1、第二章第二章 金屬的凝固金屬的凝固第07講上講回想上講回想v焊條的加熱與熔化焊條的加熱與熔化v焊條金屬的過渡特性焊條金屬的過渡特性v熔池的外形和尺寸熔池的外形和尺寸v熔池中流體的運動形狀熔池中流體的運動形狀v熔池凝固的特殊性熔池凝固的特殊性二、熔池結(jié)晶的普通規(guī)律二、熔池結(jié)晶的普通規(guī)律 焊接時，熔池金屬的結(jié)晶與普通煉鋼時鋼錠的結(jié)焊接時，熔池金屬的結(jié)晶與普通煉鋼時鋼錠的結(jié)晶一樣，也是在過冷的液體金屬中，首先構(gòu)成晶晶一樣，也是在過冷的液體金屬中，首先構(gòu)成晶核和晶核長大的結(jié)晶過程。核和晶核長大的結(jié)晶過程。 生核熱力學(xué)條件：是過冷度而呵斥的自在能降低；生核熱力學(xué)條件：是過冷度而呵斥的自在能降低； 生核的

2、動力學(xué)條件：是自在能降低的程度。生核的動力學(xué)條件：是自在能降低的程度。 結(jié)晶過程就是由晶核的產(chǎn)生和生長兩個根本過程結(jié)晶過程就是由晶核的產(chǎn)生和生長兩個根本過程所組成。所組成。 1. 1. 熔池中晶核的構(gòu)成熔池中晶核的構(gòu)成 熔池中晶核的生成分為：非自發(fā)晶核、自發(fā)熔池中晶核的生成分為：非自發(fā)晶核、自發(fā)晶核。構(gòu)成兩種晶核都需求能量晶核。構(gòu)成兩種晶核都需求能量 自發(fā)晶核自發(fā)晶核 自發(fā)臨界晶核所需的能量自發(fā)臨界晶核所需的能量EKEK表達(dá)式：表達(dá)式：23316vFKE 非自發(fā)形核非自發(fā)形核4coscos324coscos323163323KFKEEv：非自發(fā)晶核的浸：非自發(fā)晶核的浸潤角圖潤角圖2-19=0，

3、EK=0 =180，EK = EK 圖圖2-19 非自發(fā)晶核的浸潤角非自發(fā)晶核的浸潤角研討闡明：對于熔池研討闡明：對于熔池結(jié)晶來講，非自發(fā)晶結(jié)晶來講，非自發(fā)晶核起主要作用。核起主要作用。 焊接時存在兩種非自發(fā)晶核質(zhì)點：焊接時存在兩種非自發(fā)晶核質(zhì)點：一種是合金元素或雜質(zhì)的懸浮質(zhì)點，作用不大。一種是合金元素或雜質(zhì)的懸浮質(zhì)點，作用不大。一種是現(xiàn)成外表，熔池邊境熔合區(qū)，處于半熔一種是現(xiàn)成外表，熔池邊境熔合區(qū)，處于半熔化的母材晶粒外表為新相晶核的化的母材晶粒外表為新相晶核的“基地，圖基地，圖2- 2-2020所示。所示。圖圖2-20 熔合區(qū)母材晶粒上生長的柱狀晶熔合區(qū)母材晶粒上生長的柱狀晶焊接時，通常參

4、與一焊接時，通常參與一定量的合金元素，可定量的合金元素，可以作為熔池中非自發(fā)以作為熔池中非自發(fā)晶核的質(zhì)點，從而使晶核的質(zhì)點，從而使焊縫金屬細(xì)化。焊縫金屬細(xì)化。2 2熔池中晶核的長大熔池中晶核的長大原子由液相不斷地向固相轉(zhuǎn)移，晶核的生長是經(jīng)過二原子由液相不斷地向固相轉(zhuǎn)移，晶核的生長是經(jīng)過二維成核方式長大，但并不是齊步前進(jìn)，長大趨勢維成核方式長大，但并不是齊步前進(jìn)，長大趨勢不同，有的不斷向焊縫中部開展；有的只長大很不同，有的不斷向焊縫中部開展；有的只長大很短間隔就被抑制停頓長大。當(dāng)晶體最易長大方向短間隔就被抑制停頓長大。當(dāng)晶體最易長大方向與散熱最快方向相一致，最有利長大。與散熱最快方向相一致，最有

5、利長大。晶核的生長是一個原子厚度從液相中吸收原子集團(tuán)來晶核的生長是一個原子厚度從液相中吸收原子集團(tuán)來進(jìn)展的進(jìn)展的, ,并延續(xù)不斷地吸附在晶體外表的小臺階處并延續(xù)不斷地吸附在晶體外表的小臺階處而迅速長大。而迅速長大。焊接熔池邊境正是固液相的相焊接熔池邊境正是固液相的相界面，熔池邊境的部分熔化的界面，熔池邊境的部分熔化的母材晶粒外表完全能夠成為新母材晶粒外表完全能夠成為新相晶核的相晶核的“基底基底 ，非均勻生，非均勻生核，焊縫金屬呈柱狀晶方式與核，焊縫金屬呈柱狀晶方式與母材相聯(lián)絡(luò)，好似母材晶粒外母材相聯(lián)絡(luò)，好似母材晶粒外延伸大。這種依靠于母材晶粒延伸大。這種依靠于母材晶?，F(xiàn)成外表而構(gòu)成共同晶粒的凝

6、現(xiàn)成外表而構(gòu)成共同晶粒的凝固方式，稱為聯(lián)生結(jié)晶或交互固方式，稱為聯(lián)生結(jié)晶或交互結(jié)晶。結(jié)晶。圖圖2-21 外延結(jié)晶表示圖外延結(jié)晶表示圖 三、三、 熔池凝固線速度熔池凝固線速度 焊接熔池凝固晶粒主軸的生長方向與熔池凝固等溫面焊接熔池凝固晶粒主軸的生長方向與熔池凝固等溫面正交，并以彎曲的外形向焊縫中心生長。正交，并以彎曲的外形向焊縫中心生長。從圖從圖2-222-22可以看出，任一晶粒主軸，在任一點可以看出，任一晶粒主軸，在任一點A A的生長的生長方向是方向是A A點的切線點的切線(SS(SS線線) )。此方向與。此方向與x x軸之間的夾軸之間的夾角為角為 。 R=vcos R=vcos 圖圖2-22

7、 晶粒長大線速度分析圖晶粒長大線速度分析圖 v 晶粒的平均線速度是變化的晶粒的平均線速度是變化的v 晶粒主軸是彎曲的，在熔合線附近，晶粒主軸是彎曲的，在熔合線附近， =90，R=0；而在熔池中心；而在熔池中心 =0 ，那么，那么R= 。這就是。這就是說，從熔合線開場到熔池中心部分，說，從熔合線開場到熔池中心部分， 角自角自90變變到到0，而，而R自自0變到焊接速度。在熔合線上晶粒生變到焊接速度。在熔合線上晶粒生長的平均線速度最小，而在焊縫中心部位最大。長的平均線速度最小，而在焊縫中心部位最大。v 焊接工藝參數(shù)焊接工藝參數(shù)v焊接速度焊接速度，cos =R/0， 90 ，晶粒生長主，晶粒生長主軸的

8、方向就近似垂直于焊縫熔合線。軸的方向就近似垂直于焊縫熔合線。v焊接速度焊接速度，晶粒生長主軸的方向越彎曲，晶粒生長主軸的方向越彎曲 。 四、焊縫中的化學(xué)不均勻性四、焊縫中的化學(xué)不均勻性 在熔池凝固過程中，由于冷卻速度很快，在熔池凝固過程中，由于冷卻速度很快，合金元素來不及分散均勻，會出現(xiàn)所謂偏析合金元素來不及分散均勻，會出現(xiàn)所謂偏析景象。景象。 1 1 顯微偏析顯微偏析焊縫金屬在凝固過程中，先凝固的固相含溶質(zhì)焊縫金屬在凝固過程中，先凝固的固相含溶質(zhì)濃度較低，后凝固的固相含溶質(zhì)濃度較高，濃度較低，后凝固的固相含溶質(zhì)濃度較高，并富集了許多雜質(zhì)，可以經(jīng)過微觀分析方法并富集了許多雜質(zhì)，可以經(jīng)過微觀分析

9、方法檢測出來，故稱為顯微偏析。檢測出來，故稱為顯微偏析。利用電子探針測定溶質(zhì)原子在晶界和晶內(nèi)的分利用電子探針測定溶質(zhì)原子在晶界和晶內(nèi)的分布時，發(fā)如今焊縫的晶界、晶內(nèi)的亞晶界和布時，發(fā)如今焊縫的晶界、晶內(nèi)的亞晶界和樹枝晶之間，都存在不同程度的顯微偏析。樹枝晶之間，都存在不同程度的顯微偏析。 2 2 區(qū)域偏析區(qū)域偏析在焊縫凝固時，由于柱狀晶不斷長大推移，把溶質(zhì)和在焊縫凝固時，由于柱狀晶不斷長大推移，把溶質(zhì)和雜質(zhì)推向熔池的中心部位，使最后凝固部位產(chǎn)生較雜質(zhì)推向熔池的中心部位，使最后凝固部位產(chǎn)生較嚴(yán)重的區(qū)域偏析。嚴(yán)重的區(qū)域偏析。在焊速較大時，生長的柱狀晶最后都在焊縫中心附近在焊速較大時，生長的柱狀晶最

10、后都在焊縫中心附近相遇，使焊縫中心出現(xiàn)溶質(zhì)和雜質(zhì)的偏析，在應(yīng)力相遇，使焊縫中心出現(xiàn)溶質(zhì)和雜質(zhì)的偏析，在應(yīng)力作用下，將會導(dǎo)致焊縫縱向裂紋的產(chǎn)生。作用下，將會導(dǎo)致焊縫縱向裂紋的產(chǎn)生。 3 3 層狀偏析層狀偏析 由于在熔池凝固中放出的凝固潛熱和高溫熔滴的過渡由于在熔池凝固中放出的凝固潛熱和高溫熔滴的過渡周期性的變化，使得凝固界面的液體金屬成分也周期性的變化，使得凝固界面的液體金屬成分也發(fā)生周期性的變化，因此呵斥了所謂層狀偏析，發(fā)生周期性的變化，因此呵斥了所謂層狀偏析，如圖如圖2-232-23所示。所示。層狀偏析常集中一些有害的元素，如碳、硫、磷等，層狀偏析常集中一些有害的元素，如碳、硫、磷等，因此容

11、易在偏析層出現(xiàn)焊接缺陷，如圖因此容易在偏析層出現(xiàn)焊接缺陷，如圖2-242-24所示的所示的為層狀偏析呵斥的氣孔。為層狀偏析呵斥的氣孔。圖圖2-23 焊縫的層狀扁析焊縫的層狀扁析 a 手弧焊手弧焊 b 電子束焊電子束焊圖圖2-24 層狀扁析與氣孔層狀扁析與氣孔a 熔池的橫斷面熔池的橫斷面 b熔池的縱斷面熔池的縱斷面 2.4.2 2.4.2 焊縫組織焊縫組織 1 1、 焊接條件下的凝固形狀焊接條件下的凝固形狀 由于熔池各部位成分過冷不同，凝固形狀也有所不同，由于熔池各部位成分過冷不同，凝固形狀也有所不同，圖圖2-252-25表示地表示了焊縫凝固形狀的變化過程。表示地表示了焊縫凝固形狀的變化過程。圖

12、圖2-25 焊縫結(jié)晶形狀的變化焊縫結(jié)晶形狀的變化1平面晶平面晶 2胞狀晶胞狀晶 3樹枝柱狀晶樹枝柱狀晶 4等軸晶等軸晶 v實踐焊縫中，由于化學(xué)成分、板厚和接頭方式不同，實踐焊縫中，由于化學(xué)成分、板厚和接頭方式不同，不一定具有上述全部凝固形狀。此外焊接工藝參數(shù)不一定具有上述全部凝固形狀。此外焊接工藝參數(shù)對凝固形狀也有很大影響。對凝固形狀也有很大影響。v例如：例如：v 焊接速度增大時，在焊縫中心往往容易出現(xiàn)焊接速度增大時，在焊縫中心往往容易出現(xiàn)大量的等軸晶；大量的等軸晶；v 在焊接速度較低時，主要是胞狀樹枝晶。在焊接速度較低時，主要是胞狀樹枝晶。v 焊接電流較小時，主要是胞狀晶；焊接電流較小時，主

13、要是胞狀晶；v 焊接電流較大時，主要是粗大的胞狀樹枝晶。焊接電流較大時，主要是粗大的胞狀樹枝晶。 2 2、凝固形狀對性能的影響、凝固形狀對性能的影響 粗大的柱狀晶會降低焊縫金屬的強(qiáng)度和韌性。粗大的柱狀晶會降低焊縫金屬的強(qiáng)度和韌性。圖圖2-262-26所示為低碳鋼堿性焊條焊接的焊縫，晶粒粗細(xì)所示為低碳鋼堿性焊條焊接的焊縫，晶粒粗細(xì)對沖擊性能的影響。對沖擊性能的影響。在穩(wěn)定型奧氏體鋼在穩(wěn)定型奧氏體鋼( (如如25-2025-20型型) )焊接時，粗大柱狀晶是焊接時，粗大柱狀晶是呵斥熱裂紋的緣由之一；同時對抗晶間腐蝕也不呵斥熱裂紋的緣由之一；同時對抗晶間腐蝕也不利。利。 圖圖2-26 焊縫晶粒粗細(xì)對

14、沖擊韌度的影響焊縫晶粒粗細(xì)對沖擊韌度的影響1細(xì)晶粒細(xì)晶粒 2粗晶粒粗晶粒 3粗大柱狀晶組織粗大柱狀晶組織 3 3、 凝固組織的改善凝固組織的改善 焊接時，改善凝固組織，防止粗晶的主要措施：焊接時，改善凝固組織，防止粗晶的主要措施： 1 1 蛻變處置蛻變處置經(jīng)過焊接資料向熔池參與某些能細(xì)化晶粒的合金元素，經(jīng)過焊接資料向熔池參與某些能細(xì)化晶粒的合金元素，如鉬、釩、鈦、鈮、鋯、鋁、硼、氮、稀土等，如鉬、釩、鈦、鈮、鋯、鋁、硼、氮、稀土等，可使焊縫晶粒細(xì)化，提高強(qiáng)度和韌性以及抗裂性可使焊縫晶粒細(xì)化，提高強(qiáng)度和韌性以及抗裂性能。能。 2 2 振動凝固振動凝固振動的方式主要有：低頻機(jī)械振動、高頻超聲振動和

15、振動的方式主要有：低頻機(jī)械振動、高頻超聲振動和電磁振動等；電磁振動等；經(jīng)過振動熔池可以破壞生長的晶粒，到達(dá)細(xì)化晶粒的經(jīng)過振動熔池可以破壞生長的晶粒，到達(dá)細(xì)化晶粒的目的。目的。 2.4.3 2.4.3 焊接熔合區(qū)焊接熔合區(qū) 1 1、 熔合區(qū)的構(gòu)成熔合區(qū)的構(gòu)成熔合區(qū)即焊接接頭中焊縫向母材熱影響區(qū)過渡的區(qū)域。熔合區(qū)即焊接接頭中焊縫向母材熱影響區(qū)過渡的區(qū)域。熔合區(qū)由半熔化區(qū)與未混合區(qū)兩部分組成。熔合區(qū)由半熔化區(qū)與未混合區(qū)兩部分組成。圖圖2-27 2-27 熔合區(qū)的構(gòu)成表示圖熔合區(qū)的構(gòu)成表示圖11焊縫區(qū)富焊條成分焊縫區(qū)富焊條成分 22焊縫區(qū)富母材成分焊縫區(qū)富母材成分33半熔化區(qū)半熔化區(qū) 44真實熱影響區(qū)

16、真實熱影響區(qū) 55熔合區(qū)熔合區(qū)WIWI實踐熔合線實踐熔合線 WMWM焊縫金屬焊縫金屬v半熔化區(qū)指焊縫邊境固液兩相交錯共存的部位：半熔化區(qū)指焊縫邊境固液兩相交錯共存的部位：v 一是由于電弧吹力和熔滴過渡能夠呵斥的坡一是由于電弧吹力和熔滴過渡能夠呵斥的坡口熔化不均勻；口熔化不均勻；v 二是由于母材晶粒的取向不同所呵斥的熔化二是由于母材晶粒的取向不同所呵斥的熔化不均勻；不均勻；v 三是母材各點熔質(zhì)分布不均勻而構(gòu)成的實際三是母材各點熔質(zhì)分布不均勻而構(gòu)成的實際熔點和實踐熔點的差別所呵斥。熔點和實踐熔點的差別所呵斥。v 可見，焊接坡口熔化過程的復(fù)雜性是導(dǎo)致出可見，焊接坡口熔化過程的復(fù)雜性是導(dǎo)致出現(xiàn)半熔化區(qū)

17、的主要緣由。現(xiàn)半熔化區(qū)的主要緣由。 v未混合區(qū)未混合區(qū)( (不完全混合區(qū)不完全混合區(qū)) )是指焊縫區(qū)中緊鄰焊縫邊是指焊縫區(qū)中緊鄰焊縫邊境的部位，主要由焊接時熔化再凝固的母材所組成，境的部位，主要由焊接時熔化再凝固的母材所組成，而未與熔化的填充金屬完全相混合。而未與熔化的填充金屬完全相混合。v本質(zhì)：富集母材成分的焊縫區(qū)。本質(zhì)：富集母材成分的焊縫區(qū)。v構(gòu)成：是由于熔池邊緣的溫度較低，使對流和分散構(gòu)成：是由于熔池邊緣的溫度較低，使對流和分散過程進(jìn)展困難，從而導(dǎo)致母材與填充金屬不能很好過程進(jìn)展困難，從而導(dǎo)致母材與填充金屬不能很好混合。混合。v母材與填充金屬成分差別越大，未混合區(qū)越明顯。母材與填充金屬成

18、分差別越大，未混合區(qū)越明顯。假設(shè)填充金屬成分與母材成分完全一樣，未混合區(qū)假設(shè)填充金屬成分與母材成分完全一樣，未混合區(qū)會消逝。會消逝。 固態(tài)金屬晶粒液態(tài)金屬等溫線 2 2、熔合區(qū)的化學(xué)不均勻性、熔合區(qū)的化學(xué)不均勻性化學(xué)不均勻性是熔合區(qū)的重要特征之一，也是導(dǎo)致熔化學(xué)不均勻性是熔合區(qū)的重要特征之一，也是導(dǎo)致熔合區(qū)成為整個焊接接頭薄弱部位的主要緣由。合區(qū)成為整個焊接接頭薄弱部位的主要緣由。 鋼中的合金元素及雜質(zhì)在液相中的溶解度普通都大于鋼中的合金元素及雜質(zhì)在液相中的溶解度普通都大于在固相中的溶解度。熔池凝固時，隨著固相的添加，在固相中的溶解度。熔池凝固時，隨著固相的添加，溶質(zhì)原子堆積在固相前沿的液相中

19、。溶質(zhì)原子堆積在固相前沿的液相中。v這樣在固這樣在固液交界的地方溶質(zhì)的濃度將發(fā)生突變，液交界的地方溶質(zhì)的濃度將發(fā)生突變，如圖如圖2-282-28所示。圖中實線表示固所示。圖中實線表示固液并存時溶質(zhì)濃液并存時溶質(zhì)濃度的變化，虛線表示熔池完全凝固后的情況。闡明度的變化，虛線表示熔池完全凝固后的情況。闡明了在凝固過程中堆積在固相前沿的液相中的溶質(zhì)，了在凝固過程中堆積在固相前沿的液相中的溶質(zhì)，來不及分散到液相中心，而將不均勻的分布形狀保來不及分散到液相中心，而將不均勻的分布形狀保管到凝固以后。管到凝固以后。圖圖2-28 固液界面的溶質(zhì)分布固液界面的溶質(zhì)分布 v這種化學(xué)不均勻性程度，與溶質(zhì)原子的性質(zhì)有關(guān)，這種化學(xué)不均勻性程度，與溶質(zhì)原子的性質(zhì)有關(guān)，如硫、磷、如硫、磷、 碳等易偏析元素。碳等易偏析元素。v在凝固后的冷卻過程中，分散才干較強(qiáng)的元素還有在凝固后的冷卻過程中，分散才干較強(qiáng)的元素還有能夠在濃度梯度的推進(jìn)下由焊縫向母材分散，使化能夠在濃度梯度的推進(jìn)下由焊縫向母材分散，使化學(xué)不均勻性有所緩和。學(xué)不均勻性有所緩和。v 同種鋼在焊接時，碳在凝固后仍可分散，完同種鋼在焊接時，碳在凝固后仍可分散，完全冷卻后沒有明顯的偏析；全冷卻后沒有明顯的偏析；v 硫、磷等分散才干弱的元素，凝固后濃度變