焊接熔池凝固ppt课件
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第二章 焊接熔池凝固
系统总自由能变化△G由 两部分组成，即体积自由 能（由△Gv引起）和阻碍 相变的表面自由能。
r*为临界晶核半径. 只有r＞ r*的晶核才 可成为稳定晶核.
液相中形成球形晶胚时自由 能变化
4
§2-1-1 晶核形成—自发形核
也称为均质形核，是指形核前液相金属或合金中 无外来固相质点，而从液相自身发生形核的过程。
§2-3 结晶形态与成分过冷
纯金属的结晶形态 (右图所 示)
合金的结晶形态
平面结晶 planar 胞状晶 cellular 胞状树枝晶 cellular dendritic 柱状树枝晶 columnar dendritic 等轴晶 equi-axed dendritic
合金的结晶形态除了受“热 过冷”影响外，还受“成分 过冷”的影响，且后者往往 更重要。
焊接速度一定时，随焊接电流增加，G减小 （G/R减小），结晶形态从胞状晶向树枝晶转变。
焊接速度㎜/S 150A
300A
450A
0.85 1.69 3.39
胞状晶 胞状晶 细胞状晶
6.77
很细胞状晶
Source:From Savage et al.
胞状树枝晶
粗大胞状树枝晶
细胞状树枝晶 粗大胞状树枝晶
动力学过冷
热过冷
△T
纯金属的结晶形态 11
§2-3-1 成分过冷
(Constitutional Supercooling)
凝固过程的溶质再分配引 起固-液界面前沿的溶质富 集（b图)，导致界面前沿 熔体液相线温度发生改变 的改变(c图)。
当界面前沿液相的实际温 度梯度小于界面处液相线 的斜率时，则出现过冷 （如图中“G2实际”）。
熔池在运动状态下结晶 结晶前沿随热源同步运动 液态金属受到力的搅拌运动 熔池金属存在对流运动
r*为临界晶核半径. 只有r＞ r*的晶核才 可成为稳定晶核.
液相中形成球形晶胚时自由 能变化
4
§2-1-1 晶核形成—自发形核
也称为均质形核，是指形核前液相金属或合金中 无外来固相质点，而从液相自身发生形核的过程。
§2-3 结晶形态与成分过冷
纯金属的结晶形态 (右图所 示)
合金的结晶形态
平面结晶 planar 胞状晶 cellular 胞状树枝晶 cellular dendritic 柱状树枝晶 columnar dendritic 等轴晶 equi-axed dendritic
合金的结晶形态除了受“热 过冷”影响外，还受“成分 过冷”的影响，且后者往往 更重要。
焊接速度一定时，随焊接电流增加，G减小 （G/R减小），结晶形态从胞状晶向树枝晶转变。
焊接速度㎜/S 150A
300A
450A
0.85 1.69 3.39
胞状晶 胞状晶 细胞状晶
6.77
很细胞状晶
Source:From Savage et al.
胞状树枝晶
粗大胞状树枝晶
细胞状树枝晶 粗大胞状树枝晶
动力学过冷
热过冷
△T
纯金属的结晶形态 11
§2-3-1 成分过冷
(Constitutional Supercooling)
凝固过程的溶质再分配引 起固-液界面前沿的溶质富 集（b图)，导致界面前沿 熔体液相线温度发生改变 的改变(c图)。
当界面前沿液相的实际温 度梯度小于界面处液相线 的斜率时，则出现过冷 （如图中“G2实际”）。
熔池在运动状态下结晶 结晶前沿随热源同步运动 液态金属受到力的搅拌运动 熔池金属存在对流运动
熔池凝固-吴正权.ppt
1.正温度梯度 在这种情况下由于液体金属的温度高， 过冷度小或为负，使伸入液体金属内部的晶体成长 缓慢，故形成平滑的晶界
2.负温度梯度 由于液体内部的温度比界面低，过冷 度大，因而伸入液体金属内部的晶体成长速度很快， 除了主干之外，还有分枝，形成所谓树枝状晶
（二）固溶体合金的结晶形态
由于温度过冷和成分过冷，因此合金结晶时不必很大 的过冷度就可以出现树枝状晶。而且随过冷的不同， 晶体成长亦出现不同的结晶形态。
（三）成分过冷对结晶形态的影响
过冷程度的不同，焊缝组织出现不同的形态：
1.平面结晶 当液相的正温度梯度结晶呈平面形态， 这种平面结晶多发生在高纯度的焊缝金属，如纯铌 板氩弧焊时，就是以平面结晶的形态进行长大。
2.胞状结晶 当温度梯度G与实际结晶温度T不少量的 相交，即具有较小的成分过冷的条件下，便出现胞 状结晶。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
熔池凝固过程对焊缝金属的组织、性能具有重要的 影响。焊接过程中，由于熔池中的冶金条件和冷 却条件的不同，可得到性能差异甚大的组织，同 时有许多缺陷是在熔池凝固的过程中产生，如气 孔、夹杂、偏析和结晶裂纹等。
第一节 熔 池 凝 固
一、熔池的凝固条件和特点
1．熔池的体积小，冷却速度大
二、熔池结晶的一般规律 熔池金属的结晶也是生核和晶核长大的过程。 （一）熔池中晶核的形成 晶核有两种：自发晶核和非自发晶核。 在焊接条件下，熔池中存在是合金元素或杂质的悬浮 质点和熔合区附近加热到半熔化状态基本金属的晶 粒，非自发晶核就依附在它们的表面上，并以柱状 晶的形态向焊缝中心成长。
熔合区母材晶粒上 成长的柱状晶
快速焊时柱状晶的成长 大焊速时焊缝的纵向裂纹
四、熔池结晶的形态
焊缝中的晶体形态主要是柱状晶和少量等轴晶。每个 柱状晶内还有不同的结晶形态（如平面晶、胞晶和树 枝状晶等），而等轴晶内一般都呈现树枝晶。这些柱 状或等轴晶内部的微观形状称为亚晶。 （一）纯金属的结晶形态 由于在纯金属凝固（结晶）过程中不存在化学成分变 化，因此整个液体中的凝固点为恒定的温度，而过冷 度的大小只决定于温度的梯度。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，例如 冷却速度越大，过冷度越大。
熔池凝固和焊缝固态相变ppt课件
41
碳迁移过渡层的形成
是α类钢(体心立方 的珠光体钢)与γ类 钢(面心立方的奥氏 体钢)焊接时出现的 一种熔合区碳迁移 现象。
碳在α—Fe中的扩散活 动能力均比在γ—Fe中 大得多
42
43
晶界液化现象
在近缝区，特别是在半熔化区，常可因下一些过 程而促使产生化学不均匀性。
晶界发生迁移，从而使最易扩散活动的物质(C， S，P等)易于被推动而析集干晶界；
2、宏观偏析（区域偏析）
指焊缝边缘到焊缝中心，宏观上的成分不均 匀性，焊缝金属以柱状晶长大，把杂质推向 熔池中心，中心杂质浓度逐渐升高，使最后 凝固的部位发生较严重的偏析.
32
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结晶层。 1）特征 （１）晶粒主轴与层状线垂直, 越先靠近熔合 线处越清析，远离熔合线不清晰，线距越宽。 (2)层状线与熔合线轮廓相似，但层与层的间 距并不相等。
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。
9
焊接熔池边界正是固 液相的相界面，熔池边 界的部分熔化的母材晶 粒表面完全可能成为新 相晶核的“基底” ， 非均匀生核，焊缝金属 呈柱状晶形式与母材相 联系，好似母材晶粒外 延长大。这种依附于母 材晶粒现成表面而形成 共同晶粒的凝固方式， 称为外延结晶或联生结 晶。
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。
13
14
碳迁移过渡层的形成
是α类钢(体心立方 的珠光体钢)与γ类 钢(面心立方的奥氏 体钢)焊接时出现的 一种熔合区碳迁移 现象。
碳在α—Fe中的扩散活 动能力均比在γ—Fe中 大得多
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晶界液化现象
在近缝区，特别是在半熔化区，常可因下一些过 程而促使产生化学不均匀性。
晶界发生迁移，从而使最易扩散活动的物质(C， S，P等)易于被推动而析集干晶界；
2、宏观偏析（区域偏析）
指焊缝边缘到焊缝中心，宏观上的成分不均 匀性，焊缝金属以柱状晶长大，把杂质推向 熔池中心，中心杂质浓度逐渐升高，使最后 凝固的部位发生较严重的偏析.
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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结晶层。 1）特征 （１）晶粒主轴与层状线垂直, 越先靠近熔合 线处越清析，远离熔合线不清晰，线距越宽。 (2)层状线与熔合线轮廓相似，但层与层的间 距并不相等。
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。
9
焊接熔池边界正是固 液相的相界面，熔池边 界的部分熔化的母材晶 粒表面完全可能成为新 相晶核的“基底” ， 非均匀生核，焊缝金属 呈柱状晶形式与母材相 联系，好似母材晶粒外 延长大。这种依附于母 材晶粒现成表面而形成 共同晶粒的凝固方式， 称为外延结晶或联生结 晶。
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。
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焊接冶金原理04熔池凝固与焊缝组织2课件
➢ G.R表征了凝固过程的冷却速率，影 响微观组织的尺度；
➢ 一个G/R值对应着一个结晶形态，随 G/R减小，凝固结晶形态由平面晶顺 序向胞状晶、树枝晶和等轴晶转变；
➢ 一个G.R值对应着一个结构尺度，随 G.R增大，微观组织尺度减小（细 化）。
G和R对凝固显微结晶形ห้องสมุดไป่ตู้和尺度的影响
➢ 焊接线能量恒定条件下，随焊 接速度增大，熔池结晶速率R将 增大、熔池边界温度梯度尤其 是熔池中心线附近边界温度梯 度G趋于减小，G/R值减小，焊 缝中心更容易出现等轴晶；
a
b
焊接速度对纯铝钨极氩弧焊焊缝组织的 影响：(a) 250mm/min；(b) 1000mm/min
4.3.3 焊缝凝固组织的调控
在组织形态上，柱状晶对焊缝性能不利，而等轴晶组织有利于获得 良好的强韧性；在结构尺度上，焊缝的显微组织越细小，焊缝综合性能 越好。为了获得良好的焊缝性能，一般希望焊缝凝固组织为细小的等轴 晶组织。
的显微结构依次为：平面晶、胞状晶、树枝晶； ➢ 所有的显微结晶形态不一定全部存在，有时柱状晶可以一直生长到焊
缝中心，而无等轴晶； ➢ 柱状晶主轴方向是弯曲的。
焊缝组织与熔池凝固行为的关系
T2紫铜埋弧焊接头平面结晶形成 的柱状晶
AISI 304 与 Inconel 600激光焊焊 缝胞状晶
AISI 316L 奥氏体不锈钢埋弧焊 焊缝胞状树枝晶
(a)
(b)
(c)
Ti的添加量对Al-2.5%Mg合金钨极氩弧焊焊缝组织的影响， (a) 0.005% Ti, (b) 0.011%Ti, (c) 0.029%Ti
(a)
(b)
合金元素Zr对7020 Al–Zn–Mg合金钨极氩弧焊焊缝组织的影 响[29]：(a)未做变质处理;(b) 添加0.5% Zr变质处理
焊接熔池凝固范本.ppt
振动方式主要有机械振动、超声振动和电磁振动。
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
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
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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
焊接熔池凝固
因此，晶粒的成长方向也 垂直于结晶等温面。
熔池在结晶过程中晶粒成长的方向与晶粒主轴成 长的线速度及焊接速度等有密切关系。
ds dx cos ds dx cos
dt dt
vc v cos
晶粒成长的平均线速度，在一定焊接速度下，主要决 定于cosθ ， cosθ 决定于焊接规范和被焊金属的 热物理性质。
2
3cos 4
cos2
θ =0°时，EK′=0，现成表面； θ =180°，EK′=EK，只能自发形核； θ =0～180°时， EK′=（0～1）EK
研究表明：θ 角的大小决定于新相晶核与现成表面 之间的表面张力。新核与液相中原有现成表面固体粒 子的晶格结构越相似（点阵类型与晶格常数相似）， 之间的表面张力越小， θ 角越小。
焊接规范对晶粒成长方向及平均线速度均有影响 焊速↑，θ ↑， 晶粒主轴成长方 向越垂直于焊缝 中心线；相反， 主轴方向响非常 明显
实际上，结晶速度与熔池中析出结晶潜热、热源 作用的周期变化、化学成分的不均匀性、元素扩散等 密切相关。
沙马宁的研究指出： 晶粒成长的线速度围绕平 均线速度作波浪式变化， 且波浪起伏越来越小，趋 向平均速度。
结晶的一般规律：晶核形成和晶核长大。 熔池体积小，冷却速度大
熔池冷却速度 4～100℃/s；钢锭冷却速度（3～150）×10-4℃。 易形成淬硬组织；焊缝中柱状组织得到很大发展。 熔池中的液态金属处于过热状态 熔池平均温度可达1770±100℃，熔滴约为2300±200 ℃； 钢锭温度≤1550 ℃。
焊接条件下，熔池中存在的两种现成表面：合金 元素或杂质的悬浮质点；熔合区附近加热到半熔化状 态的基本金属的晶粒表面。
熔池在结晶过程中晶粒成长的方向与晶粒主轴成 长的线速度及焊接速度等有密切关系。
ds dx cos ds dx cos
dt dt
vc v cos
晶粒成长的平均线速度，在一定焊接速度下，主要决 定于cosθ ， cosθ 决定于焊接规范和被焊金属的 热物理性质。
2
3cos 4
cos2
θ =0°时，EK′=0，现成表面； θ =180°，EK′=EK，只能自发形核； θ =0～180°时， EK′=（0～1）EK
研究表明：θ 角的大小决定于新相晶核与现成表面 之间的表面张力。新核与液相中原有现成表面固体粒 子的晶格结构越相似（点阵类型与晶格常数相似）， 之间的表面张力越小， θ 角越小。
焊接规范对晶粒成长方向及平均线速度均有影响 焊速↑，θ ↑， 晶粒主轴成长方 向越垂直于焊缝 中心线；相反， 主轴方向响非常 明显
实际上，结晶速度与熔池中析出结晶潜热、热源 作用的周期变化、化学成分的不均匀性、元素扩散等 密切相关。
沙马宁的研究指出： 晶粒成长的线速度围绕平 均线速度作波浪式变化， 且波浪起伏越来越小，趋 向平均速度。
结晶的一般规律：晶核形成和晶核长大。 熔池体积小，冷却速度大
熔池冷却速度 4～100℃/s；钢锭冷却速度（3～150）×10-4℃。 易形成淬硬组织；焊缝中柱状组织得到很大发展。 熔池中的液态金属处于过热状态 熔池平均温度可达1770±100℃，熔滴约为2300±200 ℃； 钢锭温度≤1550 ℃。
焊接条件下，熔池中存在的两种现成表面：合金 元素或杂质的悬浮质点；熔合区附近加热到半熔化状 态的基本金属的晶粒表面。
焊接冶金原理04熔池凝固与焊缝组织2
Rn dt Vdt cos Rdt cos( )
整理得
V cos R coV cos
凝固速率R与焊接速度V的关系
R V cos
在焊缝中心线熔池边
界C点，R最大，而G
最小； 在焊缝两侧熔池边界
焊接线能量恒定时焊接速度对熔池固/液界面前沿温 度梯度及过冷度的影响：(a)低速焊接；(b)高速焊接
焊接工艺-焊接速度
焊接线能量大体相同， 随焊接速度增加，G/R 值减小；
焊接速度较低时基本没 有等轴晶，随焊接速度 增加，焊缝中心等轴晶 增加； 焊速较低时，焊缝中的 柱状晶是弯曲的，而焊 速较高时，焊缝中的柱 状晶基本是直的，且趋 于垂直焊缝。
所有的显微结晶形态不一定全部存在，有时柱状晶可以一直生长到焊
缝中心，而无等轴晶； 柱状晶主轴方向是弯曲的。
焊缝组织与熔池凝固行为的关系
T2紫铜埋弧焊接头平面结晶形成 的柱状晶
AISI 304 与 Inconel 600激光焊焊 缝胞状晶
AISI 316L 奥氏体不锈钢埋弧焊 焊缝胞状树枝晶
B点，R最小，而G最
大。
熔池后端边界上温度梯度G和凝 固速率R的分布示意图
从焊缝两侧熔池边界到焊缝中心线熔池边界，成分过冷的程度是增 大的； 在焊缝两侧熔池边界位置，几乎不存在成分过冷，而在焊缝中心线 熔池边界位置，成分过冷非常大。
在焊缝两侧熔池边界，由于基本不存在成分过冷，凝固结晶只能以 平面形态缓慢推进； 而在焊缝中心线熔池边界，由于过冷度非常大，凝固常常以等轴晶 （等轴树枝晶）形态进行； 从焊缝两侧熔池边界位置到焊缝中心线熔池边界位置，显微结晶形 态依次是平面晶、胞状晶、树枝晶和等轴晶等，在胞状晶和树枝状 晶之间，有时还会出现胞状树枝晶。其中，平面晶、胞状晶、胞状 树枝晶和树枝晶均呈现柱状晶形态。
整理得
V cos R coV cos
凝固速率R与焊接速度V的关系
R V cos
在焊缝中心线熔池边
界C点，R最大，而G
最小； 在焊缝两侧熔池边界
焊接线能量恒定时焊接速度对熔池固/液界面前沿温 度梯度及过冷度的影响：(a)低速焊接；(b)高速焊接
焊接工艺-焊接速度
焊接线能量大体相同， 随焊接速度增加，G/R 值减小；
焊接速度较低时基本没 有等轴晶，随焊接速度 增加，焊缝中心等轴晶 增加； 焊速较低时，焊缝中的 柱状晶是弯曲的，而焊 速较高时，焊缝中的柱 状晶基本是直的，且趋 于垂直焊缝。
所有的显微结晶形态不一定全部存在，有时柱状晶可以一直生长到焊
缝中心，而无等轴晶； 柱状晶主轴方向是弯曲的。
焊缝组织与熔池凝固行为的关系
T2紫铜埋弧焊接头平面结晶形成 的柱状晶
AISI 304 与 Inconel 600激光焊焊 缝胞状晶
AISI 316L 奥氏体不锈钢埋弧焊 焊缝胞状树枝晶
B点，R最小，而G最
大。
熔池后端边界上温度梯度G和凝 固速率R的分布示意图
从焊缝两侧熔池边界到焊缝中心线熔池边界，成分过冷的程度是增 大的； 在焊缝两侧熔池边界位置，几乎不存在成分过冷，而在焊缝中心线 熔池边界位置，成分过冷非常大。
在焊缝两侧熔池边界，由于基本不存在成分过冷，凝固结晶只能以 平面形态缓慢推进； 而在焊缝中心线熔池边界，由于过冷度非常大，凝固常常以等轴晶 （等轴树枝晶）形态进行； 从焊缝两侧熔池边界位置到焊缝中心线熔池边界位置，显微结晶形 态依次是平面晶、胞状晶、树枝晶和等轴晶等，在胞状晶和树枝状 晶之间，有时还会出现胞状树枝晶。其中，平面晶、胞状晶、胞状 树枝晶和树枝晶均呈现柱状晶形态。
焊接原理PPT电子教案课件-第四章 熔池凝固及焊缝固态相变
一. 低碳钢焊缝的固态相变组织
1.低碳钢固态相变组织
a.相变前为奥氏体，相变产物
为铁素体和少量珠光体。
b.化学成分相同的焊缝金属，
冷速越大，珠光体越多， 组织越细小，硬度越高。
铁素体一般首先沿原奥氏体边界 析出，勾划出凝固组织的柱状轮廓， 其晶粒十分粗大，一部分铁素体还具 有魏氏组织的形态。 如图4-19
焊接速度快
焊接速度慢
二.熔池的结晶形态
熔池的结晶形态与散热条件及金属纯度有关。宏观 焊缝为柱状晶组织，柱状晶中存在微观结构——亚晶 （亚结构）。
1. 纯金属的结晶形态
结晶形态受过冷度的影响，而过冷度的大小只取决于;Tl-s >Ts
晶体生长呈平滑的界面(平面晶)
图4-5a ,b
调整ψ ＝0.3～7 降低 v
（3）层状偏析 （宏观偏析）
焊缝的横、纵断面经浸蚀后，可看到明显的层状不均匀条纹。此 乃结晶过程的周期性而引起化学成分分布不均匀所致，称为层状偏 析。图4-17示
形成原因：
a.热的周期性作用——结晶潜热和熔滴过渡的附加热，造成结晶的 间歇性停顿； b.杂质元素在液相中的溶解度大于其在固相中的溶解度，造成杂质 从相向液相的扩散。
（2） ∆Tx＝Tx－G>0(较小），包状结晶。如图4-7示
结晶方向 母材 焊缝 液
G 温 度 x Tx
距固液界面的距离
(a) ∆Tx＝Tx－G>0 较小 b)胞状结晶形态
图4-7
（3）∆Tx＝Tx－G>0(稍大），包状树枝结晶。
凝固界面上凸起的部分深入液体内部较长的距离，且出 现较小的二次分枝。 如图4-8,4-9所示
3. 焊缝结晶形态及亚晶
图4-13
第07讲 金属的凝固-PPT精选
30
13
图2-23 焊缝的层状扁析
图2-24 层状扁析与气孔
（a） 手弧焊 （b） 电子束焊 （a） 熔池的横断面 （b）熔池的纵断面
30
14
2.4.2 焊缝组织 1、 焊接条件下的凝固形态 ❖ 由于熔池各部位成分过冷不同，凝固形态也有所不 同，图2-25示意地表示了焊缝凝固形态的变化过程。
图2-25 焊缝结晶形态的变化
焊接电流较小时，主要是胞状晶；
焊接电流较大时，主要是粗大的胞状树枝晶。
30
18
2、凝固形态对性能的影响 ❖ 粗大的柱状晶会降低焊缝金属的强度和韧性。 ❖ 图2-26所示为低碳钢碱性焊条焊接的焊缝，晶粒粗
细对冲击性能的影响。 ❖ 在稳定型奥氏体钢(如25-20型)焊接时，粗大柱状晶
是造成热裂纹的原因之一；同时对抗晶间腐蚀也 不利。
（2） 振动凝固
❖ 振动的方式主要有：低频机械振动、高频超声振 动和电磁振动等；
❖ 通过振动熔池可以破坏成长的晶粒，达到细化晶
粒的目的。
30
20
2.4.3 焊接熔合区 1、 熔合区的构成 ❖ 熔合区即焊接接头中焊缝向母材热影响区过渡的区 域。熔合区由半熔化区与未混合区两部分组成。
图2-27 熔合区的构成示意图
1—焊缝区（富焊条成分） 2—焊缝区（富母材成分）3—半熔化区
4—真实热影响区 5—熔合区
WI—实际熔合30线 WM—焊缝金属
21
❖ 半熔化区指焊缝边界固液两相交错共存的部位：
一是由于电弧吹力和熔滴过渡可能造成的坡口 熔化不均匀；
二是由于母材晶粒的取向不同所造成的熔化不 均匀；
三是母材各点熔质分布不均匀而形成的理论熔 点和实际熔点的差异所造成。
第二章 焊接熔池凝固
(b) 250 mm/min
19
问题
关于焊接熔池凝固：
自发形核起主要作用 以联生结晶为主 晶粒的长大具有选择性 结晶速度R与焊接速度的关系是：R＝V· cosθ 为防止凝固结晶裂纹，焊接速度不能太高
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§2-3 熔池结晶—结晶形态
动力学过冷
纯金属的结晶形态 (右图所示) 合金的结晶形态
细小的等轴晶 (a) 未搅拌 (b) 搅拌
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脉冲电弧
在脉冲电流的基值 阶段，热输入突然 减小，液态金属过 冷。 促使表面形核或异 质形核细化晶粒。
6061铝合金脉冲焊时的等轴晶 (9×).
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打破柱状晶的 方向性，并促 使异质形核
Arc oscillation（电弧摆动）
H m为熔化潜热, T Tm -T 称为过冷度.
过冷度为金属凝固的驱动力。 过冷度越大，相变驱动力 越大。
Gv
液态与固态自由能—温度的 关系
2
§2-1金属凝固热力学与动力学
凝固过程包括两个阶段：
1、晶核形成
均质形核（自发形核） 非均质形核（非自发形核）
2、晶核长大
形核的热力学阻力是固体-液体的界面能，即晶 核的表面能。
16
§2-3 熔池结晶—结晶线速度
R= v·cos 式中，R—晶粒成长的平均线速度 v —焊接速度 —焊接方向与熔池边界法线方向的夹角
cos 值取决于焊接参数和被焊金属的热物理性质。
在熔池边界（熔合线上） ∵ ＝90°，∴ R=0 在焊缝中心（Y＝0） ∵ ＝0 °，∴ R＝v.
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焊接速度对晶粒生长形态的影响
【材料成型原理--焊接】lesson three
侧板条铁素体（FSP）生成于700一500℃
由晶界向晶内扩展的板条状或锯齿状铁素体。其长 宽比在20：１以上。侧板条铁素体在低合金钢焊缝 中不一定总是存在，但出现的机会比母材多。
针状铁素体（AF）
出现于原奥氏体晶内的有方向性的细小铁素体．宽 约2μm左右，长宽比多在3：1以至10：1的范围内。 针状铁素体可能是以氧化物或氮化物(如TiO或TiN) 为基点，呈放射状生长，相邻AF间的方位差为大 倾角，其间隙存在有渗碳体或马氏体，多半是M－ A组元，决定于合金化程度。
1. 条件：焊接熔池的凝固条件与钢锭及铸件的凝固相比有如下特 点：
（1）熔池体积小，冷却速度快 （2）熔池液态金属过热严重 （3）熔池在运动状态下结晶 （4）母材金属有利于熔池结晶生核
2.特点
（1）熔池中晶核的生成
自发形核；非自发形核 焊接熔池中以非自发形核 为主： 合金质点
联生(交互) 结晶
（2）熔池中的晶核长大
焊缝中的柱状晶具有选择长大、弯曲生长的特点。
（3）熔池结晶线速度
Ｖc＝Ｖcosθ
Ｖc--晶粒生长平均线速度；Ｖ--焊接速度； θ--Ｖc与Ｖ的夹角。
• 研究表明：焊接速度V越大，θ越大，结晶生长方 向的曲线越接近直线，形成对生柱状晶。焊接速度 越小，晶粒生长方向越弯曲。
焊接速度对焊缝组织的影响 （a）焊速大 （b）焊速小
2.低合金钢焊缝的室温组织
低合金钢焊缝固态相变后的室温组织比低碳钢焊缝复杂得多。随 着含碳量及合金种类与含量的变化和冷却条件的不同，除铁素体和 珠光体外，还会出现不同形态的贝氏体和马氏体。以F为主，P、B、 M占次要地位。
•焊缝中铁素体的类型
粒界铁素体(GBF)(先共析铁素体PF)
是沿原奥氏体晶界析出的铁素体，先共析铁素体也 称晶界铁素体。有的沿晶界呈长条状扩展，有的以 多边形形状互相连结沿晶界分布。
由晶界向晶内扩展的板条状或锯齿状铁素体。其长 宽比在20：１以上。侧板条铁素体在低合金钢焊缝 中不一定总是存在，但出现的机会比母材多。
针状铁素体（AF）
出现于原奥氏体晶内的有方向性的细小铁素体．宽 约2μm左右，长宽比多在3：1以至10：1的范围内。 针状铁素体可能是以氧化物或氮化物(如TiO或TiN) 为基点，呈放射状生长，相邻AF间的方位差为大 倾角，其间隙存在有渗碳体或马氏体，多半是M－ A组元，决定于合金化程度。
1. 条件：焊接熔池的凝固条件与钢锭及铸件的凝固相比有如下特 点：
（1）熔池体积小，冷却速度快 （2）熔池液态金属过热严重 （3）熔池在运动状态下结晶 （4）母材金属有利于熔池结晶生核
2.特点
（1）熔池中晶核的生成
自发形核；非自发形核 焊接熔池中以非自发形核 为主： 合金质点
联生(交互) 结晶
（2）熔池中的晶核长大
焊缝中的柱状晶具有选择长大、弯曲生长的特点。
（3）熔池结晶线速度
Ｖc＝Ｖcosθ
Ｖc--晶粒生长平均线速度；Ｖ--焊接速度； θ--Ｖc与Ｖ的夹角。
• 研究表明：焊接速度V越大，θ越大，结晶生长方 向的曲线越接近直线，形成对生柱状晶。焊接速度 越小，晶粒生长方向越弯曲。
焊接速度对焊缝组织的影响 （a）焊速大 （b）焊速小
2.低合金钢焊缝的室温组织
低合金钢焊缝固态相变后的室温组织比低碳钢焊缝复杂得多。随 着含碳量及合金种类与含量的变化和冷却条件的不同，除铁素体和 珠光体外，还会出现不同形态的贝氏体和马氏体。以F为主，P、B、 M占次要地位。
•焊缝中铁素体的类型
粒界铁素体(GBF)(先共析铁素体PF)
是沿原奥氏体晶界析出的铁素体，先共析铁素体也 称晶界铁素体。有的沿晶界呈长条状扩展，有的以 多边形形状互相连结沿晶界分布。
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等温线
晶粒成长线速度分析图 结晶形态：弯曲柱状晶
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R= v·cos
式中，R—晶粒成长的平均线速度 v —焊接速度 —焊接方向与熔池边界法线方向的夹角
cos 值取决于焊接参数和被焊金属的热物理性质。 在熔池边界（熔合线上）
∵ ＝90°，∴ R=0 在焊缝中心（Y＝0）
∵ ＝0 °，∴ R＝v.
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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；
焊缝中柱状晶体的选择长大
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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
4
1.3 动态下凝固。
处于热源移动方向前端的母材不断熔化，连同过渡到 熔池中的焊丝熔滴一起在电弧吹力作用下，对流至熔池后 部。随热源的离去，熔池后部的液态金属立即开始凝固， 形成焊缝
1.4 对流强烈。
熔池中存在各种作用力，如电弧的机械力、气流吹力、 电磁力，以及液态金属中密度差别，使熔池中存在有强烈 的搅拌和对流，其方向一般趋于从熔池头部向尾部流动。
1
1.焊接熔池特征
熔焊时，焊接熔池的凝固过程与一些铸造时液态金属 凝固过程没有本质区别，因此，它也服从凝固理论的一般 规律。但焊接熔池的凝固过程还有自己的一些特点。
焊接时，在高温热源的作用下，母材发生局部熔化， 并与熔化了的焊丝金属混合形成熔池，同时进行短暂而复 杂的冶金反应。当热源离开后，熔池金属便开始了凝固。 如图2-56所示。因此，熔池具有下面一些特殊性。
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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。
所以焊接速度不宜过快， 尤其是焊接热裂纹敏感性 大的奥氏体钢和铝合金。
(a)焊接速度大 (b)焊接速度小
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2.5 结晶形态
枝晶间距越小，组织越细。 二次枝晶间距d2为：
1
d2
A
Ts RG
3
式中, Ts为非平衡凝固的温度区间,G R相当于冷却速度( C / 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。
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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；
纯金属的结晶形态 (右图所示) 合金的结晶形态
平面结晶 胞状晶 胞状树枝晶 柱状树枝晶 等轴晶
合金的结晶形态除了受“热过冷” 影响外，还受“成分过冷”的影 响，且后者往往更重要。
动力学过冷
热过冷
△T
纯金属的结晶形态 13
2.5.1 成分过冷
凝固过程的溶质再分配引起固 -液界面前沿的溶质富集（b 图)，导致界面前沿熔体液相 线温度发生改变的改变(c图)。
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
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。
当界面前沿液相的实际温度梯 度小于界面处液相线的斜率时， 是出现过冷（如图中“G2实 际”）L
K0<1
TS
液相浓度分布
C0
液相线温度
成分过冷形成的条件（液相 有限扩散）
14
2.5.2成分过冷的因素
由“成分过冷”判据公式：
G mLC0 (1 K0 )
Fusion boundary
(a) C103合金电子束焊熔 合线附近 (400×).
(b)采用4043 焊丝 (Al–5Si)焊接铸 态 Al–4.5Cu合金焊缝熔合线附近.
7
2.1.2 非联生结晶 当焊缝与母材晶体结构不同时，新的晶粒以半熔化区 的异质点形核。
沿熔合线新形 核的晶粒
熔合线
409型铁素体不锈钢（bcc)采用Monel(70Ni30Cu)焊材(fcc)，得到fcc焊缝
5
2.焊接熔池结晶
2.1 晶核形成
焊接条件下，非自发形 核的现成表面有：
液态金属中未熔化的 悬浮质点；
熔合区附近加热到未 熔化状态基本金属 （BM）的晶粒表面－ 联生结晶 (主要）；
联生结晶示意图
6
2.1.1 联生结晶（外延结晶） 依附于母材晶粒现成表面而形成共同晶粒的凝固方式
2
3
1.1 体积小，冷却速度大。
在一般电弧焊条件下，熔池体积最大仅可达到30cm3， 重量不超过100g。熔他的冷却速度一般可达4～100℃／s 远比一般铸件的冷却速度高。由于冷却很快，温度梯度大， 故焊缝中柱状晶得到充分发展。
1.2 过热温度高。
对一般低碳钢或低合金钢，熔池平均温度可达1770 ± 100℃，而熔滴温度更高，约为(2300±200) ℃。而一般 炼钢时，其浇注温度仅为1550℃左右。由于液态金属的过 热度较大，非自发形核的原始质点数将大为减少，这也促 使柱状晶的发展。
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。
G/ R
C0、R、G对晶体形貌的综 合影响示意图
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2.6 枝晶间距
枝晶间距是指相邻同次枝晶间的垂直距离。
一次枝晶（柱状晶主干）间距 二次枝晶间距
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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。