｒ ｓ
焊接熔池凝固范本.ppt
0.0
（3)优化焊接工艺参数 对于不锈钢这类不发生相变重结晶的钢焊接时，
在保持一定的电弧热功率的条件下，增大焊接速度v， 即降低了焊接的线能量，可以便晶粒变细。若线能 量不变，提高焊接速度v，也可以促使晶粒细化。因 为焊接速度的提高，可使熔池在高温下停留时间缩 短，熔池温度较低，焊缝冷却速度也提高了。对于 低合金高强钢这类发生相变重结晶的钢，应尽量采 用较小的线能量，减小熔池尺寸和过热度，同时加 强焊缝的冷却，便可避免出现粗大的柱状晶组织。 但冷却速度也不宜过高，过高会引起焊缝和热影响 区产生淬火组织，在冷却过程中导致裂纹的发生。
焊缝中柱状晶体的选择长大
0.0
2.3 结晶线速度
设液相等温线上任一点A的 晶粒主轴，沿等温线法线方向 （S－S）生长，此方向与X轴的 夹角为。
设结晶速度为R，焊接速度 为V，经过dt时间后，焊接熔池 移动dx，A点便移至B点，A点晶 粒长大至C点。
当dx很小时， ds=dx cos ds/dt =dx/dt × cos 即 R= v cos
大 G×R 小
温度梯度G和结晶速度R对结晶组织形态和大小的影响
0.0
17
3.焊缝中的化学不均匀性
合金在凝固过程中发生的化学成分不均匀的现象称为 偏析。
偏析主要是由于合金在凝固过程中溶质再分配和扩散 不充分引起的。
焊缝中的偏析主要有：
显微偏析 区域偏析 层状偏析 偏析会影响焊缝的性能。
R
DL K0
➢ 影响成分过冷度主要因素有：
➢ 工艺因素：R、G ➢ 合金性质C0、mL、K0、DL
➢ C0、R、G三个主要因素的影响 见右图。
0.0
G/ R
焊接过程中的熔池流动规律研究
焊接过程中的熔池流动规律研究1. 简介焊接是将金属材料通过加热熔化并配合填充材料进行连接的一种常用工艺。
在焊接过程中，熔池的流动规律对焊接质量具有重要影响。
本文将就焊接过程中的熔池流动规律进行研究，并探讨其对焊接质量的影响。
2. 熔池流动规律2.1 表面张力和重力熔池流动主要受到两个力的作用：表面张力和重力。
表面张力使熔池呈现球形，而重力则使熔池沿着倾斜方向流动。
当焊接位置处于水平时，表面张力和重力相互平衡，熔池呈现出均匀的形状。
2.2 熔池流动方向焊接过程中，熔池流动通常分为两个方向：垂直方向和水平方向。
2.2.1 垂直方向流动垂直方向的熔池流动是由于重力的作用而产生的。
重力使熔池沿着焊接方向向下流动。
当下游熔池凝固后，上游熔池会填充进去，形成连续的熔池流动。
2.2.2 水平方向流动水平方向的熔池流动是由于表面张力的作用而产生的。
当焊接速度较慢时，熔池的表面张力会引起熔池沿着焊缝的方向流动。
这种流动可以带走焊接过程中产生的杂质和气体，从而提高焊接质量。
3. 熔池流动规律对焊接质量的影响熔池流动规律对焊接质量有着重要影响，主要体现在以下几个方面：3.1 熔池形态熔池的形态直接影响焊接的强度和密封性。
若熔池流动不稳定，则会影响焊接的强度；若熔池形态不满足要求，则可能导致焊接接头的泄漏。
3.2 熔池混合熔池的流动机制会使熔池混合，从而达到杂质分散的效果。
这对于提高焊接缺陷的控制和焊接接头的强度提供了有力支持。
3.3 清除气孔和杂质熔池流动规律的合理控制能够加速熔池中的气孔和杂质的脱离，从而改善焊接接头的品质。
4. 熔池流动的控制方法为了实现理想的焊接质量，需要对熔池流动规律进行控制。
具体的控制方法如下：4.1 控制焊接速度适当的焊接速度可以调整熔池的形态和稳定性。
过快的焊接速度容易造成焊接接头的强度低下，而过慢则容易导致熔池形态不良。
4.2 控制焊接功率焊接功率的大小直接影响到熔池的热量输入和熔化程度。
熔焊原理第四章
熔池的凝固与焊缝金属的固态相变
一、熔池凝固(一次结晶)的特点 1、熔池的体积小，冷却速度大。平均冷却速度约为 4～100℃/s。 2、熔池的温度分布不均匀，从熔池中心到边缘存在很 大的温度梯度。 3、熔池是在运动的状态下结晶的。熔池液态金属流动 的总趋势是从熔池的头部向尾部流动。 4、焊接熔池凝固以熔化母材为基础。
焊接热影响区
三、 焊接热影响区的组织
☆母材的成分不同，焊接热影响区各点经受的热 循环不同，焊后发生组织和性能的变化也不相同。
1.不易淬火钢热影响区的组织和性能
低碳钢和低合金高强钢(Q345、Q390)
(1)过热区 过热区紧邻熔合区，加热温度范围为 1100～1490℃。由于温度高，奥氏体晶粒严重长大， 冷却后获得晶粒粗大的过热组织，有时，还会出现 魏氏组织。因此，该区塑性和韧性都很低，其韧性 比母材金属低20%～30%，是热影响区中的薄弱环节
焊接热影响区
2、焊接热影响区的脆化
（1）粗晶脆化 由于晶粒严重粗化造成，晶粒尺寸↑脆化↑ 主要原因：过热奥氏体晶粒长大，冷却后形成粗大的 魏氏组织。 措施：小的焊接热输入，加入合金元素，如Ti、Nb、 Mo、V、W、Cr 。 （2）组织脆化 淬火脆化：焊接含碳量和合金元素较高的易淬火钢， 形成马氏体组织。 预防：降低冷却速度。大热输入、预热、后热
熔池的凝固与焊缝金属的固态相变
2、低合金钢焊缝的固态相变组织 低合金钢焊缝固态相变的情况比低碳钢复杂得多， 除铁素体与珠光体转变外，还可能出现贝氏体与马 氏体转变。 母材强度不高时(如Q295、Q345)，焊缝中的碳和合金 元素均接近于低碳钢，焊缝的二次结晶组织通常为 铁素体+珠光体 焊缝中合金元素的种类及数量较多，二次结晶组织可 以是铁素体+贝氏体、铁素体+马氏体或单一的马氏 体
焊接熔池凝固
1
cos
1 A
qv
aTM
K
2 y
K
2 z
1
K
2 y
K
2 z
2
cos
1
A
q
hTM
2
1
K
2 y
K
2 y
1 2
由以上分析可得出： 晶粒成长的平均速度是变化的
Y=OB，Ky=1，cosθ =0，θ =90°，vc=0； Y=0，Ky=0，cosθ =1，θ =0°，vc=v； Y=OB～0，θ =90°～0° ，vc=0～v。
合金元素烧损严重，非自发形核大为减少。
熔池是在运动状态下结晶 钢锭是在固定的模具中静止状态下进行结晶； 熔池中金属的熔化和结晶过程同时进行。
熔池结晶的一般规律
熔池中晶核的形成
自发形核所需能量 非自发形核所需能量
EK
16 3 3Fv2
EK
16 3 3Fv2
结晶的一般规律：晶核形成和晶核长大。 熔池体积小，冷却速度大
熔池冷却速度 4～100℃/s；钢锭冷却速度（3～150）×10-4℃。 易形成淬硬组织；焊缝中柱状组织得到很大发展。 熔池中的液态金属处于过热状态 熔池平均温度可达1770±100℃，熔滴约为2300±200 ℃； 钢锭温度≤1550 ℃。
3.1 熔池凝固和焊缝固态相变
熔焊时，在高温热源的作用下，母材将发生局 部熔化，并与熔化了的焊丝金属搅拌混合而形成焊 接熔池（weld pool）。同时，进行了短暂而复杂 的冶金反应。焊接热源离开，熔池金属便开始凝固。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
19
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
最后应当指出，晶粒（核）长大同样需要一定的能量 ：一是因为体积长大而使体系自由能下降；另一是因长 大而产生的新固相表面使体系的自由能增高。
第三章
熔池凝固和焊缝固态相变
1
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
第一节 熔池凝固 第二节 焊缝固态相变 第三节 焊缝中的气孔和夹杂 第四节 焊缝性能的控制
2
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
熔焊时，熔池金属凝固（结晶），如图3-1。熔池凝固 过程对焊缝金属的组织、性能具有重要的作用。 一方面，由于冶金反应和冷却条件不同，可得到性能 差异甚大的组织，同时产生许多缺陷，如气孔、夹杂、 偏析和结晶裂纹等。
6
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
研究证明，对于焊接熔池结晶来讲，非自发晶核起 了主要作用。
在液相金属中有非自发晶核存在时，可以降低形成 临界晶核所需的能量，使结晶易于进行。
——在液相中形成非自发晶核所需的能量为：
7
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
——关于θ角：①当θ=0°时，Ek′=0，液相中有大量悬浮 质点和现成表面；②当θ=180°时，Ek′=Ek，只存在自发 晶核，无非自发晶核现成表面；③当θ=0～180°时， Ek′/Ek =0～1，有现成表面，会降低形成临界晶核所需能 量。
对于纯金属凝固（结晶），不存在化学成分的变化，
凝固点为恒定温度，过冷度只决定于温度梯度。即液相
中的过冷度取决于造成实际结晶温度低于凝固点的冷却
条件，冷却速度越大，过冷度越大。有以下两种情况：
熔池凝固及控制
三、熔池结晶组织的细化
通过提高形核率和抑制晶粒长大两个方面 1．变质处理 ． 通过焊接材料向熔池加入一定量的合金元素(如 通过焊接材料向熔池加入一定量的合金元素 如
B、Mo、V、Ti、Nb等) , 作为熔池中非自发晶核的质点 从 、 、 、 、 等 作为熔池中非自发晶核的质点,从 而使焊缝晶粒细化。 而使焊缝晶粒细化。 2．振动结晶 ． 采用振动的方法来打断正在成长的柱状晶，增 采用振动的方法来打断正在成长的柱状晶，
3
2. 温差大、过热温度高 温差大、
熔池金属中不同区域 因加热与冷却速度很快， 因加热与冷却速度很快，
熔池中心和边缘存在较大的温度梯度，例如， 熔池中心和边缘存在较大的温度梯度，例如，对 于电弧焊接低碳钢或低合金钢， 于电弧焊接低碳钢或低合金钢，熔池中心温度高 达2100～2300℃，而熔池后部表面温度只有 ～ ℃ 1600℃左右，熔池平均温度为1700±100℃。 ℃左右，熔池平均温度为 ± ℃ 由于过热温度高， 由于过热温度高，非自发形核的原始质点数大为 减少，这也促使焊缝柱状晶的发展。 减少，这也促使焊缝柱状晶的发展。
6
二、熔池结晶特征
联生结晶 柱状晶生长方向与速度的变化 熔池凝固组织形态的多样性
7
1. 联生结晶
在熔池中存在两种现成固相表 面：一种是合金元素或杂质的 悬浮质点（ 悬浮质点（在正常情况下所起 作用不大）；另一种就是熔池 作用不大）；另一种就是熔池 ）； 边界未熔母材晶粒表面，非自 边界未熔母材晶粒表面， 发形核就依附在这个表面， 发形核就依附在这个表面，在 较小的过冷度下以柱状晶的形 态向焊缝中心生长， 态向焊缝中心生长，称为联生 结晶(也称外延生长 。 结晶 也称外延生长)。 也称外延生长
大晶粒游离倾向，达到细化晶粒的目的。 大晶粒游离倾向，达到细化晶粒的目的。振动方式主要有机 械振动、超声振动和电磁搅拌。 械振动、超声振动和电磁搅拌。 3．焊接工艺 ． 采用恰当的焊接工艺措施， 采用恰当的焊接工艺措施，也可改善熔池凝固
焊缝及其热影响区的组织和性能
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七、改善焊缝组织的途径
1.凝固组织形态对性能的影响 生成粗大的树枝状晶，韧性降低，对气孔、夹杂、热裂 都有影响
2.焊缝金属的性能的改善措施 ①固溶、细晶等强化和变质处理 加入Mo、V、Ti、Zr、Al、B、N、稀土Te等 ②振动结晶 机械振动、高频超声振动、电磁振动 ③焊接工艺 焊后处理、热处理、多层焊、锤击、跟踪回火等。
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2、低合金钢 （1）多以F+P为主，有时出现B及M,与焊材及工艺有关。 （2）铁素体（F）转变 ①粒界F（高温转变900-700℃）：为先共析F,由奥氏 体晶界析出向晶内生长，呈块状 ②侧板条F（700-550℃）：由奥氏体晶界形核，以板 条状向晶内生长（由于F形成温度较高，F内含碳极 低，故又称为无碳贝氏体） ③针状F（500℃附近）：大都非自发形核，在奥实体 内形成 ④细晶F （500℃以下）：奥氏体晶内形成，有细晶元素
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2.熔合区的化学不均匀性
①熔合区的形成
母材与焊缝交界的地方并不是一条线，而是一个区
熔合区熔化不均（传热、晶粒散热）
②熔合区成分分布
在液相中的溶解度>在固相中的溶解度
故：固相浓度 界面
液相浓度
C0 - C´
C0 + C´
分配取决于扩散系数和分配系数，特别是
S、P、C、B、O、N等
熔合区还存在物理不均匀（组织、性能）
Pcm
C
Si 30
Mn
Cu 20
Cr
Ni 60
Mo 15
V 10
焊接理论基础习题及答案
第一章焊接化学冶金1、什么是焊接化学冶金？它的主要研究内容和学习的目的是什么?答：焊接化学冶金指在熔焊过程中，焊接区内各种物质之间在高温下的相互作用反应。
它主要研究各种焊接工艺条件下，冶金反应与焊缝金属成分、性能之间的关系及变化规律。
研究目的在于运用这些规律合理地选择焊接材料，控制焊缝金属的成分和性能使之符合使用要求，设计创造新的焊接材料。
2、调控焊缝化学成分有哪两种手段？它们怎样影响焊缝化学成分？答：调控焊缝化学成分的两种手段：1）、对熔化金属进行冶金处理；2）、改变熔合比。
怎样影响焊缝化学成分：1）、对熔化金属进行冶金处理，也就是说，通过调整焊接材料的成分和性能，控制冶金反应的发展，来获得预期要求的焊接成分；2）、在焊缝金属中局部熔化的母材所占比例称为熔合比，改变熔合比可以改变焊缝金属的化学成分。
3、焊接区内气体的主要来源是什么？它们是怎样产生的？答：焊接区内气体的主要来源是焊接材料，同时还有热源周围的空气，焊丝表面上和母材坡口附近的铁皮、铁锈、油污、油漆和吸附水等，在焊接时也会析出气体。
产生：①、直接输送和侵入焊接区内的气体。
②、有机物的分解和燃烧。
③、碳酸盐和高价氧化物的分解。
④、材料的蒸发。
⑤、气体（包括简单气体和复杂气体）的分解。
4、氮对焊缝质量有哪些影响？控制焊缝含氮量的主要措施是什么？答：氮对焊接质量的影响：a在碳钢焊缝中氮是有害的杂质，是促使焊缝产生气孔的主要原因之一。
b氮是提高低碳钢和低合金钢焊缝金属强度、降低塑性和韧性的元素。
c氮是促进焊缝金属时效脆化的元素。
控制焊缝含氮量的主要措施：a、控制氮的主要措施是加强保护，防止空气与金属作用；b、在药皮中加入造气剂（如碳酸盐、有机物等），形成气渣联合保护，可使焊缝含氮量下降到0.02%以下；c、采用短弧焊（即减小电弧电压）、增大焊接电流、采用直流反接均可降低焊缝含氮量；d、增加焊丝或药皮中的含碳量，可降低焊缝中的含氮量。
5、综合分析各种因素对手工电弧焊时焊缝含氢量的影响？答：（1）焊接工艺参数对焊缝含氢量有一定的影响：手工电弧焊时，增大焊接电流使熔滴吸收的氢量增加；增大电弧电压使焊缝含氢量有某些减少。
焊接技术 3 熔池凝固与固态相变
一、低碳钢焊缝的固态相变
(1)铁素体+珠光体。 (2)魏氏组织。 一次结晶组织：粗大的柱状晶
低碳钢焊缝的魏氏组织
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第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
改善组织条件：
1)多层焊和焊后热处理：使焊缝获得细 小Ｆ和少量珠光体，使柱状晶组织破坏。 2)冷却速度↑，Ｐ↑,组织细化，硬度↑
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**熔合区的宽度对焊缝性能影响很大。由于焊接工艺 的因素，当熔合区宽度大时，焊缝的整体性能下降。如 奥氏体不锈钢的熔合区宽度在0.1mm时，对不锈钢焊接 接头的抗腐蚀性影响不大；但当该宽度较大，达到接近 1mm时，则焊接接头的耐蚀性显著下降，甚或出现裂纹 。
30
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
3、熔合区的成分分布
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第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
3.层状偏析
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形态称为层状偏析。
１）特征
２）形成原因 ３）危害
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第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
（二）熔合区的化学不均匀性 整个焊接接头的薄弱环节。易出现缺陷，裂纹等。
1、熔合区的形成 半熔化过渡状态
θ ：非自发晶核的浸润角 θ =0 EK`=0
EK`=Ek
θ=0~180时，EK`/EK=0-1
4
第一节 熔池凝固
焊接条件下，熔池中存在两种现成表面：
一种是合金元素或杂质的悬浮质点（一般情况下所 起作用不大）； 一种是熔合区附近半熔化的金属界面晶粒表面（主 要的非自发形核表面）。
5
第一节 熔池凝固
焊接冶金与金属焊接性
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
脉冲激光的焊接熔池形成与凝固行为研究
脉冲激光的焊接熔池形成与凝固行为研究脉冲激光焊接是一种高能量密度的热源焊接技术，广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域。
在脉冲激光焊接过程中，焊接熔池的形成和凝固行为对焊接质量起着至关重要的作用。
本文将探讨脉冲激光焊接中焊接熔池的形成机理和凝固行为。
脉冲激光焊接过程中，高能量密度的激光束瞬间照射在焊接材料上，使其迅速升温并熔化。
在瞬间高温作用下，焊接材料表面形成一个液态熔池。
熔池的形成过程可以分为三个阶段：吸收阶段、传导阶段和受限阶段。
在吸收阶段，激光束首先被焊接材料吸收，激光能量转化为热能。
吸收能量的多少取决于激光的功率密度和材料的吸收率。
当激光束照射到焊接材料表面时，其能量会迅速传递给材料，使其温度迅速升高。
在传导阶段，热能开始通过热传导向材料内部扩散。
传导过程中，热能的传递速度取决于材料的热导率和热扩散系数。
热传导的速度较慢，因此在传导阶段，焊接熔池的形成仍然是一个局部现象。
在受限阶段，当传导的热能达到一定程度时，焊接材料表面的温度已经足够高，使其开始熔化形成液态熔池。
熔池的形成与材料的熔点和热传导速度有关。
当熔池形成后，激光束的照射会维持熔池的温度，使其保持在液态状态。
焊接熔池的凝固行为也是焊接过程中需要关注的重要问题。
在焊接过程中，熔池的凝固速度决定了焊缝的组织和性能。
凝固速度的快慢取决于熔池的冷却速度和材料的凝固温度范围。
当焊接熔池开始凝固时，熔池中的热能会通过热传导向周围环境散失。
如果冷却速度较快，熔池中的金属离子会迅速凝固形成晶体结构。
晶体结构的形成过程中，金属离子会有序排列，形成具有一定晶格结构的晶体。
然而，如果冷却速度较慢，熔池中的金属离子会有更多的时间进行扩散和重排，形成较大的晶体。
这种情况下，焊接熔池中的晶体结构可能会出现缺陷，如晶界偏析、晶界背离等，从而影响焊缝的力学性能。
因此，在脉冲激光焊接过程中，控制焊接熔池的形成和凝固行为对焊接质量至关重要。
通过调整激光的功率密度、照射时间和焊接材料的物理性质，可以实现对焊接熔池形成和凝固行为的控制。
焊接熔池凝固
电磁搅拌
GTAW焊时，采用直流正流性焊 接，熔深较大，混合较好。
快速焊时焊缝的区域偏析 （宏观偏析）
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3.3层状偏析
结晶过程周期性变化而使得化学成分不均匀分布的现 象。
产生原因： 凝固时结晶潜热及熔滴过渡带来的附加热脉冲作 用等，使热输入波动。 结晶前沿温度变化→结晶速度R波动→层状偏析
8
2.2 晶核长大
与焊接熔池边界垂直的方向， 温度梯度G最大，散热最快。
每一种晶体结构都存在一个 最优结晶取向（树枝晶或胞 状晶最易生长的方向）；
对于fcc和bcc点阵的金属 （Fe, Ni, Cu, Al），最优 结晶取向为<100>。
在凝固过程中，最优结晶取 向与与散热最快的方向一致 时，晶粒生长最快而优先长 大——择优长大；
1
d2ARTG s 3 式 中 ,Ts为 非 平 衡 凝 固 的 温 度 区 间 ,GR相 当 于 冷 却 速 度 (C/s) A为 比 例 常 数 ,与 合 金 性 质 (K0,CL,DL等 )有 关
冷却速度越快（即温度梯度G和结晶速度R越大），树枝晶
越细。
16
温度梯度G 和结 晶速度R 决定结 晶组织； G/R决定结晶组 织的形态； G×R决定结晶组 织的大小；
5
2.焊接熔池结晶
2.1 晶核形成
焊接条件下，非自发形 核的现成表面有：
液态金属中未熔化的 悬浮质点；
熔合区附近加热到未 熔化状态基本金属 （BM）的晶粒表面－ 联生结晶 (主要）；
联生结晶示意图
6
2.1.1 联生结晶（外延结晶） 依附于母材晶粒现成表面而形成共同晶粒的凝固方式
Fusion boundary
焊接冶金与焊接性答案
焊接冶金与焊接性答案【篇一：焊接冶金学课后答案】>1．分析热轧钢和正火钢的强化方式和主强化元素又什么不同，二者的焊接性有何差别？在制定焊接工艺时要注意什么问题？答：热轧钢的强化方式有：（1）固溶强化，主要强化元素：mn，si。
（2）细晶强化，主要强化元素：nb,v。
（3）沉淀强化，主要强化元素：nb,v.；正火钢的强化方式：（1）固溶强化，主要强化元素：强的合金元素（2）细晶强化，主要强化元素：v,nb,ti,mo（3）沉淀强化，主要强化元素：nb,v,ti,mo.；焊接性：热轧钢含有少量的合金元素，碳当量较低冷裂纹倾向不大，正火钢含有合金元素较多，淬硬性有所增加，碳当量低冷裂纹倾向不大。
热轧钢被加热到1200℃以上的热影响区可能产生粗晶脆化，韧性明显降低，而是、正火钢在该条件下粗晶区的v析出相基本固溶，抑制a长大及组织细化作用被削弱，粗晶区易出现粗大晶粒及上贝、m-a等导致韧性下降和时效敏感性增大。
制定焊接工艺时根据材料的结构、板厚、使用性能要求及生产条件选择焊接。
2．分析q345的焊接性特点，给出相应的焊接材料及焊接工艺要求。
答:q345钢属于热轧钢，其碳当量小于0.4％，焊接性良好，一般不3.q345与q390焊接性有何差异？q345焊接工艺是否适用于q390焊接，为什么？答：q345与q390都属于热轧钢，化学成分基本相同，只是q390的mn含量高于q345，从而使q390的碳当量大于q345，所以q390的淬硬性和冷裂纹倾向大于q345，其余的焊接性基本相同。
q345的焊接工艺不一定适用于q390的焊接，因为q390的碳当量较大，一级q345的热输入叫宽，有可能使q390的热输入过大会引起接头区过热的加剧或热输入过小使冷裂纹倾向增大，过热区的脆化也变的严重。
4.低合金高强钢焊接时，选择焊接材料的原则是什么？焊后热处理对焊接材料有什么影响？答：选择原则：考虑焊缝及热影响区组织状态对焊接接头强韧性的影响。
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非自发晶核依附熔合区附近加热到半熔化状态 的基本金属的晶粒表面，以柱状晶的形态向焊缝中 心成长，形成交互结晶（或称联生结晶）。
熔池中的晶核长大
晶体最易长大方向与散热最快方向（最大温度梯度方向） 相一致时，则最有利于晶粒长大，便优先得到成长， 可以一直长至熔池的中心，形成粗大的柱状晶。
Y=0，Ky=0，cosθ =1，θ =0°，vc=v；
Y=OB～0，θ =90°～0° ，vc=0～v。
焊接规范对晶粒成长方向及平均线速度均有影响 焊速↑，θ ↑， 晶粒主轴成长方 向越垂直于焊缝 中心线；相反， 主轴方向越弯曲。
焊接速度对晶粒成 长平均速度的影响非常 明显
实际上，结晶速度与熔池中析出结晶潜热、热源 作用的周期变化、化学成分的不均匀性、元素扩散等 密切相关。 沙马宁的研究指出： 晶粒成长的线速度围绕平 均线速度作波浪式变化， 且波浪起伏越来越小，趋 向平均速度。
熔池是在运动状态下结晶
钢锭是在固定的模具中静止状态下进行结晶； 熔池中金属的熔化和结晶过程同时进行。
熔池结晶的一般规律
熔池中晶核的形成
自发形核所需能量 非自发形核所需能量
EK 16 3 3Fv2
16 3 2 3 cos cos2 EK 4 3Fv2
成分过冷对结晶形态的影响
平面结晶
-
胞状结晶
- 胞状树枝结晶
- 树枝状结晶
- 等轴结晶
综上分析可得，结晶形态 主要决定于合金溶质的浓 度C0、结晶速度R和液相 中温度梯度G的综合作用。
焊接条件下的凝固形态
实践证明，熔池中成分过冷的分布在焊缝的不同部 位是不同的，将会出现不同的结晶形态。
焊缝中的化学不均匀性
显微偏析 通常合金在凝固过程中，液固两相的成分处于变化中。 一般先结晶的固体含溶质的浓度较低，后结晶的含浓 度较高，并富集较多的杂质。
-
区域偏析
-
层状偏析
由于结晶过程放出结晶潜热和熔滴过渡时热能输 入周期性变化，致使凝固界面的液体金属成分也会发 生周期性的变化。
层状偏析使焊缝力学性能不均匀；抗腐蚀性能下 降；断裂韧性下降等。
θ =0°时，EK′=0，现成表面；
θ =180°，EK′=EK，只能自发形核；
θ =0～180°时， EK′=（0～1）EK
研究表明：θ 角的大小决定于新相晶核与现成表面 之间的表面张力。新核与液相中原有现成表面固体粒 子的晶格结构越相似（点阵类型与晶格常数相似）， 之间的表面张力越小， θ 角越小。
3.1 熔池凝固和焊缝固态相变
熔焊时，在高温热源的作用下，母材将发生局 部熔化，并与熔化了的焊丝金属搅拌混合而形成焊 接熔池（weld pool）。同时，进行了短暂而复杂 的冶金反应。焊接热源离开，熔池金属便开始凝固。
凝固过程对焊缝 金属的组织、性能具 有重要影响。
3.1.1 熔池凝固
熔池凝固条件和特点
-
焊接工艺参数对结晶形态也有影响
v↑，熔池中心的温度梯度下降，中心的成分过冷加大， 焊缝中心出现等轴晶；低速焊接，在熔合区附近出现 胞状树枝，在中心出现较细的胞状树枝。
① 焊接速度的影响
② 焊接电流的影响
焊接电流较小时，胞状组织；焊接电流增加，胞状 树枝；电流继续增加，出现更大的胞状树枝。
焊缝金属的化学成分不均匀性
结晶的一般规律：晶核形成和晶核长大。 熔池体积小，冷却速度大 熔池冷却速度 4～100℃/s；钢锭冷却速度（3～150）×10-4℃。 易形成淬硬组织；焊缝中柱状组织得到很大发展。 熔池中的液态金属处于过热状态
熔池平均温度可达1770±100℃，熔滴约为2300±200 ℃；
钢锭温度≤1550 ℃。 合金元素烧损严重，非自发形核大为减少。
熔池结晶的形态
纯金属的结晶形态
金属结晶形态受过冷度的影响。纯金属凝固点是恒定的， 过冷度的大小决定于实际温度分布。
-
正温度分布
-
负温度分布
固溶体合金的结晶形态
合金的结晶温度与成分有关，先结晶与后结晶的成分也 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，除实际温度造成的过冷（温度过冷）外， 还存在由于固液界面处成分起伏造成的过冷（成分过 冷）。
熔池在结晶过程中晶粒成长的方向与晶粒主轴成 长的线速度及焊接速度等有密切关系。
ds dxcos
ds dx cos dt dt vc v cos
晶粒成长的平均线速度，在一定焊接速度下，主要决 定于cosθ ， cosθ 决定于焊接规范和被焊金属的 热物理性质。
qv cos 1 A aTM
2 Ky K z2 2 2 1 K K y z 1 2
q cos 1 A hT M
2
2 Ky 2 1 K
晶粒成长的平均速度是变化的 Y=OB，Ky=1，cosθ =0，θ =90°，vc=0；
熔合区的化学不均匀性
- 熔合区的形成
- 熔合区的宽度
熔合区的大小决定于材料的液—固温度范围、被焊 材料的物理性质和组织状态。
TL TS A T Y
对于碳钢、低合金钢温度梯度约为300～80℃/mm，液固 温差约为40℃，A=0.133～0.50(mm)；
对于奥式体钢 A=0.06～0.12mm
-
熔合区的成分分布
熔合区性能下降 的主要原因：存在严重 的化学不均匀性。
熔合区固液界面附 近元素的浓度分布决定 于元素在固、液相中的 扩散系数和分配系数。
有的晶体由于取向 不利于成长，与散热最 快方向不一致，晶粒成 长就停止下来。这就是 焊缝柱状晶选择长大的 结果。
熔池结晶线速度
实践证明，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 形成影响更大。 焊接熔池的外形是椭球壮的曲面，该曲面就是结
晶的等温面，熔池的散热方向是垂直于结晶等温面。 因此，晶粒的成长方向也 垂直于结晶等温面。