中級(jí)第三章焊接電弧及焊接冶金知識(shí)焊工第四節(jié)：焊接熔池的一次結(jié)晶、二次結(jié)晶、焊接熱循環(huán)的含義及焊接接頭組織和性能的變化焊工·中級(jí)4.1焊接熔池的一次結(jié)晶4.2二次結(jié)晶4.3焊接熱循環(huán)的含義及影響因素4.4焊接接頭組織和性能的變化4.1焊接熔池的一次結(jié)晶焊縫金屬?gòu)母邷氐囊后w狀態(tài)冷卻至常溫的固體狀態(tài)經(jīng)歷兩次結(jié)晶過(guò)程（1）從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟囊淮谓Y(jié)晶（2）在固相焊縫金屬中出現(xiàn)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的二次結(jié)晶4.1焊接熔池的一次結(jié)晶4.1.1特點(diǎn)焊縫金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的凝固過(guò)程稱為焊縫金屬的一次結(jié)晶。（1）熔池體積小、冷卻速度大，產(chǎn)生淬硬、粒狀晶等組織；（2）熔池中的金屬處于過(guò)熱狀態(tài)，金屬燒損嚴(yán)重，非自發(fā)形核少；（3）溶池在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下結(jié)晶，隨熱源移動(dòng)，熔化和凝固同時(shí)進(jìn)行，攪拌作用有利于得到性能好的焊縫。4.1焊接熔池的一次結(jié)晶4.1.2過(guò)程

一次結(jié)晶過(guò)程：產(chǎn)生晶核、晶核長(zhǎng)大。熔合線上最先出現(xiàn)晶核，晶核長(zhǎng)大，晶體向熔池中心生長(zhǎng)，形成柱狀晶；柱狀晶長(zhǎng)大互相接觸，時(shí)，焊縫結(jié)晶過(guò)程結(jié)束。圖17-4焊接中柱狀晶的長(zhǎng)大圖17-3焊接熔池的結(jié)晶過(guò)程a)開(kāi)始結(jié)晶b)晶體長(zhǎng)大c)柱狀結(jié)晶的d)結(jié)晶結(jié)束a)c)b)d)4.1焊接熔池的一次結(jié)晶4.1.3一次結(jié)晶過(guò)程中的偏析偏析的定義焊縫金屬中化學(xué)成分分布不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。偏析的影響

（1）偏析的化學(xué)成分分布不均導(dǎo)致性能改變；（2）產(chǎn)生裂紋、氣孔、夾雜物等焊接缺陷。偏析的分類（1）顯微偏析

熔池一次結(jié)晶時(shí)，最先結(jié)晶的結(jié)晶中心金屬最純，后結(jié)晶部分含其它合金元素和雜質(zhì)略高，最后結(jié)晶部分，即結(jié)晶的外端和前緣所含其它合金元素和雜質(zhì)最高。在一個(gè)晶粒內(nèi)部和晶粒之間的化學(xué)成分分布不均勻現(xiàn)象稱為顯微偏析。

影響顯微偏析的主要因素是金屬的化學(xué)成分。4.1焊接熔池的一次結(jié)晶4.1.3一次結(jié)晶過(guò)程中的偏析偏析的分類（2）區(qū)域偏析熔池一次結(jié)晶時(shí)，由于柱狀晶體的不斷長(zhǎng)大和推移，會(huì)把雜質(zhì)“趕”向熔池中心，使熔池中心的雜質(zhì)含量比其它部位多，這種現(xiàn)象稱為區(qū)域偏析。焊縫的斷面形狀對(duì)區(qū)域偏析的分布影響很大。窄而深的焊縫，各柱狀晶的交界在其焊縫的中心，因此焊縫中心聚集有較多的雜質(zhì)，見(jiàn)圖a)。這種焊縫在其中心部位極易產(chǎn)生熱裂紋。寬而淺的焊縫，雜質(zhì)則聚集在焊縫的上部，見(jiàn)圖b)，這種焊縫具有較高的抗熱裂能力

圖17-5焊縫斷面形狀對(duì)偏析分布的影響a)b)4.1焊接熔池的一次結(jié)晶4.1.3一次結(jié)晶過(guò)程中的偏析偏析的分類（2）區(qū)域偏析焊接材料的合金成分或雜質(zhì)越多，區(qū)域偏析越嚴(yán)重；熔池的冷卻速度越慢，偏析越嚴(yán)重。焊接速度大越大，柱狀晶成長(zhǎng)越垂直于焊縫中心，易形成脆弱的結(jié)合面，如圖a)，偏析聚集在焊接中心線附近，此處易產(chǎn)生焊縫的縱向裂紋。焊接速度越小，柱狀晶成長(zhǎng)方向越彎曲，偏析情況有所減輕，如圖b)。a)b)圖17-6焊接速度對(duì)柱狀晶成長(zhǎng)方向的影響a)快焊速b)慢焊速

4.1焊接熔池的一次結(jié)晶4.1.3一次結(jié)晶過(guò)程中的偏析偏析的分類（3）層狀偏析熔池在一次結(jié)晶的過(guò)程中，要不斷地放出結(jié)晶潛熱，當(dāng)結(jié)晶潛熱達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，熔池的結(jié)晶就出現(xiàn)暫時(shí)的停頓。以后隨著熔池的散熱，結(jié)晶又重新開(kāi)始，形成周期性的結(jié)晶，伴隨著出現(xiàn)結(jié)晶前沿液體金屬中雜質(zhì)濃度的周期變動(dòng)，產(chǎn)生周期性的偏析稱為層狀偏析。層狀偏析集中了一些有害元素，因此缺陷往往出現(xiàn)在層狀偏析中。由層狀偏析所造成的氣孔（如圖）。層狀偏析同樣使焊縫力學(xué)性能不均勻，耐腐蝕性能也不一致。a)b)圖17-7層狀分布的氣孔a)焊縫橫斷面b)焊縫縱斷面

4.1焊接熔池的一次結(jié)晶4.1.4夾雜由焊接冶金反應(yīng)產(chǎn)生的，焊后殘留在焊縫金屬中的微觀非金屬雜質(zhì)，稱為夾雜物。夾雜物種類硫化物——MnS和FeS，其中FeS是促使熱裂紋形成的主要因素之一。

氧化物——SiO2、MnO、TiO2和Al2O3等，一般都以硅酸鹽的形式存在。

這些夾雜物是焊縫中引起夾渣的原因之一。氮化物——焊縫中很少出現(xiàn)（時(shí)效時(shí)可能出現(xiàn)Fe4N析出）。4.2二次結(jié)晶定義一次結(jié)晶結(jié)束后，熔池就轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的焊縫。高溫的焊縫金屬冷卻到室溫時(shí)，要經(jīng)過(guò)一系列的組織相變過(guò)程，這種相變過(guò)程稱為焊縫金屬的二次結(jié)晶。

低碳鋼焊縫二次結(jié)晶組織性能低碳鋼焊縫金屬二次結(jié)晶結(jié)束時(shí),其組織為鐵素體加珠光體。低碳鋼在材料極緩慢的冷卻條件下獲得的，實(shí)際上焊縫金屬二次結(jié)晶時(shí)的冷卻速度相當(dāng)快，因此組織中的珠光體含量會(huì)增加，冷卻速度越高，珠光體含量也越多，焊縫的硬度和強(qiáng)度也隨之增加,塑性和韌性則隨之降低。改善低碳鋼焊縫二次結(jié)晶組織性能的措施（1）控制冷卻速度（2）采用多層焊（3）焊后熱處理4.3焊接熱循環(huán)的含義及影響措施在焊接熱源作用下，焊件上某一點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，叫該點(diǎn)的焊接熱循環(huán)。規(guī)律（1）焊件上任意點(diǎn)的溫度經(jīng)歷由低到高、又由高到低的加熱和冷卻過(guò)程，；（2）距離熱源移動(dòng)軸線位置不同的各點(diǎn)，所經(jīng)歷的熱循環(huán)是不同的；（3）焊接方法不同，熱循環(huán)曲線（如圖17-8）的形狀也不同。特點(diǎn)（1）加熱速度快；（2）加熱溫度高；（3）

高溫停留時(shí)間短（4）冷卻速度快；（5）局部加熱焊接是一個(gè)不均勻加熱和冷卻過(guò)程，結(jié)果導(dǎo)致：（1）焊接熱影響區(qū)的組織和性能不均勻（2）接頭中產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力和應(yīng)變4.3.1概念4.3焊接熱循環(huán)的含義及影響措施焊接熱循環(huán)主要參數(shù)（1）加熱速度ωH加熱速度ωH快，奧氏體化溫度升高，奧氏體中的碳化物溶解不充分，奧氏體均質(zhì)化程度低，穩(wěn)定性差。（2）峰值溫度Tm焊縫兩側(cè)各點(diǎn)的Tm不同，冷卻過(guò)程中發(fā)生的相變不同，組織性能不同。（3）高溫停留時(shí)間tA在相變溫度TA以上停留的時(shí)間。一般指1100～1200℃以上的停留時(shí)間。tA越長(zhǎng)，越有利于奧氏體的均質(zhì)化，同時(shí)帶來(lái)嚴(yán)重的晶粒長(zhǎng)大。（4）冷卻速度

冷卻速度是決定焊接HAZ組織和性能的主要參數(shù)。

4.3焊接熱循環(huán)的含義及影響措施加熱速度ωH

最高加熱溫度Ｔm

相變溫度以上停留時(shí)間tA冷卻速度ωc相變組織晶粒大小圖17-8焊接熱循環(huán)曲線及各參數(shù)4.3焊接熱循環(huán)的含義及影響措施（1）焊接參數(shù)和熱輸入焊接電流、電弧電壓、焊接速度、線能量等對(duì)熱循環(huán)影響很大。功率大、焊接速度快時(shí)，加熱時(shí)間短、范圍窄，冷卻快；焊接速度慢時(shí)，則相反。熔焊時(shí)，由焊接能源輸入給單位長(zhǎng)度焊縫上的能量，稱為焊接熱輸入。電弧焊時(shí)的熱輸入，可用下式表示：式中——熱輸入，J/cm;

I焊——焊接電流，A；

U焊——電弧電壓，V;

v——焊接速度，cm/s;

η——電弧的有效熱功率利用系數(shù)。焊條電弧焊η≈0.75~0.87；埋弧焊η≈0.77~0.90；鎢極氬弧焊η≈0.70~0.85。4.3.2影響因素4.3焊接熱循環(huán)的含義及影響措施（2）預(yù)熱和層間溫度焊接性差的鋼材，一般要采取預(yù)熱和保持層間溫度的技術(shù)措施，以降低焊接接頭的冷卻速度，降低焊接過(guò)程的淬硬傾向，防止裂紋的產(chǎn)生。金屬材料預(yù)熱溫度一般不超過(guò)350℃，在低溫（600℃）時(shí)對(duì)冷卻速度能起到顯著的降低作用，對(duì)tA值影響不大，所以預(yù)熱對(duì)焊接線能量不起增強(qiáng)作用，對(duì)焊接熱循環(huán)是有利的。在多層多道焊接中，層間溫度一般等于或略高于預(yù)熱溫度，控制層間溫度的目的在于降低焊接接頭在低溫時(shí)的冷卻速度，有利于焊接熱循環(huán)的作用，另外，還可促使擴(kuò)散氫逸出焊接區(qū)，利于防止延遲裂紋。（3）其他因素板厚、接頭形式和材料的導(dǎo)熱性對(duì)焊接熱循環(huán)也有很大影響。板厚增大時(shí)，冷卻速度增大，角焊縫比對(duì)接焊縫冷卻速度大。4.3.2影響因素4.4焊接接頭組織和性能的變化低碳鋼和含合金元素較少的低合金高強(qiáng)度鋼（Q345、Q390）,其熱影響區(qū)分為過(guò)熱區(qū)、正火區(qū)、部分相變區(qū)、再結(jié)晶區(qū)。（1）過(guò)熱區(qū)過(guò)熱區(qū)是處于1100℃至固相線間的高溫部位，這部分加熱溫度大大超過(guò)相變溫度，該區(qū)母材中鐵素體和珠光體全部變?yōu)閵W氏體，且?jiàn)W氏體晶粒急劇長(zhǎng)大，冷卻后成為粗大的過(guò)熱組織，使金屬?zèng)_擊韌性大大降低。過(guò)熱區(qū)是焊接接頭的最危險(xiǎn)的易破壞區(qū)段，其性能最差。（2）正火區(qū)正火區(qū)處于AC3至1100℃間的部分金屬，其鐵素體和珠光體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，由于焊接速度快，高溫停留時(shí)間短，奧氏體來(lái)不及長(zhǎng)大，冷卻下來(lái)得到的是細(xì)小的鐵素體和珠光體組織。焊接熱循環(huán)對(duì)這部分金屬的影響相當(dāng)于熱處理中的正火工藝，冷卻后的組織比原基本金屬細(xì)小，具有哦較高的強(qiáng)度，較好的塑性和韌性，故而正火區(qū)是焊接接頭組織和性能最佳的部位。4.4.1不易淬火鋼4.4焊接接頭組織和性能的變化（3）部分相變區(qū)該區(qū)段金屬被加熱到AC1~AC3溫度之間，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，鐵素體部分溶入奧氏體，在加熱過(guò)程中，隨著溫度的升高奧氏體的轉(zhuǎn)變隨著增多，未溶入奧氏體的鐵素體減少，在冷卻過(guò)程中，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的珠光體和鐵素體，而未被溶入奧氏體鐵素體不發(fā)生轉(zhuǎn)變，可見(jiàn)，重結(jié)晶過(guò)程是不完全的，該區(qū)又稱不完全重結(jié)晶區(qū)。部分相變區(qū)金屬隨著溫度的升高晶粒略有長(zhǎng)大，其晶粒的大小不均勻，而且相互混雜在一起，成為焊接接頭強(qiáng)度最低的部位。（4）再結(jié)晶區(qū)金屬加熱的溫度為400℃~AC1，對(duì)經(jīng)過(guò)冷塑性變形而產(chǎn)生碎晶和晶格扭曲缺陷的基本金屬，在該區(qū)的加熱溫度范圍會(huì)發(fā)生再結(jié)晶過(guò)程，再結(jié)晶的結(jié)果，晶粒重新稍有長(zhǎng)大，塑性稍有改變。對(duì)于無(wú)冷塑性變形的金屬則本區(qū)不出現(xiàn)。4.4.1不易淬火鋼4.4焊接接頭組織和性能的變化圖17-9焊接熱影響區(qū)的溫度分布與Fe-C狀態(tài)圖的關(guān)系4.4焊接接頭組織和性能的變化包括中碳鋼、低碳調(diào)制高強(qiáng)鋼、中碳調(diào)制高強(qiáng)鋼等，如果母材焊前處于退火狀態(tài)，則可分為完全淬火區(qū)和不完全淬火區(qū)，如果母材焊前是調(diào)制狀態(tài)，還要形成一個(gè)回火區(qū)。（1）完全淬火區(qū)淬火區(qū)是被加熱到1100℃以上的金屬部位，該區(qū)金屬在冷卻時(shí)，高碳當(dāng)量的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊鸾M織馬氏體，焊縫附近是粗大馬氏體，相當(dāng)于正火區(qū)域的是細(xì)小馬氏體。室溫下其組織硬而脆，塑韌性低，并且容易產(chǎn)生冷裂紋。（2）不完全淬火區(qū)該區(qū)被加熱在AC1至AC3之間的溫度范圍內(nèi)，加熱時(shí)母材鐵素體少量溶解，珠光體、貝氏體、索氏體轉(zhuǎn)為奧氏體；冷卻時(shí)其金屬部分