第3章焊接接头的组织和性能

第3章焊接接头的组织和性能

★焊接熔池和焊缝焊

接熔池的结晶特点、结晶形态，焊缝的相变组织及焊缝组织和性能的控制。

★焊接热影响区

焊接热影响区的组织转变特点、组织特性及性能。

★熔合区

熔合区的边界，熔合区的形成机理，熔合区的特征

焊接熔池：由熔化的局部母材和填加材料所组成的具有一定几何形状的液态区域。

焊缝：熔池凝固后所形成的固态区域。

焊缝组织性能不仅取决于焊缝的相变行为，而且受到焊接熔池结晶行为的直接影响。

一.焊接熔池的结晶特点

(1)熔池体积小、冷却速度大

局部加热，熔池体积小；熔池被很大体积的母材包围，界面导热很好，熔池冷速很快。

碳当量高的钢种焊接时，易产生淬硬组织，甚至产生冷裂纹。

(2)熔池过热、温度梯度大

焊接加热速度快，熔池金属处于过热状态；熔池体积小，温度高，熔池边界的温度梯度很大。

非自发晶核质点显著减少，柱状晶得到显著发展。

(3)熔池在动态下结晶

熔池结晶和母材熔化同时进行，焊接区内各种力交互作用，使正在结晶中的熔池受到激烈的搅拌。有利于气体的排除、夹杂物的浮出以及焊缝的致密化。

2. 联生结晶和竞争成长

(1)联生结晶

焊接熔池结晶一般是从熔池边界开始，即在半熔化的母材晶粒表面上开始并长大。结晶取向与焊缝边界母材晶粒的取向相同，初始晶粒尺寸等于焊缝边界母材晶粒的尺寸。

结晶取向与焊缝边界母材晶粒的取向相同，初始晶粒尺寸等于焊缝边界母材晶粒的尺寸。

(2)竞争成长

晶粒在不同方向上的成长趋势不同，只有最优结晶取向与温度梯度最大的方向（即散热最快的方向，亦即熔池边界的垂直方向）相一致的晶粒才有可能持续成长，并一直长到熔池中心；反之，只能长到一定尺寸而中止

每个晶粒都是在不断的竞争中成长的，只有竞争优势明显的晶粒才能得到不断的成长，而竞争优势较弱的晶粒将在成长的中途夭折。

3. 结晶速度和方向动态变化

(1)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α，晶粒成长方向与焊接方向之间的夹角为β，在dt时间内熔池边界的结晶等温面从t时刻的位臵移到t+dt时刻的位臵。

(2)成长速度和方向不断变化

熔池边界上不同位臵的等温线的法线方向不同，晶粒成长过程中的成长方向不断变化，成长速度也在发生变化。

当晶粒由熔池两侧开始结晶一直成长到最后的过程中，晶粒成长的方向和速度均随结晶进程而动态变化，其成长方向由垂直于焊接方向逐渐转向焊接方向，而成长速度由零逐渐增大到焊接速度。

(3)焊接速度对成长速度和方向的影响

1)对成长方向的影响

焊接速度增加，焊接温度场范围变小，熔池形状变得细长，晶粒成长的方向角变大，晶粒越向垂直于熔池中心线的方向成长，易于形成垂直于焊缝中心线的柱状晶。

焊接速度较小时，晶粒成长的方向角可以由90º逐渐变小，并达到很小的数值，从而形成弯曲的晶粒。

2)对成长速度的影响

焊接热源功率一定时，焊接速度增大时，晶粒成长速度增大，成长速度的增长率增大。

在固态焊缝中主要存在两种晶粒（宏观）

柱状晶粒（平面结晶、胞状结晶、胞状树枝结晶、树枝状结晶）

等轴晶粒：树枝状结晶

二.焊接熔池的结晶形态

1. 熔池结晶的典型形态

(1)平面结晶

过冷条件：固-液界面前方液相温度梯度G 很大，液相温度曲线T不与结晶温度曲线T L相交，液相中不存在成分过冷区。

形成机理：固-液界面前方温度较高，一旦晶芽向前凸出生长，将被较热的液态金属所熔化，结晶过程只能以平面形式向前推进，从而形成平滑的结晶界面。

出现部位：平面结晶形态多发生在高纯度金属的焊缝中，或位于温度梯度很高而结晶速度很小的焊缝边界层内。

(2)胞状结晶

过冷条件：当G 较大时，T与T L在短距离x内相交，形成较小的成分过冷区。

形成机理：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，凸入过冷液相，并向前生长，于是在晶内形成了相互平行的胞状亚晶，其断面呈现六角形的胞状形态。

(3)胞状树枝结晶

过冷条件：随G的减小，T与T L相交的距离x增大，形成的成分过冷区增大。

形成机理：晶体成长加快，胞状晶前沿更向液相凸出，深入液相较长距离。同时，凸出部分向其周围排除溶质，使横向产生成分过冷，并在主干的横向上长出二次分枝。但由于主干的间距较小，因而二次分枝较短，从而形成了特殊的胞状树枝晶。

(4)树枝状结晶

过冷条件：当G 进一步减小时，T与T L相交的距离x进一步增大，形成较大的成分过冷区。

形成机理：晶体成长速度更快，在一个晶粒内除产生一个很长的主干外，还向四周长出很多二次横枝，甚至在二次横枝上还长出三次横枝。这些横枝不断长大，直至邻近横枝接触为止，从而形成典型的树枝晶。

(5)等轴结晶

过冷条件：当G 很小时，T与T L在很远处相交，从而在液相中形成很大的成分过冷区。

形成机理：不但结晶前沿出现树枝状结晶，而且在液相内也产生新的晶核。这些晶核周围所处状态相同，可以自由成长，从而形成几何形状几乎对称的等轴晶粒。

(6)综合分析

熔池的结晶形态取决于液相的成分过冷程度。随成分过冷程度的增大，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。成分过冷受到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，可直接从W、R和G的综合作用考察熔池结晶形态的变化规律。

溶质含量W的影响：在R和G一定的情况下，随W的增加，成分过冷程度增大，结晶形态将由平面晶依次过渡到胞状晶、胞状树枝晶、树枝晶和等轴晶。

结晶速度R的影响：当W和G一定时，R越快，成分过冷程度越大，结晶形态也将由平面晶依次过渡到胞状晶、胞状树枝晶、树枝晶和等轴晶。

温度梯度G的影响：当W和R不变时，G越大，成分过冷程度越小，结晶形态演变方向将变为由等轴晶依次过渡到树枝晶、胞状树枝晶、胞状晶和平面晶。

2. 焊缝中的结晶组织

(1)结晶组织的分布：焊接熔池中的不同部位，具有不同的温度梯度和结晶速度，因而具有不同的成分过冷，出现不同的结晶形态，形成分布不同的结晶组织。

焊缝边界

温度梯度G大，结晶速度R小，难于形成成分过冷，故多以平面结晶的形态成长。

过渡区域

随晶体逐渐远离焊缝边界而向焊缝中心生长，温度梯度G逐渐减小，结晶速度R逐渐增大，溶质含量逐渐增加，成分过冷区逐渐加大，结晶形态将依次向胞状晶、胞状树枝晶及树枝晶发展。

焊缝中心

在焊缝中心附近，温度梯度G变得最小，结晶速度R达到最大，溶质含量最高，成分过冷显著，可能导致等轴晶粒的形成。

三.焊缝的相变组织

对于有同素异构转变的焊缝金属，焊接熔池完全结晶后所形成的固态焊缝，在随后的冷却过程中将发生相的转变，从而形成相变组织，亦即焊缝最终的组织。

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F、珠光体P、贝氏体B及马氏体M等相变组织，而且它们会呈现出多种形态，从而具有不同的性能。