第三章 焊接熔池和焊缝

焊接熔池和焊缝
主要内容 焊接熔池的结晶特点 焊接熔池的结晶形态
焊 接 冶 金
焊缝相变组织
焊缝组织和性能的控制
焊接熔池和焊缝 —— 焊缝相变组织
低碳钢焊缝的相变组织
铁素体和珠光体
焊缝具有较低的含碳量，相变后由铁素体和少量的珠光体组成，铁素 体在原奥氏体边界析出，其晶粒十分粗大，不同冷速晶粒尺寸不同。冷速 越快，珠光体越多，组织细化，显微硬度增高。多层焊或焊后热处理可破 坏柱状晶，得到细小的铁素体和少量容 焊接熔池的结晶特点 焊接熔池的结晶形态
焊 接 冶 金
焊缝相变组织
焊缝组织和性能的控制
焊接熔池和焊缝 —— 焊接熔池的结晶特点
同铸造凝固一样，熔池的结晶过程也是晶核的形成和长大过程， 由于凝固条件的巨大差异，使焊接熔池的结晶过程表现出非平衡结 晶、联生结晶和竞争成长以及成长速度动态变化的特征
的周期性波动。
焊接熔池和焊缝
主要内容 焊接熔池的结晶特点 焊接熔池的结晶形态
焊 接 冶 金
焊缝相变组织
焊缝组织和性能的控制
焊接熔池和焊缝 —— 焊接熔池的结晶形态
熔池结晶形成的固态焊缝中主要存在两种晶粒，柱状晶粒和少量 的等轴晶粒。柱状晶粒是通过平面结晶，胞状结晶，胞状树枝结晶 或树状结晶所形成。等轴晶粒是通过树枝状结晶形成的。
焊接熔池和焊缝 —— 焊接熔池的结晶特点
速度和方向动态变化
结晶速度的表达式
设任意晶粒主轴、任意点的结晶等温面 法线方向与焊接方向的夹角为a， 晶粒成长 方向与焊接方向直接的夹角为b, 在dt时间内， 熔池边界的结晶等温面从t时刻的位置一段 到t+dt时刻的位置，晶粒成长速度为R，焊 接速度为v，
焊 接 冶 金
焊 接
非平衡的动态结晶
熔池体积小、冷却速度大 熔池过热、温度梯度大 熔池在动态下结晶
熔池中金属的结晶和熔化是 液态金属处于过热状态，低 熔池体积小，周围被大体积 碳钢焊接熔池的平均温度为 同时进行的，结晶前沿随焊接热 的母材金属所包围，熔池界面导 1870 源而移动，而且焊接条件下各种 ℃，高于铸造的1550℃。由 热条件好，故冷却速度快，平均 于熔池体积小且温度高，使得熔 力的作用使正在结晶的熔池受到 值可达 100℃/s，为铸造的104倍。 池边界的温度梯度很大，比铸造 激烈的搅拌，有利于气体的排除， 高碳钢及多数合金钢易出现淬硬
晶粒在开始成长时，成长方向 与焊接方向垂直，成长速度最小， 接近于零。 晶粒成长到最后时，其成长方 向与焊接方向一致，成长速度最 大，接近焊接速度。 成长由垂直于焊接方向逐渐 转向焊接方向，成长速度由零逐
焊 接 冶 金
渐增大到焊接速度。
焊接熔池和焊缝 —— 焊接熔池的结晶特点
焊接速度的影响
焊接速度越大，晶粒成长的方向角越大， 晶粒越向垂直于熔池中心线的方向成长，从而 形成垂直于焊缝中心线的柱状晶，反之，焊接 速度小，晶粒成长方向可以由90逐渐变小，并 达到最小值，从而形成弯曲的晶粒
焊接熔池和焊缝 —— 焊缝中的结晶组织
条件对结晶结晶组织的影响
对结晶组织起控制作用的成分过冷受WRG的影响，WRG是中间 参量，它们由焊接条件决定，如焊接材料，焊接方法，焊接工艺及焊 接结构
焊 接 冶 金
焊接速度为50 mm/min，焊接电流由150A增加到300A直至450A， 焊缝的结晶组织有胞状晶变成胞状树枝晶直至粗大的胞状树枝晶。若电 流为300A，焊接速度由50 mm/min增加到100 mm/min时，焊缝的结晶组 织由胞状树枝晶变成细小的胞状树枝晶。 ZM6 铸造镁合金进行 TIG焊，焊缝组织为等轴晶。 电子束对 Fe15Cr15Ni 单晶焊接，柱状树枝晶和等轴晶 4047 铝焊丝焊接 1100铝是，平面晶，胞状晶和树枝晶
铁素体
针状 (AF)
形成温度比侧板条铁素体低， 500℃，中等冷却速度下，在原奥氏体 晶内以针状生长的铁素体，宽度2 mm, 长宽比3-5之间，以某些弥散氧化或氮 化物为核心，呈放射性成长，使形成 的针状铁素体相互制约而不能自由生 长，位错密度更高，位错之间相互缠 结，分布不均匀，屈服强度<550 MPa, 175-225 HV, 针状铁素体的增加可显 著改s善焊缝的韧性
焊 接 冶 金
等温线变窄短 范围变小，形状细长
焊接熔池和焊缝 —— 焊接熔池的结晶特点
焊接速度的影响
在焊接热源功率一定的情
焊 接 冶 金
况下，焊接速度增大时，晶
粒的成长速度增大，而且成 长速度的增长率也增大。 以上讨论的晶粒成长过程 中晶粒主轴的平均成长速度， 由于溶解结晶复杂，速度还 随结晶潜热释放和热源作用
金
焊接熔池和焊缝 —— 焊接熔池的结晶形态
树枝状结晶
当固液界面前 方液相中温度梯 度的进一步减小， 液相温度曲
线与结晶温度曲线相交距离进一步增大，从 而形成的较大的成分过冷区，晶体成长速度 更快，在一个晶粒内部除产生一根很长的主 干外，还向四周长出很多的二次横枝，甚至 二次横枝上还长出三次横枝，这些横枝不断 长大，直至临近横枝接触为止。形成典型的 树枝晶。
焊接熔池和焊缝 —— 焊接熔池的结晶形态
胞状结晶
当固液界面前方液 相中的温度梯度较大时， 液相温度曲线与结晶温 度曲线在短距离内相交， 形成较小的成分过冷， 在此条件下，平
面结晶界面处于不稳定状态，其上长出 许多平行束状芽胞，凸入过冷的液相， 向前生长，于是在晶粒内部形成相互平 行的胞状亚晶，其断面为六角形。
焊接熔池和焊缝 —— 焊接熔池的结晶特点
竞争生长
每一个结晶点阵都存在一个 结晶速度最快的最优结晶取向， 而且温度梯度的方向对结晶速度 有极为重要的影响。
焊 接 冶 金
在熔池结晶过程中，不同方
向上的成长趋势各不相同，只有 最优结晶取向与温度梯度最大的
方向相一致的晶粒才能持续成长，
并一直长到熔池中心，反之，则 终止。
焊 接 冶 金
焊接熔池和焊缝 —— 焊缝相变组织
焊 接 冶 金
焊接熔池和焊缝 —— 焊接熔池的结晶形态
胞状树枝结晶
焊 接 冶
随固液界面前方液相中温度梯度的减小，液相温度曲线与结晶温 度曲线相交距离增大，形成的成分过冷区增大，晶体成长加快，胞状 晶前沿更向液相中凸出，并在深入液相内部较长的距离，同时，凸出 部分也向周围排除溶质，使其横向也产生成分过冷，在主干上的横向 长出短小的二次分枝。由于主干间距较小，二次分枝较短从而形成特 殊的胞状树枝晶。
焊 接 冶 金
夹角或晶粒成长方向与焊接方
向的夹角，因此 通称为晶粒 成长的方向角，由于熔池边界
上不同位置处的等温面法线方
向不同，因而晶粒成长过程中 其成长方向在不断发生变化， 成长速度也在变化。
焊接熔池和焊缝 —— 焊接熔池的结晶特点
成长速度和方向的变化
v cos a R v cos a v cos b cos(a b )
焊 接 冶 金
焊接熔池和焊缝 —— 焊接熔池的结晶形态
等轴结晶
焊 接 冶
当固液面前方液相中的温度梯度很小时，液相温度曲线与结晶 曲线在很远处相交，从而液相中形成很大的成分过冷区。此时不但 在结晶前沿出现树枝状结晶，而且在溶液内部也能产生新的晶核， 由于晶核周围所处状态相同，可以自由生长，形成了几何形状几乎 对称的等轴晶粒.
金
焊接熔池和焊缝 —— 焊接熔池的结晶形态
熔池的结晶形态却决于过冷度，成分过冷度的增加，依次出现，平 面晶，胞状晶，胞状树枝晶，树枝晶和等轴晶等结晶形态。由于成分过 冷主要受熔池金属中溶质含量W，熔池结晶速度R和液相温度梯度G的 影响，可以从的综合作用来考察结晶形态。
焊 接
当 R, GR 一定，增加 W， 当 W, 一定，增加 当W, G一定，增加 过冷程度增加，结晶形态 G，过冷程度减小， R，过冷程度增加，结 由平面依次过渡到胞状晶， 结晶形态由等轴晶依 晶形态由平面依次过渡 胞状树枝晶，树枝晶和等 次过渡到树枝晶，胞 到胞状晶，胞状树枝晶， 轴晶 状树枝晶，胞状晶和 树枝晶和等轴晶 平面晶。
冶 金
焊接熔池和焊缝 —— 焊接熔池的结晶形态
焊缝的结晶组织
结晶组织分布
焊接熔池中，不同部位具有不同的温度梯度和结晶速度，因而具有不同的 过程成分，出现不同的结晶形态，从而在焊缝中形成分布不同的结晶组织。
焊 接 冶 金
熔池的边界，由于G大，R小， 难形成过冷，多以平面晶形态生长。 向焊缝中心生长，G减小，R增大， 溶质含量增加，成分过冷区也加大， 结晶形态依次变化，到中心附件时， G最小R最大，溶质质量最高，成分 过冷显著，出现等轴晶
焊 接 冶 金
焊接熔池和焊缝 —— 焊缝相变组织
魏氏组织
在发生过热的低碳钢焊缝中，出现塑性和韧性很差的魏氏体 组织，它是在含碳量和冷速在一定范围内产生，易在粗晶奥氏体 内形成。 魏氏体组织是铁素体在原 奥氏体晶界成网状析出，从原 奥氏体晶粒内部沿一定方向呈 长短不一的针状或片状析出， 直接插入珠光体晶粒中，魏氏 体组织由先共析铁素体，侧板 条铁素体和珠光体混合而成的 多相组织。
焊 接 冶 金
焊接熔池和焊缝 —— 焊缝相变组织
低合金钢焊缝的相变组织
随焊缝化学成分和冷却条件的变化，低合金钢焊缝中可能形成铁素体， 珠光体，贝氏体及马氏体相变组织，它们呈现多种形态。
焊 接 冶 金
焊接熔池和焊缝 —— 焊缝相变组织
铁素体
先共析 (GBF)
晶界铁素体，焊缝冷却到 770-680℃的较高温度区，沿奥氏 体晶界首先析出的铁素体，其形 态可以是沿晶扩展的长条形，或 沿晶分布的块状多边形。合金含 量越低，高温停留时间越长，冷 却速度越慢，先共析铁素体数量 越多。为低屈服点的脆性相，使 焊缝金属韧性降低
Rdt cos(a b ) vdt cos a
v cos a R v cos a v cos b cos(a b )
焊接熔池和焊缝 —— 焊接熔池的结晶特点
成长速度和方向的变化
v cos a R v cos a v cos b cos(a b )
在焊接速度一定条件下， 晶粒成长速度R仅取决于结晶 等温面法线方向与焊接方向的
焊接冶金学原理
主讲教师：刘宝忠
第三章
焊接接头的组织和性能
焊 接 冶 金
第三章 焊接接头的组织和性能
焊 接 冶 金
焊缝 熔合区 热影响区
第三章 焊接接头的组织和性能
主要内容 焊接熔池和焊缝 焊接热影响区
焊 接 冶 金
熔合区
第三章 焊接接头的组织和性能
主要内容 焊接熔池和焊缝 焊接热影响区
焊 接 冶 金
熔合区
焊接熔池和焊缝
焊 接 冶
焊接熔池与焊缝之间存在着内在的，必然的联系，焊 缝的组织和性能不仅取决于焊缝的相变行为，而受到焊接 熔池结晶行为的直接影响，
金
焊接熔池和焊缝
主要内容 焊接熔池的结晶特点 焊接熔池的结晶形态
焊 接 冶 金
焊缝相变组织
焊缝组织和性能的控制
焊 接 冶 金
结晶的典型形态
平面结晶
液相中的温度梯度很大时，液相温度曲线不与 结晶曲线相交，液相中不存在成分过冷区。由于界 面前方温度较高，一旦有向前凸出生成的晶芽，将 被较热的液态熔化。结晶过程只能以平面形式向前 推进，形成平滑的结晶界面。高纯金属的焊缝中， 温度梯度很高而结晶速度很小的焊缝边界内层。
焊 接 冶 金
焊接熔池和焊缝 —— 焊缝相变组织
铁素体
侧板条 (FSP)
焊 接
无碳贝氏体，形成温 度比先共析铁素体稍低， 700-550℃，从先共析铁素 体侧面以板条状向原奥氏体 晶内生长的铁素体，形状如 镐牙，长宽比20以上，内部 的位错密集度比先共析铁素 体高，使焊缝韧性明显降低。
冶 金
焊接熔池和焊缝 —— 焊缝相变组织
4倍，因此非自发晶核质点大 大 夹杂物的上浮以及焊缝的致密化。 10 组织，甚至产生裂纹。 为减少，柱状晶得到显著发展。
冶 金
焊接熔池和焊缝 —— 焊接熔池的结晶特点
联生结晶和竞争生长
联生结晶
焊 接 冶 金
熔池的结晶过程一般从熔池的边界开始，非自发晶核就依附在半 由于焊缝的柱状晶是从半熔化的母材晶粒开始生长的，其初始 熔化的母材晶粒表面上。以柱状晶的形式由半熔化的母材晶粒向焊缝中 尺寸等于焊缝边界母材晶粒的尺寸，因而可以预料在焊接热循环的 心成长，而且成长的取向与母材晶粒相同，从而形成联生结晶。 作用下，晶粒易过热粗化的母材，在焊缝柱状晶也发生粗化。