共需4學時第3章熔池凝固和焊縫固態相變主要內容：3.1熔池凝固3.2焊縫固態相變3.3焊縫中的氣孔、夾雜焊接熱過程焊接化學冶金過程焊縫結晶及焊接組織

焊接熱影響區的組織與性能焊接裂紋焊接冶金學主要內容焊接接頭形成

以熔化焊為例，焊接過程經過了加熱—熔化—冶金反應—結晶—固態相變—接頭焊縫熱影響區熔池凝固------形成焊縫熔池的固液相變（凝固）熔池的結晶過程焊縫的組織氣孔、夾雜、偏析、結晶裂紋焊縫的性能正常不正常（缺陷）3.1熔池凝固3.1.1熔池凝固的條件和特點3.1.2熔池結晶的一般規律3.1.3熔池結晶速度和方向3.1.4熔池結晶的形態3.1.5焊縫金屬的化學成份不均勻性3.2焊縫固態相變3.3焊縫中的氣孔、夾雜3.4焊縫性能的控制3.1熔池凝固3.1.1熔池凝固的條件和特點（與普通鋼鐵凝固相比較）（1）焊接熔池體積小，冷卻速度高；最大100g，平均4~100℃/s，約為鑄造的104倍。

淬硬傾向大、易開裂。（2）焊接熔池的液態金屬處于過熱狀態熔池1770±100℃;鋼錠<1550℃。冶金反應劇烈、燒損嚴重（3）熔池在運動狀態下結晶結晶前沿隨熱源同步運動，焊縫組織和外形規律性變化液態金屬受到力的攪拌運動，冶金反應充分魚鱗紋示意圖魚鱗紋實圖3.1.2熔池結晶的一般規律

焊接時，熔池金屬的結晶與一般煉鋼時鋼錠的結晶一樣，也是在過冷的液體金屬中，首先形成晶核和晶核長大的結晶過程。

形核的熱力學條件是過冷度而造成的自由能降低；

形核的動力學條件是自由能降低的程度。下面來分析焊接條件下有那些特點。1、熔池中晶核的形成熔池中晶核的生成分為：非自發晶核、自發晶核。形成兩種晶核都需要能量。（1）自發形核：σ：新相與液相間的表面能。ΔFK：單位體積內液固兩相自由能差。（2）非自發形核θ：非自發晶核的浸潤角f(θ)=0~1。如θ=10°，f(θ)=0.0017θ=0°,E’K=0,液相中存在懸浮質點和某些現成表面。形核容易。θ=180°,E’K=EK，只存在自發形核。形核較難。研究表明，焊接熔池結晶，非自發形核主導。接觸角基底形狀對臨界晶核的影響對臨界晶核的影響關于θ：

θ取決于新相晶核與現成表面之間的表面張力，若結構相似，表面張力越小,θ越小，濕潤性越好，形核需要能量越小。如果新相與母材屬于同一物質，則形核所需能量為0，即不需形核，直接長大。焊接條件下非自發形核：熔合區的液態金屬依附于母材晶粒表面長大，而形成同一晶粒，并以柱狀晶的形態向焊縫中心成長，即聯生結晶（起主要作用）。合金元素或雜質（一般作用不大）。如何細化晶粒？2.熔池中晶核的長大a聯生結晶起主導作用b當晶體最易長大方向（bcc，fcc<100>方向）與散熱最快方向（溫度梯度）相一致，最有利長大。不銹鋼自動焊時的聯生結晶3.1.3熔池結晶速度和方向

熔池的結晶方向和結晶速度對焊接質量有很大的影響，特別是對裂紋、夾雜、氣孔等缺陷的形成影響很大。熔池在結晶過程中晶粒成長的方向與晶粒主軸成長的線速度vc及焊接速度v有密切關系。晶粒主軸成長方向與結晶等溫面正交，并以彎曲狀向焊縫中心生長。ds

θ

dx圖晶粒成長線速度分析圖焊接工藝參數與θ（0~90°）關系：(熔池半橢球體假設）厚大件上快速堆焊：薄板上自動焊：結論：（1）晶粒成長的平均線速度是變化的，在熔合線上最小，在焊縫中心最大，vc=0～v。

Ky=1，cosθ=0,θ=90°,Vc=0,說明熔合區上晶粒開始成長的瞬間，成長的方向垂直于熔合區，晶粒成長的平均線速度等于零。

Ky=0，cosθ=1,θ=0°,Vc=V,說明晶粒成長到接觸X軸時，晶粒成長的平均線速度等于焊接速度，且方向一致。（2）焊接工藝參數對晶粒成長方向和平均線速度均有影響。當焊接速度越大時，θ角越大，晶粒主軸的成長方向越垂直于焊縫的中心線；相反，當焊接速度小時，則晶粒主軸的成長方向越彎曲。

3.1.4熔池結晶的形態符合一般結晶理論，本課程僅分析焊接中的特色部分。1、純金屬的結晶理論（1）正溫度梯度液相溫度高于固相溫度，且距界面越遠，液相溫度越高，稱為正溫度梯度，G>0。純金屬焊縫凝固時，屬于此類，是

平面晶。（2）負溫度梯度當距界面越遠液相的溫度越低，稱為負溫度梯度，G<0。由于過冷度大，晶體成長速度快，形成樹枝狀晶。a)G>0時的溫度分布b)G<0時的溫度分布c)G>0時的界面結晶形態d)G<0時的界面結晶形態2、固溶體合金的結晶形態合金結晶溫度與成分有關，先結晶與后結晶的固液相成分也不相同，造成固液界面一定區域的成分起伏，因此合金凝固時，除了由于實際溫度造成的過冷外(溫度過冷)，還存在由于固液界面處成分起伏而造成的過冷，稱為成分過冷。所以合金結晶隨過冷的不同晶體成長也不同。溫度TAT0T0’ω0ω0’液固前沿實際溫度T0’T=T0’+Gz與界面的距離zω0’ω0T0T0’溫度ω/%T0T0’與界面的距離zω/%（1）平面結晶產生條件：過冷度＝0，無成分過冷特征：平面晶（G正溫度梯度很大時）3、成分過冷對結晶形態的影響

根據過冷度不同，焊縫可出現五種結晶形態。(2)胞狀結晶產生條件：過冷度很小。特征：斷面六角形，細胞或蜂窩狀。（3）、胞狀樹枝結晶產生條件：過冷度稍大。特征：主干四周伸出短小二次橫枝，縱向樹枝晶斷面胞狀。（4）、樹枝狀結晶

產生條件：過冷度進一步增大。

特征：主枝長，主枝向四周伸出二次橫枝，并能得到很好的生長。（5）、等軸晶產生條件：過冷度大，溫度梯度小。特征：結晶前沿長出粗大樹枝晶，液相內，可自發生核，形成自由長大的等軸樹枝晶。正確結晶形態主要決定于合金中的溶質的濃度C0、結晶速度R和液相中溫度梯度G的綜合作用。等軸晶樹枝狀晶胞狀樹枝晶胞狀晶平面晶G/R1/2

C0

％

圖3－28C0、R和G對結晶形態的影響等軸晶樹枝晶平面晶G/R1/2

ω％

胞狀樹枝晶胞狀晶G、R、成分對結晶形態的影響溫度TAω0ω0’T0T0’與界面的距離z4、焊接條件下的凝固（結晶）形態(1)溫度梯度及結晶速度的影響（基本趨勢）

在焊縫的熔化邊界，由于溫度梯度G較大，結晶速度R又較小，故成分過冷接近與零，所以平面晶得到發展。向焊縫中心過渡時，溫度梯度G逐漸變小，而結晶速度逐漸增大，所以結晶形態由平面向胞狀晶、樹枝晶、等軸晶發展。

等軸晶樹枝狀晶平面晶G/R1/2

C0％

（2）純度的影響。99.99%99.96%等軸晶樹枝晶平面晶G/R1/2

C0

％

胞狀樹枝晶胞狀晶C0、R、G對結晶形態的影響純度

（3）工藝參數的影響

b焊接速度的影響。V↑，熔池中心出現等軸晶。V↓，熔合線附近出現胞狀樹枝晶。

c焊接電流的影響I小，G↑，胞狀晶I較大，胞狀樹枝晶I大，G↓，粗大樹枝晶等軸晶樹枝晶平面晶G/R1/2

胞狀樹枝晶胞狀晶G、R、成分對結晶形態的影響ω％

3.1.5焊縫金屬的化學成份不均勻性化學不均勻性：結晶過程中化學成分的一種偏析現象。（一）焊縫中的化學不均勻性1、顯微偏析：→枝晶偏析指晶粒邊界或一個晶粒內部亞晶界或樹枝狀晶的晶枝之間的偏析。焊縫熔合區

2、區域偏析（宏觀偏析）

指焊縫邊緣到焊縫中心，宏觀上的成分不均勻性，焊縫金屬以柱狀晶長大，把雜質推向熔池中心，中心雜質濃度逐漸升高，使最后凝固的部位發生較嚴重的偏析。※焊接速度過大時出現定向晶，焊縫中心易出現裂紋

3、層狀偏析（宏觀偏析）

由于化學成分分布不均勻引起分層現象。焊縫橫斷面經浸蝕之后，可以看到顏色深淺不同的分層結構。由部分熔化的母材和部分未熔化的母材組成的窄小區域，化學成分、微觀組織和力學性能不均勻，焊接接頭最薄若環節。1、熔合區的形成（1）理論（平滑）邊界 母材上TS<T<TL（2）實際（參差不齊）邊界熱源不均勻及晶粒散熱

不一致熔合區or線？（二）焊接熔合區與化學不均勻性2、熔合區的特征（1）幾何尺寸小熔合區的寬度估算：其中，A----------熔合區的寬度（mm）

---------溫度梯度(℃/mm)TL---------被焊金屬的液相線(℃)TS----------被焊金屬的固相線(℃)母材液固線溫度范圍越小，熔合區寬度越小。母材導熱性越差，熱源能量密度高，溫度梯度G大，熔合區小。比如，一般電弧焊，碳鋼低合金鋼：0.133~0.5mm；奧氏體鋼0.06~0.12mm區or線？TL-TSGSL（2）熔合區的化學成分不均勻，薄弱地帶熔合區是液固兩相共存的地方，嚴重化學不均勻性，性能下降。平衡凝固k0焊縫凝固k0線能量E=11.76kJ/cm結果（不同線能量下規律類似數值稍有差異）線能量E=23.94kJ/cm結果枝晶偏析引起的波動3.1熔池凝固3.2焊縫固態相變3.3焊縫中的氣孔、夾雜3.4焊縫性能的控制3.2焊縫固態相變對于具有同素異構轉變的焊縫金屬（例如鋼），焊接熔池完全結晶后形成的固態焊縫（一次組織），在隨后的連續冷卻過程中還將發生相變，從而形成相變組織（二次組織），即焊縫最終組織。對鋼鐵而言，相變組織主要取決于焊縫金屬的化學成分和冷卻條件。過冷奧氏體的連續冷卻轉變圖-即CCT曲線（復習）焊縫金屬連續冷卻組織轉變圖（簡稱WM-CCT圖）3.1熔池凝固3.2焊縫固態相變3.3焊縫中的氣孔、夾雜3.3.1焊縫中的氣孔3.3.2焊縫中的夾雜3.4焊縫性能的控制3.3焊縫中的氣孔和夾雜焊接缺陷：按照GB/T6417.1-2005《金屬熔化焊焊縫缺欠分類及說明》，焊接缺欠分為六類：裂紋、孔穴、固體夾雜、未熔合及未焊透、形狀缺陷（形狀和尺寸）、其他缺陷。焊接缺欠的存在是焊接結構失效的重要原因之一。裂紋、氣孔、夾雜對焊接結構至關重要又容易出現。冶金缺欠（2）氣孔的類型不同的分布方式，如內部的，表面的；單個的，密集的；析出的，反應的；按照產生氣孔的氣體種類，可分為氫氣孔、氮氣孔、CO氣孔。1、氣孔的類型及其分布特征（1）焊縫中氣孔產生的根本原因

a.高溫時金屬溶解了較多的氣體（H,N),凝固時來不及逸出。

b.焊接冶金反應產生不溶解氣體（CO),凝固時來不及逸出。3.3.1焊縫中的氣孔圖電渣焊焊縫的內部氣孔圖手弧焊的表面氣孔a.氫氣孔

特征：多出現在焊縫表面，斷面形狀多為螺釘狀，從焊縫表面看呈園喇叭口形，氣孔的四周有光滑內壁。有個別殘存在內部（輕金屬中），以小圓球狀存在。

產生原因：焊接過程中，熔池金屬吸收大量的氫氣，在冷卻和結晶過程中，氫的溶解度發生了急劇下降，熔池冷卻速度快，來不及逸出，殘存在內部，發生了氫的過飽和，使焊縫中形成具有喇叭口形的表面氣孔。氮氣孔一般較少，形成機理同氫氣孔。b.CO氣孔

特征：焊縫內部，條蟲狀，表面光滑。產生原因：冶金反應。CO不溶于液態金屬。在高溫時C被氧、氧化物氧化，CO以氣泡的形式猛烈地逸出。熔池結晶時FeO氧化C，vc↑，及樹枝晶凹陷處，CO不易逸出，為吸熱反應，促使結晶速度加快，CO形成氣泡不能逸出，沿結晶方向形成條蟲形內氣孔。2焊縫中的形成氣孔的機理氣孔的形成：氣泡生核——長大——上浮：

1）浮出：無氣孔

2）浮不出：氣孔（1）氣泡的生核具備條件：①液態金屬中有過飽和的氣體②要消耗一定的能量形成氣泡核的數目：在純金屬中n非常小，在極純金屬中形成氣泡核的可能性很小。

焊接熔池現成表面形核需要的能量：（固、液、氣三相）動力阻力結論：a）降低σ和提高Aa/A，Ep減少，比如氣泡依附在現成表面（樹枝晶凹陷處，母材尚未熔化晶粒表面）。

b）θ越大，形成氣泡核所需能量越小。阻力θ不同于凝固形核σ2.gθσ1.2σ1.g（2）.氣泡長大氣泡形成初期，r很小，附加壓Pc則很大，氣泡很難形成。焊接時，由于熔池內存在著很多現成表面，如柱狀晶粒和液態金屬相接觸的地方形成，這些地方由于界面張力的作用，氣泡成橢圓形，可以得到較大的曲率半徑r使Pc減小。忽略氣泡核脫離表面主要與氣泡---液體金屬---現成表面之間的表面張力有關。（3）、氣泡上浮

σ2.g

θσ1.2σ1.g2,液相

g,氣相

1,固相影響上浮因素：1）浸潤角θ當θ<90°，有利于氣泡上浮，氣泡形成的快，完全脫離現成表面。（氣泡與固體接觸面收縮趨勢大，固體表面對氣體吸附力小）當θ>90°,

由于形成細頸過程需要時間，若結晶速度＞氣泡脫離現成表面的速度，就會形成氣孔（氣泡與固體接觸面收縮趨勢小，固體表面對氣體吸附力大）保持θ不變2）結晶速度R較小時，氣泡有充分時間逸出，無氣孔，氣泡易上浮；

R大時，氣泡上浮時間短，可能殘余在焊縫內部。圖不同結晶速度對氣孔形成的影響a）小結晶速度，b）大結晶速度上有等軸晶阻擋，形成螺釘狀氣孔3）氣泡上浮速度3.影響生成氣孔的因素及防治措施（1）冶金因素的影響

a.熔渣氧化性

b.焊條藥皮和焊劑的影響

c.鐵銹及水分的影響（2）工藝因素（3）防治措施

a焊件去油、銹；

b烘干焊條；

c短弧焊3.3