1、第五章 金属熔化焊过程金属结晶,冶金机械系.李梅,焊缝金属从高温的液体状态冷却至常温的固体状态经历了两次结晶过程：,1.从液相转变为固相的一次结晶2.在固相焊缝金属中出现同素异构转变的二次结晶,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。,一、焊缝金属的一次结晶,一次结晶过程： 形核自发形核、非自发形核 长大,晶核的长大,1.熔池体积小、冷却速度大。,2.熔池中的金属处于过热状态。,3.溶池在运动状态下结晶。,一次结晶特殊性,焊接熔池一次结晶的特点和形态,2.纯金属的结晶形态 正的温度梯度：平面晶，生长缓慢（主要） 负的温度梯度：生长速度快，除主轴外，还有分枝
2、，生成树枝晶（较少）,8,1.分类,结晶形态的不同，是由于金属的纯度和散热条件 的不同所致。,熔池结晶的形态,平面晶，高纯度的金属,胞状晶,胞状树枝结晶,树枝状结晶,液相的内部形成的树枝晶等轴晶,焊缝 树枝状晶,熔合区 混晶,熔合区 混晶,HAZ 粗晶,HAZ 细晶,4.实际焊缝凝固金属的组织形态,实际焊缝凝固金属的组织形态不一定具有上述全部结晶形态，一般来说由柱状晶和少量等轴晶构成。 柱状晶内：平面晶、胞状晶、树枝状晶 等轴晶内：树枝晶,16,例1：焊条电弧焊接凝固组织 Q235、14MnMoNbB钢,17,例2：埋弧焊接凝固组织 Q235A钢,改善措施,工艺措施,冶金措施,提高冷却速度,采
3、用多层焊,振动结晶,加入变质剂,加入能够细化 晶粒的元素,改善一次结晶组织措施,三、焊缝结晶过程中的偏析,1.偏析的定义焊缝金属中化学成分分布不均匀的现象称为偏析,2.偏析的产生时间主要产生在一次结晶时,3.偏析的影响1）偏析的化学成分分布不均导致性能改变。2）产生裂纹、气孔、夹杂物等焊接缺陷,4.偏析的分类 1）显微偏析熔池一次结晶时，最先结晶的结晶中心金属最纯，后结晶部分含其它合金元素和杂质略高，最后结晶部分，即结晶的外端和前缘所含其它合金元素和杂质最高。在一个柱状晶粒内部和晶粒之间的化学成分分布不均匀现象称为显微偏析。,4.偏析的分类1）显微偏析2）区域偏析熔池一次结晶时，由于柱状晶体的
4、不断长大和推移，会把杂质“赶”向熔池中心，使熔池中心的杂质含量比其它部位多，这种现象称为区域偏析。 焊缝的断面形状对区域偏析的分布影响很大。窄而深的焊缝，各柱状晶的交界在其焊缝的中心，因此焊缝中心聚集有较多的杂质，见图1a。这种焊缝在其中心部位极易产生热裂纹。宽而浅的焊缝，杂质则聚集在焊缝的上部，见图1b，这种焊缝具有较高的抗热裂能力,4.偏析的分类1）显微偏析2）区域偏析3）层状偏析熔池在一次结晶的过程中，要不断地放出结晶潜热，当结晶潜热达到一定数值时，熔池的结晶就出现暂时的停顿。以后随着熔池的散热，结晶又重新开始，形成周期性的结晶，伴随着出现结晶前沿液体金属中杂质浓度的周期变动，产生周期性
5、的偏析称为层状偏析。层状偏析集中了一些有害元素，因此缺陷往往出现在层状偏析中。由层状偏析所造成的气孔（如下图）。,四、焊缝金属的二次结晶,1.定义：一次结晶结束后,熔池就转变为固体的焊缝。高温的焊缝金属冷却到室温时,要经过一系列的组织相变过程,这种相变过程称为焊缝金属的二次结晶。,焊缝金属的固态相变过程即为焊缝金属的二次结晶。,低碳钢,二次组织,改善措施,控制冷却速度,采用多层焊,焊后热处理,2.低碳钢焊缝二次结晶组织性能,F+P,W,魏氏组织,1.夹杂物：,五、焊缝中的夹杂物,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杂 质，称为夹杂物。,2.夹杂物种类,硫化物 氧化物 氮化物,硫化亚铁和硫化锰,二氧化硅、氧化锰、氧化钛,焊缝中很少出现（时效时可能出现Fe4N析出）。,三、焊缝金属的二次结晶,1.定义一次结晶结束后,熔池就转变为固体的焊缝。高温的焊缝金属冷却到室温时,要经过一系列的组织相变过程,这种相变过程称为焊缝金属的二次结晶。,三、焊缝金属的二次结晶 1.定义,2.低碳钢焊缝二次结晶组织性能低碳钢焊缝金属二次结晶结束时,其组织为铁素体加珠光体。低碳钢在材料极缓慢的冷却条件下获得的,实际上焊缝金属二次结晶时的冷却速度相当快,因此组织中的珠光体含量会增加,冷却速度越高,珠光体含量也越多,焊缝的硬度和强度也随之增加 ,塑性和韧性则随之降低。,谢 谢！,
