焊缝结晶过程

*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。
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
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。
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
平 面 晶 晶胞 柱状晶 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 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）
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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。
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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。
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
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。
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.
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
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）。
**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
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
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
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
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提高冷却速度
工艺措施
改 善 措 施 冶金措施
采用多ห้องสมุดไป่ตู้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。
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