焊接熔池结晶的一般规律
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。
焊接知识题库-焊接应知应会
焊接知识试题库-焊接应知应会类简况：本题库共计430道题：填空题200题；选择题105题；判断题100题；简答25题。
生产事业部制造技术部2017年12月一、填空题（200道）1.按照常见的焊接分类方法，焊接可分为熔化焊、压力焊、钎焊三类。
（易）2.焊接接头包括焊缝区、熔合区、热影响区三部分。
（易）3.焊接残余变形的矫正法有机械矫正法和_火焰_加热矫正法两大类。
（易）4.焊件组对时根部间隙过大容易烧穿。
（易）5.焊条与焊件表面倾角过大、药皮与铁水混淆不清或铁水下淌易造成夹渣、焊瘤等缺陷。
（易）6.焊缝余高太高，易在焊趾处产生应力集中，所以余高不能太高，但也不能低于母材金属。
（易）7.错边部位将引起应力集中，并使有效板厚减薄，从而降低结构强度或承载能力。
（易）8.埋弧焊时，如果焊丝未对准焊道根部，焊缝容易产生未焊透。
（易）9.氮对焊缝质量的影响，形成气孔、促使焊缝金属时效硬化、降低焊缝金属塑性、韧性。
（易）10.焊接结构中的裂纹是产生脆性断裂的最直接的重要原因。
（易）11.焊缝中的偏析、夹渣、气孔等是在焊接熔池一次结晶过程中产生的。
（中）12.焊前对施焊部位进行除污、除锈等是为了防止产生夹渣、气孔等焊接缺陷。
（易）13.焊瘤的产生原因是焊接电流大；操作不当。
（易）14.熔池中的低熔点共晶是形成热裂纹的主要原因之一。
（中）15.铬镍奥氏体不锈钢焊接时，主要是产生晶间腐蚀及热裂纹。
（中）16.属于形状缺陷的有焊缝宽窄不齐；焊缝成形不良（合理即可有分）。
（易）17.在焊接过程中，焊接电流过小时，会产生未焊透、气孔及夹渣等。
（易）18.在焊接过程中，焊接电流过大时，容易造成气孔、咬边及焊瘤等。
（易）19.在多层焊或多层多道焊时，若在层间焊接清理不干净或运条不当时，则焊缝容易产生夹渣。
（易）20.焊接时，氢能引起焊缝产生气孔、冷裂纹等缺陷。
（易）21.焊接过程中收弧不当，短而急促，会产生气孔及弧坑。
（易）22.咬边的产生原因是焊接电流大；焊条或焊丝角度不适当。
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。
焊接熔池凝固
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 (oC/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。
a
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；
a
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；
3.1 显微偏析
显微偏析是指在晶粒范围 内的化学成分不均匀现象。
不同的元素其偏析程度不 同。S、P、C都极易偏析 的元素。
焊缝中柱状晶体的选择长大
a
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
a
11
2.4 焊接速度对晶 粒生长形态的影响
焊接速度大， ↑，柱状 晶趋向垂直于焊缝中心线。
焊速太快，最后结晶的低 熔点夹杂物被推到焊缝中 心，导致纵向裂纹。
熔池结晶ppt第三章熔池结晶和焊缝组织
4.上浮
①气泡成长到一定大小脱离现成表面的能力主要决定于液 态金属、气相和现成表面之间的表面张力（如图）， 即：
熔池结晶ppt第三章熔池结晶和焊缝 组织
②当 θ＜ 90°时，有利于气泡的逸出，而 θ＞ 90°时，由于形成细颈需要时间，当结晶速度 较大的情况下，气泡来不及逸出而形成气孔 （如图3-61） 因此：减小σ 2. g和σ 1. 2，以及增大σ 1. g都可以 有利 于气泡快速逸出。因为可以减小θ值
（三）影响因素及防治措施
1.冶金方面
①熔渣的氧化性 氧化性 CO气孔 还原性 H2气孔 一般焊缝中用[C]×[O]乘积表示CO气孔倾向， 在酸性焊条中，有时乘积大，但未见气孔，因为 [O]活度小；而碱性渣乘积小，[O]活度大，易出 现气孔
②药皮成分 CaF2、SiO2、氧化物及碳酸盐都可脱H
③铁锈、油污 特别铁锈对CO（Fe2O3氧化性）、H2(H2O)气孔都 比较敏感
熔池结晶ppt第三章熔池结晶和焊缝 组织
③熔池中的现成表面 悬浮质点 熔合线上半熔化的晶粒联生结晶（交互 结晶）——结晶的主要方式
2.晶核生长
①晶粒由晶胞组成，同一晶粒内部，晶胞取向 一致，位向有序
②晶粒生长有方向性，某一方向的生长速度最 大，当最大的生长速度方向与最大温度梯度方 向（最快散热方向）一致时，可优先长成，不 一致时会中止生长
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：奥氏体晶内形成，有细晶元素（Ti、B）出 现时，晶界有Fe3C出现，接近上贝氏体
熔池结晶ppt第三章熔池结晶和焊缝 组织
3.珠光体（P）转变
①一般情况不出现P，只有在缓冷时，才会出现片状或粒 状的珠光体 ②原因：焊接过程是一个不平衡过程，冷却速度快，C扩 散受到抑制，很难出现F/Fe3C片状结构
焊接熔池的结晶特殊性
焊接熔池的结晶特殊性
1．熔池体积小，冷却速度大
手工电弧焊V=2-10cm3Vmax=30 cm3
重量最大为≤100g
铸锭：几吨~几十吨
υ焊泠=4~100℃/s
υ铸= （3~150）×10-4 C/S
焊接冷却速度比铸件冷却速度大10000倍左右，由于体积小，冷却速度快，对含碳量高的合金钢易产生淬硬组织，裂纹，熔池中心与边缘有较大的温度梯度，焊缝中柱状晶长大，焊缝中没有等轴晶。
2、过热度大
熔池温度
100
1770±
=
t℃
溶滴2300±200℃
铸件浇铸温度＜1500℃
过热度大，烧损合金元素，如自发晶核的质点减少，柱状晶长大。
3．熔池在运动中结晶
熔池前部金属熔化，后部金属结晶。
在﹝焊接过程理论﹞鲍戈金－阿历克谢夫著中有这样论述焊接熔池所特有的金属结晶过程，与铸锭的金属结晶过程不同之处有下述各点。
1. 焊接熔池即受焊接火焰的加热作用，同时又受到
固体金属的冷却作用；
2. 焊接熔池的液体金属为加热到不同温度的固体金属所
包围。
焊接熔池侧壁的焊件金属加热的程度比熔池后壁焊缝金属的加热程度小。
3. 焊缝金属的平均结晶速度等于熔池的移动速度，也就
是等于焊接速度。
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
焊接熔池结晶线速度
焊接熔池结晶线速度
任意晶粒主轴在任一点A 成长的平均线速度方向是A 的切线（S －S 线）此方向与X 轴交角为θ，在dt 时间内A →B 移动dx 距离，晶粒主轴由A 成长到C ，若dx 很小，则可把AC=AC`？同时认为ΔABC`为直角，见图3-8，令AC`=ds ，则θcon dx ds *=同除dt 则 θθv c o n v c o n
c dt dx dt ds ==
厚大焊件的表面上快速冷却时：
(){}2122222211---++=K K K K T a q Y Y M A con λυ
θ
α：热扩散率 （cm 2/s ）
v c : 晶粒成长的平均速度
v : 焊速
θ : v 0和v c 的夹角 薄板上自动焊接()2122121cos --⎭⎬⎫⎩
⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛+=y y k k Tm h q A λθ
1． 晶粒成长的平均线速度是变化的
y=0B 时Ky=1 熔合线处 θ=90°
K y =1 0c o s =θ v 0=0
晶粒在区上刚成长瞬时，成长方向垂直于熔合区，平均线速度为0.
θ=0º1
θV c=V焊道中心处，焊速即是晶粒平均线cos=
速度。
θ=0º～90ºV c=V～0
即，晶粒成长方向和线速度是变化的，在熔合线处最小，在焊道中心处最大，为焊速。
2．焊接规范的影响
当焊速大时，则θ越大，晶粒主轴的成长方向垂直于焊缝中心线，称为定向晶。
当焊速小时，晶粒主轴的成长方向弯曲，形成偏向晶。
↑。
3熔池凝固和焊缝固态相变
Vs-晶粒成长平均线速度；V-焊接速度；cosθ取决于焊接规范和材料 的热物理性质及形状。
晶粒成长的平均线速度，决定于cosθ值. Vc=Vcosθ
薄板
cos
1
A
q TM
2
1
K
2 y
K
2 y
1/ 2
– 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。
4 联生结晶 熔池壁相当于铸型壁，熔池 内金属和熔池壁局部熔化的母材在凝固 过程中长成共同晶粒（体）。熔池壁作 为非自发形核的基底。
厚板对于co厚s 大1件 A
qv aTM
K
2 y
K
2 z
1
K
2 y
K
2 z
1/ 2
1 晶粒成长的平均线速度是变 化的
当Y=OB时，Ky=1，cosθ=0，θ=90º， Vc=0，
Y=0时，cosθ=1，θ=0，Vc=V Y=OB~0时,θ=90º~0º，Vc=0~V，晶 粒成长方向和线速度都是变化，熔 合线上最小，在焊缝中心最大，为 焊速。
• 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
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：
第三章熔池凝固与焊缝固态相变
低碳钢焊缝的魏氏组织
21
一 、低碳钢焊缝的固态相变组织
焊缝化学成分相同时，在不同的冷却速度下，低 碳钢焊缝中铁素体和珠光体的比例有很大差别。 冷却速度越大，焊缝中的珠光体越多，越细，同 时焊缝的硬度增高。
22
二、 低合金钢焊缝的固态相变组织
低合金钢焊缝二次组织，随匹 配焊接材料化学成分和冷却条件的不 同，可由不同的组织。以F为主，P、 B、M占次要地位。
材料成形原理（焊接部分）
3 熔池凝固与焊缝固态相变
1
3.1 熔池凝固
2
一、 熔池的凝固条件和特点
1、体积小，冷却速度大
在一般电弧焊条件下，熔池的体积最大也只有30cm3 ，重量不超过 100g;
周围被冷态金属所包围，所以熔池的冷却速度很大，通常可达4～ 100℃/s，远高于一般铸件的冷却速度;
由于冷却快，温度梯度大，致使焊缝中柱状晶得到充分发展。这也是 造成高碳、高合金钢以及铸铁材料焊接性差的主要原因之一。
2、珠光体（ Pearite，简称P）转变
接近平衡状态： 如预热、缓冷和后热等。 珠光体转变温度Ar1~550℃，此时 C、Fe原子扩散比较容易。 珠光体转变属扩散型相变。（P是F和Fe3C的层状混合物领先相Fe3C）
焊接状态： 非平衡转变，得到P量少，珠光体转变量小。 若有B 、Ti合金元素，则P转变全部被抑制。
晶粒生长线速度是变化的： 焊缝边缘：ψ=90° ，cosψ =0， R=υcosψ =0； 焊缝中心：ψ=0° ，cosψ =1， R=υcosψ =υ。
一般情况下，由于等温线是弯曲的，其曲线上各点的法线方向不断地改变， 因此晶粒生长的有利方向也随之变化，形成了特有的弯曲柱状晶的形态。
13
三 、柱状晶生长方向与速度的变化
高级焊工焊接知识28个问答题含解析
一、焊旌的一次结晶组织有何特征？答：焊接熔池的结晶也遵循一般液体金属结晶的基本规律：形成晶核和晶核长大。
焊接熔池中的液体金属在凝固时，通常融合区母材上的半融化晶粒成为晶核。
然后晶核吸附周围液体的原子进行长大，由于晶体是沿着与导热方向相反的方向成长，同时它也向着两侧方向成长，但由于受到相邻的正在生长的晶体所阻挡，因此晶体形成柱状形态的晶体称为柱状晶。
此外，在一定条件下，熔池中的液体金属在凝固时也会产生自发晶核，如果散热是沿各个方向进行，则晶体就沿各个方向均匀地长成晶粒状晶体，这种晶体称为等轴晶。
焊旌中通常见到的柱状晶，在一定条件下，焊缝中心也会出现等轴晶.二、焊缝的二次结晶组织有何特征？答：焊缝金属的组织，在一次结晶之后金属继续冷却到相变温度以下，又发生金相组织的变化，如低碳钢焊接时，一次结晶的晶粒都是奥氏体晶粒，当冷却到低于相变温度时，奥氏体分解为铁素体和珠光体，所以二次结晶后的组织大部分是铁素体加少量珠光体。
但由于焊催的冷却速度较快，所得珠光体含量一般比平衡组织中的含量大，冷却速度越快，珠光体含量越高，而铁素体量越少，硬度和强度也都有所提高，而塑性和韧性则有所降低。
经二次结晶后，得到室温下的实际组织。
不同钢材在不同焊接工艺条件下所得到的焊绛组织是不同的。
三、以低碳钢为例说明焊缝金属二次结晶后得到什么组织？答：以低塑钢为例，一次结晶的组织为奥氏体，焊缝金属固态相变过程称为焊檀金属的二次结晶。
二次结晶的显微组织为铁素体和珠光体。
在低碳钢的平衡组织中，焊缝金属含碳量很低，其组织为粗大的柱状铁素体加少量珠光体。
由于焊缝冷却速度大，铁素体不能按铁碳相图全部析出，结果珠光体的含量一般都较平缓组织中的含量大。
冷却速度大还会使晶粒细化，金属的硬度和强度也有所提高。
由于铁素体的减少和珠光体的增加也会使硬度增加，而塑性下降。
因此，焊缝最后得到的组织是由金属的成分和冷却条件来决定的。
由于焊接过程的特点，焊绎金属组织较细，所以焊绛金属比铸造状态组织性能要好。
焊工理论考试模拟试题
焊工理论考试模拟试题1. 焊缝的一次结晶是从（）开始的。
A、熔合区(正确答案)B、过热区C、正火区2. 焊缝金属过烧，碳元素大量烧损，焊接接头强度提高、韧、塑性下降。
（）A、正确B、错误(正确答案)3. 消氢处理的温度范围一般在（）。
A、150-200℃B、250-350℃(正确答案)C、400-450℃D、500-550℃4. 当焊接线能量（或热输入）较大时，熔合区、过热区的晶粒特点是（）。
A．晶粒细小、韧度高B．晶粒粗大、韧度低(正确答案)C．晶粒尺寸及韧度不变化5. 低碳钢在碳弧气刨后，刨槽表面会有一渗碳层，这是由于处于高温的表面金属被急冷后所造成的。
（）A、正确B、错误(正确答案)6. 焊接熔池结晶（一次结晶）的基本规律是（）的过程。
A．晶核的形成和长大(正确答案)B．奥氏体转变为铁素体加珠光体c．液态熔渣凝固成固态7. 焊接电弧过长易出现（）焊接质量问题。
【多选题】A．增加金属飞溅(正确答案)B．减少熔深(正确答案)c．咬边D、气孔(正确答案)8. 碳弧气刨需要采用大功率的交流电源。
（）A、正确(正确答案)B、错误9. 当在焊件上不允许引弧和熄弧时，则应设置（）。
A、引弧板(正确答案)B、熄弧板(正确答案)C、脉冲装置D、加工余量10. 在焊接过程中钝边的作用是（）A．便于组装B．保证焊透C．便于清渣D．防止烧穿(正确答案)11. 容易获得良好焊缝成型的焊接位置是（）。
A、平焊位置(正确答案)B、立焊位置C、横焊位置D、仰焊位置12. 若低碳钢含硫量过高，为防止焊接接头出现裂纹，焊前需进行预热，一般预热温度为100～150℃。
（）A、正确(正确答案)B、错误13. 直流电源的正极与焊条相接时为正接法。
（）A、正确B、错误(正确答案)14. 一般选择焊接电流的依据有（）等。
A、焊条直径和焊条药皮类型(正确答案)B、焊接电源种类及极性(正确答案)C、焊接空间位置(正确答案)D、焊件尺寸及接头型式；焊接场所及环境温度(正确答案)15. 焊接时应尽量采用长弧焊接，因为长弧焊的电弧范围大，保护效果好。
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
33
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↑
34
**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
26
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
27
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
焊接熔池一次结晶的特点
焊接熔池一次结晶的特点
1. 焊接熔池一次结晶那可是超级神奇的呀！就好比是一场微观世界里的魔法表演。
你看啊，就像盖房子要打牢地基一样，焊接熔池一次结晶就是在为焊缝打下坚实的基础呢。
比如我们常见的焊接工作，要是这第一步没做好，那后面不就容易出问题啦？
2. 焊接熔池一次结晶有个很重要的特点呢，就是它的速度超级快呀！就好像是一场短跑比赛，瞬间就决出胜负了。
这就很考验技术啦，不是吗？想想看，要是稍微不注意，这结晶过程不就出岔子了！就像跑步比赛中稍微一走神就被别人超越了一样。
3. 焊接熔池一次结晶还有个特点不能忽视呀，那就是它有方向性！哇，这多有意思呀。
就如同水流有它固定的流向一样。
在焊接的时候，要是不了解这个特性，那可就麻烦啦！难道不是吗？
4. 还有呀，焊接熔池一次结晶的过程那是充满变化的哟！这不就跟天气似的，一会儿晴一会儿阴的。
比如温度的变化啦，材料的不同啦，都会影响结晶呀。
这个时候可就得靠焊工们的经验和本事啦，对吧？
5. 你们知道吗，焊接熔池一次结晶的组织结构也很有讲究呢！简直就像是一个神秘的微观王国。
不同的条件下生成的组织结构可不一样呢。
这不正像是拼成一幅拼图，要选对每一块才行呀，选错了可就不完美啦！
6. 焊接熔池一次结晶最后形成的晶粒大小也是很关键的呀！小晶粒就像小巧玲珑的宝石，大晶粒就像大块头一样。
这晶粒的大小可是会影响焊缝的性能呢。
哎呀，大家想想看，要是晶粒都长得不合适，那后果不堪设想呀！
总之，焊接熔池一次结晶真的是非常重要且充满奥秘呀，我们可得好好研究和掌握它！。
熔焊原理-熔池凝固
Y
其中，A----------熔合区的宽度(mm)
T Y
----------温度梯度(oC/mm)
TL---------被焊金属的液相线(oC)
TS----------被焊金属的固相线(oC)
一般，碳钢、低合金钢的电弧焊时，A＝0.133～
0.5mm，奥氏体钢的电弧焊时， A＝0.06～0.12mm
3.1 熔池凝固
3.1 熔池凝固
2、胞状结晶 产生条件：过冷度较小。 特征：断面六角形，细胞或蜂窝状。
3.1 熔池凝固
3、胞状树枝结晶
产生条件：过冷度稍大。 特征：主干四周伸出短小二次横枝，纵向树枝晶断面胞状。
3.1 熔池凝固
4、树枝状结晶
产生条件：过冷度较大。 特征：主枝长，向四周伸出二次横枝，并能得到很好的生长
3.1 熔池凝固
3.1 熔池凝固
3.）层状偏析 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。这是由于金属的流动及热量 的提供、传递的脉动性和结晶潜热的放出，使结晶过 程周期性变化而引起化学成分分布不均匀造成的。
危害：造成焊缝力学性能不均匀性 沿层状线形成裂纹或气孔
3.1 熔池凝固
3.1 熔池凝固
偏析的控制 细化焊缝晶粒
适当降低焊接速度
3.1 熔池凝固
熔合区的化学不均匀性 1.）熔合区的形成
热传播不均匀 晶粒的传热方向不同
3.1 熔池凝固
焊接熔合区划分示意图 1-半熔化区 2-结晶过渡区
3.1 熔池凝固
2.）熔合区的宽度
A TL TS T
TL TS G
3.1 熔池凝固
5、等轴晶 产生条件：过冷度大。 特征：结晶前沿长出粗大树枝晶，液相内，可自发生
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
焊接熔池结晶的一般规律
焊接时，熔池金属的结晶与一般炼钢时钢锭的结晶一样，也是在过冷的液体金属中，首先形成晶核和晶核长大的结晶过程。
生核热力学条件是过冷度而造成的自由能降低；生核的动力学条件是自由能降低的程度。
从金属学的结晶理论可知：金属的结晶过程必须是液态金属的温度降低到“理论结晶温度”以下才能进行。
液态金属缓慢冷却时，当温度降到某一点便开始结晶，直到全部结晶成固态金属为止。
在缓慢冷却条件下，结晶时由于放出“结晶潜热”，补偿了热的损失，所以在冷却曲线上便出现了一个水平台，平台对应的温度即为纯金属的“理论结晶温度”T。
在实际生产中，总是具有一定的冷却速度，有时甚至很大，在这种情况下，纯金属的结晶过程在一定的温度过冷下才能进行。
T1低于T0过冷度，冷却速度越大，则所测得的实际结晶温度越低，过冷度越大。
从图中还可以看出，液态金属座结晶开始到结晶完了是需要一定时间，这就体金属中产生一批晶核，然后这些晶核就吸附周围液体中的原子面成长，同时，还会有新的晶核不断从液体金属中产生，长大，直到全部液体都转变为固体，最后形成由许多外形不规则的晶粒所组成的多晶体。
结晶过程就是由晶核的产生和成长两个基本过程所组成。
1、 生核
熔池中晶核的生成分为：非自发晶核、自发晶核。
形成两种晶核都需要能量
1） 自发晶核
自发临界晶核所需的能量
23316Fr Er ∆=
πσб：新相与液相间的表面张力系数。
ΔFr ：单位体积内液固两相自由能之
差。
2） 非自发形核
()
4cos cos 32316`323
θθπσ+-∆=r F k E ？ θ：非自发晶核的浸润角
见图3-3
θ=0℃ E K `=0
液相中早有悬浮的质点或现成表面。
它们本身就是晶核。
当θ=180°，E K `= E K 自发晶核θ=0 ～180°时，E K `/ E K =0～1说明非自发形核所需能量小于自发晶核。
θ角的大小决定新相晶核与现成表面之间的表面张力。
若新核与液相中厚有现成表面固体粒子的晶体结构越相似表面张力越小，θ越小，E K `越小。
焊接时存在两种非自发晶核质点，一种是合金元素，另一种是现成表面，焊接熔池边界，正是固液相的相界石，熔池边界半熔化的母材晶粒表面为新相晶核的“基底”。
2．成长
原子由液相不断地向固相转移，晶核的成长是通过二维成核方式长大，但并不是齐步前进，长大趋势不同，有的一直向焊缝中部发展；有的只长大很短距离就被抑制停止长大。
晶粒长大要具有一定结晶位向，在焊缝边界，作为晶核基底的母材晶粒是各向异性的，即结晶位向不同，因此在某一个方向上晶粒最易长大；晶核的成长是一个原子厚度从液相中吸收原子集团来进行的并连续不断地吸附在晶体表面的小台阶处而迅速长大。
Fe、Cr、Cu、Ni点阵，立方结晶有利位向（1、0、0）散热最快方向，垂直等温面、等温线的结晶位向与散热最快的方向一致，晶粒最易长大，与熔池结晶等温面相垂直的方向，也就是最大温度梯度的方向。
焊接时非自发晶核依附在半熔化母材晶粒表面上，以柱状晶的形态不断成长，形成联生结晶。
所谓联生结晶是指依附在半熔化的母材表面，成长成与母材具有共同晶粒的现象，也称交互结晶。
可见金相照片。