焊缝结晶过程
金属熔焊原理 第二章 焊缝的组织和性能
一、熔池的形状和尺寸
熔池的形状类似于不标准的半椭球，其轮廓为温度等于母材熔 点的等温面。
熔池的宽度和深度沿X轴连续变化。电流增加熔池的最大宽度（Bmax）略增， 最大深度（Hmax）增大；随电弧电压的增加， Bmax增大， Hmax减小。
接触过渡
自由过
渣壁过
图2-4 熔滴的重力和熔滴的表面张力示意图 图 2-5 通有同方向电流的两根导 线的相互作用力 F1 -熔滴的重力 F2-熔滴的表面张力
图2-6 磁力线在熔滴上的压缩作用 p —电磁压缩力
图2-7 斑点压力阻碍熔滴过渡 的示意图
2-8焊条药皮形成的套筒示意图
焊接熔池的形成
第二章
焊缝的组织和性能
第一节 焊条、焊丝及母材的熔化
第二节 焊缝金属的一次结晶
第三节 焊缝金属的二次结晶 第四节 焊缝组织和性能的改善
第一节 焊条、焊丝及母材的熔化
焊条金属的加热
1) 电阻热：焊接电流通过焊芯时产生的电阻 热。 2) 电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量。 3) 化学反应热：药皮部分化学物质化学反应 时产生的热量。
3、液态金属与母材交界处，运动受限制， 化学成分不均匀。
焊缝金属的熔合比
熔合比：熔焊时，局部熔化的母材在焊 缝金属中所占的百分比。
A——熔化的母材 B——填充金属
图2-11 不同接头形式焊缝横截面积的熔透情况
图2-12 接头形式与焊道层数对熔合比的影响 I－表面堆焊 II－V形坡口对接 III－U形坡口对接 （奥氏体钢、焊条电弧焊）
比表面积（S）：熔滴表面积（A）与其质量（ρV） 之比，即S=A/ρV 。 设熔滴是半径为R的球体，则S=3/ρR。 熔滴越细其熔滴比表面积越大，凡是能使熔滴变细 的因素，都能加强冶金反应。
焊缝结晶过程
小结
根据热影响区的大小，可以间接判断焊接 质量。一般来说，热影响区窄的钢，焊接 接头中的内应力越大，越容易出现裂纹。 热影响区越宽，接头力学性能越不利，变 形也大。
因此，工艺上应保证不产生裂纹的前提下， 尽可能减小热影响区的宽度。
课题二 ：2—2
高级焊工工艺
焊缝结晶过程
焊缝金属从高温的液态冷却到常 温固态，经历过两次结晶过程。
第一次：
是从液相转变为固相的结晶过程；
第二次：
是在固相中出现同素异构转变的过程。
1· 一次结晶 由液态转变为固态的凝固 过程，也是晶体形成的过程。 它遵循金属结晶的一般规律。
即：生核和长大两个阶段。
焊接热影响区的组织和性能
（以低碳钢，Q235,Q345,16Mn为例）
熔合区： 熔合区是指在焊接接头中焊缝向热影响区 过渡的区域。
熔合 区附近又称半熔化区，是固相线和液 相线之间的区域。在此区域，金属组织 是处于过热状态的组织，其塑性差。是 产生焊接裂纹或局部脆性破坏的发源地。
《2》过热区
过热区所处的温度范围是在固相线以下 到1100℃左右的区间内。其特点是：奥 氏体晶粒严重长大，冷却以后呈现晶粒 粗大的过热组织。气焊或埋弧焊时易造 成魏氏体组织。
最先结晶中心轴的金属最纯， 后结晶的部分金属含有合金元素和杂质较高， 最后结晶的部分晶粒外缘和前端含合金与杂
质最高。
在一个柱状晶粒内部合金元素分布不均的现象 叫晶内偏析。
影响显微偏析的因素是化学成分分布不均， 而这个不均匀又与金属结晶的时间，结晶的 温度，结晶的区域不同有关。
其结果是：
1、结晶区间越大，越易产生偏析 2、对低碳钢影响较小 3、而高碳钢，合金钢结晶区间大，产生的偏析就严重。
焊缝金属的结晶
焊缝金属的结晶所有金属和合金在固态时一般都是晶体。
固态物质按其原子(或分子)的聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。
在晶体中，其原子(或分子)按一定几何规律作有规则的排列，而非晶体不具备这一特点。
通常把液态金属或合金冷却至熔点以下时转变为固态晶体的凝固过程称为结晶。
一般的金属和合金都是多晶体，金属表面经过磨光、抛光，并用硝酸酒精溶液腐蚀，然后在金相显微镜下观察，就可以发现它是由许多外形不规则的小晶体构成的，这些小晶体称为晶粒。
晶粒的大小、形状、分布直接影响着金属和合金的机械性能和其它的性能。
气焊时，在高温火焰的作用下母材局部熔化，并与熔化的焊丝金属混合而形成熔池，随着热源的推移，温度的降低，熔池金属开始凝固而形成焊缝。
由焊接熔池形成焊缝的结晶过程可以具体分为焊接熔池的一次结晶过程和焊缝金属的二次结晶过程。
一、焊接熔池的一次结晶过程焊接熔池从液态向固态的转变过程，称为焊接熔池的一次结晶。
焊接熔池的结晶是由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成的。
由于整个熔池温度分布是不均匀的，在熔池前端的中心处温度最高，而在熔池的边缘处因散热条件好，温度最低，并有母材局部熔化的晶粒，构成了熔池的液体金属结晶的晶核，所以焊接熔池的一次结晶是从熔池边界处的熔合线处开始的。
母材与熔池金属之间发生的这种“晶内交互结晶”的过程称为联生结晶，是熔化焊缝金属凝固的重要特征。
晶粒长大通常情况下是沿着与散热方向相反的方向以柱状形态向焊接熔池中心生长的，即由熔池边缘指向熔池中心温度最高处，直至这种柱状晶粒长大、相互接触，液体金属全部凝固时，结晶过程才结束。
但在气焊时，因加热时间长，热影响区宽，冷却速度慢，散热方向不明显，则往往会形成等轴晶粒。
二、焊缝的偏析与夹杂在焊接熔池的一次结晶过程中，由于冷却速度很快，焊缝金属中的合金元素来不及扩散一致，因此焊缝中化学成分的分布是不均匀的，这种现象称为偏析。
此外，一些金属夹杂物，来不及浮出而残存在焊缝的内部，称为夹杂。
焊缝结晶过程分析及对策
杂质 Ｏ、 Ｓ 、 Ｐ的存 在 ， 与基 体金 属 Ｆ ｅ形 成 低 熔点 共 晶 体， 在 熔池 金属 由固态变 成液 态 的过程 中， 低 熔点 金属 结 晶缓 慢 ， 低熔 点共 晶体 存 在 于 固态 的 Ｆ ｅ — Ｃ合 金 中 ， 由于金 属 的热胀 冷 缩 作用 ， 焊缝 从 低 熔 点 共 晶体 区域
第 ５期 （ 总第 ２ ０ ４期 ）
２ ０ １ ７年 １ Ｏ月
机 械 工 程 与 自 动 化 ＭＥ ＣＨＡＮＩ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥ ＲＩ ＮＧ ＆ ＡＵ Ｔ０Ｍ ＡＴ１ ０Ｎ
Ｎｏ ．５
０ｃ ｔ ．
文章编 号 ： １ ６ ７ ２ — ６ ４ １ ３ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ５ — ０ ２ ０ ５ — ０ １
２ 焊缝 一 次结 晶产 生 的焊接 缺 陷分 析及 解决 措施 ２ ． １ 焊 接 过程 中合 金 元素 的偏 析 在柱 状 晶形 成过 程 中 ， 由于 基体金 属 、 合金 和 杂质 元 素 间 的排 异反应 还 有 不 同元 素 的熔 点 不 同 ， 以及 电 弧 吹力 对 熔 池 的气浪 层作 用 ， 造成 了显 微偏 析 、 区域 偏 析和层 状 偏 析等 。 解决措 施 ： ① 在焊接过程 中， 采 取 小 电 流 短 弧 焊 接， 既 可减 少 空气 中氮 、 氧 的侵 人 ， 又可 以缩 短 熔 滴 过 渡 的路 程 ， 可有 效 降低 合金 元 素偏 析 ； ②采取 多层 多 道 焊， 后 一层 （ 道） 对 前 一层 （ 道） 起 到 重 新 加 热 和 热 处 理 的作用 ， 也 可 以减少 偏 析 。
１ 焊 缝 的 一 次 结 晶
焊缝金属的结晶
焊缝金属的结晶所有金属和合金在固态时一般都是晶体。
固态物质按其原子(或分子)的聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。
在晶体中，其原子(或分子)按一定几何规律作有规则的排列，而非晶体不具备这一特点。
通常把液态金属或合金冷却至熔点以下时转变为固态晶体的凝固过程称为结晶。
一般的金属和合金都是多晶体，金属表面经过磨光、抛光，并用硝酸酒精溶液腐蚀，然后在金相显微镜下观察，就可以发现它是由许多外形不规则的小晶体构成的，这些小晶体称为晶粒。
晶粒的大小、形状、分布直接影响着金属和合金的机械性能和其它的性能。
气焊时，在高温火焰的作用下母材局部熔化，并与熔化的焊丝金属混合而形成熔池，随着热源的推移，温度的降低，熔池金属开始凝固而形成焊缝。
由焊接熔池形成焊缝的结晶过程可以具体分为焊接熔池的一次结晶过程和焊缝金属的二次结晶过程。
一、焊接熔池的一次结晶过程焊接熔池从液态向固态的转变过程，称为焊接熔池的一次结晶。
焊接熔池的结晶是由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成的。
由于整个熔池温度分布是不均匀的，在熔池前端的中心处温度最高，而在熔池的边缘处因散热条件好，温度最低，并有母材局部熔化的晶粒，构成了熔池的液体金属结晶的晶核，所以焊接熔池的一次结晶是从熔池边界处的熔合线处开始的。
母材与熔池金属之间发生的这种“晶内交互结晶”的过程称为联生结晶，是熔化焊缝金属凝固的重要特征。
晶粒长大通常情况下是沿着与散热方向相反的方向以柱状形态向焊接熔池中心生长的，即由熔池边缘指向熔池中心温度最高处，直至这种柱状晶粒长大、相互接触，液体金属全部凝固时，结晶过程才结束。
但在气焊时，因加热时间长，热影响区宽，冷却速度慢，散热方向不明显，则往往会形成等轴晶粒。
二、焊缝的偏析与夹杂在焊接熔池的一次结晶过程中，由于冷却速度很快，焊缝金属中的合金元素来不及扩散一致，因此焊缝中化学成分的分布是不均匀的，这种现象称为偏析。
此外，一些金属夹杂物，来不及浮出而残存在焊缝的内部，称为夹杂。
焊缝表面硅结晶的原因
焊缝表面硅结晶的原因
焊缝表面硅结晶的原因可以有多种。
下面是一些常见的原因：
1. 焊接过程中的脱碳：在高温焊接过程中，钢材中的碳元素会溶解在铁中形成较高浓度的碳，当焊缝冷却时，溶解在铁中的碳元素会形成高浓度的共晶化合物——铁碳化合物，因为这些碳化合物有较高的熔点，所以会沉淀在焊缝表面，形成硬而脆的硅晶。
2. 钢材的化学成分不合适：焊接过程中，如果使用的钢材中含有较高的硅元素，那么焊接过程中的液态相中的一部分硅元素就会沉淀在焊缝表面，形成硬而脆的硅晶。
3. 焊接过程中的快速冷却：焊接过程中，焊接区域受到高温热源的加热，但是在焊接瞬间形成的液态相很快冷却，使得硅等元素在短时间内无法完全溶解在焊接金属中，从而形成硬而脆的硅晶。
4. 锻炼和冷却过程中的应力引起的相变：焊接完成后，焊接金属中的残余应力可能会引起晶体结构的相变，进而导致硅等元素的排列方式发生变化，形成硬而脆的硅晶。
总的来说，焊缝表面硅结晶的原因主要是焊接过程中液态相在快速冷却过程中，硅等元素的沉淀和晶体结构的相变引起的。
这些硅晶的存在可能会降低焊缝的韧性和可靠性，需要采取一些措施来减少其产生。
焊缝结晶过程
二、焊缝结晶过程中的偏析
3.偏析的分类 1）显微偏析 2）区域偏析 3）层状偏析 熔池在一次结晶的过程中，要不断地放出结晶潜 热，当结晶潜热达到一定数值时，熔池的结晶就出现 暂时的停顿。以后随着熔池的散热，结晶又重新开始， 形成周期性的结晶，伴随着出现结晶前沿液体金属中 杂质浓度的周期变动，产生周期性的偏析称为层状偏 析。 层状偏析集中了一些有害元素，因此缺陷往往出 现在层状偏析中。由层状偏析所造成的气孔（ 如下图）。
2.基本过程 1）生核 2）长大
二、焊缝结晶过程中的偏析
1.偏析的定义
焊缝金属中化学成分分布不均匀的现 象称为偏析
二、焊缝结晶过程中的偏析
2.偏析的产生 主要产生在一次结晶时
二、焊缝结晶过程中的偏析
3.偏析的影响
1）偏析的化学成分分布不均导致性能改变
2）产生裂纹、气孔、夹杂物等焊接缺陷
二、焊缝结晶过程中的偏析
3.偏析的分类
1）显微偏析 熔池一次结晶时，最先结晶的结晶中心金属最 纯，后结晶部分含其它合金元素和杂质略高，最后 结晶部分，即结晶的外端和前缘所含其它合金元素 和杂质最高。在一个柱状晶粒内部和晶粒之间的化 学成分分布不均匀现象称为显微偏析。
二、焊缝结晶过程中的偏析
3.偏析的分类 1）显微偏析 2）区域偏析 熔池一次结晶时，由于柱状晶体的不断长大和 推移，会把杂质“赶”向熔池中心，使熔池中心的 杂质含量比其它部位多，这种现象称为区域偏析。 焊缝的断面形状对区域偏析的分布影响很大。 窄而深的焊缝，各柱状晶的交界在其焊缝的中心， 因此焊缝中心聚集有较多的杂质，见图1a。这种焊 缝在其中心部位极易产生热裂纹。宽而浅的焊缝， 杂质则聚集在焊缝的上部，见图1b，这种焊缝具有 较高的抗热裂能力
焊工高级技师答辨题
焊工高级技师答辨题1、焊接装配图所包括的内容有哪些？2、焊接焊缝结晶过程对焊缝质量有什么影响？3、气割是可燃气体燃烧工作的结果吗？4、电弧电压对焊接过程会产生什么影响？5、焊接结晶对焊缝质量的影响有哪些?焊缝金属的一次结晶焊缝金属由液体转变为固态的过程成为焊缝金属的一次结晶，它与一般金属的结晶一样，包含着生核和晶核长大的过程。
随着电弧的移去，熔池金属逐渐降低到凝固温度时，形式最原始的微小晶体——晶核。
在熔池中，最先出现晶核的部位是在熔合线上，因为熔合线处的散热快，是熔池中温度最低的地方，也是最先达到凝固温度的部位。
随着熔池温度的不断降低，晶核开始向与散热方向相反的一方长大。
由于熔池的散热方向垂直于熔合线的方向指向金属内部，所以晶体只能向熔池中心生长，从而形成柱状晶。
当柱状晶体不断长大至互相接触时，则焊缝的这一断面的结晶过程即结束。
在某些情况下，一次结晶过程不仅在熔合线上开始发生，有时在液态金属内部也会形成晶核，产生等轴晶粒。
二、焊缝金属的二次结晶一次结晶结束，熔池就转变为固体的焊缝。
高温的焊缝金属冷却到室温时，要经过一系列的相变过程，这种相变过程就称为焊缝金属的二次结晶。
以低碳钢为例，一次结晶的晶柱都是奥氏体组织, 当冷却到AC3才发生γ -Fe →α -Fe 的转变，当温度再降至A cl时, 余下的奥氏体分解为珠光体，所以低碳钢焊缝在常温下的组织，即二次结晶后的组织为铁素体加珠光体。
在低碳钢的平衡组织中( 即非常缓慢地冷却下来所得到的组织) 珠光体含量很少, 但由于焊缝的冷却速度较大，所得珠光体含量一般较平衡组织中的含量大。
有关冷却速度对低碳钢的焊缝组织及性能的影响见表，从表中可以看出冷却速度越大，珠光体含量越高，而铁素体越小, 材料硬度和强度均有所提高，而塑性和韧性则有所降低。
6、什么是消氢处理？消氢处理(也称后热处理)：焊接后立即对焊件的全部(或局部)进行加热或保温，使其缓冷的工艺措施。
消氢处理的温度一般为300～350℃，保温2～6h后空冷。
第3章 焊缝及热影响区
焊接热影响区划分方法示意图
碳锰钢热影响区的脆化分布
a). 结晶速度较小 b). 结晶速度较大
a). Θ<90° b). Θ>90°
(3) 气孔的影响因素
CaF2和SiO2对焊缝生成气孔的影响
氧化物形成OH反应自由能与温度的关系
(4) 夹杂
硅酸盐夹杂引起的裂纹
焊缝中的氮化物
4. 焊接条件下的金属组织转变
焊接和热处理时的热过程示意图
TM—金属熔点 Tm—加热的最高温度
5. 焊接热影响区的组织和性能
焊接热影响区的分布特征
1—熔合区 2—过热区 3—正火区 4—不完全重结晶区
5—母材 6—完全淬火区 7—不完全淬火区 8—回火区
低碳钢焊接热影响区各区段的划分与相图的关系
a）热影响区各区段的划分及组织分布 b）Fe-Fe3C相图 c）焊接热循环
Tm—加热的最高温度 TG—晶粒显著长大的温度
t’+t‘’—加热时间 t‘m—热处理加热时间 tB—热处理保温时间
45钢连续冷却转变图
F—铁素体 P—珠光体 Z—中间组织（贝氏体） A—奥氏体 M—马氏体
实线—焊接（Tm=1350℃，t’=4.5s） 虚线—热处理（Tm=1050℃，tB=3min）
45钢连续冷却转变图
实线—焊接（Tm=1350℃，t’=4.5s） 虚线—热处理（Tm=840℃，tB=8min）
材料连接原理
第3章 焊缝及热影响区
主要内容
▲ 熔池凝固与结晶
▲ 焊缝固态相变 ▲ 焊缝中的气孔和夹杂 ▲ 焊接条件下的金属组织转变 ▲ 焊接热影响区的组织和性能
1. 熔池凝固与结晶
(1) 熔池凝固的特点
熔池在运动状态下的结晶
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：
焊缝结晶过程概要课件
新工艺的探索与研究
激光焊接技术
激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、热影响区小等优点，未来 将进一步研究激光焊接的物理机制和工艺参数优化。
搅拌摩擦 焊
搅拌摩擦焊是一种新型的固态连接技术，具有焊接变形小、接头性 能好等优点，未来将进一步探索其在不同材料和结构中的应用。
电子束焊接
电子束焊接具有高能量密度、深穿透力和高精度等优点，未来将进一 步研究其在精密焊接和特殊材料焊接中的应用。
焊缝结晶过 焊缝结晶的阶段 • 焊缝结晶的影响因素 • 焊缝结晶的控制方法 • 焊缝结晶的应用 • 焊缝结晶的未来发展
01 焊缝结晶过程简介
焊缝结晶的定义
01
焊缝结晶是指焊接过程中，焊缝 金属由液态冷却凝固转变为固态 晶体的过程。
02
在这个过程中，液态金属通过原 子或分子的重新排列，形成具有 一定晶体结构的固态金属。
多晶结构
如果焊缝中有多个晶核，则焊缝结晶 呈多晶结构。
03 焊缝结晶的影响因素
焊接速度
焊接速度对焊缝结晶过程具有显著影响。焊接速度过快会导 致焊缝冷却速度过快，不利于晶粒的长大，从而影响焊缝的 机械性能。而焊接速度过慢则会导致热输入过大，容易产生 焊接缺陷，如热裂纹和气孔等。
适当降低焊接速度可以增加焊缝的冷却时间，有利于获得更 加均匀和致密的焊缝组织。在焊接过程中，应根据所需的焊 缝质量和材料特性选择合适的焊接速度。
焊缝结晶的重要性
焊缝结晶的结构和形态决定了焊缝的 性能，如强度、韧性、耐腐蚀性等。
焊缝结晶的过程控制对于获得高质量 的焊接接头至关重要，直接影响到焊 接结构的可靠性和安全性。
焊缝结晶的原理
焊缝结晶的过程遵循金属结晶的基本原理，包括晶核的形成与长大、液固相变温 度的控制等。
焊接结晶过程
•
• （2）区域偏析 • 熔池结晶时，由于柱状晶体的不断长大和推移，把杂
焊 接 结 晶 过 程
BX1-300
学习目标
• 知识目标： • 1.理解焊缝结晶的两次过程，偏析现象； • 2.熟悉热影响区各部分的特点。
• 能力目标： • 理论联系实践，把理论应用到生产实习中
• 焊缝金属从高温的液态冷却到常温的固态
，中间经过两次结晶过程。第一次是从液
态变为固相的结晶过程；第二次是在固相
焊缝结晶过程是无数个柱状晶粒同时生长的过 程，每个晶粒均有自己的枝晶轴，均以自己的晶 轴为中心向四周和前方发展，相邻晶粒之间的液 体，结晶最迟，含有较多合金元素和杂质，称为 晶间偏析。
•
影响显微偏析的主要因素是金属的化学成分。 金属的化学成分不同，金属开始结晶和结晶终了 的区间也就不相同，结晶区间越大，就越容易产 生显微偏析。
20×
c 焊缝组织 500×
d 熔合区组织 500×
c图为焊缝组织，先共析铁素体分布于柱状晶界上，少量无碳贝氏体 a为焊接接头的低倍组织，可见焊缝组织极细，焊缝周围黑色环为母 材热影响区； 从晶界伸向晶内，晶内为针状铁素体与珠光体，个别部位有粒状贝氏 图5-33 16Mn钢手弧焊角焊缝热影响区各区段的组织 体； b图为接头组织，左边柱状晶为焊缝全属，中间黑色区为母材热影响 （E5017焊条） d图为熔合区组织，左侧为焊缝，右侧为母材过热区； 区，右边为原始母材；
焊接金属的微观结晶形态
焊接金属的微观结晶形态（一）．纯金属的结晶形态纯金属指不含杂质的理想情况，此时金属是在一个确定的温度下结晶的，结晶时，固相和液相成分相同。
① G>0时 G------温度梯度（正的温度梯度）液相温度低于固相温度，过冷度小，结晶缓慢，形成平面晶。
如图3-16a 、b 。
② G<0液体内部温度比界面低，过冷度大，晶粒成长速度大，形成树枝晶，如图3-16的c 、d（二）．固溶体合金的结晶形态在任意T 下，溶质B 在液态A 是的浓度为C L `，在固态A 中浓度为C S ，分配系数L SC C K 0纯金属结晶，主要是温度过冷。
合金的结晶形态除了温度过冷，还存在成分起伏，造成成分过冷，由于成分过冷度不同形成不同的结晶形态。
浓度过冷：过冷度的产生是由于结晶浓度的分布的变化引起的，称浓度过冷。
浓度过冷取决三方面：①合金成分C 0；②结晶速度R ；③温度梯度结晶时理论结晶温度曲线与实际温度梯度所包围的面积大小衡量过冷度。
面积↑，过冷度↑；面积小，过冷度小。
影响因素：①溶质浓度C0C0↑，过冷度↑，实际结晶曲线越陡，包围面积越大。
②结晶速度RR↑，过冷度↑R↓，过冷度↓③实际的温度梯度G↑，过冷度小，G↓，过冷度大。
（三）、浓度过冷对结晶形态的影响1．平面结晶产生条件，过冷度＝0，无成分过冷。
（温度梯度过大）特征是平面晶。
见图3-18平面结晶形态发生在结晶前沿没有浓度过冷的情况下。
譬如：由于液体中温度分布曲线上升得比结晶温度快，则在任何一点液体实际湿度都高于该点的结晶温度时，就不存在浓度过冷。
纯金属，G>0，结晶界面呈平面型。
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。
胞状结晶发生在具有很小的浓度过冷的条件下，平面晶处于不稳定状态，时而产生实起部分，有于存在着过冷度，凸起就更迅速的向前伸长，但由于浓度过冷很小，达到一凸起程度时，凸起部分迅速析出结晶潜热，提高了附近液体的温度，改变了温度梯度，同时界面溶质浓度发生了变化，使浓度过冷消失，凸起部分不再继续凸起，处于一种稳定的胞状界面状态。
焊缝固态相变
低合金钢焊缝的固态相变组织
低合金钢焊缝固态相变后的组织比低碳钢要复 杂得多，随匹配焊接材料的比例、与母材混合后的 化学成分和冷却条件的不同，可出现不同组织。 注意：低合金钢焊缝中的F、P与低碳钢焊缝中 的F、P组织结构上相同，但形态差别较大，反映出 不同的性能。
铁素体转变
低合金钢焊缝中的铁素体形态比较复杂，对焊缝 的强韧性具有重要影响。
先共析铁素体（PF）
冷却到较高温度770～680℃，由奥氏体晶界析出 （又称粒界铁素体GBF）。
PF的量与热循环冷却条件有关，高温停留时间长，冷 却较慢， PF就较多；形态一般呈细条状分布在奥氏体 晶界，有时呈块状。
-
侧板条铁素体（FSP）
形成温度700～550℃，它是从奥氏体晶界PF的侧 面以板条状向晶内成长。
3.1.2 焊缝固态相变
低碳钢焊缝的固态相变组织
焊缝含碳量较低，固态相变后的结晶组织主要是 铁素体加少量珠光体。
铁素体一般首先沿原奥氏体边界析出，这样勾勒 出凝固组织的柱状轮廓，其晶粒粗大，甚至一部分铁 素体还具有魏氏组织的形态。
承受多层焊或热处理的焊缝金属将会得到改善作用， 使焊缝获得细小的铁素体和少量珠光体，并使柱状 晶组织遭到破坏。
马氏体转变
- 板条马氏体（Lath Martensite）
低碳低合金钢焊缝中， 在奥氏体晶粒内部 形成细条状马氏体， 马氏体板条内存在 许多位错。
- 片状马氏体（Plate Martensite）
当焊缝含碳较高时就会出 现片状马氏体。马氏体上 的亚结构存在许多细小的 平行带纹—孪晶带。
-
针状铁素体（AF）
形成温度500℃附近，在原始奥氏体晶内以针状 分布，以某些质点为核心放射性成长。
第四节焊缝金属的结晶
第四节 焊缝金属的结晶有关焊接熔池的特点前面已有叙述。
焊接熔池由液态冷却凝固的过程与炼钢结晶过程有着类似之处，但也有很大的区别。
熔池的结晶情况对焊缝金属的力学性能以及焊接所产生的 许多缺陷，如裂纹、气孔、夹杂、偏析等均有重要影响。
根据焊接熔池冷却结晶时组织变化 过程的特点可分为一次结晶和二次结晶（没有相变金属，如纯奥氏体不锈钢除外）。
一、焊缝金属的一次结晶焊缝金属由液态转变为固态的过程称为焊缝金属的一次结晶。
焊接熔池的结晶与一般金 属的结晶一样，包含着生核和晶核长大的过程， 同时它还具有其自身特点。
的晶核有两种方式， 即自发形核和非自发形核。
试验表明，在焊接条件下， 要作用。
非自发形核情形如图 1-12所示。
新核的生成依附于现存基底的物质 其接触角0反应其润湿性。
三者关系可用下式表示： 固相主越剂（町图1-12液相中的非自发生核Y n = 丫 L - 丫 s • L COS ^或 COS =（ 丫 n • L - 丫 n • s ）/ 丫 s • L当结晶物质一定时，固、液相之间的表面自由能 Y s ，L 固定不变，（Y L - 丫 n • s ） o 显然，生核剂即现成基底和晶核的晶体结构越相似， 接近于0，则0值越接近于0,亦即润湿性越好，非自发形核越易形成。
对于焊接熔池，在 凝固结晶开始时，由于母材的材质与熔池中金属相同或相似， 它们的原子排列、晶格常数等 在大多数情况下一致或完全相同。
因此，已加热到熔点的熔池壁晶粒作为基底， 极利于非自 发形核。
非自发形核后，即以柱状晶的形式向熔池中心长大， 形成联生结晶。
但是，各晶体长大的趋势各不相同。
当晶体长大的方向与散热最快方向一致时， 最有利于晶粒的长大， 并有可 能长至熔池中心，形成较大柱状晶。
当长大的取、向不利于成长，又与散热方向不一致时， 只能长到半途而止。
熔池结晶结束便在焊缝与母材之间形成晶内结合的牢固接头。
焊接时， 为改善焊缝金属的性能， 通过焊接材料加入一定的合金元素（如钼、钒等）作为非自发晶核 的质点，使焊缝金属晶粒细化，从而提高焊缝的综合力学性能。
《焊缝结晶过程》课件
焊缝结晶过程的定义
焊缝结晶过程是指焊接中熔化的金属在冷却过程中逐渐固化形成焊接接头的 过程。这一过程是焊接过程中最关键的阶段之一，直接影响焊接接头的性能 和质量。
焊接过程中的热力学原理
焊接过程中的热力学原理包括熔化、凝固和晶体生长等阶段。通过了解这些原理，我们可以控制焊接过程中的 温度和相变行为，从而确保焊接接头的结晶过程稳定且质量优秀。
《焊缝结晶过程》PPT课 件
这份PPT课件将深入探讨焊缝结晶过程。通过研究背景、焊缝结晶过程的定义 以及焊因素和实验方法， 并探讨实验结果及结论。
研究背景和意义
深入了解焊缝结晶过程对于提高焊接质量和提升工业生产效率至关重要。研 究可以帮助我们优化焊接参数，降低缺陷率，并在不同应用领域中推进焊接 技术的进步。
焊缝结晶过程的影响因素
焊缝结晶过程受到多种因素的影响，包括焊接材料、焊接参数、环境条件等。 了解这些影响因素可以帮助我们调整焊接参数，优化结晶过程，提高焊接接 头的强度和耐久性。
焊缝结晶过程的实验方法
在研究中，我们使用多种实验方法来探索焊缝结晶过程，包括金相分析、热 分析和微观观察等。通过这些方法，我们可以了解焊接过程中晶体的分布、 组织特征以及相变行为。
实验结果与讨论
研究的实验结果显示，焊缝结晶过程的质量和性能在不同焊接条件下存在差 异。我们将探讨这些结果，并对其进行进一步讨论，以便更好地理解焊缝结 晶过程的本质。
结论和展望
通过深入研究焊缝结晶过程，我们可以进一步优化焊接工艺，提高焊接接头 的质量和可靠性。未来，我们将继续探索新的实验方法和先进技术，推动焊 接领域的发展和创新。
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氮化物 焊缝中很少出现（时效时可
能出现Fe4N析出）。
小结
1.焊缝金属的一次结晶 2.焊接熔池一次结晶的特点和形态 3.焊缝结晶过程中的偏析 4.焊缝金属的二次结晶 5.焊缝中的夹杂物
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、热传播不均匀、晶粒的传热方向不同
复习旧课
二、选择题 1.焊缝倾角为0°焊缝转角为90°的焊接位置是指 ( )。 A平焊 B横焊 C立焊 B仰焊 2.焊缝倾角为90°,270°的焊接位置是指 ( )位置。 A立焊 B横焊 C立焊 D仰焊 3.焊缝成形系数是 ( ) 的比值用Ψ 表示. A B与H B H与B C H与a 4.( )符号是表示焊缝表面形状的符号 A基本 B辅助 C补充
四、焊缝金属的二次结晶 1.定义：
一次结晶结束后,熔池就转变为固体的焊缝。高 温的焊缝金属冷却到室温时,要经过一系列的组织相 变过程,这种相变过程称为焊缝金属的二次结晶。 焊缝金属的固态相变过程即为焊缝金属的二 次结晶。
2.低碳钢焊缝二次结晶组织性能
低 碳 钢
二次组织
魏 氏 组 织
F+P W
控制冷却速度 采用多层焊 焊后热处理
**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。
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
3、熔合区的成分分布 成分严重不均匀→性能下降 熔合区固液界面附近元素（溶质）的浓度分布 决定于该元素在固、液相中的扩散系数和分配系数。
2）产生裂纹、气孔、夹杂物等焊接缺陷
4.偏析的分类 1）显微偏析 熔池一次结晶时，最先结晶的结晶中心金属最 纯，后结晶部分含其它合金元素和杂质略高，最后 结晶部分，即结晶的外端和前缘所含其它合金元素 和杂质最高。在一个柱状晶粒内部和晶粒之间的化 学成分分布不均匀现象称为显微偏析。
4.偏析的分类 1）显微偏析 2）区域偏析 熔池一次结晶时，由于柱状晶体的不断长大和 推移，会把杂质“赶”向熔池中心，使熔池中心的 杂质含量比其它部位多，这种现象称为区域偏析。 焊缝的断面形状对区域偏析的分布影响很大。 窄而深的焊缝，各柱状晶的交界在其焊缝的中心， 因此焊缝中心聚集有较多的杂质，见图1a。这种焊 缝在其中心部位极易产生热裂纹。宽而浅的焊缝， 杂质则聚集在焊缝的上部，见图1b，这种焊缝具有 较高的抗热裂能力
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
2、熔合区宽度
材料的液—固温度范围、被焊材料自身的热物 理性质和组织状态：
被焊金属的液相线温度 被焊金属的固相线温度
温度梯度
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
低合金钢熔合区附近的温度梯度约为300～ 80oC/mm，液固相线温度差约40 oC，因此，一般电弧 焊条件下，熔合区宽度为： A=40/（300～80）=0.133～0.50（mm） 奥氏体钢电弧焊：A=0.06～0.12mm
以上现象说明焊缝中柱状晶体的长大是有方向选择的。
1.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。 2.晶粒的成长方向也是垂直 于结晶等温面的。 3.如图所示，晶粒主轴的成 长方向与结晶等温面正交， 并且以弯曲的形状向焊缝 中心成长。
1.分类
模块一 焊接基础知识
包括
课题一
课题二
课题三
课题四
课题二 焊接冶金基础
1 2
焊条、焊丝及母材的熔化 焊接冶金过程 焊缝结晶过程 焊接热影响区的组织和性能 控制和改善焊接接头性能的方法
3
4 5
课题二
三、焊缝结晶过程
焊接冶金基础
焊缝金属从高温的液体状态冷却至常温的固体状态 经历了两次结晶过程： 1.从液相转变为固相的一次结晶. 2.在固相焊缝金属中出现同素异构转变的二次结晶. 熔池结晶过程研究目的： 1.熔池凝固过程对焊缝金属的组织、性能具有重 要影响。 2.防止气孔、夹杂、偏析、结晶裂纹等焊接缺陷. 3.防止晶体缺陷影响接头性能.
15
平面晶，高纯度的金属
胞状晶
胞状树枝结晶
树枝状结晶
液相的内部形成的树枝晶→等轴晶
3.焊缝各部位结晶形态的变化
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。
21
焊缝 树枝状晶
4.实际焊缝凝固金属的组织形态
实际焊缝凝固金属的组织形态不一定具有上述全部结晶形 态，一般来说由柱状晶和少量等轴晶构成。
改善措施
3.合金钢焊缝二次结晶组织性能
F：块、板、针、条
二次组织 低 合 金 钢 改善措施
P B
M 锤击焊缝表面
采用多层焊
焊后热处理
跟踪回火
五、焊缝中的夹杂物
1.夹杂物： 由焊接冶金反应产生的，焊后残留在焊缝 金属中的微观非金属杂 质，称为夹杂物。
硫化物 硫化亚铁和硫化锰 2.夹杂物种类
氧化物 二氧化硅、氧化锰、氧化钛
平 面 晶 柱状晶 晶胞 形 态 树 枝 晶 等 轴 晶 （ 树 枝 晶 ）
结晶形态的不同，是由于金属的纯度和散热条件 2.纯金属的结晶形态 的不同所致。 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）
一、焊缝金属的一次结晶 1.定义:焊缝金属由液态转变为固态的凝固过程称为 焊缝金属的一次结晶。
2.基本过程
1）晶核生成 2）晶核长大
二、焊接熔池一次结晶的特点和形态
1.熔池体 积小、冷 却速度大。
2.熔池中的 金属处于 过热状态。
3.溶池在 运动状态 下结晶。
1.熔池中晶核的形成 ①自发形核 ②非自发形核 ③熔池中的现成表面
高 级 焊 工 工 艺
第四讲
复习旧课
一、填空题 1.超出木材表面连线上的那部分焊缝金属的最大高度叫_ 。 2.熔焊时，焊件接缝所处的空间位置叫_ ，可用_ _ 和_ 来表示。 3.带钝边V型焊缝的符号是 ，角焊缝的符号是 ；表示焊缝 表面平齐的符号是 ；表示环绕工件周围焊缝的符号是_ 。 4.焊缝横截面上的尺寸应标在基本符号的 侧，焊缝长度方向 的尺寸应标在基本符号的_ 侧，坡口角度、坡口面角度、根 部间隙等尺寸均应标在基本符号的 侧，相同焊缝数量符 号应标在 。 5.焊缝符号一般由 、 、 、 和 组成。
*异种钢焊接时，特别注意这一问题。很多焊接 接头的早期失效与此有关。
4.偏析的分类 1）显微偏析 2）区域偏析 3）层状偏析 熔池在一次结晶的过程中，要不断地放出结晶潜 热，当结晶潜热达到一定数值时，熔池的结晶就出现 暂时的停顿。以后随着熔池的散热，结晶又重新开始， 形成周期性的结晶，伴随着出现结晶前沿液体金属中 杂质浓度的周期变动，产生周期性的偏析称为层状偏 析。 层状偏析集中了一些有害元素，因此缺陷往往出 现在层状偏析中。由层状偏析所造成的气孔（如下图）。
现成表面
合金元素或杂质的悬浮质点。（在一般情况下所起作用不大） 熔合区附近加热到半熔化状态的基体金属晶粒表面。 焊接时，为改善焊缝金属的性能，通过焊接材料加入一定量的 合金元素（如钼、钒、钛、铌等），可以作为熔池中非自发形 核的质点，从而使焊缝金属晶粒细化。（变质处理）
2.熔池中的晶核长大
1）以新生的晶核为核心，不断向焊缝中心成长。但长大的趋势 各不相同，有的一直长到焊缝中心，有的长到半途而停止。 2）在一个晶粒内部晶胞具有相同的方位，称为“位向”。不同 的晶粒具有不同的位向，称为各向异性。因此，在某一个方 向上的晶粒就最易长大。 3）当晶体的最易长大方向与最快散热的反方向相一致时，可优 先成长，可一直长至熔池的中心，形成粗大的柱状晶体。 4）有的晶体取向不利于生长，则晶粒的成长就停止下来。
柱状晶内：平面晶、胞状晶、树枝状晶
等轴晶内：树枝晶
例1：焊条电弧焊接凝固组织 Q235、14MnMoNbB钢
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例2：埋弧焊接凝固组织
Q235A钢
25
提高冷却速度
工艺措施
改 善 措 施 冶金措施
采用多层焊
振动结晶
加入变质剂加入能够细化 晶粒的元素三、焊缝结晶过程中的偏析
1.偏析的定义 焊缝金属中化学成分分布不均匀的现象称为偏析 2.偏析的产生时间 主要产生在一次结晶时 3.偏析的影响 1）偏析的化学成分分布不均导致性能改变。