3.1 焊缝的成分、组织与性能

成分过冷constitutional supercooling
因合金的选 分结晶，已 结晶的固体 前沿低熔点 物质多，造 成成分过冷。
T
实际温度 实际结晶 温度
x
1）平面晶
当液相温度高于固相温度，温度梯度G很 大时，G不与实际结晶温度线T相交，因此不 出现成分过冷现象。此时结晶所释放的热量 向界面后方的固体散去，使结晶界面缓慢地 向前推移，结晶呈平面形态，称为平面晶。 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。
EBW
3）层状偏析
• 由于在熔池凝固中放出的结晶潜热和高温熔滴的过 渡周期性的变化，使得凝固界面的液体金属成分也 发生周期性的变化，因而造成了所谓层状偏析 ； • 层状偏析常集中了一些有害的元素，如碳、硫、磷 等，因而容易在偏析层出现焊接缺陷 。
气孔
焊缝金属的显微组织与性能
熔池各部位成分过冷不同，凝固形态也有所不同
1）显微偏析
• 焊缝金属在凝固过程中，先凝固的固相含 溶质浓度较低，后凝固的固相含溶质浓度 较高，并富集了许多杂质。 • 当焊缝的凝固呈胞状晶长大时，在胞状晶 体的中心溶质浓度最低，而在胞状晶相邻 的边界上，溶质浓度最高。
当固相呈树枝晶长大时，先凝固的树干含溶质 的浓度最低，后凝固的树枝含溶质浓度稍低，最后凝 固部分，也就是相邻树枝晶间的晶界上，溶质浓度最 高。是含有镍铬的合金结构钢枝枝晶内不同部位的镍、 铬和锰的分布。 m表示树枝中心，I表示树枝区域，A和M表示树 枝晶的晶界。
熔池金属结晶的形态 熔池凝固以非自发晶核为主 • 合金元素或杂质的悬浮质点 为了细化焊缝晶粒，有时在焊接材料中加 入一定的合金元素，如Mo、V、Ti、Nb等， 作为非自发晶核质点。 交互结晶 熔合区半熔化晶粒表面，在此表面上非自 发形核，形成所谓交互结晶，或称联生结 晶。
ห้องสมุดไป่ตู้
•
联生结晶
• 焊缝中的晶体形态主要是柱状晶和少量的 等轴晶。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。 • 合金结晶时，由于成分过冷，在过冷度不 是很大的情况下就可出现树枝状晶。 • 根据成分过冷理论，熔池结晶可能出现以 下五种形态。
3 焊接接头的 组织及性能
3.1 焊缝的成分、组织与性能
• 熔池 • 焊缝的成分 • 焊缝的组织 • 焊缝的性能
熔池的形状
熔池的形状和尺寸 与焊接规范有关。
L
L P2 q P2U I
P2:比例常数；
q: 电弧功率
q=IU
Hmax
Bmax
• 提高焊接电流，熔池的最大熔深 Hmax增加，最大宽度Bmax减小； • 提高焊接电压，熔池的最大熔深 Hmax减小，最大宽度Bmax增加；
焊缝的成分
• 熔合比
的比例 局部熔化的母材金属在焊缝金属中所占
d
Fb Fb F d
Fd
deposited metal
d不同时，即使采用 相同的焊材，焊缝的 成分亦不相同
base metal
Fb
通常填充金属的成分与母 材是不同的，特别是在异种接 头或合金堆焊时。当堆焊金属 的合金成分主要来自于填充金 属时，局部熔化的母材在焊缝 中的效果可认为是稀释。故熔 合比又称稀释率。
• 影响焊缝成分的因素
– 熔合比d d∝ I
d
v
– 通过焊丝、焊剂（药 皮）、母材渗合金时， 合金元素的过渡系数是 不同的，依次为：
母材、焊丝、焊剂（药皮）
I
v
– 焊缝成分的变化，常常是有益元素的烧损，有害杂 质的增多 如：Ｍn、Si、C↓ N↑27倍、Ｏ↑9倍、Ｈ↑1～2倍 – 焊接方法及焊接工艺规范 电弧气氛的氧化性，保护气体，规范参数I、U、v 如：I↑烧损↑， 埋弧焊Ｉ从150↑180A，则[Mn]w从0.57%↓0.40%
焊缝的组织
• 焊缝是由熔池凝固结晶形成的； • 焊缝形成后还会发生固态相变； • 焊缝的组织由熔池的凝固结晶过 程和焊缝的固态相变过程决定。
熔池结晶的特点
熔池的体积小，冷却速度大 在一般电弧焊条件下，熔池的体积最大 只有30cm3, 质量不超过100g，冷却速度平均 为4~100℃/s。 因此，对于含碳量高、含合金元素较多 的钢种，易产生淬硬组织。由于冷却很快， 温度梯度大，使焊缝中柱状晶得到很大的发 展。 1.
T
实际温度 实际结晶 温度
x
2）胞状晶
当温度梯度G与实际结晶 温度T相交较少时，即具 有较小的成分过冷，便出 现胞状结晶。此时因平面 结晶界面处于不稳定状态， 凝固界面长出许多平行束 状的芽胞伸入过冷液体内， 断面是六角形的胞状结晶 形态，如同蜂窝状。
3）胞状树枝晶
当成分过冷稍大时，界面上 凸起部分能够深入液体内部 较长的距离。与此同时，凸 起部分也向周围排出溶质， 于是在横向也产生了成分过 冷，这时从主干向横向伸出 短小的二次横枝形成树枝晶。 但由于主干的间距较小，所 以二次横枝也比较短，这样 就形成了特殊的胞状树枝晶。
熔池中的液态金属处于过热状态 对于低碳钢或低合金钢来讲，在一般电 弧焊条件下，熔池的平均温度可达 1700±100℃ ， 而 熔 滴 温 度 更 高 ， 为 2300±200℃。由于液态金属的过热度较大， 合金元素的烧损比较严重，熔池非自发晶核 的质点大为减少，也促使焊缝柱状晶的发展。 2.
熔池在运动状态下凝固 在热源作用下，熔池的前半部熔化的同 时，熔池的后半部开始凝固。同时，熔池是 随着焊接热源一起运动的。此外，在焊接条 件下，熔池在各种力的作用下被搅拌，这对 于排除气体、夹杂及焊缝成分均匀化都是有 利的。 3.
• 不考虑焊接冶金反应的焊缝成分计算 x w
0
焊缝中某种元素的浓度为
x w
0
x w
0
d x b 1 d
母材中该元素的浓度
x d
x b
x d
焊接材料中该元素的浓度
• 焊缝实际成分
x w
因为焊接冶金反应，焊材中的合金元素会 有一定量的损失，熔池中熔化的母材也会 有烧损。故有元素的过渡系数μ
影响结晶形态的主要因素有合金中溶质的浓 度C0(成分过冷)、晶粒长大速度R(结晶速度)、 和液相中的温度梯度G 等轴晶
溶质浓度
等轴晶
柱 状 晶
平面晶
G R
焊缝金属中的化学不均匀性
由于熔池结晶过程中，冷却速度很 大，合金元素来不及扩散均匀，带来了 焊缝金属化学成分的不均匀性，即出现 所谓偏析现象。 • 显微偏析 • 区域偏析 • 层状偏析

x w x w
0
x w
d x b 1 d

x d
凡是对氧亲合力大的元素， μ则小。 1800 ℃时各元素对氧的亲合力顺序为：
Al-Zr-Mg-C-B-Ti-Si-V-Mn-Nb-Cr-Fe-Mo-W-P-S-Co-Ni-Cu
活性元素 惰性元素
I A m M
2）区域偏析
• 在焊缝凝固时，由于柱状 晶不断长大推移，把溶质 和杂质推向熔池的中心部 位，使最后凝固部位产生 较严重的区域偏析。 • 在焊速较大时，成长的柱 状晶最后都在焊缝中心附 近相遇，使焊缝中心出现 溶质和杂质的偏析，在焊 接应力作用下，将会导致 焊缝纵向裂纹的产生。
SMAW
凝固形态对焊缝的力学性能有很大的影响。粗大的 柱状晶会降低焊缝金属的强度和韧性。
细晶
粗晶
ak
粗大柱 状晶
温度
低碳钢焊缝晶粒大小对冲击韧性的影响
改善凝固组织，防止粗晶的主要措施
• 变质处理 焊接时，通过焊接材料向熔池中加入某些 能细化晶粒的合金元素，如Nb、V、Ti、B、 Mo、Re等，可使焊缝晶粒细化，提高强度和 韧性以及抗裂性能。 • 振动凝固 通过振动熔池可以破坏成长的晶粒，达到 细化晶粒的目的。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。
4）树枝状晶
当成分过冷进一步增大时， 即温度梯度G，与实际结 晶温度T相交的面积很大 时，在一个晶体内除产生 一个很长的主干之外，还 向四周伸出二次横枝，因 而形成了明显的树枝结晶。
5）等轴晶
当液相中的温度梯度G很小，能在液相中形成很宽的 成分过冷区，此时不仅在结晶前沿形成树枝晶，同 时也能在液相内部生核，产生新的晶粒，这些晶粒 的四周不受阻碍，可以自由生长，形成等轴晶。