焊缝的结晶过程
裂纹分类-热裂纹讲解
(1)硫和磷 硫、磷几乎在各类钢中都会增高结晶裂纹的倾向，即使 是微量存在，也会使结晶区间大为增加。 硫和磷在钢中还能引起偏析。元素的偏析程度可 用下式表示：
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(2) 碳 碳在钢中是影响结晶裂纹的主要元 素，并能加剧其他元素的有害作用(如硫、 磷等)。国际上采用碳当量作为评价钢种 焊接性的尺度，可见碳的重要影响。
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以上仅从三个方面概要地讨论了冶 金因素对产生结晶裂纹的影响，它们之 间往往是相互影响、错综复杂的，有时 还是矛盾的。总之，对于结晶裂纹的机 理，影响因素等均须作进一步研究。
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(二)力学因素对产生结晶裂 纹的影响
产生结晶裂纹的影响因素是很复杂 的，但概括起来主要是冶金因素和力学 因素，二者之间既有内在的联系，又有 各自独立规律。对于各种情况下，产生 结晶裂纹的条件必须是冶金因素和力学 因素共同作用，二者缺一不可。
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是否产生结晶裂纹主要决定于 以下三个方面
a. 脆性温度区TB的大小 TB越大，由于焊缝收缩产生拉伸应力的作用时间也越 长，产生的应变量也越大，故产生结晶裂纹的倾向也 就越大。 TB大小主要决定于焊缝的化学成分、低熔共 晶的性质及分布、晶粒大小及方向性等。
b. 在脆性温度区内金属的塑性 在TB内焊缝金属的塑性越小，就越容易产生结晶裂纹。 c. 在脆性温度区内的应变增长率 在TB内，随温度下降，由于收缩产生的拉伸应力增大， 因而应变的增长率也将增大，这就容易产生结晶裂纹。
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(一)冶金因素对产生结晶裂纹 的影响
所谓纳晶裂纹的冶金因素主要是合 金状态图的类型、化学成分和结晶组织 形态等 1．合金状态图的类型和结晶温度区间
试验研究表明，结晶裂纹倾向的大小是随合金状态图结 晶温度区间的增大而增加。
金属熔焊原理 第二章 焊缝的组织和性能
一、熔池的形状和尺寸
熔池的形状类似于不标准的半椭球，其轮廓为温度等于母材熔 点的等温面。
熔池的宽度和深度沿X轴连续变化。电流增加熔池的最大宽度（Bmax）略增， 最大深度（Hmax）增大；随电弧电压的增加， Bmax增大， Hmax减小。
接触过渡
自由过
渣壁过
图2-4 熔滴的重力和熔滴的表面张力示意图 图 2-5 通有同方向电流的两根导 线的相互作用力 F1 -熔滴的重力 F2-熔滴的表面张力
图2-6 磁力线在熔滴上的压缩作用 p —电磁压缩力
图2-7 斑点压力阻碍熔滴过渡 的示意图
2-8焊条药皮形成的套筒示意图
焊接熔池的形成
第二章
焊缝的组织和性能
第一节 焊条、焊丝及母材的熔化
第二节 焊缝金属的一次结晶
第三节 焊缝金属的二次结晶 第四节 焊缝组织和性能的改善
第一节 焊条、焊丝及母材的熔化
焊条金属的加热
1) 电阻热：焊接电流通过焊芯时产生的电阻 热。 2) 电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量。 3) 化学反应热：药皮部分化学物质化学反应 时产生的热量。
3、液态金属与母材交界处，运动受限制， 化学成分不均匀。
焊缝金属的熔合比
熔合比：熔焊时，局部熔化的母材在焊 缝金属中所占的百分比。
A——熔化的母材 B——填充金属
图2-11 不同接头形式焊缝横截面积的熔透情况
图2-12 接头形式与焊道层数对熔合比的影响 I－表面堆焊 II－V形坡口对接 III－U形坡口对接 （奥氏体钢、焊条电弧焊）
比表面积（S）：熔滴表面积（A）与其质量（ρV） 之比，即S=A/ρV 。 设熔滴是半径为R的球体，则S=3/ρR。 熔滴越细其熔滴比表面积越大，凡是能使熔滴变细 的因素，都能加强冶金反应。
焊缝裂纹产生的原因
焊缝裂纹产生的原因
应力、拘束力、刚性、化学成分、焊缝预留的间隙、电流、焊道、母材清洁度等。
这些因素都可能是造成焊缝开裂。
虽然焊缝开裂原因很多，但在不同场合是多种因素造成，也有两种或三种因素造成的。
但不管几个因素，其中必有一个主要因素。
也有各种条件都没有什么影响，只受一个因素造成焊缝开裂。
因此出现焊缝开裂必须首先正确地分析出开裂的主要因素和次要因素，根据造成开裂的主要、次要因素采取相应措施进行解决。
焊接过程形成的焊缝是焊条和母材两者经过电流高温熔化后形成焊缝，是焊条和母材由固体变成液体，高温液体是热胀，冷却变成固体是收缩。
由于热胀冷缩，自然使焊接结构产生应力。
有些焊接结构本身就存有拘束力和刚性。
焊接过程是由固体变成液体，也就是由固态转变成液态（通常说铁水），再由液态变成固态，也就形成焊缝。
液态转变成固态（也就是铁水转变成晶粒）。
铁水变成晶粒的过程就是结晶过程。
母材温度低的位置先开始结晶，逐渐向焊缝中间位置伸展，焊缝中间最后结晶。
由于热胀冷缩的作用，焊接结构受应力或拘束力或刚性的影响，使母材晶粒连接不到一起，轻者在焊缝中间出现小裂纹，重者在焊缝中间出现明显的裂缝。
即使母材和电焊条的化学成分都好，受焊接结构的拘束力、刚性和焊接过程产生的应力影响，也会出现裂纹或裂缝。
如果母材和电焊条的化学成分不好（碳、硫、磷等偏高）；或是焊缝预留间隙太大，母材在焊缝边缘杂质过多，或电流过大，并且焊接速度过快、过慢、焊道过宽等因素会使焊缝开裂情况更要加重。
焊缝结晶过程
小结
根据热影响区的大小，可以间接判断焊接 质量。一般来说，热影响区窄的钢，焊接 接头中的内应力越大，越容易出现裂纹。 热影响区越宽，接头力学性能越不利，变 形也大。
因此，工艺上应保证不产生裂纹的前提下， 尽可能减小热影响区的宽度。
课题二 ：2—2
高级焊工工艺
焊缝结晶过程
焊缝金属从高温的液态冷却到常 温固态，经历过两次结晶过程。
第一次：
是从液相转变为固相的结晶过程；
第二次：
是在固相中出现同素异构转变的过程。
1· 一次结晶 由液态转变为固态的凝固 过程，也是晶体形成的过程。 它遵循金属结晶的一般规律。
即：生核和长大两个阶段。
焊接热影响区的组织和性能
（以低碳钢，Q235,Q345,16Mn为例）
熔合区： 熔合区是指在焊接接头中焊缝向热影响区 过渡的区域。
熔合 区附近又称半熔化区，是固相线和液 相线之间的区域。在此区域，金属组织 是处于过热状态的组织，其塑性差。是 产生焊接裂纹或局部脆性破坏的发源地。
《2》过热区
过热区所处的温度范围是在固相线以下 到1100℃左右的区间内。其特点是：奥 氏体晶粒严重长大，冷却以后呈现晶粒 粗大的过热组织。气焊或埋弧焊时易造 成魏氏体组织。
最先结晶中心轴的金属最纯， 后结晶的部分金属含有合金元素和杂质较高， 最后结晶的部分晶粒外缘和前端含合金与杂
质最高。
在一个柱状晶粒内部合金元素分布不均的现象 叫晶内偏析。
影响显微偏析的因素是化学成分分布不均， 而这个不均匀又与金属结晶的时间，结晶的 温度，结晶的区域不同有关。
其结果是：
1、结晶区间越大，越易产生偏析 2、对低碳钢影响较小 3、而高碳钢，合金钢结晶区间大，产生的偏析就严重。
焊缝金属的结晶
焊缝金属的结晶所有金属和合金在固态时一般都是晶体。
固态物质按其原子(或分子)的聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。
在晶体中，其原子(或分子)按一定几何规律作有规则的排列，而非晶体不具备这一特点。
通常把液态金属或合金冷却至熔点以下时转变为固态晶体的凝固过程称为结晶。
一般的金属和合金都是多晶体，金属表面经过磨光、抛光，并用硝酸酒精溶液腐蚀，然后在金相显微镜下观察，就可以发现它是由许多外形不规则的小晶体构成的，这些小晶体称为晶粒。
晶粒的大小、形状、分布直接影响着金属和合金的机械性能和其它的性能。
气焊时，在高温火焰的作用下母材局部熔化，并与熔化的焊丝金属混合而形成熔池，随着热源的推移，温度的降低，熔池金属开始凝固而形成焊缝。
由焊接熔池形成焊缝的结晶过程可以具体分为焊接熔池的一次结晶过程和焊缝金属的二次结晶过程。
一、焊接熔池的一次结晶过程焊接熔池从液态向固态的转变过程，称为焊接熔池的一次结晶。
焊接熔池的结晶是由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成的。
由于整个熔池温度分布是不均匀的，在熔池前端的中心处温度最高，而在熔池的边缘处因散热条件好，温度最低，并有母材局部熔化的晶粒，构成了熔池的液体金属结晶的晶核，所以焊接熔池的一次结晶是从熔池边界处的熔合线处开始的。
母材与熔池金属之间发生的这种“晶内交互结晶”的过程称为联生结晶，是熔化焊缝金属凝固的重要特征。
晶粒长大通常情况下是沿着与散热方向相反的方向以柱状形态向焊接熔池中心生长的，即由熔池边缘指向熔池中心温度最高处，直至这种柱状晶粒长大、相互接触，液体金属全部凝固时，结晶过程才结束。
但在气焊时，因加热时间长，热影响区宽，冷却速度慢，散热方向不明显，则往往会形成等轴晶粒。
二、焊缝的偏析与夹杂在焊接熔池的一次结晶过程中，由于冷却速度很快，焊缝金属中的合金元素来不及扩散一致，因此焊缝中化学成分的分布是不均匀的，这种现象称为偏析。
此外，一些金属夹杂物，来不及浮出而残存在焊缝的内部，称为夹杂。
焊缝结晶过程分析及对策
杂质 Ｏ、 Ｓ 、 Ｐ的存 在 ， 与基 体金 属 Ｆ ｅ形 成 低 熔点 共 晶 体， 在 熔池 金属 由固态变 成液 态 的过程 中， 低 熔点 金属 结 晶缓 慢 ， 低熔 点共 晶体 存 在 于 固态 的 Ｆ ｅ — Ｃ合 金 中 ， 由于金 属 的热胀 冷 缩 作用 ， 焊缝 从 低 熔 点 共 晶体 区域
第 ５期 （ 总第 ２ ０ ４期 ）
２ ０ １ ７年 １ Ｏ月
机 械 工 程 与 自 动 化 ＭＥ ＣＨＡＮＩ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥ ＲＩ ＮＧ ＆ ＡＵ Ｔ０Ｍ ＡＴ１ ０Ｎ
Ｎｏ ．５
０ｃ ｔ ．
文章编 号 ： １ ６ ７ ２ — ６ ４ １ ３ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ５ — ０ ２ ０ ５ — ０ １
２ 焊缝 一 次结 晶产 生 的焊接 缺 陷分 析及 解决 措施 ２ ． １ 焊 接 过程 中合 金 元素 的偏 析 在柱 状 晶形 成过 程 中 ， 由于 基体金 属 、 合金 和 杂质 元 素 间 的排 异反应 还 有 不 同元 素 的熔 点 不 同 ， 以及 电 弧 吹力 对 熔 池 的气浪 层作 用 ， 造成 了显 微偏 析 、 区域 偏 析和层 状 偏 析等 。 解决措 施 ： ① 在焊接过程 中， 采 取 小 电 流 短 弧 焊 接， 既 可减 少 空气 中氮 、 氧 的侵 人 ， 又可 以缩 短 熔 滴 过 渡 的路 程 ， 可有 效 降低 合金 元 素偏 析 ； ②采取 多层 多 道 焊， 后 一层 （ 道） 对 前 一层 （ 道） 起 到 重 新 加 热 和 热 处 理 的作用 ， 也 可 以减少 偏 析 。
１ 焊 缝 的 一 次 结 晶
焊缝金属的结晶
焊缝金属的结晶所有金属和合金在固态时一般都是晶体。
固态物质按其原子(或分子)的聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。
在晶体中，其原子(或分子)按一定几何规律作有规则的排列，而非晶体不具备这一特点。
通常把液态金属或合金冷却至熔点以下时转变为固态晶体的凝固过程称为结晶。
一般的金属和合金都是多晶体，金属表面经过磨光、抛光，并用硝酸酒精溶液腐蚀，然后在金相显微镜下观察，就可以发现它是由许多外形不规则的小晶体构成的，这些小晶体称为晶粒。
晶粒的大小、形状、分布直接影响着金属和合金的机械性能和其它的性能。
气焊时，在高温火焰的作用下母材局部熔化，并与熔化的焊丝金属混合而形成熔池，随着热源的推移，温度的降低，熔池金属开始凝固而形成焊缝。
由焊接熔池形成焊缝的结晶过程可以具体分为焊接熔池的一次结晶过程和焊缝金属的二次结晶过程。
一、焊接熔池的一次结晶过程焊接熔池从液态向固态的转变过程，称为焊接熔池的一次结晶。
焊接熔池的结晶是由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成的。
由于整个熔池温度分布是不均匀的，在熔池前端的中心处温度最高，而在熔池的边缘处因散热条件好，温度最低，并有母材局部熔化的晶粒，构成了熔池的液体金属结晶的晶核，所以焊接熔池的一次结晶是从熔池边界处的熔合线处开始的。
母材与熔池金属之间发生的这种“晶内交互结晶”的过程称为联生结晶，是熔化焊缝金属凝固的重要特征。
晶粒长大通常情况下是沿着与散热方向相反的方向以柱状形态向焊接熔池中心生长的，即由熔池边缘指向熔池中心温度最高处，直至这种柱状晶粒长大、相互接触，液体金属全部凝固时，结晶过程才结束。
但在气焊时，因加热时间长，热影响区宽，冷却速度慢，散热方向不明显，则往往会形成等轴晶粒。
二、焊缝的偏析与夹杂在焊接熔池的一次结晶过程中，由于冷却速度很快，焊缝金属中的合金元素来不及扩散一致，因此焊缝中化学成分的分布是不均匀的，这种现象称为偏析。
此外，一些金属夹杂物，来不及浮出而残存在焊缝的内部，称为夹杂。
焊缝表面硅结晶的原因
焊缝表面硅结晶的原因
焊缝表面硅结晶的原因可以有多种。
下面是一些常见的原因：
1. 焊接过程中的脱碳：在高温焊接过程中，钢材中的碳元素会溶解在铁中形成较高浓度的碳，当焊缝冷却时，溶解在铁中的碳元素会形成高浓度的共晶化合物——铁碳化合物，因为这些碳化合物有较高的熔点，所以会沉淀在焊缝表面，形成硬而脆的硅晶。
2. 钢材的化学成分不合适：焊接过程中，如果使用的钢材中含有较高的硅元素，那么焊接过程中的液态相中的一部分硅元素就会沉淀在焊缝表面，形成硬而脆的硅晶。
3. 焊接过程中的快速冷却：焊接过程中，焊接区域受到高温热源的加热，但是在焊接瞬间形成的液态相很快冷却，使得硅等元素在短时间内无法完全溶解在焊接金属中，从而形成硬而脆的硅晶。
4. 锻炼和冷却过程中的应力引起的相变：焊接完成后，焊接金属中的残余应力可能会引起晶体结构的相变，进而导致硅等元素的排列方式发生变化，形成硬而脆的硅晶。
总的来说，焊缝表面硅结晶的原因主要是焊接过程中液态相在快速冷却过程中，硅等元素的沉淀和晶体结构的相变引起的。
这些硅晶的存在可能会降低焊缝的韧性和可靠性，需要采取一些措施来减少其产生。
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要求细晶化，降低偏析
➢影响因素 主要因素是金属的化学成分，金属的化学成分不同， 金属开始结晶和结晶完了的区间就不相同，结晶区间 越大显微偏析越严重。
区域偏析： ➢含义：由于柱状晶体的不断长大和推移，把杂质推向 熔池中心，这样熔池中心的杂质含量要比其他部位高。
一次结晶包括形核和长大两个基本过程。
焊接时：先在熔合线上形核 → 随T ↓ ，晶核朝着
池
散热方向相反的方向长大 (即垂直熔合线指向熔池中心) →形成柱状结晶→柱状晶 体不断长大至相互接触时， 焊缝的一次结晶结束。如
右图所示。
二、焊缝结晶过程中的偏析
含义：焊缝金属中化学成分分布不均匀的现象。
偏析对焊缝质量的影响
焊缝金属中化学成分分布不均匀不仅导致性能改变，同时 偏析也是产生裂纹、气孔、夹杂物等焊接缺陷的主要原因。
显微偏析
焊缝中偏析的形式： 区域偏析
显微偏析：
层状偏析
➢含义：在一个柱状晶粒内部和晶粒之间的化学成分不均 匀的现象
➢柱状晶粒生长的过程：
一方面是在结晶的轴向延伸。 另一方面是径向扩展。如图所示
先结晶C0低，后结晶C0高，即晶粒
HAZ热循环的特点（五点）： 1.加热温度高 2.加热速度快
3.高温停留时间短
4.焊接时，一般都是在自然条件下连续冷却，个别情况下才进 行焊后保温或焊后热处理
C1
➢二次结晶后的组织为 F+P ➢冷却速度对低碳钢焊缝组织及性能有较大的影响,冷却速度 越大, P↑。而F↓，硬度、强度↑，塑性、韧性↓。
四、焊缝中的夹杂物
含义:由焊接冶金反应产生的,焊后残留在焊缝金属中的微观 非金属夹杂.
焊缝金属中夹杂物的种类: ❖氧化物夹杂 (以SiO2为主的硅酸盐、MnO、TiO2、Al2O3) 焊缝中易引起热裂纹 母材中易出现层状撕裂 ❖氮化物夹杂 焊缝中很少出现（时效时可能出现Fe4N析出） ❖硫化物夹杂 (主要以FeS、MnS，FeS对焊缝危害作用大)
3. t 100为焊后冷却到100 ℃所花时间 影响因素：有焊接工艺参数、焊接 方法、预热和道间温度、接头形式、 母材的导热性等。
焊接工件上温度的变化与分布
焊接热循环的形式 ➢长段多层焊焊接热循环
1. 长段多层焊：每道焊缝的长度较长（一般1m以上），焊 完第一层再焊第二层时，第一层已基本冷至较低的温度（一 般在 100～200℃以下），其特点是相邻各层之 间有依次热 处理的作用 ，不适用于淬硬倾向较大的钢种
焊缝的结晶Leabharlann 程目的与要求： ①了解焊缝金属中的一次结晶、二次结晶。 ②掌握焊缝中的偏析含义、危害、种类。 ③掌握焊缝中的夹杂物含义、种类及对焊缝质量的影响。 ④掌握焊接热循环的含义、主要参数、影响因素、形式 及特点。
重点： ①焊缝中的偏析含义、危害、种类。 ②焊缝夹杂物对焊缝质量的影响。 ③焊接热循环。
三、焊缝金属的二次结晶
含义：一次结晶结束后，熔池金属就转变为固态的焊缝。高 温的焊缝金属冷却到室温时，要经历一系列的相变过程，这种 相过程称为焊缝金属的二次结晶。 特征：以低碳钢为例
➢一次结晶的晶柱都是奥氏体组织，冷却到AC3时发生γ-Fe→ α-Fe的转变,当温度降低至A 时,余下的奥氏体分解为珠光体
层状偏析：
➢含义：晶体长大速度的变化，引起结晶前沿液体金属中夹 杂浓度的变化，这样就形成周期性的偏析现象，称为层状偏析。
➢形成：
焊接熔池始终处于气流和熔滴金属 的脉动作用下，所以无论是 金属的流动或热量的提供和传递都 具有脉动的性质。同时，熔池 结晶过程中放出的结晶潜热，造成 结晶过程周期性停顿，使结晶 长大速度出现周期性增加和减少。
➢影响因素：
焊缝的成形系数
❖焊缝的成形系数小，焊 缝窄而深，各柱状晶粒的 交界在中心，使窄焊缝的 中心聚集较多的杂质→产 生热裂纹，如图所示
❖焊缝的成形系数大，焊缝宽而浅，杂质聚集在焊缝的上部， →具有较强的抗热裂纹能力。如图所示
❖同样厚度的钢板，用多层多道焊比一次深熔焊的焊缝抗热 裂纹的能力强得多。
加强脱S、脱O，控制焊材中的S、P量
注意工艺操作
焊接热影响区的组织和性能
焊接热影响区：
指在焊接过程中，母材因受热影响(但未熔化)而发生金相组 织和性能变化的区域。 焊接热影响区的组织性能→反映焊接接头的性能和质量。
一、焊接热循环
含义：焊接过程中热源沿 焊件移动时，焊件上某点温 度由低而高，达到最高值后， 又由高而低随时间的变化称 为焊接热循环
➢冷却速度（ω c）和冷却时间（t 8／5、t 8／3、t 100） 1. 冷却速度是一个不易准确描述 的变化量， 在工程实际应用中常 用冷却时间t 8／5、t 8／3或t 100来表述 焊接冷却过程
2. t 8／5、t 8／3为焊接冷却过程 中温度从800~500℃,800~300 ℃ 的冷却时间
2.焊接热循环的变化如下图所示。
➢短段多层焊焊接热循环 1.短段多层焊：每道焊缝长度较短（约为50～ 400mm）， 未等前层焊缝冷却到较低温度（如 Ms点）就开始焊接下一 道焊缝，其特点是后焊一层对先焊层具有缓冷作用，可以 防止焊接接头产生淬硬组织，适于焊接晶粒易长大而又易 于淬硬的钢种.
2.短段多层焊的热循环如下图所示
焊接热循环的主要参数
➢加热速度（ω H） ω H T相变 A均质化和碳化物溶解越不充分
➢加热的最高温度（Tm） 低碳钢和低合金钢焊接时，在熔合线附近的过热区，由 于温度高（1300～1350℃），晶粒发生严重长大，从而 使韧性严重下降
➢在相变温度以上的停留时间（t A） t A 越长，越有利于奥氏体的均质化过程，但t A越长，奥 氏体晶粒越容易长大；特别是在温度较高时（如1100℃ 以上)，即使停留时不长，也会产生严重的晶粒长大。
难点： ①焊缝中的偏析、焊缝夹杂物。 ②焊接热循环。
焊缝金属从熔池中高温的液体状态冷却至常温固体状态，
需要两次结晶过程：
转变
一次结晶 液相
固相
即
二次结晶 固相焊缝金属出现同素异构转变(重结晶).
对焊缝金属的组织和性能影响很大.
如气孔、裂纹、夹渣、偏析→一次结晶过程中产生的。
一、焊缝金属的一次结晶
焊缝金属由液态转变为固态的凝固过程，称为焊缝金属 的一次结晶