最新固定管板焊(焊缝金属的结晶)
焊接钢管的晶体组织
焊接钢管的晶体组织1.引言1.1 概述焊接钢管的晶体组织是指在钢管焊接过程中形成的钢管内部的晶体结构。
钢管作为一种常见的结构材料，在工程领域中广泛应用。
焊接是制造过程中常用的连接技术之一，然而焊接过程对钢管的晶体组织会产生一定的影响。
钢管的晶体组织决定了其力学性能和耐蚀性能，因此了解焊接对钢管晶体组织的影响是十分重要的。
本文将首先介绍钢管焊接工艺，包括焊接方法和关键步骤。
然后将重点探讨焊接对钢管晶体组织的影响。
焊接过程中会产生高温和冷却过程，这些过程对钢管的晶体结构会产生一定的影响。
具体而言，焊接过程中的热循环会导致钢管内部的晶粒生长和晶界变化，进而影响钢管的强度和韧性。
此外，焊接还可能导致组织中出现一些缺陷，如焊缝口裂纹、焊接区夹杂物等，这些缺陷对钢管的性能和使用寿命也会带来较大影响。
总结起来，本文将通过对钢管焊接工艺和焊接对钢管晶体组织的影响进行研究，探讨焊接对钢管性能的影响机制，以及焊接钢管晶体组织的重要性。
这将有助于提高焊接工艺的控制水平，优化钢管的晶体组织，提高钢管的性能和使用寿命。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以对本文的整体结构进行介绍和说明。
可以简要概述文章的结构和各个部分的主要内容，以便读者能够更好地理解文章的脉络和逻辑。
以下是文章结构部分的一个可能内容：1.2 文章结构本文将以以下几个部分来讨论焊接钢管的晶体组织：第一部分是引言，将对文章的背景和目的进行概述。
对焊接钢管的晶体组织进行研究有着重要的意义，因为晶体组织的形成对钢管的力学性能和耐腐蚀性能有着直接影响。
通过本文的研究，我们希望能够深入理解焊接对钢管晶体组织的影响，并认识到焊接钢管晶体组织的重要性。
第二部分是正文，将着重介绍钢管焊接工艺和焊接对钢管晶体组织的影响。
在钢管焊接工艺的介绍中，我们将讨论常用的焊接技术和方法，如电弧焊、气焊、激光焊等。
同时，我们还将探讨焊接过程中的热力学和动力学变化对钢管晶体组织的影响。
此外，文章还将深入研究焊接过程中可能出现的缺陷和问题，并探讨其对晶体组织的影响。
不锈钢焊缝金属的结晶过程及最终的结晶组织也有很大的影响
不锈钢焊缝金属的结晶过程及最终的结晶组织也有很大的影响不锈钢经焊接后，一般不再进行热处理即投入使用。
因此，经历加热、熔化、结晶和冷却后的焊接接头的抗腐蚀性及力学性能等接头性能，除受化学成分的影响外，焊缝金属的结晶过程及最终的结晶组织也有很大的影响。
同钢板相比，同样化学成分的焊接接头的性能往往有某种程度的恶化。
因此，为了得到具有良好性能的焊接接头，首先要研究焊缝金属的结晶过程、焊缝金属的化学成分与其结晶组织的关系、以及与接头性能的关系是非常重要的。
特别是对于含有多种合金元素，金属发生组织转变的不锈钢的焊接接头就更加重要。
图1-26所示为熔化焊（如TIG焊或焊条电弧焊）时焊缝金属表面柱状晶结晶的模型图，图1-27所示为SUS310S钢的TIG焊焊缝金属表面的宏观组织的照片。
熔化焊（如TIG焊或焊条电弧焊）焊缝金属的结晶，是从液态金属溶池边缘的固态金属向溶池内部成长，并与这个边缘面垂直的柱状晶。
当结晶速度较慢时，如图1-26a和图1-27所示那样，随热源的移动而伴随的柱状晶的成长，也随热源的移动而变化。
图1-28所示为25Cr-20Ni钢TIG焊结晶前沿固-液界面上成长的胞状树枝晶的照片和模型。
微信公众号：hcsteel合金在树枝状结晶的前沿发生成分过冷而使晶粒长大，同时也向侧面长粗，从而产生合金元素的再分配，引起合金事的显微偏析。
这样，对合金元素含量较多的不锈钢焊缝金属结晶过程加以分析研究是很重要的。
如后面所讨论的，在奥氏体不锈钢的焊缝金属结晶中，奥氏体和铁素体共存的情况较多，Cr、Ni、Mo等主要合金元素在结晶过程中将发生浓化或贫化，其结晶相将发生变化。
另外，不锈钢焊缝金属在结晶过程中常会产生结晶裂纹，其合金元素的偏析对此有很大的影响。
图1-29给出了22Cr-25Ni-6Mo。
奥氏体不锈钢TIG焊缝金属中Mo的细微偏析，在树枝状晶界Mo的浓度为其平均值的1.8倍。
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。
张世伟---焊缝结晶过程
1、定义：高温的焊缝金属冷却至室温，要经过 一系列的相变过程，这种固态的相变过程称为焊 缝金属的二次结晶。 2、影响二次结晶的因素： 冷却速度 化学成分和热处理的工艺
3、改善二次结晶的工艺措施
预热、保温、后热处理 控制层间温度
摆动焊接
长弧焊接
多层多道焊和单道焊
跟踪回火处理 焊后热处理 （高温回火、正火和 消除应力退火）
第五章 金属熔化焊过程
§5-3 焊缝结晶过程
新乡职业技术学院
张世伟
复 习 提 问
★焊接化学冶金反应的任务是什么？ 答：保护焊接区 除去焊缝中的杂质 焊缝金属的渗合金
讲 课 内 容
偏析 夹杂物
问题一：焊缝的一次结晶 状态的改变
问题二:焊缝的二次结晶 同素异构转变
一、焊缝金属的一次结晶
3、分 类
显微偏析（晶内偏析和晶间偏析）
区域偏析
层状偏析
三、焊缝中的夹杂物
1、定义：熔池在结晶过程中由于冷却速度较快，而 使一些非金属夹杂物来不及浮出至熔池表面，而残留 在焊、氧化锰等；
另一类是硫化物，如硫化锰、硫化亚铁等。
四、焊缝金属的二次结晶
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。
结合左边图示资料思 考一下焊缝结晶是从 什么地方开始的？又 向什么方向生长的？
2.熔池结晶过程：
形 核
晶核长大
晶核长大 结晶后期 结晶完毕
3、改善一次结晶的方法
①变质处理
通过焊丝、熔剂向熔池中加入碳化物或氮化物形成元素，如钒(V)、 钛(Ti)、铌(Nb)、钼(Mo)、铝(Al)及氮(N)等，使之形成弥散细小的高熔 点化合物质点，成为人工晶核。熔池中的液体金属借助这些人工晶核生 长，从而得到细化的晶粒。
管板水平固定的钨极氩弧焊与焊条电弧焊组合焊接
管板水平固定对接是一种很常见的焊接场景，也是各类焊接考试、竞赛常见的考核项目。
对于小直径管和板的焊接往往要求单面焊接双面成型。
焊接时，管壁厚与板材厚度不是固定的，板厚与管壁厚度存在较大差异，要保证管子不被烧穿，同时还要单面焊接双面成型，这对焊接工艺与焊接技巧都有着较高要求[1]。
本文针对一定厚度的管板对接，采用手工钨极氩弧焊与焊条电弧焊组合对其进行焊接，主要对工艺参数与焊接技巧进行较全面分析。
手工钨极氩弧焊焊接过程稳定，是一种高质量焊接方法；保证焊接熔深相对较小，是对接焊中常用的打底焊接方法[2]。
在管板对接中，为了避免厚度较小管壁不被焊穿，同时提高单面焊双面成型质量，通常选择手工填丝的钨极氩弧焊对水平固定管板对接进行第一道焊接。
焊条电弧焊是最基本的电弧焊接方法，由于其操作技巧性强，焊接方便，可以实现全位置焊接，常被用来进行管道焊接。
在本次试验中，用手工焊条电弧焊进行填充焊接[3]。
1 焊前准备加工板件与管件，管件材料为20号钢，规格为φ50mm ×4mm×100mm；坡口角度为45±2°；板件材料为Q345，规格为150mm×150mm×10mm。
焊前将管件坡口及坡口附近15mm处的铁锈、污染物以及板材对接侧铁锈及污染物打磨干净，并用钢丝刷将打磨面彻底清理。
焊机选择焊条电弧焊/钨极氩弧焊两用焊机，型号为WSM-400；焊条型号为E5O15，规格为φ3.2mm；钨极氩弧焊焊丝型号ER50-6，规格为φ2.5mm。
焊条在烘干炉中，按要求进行烘干，使用前放入保温桶保存。
2 装配与定位管板组对，要求管件在板件中心位置和管板之间间隙为2.5mm，定位焊点避开12点及6点位置。
本次试验中分别在10点和2点位置定位，定位焊缝长度约8mm左右，1所示。
表1所示。
图1 管板装配位置表1 氩弧焊打底焊接工艺参数层数电源极性焊机电流I/A焊接电压U/V氩气流量（L/min）打底层正接75～8022～258～10焊接时，从竖直方向将管分为左右两部分，如图2所示。
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。
固定管板焊基本技能
【组织教学】1、点名检查学生出勤情况2、强调课堂纪律【作业点评】1、上次作业质量情况2、对出现问题较多的进行课堂纠正【复习提问】1、什么叫焊缝金属的一次结晶和二次结晶?2、什么叫偏析?焊缝偏析有几种形式?偏析有什么危害?【相关工艺】固定管板焊基本技能固定管板焊接根据接头形式不同，可分为插入式管板和骑坐式管板两类。
根据空间位置的不同，每类管板又可分为垂直固定俯焊、垂直固定仰焊和水平固定全位置焊三种。
插入式管板只需一定熔透深度，焊缝表面焊脚对称，比较容易焊接。
而骑坐式管板除打底层焊需要保证焊缝背面成形外，其余基本上与插入式管板相同。
1．操作要点灵活运用手臂和手腕动作，适应固定管板焊接时的焊条角度变化；固定管板的打底层焊接；固定管板表面层及填充层的运条方法；水平固定管板仰位、平位的接头方法。
2．焊前准备(1)焊件孔板材料为低碳钢板，长×宽×厚为100 mm×100㎜×12 ㎜，孔板中心按管子内径钻通孔。
管子材料为Q235钢管，壁厚5～6㎜，直径60 ㎜，长100 ㎜，由一块孔板和一根管子组成一组，准备两组。
(2)焊条E4303型或E5015型，直径3.2 mm。
3．操作要领(1)垂直固定俯位管板焊接1)装配及定位焊装配时应保证管子内壁与板孔同心，不错边。
定位焊可采用两点固定，焊缝长度不得超过10 ㎜，要求背面成形作为打底焊缝的一部分。
根部间隙3～3.5 mm。
2)打底层焊接选定始焊位置时，应该在保持正确焊条角度的前提下，尽量向左侧转动手臂和手腕。
首先在左侧的定位焊缝上引弧，长弧稍加预热后，将电弧移到定位焊缝前沿，向里送焊条，待熔池形成后，稍向后压短电弧，开始作小幅度的斜锯齿形运条，进行正常焊接。
焊接时，电弧的2／3要在熔池上保持短弧，摆动时在孔板上的停顿时间稍长于管子一侧。
焊接速度要适宜，保持熔池大小基本一致。
随着焊接的进行要不断地转动手臂和手腕，以保持正确的焊条角度，并防止熔渣超前而产生夹渣和未熔合的缺陷。
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。
焊缝金属的结晶
② p0≈ pa + pc = 1+2σ/r pa——大气压 pc——表面张力所构成的附加压力 σ——金属与气体之间的表面张力 r——气泡半径 所以气泡半径越大，越易长大
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： 1. g 1.2 cos
⑥综合（如图3-28）
当结晶速度R和温度梯度G不变时，随合金中溶质浓度 的提高，则成分过冷增加，从而使结晶形态由平面晶变 为胞状晶、胞状树枝晶、树枝状晶、最后到等轴晶 当合金中溶质的浓度C0一定时，结晶速度R越快，成分 过冷的程度越大，结晶形态也可由平面品过渡到胞状 晶、树枝状晶，最后到等 轴晶 当合金中溶质浓度C0和结晶速度R一定时，随液相温度 梯度的提高，成分过冷的程度减小，因而结晶形态的演 变方向恰好相反，由等轴晶、树枝品逐步演变到平面晶
1.焊后热处理
改善焊缝和HAZ的性能
2.多层焊
①单道焊缝变小，改善结晶条件 ②后一道焊缝对前一道焊缝有热处理作用
3.锤击
①细化前一层的晶粒 ②降低后层焊缝熔合线形核晶粒
③降低应力
4.跟踪回火
第四节 焊缝中的气孔和夹杂
一、气孔
（一）气孔的类型及其分布特征 1.气孔的类型及形成原因
①类型：表面气孔、内部气孔 ②形成原因 结晶时因气体溶解度突然下降来不及逸出残留在 焊缝内部的气体（H2、N2） 冶金反应产生的不溶于金属的气体（CO、H2O）
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
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；
焊接熔池金属的结晶
第一节
焊接熔池金属的结晶
船舶编
哈尔滨工程大学出版社
一、教学内容的分析 二、教学目标的确立 三、教法设计 四、教学模式 五、教学环境 六、教学重点 七、教学难点 八、教学过程
教学内容
（三个知识模块）
☆ 焊接熔池的一次结晶 ☆ 焊缝金属的固态相变 ☆ 焊缝金属组织的调整及其改善
二、焊缝金属的固态相变 三、焊缝组织的调整及改善
教学过程－新课讲授
一、 焊接熔池的一次结晶
1、焊接熔池凝固结晶的特点 2、焊接熔池凝固的过程 3、焊缝中的偏析 在焊缝熔池的一次结晶的讲授过程中，要引导学生，在教具的 引导下，发挥想象力，通过“自由想象”在自己大脑里形成形 象的动态模型，帮助理解和记忆。
第三章第一节主编哈尔滨工程大学出版社教学内容焊接熔池的一次结晶金属液态到固体的结晶过程焊缝金属的固态相变金属的固态相变fec相图焊缝金属组织的调整及其改善人为干扰工艺控制参数控制1掌握焊接熔池凝固结晶的特点及其中原理2了解焊接熔池凝固的过程及其中原理3掌握偏析的种类及产生原因及其中原理4掌握fec相图并掌握温度对焊缝金属固态相变的影响5掌握焊缝金属组织改善的方法和措施能够分析和判断出焊接工艺过程中影响焊接质量的过程和理论在焊接操作中运用金属结晶理论指导操作提高焊接质量减少焊接缺陷教学目标教法设计1焊接熔池凝固结晶的特点2焊接熔池凝固的过程3偏析的种类及产生原因金属的结晶晶核的形成与长大晶粒的长大4焊缝金属固态相变5焊缝金属组织改善的方法和措施fec相图在铸造热处理中的应用教学模式理论指导教具引导自由想象理论模型多媒体教室投影仪等但由于条件所限现阶段只能以板书加挂图进行教学教学环境焊接熔池的一次结晶1掌握焊接熔池凝固结晶的特点及其中原理2了解焊接熔池凝固的过程及其中原理3掌握偏析的种类及其中原理
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。
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。
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【组织教学】1、点名检查学生出勤情况2、强调课堂纪律【作业点评】1、上次作业质量情况2、对出现问题较多的进行课堂纠正【复习提问】1、焊缝金属脱氧的途径有哪些?哪种焊条脱氧效果好?2、为什要向焊缝金属渗合金?渗合金的方式有几种?【相关工艺】固定管板焊（焊缝金属的结晶）1、焊缝金属的一次结晶焊缝金属由要液态转变为固态的过程。
即焊缝金属晶体结构的形成过程，称为焊缝金属一次结晶；它遵循着金属结晶的一般规律，包括“形核”和长大”两个阶段。
在熔池中，最先出现晶核的部位是在熔合线上。
此处散热快、温度最低，半熔化晶粒形成附近液态金属结晶的晶核。
由于晶体是向着与散热方向相反的方向长大，同时也向两侧长大，因此受到相邻长大的晶体的阻碍，使晶粒生长方向指向熔池中心，形成柱状结晶。
当柱状晶粒不断长大至互相接触时，焊缝的结晶过程结束。
2、焊缝结晶过程中的偏析现象焊缝金属在一次结晶时冷却速度很快，固相内的成分很难趋于一致，而且结晶又有先后，因此在相当大的程度上存在着化学成分不均匀性，而产生偏析。
偏析导致焊缝性能改变，同时也是产生裂纹、气孔、夹杂物等焊接缺陷的主要原因之一。
焊缝中的偏析主要有显微偏析、区域偏析和层状偏析。
(1)显微偏析在一个柱状晶粒内部和晶粒之间的化学成分不均匀现象，称为显微偏析。
柱状晶粒“生长”的过程，一方面是结晶的轴向延长，另一方面是径向扩展。
焊缝结晶时，最先结晶的结晶中心(即结晶轴)的金属最纯，而后结晶的部分含合金元素和杂质略高，最后结晶的部分，即晶粒的外缘和前端含合金元素和杂质最高。
在一个柱状晶粒内部合金元素分布不均匀现象叫晶内偏析。
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，就越易产生显微偏析。
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固定管板焊(焊缝金属
的结晶)
【组织教学】
1、点名检查学生出勤情况
2、强调课堂纪律
【作业点评】
1、上次作业质量情况
2、对出现问题较多的进行课堂纠正
【复习提问】
1、焊缝金属脱氧的途径有哪些?哪种焊条脱氧
效果好?
2、为什要向焊缝金属渗合金?渗合金的方式有几
种?
【相关工艺】
固定管板焊（焊缝金属的结晶）
1、焊缝金属的一次结晶
焊缝金属由要液态转变为固态的过程。
即焊缝金属晶体结构的形成过程，称为焊缝金属一次结晶；它遵循着金属结晶的一般规律，包括“形核”和长大”两个阶段。
在熔池中，最先出现晶核的部位是在熔合线上。
此处散热快、温度最低，半熔化晶粒形成附近液态金属结晶的晶核。
由于晶体是向着与散热方向相反的方
向长大，同时也向两侧长大，因此受到相邻长大的晶体的阻碍，使晶粒生长方向指向熔池中心，形成柱状结晶。
当柱状晶粒不断长大至互相接触时，焊缝的结晶过程结束。
2、焊缝结晶过程中的偏析现象
焊缝金属在一次结晶时冷却速度很快，固相内的成分很难趋于一致，而且结晶又有先后，因此在相当大的程度上存在着化学成分不均匀性，而产生偏析。
偏析导致焊缝性能改变，同时也是产生裂纹、气孔、夹杂物等焊接缺陷的主要原因之一。
焊缝中的偏析主要有显微偏析、区域偏析和层状偏析。
(1)显微偏析在一个柱状晶粒内部和晶粒之间的化学成分不均匀现象，称为显微偏析。
柱状晶粒“生长”的过程，一方面是结晶的轴向延长，另一方面是径向扩展。
焊缝结晶时，最先结晶的结晶中心(即结晶轴)的金属最纯，而后结晶的部分含合金元素和杂质略高，最后结晶的部分，即晶粒的外缘和前端含合金元素和杂质最高。
在一个柱状晶粒内部合金元素分布不
均匀现象叫晶内偏析。
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，就越易产生显微偏析。
一般对于低碳钢来说，因其结晶开始和终了的温度区间不大，所以显微偏析并不严重。
而在高碳钢、合金钢中含合金元素较多，结晶区间大，显微偏析现象就很严重，经常会因此而引起热裂纹等缺陷。
所以高碳钢、合金钢等焊件焊后必须进行扩散及细化晶粒的热处理，以此来消除显微偏析现象。
(2)区域偏析熔池结晶时，由于柱状晶体的不断长大和推移，把杂质推向熔池中心，使熔池中心的杂质含量要比其他部位高，这种现象称为区域偏析。
由于焊缝断面的形状不同，产生偏析的位置会发生变化。
窄焊缝时，各柱状晶粒的交界在中心，因此
便有较多的杂质聚集在窄焊缝的中心，这时极易形成热裂纹。
宽焊缝时，杂质便聚集在焊缝上部，这种情况对焊缝在高温时的影响不大。
利用这一特点可降低焊缝生成热裂纹的可能。
例如，同样厚度的钢板，用多层多道焊要比采用一次深焊焊完产生热裂的倾向小得多。
(3)层状偏析焊接熔池始终处于气流和熔滴金属的脉动作用下，所以无论是液态金属的流动或热量的传递都具有脉动的性质。
同时，熔池在结晶过程中要放出结晶潜热，当结晶潜热达到一定数值时，熔池的结晶出现暂时停顿，以后随着熔池的散热，结晶又开始。
这些都可能使晶体成长速度出现周期性变化。
晶体长大速度的这种变动，伴随着出现结晶前沿液态金属中夹杂浓度的变化，形成周期性的偏析现象，称为层状偏析。
层状偏析常集中一些有害元素，缺陷往往出现在偏析层中。
焊接时，由于熔池杂质的聚集，加之断弧点的熔池搅拦不够强烈等综合作用的结果，在焊缝收尾处
有时会出现裂纹，这种弧坑裂纹多半是由于弧坑偏析所引起的。
3．焊缝金属的二次结晶
一次结晶结束后，熔池金属就转变为固态的焊缝。
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。
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。
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。
4．焊接热影响区
(1)焊接热循环焊接过程中热源沿焊件移动，在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随时间变化的过程，称为该点的焊接热循环。
在焊缝两侧距焊缝远近不同的各点，所经历的热循环不同。
当热源向该点靠近时，该点温度随之升
高，直至达到最高值，随着热源的离开，温度又逐渐降低，整个过程可以用一条曲线来表示，叫热循环曲线。
加热速度、最高温度Tm、相变温度(TA)以上停留时间tA和冷却速度等焊接热循环的主要参数。
焊接热循环是焊接接头经历的特殊热处理过程，这种过程必然会造成焊接热影响区不均匀的组织和性能。
(2)焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区就是指在焊接过程中，母材因受热的影响(但未熔化)而发生金相组织和力学性能变化的区域。
焊接热影响区的组织和性能，基本上反映了焊接接头的性能和质量。
现以低碳钢和不易淬火钢(如16Mn、15MnV、
15MnTi等)为例，讨论其热影响区的组织和性能。
根据其组织特征可分为四个小区。
1)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。
即熔合线附近，又称半熔化区，温度处在铁碳合金状态图中固相线和液相线之间。
在靠近热影响区的一侧，其金属组织是处于过热状态的组织，塑性很差。
在各种熔化焊的条件下，这个区的
范围虽然很窄，甚至在显微镜下也很难分辨，但对焊接接头的强度、塑性都有很大的影响。
熔合区往往是使焊接接头产生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，在这样高的温度下，奥氏体晶粒严重长大，冷却以后就呈现为晶粒粗大的过热组织。
在气焊和电渣焊的条件下，在这部分组织中可以出现魏氏体组织。
过热区的塑性很低，尤其是冲击韧度降低20％～30％。
如果在焊接刚性较大的结构时，常会在过热区出现裂纹。
过热区的范围宽窄与焊接方法、焊接工艺参数和母材的板厚等有关。
气焊和电渣焊时比较宽；手弧焊和埋弧焊时比较窄；真空电子束焊时，过热区几乎不存在。
3)正火区正火区的温度范围约在Ac3～11OO℃之间。
钢被加热到Ac3以上稍高的温度后再冷却，将发生重结晶。
即常温时的铁素体和珠光体此时全部转变为奥氏体，然后在空气中冷却，使金属内部重新结晶，而获得均匀而细小的铁素体和珠光体晶粒。
因此，正火区的金属组织即获得相当于热处理时的正火组织，该区也可称为相变重结晶区或细晶区，其力学性能略高于母材。
4)不完全重结晶区该区处于ACl～Ac3之间温度范围内。
焊接时金属中的珠光体和部分铁素体转变为奥氏体，但历保留部分铁素体。
冷却时，奥氏体晶粒又发生重结晶过程，得到晶粒细小的铁素体和珠光体组织，而始终未转变为奥氏体的铁素体却长大了，变成了粗大的铁素体组织。
因此这个区域的金属组织是不均匀的，致使力学性能也不均匀，强度稍有下降。
除此以外，若母材焊接前经过冷加工出现塑性变形或由于焊接应力而造成的变形，将发生再结晶过程。
在金相组织上也有明显的变化，即存在着再结晶区。
如果焊接前母材未有塑性变形，那就不会发生再结晶现象，就没有再结晶区。
根据热影响区宽度的大小，可以间接判断焊接质量。
一般来说，热影响区越窄，则焊接接头中内应力越大，越容易出现裂纹；热影响区越宽，则对焊接接头力学性能不利，变形也大。
因此，在工艺上应在保
证不产生裂纹的前提下，尽量减小热影响区的宽度，这对整个焊接接头的性能是有利的。
热影响区宽度的大小取决于焊件的最高温度分布情况，因此，焊接方法对热影响区宽度的影响很大。
【课堂小结】
1、焊缝金属的一次结晶；
2、焊缝结晶过程中的偏析现象；
3、焊缝金属的二次结晶；
4、焊接热影响区；
【布置作业】
1、什么叫焊缝金属的一次结晶和二次结晶?
2、什么叫偏析?焊缝偏析有几种形式?偏析有什么危害?
【技能教学组织】
1、点名,检查学生出勤情况；
2、检查学生的劳保穿戴情况，并给予指正；
3、准备实习设备、材料及工具。
【示范指导】
1、了解焊缝金属结晶的过程；
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2、明确焊缝偏析的特点及技能的应用。
【巡回指导】
1、分组布置任务；
2、焊缝偏析的特点及技能的应用。
【结束指导】
1、课题技能掌握训练情况：
2、安全操作情况：
3、纪律情况：
4、卫生情况：
5、应注意的问题：
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