第六章 熔池凝固 和焊缝固态相变1第四节 焊缝性能的控制第一节 熔池凝固 第二节 焊缝固态相变 第三节 焊缝中的气孔和夹杂第六章-熔池凝固和焊缝 固态相变2重点内容1、熔池凝固条件和特点及一般规律 2、各钢种焊缝的固态相变组织的转变 3、焊缝中的气孔和夹杂问题 4、焊缝性能问题讨论36-1 熔池凝固一、熔池的凝固条件和特点 1. 熔池体积小，冷却速度大2熔池中的液态金属处于过热状态3熔池在运动状态下结晶 一：熔池凝固特点45二、熔池结晶的一般规律 焊接时，熔池金属的结晶与一般炼钢时 钢锭的结晶一样，也是在过冷的液体金 属中，首先形成晶核和晶核长大的结晶 过程。生核热力学条件是过冷度而造成 的自由能降低；生核的动力学条件是自 由能降低的程度。 61.生核 熔池中晶核的生成分为：非自发晶核、自发 晶核。形成两种晶核都需要能量1)自发晶核 自发临界晶核所需的能量：新相与液相间的表面张力系数。 Fr：单位体积内液固两相自由能之差。 72)非自发形核：非自发晶核的浸润角 =0 EK=08焊接时存在两种非自发晶核质点，一种是 合金元素，另一种是现成表面，焊接熔池 边界，正是固液相的相界石，熔池边界半 熔化的母材晶粒表面为新相晶核的“基底” 。92成长 原子由液相不断地向固相转移，晶核的 成长是通过二维成核方式长大，但并不 是齐步前进，长大趋势不同，有的一直 向焊缝中部发展；有的只长大很短距离 就被抑制停止长大。当晶体最易长大方 向与散热最快方向相一致，最有利长大晶核的成长是一个原子厚度从液相中 吸收原子集团来进行的并连续不断地吸 附在晶体表面的小台阶处而迅速长大。10焊接熔池边界正是固 液相的相界面，熔池边 界的部分熔化的母材晶 粒表面完全可能成为新 相晶核的“基底” ， 非均匀生核，焊缝金属 呈柱状晶形式与母材相 联系，好似母材晶粒外 延长大。这种依附于母 材晶粒现成表面而形成 共同晶粒的凝固方式， 称为外延结晶或联生结 晶。 11三、熔池结晶线速度 Vc = V cos晶粒长大的平均线速度Vc是变化的12在厚大焊件的表面上快速堆焊：热扩散率 （cm2/s）q : 热源有效功率v : 焊速: 导热系数 薄板上自动焊接131、晶粒成长的平均线速度是变化的 晶粒成长方向和线速度是变化的，在熔合线处 最小，在焊道中心处最大，为焊速。 2、焊接规范的影响 当焊速大时， 则越大，晶粒主轴的成 长方向垂直于焊缝中心线，称为定向晶 。当焊速小时，晶粒主轴的成长方向弯 曲，形成偏向晶。Vc = V cos1415四、金属的微观结晶形态 （一）纯金属的结晶形态 G0时 G-温度梯度（正的温度梯 度）液相温度固相，过冷度小，结晶缓 慢，形成平面晶。 G0时的温度分布b)G0时的界面结晶形态d)GP0PhPH2+PN2+PCO+.P0Pa+Pm+Ps+65即气泡长大的条件为 气泡形成初期，r很小，附加压Pc则很大， 气泡很难形成。焊接时，由于熔池内存在 着很多现成表面，如柱状晶粒和液态金属 相接触的地方形成，这些地方由于界面张 力的作用，气泡不成园形，可以得到较大 的曲率半径r使Pc减小。663、气泡上浮 1）气泡核脱离表面主要与气泡-液体金属 -现成表面界面张力及接触角有关平衡时：当0.5%时， AF转变降低,形成B上合适量0.2-0.35%,形成细晶铁素体.8687（五） 稀土元素对焊缝金属性能的影响 稀土分为两类:重稀土:Y(钇组)轻稀土:Ce(铈组)作用：脱氢、脱氧、脱氮改变夹杂物形态提高韧性减少裂纹88（六） 碲在焊缝中的作用碲：去H2抗冷裂与稀土一同加入，提高韧性。总结：Mn、Si固溶强化Ti、B、Zr、变质处理V、Nb、Mo二者兼有。8990二、调整焊接工艺改善焊缝的 性能 （一）振动结晶低频机械振动 高频超声振动 电磁振动振动频率 10000Hz以下振动频率 20000Hz以下91（二） 焊后处理（三） 多层焊接92（四） 锤击焊道表面93（五） 跟踪回火处理 94本章小结本章重点介绍了熔池凝固条件和特点 及一般规律以及各钢种焊缝的固态相 变组织的转变，对于焊缝中的气孔、 夹杂和焊缝性能问题进行了讨论,并论 述了合金元素改善焊缝性能及处理工 艺.95思考题、焊接溶池凝固与一般铸锭凝固有何不同的 特点? 、试述熔池的结晶线速度与焊接速度的关系 . 、简述熔池的结晶形态,并分析结晶速度、 温度梯度和浓度对结晶形态的影响。 、分析焊缝和熔合区的化学不均匀性，为什 么会形成这种不均匀性? 、试述低合金钢焊缝固态相变的特点，根据 组织特征如何获得有益组织和避免有害组织 ? 、分析粒状贝氏体Bg和M-A组元的形成原因 及其对焊缝性能的影响。96、试述氢气和气孔的形成原因、特征及如何防 止。 、用一分为二的观点分析夹杂物对焊缝金属性能的 影响。 、分析微量元素(o、b、i、稀土等) 对焊缝性能的影响，并考虑它们之间的相互作用及分 析原因。 10、 某厂用E5015焊条焊接时，在引弧和弧坑处产生 气孔，分析其有原因，并提出解决方法 11、 如16Mn母材中含有高的S、P应如何保证焊缝金属 韧性？97