第四节焊缝金属的结晶

第四节 焊缝金属的结晶有关焊接熔池的特点前面已有叙述。

焊接熔池由液态冷却凝固的过程与炼钢结晶过程有着类似之处，但也有很大的区别。

熔池的结晶情况对焊缝金属的力学性能以及焊接所产生的 许多缺陷，如裂纹、气孔、夹杂、偏析等均有重要影响。

根据焊接熔池冷却结晶时组织变化 过程的特点可分为一次结晶和二次结晶（没有相变金属，如纯奥氏体不锈钢除外）。

一、焊缝金属的一次结晶焊缝金属由液态转变为固态的过程称为焊缝金属的一次结晶。

焊接熔池的结晶与一般金 属的结晶一样，包含着生核和晶核长大的过程， 同时它还具有其自身特点。

的晶核有两种方式， 即自发形核和非自发形核。

试验表明，在焊接条件下， 要作用。

非自发形核情形如图 1-12所示。

新核的生成依附于现存基底的物质 其接触角0反应其润湿性。

三者关系可用下式表示： 固相主越剂（町图1-12液相中的非自发生核Y n = 丫 L - 丫 s • L COS ^或 COS =（ 丫 n • L - 丫 n • s ）/ 丫 s • L当结晶物质一定时，固、液相之间的表面自由能 Y s ，L 固定不变，（Y L - 丫 n • s ） o 显然，生核剂即现成基底和晶核的晶体结构越相似， 接近于0，则0值越接近于0,亦即润湿性越好，非自发形核越易形成。

对于焊接熔池，在 凝固结晶开始时，由于母材的材质与熔池中金属相同或相似， 它们的原子排列、晶格常数等 在大多数情况下一致或完全相同。

因此，已加热到熔点的熔池壁晶粒作为基底， 极利于非自 发形核。

非自发形核后，即以柱状晶的形式向熔池中心长大， 形成联生结晶。

但是，各晶体长大的趋势各不相同。

当晶体长大的方向与散热最快方向一致时， 最有利于晶粒的长大， 并有可 能长至熔池中心，形成较大柱状晶。

当长大的取、向不利于成长，又与散热方向不一致时， 只能长到半途而止。

熔池结晶结束便在焊缝与母材之间形成晶内结合的牢固接头。

焊接时， 为改善焊缝金属的性能， 通过焊接材料加入一定的合金元素（如钼、钒等）作为非自发晶核 的质点，使焊缝金属晶粒细化，从而提高焊缝的综合力学性能。

凝固后的焊缝金属一次结晶 组织主要为柱状晶，具有铸造金属的特征（图 1-13 ）。

间或有少量的等轴晶。

而柱状晶或等 轴晶内的亚晶结晶形态如平面结晶、胞状结晶、树枝结晶等则主要取决于金属材料本身和结 晶时冷却条件等因素（图1-14）。

而冷却条件则取决于焊接时的板厚、接头形式、焊接速度、 焊接电流等参数。

焊接金属一次结晶的组织形态对其性能有很大的影响，粗大的柱状晶降低了焊缝的力学 性能，尤其是韧性。

同时增大热裂纹倾向，降低抗腐蚀性能，包括奥氏体不锈钢抗晶间腐蚀 性能等。

柱状晶组织的粗细对一般低碳钢的影响不甚严重， 但对高温耐热钢和高强度不锈钢等材料就显得特别严重。

如对25-20奥氏体不锈钢，由于存在方向性的粗大柱状晶， 其焊缝金属的热裂纹倾向十分敏感。

因此对于某些奥氏体不锈钢的焊缝， 通过焊接材料中加入的铁素体形成元素，形成奥氏体和铁素体双相组织，以打乱单一奥氏体柱状晶的方向， 从而提高 焊缝的抗腐蚀性能，减少了产生热裂纹的倾向。

纯金属结晶形成非自发形核起主（或生核剂。

Y n • s > Y n • L 、Y s • L 分别表示为相应界面的表面自由能。

COS 0值仅取决于差值 差值.（Y n • L - Y n • 片接縫角图1-13焊缝组织结构形态R—晶体长大速度G —液相中的温度梯度1 —平面晶2—胞状晶3—树枝状晶4—等轴晶二、焊缝金属的二次结晶组织一次结晶结束后，熔池转变为固体焊缝。

高温焊缝金属冷却到室温时组织将进一步发生转变，这种相变过程称为焊缝金属的二次结晶。

二次结晶的焊缍组织基本上取决于焊缝的成分和冷却条件。

表1-8显示出低碳钢焊接冷却速度对焊缝组织和抗拉强度的影响。

表从表1-8中可以看出，在低碳钢的平衡组织（即非常缓慢冷却得到的组织）中，珠光体含量是很少的。

但随着冷却速度的增大，所得到的珠光体含量也较平衡组织中的含量增多，同时焊缝金属的强度也显著提高。

不过当冷却速度变快时，即使是低碳钢也有可能出现贝氏体组织。

而当高温停留时间长，特别是在焊缝的热影响区，奥氏体晶粒严重长大，冷至室温时有可能得到位向特别明显的粗大针状铁素体组织，这种组织称为魏氏组织（图1-15 ）。

魏氏组织的出现，导致焊缝金属的冲击韧度急剧下降，性能恶化，因此，一般不希望焊缝形成这种组织。

低碳钢、低合金钢中除碳，还常含有锰、硅、钼、钛、铌、铬、镍等一些合金元素，这些合金元素对焊缝二次结晶时的组织转变其有重要的影响。

锰作为焊缝中的主要合金元素，显著影响奥氏体扩散转变，使奥氏体相变温度下降，共析能在较低碳浓度上形成。

并能细化珠光体，降低马氏体转变点。

硅能显著提高珠光体相变温度，使珠光体变粗、不能稳定碳化物相，并在较高的温度下形成较粗的渗碳体析出物。

Mn-Si可同时降低焊缝中氧含量，可作图1-15低碳钢焊接热影响区中的魏氏组织为脱氧剂，对焊缝的组织具有重要影响，随Mn-Si含量增加，连续冷却相变温度逐渐降低，组织晶粒细化。

但是从最佳韧性来考虑，W i在0.1%〜0.25%范围，Wn在0.8%〜1.0%范围内取得中等的粒状先共析铁素体及晶内细针状铁素体才是良好的。

铬是稳定奥氏体的元素，铬的加入并随着其含量的提高会使焊缝中的残余奥氏体和马氏体含量显著上升。

镍对焊缝组织转变的影响与锰相似，只是比锰的作用弱。

为了提高焊缝的韧性，经常在焊缝中再加入Mo Ti、Nb等元素。

通常当焊缝中W。

为0.1%〜0.35%, W为0.03%〜0.05%时，会在焊缝中生成稳定均匀的细针状铁素体组织，此时冲击韧度最高。

对于碳锰钢和低合金高强度钢，当焊缝组织和热影响区组织从奥氏体连续冷却至400〜350C时，存在的部分残余奥氏体中碳的质量分数增大，可能被浓缩到0.5%〜0.8%。

进一步冷却时，如果冷却速度加快，这部分残余奥氏体将部分析出马氏体（M）并再次残留少量的奥氏体（A）,从而形成M-A结构（图1-16 ）。

M-A结构的存在对焊缝的韧性产生恶劣影响。

在分析焊缝韧性降低，尤其是低合金高强度钢焊缝中的韧性的降低原因时，认为控制焊缝中的M-A结构的产生条件和存在数量，是改进焊缝韧性的重要工作。

图1-16焊接接头中的M-A组织结构(带棱角呈灰白色)三、焊缝金属结晶过程的缺陷在焊缝金属结晶冷却过程中，由于受到焊件的化学成分、所使用的焊接材料、焊接工艺方法、焊接参数以及其他各种条件因素的影响，焊接接头由此可能产生多种缺陷，如偏析、夹杂、裂纹等。

1 •焊缝金属中的偏析在熔池结晶时，由于冷却速度很快，使合金元素在焊缝中来不及扩散，造成分布不均，即所谓的偏析。

焊缝中的偏析根据大小和分布情况可分为显微偏析、区域偏析和层状偏析。

(1) 显微偏析发生在晶粒内和晶粒间的偏析即为显微偏析。

焊缝金属的树枝状偏析属显微偏析，表现在柱状晶粒或亚晶晶胞的晶内与晶界之间化学成分的差别上，柱状晶在长轴方向的成分变化一般较小。

另外无数个柱状晶同时生成的过程中，相邻的柱状晶间液态金属含有较多的合金元素和杂质，往往最后结晶，造成柱状晶内和柱状晶间化学成分分布不均，产生了晶粒间的偏析。

熔焊时很难避免显微偏析的发生。

影响显微偏析的因素也较多，如焊缝中的合金元素含量、冷却速度等。

冷却速度越大，合金元素扩散均匀化越困难，显微偏析程度越重。

同时，冷却速度越大，晶粒越细，晶界所占比例较大，显微偏析必然分散，其程度也相应地减弱。

因此必须予以综合考虑。

表1-9是w为0.19%、W Mn为0.50%的低碳钢焊缝中锰的偏析测量情况。

表1-9低碳钢中的显微偏析减少这种偏析的措施一是控制熔池化学成分，使结晶温度区间尽量减小；二是细化晶粒，使晶界增多，偏析分散。

(2) 区域偏析也称宏观偏析。

熔池结晶时，由于柱状晶的不断长大和推移，会把溶质或杂质“赶”向熔池中心而最后结晶，这样就产生了区域偏析。

区域偏析若存在于焊缝的中心，当受到焊接应力或外部拉力的作用时，便产生裂纹。

结晶裂纹往往与区域偏析有关。

影响区域偏析的主要因素有焊接材料、冷却速度和焊缝的断面形状等。

在焊接材料中，如含有低熔点杂质(如S、P)或合金元素越多，越易造成区域偏析。

冷却速度小，有利于区域偏析。

而对于窄而深的焊缝，在它们的中心易形成区域偏析。

若开适当的坡口可以将区域偏析推到焊缝的表面或熔渣中，这样可以减少区域偏析所产生的危害。

区域偏析和显微偏析的区别是区域偏析较集中，而显微偏析较分散，一般冷却速度较快时易形成显微偏析，冷却速度较慢时以区域偏析为主。

(3) 层状偏析焊接熔池始终是处于气流和熔滴金属的脉动作用下，无论是金属的流动或是热量的供应和传递都具有脉动的性质。

同时熔池在结晶过程中放出结晶潜热，当结晶潜热达到一定数值时，熔池的结晶出现暂时的停顿。

以后随着熔池的散热，结晶又重新开始。

这样晶体的成长速度就出现周期性的增加和减少，这种晶体长大速度的变动，伴随着出现结晶前沿液态金属中杂质浓度的变动，就形成了周期性偏析，称为层状偏析。

层状偏析在焊缝断面上的分布与熔合线的轮廓相似，各层之间距离不同，越靠近熔合线越密，越远离熔合线越稀。

图1-17为16Mn（新标准为Q345,下同）与钢埋弧焊时出现的层状偏析。

层状偏析常集中一些有害元素（ C S、P等），会使焊缝的力学性能不均匀，抗腐蚀性能下降，降低断裂韧度等。

1.焊缝金属中的夹杂物焊缝中的夹杂物是指由于焊接冶金反应产生的、焊后残留在焊缝中的非金属夹杂物（如氧化物、硫化物）。

夹杂物的组成及分布形式多种多样，随焊件的化学成分、焊接方法及焊图1-17层状偏析接材料的不同而变化。

一般情况下，熔池凝固过程是自熔合区开始向前结晶运动，并足以把混合于液态金属中的熔渣等非金属夹杂物推出金属，这也正是横焊、仰焊之类的空间位置焊接熔渣仍然与平焊一样能处于焊缝表面的原因。

但是，当这种正常结晶过程遭到破坏时，会使部分熔渣及非金属杂质物难于排出，最终仍残留在金属中。

研究表明，在正常焊接条件下，焊缝中的夹杂物更多的是内在的焊接冶金反应产物，并非熔融药皮、焊剂等未能排出而残留所致的夹渣。

焊缝中常见的夹杂物是氧化物、氮化物和硫化物。

结晶速度对焊缝中的夹杂物分布和数量有很大影响。

如在低速焊接时，相应地熔池金属结晶速度较慢，非金属夹杂物有足够的时间从金属中排出。

反之，快速焊时，将使夹杂物更多的滞留在金属内。

夹杂物对焊缝性能的影响取决于分布在焊缝中的夹杂物种类、形式和尺寸大小。

如果夹杂物颗粒非常细小，则对焊缝的塑性和韧催影响不大。

如果夹杂物颗粒尺寸较大，尤以结合面上的针状夹杂物以及晶界的网状夹杂物等最能降低金属的韧性，在应力的作用下，有可能导致产生裂纹。

此外，所有的夹杂物都降低金属的抗腐蚀性能。