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1、第五章第五章 金属熔化焊过程金属熔化焊过程金属结晶金属结晶冶金机械系冶金机械系冶金机械系冶金机械系.李梅李梅李梅李梅 焊缝金属从焊缝金属从焊缝金属从焊缝金属从高温的液体状态高温的液体状态高温的液体状态高温的液体状态冷却至冷却至冷却至冷却至常温的固体常温的固体常温的固体常温的固体状态状态状态状态经历了两次结晶过程：经历了两次结晶过程：经历了两次结晶过程：经历了两次结晶过程：1.从从液相液相转转变为变为固相固相的一的一次结晶次结晶 2.在固相焊在固相焊缝金属中出现缝金属中出现同素异构转变同素异构转变的二次结晶的二次结晶 焊缝金属的一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焊缝金属
2、由液态转变为固态的凝固过程称为称为焊焊缝金属的一次结晶。缝金属的一次结晶。一、一、焊缝金属的一次结晶焊缝金属的一次结晶焊缝金属的一次结晶焊缝金属的一次结晶 一次结晶过程：一次结晶过程：形核形核 自发形核、非自发形核自发形核、非自发形核长大长大晶核的长大 1.熔池体熔池体积小、冷积小、冷却速度大。却速度大。2.熔池中的熔池中的金属处于过金属处于过热状态。热状态。3.溶池在溶池在运动状态运动状态下结晶。下结晶。一次结晶特殊性一次结晶特殊性焊接熔池一次结晶的特焊接熔池一次结晶的特点和形态点和形态 产生淬硬、粒产生淬硬、粒状晶等组织状晶等组织金属烧损严重金属烧损严重非自发形核少非自发形核少随热源移动，
3、熔化和凝固随热源移动，熔化和凝固同时进行，搅拌作用有利同时进行，搅拌作用有利于得到性能好的焊缝于得到性能好的焊缝 2.纯金属的结晶形态纯金属的结晶形态正的温度梯度：平面晶，生长缓慢（主要）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，负的温度梯度：生长速度快，除主轴外，还有分枝，生成树枝晶（较少）还有分枝，生成树枝晶（较少）81.分类分类 结晶形态的不同，是由于金属的纯度和散热条件结晶形态的不同，是由于金属的纯度和散热条件的不同所致。的不同所致。熔池结晶的形态熔池结晶的形态平面晶，高纯度的金属平面晶，高纯度的金属胞状晶胞状晶胞状树枝结晶胞状树枝结晶树枝状结晶树枝状结
4、晶液相的内部形成的树枝晶液相的内部形成的树枝晶等轴晶等轴晶焊缝焊缝 树枝状晶树枝状晶 熔合区熔合区 混晶混晶 熔合区熔合区 混晶混晶 HAZ HAZ 粗晶粗晶HAZ HAZ 细晶细晶 4.实际焊缝凝固金属的实际焊缝凝固金属的组织形态组织形态 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。态，一般来说由柱状晶和少量等轴晶构成。柱状晶柱状晶内：平面晶、胞状晶、树枝状晶内：平面晶、胞状晶、树枝状晶等轴晶等轴晶内：树枝晶内：树枝晶柱状晶柱状晶+少量等轴晶少量等轴晶16例例1：焊条电弧焊接凝固组织：焊条电弧焊接凝
5、固组织Q235、14MnMoNbB钢钢17例例2：埋弧焊接凝固组织：埋弧焊接凝固组织Q235A钢钢改改善善措措施施工艺措施工艺措施冶金措施冶金措施提高冷却速度提高冷却速度采用多层焊采用多层焊振动结晶振动结晶加入变质剂加入变质剂加入能够细化加入能够细化晶粒的元素晶粒的元素改善一次结晶组织措施改善一次结晶组织措施三、焊缝结晶过程中的偏析三、焊缝结晶过程中的偏析 1.偏析的定义偏析的定义 焊缝金属中焊缝金属中化学成分分布不均匀化学成分分布不均匀的现象称为的现象称为偏析偏析2.偏析的产生时间偏析的产生时间 主要产生在主要产生在一次结晶时一次结晶时 3.偏析的影响偏析的影响 1 1）偏析的化学成分分布不
6、均导致）偏析的化学成分分布不均导致性能改变。性能改变。2 2）产生）产生裂纹、气孔、夹杂物裂纹、气孔、夹杂物等焊接缺陷等焊接缺陷 4.偏析的分类偏析的分类1）显微偏析显微偏析熔池一次结晶时，最先结晶的结晶中心金属最纯，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分，即结晶的外端和前缘所含其它合金元素和杂质最高。高。在一个柱状晶粒内部和晶粒之间的化学成分分布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不均匀现象称为显微偏析显微偏析。4.偏析的分类偏
7、析的分类 1）显微偏析显微偏析 2）区域偏析区域偏析熔池一次结晶时，由于柱状晶体的不断长大和熔池一次结晶时，由于柱状晶体的不断长大和推移，会把杂质推移，会把杂质“赶赶”向熔池中心，使向熔池中心，使熔池中心的熔池中心的杂质含量比其它部位多，这种现象称为杂质含量比其它部位多，这种现象称为区域偏析区域偏析。焊缝的断面形状对区域偏析的分布影响很大。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，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，见图因此焊缝中心聚集有较多的杂质，见图1a。这种焊。这种焊缝在其中心部位极易产生热裂纹。宽而浅的焊缝
8、，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，见图杂质则聚集在焊缝的上部，见图1b，这种焊缝具有，这种焊缝具有较高的抗热裂能力较高的抗热裂能力 4.偏析的分类偏析的分类 1）显微偏析显微偏析 2）区域偏析区域偏析 3）层状偏析层状偏析熔池在一次结晶的过程中，要不断地放出结晶潜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，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，形成周期性的结晶，伴随着出现结晶前沿液体金属中伴随着
9、出现结晶前沿液体金属中杂质浓度的周期变动，产生周期性的偏析称为杂质浓度的周期变动，产生周期性的偏析称为层状偏层状偏析析。层状偏析集中了一些有害元素，因此层状偏析集中了一些有害元素，因此缺陷往往出缺陷往往出现在层状偏析中现在层状偏析中。由层状偏析所造成的气孔（。由层状偏析所造成的气孔（如下图如下图）。）。四、焊缝金属的二次结晶四、焊缝金属的二次结晶1.定义：定义：一次结晶结束后一次结晶结束后,熔池就转变为固体的焊缝。熔池就转变为固体的焊缝。高高温的焊缝金属冷却到室温时温的焊缝金属冷却到室温时,要经过一系列的组织相要经过一系列的组织相变过程变过程,这种相变过程称为这种相变过程称为焊缝金属的二次结晶
10、焊缝金属的二次结晶。焊缝金属的焊缝金属的固态相变过程固态相变过程即为焊缝金属的即为焊缝金属的二二次结晶。次结晶。低低碳碳钢钢二次组织二次组织改善措施改善措施控制冷却速度控制冷却速度采用多层焊采用多层焊焊后热处理焊后热处理 2.2.低碳钢焊缝二次结晶组织性能低碳钢焊缝二次结晶组织性能F+PW魏魏氏氏组组织织1.夹杂物夹杂物：五、焊缝中的夹杂物五、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金属中的微观非金属杂 质，称为质，称为夹杂物。夹杂物。2.夹杂物种类夹杂物种类硫化物硫化物氧化物氧化物氮化物氮化物硫化亚铁和硫化锰硫化亚铁和硫化锰
11、二氧化硅、氧化锰、氧化钛二氧化硅、氧化锰、氧化钛焊缝中很少出现（时效时可焊缝中很少出现（时效时可能出现能出现Fe4NFe4N析出）。析出）。三、焊缝金属的二次结晶三、焊缝金属的二次结晶1.定义定义 一次结晶结束后一次结晶结束后,熔池就转变为固体的焊熔池就转变为固体的焊缝。高温的焊缝金属冷却到室温时缝。高温的焊缝金属冷却到室温时,要经过一要经过一系列的组织相变过程系列的组织相变过程,这种相变过程这种相变过程称为称为焊缝焊缝金属的二次结晶金属的二次结晶。三、焊缝金属的二次结晶三、焊缝金属的二次结晶 1.1.定义定义 2.低碳钢焊缝二次结晶组织性能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！