长春工业大学：《焊接成型原理》课程教学资源（PPT课件讲稿）第三章 熔化焊接头的组织与性能

第三章熔化焊接头的组织与性能 3〉焊缝金属的组织与性能 32)〉焊接热影响的组织与性能

第三章 熔化焊接头的组织与性能 焊缝金属的组织与性能 焊接热影响的组织与性能 3.1 3.2

§3.1焊缝金属的组织与性能 3.1.1焊缝金属的结晶 1.焊缝金属凝固特点: (1)加热温度高,冷却速度快; (2)热源移动,结晶过程连续进行并随熔池前进; (3)液体金属中不同部位其温度不均匀性巨大、中心 过热; (4)原始成分不均匀,因熔池存在时间短而来不及均 匀

§3.1 焊缝金属的组织与性能 3.1.1 焊缝金属的结晶 1.焊缝金属凝固特点： (1)加热温度高，冷却速度快； (2)热源移动，结晶过程连续进行并随熔池前 进； (3)液体金属中不同部位其温度不均匀性巨大、中心 过热； (4)原始成分不均匀，因熔池存在时间短而来不及均 匀

2.焊缝金属的凝固过程: (1)熔池中晶核的形成 在焊接熔池非常过热的条件下,在开始凝固时,主要 是以非自发形核。 在焊接条件下,熔池中存在有两种现成表面: 种是合金元素或杂质的悬浮质点(在一般正常情况下 所起作用不大);另一种是熔合区附近加热到半熔化 状态基本金属的晶粒表面,非自发晶核依附在这个表 面上,并以柱状晶的形态向焊缝中心成长,形成交互 结晶(或称联生结晶),如图3-1和图3-2所示

2.焊缝金属的凝固过程： （1）熔池中晶核的形成 在焊接熔池非常过热的条件下，在开始凝固时，主要 是以非自发形核。 在焊接条件下，熔池中存在有两种现成表面：一 种是合金元素或杂质的悬浮质点(在一般正常情况下 所起作用不大)；另一种是熔合区附近加热到半熔化 状态基本金属的晶粒表面，非自发晶核依附在这个表 面上，并以柱状晶的形态向焊缝中心成长，形成交互 结晶(或称联生结晶)，如图3-1和图3-2所示

熔合区 焊缝 母材 图3-1熔合区母材晶粒上成长的柱状晶

图3-1 熔合区母材晶粒上成长的柱状晶

图3-2不锈钢自动焊时的交互结晶

图3-2 不锈钢自动焊时的交互结晶

焊接时,向焊接材料中加入一定量的合金元素(如 Mo、V、Ti、Nb)作熔池中非自发晶核的质点,使 焊缝金属晶粒细化,从而改善焊缝金属的性能。 (2)熔池中的晶核长大 熔池中形核后,以新生的晶核为核心,不断向焊缝中 成长。但是,长大的趋势各不相同,有的柱状晶体严 重长大,一直可以成长到焊缝中心,有的晶体却只成 长到半途而停止

焊接时，向焊接材料中加入一定量的合金元素（如 Mo、V、Ti、Nb）作熔池中非自发晶核的质点，使 焊缝金属晶粒细化，从而改善焊缝金属的性能。 （2）熔池中的晶核长大 熔池中形核后，以新生的晶核为核心，不断向焊缝中 成长。但是，长大的趋势各不相同，有的柱状晶体严 重长大，一直可以成长到焊缝中心，有的晶体却只成 长到半途而停止

当晶体最易长大方向与散热最快方向(或最大温 度梯度方向)相一致时,则最有利于晶粒长大,便优 先得到成长,可以一直长至熔池的中心,形成粗大的 柱装晶体。有的晶体由于取向不利于成长,与散热最 快的方向又不一致,这时晶粒成长就停止下来,如图 3-3所示,这是焊缝中柱状晶体选择长大的结果。 由于焊缝凝固是在热源不断移动的情况下进行的, 随着熔池向前推进,最大的温度梯度方向不断地改变, 因此柱状晶长大的有利方向也随之变化。一般情况下, 熔池呈椭圆状,柱状晶垂直于熔池边缘弯曲地长大

当晶体最易长大方向与散热最快方向(或最大温 度梯度方向)相一致时，则最有利于晶粒长大，便优 先得到成长，可以一直长至熔池的中心，形成粗大的 柱装晶体。有的晶体由于取向不利于成长，与散热最 快的方向又不一致，这时晶粒成长就停止下来，如图 3-3所示，这是焊缝中柱状晶体选择长大的结果。 由于焊缝凝固是在热源不断移动的情况下进行的， 随着熔池向前推进，最大的温度梯度方向不断地改变， 因此柱状晶长大的有利方向也随之变化。一般情况下， 熔池呈椭圆状，柱状晶垂直于熔池边缘弯曲地长大

结晶面 等温线 焊缝 母材 晶粒优先成长方向 图3-3焊缝中柱状晶体的选择长大

图3-3 焊缝中柱状晶体的选择长大

3熔池凝固的形态 熔池凝固形态主要有柱状晶和少量等轴晶两类。 (1)纯金属的结晶形态 晶粒的长大需要一定的过冷度。因整个液体中的凝固 点为恒定温度,故过冷度的大小取决于温度梯度G。 ①正温度梯度(G>0):液相温度高于固相温度,且 距界面越远,液相温度越高。 由于液态金属的温度高,过冷度小或为负,深入液体 金属内部的晶体成长缓慢,形成平面晶。纯金属焊缝 凝固属于这种情况

3.熔池凝固的形态 熔池凝固形态主要有柱状晶和少量等轴晶两类。 （1）纯金属的结晶形态 晶粒的长大需要一定的过冷度。因整个液体中的凝固 点为恒定温度，故过冷度的大小取决于温度梯度G。 ①正温度梯度（G>0）：液相温度高于固相温度，且 距界面越远，液相温度越高。 由于液态金属的温度高，过冷度小或为负，深入液体 金属内部的晶体成长缓慢，形成平面晶。纯金属焊缝 凝固属于这种情况

②负温度梯度(G<0):液相温度高于固相温度,且 距界面越远,液相温度越低。 由于液体内部的温度比界面低,过冷度大,因而伸 入液体金属内部的晶体成长速度很快,形成树枝状晶。 (2)固溶体合金的结晶形态 成分过冷:由于固液界面处成分起伏而造成的过冷。 合金的结晶形态受温度过冷和成分过冷的影响。因此 合金结晶时不必很大的过冷就可出现树枝晶和其他的 结晶形态

②负温度梯度（G<0）：液相温度高于固相温度，且 距界面越远，液相温度越低。 由于液体内部的温度比界面低，过冷度大，因而伸 入液体金属内部的晶体成长速度很快，形成树枝状晶。 （2）固溶体合金的结晶形态 成分过冷：由于固液界面处成分起伏而造成的过冷。 合金的结晶形态受温度过冷和成分过冷的影响。因此 合金结晶时不必很大的过冷就可出现树枝晶和其他的 结晶形态