第三章焊接接头的组织与性能
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第三章__焊接接头
夹角. ▪ 〔2〕焊缝转角.通过焊缝轴线的垂直面与
坡口二等分平面之间的夹角.
▪ 2、常见的焊接位置 ▪ 〔1〕平焊位置 ▪ 〔2〕横焊位置 ▪ 〔3〕立焊位置 ▪ 〔4〕仰焊位置
焊条
上端
焊 接 方 向
下端
下
▪ 3、常用的焊接位置的名词术语 ▪ 〔1〕船形焊 ▪ 〔2〕平焊 ▪ 〔3〕横焊 ▪ 〔4〕立焊 ▪ 〔5〕仰焊 ▪ 〔6〕向上〔下〕立焊,热源自下〔上〕向上〔下〕
▪ 7．控制熔合比
▪ 熔化焊时,被融化的母材在焊缝金属中所占的百分 比叫熔合比.控制它在焊后获得希望得到的焊缝. 当母材和焊材化学成分基本相同时,熔合比对焊缝 金属性能无明显影响.当母材与焊接材料有较大差 别或较多杂质时,一般选择较小的熔合比.
T形〔十字〕接头
T形接头的承载能力
Fy M
Fx
Fy
Fz
M Fx
T形接头是典型的电弧焊接头,能承受各种方向的力和 力矩,这类接头应避免采用单面角焊缝,因为这种接头的 根部有很深的缺口,其承载能力低.
角接接头
两板件端面构成30°~135°夹角的焊接接 头称作角接接头,角接接头多用于箱形构件.
二、坡口形式和几何尺寸
▪ 3〕CO2气体保护焊
▪ 利用从送丝焊嘴中喷出的CO2气体隔离空气,保护焊接 电弧和熔化金属,并且不断地向熔池送进焊丝与熔化的 母材金属熔合形成焊接接头的工艺方法,简称MAG焊.除 去气体保护焊的共同优点外,还具有抗氢气孔能力强、 适合薄板焊接、易进行全位置焊接等优点.也是一种高 效节能成本低的焊接方法.在不同的焊接条件下,正确地 调整焊丝成分,将对焊接过程产生很大的影响,也是CO2 气体保护焊得到高质量焊接接头的保证.
改善焊接接头性能的方法焊缝和热影响区的组织特征对接头的力学性能影响很大改善方法有1选择合适的焊接工艺方法同一接头同一材料采用不同的焊接方法焊接工艺时接头性能会有很大差异
坡口二等分平面之间的夹角.
▪ 2、常见的焊接位置 ▪ 〔1〕平焊位置 ▪ 〔2〕横焊位置 ▪ 〔3〕立焊位置 ▪ 〔4〕仰焊位置
焊条
上端
焊 接 方 向
下端
下
▪ 3、常用的焊接位置的名词术语 ▪ 〔1〕船形焊 ▪ 〔2〕平焊 ▪ 〔3〕横焊 ▪ 〔4〕立焊 ▪ 〔5〕仰焊 ▪ 〔6〕向上〔下〕立焊,热源自下〔上〕向上〔下〕
▪ 7．控制熔合比
▪ 熔化焊时,被融化的母材在焊缝金属中所占的百分 比叫熔合比.控制它在焊后获得希望得到的焊缝. 当母材和焊材化学成分基本相同时,熔合比对焊缝 金属性能无明显影响.当母材与焊接材料有较大差 别或较多杂质时,一般选择较小的熔合比.
T形〔十字〕接头
T形接头的承载能力
Fy M
Fx
Fy
Fz
M Fx
T形接头是典型的电弧焊接头,能承受各种方向的力和 力矩,这类接头应避免采用单面角焊缝,因为这种接头的 根部有很深的缺口,其承载能力低.
角接接头
两板件端面构成30°~135°夹角的焊接接 头称作角接接头,角接接头多用于箱形构件.
二、坡口形式和几何尺寸
▪ 3〕CO2气体保护焊
▪ 利用从送丝焊嘴中喷出的CO2气体隔离空气,保护焊接 电弧和熔化金属,并且不断地向熔池送进焊丝与熔化的 母材金属熔合形成焊接接头的工艺方法,简称MAG焊.除 去气体保护焊的共同优点外,还具有抗氢气孔能力强、 适合薄板焊接、易进行全位置焊接等优点.也是一种高 效节能成本低的焊接方法.在不同的焊接条件下,正确地 调整焊丝成分,将对焊接过程产生很大的影响,也是CO2 气体保护焊得到高质量焊接接头的保证.
改善焊接接头性能的方法焊缝和热影响区的组织特征对接头的力学性能影响很大改善方法有1选择合适的焊接工艺方法同一接头同一材料采用不同的焊接方法焊接工艺时接头性能会有很大差异
焊接接头的组织与性能
织和性能变化的区域,称为焊接
热影响区,亦称近缝区,
热影响区
熔合区
过热区 正火区
受到 不同规范的
热处理
部分 相变区
组织 性能最差
比淬火组织 脆性还大
正火处理 晶粒细化
晶粒大小 不均匀
熔合区
❖又称半熔化区,是焊 缝与母材的交界区,
❖加热温度：1490～1530℃ ❖组织：未熔化但因过热
而长大的粗晶组 织和 部分新结 晶的 铸态组织,
空气中的氧、氮; 空气中的水汽； 工件表面的锈、油和水
焊缝中气体含量增多， 产生气孔等缺陷，降低 焊缝的性能。
2 熔池体积小,冷却速度快,导致化学成分不均匀,易形 成气孔、夹渣等缺陷,甚至产生裂纹,
为保证焊缝的质量,焊接过程中通常采取以下措施：
❖减少有害元素进入熔池 在焊接过程中对熔化金属进行保护,使之与空气隔开,如： 采用焊条药皮、埋弧焊焊剂、气体保护焊的保护
❖正火区：紧靠着过热区； ❖加热温度：850～1100℃ AC1至AC3以上100-200℃ ❖组织：加热时金属发生重结
晶,冷却后得到均匀 细小的铁素体和珠光 体组织 近似于正火 组织 ,
❖特点：宽度约1.2～4.0mm,力学性能优于母材,
焊接热影响区：部分相变区
❖加热温度： AC1～AC3之
间 ❖组织：
❖特点：该区很窄,组织不均匀,强度下降,塑性很 差,是产生裂纹及局部脆断的发源地,
焊接热影响区：过热区
❖紧靠熔合区；
❖加热温度： 1100℃～1490℃
1100℃～固相线
❖组织： 粗大的过热组织,
❖特点：宽度为1～3mm,塑性和韧性下降, 焊接刚度大的结构时,该区易产生裂纹,
焊接热影响区：正火区
第3章焊接接头的组织和性能
第3章焊接接头的组织与性能 控制
第3章焊接接头的组织与性能控制
• 焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区三部分组成、熔池金属在经历了一系列化学冶金反应后，随着热源远离温 度迅速下降，凝固后成为牢固的焊缝,并在继续冷却中发生固态相变。熔合区和热影响区在焊接热源的作用下，也将 发生不同的组织变化，很多焊接缺陷，如气孔、夹杂物、裂纹等都是在上述这些过程中产生，因此,了解接头组织与 性能变化的规律，对于控制焊接质量、防止焊接缺陷有重要的意义。 • •
• •ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ• • • • •
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3.1.3焊缝金属的固态相变 1、熔池结晶组织与焊缝固相转变组织的关系 （1）焊缝结晶的一次组织和二次组织 熔池凝固后得到的组织通常叫做一次组织，大多数钢高温奥氏体.在凝固后的继续冷却 过程中，高温奥氏体还要发生固态相变,又称为二次结晶，得到的组织称为二次组织。 焊缝经过固态相变得到的二次组织即为室温组织。二次组织是在一次组织的基础上转 变而成，对焊缝金属的性能都有着决定性的作用。 （2）焊缝一次组织对二次组织的影响 焊缝金属经历了从液态冷到室温的全过程，其二次组织是在快冷的条件下所形成的逸 出结晶组织的基础上在连续冷却的条件下形成的。因此，焊缝的最终组织不仅与γ→α 转变有关，而且与凝固过程有关。焊缝在不平衡条件下得到的一次组织，直接影响继 续冷却时过冷奥氏体的分解过程及分解产物。 1）焊缝一次组织组织粗大，影响焊缝对二次组织的晶粒度的大小，同时为产生魏氏 体创造了前提。 2）焊缝的偏析在熔池一次结晶时产生，对二次组织和性能产生影响。 2、焊缝金属固相转变 焊缝金属的固态相变遵循一般钢铁固态相变的基本规律。一般情况下，相变形式 取决于焊缝金属的化学成分与连续冷却过程的冷却速度。 1低碳钢焊缝的固态相变 材料极缓慢的冷却条件下，由铁碳合金状态图可知，在平衡状态下低碳钢的低碳钢其 中铁索体约占82％，珠光体约占18％ ，其硬度约为83 HB。 （1）焊缝的固态相变过程 熔池凝固后，全部变成A,继续冷却，冷至Ac3线A→A+F至Ac1线，剩余的A→P低碳钢 焊缝金属二次结晶结束时，其组织为F+ P。
第3章焊接接头的组织与性能控制
• 焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区三部分组成、熔池金属在经历了一系列化学冶金反应后，随着热源远离温 度迅速下降，凝固后成为牢固的焊缝,并在继续冷却中发生固态相变。熔合区和热影响区在焊接热源的作用下，也将 发生不同的组织变化，很多焊接缺陷，如气孔、夹杂物、裂纹等都是在上述这些过程中产生，因此,了解接头组织与 性能变化的规律，对于控制焊接质量、防止焊接缺陷有重要的意义。 • •
• •ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ• • • • •
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3.1.3焊缝金属的固态相变 1、熔池结晶组织与焊缝固相转变组织的关系 （1）焊缝结晶的一次组织和二次组织 熔池凝固后得到的组织通常叫做一次组织，大多数钢高温奥氏体.在凝固后的继续冷却 过程中，高温奥氏体还要发生固态相变,又称为二次结晶，得到的组织称为二次组织。 焊缝经过固态相变得到的二次组织即为室温组织。二次组织是在一次组织的基础上转 变而成，对焊缝金属的性能都有着决定性的作用。 （2）焊缝一次组织对二次组织的影响 焊缝金属经历了从液态冷到室温的全过程，其二次组织是在快冷的条件下所形成的逸 出结晶组织的基础上在连续冷却的条件下形成的。因此，焊缝的最终组织不仅与γ→α 转变有关，而且与凝固过程有关。焊缝在不平衡条件下得到的一次组织，直接影响继 续冷却时过冷奥氏体的分解过程及分解产物。 1）焊缝一次组织组织粗大，影响焊缝对二次组织的晶粒度的大小，同时为产生魏氏 体创造了前提。 2）焊缝的偏析在熔池一次结晶时产生，对二次组织和性能产生影响。 2、焊缝金属固相转变 焊缝金属的固态相变遵循一般钢铁固态相变的基本规律。一般情况下，相变形式 取决于焊缝金属的化学成分与连续冷却过程的冷却速度。 1低碳钢焊缝的固态相变 材料极缓慢的冷却条件下，由铁碳合金状态图可知，在平衡状态下低碳钢的低碳钢其 中铁索体约占82％，珠光体约占18％ ，其硬度约为83 HB。 （1）焊缝的固态相变过程 熔池凝固后，全部变成A,继续冷却，冷至Ac3线A→A+F至Ac1线，剩余的A→P低碳钢 焊缝金属二次结晶结束时，其组织为F+ P。
焊接接头的组织和性能课件
搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊是一种新型的固相焊接技术，具有低热输入、低变形、 无裂纹等优点，适用于铝合金、镁合金等轻质材料的焊接。
电子束焊接
电子束焊接具有高能量密度、深穿透、高精度等优点，适用于难熔金 属、复合材料等特殊材料的焊接。
高性能焊接接头的设计与制备
1 2
材料选择与匹配
根据材料的物理和化学性质，选择合适的母材和 填充材料，以提高焊接接头的性能。
实验研究
通过实验研究，测试焊接接头的 力学性能、耐腐蚀性能和疲劳性 能等，为实际应用提供依据。
THANKS。
04
环境因素对耐腐蚀性的 影响：如温度、湿度、 氧气浓度等。
04
焊接接头的影响因素
焊接工艺参数的影响
焊接电流
电流大小影响熔深和焊接速度。电流过大可能导致热影响 区扩大，焊接变形增大；电流过小则可能造成未熔合、未 焊透等缺陷。
电弧电压
电弧电压主要影响焊缝的宽度和余高。电压过高可能导致 焊缝宽而低，反之则窄而高。
焊接接头的无损检测技术
超声检测
利用超声波在材料中传播的特性，检测焊接接头 内部的缺陷和异常。
射线检测
通过X射线或γ射线的穿透和成像，检测焊接接头 内部的缺陷和异常。
磁粉检测
利用磁粉在磁场中的吸附特性，检测焊接接头表 面的裂纹和缺陷。
焊接接头的质量评估与改进
质量评估
根据无损检测和力学性能试验的结果，对焊接接头质量进行评估 ，确定是否满足设计要求和使用条件。
焊接工艺优化
通过调整焊接参数，如电流、电压、焊接速度等 ，优化焊接工艺，提高焊接接头的质量。
3
热处理与后处理
适当的热处理和后处理可以改善焊接接头的组织 和性能，进一步提高其力学性能和耐腐蚀性。
搅拌摩擦焊是一种新型的固相焊接技术，具有低热输入、低变形、 无裂纹等优点，适用于铝合金、镁合金等轻质材料的焊接。
电子束焊接
电子束焊接具有高能量密度、深穿透、高精度等优点，适用于难熔金 属、复合材料等特殊材料的焊接。
高性能焊接接头的设计与制备
1 2
材料选择与匹配
根据材料的物理和化学性质，选择合适的母材和 填充材料，以提高焊接接头的性能。
实验研究
通过实验研究，测试焊接接头的 力学性能、耐腐蚀性能和疲劳性 能等，为实际应用提供依据。
THANKS。
04
环境因素对耐腐蚀性的 影响：如温度、湿度、 氧气浓度等。
04
焊接接头的影响因素
焊接工艺参数的影响
焊接电流
电流大小影响熔深和焊接速度。电流过大可能导致热影响 区扩大，焊接变形增大；电流过小则可能造成未熔合、未 焊透等缺陷。
电弧电压
电弧电压主要影响焊缝的宽度和余高。电压过高可能导致 焊缝宽而低，反之则窄而高。
焊接接头的无损检测技术
超声检测
利用超声波在材料中传播的特性，检测焊接接头 内部的缺陷和异常。
射线检测
通过X射线或γ射线的穿透和成像，检测焊接接头 内部的缺陷和异常。
磁粉检测
利用磁粉在磁场中的吸附特性，检测焊接接头表 面的裂纹和缺陷。
焊接接头的质量评估与改进
质量评估
根据无损检测和力学性能试验的结果，对焊接接头质量进行评估 ，确定是否满足设计要求和使用条件。
焊接工艺优化
通过调整焊接参数，如电流、电压、焊接速度等 ，优化焊接工艺，提高焊接接头的质量。
3
热处理与后处理
适当的热处理和后处理可以改善焊接接头的组织 和性能，进一步提高其力学性能和耐腐蚀性。
焊接工程学(第三章)
图3 试件形状 试件尺寸
试件名称 长L/mm 宽B/mm 焊缝长l/mm 1号试件 2号试件 200 200 75 150 125±10 125±10
焊接前先去除试件表面上的水分、铁 锈、油污及氧化皮等杂质。所用焊条 原则上应适合于所焊的试件，直径为4 mm。1号试件在室温下、2号试件在预 热温度下进行焊接。焊接参数为：焊 接电流：170±10A，焊接速度为150± 10mm/min。试件焊后在静止的空气中 自然冷却，不进行任何热处理。 不同强度等级和不同含碳量的钢种， 有不同的最高硬度值。
高碳钢
≥0.60
40HRC
弹簧、模具、钢轨
二、低碳钢的焊接
1、低碳钢的焊接特点： a、可装配成各种不同的接头，适合各种不 同位臵的施焊，且焊接工艺和技术简单，容 易掌握； b、焊前一般不需预热； c、塑性好，焊接接头产生裂纹的倾向小， 适合制造各类大型结构件和受压容器； d、不需使用特殊和复杂设备，对焊接电源 （交流直流）和焊接材料（酸性碱性）无特 殊要求。
三、金属焊接性的评定方法
1、工艺焊接性评定：主要评定对焊接缺陷的 敏感性，尤其是裂纹形成倾向。 A、直接模拟实验：按照实际焊接条件，通过 焊接过程观察焊接缺陷及其程度。主要有：冷 裂纹实验、热裂纹实验、应力腐蚀实验、脆性 断裂实验等。 B、间接推算法：根据材料的化学成分、金相 组织、力学性能的关系，并联系焊接热循环过 程对焊接进行评定。主要有：抗裂纹判据、焊 接应力模拟等。
4、未熔合和未焊透：在焊缝金属和 母材之间或焊道金属与焊道之间未完 全熔化的部分称为未熔合。未熔合常 出现在坡口的侧壁、多层焊的层间及 焊缝的根部。 未焊透是指母材金属之间应该熔合而 未焊上的部分。该缺陷一般出现在单 面焊的坡口根部及双面焊的坡口钝边。 未焊透易造成较大的应力集中，往往 从其末端产生裂纹。
焊接基础知识
在焊接时，使气体介质电离的方式主要有热电离、电场 作用下的电离、 光电离。 (1) 热电离 气体粒子受热的作用而产生的电离称为热电离。 温度越 高，热电离作用越大。 (2) 电场作用下的电离 带电粒子在电场的作用下，各作定向高速运动，产生较 大的动能，并不断与中性粒子相碰撞，不断地产生电离， 两电极间的电压越高，电场作用越大，则电离作用越强烈。 (3) 光电离 中性粒子在光辐射的作用下产生的电离，称为光电离。
(3) 角 接 接 头 两 焊 件 端 面 间 构 成 大 于 30° 、 小 于 135°夹角的接头，称为角接接头。角接接头承载能力较 差，一般用于不重要的结构中。
角接接头
a) I 形坡口 b) 单边 V 形坡口 c) 带钝边 V 形坡口 d) 带钝边双单边 V 形坡口
(4) 搭接接头
2个焊件部分重叠构成的接头称为搭接接头。
焊接时，根据阴极吸收能量的方式不同，所产生的电子发 射有以下几类： (1) 热发射 焊接时，阴极表面的温度很高，使阴极内部 的电子热运动速度增加，当电子的动能大于其逸出功时，电子 即冲出阴极表面而产生热电子发射。 (2) 电场发射 当阴极表面外部空间存在强电场时，电子 可获得足够的动能克服正电荷对它的静电引力，从阴极表面发 射出来ꎮ 两极间电压越高，则电场发射作用越大。 (3) 撞击发射 高速运动的正离子撞击阴极表面时，将能 量传递给阴极而产生电子发射的现象，称为撞击发射。电场强 度越大，在电场中正离子运动速度越快，产生撞击发射的作用 也越强烈。
a) 不开坡口
搭接接头形式 b) 圆孔塞焊缝 c) 长孔槽焊缝
(5) 坡口的选择原则 上述各种接头形式在选择坡口形式时，应尽量减少焊 缝金属的填充量，便于装配和保证焊接接头的质量，因此 应考虑下列几条原则： 1) 保证焊件焊透； 2) 坡口的形状容易加工； 3) 尽可能节省焊接材料，提高生产率； 4) 焊接后焊件变形尽可能小。
焊接接头的组织和性能
.
24
以上就是低合金高强钢焊缝金属可能存在 的几种组织。概括而言，我们希望得到较 多的针状细晶铁素体，不希望得到侧板条 铁素体，先共析铁素体，如果合金成分能 显著增加奥氏体稳定性，降低其分解温度， 这一愿望即可实现。试验表明Mn含量0.8～ 1.0%、Si0.1～0.25%，而Mn/ Si=3～6时，即 可得到细晶铁素体和针状铁素体。我们还 希望得到的贝氏体为下贝氏体，而不希望 产生上贝氏体或粒状贝氏体，以及孪晶高 碳马氏体，其办法是控制
.
25
冷却速度；使在600～450℃区间(贝氏体转变的 高温段)停留时间尽量短，以尽量减少形成粒 状贝氏体和上贝氏体的机会(可控制t8-5来实 现)、降低含C量，使一且发生马氏体转变时
能形成板条状位错型马氏体，它的存在有利 而无害。有资料表明，焊缝含有微量Ti、B有
利形成针状铁素体，而抑制先共析铁素体的 形成，Ti与B同时加入最佳，因为Ti优先和氧 反应对B不被氧化起到保护作用。B凝聚在A
学性能。
.
9
2、焊缝金属的显微组织与性能
低碳钢是亚共析钢，在焊接熔池冷却凝固 的一次结晶完成后，在一定温度下将发生 二次结晶即固态相变，这时的组织应该是 铁素体加少量珠光体。其组织质量分数的 不同和性能的不同取决于冷却速度，即冷 却速度越大，铁素体含量越少，
.
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珠光体越高，硬度强度也随之增高，且组织 细小。反之则组织变粗，铁素体越多珠光体 越少、硬度强度降低。需要注意的是铁素体 的形态，在不同冷却速度下也是不同的。且 对性能有影响。
低温压力容器、锅炉专业用低合金高强度钢 标准。
.
18
1、低合金高强度钢的焊缝合金化
我们以焊条电弧焊为例来讨论。其实从焊条标
焊接接头组织和性能的控制
第七章 焊接接头组织和性能的控制1.焊接热循环对被焊金属近缝区的组织、性能有什么影响？怎样利用热循环和其他工艺措施改善HAZ 的组织性能？答：（1）在热循环作用下，近缝区的组织分布是不均匀的，融合去和过热去出现了严重的晶粒粗化，是整个接头的薄弱地带，而行能也是不均匀的，主要是淬硬、韧化和脆化，及综合力学性能，抗腐蚀性能，抗疲劳性能等。
（2）焊接热循环对组织的影响主要考虑四个因素：加热速度、加热的最高温度，在相等温度以上的停留时间，冷却速度和冷却时间，研究它是研究焊接质量的主要途径，而在工艺措施上，常可采用长段的多层焊合短道多层焊，尤其是短道多层焊对热影响区的组织有以定的改善作用，适于焊接晶粒易长而易淬硬的钢种。
2. 冷却时间100t t 8385、、t 的各自应用对象，为什么不常用某温度下（如540℃）的冷却速度？答：对于一般碳钢和低合金钢常采用相变温度范围800~500℃冷却时间（85t ）对冷裂纹倾向较大的钢种，常采用800~300℃的冷却时间83t ，各冷却时间的选定要根据不同金属材料做存在的问题来决定为了方便研究常用某一温度范围内的冷却时间来讨论热影响组织性能的变化，而某个温度下 比如540℃则为一个时刻即冷却至540℃时瞬时冷却速度 和组织性能。
故不常用某以温度下的冷却速度，对于一般低合金钢来讲，主要研究热影响区溶合线附近冷却过程中540℃时瞬时冷却速度3. 低合金钢焊接时，HAZ 粗晶区奥氏体的均质化程度对冷却时变相有何影响？ 答：奥氏体的均质化过程为扩散过程，因此焊接时焊接速度快和相变以上停留时间短都不利于扩散过程的进行，从而均质化过程差而 影响到冷却时间的组织相变，低合金钢在焊接条件下的CCT 曲线比热处理条件下的曲线向做移动，也就是在同样冷却速度下焊接时比热处理的淬硬倾向小，例如冷却速度为36s C / 时可得到100%的马氏体，在焊接时由于家人速度快，高温停留时间短使合金元素不能充分溶解在奥氏体内，奥氏体均质化过成差，使相变组织差。
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柱状晶：胞状亚晶
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
9
三、熔池结晶线速度
vc v cos
Vc 晶粒成长的平均线速度 V 焊接速度 θ二个方向之间的夹角
在厚大焊件的表面上快速堆焊
q cos 1 A a TM
KY K z
2
2
1 KY 2 K z 2
1 2
A：常数，q 热源的有效功率，a 热扩散率，λ导热系数，TM 金 属的熔点
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
8
2．晶核的成长
原子由液相不断地向固相转移，晶核的成长是通过二维成核方 式长大，但并不是齐步前进，长大趋势不同，位向有利的一直向焊 缝中部发展；有的只长大很短距离就被抑制停止长大。当晶体最易 长大方向与散热最快方向相一致，最有利长大 晶核的成长是一个原子厚度从液相中吸收原子集团来进行的并 连续不断地吸附在晶体表面的小台阶处而迅速长大。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
35
（4）细晶铁素体(FGF)
生成于450℃以下,又称贝氏铁素体。晶粒较细，细晶之间通常 有珠光体和渗碳体析出。
AF
FGF+P
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第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
如在用不同强度级别焊条所焊接的焊缝， J507焊条的焊缝中有FSP，其间存在的确为珠光体，未见M－A； J707焊条的焊缝中，出现的是块状M－A组元； J807焊条的焊缝中已无PF，M—A组元呈颗粒状； J907焊条的焊缝中，因合金化程度提高而出现板条状马氏体，部分M－ A组元由颗粒状变成条状。
1100Al
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
15
（三 ）浓度过冷对结晶形态的影响
1、平面结晶
产生条件：过冷度＝0， 无成分过冷 特征：平面晶（G正温度梯 度很大时） 平面结晶形态发生在结晶前沿 没有浓度过冷的情况下。多发 生在高纯度的焊缝金属中，如 纯铌板的氩弧焊；或位于温度 梯度很高结晶速度较小的焊缝 边界层内。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
10
薄板上自动焊接
cos 1 A
q h Tm
2
k
2 y 2 y
1 k
1 2
1、晶粒成长的平均线速度是变化的
晶粒成长方向和线速度是变化的，在熔合线处最小，在焊道 中心处最大，为焊速；其成长方向由垂直于焊接方向转向焊接方 向。
2 焊接速度的影响
V↑，熔池中心温度梯度小，成分过冷大，出现等轴晶。 V小，熔合线附近出现胞状树枝晶，焊缝中心为较细的胞状枝晶。
3 电流的影响
I小，胞状晶, I较大，胞状树枝晶 I大，粗大树枝晶
焊接速度过大时，焊缝中心出现等轴晶，低速时，焊缝中心有胞 状树枝晶。焊接电流大时，出现粗大的树枝晶。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
12
四、熔池金属的微观结晶形态
（一）纯金属的结晶形态
① G>0时 G--温度梯度（正的温度梯度）液相温度大于固相，过冷 度小或为负，结晶缓慢，形成平面晶。 ② G<0 液体内部温度比界面低，过冷度大，晶粒成长速度大，形成 树枝晶。 平面结晶：当固液界面前方液相中的温度梯度很大时，由于固液界面 前方温度较高，一旦向前突出生长的晶芽，就会被较热的液态金 属熔化，因此结晶过程只能以平面形式向前推进，形成平滑的结 晶界面。 树枝状结晶：随着当固液界面前方液相中的温度梯度进一步减小，此时 晶粒长大速度更快，在晶粒内部除产生一个很长的主干外，向四周 还长出很多二次横枝，甚至还长出三次横枝。 第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
31
先共析铁素体是焊缝冷却至770-680℃较高温区间内，沿奥 氏体晶界首先析出的铁素体，其形态可以使沿晶扩展的长条 形，也可以是沿晶分布的块状多边形。为低屈服点的脆性相， 使焊缝金属韧性降低。合金含量越低，高温停留时间越长，冷 却速度越慢，先共析铁素体越多。 第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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（3）针状铁素体（AF）
出现于原奥氏体晶内的有方向性的细小铁素体。宽约2μm左右， 长宽比多在3：1以至10：1的范围内。针状铁素体可能是以氧化物或氮 化物(如TiO或TiN)为基点，呈放射状生长，相邻AF间的方位差为大倾 角，其间隙存在有渗碳体或马氏体，多半是M－A组元，决定于合金化 程度。针状铁素体晶内位错密度较高，为先共析铁素体的2倍左右。位 错之间也互相缠结，分布也不均匀，但又不同于经受剧烈塑性形变后 出现的位错形态。
第三章 焊接接头的组织与性能
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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第三章 焊接接头的组织与性能
3.1 焊接熔池与焊缝 3.2 焊接热影响区 3.3 焊接熔合区
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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重点内容
1、熔池凝固条件和特点及一般规律 2、熔池金属的结晶形态 3、各钢种焊缝的固态相变组织的转变 4、焊缝性能问题讨论 5、焊缝熔合区的特点
初始区：质富集区，即溶质成分高于平均浓度的区域。在侵蚀照片上呈最暗黑 的颜色。 中间区： 为平均浓度区，是结晶层中最宽的一段．其特征为溶质成分均匀， 颜色稍暗。 结尾区： 为溶质贫化区，即溶质成分低于平均浓度的区域，颜色最为浅淡。
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（４）层状线不是连续的，是间断的链状偏析带。 产生原因：R变化 快速凝固时析
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第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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五、焊缝金属的化学不均匀性性
化学不均匀性：结晶过程中化学成分的一种偏析现象。
1.显微偏析：→枝晶偏析
指晶粒边界或一个晶粒内部亚晶界或树枝状晶的晶枝之间的偏析。 晶轴上含有熔点较 高的成分，熔点较低的 成分则集中在枝晶枝干 与枝干间的孔隙以及柱 状枝晶的晶粒边界，称 枝晶偏析。
出潜热及熔滴过渡带来的附加热脉 冲作用等，是促使成长速度R发生变 化以及凝固过程发生瞬间停顿的主 要原因。 成长中的柱晶前沿的温度梯度 G，对凝固过程的瞬间停顿有相当 大的影响。枝晶前沿的温度梯度G 较大时，结晶潜热或其他附加热作 用容易使柱晶前沿的温度急剧增高 ，而易于促使凝固过程停顿。 危害：层状偏析不仅造成焊缝 力学性能不均匀性，还可沿层 状线形成裂纹或气孔。
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（2）侧板条铁素体（FSP）生成于700一500℃
由晶界向晶内扩展的板条状或锯齿状铁素体，实质是魏氏组织 。其长宽比在20:1以上。侧板条铁素体在低合金钢焊缝中不一定总 是存在。 当先共析铁素体和侧板条铁素体长大时，其γ／α界面上γ 一侧的碳浓度增加，极为接近共析成分，故γ易分解为珠光体而出 现于侧板条铁素体的间隙之中。侧板条铁素体晶内位错密度大致和 先共析块素体相当或稍高一些。
Ek
`
16 3 23cos cos3 3 F 2 4 r
θ：非自发晶核的浸润角 θ=0℃ EK`=0：液相中有大量的悬浮质点和现成的表面 θ=180℃ EK`= EK：只存在自发形核，不存在非自发形核 焊接时存在两种非自发晶核质点，一种是合金元素，另一种是现 成表面，焊接熔池边界，正是固液相的相界，熔池边界半熔化的母材 晶粒表面为新相晶核的“基底”。 联生结晶（交互结晶 或外延结晶）
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焊接熔池边界正是固液相的相 界面，熔池边界的部分熔化的母材 晶粒表面完全可能成为新相晶核的 “基底” ，非均匀生核，焊缝金 属呈柱状晶形式与母材相联系，好 似母材晶粒外延长大。这种依附于 母材晶粒现成表面而形成共同晶粒 的凝固方式，称为外延结晶或联生 结晶。 竞争成长
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（四）焊接条件下的凝固形态
焊缝成分对结晶形态有影响，还与焊接规范参数有关。熔 池中成分过冷的分布在焊缝的不同部位是不同的，将会出现不 同的结晶形态。
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1 溶质浓度影响
纯Al 99 .99%焊缝熔合线附近为平面晶，中心为胞状晶。 若纯Al99.6%，焊缝出现胞状树枝晶，中心为等轴晶
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§3-1
焊接熔池与焊缝
特征： 1 熔池体积小，冷却速度大 一、熔池的凝固条件 2 熔池中的液态金属处于过热状态 和特点 3 熔池在动态下结晶
非平衡的动态结晶、 联生结晶、 竞争成长、 生长速度动态变化
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二、熔池结晶的一般规律
焊接时，熔池金属的结晶与一般炼钢时钢锭的结晶一 样，也是在过冷的液体金属中，首先形成晶核和晶核长 大的结晶过程。 生核热力学条件是过冷度而造成的自由能降低； 生核的动力学条件是自由能降低的程度。
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5 等轴晶
产生条件：成分过冷大。 特征：结晶前沿长出粗大树枝晶，液相内， 可自发生核，形成自由长大的等轴树枝晶。
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因素：溶质的浓度C0，结晶速度R，温度梯度G
1 G和R不变，C0增加，成分过程增加， 平面晶→胞状晶→·· ·· ·· →等轴晶； 2 C0不变，R越大，成分过冷就越大， 平面晶→胞状晶→·· ·· ·· →等轴晶； 3 C0和R一定，G增大，成分过冷减小， 等轴晶→树枝晶→·· ·· ·· →平面晶；
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1.晶核形成
熔池中晶核的生成分为：非自发晶核、自发晶核。 形成两种晶核都需要能量
1) 自发形核
自发临界晶核所需的能量
16 3 3 Fr 2
Er
б：新相与液相间的表面张力系数。 ΔFr：单位体积内液固两相自由能之差。
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