第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节 熔池凝固 焊缝金属的一次结晶组织 焊缝固态相变 焊缝中的气孔和夹杂
2
• 熔焊时，在高温热源的作用下，母材将发 生局部熔化，并与熔化了焊丝金属搅拌混 合而形成焊接熔池（Weld Pool）。 • 与此同时，进行了短暂而复杂的冶金反应 。 • 当焊接热源离开以后，熔池金属便开始凝 固（结晶），如图3-1。 熔池凝固过程的研究目的： • 熔池凝固过程对焊缝金属的组织、性能具有重要影响。 • 焊接工程中，由于熔池 中的冶金条件和冷却条件不同，可得到性能 差异很大的组织。 • 同时有许多缺陷是在熔池凝固的过程中产生的，如气孔、夹杂、偏析 和结晶裂纹等。 • 另一方面，焊接过程是处于非平衡的热力学条件，因此熔池金属在凝 固过程中会产生许多晶体缺陷，如点缺陷（空位和间隙原子）、线缺 陷（位错）和面缺陷（界面）。这些缺陷的发展严重影响焊缝的金属 的性能。
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第一节 熔池凝固
一、熔池的凝固条件和特点 • 结晶过程：晶核生成、晶核长大 1.熔池的体积小、冷却速度大 – 含碳高、合金元素较多的钢种，容易产生淬硬组织，甚至焊道 上产生裂纹 – 熔池中心和边缘有较大的温度梯度，致使焊缝中柱状晶得到很 大发展，一般情况下没有等轴晶，只有在焊缝断面的上部有少 量的等轴晶（电渣焊除外）。 2.熔池中的液态金属处于过热状态 – 合金元素的烧损比较严重，使熔池中非自发形核的质点大为减 少（柱状晶的形成原因之一）。 3.熔池是在运动状态下结晶（如图3-2） – 熔池以等速随热源移动，熔化和凝固同时进行。气体吹力，焊 条摆动、内部气体逸出等产生搅拌作用，利于排除气体和夹杂 ，有利于得到致密而性能好的焊缝。
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1.晶粒主轴生长的线速度(Vc)分析
①晶粒生长的线速度分析图（如图3-8） ②在dt内，当结晶等温面由A→B时，变化的距离为dx，则 dx/dt=V（焊接速度），此时该晶粒生长由A→C，变化距离为 ds，则ds/dt=Vc，当dt→0时，BC垂直于AC，即：
ds dx cos dt dt 即：Vc V cos
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2.熔池中的晶核长大
• 熔池中晶核形成之后，就以这些新生的晶核为核心，不断 向焊缝中心成长。但是，长大的趋势各不相同，有的柱状 晶体严重长大，一直可以成长到焊缝中心，有的晶体却只 成长到半途而停止。 • 晶粒由为数众多的晶胞组成，在一个晶粒内部这些晶胞具 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。此外，散热的方向对晶粒的长大也有很大的影响。
2 1 q 2 ky cos {1 A( ) ( )} 2 2 TM 1 k y
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四、熔池结晶的形态
1.分类
平面晶 柱状晶 胞状晶 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 的不同所致。 2.纯金属的结晶形态（如图3-16）
4
二、熔池结晶的一般规律
1.熔池中晶核的形成 ①自发形核 16 3
Ek 所需能量： 3Fv2 其中：σ——新相-液相的界面张力 ΔFv——单位体积内固液两相自由能之差
2 3 cos 3 cos3 ) ②非自发形核所需能量： E Ek ( 4
' k
θ=0 ° →Ek´=0 →液相中有大量的悬浮质点和现成表面。 θ=180°→Ek´=Ek→全自发形核，不存在非自发晶核的现成表面。 θ= 0°~ 180°时，Ek´/ Ek=0~1，说明在液相中有现成表面存在时，将 会降低形成临界晶核所需的能量。
– 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）
5
二、熔池结晶的一般规律
• θ角的大小决定于新相晶核与现成表面之间的表面张力。如果新核与 液相中的原有表面固体粒子的晶体结构越相似（即点阵类型与晶格常 数相似），则二者之间的表面张力越小， θ角也越小，那么自发非自 发晶核的能量也越小。
• 因此，对于焊接熔池来讲，非自发晶核起了主要作用。
6
③熔池中的现成表面
– 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，非自发晶核 就依附在这个表面上，并以柱状晶的形态向焊缝中心成长，形成 所谓交互结晶（或称联生结晶），如图3-4、3-5所示。 – 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。
– cosθ取决于焊接规范和材料的热物理性质及形状
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③cosθ值的确定 – 厚大件： cos {1 A
2 1 ky k z2 qv ( )} 2 2 2 aTM 1 k y k z
– 薄件： ④对Vc的讨论 – θ=0 时，Vc=V（焊缝中心线） – θ=90时，Vc=0（熔合线，焊缝边界） 即晶粒生长速度是变化的 – V↑→θ↑，生长越垂直于焊缝中心，易形成脆弱的结合 线，产生纵向裂纹 – V↑→Vc↑，所以焊易裂材料时，不能用大的焊速
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• 当晶体的最易长大方向与最大温度梯度方向（最快散热方 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。 • 有的晶体由于取向不利于成长，与散热最快的方向又不一 致，这时晶粒的成长就停止下来。 • 以上称之为焊缝中柱状晶体的选择长大，如图3-6。
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三、熔池结晶的线速度
• 熔池的结Fra Baidu bibliotek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。 • 焊接熔池的外形为椭球状的曲面 ，即结晶的等温面，熔池的散热 方向是垂直于结晶等温面的，因 此，晶粒的成长方向也是垂直于 结晶等温面的。 • 由于结晶等温面是曲面，因此晶 粒成长的主轴必然是弯曲的。 • 如图3-7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。
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主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节 熔池凝固 焊缝金属的一次结晶组织 焊缝固态相变 焊缝中的气孔和夹杂
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• 熔焊时，在高温热源的作用下，母材将发 生局部熔化，并与熔化了焊丝金属搅拌混 合而形成焊接熔池（Weld Pool）。 • 与此同时，进行了短暂而复杂的冶金反应 。 • 当焊接热源离开以后，熔池金属便开始凝 固（结晶），如图3-1。 熔池凝固过程的研究目的： • 熔池凝固过程对焊缝金属的组织、性能具有重要影响。 • 焊接工程中，由于熔池 中的冶金条件和冷却条件不同，可得到性能 差异很大的组织。 • 同时有许多缺陷是在熔池凝固的过程中产生的，如气孔、夹杂、偏析 和结晶裂纹等。 • 另一方面，焊接过程是处于非平衡的热力学条件，因此熔池金属在凝 固过程中会产生许多晶体缺陷，如点缺陷（空位和间隙原子）、线缺 陷（位错）和面缺陷（界面）。这些缺陷的发展严重影响焊缝的金属 的性能。
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第一节 熔池凝固
一、熔池的凝固条件和特点 • 结晶过程：晶核生成、晶核长大 1.熔池的体积小、冷却速度大 – 含碳高、合金元素较多的钢种，容易产生淬硬组织，甚至焊道 上产生裂纹 – 熔池中心和边缘有较大的温度梯度，致使焊缝中柱状晶得到很 大发展，一般情况下没有等轴晶，只有在焊缝断面的上部有少 量的等轴晶（电渣焊除外）。 2.熔池中的液态金属处于过热状态 – 合金元素的烧损比较严重，使熔池中非自发形核的质点大为减 少（柱状晶的形成原因之一）。 3.熔池是在运动状态下结晶（如图3-2） – 熔池以等速随热源移动，熔化和凝固同时进行。气体吹力，焊 条摆动、内部气体逸出等产生搅拌作用，利于排除气体和夹杂 ，有利于得到致密而性能好的焊缝。
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1.晶粒主轴生长的线速度(Vc)分析
①晶粒生长的线速度分析图（如图3-8） ②在dt内，当结晶等温面由A→B时，变化的距离为dx，则 dx/dt=V（焊接速度），此时该晶粒生长由A→C，变化距离为 ds，则ds/dt=Vc，当dt→0时，BC垂直于AC，即：
ds dx cos dt dt 即：Vc V cos
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2.熔池中的晶核长大
• 熔池中晶核形成之后，就以这些新生的晶核为核心，不断 向焊缝中心成长。但是，长大的趋势各不相同，有的柱状 晶体严重长大，一直可以成长到焊缝中心，有的晶体却只 成长到半途而停止。 • 晶粒由为数众多的晶胞组成，在一个晶粒内部这些晶胞具 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。此外，散热的方向对晶粒的长大也有很大的影响。
2 1 q 2 ky cos {1 A( ) ( )} 2 2 TM 1 k y
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四、熔池结晶的形态
1.分类
平面晶 柱状晶 胞状晶 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 的不同所致。 2.纯金属的结晶形态（如图3-16）
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二、熔池结晶的一般规律
1.熔池中晶核的形成 ①自发形核 16 3
Ek 所需能量： 3Fv2 其中：σ——新相-液相的界面张力 ΔFv——单位体积内固液两相自由能之差
2 3 cos 3 cos3 ) ②非自发形核所需能量： E Ek ( 4
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θ=0 ° →Ek´=0 →液相中有大量的悬浮质点和现成表面。 θ=180°→Ek´=Ek→全自发形核，不存在非自发晶核的现成表面。 θ= 0°~ 180°时，Ek´/ Ek=0~1，说明在液相中有现成表面存在时，将 会降低形成临界晶核所需的能量。
– 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）
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二、熔池结晶的一般规律
• θ角的大小决定于新相晶核与现成表面之间的表面张力。如果新核与 液相中的原有表面固体粒子的晶体结构越相似（即点阵类型与晶格常 数相似），则二者之间的表面张力越小， θ角也越小，那么自发非自 发晶核的能量也越小。
• 因此，对于焊接熔池来讲，非自发晶核起了主要作用。
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③熔池中的现成表面
– 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，非自发晶核 就依附在这个表面上，并以柱状晶的形态向焊缝中心成长，形成 所谓交互结晶（或称联生结晶），如图3-4、3-5所示。 – 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。
– cosθ取决于焊接规范和材料的热物理性质及形状
11
③cosθ值的确定 – 厚大件： cos {1 A
2 1 ky k z2 qv ( )} 2 2 2 aTM 1 k y k z
– 薄件： ④对Vc的讨论 – θ=0 时，Vc=V（焊缝中心线） – θ=90时，Vc=0（熔合线，焊缝边界） 即晶粒生长速度是变化的 – V↑→θ↑，生长越垂直于焊缝中心，易形成脆弱的结合 线，产生纵向裂纹 – V↑→Vc↑，所以焊易裂材料时，不能用大的焊速
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• 当晶体的最易长大方向与最大温度梯度方向（最快散热方 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。 • 有的晶体由于取向不利于成长，与散热最快的方向又不一 致，这时晶粒的成长就停止下来。 • 以上称之为焊缝中柱状晶体的选择长大，如图3-6。
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三、熔池结晶的线速度
• 熔池的结Fra Baidu bibliotek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。 • 焊接熔池的外形为椭球状的曲面 ，即结晶的等温面，熔池的散热 方向是垂直于结晶等温面的，因 此，晶粒的成长方向也是垂直于 结晶等温面的。 • 由于结晶等温面是曲面，因此晶 粒成长的主轴必然是弯曲的。 • 如图3-7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。