长春工业大学：《焊接成型原理》课程教学资源（PPT课件讲稿）第四章 焊接冶金缺陷

第四章焊接冶金缺陷 4.1)气孔 4.2)焊接热裂纹 4.3)冷裂纹 4)其它焊接裂纹简介

第四章 焊接冶金缺陷 气孔 焊接热裂纹 冷裂纹 其它焊接裂纹简介 4.1 4.2 4.3 4.4

§4.1气孔 4.1.1形成气孔的条件 气孔是指焊缝表面或内部形成的连续的或不连续的孔 洞。是由于熔池金属中的气体在金属结晶凝固前未能及时 逸出,从而以气泡的形式残留在凝固的焊缝金属内部或出 现在焊缝表面 气孔的形成是多种气体(包括CO、H2和N2)共作用 的结果,但通常其中一种气体是气孔内气体的主要成分。 形成气孔时包括三个阶段:气泡的生核、长大和上浮

§4.1 气孔 4.1.1形成气孔的条件 气孔是指焊缝表面或内部形成的连续的或不连续的孔 洞。是由于熔池金属中的气体在金属结晶凝固前未能及时 逸出，从而以气泡的形式残留在凝固的焊缝金属内部或出 现在焊缝表面。 气孔的形成是多种气体(包括CO、H2和N2)共作用 的结果，但通常其中一种气体是气孔内气体的主要成分。 形成气孔时包括三个阶段：气泡的生核、长大和上浮

图4-1气孔形成过程示意图

图4-1 气孔形成过程示意图

1.气泡生核 气泡生核应具备的条件: (1)液体金属中有过饱和的气体; (2)生核要有能量消耗。 在实际焊接过程中,在凝固着的熔池金属中存在大量的现 成表面(如一些高熔点的质点、熔渣和凝固了的枝晶表面 等)可作为气泡生核的衬底,如相邻枝晶间的凹陷处是最 易产生气泡的部位(见图1-30),形成气孔所需要的能量 最小。液态金属中气体的过饱和度越大,越易产生气孔, 且气泡稳定存在的临界半径也越小

1．气泡生核 气泡生核应具备的条件： （1）液体金属中有过饱和的气体； （2）生核要有能量消耗。 在实际焊接过程中，在凝固着的熔池金属中存在大量的现 成表面(如一些高熔点的质点、熔渣和凝固了的枝晶表面 等)可作为气泡生核的衬底，如相邻枝晶间的凹陷处是最 易产生气泡的部位(见图1-30)，形成气孔所需要的能量 最小。液态金属中气体的过饱和度越大，越易产生气孔， 且气泡稳定存在的临界半径也越小

2.气泡长大 一旦形成稳定的气泡后,周围的气体可继续扩散进入气泡 使之长大。设气泡临界半径为re,气泡成核后要能长大必 须满足如下条件 P> 0 (4-1) 式中,Pn为气泡内各种气体分压的总和。 1n=P+Pxn+Pr+……(4-2)

2．气泡长大 一旦形成稳定的气泡后，周围的气体可继续扩散进入气泡 使之长大。设气泡临界半径为rc，气泡成核后要能长大必 须满足如下条件 Pn > P0 （4-1） 式中，Pn 为气泡内各种气体分压的总和。 ＋…… （4-2） H P N Pn Pco P 2 2 = + +

实际上具体情况下只有一种气体起主要作用。 Po为阻碍气泡长大的外界压力总和 Po Pa+ Pm+ Ps+ Pc (4-3) 其中Pa、Pm、Ps和P分别为大气压、金属、熔渣 的静压力和表面张力所构成的附加压力。 一般情况Pm和P的数值相对不大,可忽略不计,故 气泡长大条件应为: 20 Pn>Pa+P=1+=(4-4)

实际上具体情况下只有一种气体起主要作用。 P0为阻碍气泡长大的外界压力总和 P0 = Pa + Pm + Ps + Pc （4-3） 其中Pa 、Pm 、Ps 和 Pc分别为大气压、金属、熔渣 的静压力和表面张力所构成的附加压力。 一般情况Pm 和Ps的数值相对不大，可忽略不计，故 气泡长大条件应为: （4-4）  2 Pn  Pa + Pc = 1+

其中, D=2 式中,为金属与气体间的界面张力,X为气泡半径。 可见,气泡半径越小,附加压力越大,气泡很难稳定存在 和长大;但当气泡在现成表面上生核时,气泡为椭圆形, 因此曲率半径较大,使附加压力大大降低,有利于气泡长 大

其中， 式中，σ为金属与气体间的界面张力，ɣ为气泡半径。 可见，气泡半径越小，附加压力越大，气泡很难稳定存在 和长大；但当气泡在现成表面上生核时，气泡为椭圆形， 因此曲率半径较大，使附加压力大大降低，有利于气泡长 大。  2 Pc =

3.气泡上浮 当气泡长大到一定程度后,便会脱离现成表面开始上浮, 如图4-2所示。气泡脱离现成表面而上浮的能力主要与气 泡和现成表面之间的接触角θ有关,而接触角θ的大小则 取决于现成表面(S)与气泡(v)之间的界面张力σsv、现 成表面与熔池金属(M)间的界面张力sM和熔池金属与气 泡间的界面张力cMv的大小,即 Cos=USV OSM (4-5) M

3．气泡上浮 当气泡长大到一定程度后，便会脱离现成表面开始上浮， 如图4-2所示。气泡脱离现成表面而上浮的能力主要与气 泡和现成表面之间的接触角θ有关，而接触角θ的大小则 取决于现成表面(S)与气泡(V)之间的界面张力σSV、现 成表面与熔池金属(M)间的界面张力σSM和熔池金属与气 泡间的界面张力σMV的大小，即 (4-5) MV SV SM     − cos =

f=hiE 已<90° 2 <90° (b) 图42气泡拖脱离衬底表面示意图 1-衬底;2-液体

图4-2 气泡拖脱离衬底表面示意图 1-衬底；2-液体

当θ90°时,气泡要长大到形成颈缩后才有可 能脱离基底。气泡上浮并非就能避免气孔的形成,关键是 要看气泡的上浮速度和液体金属凝固速度相对大小;如果 上浮速度小于凝固速度,则气泡仍将残留在金属中。反之 则可能浮出熔池。因此,产生气孔的最后条件为 v≤R (4-6) 式中,R为熔池金属的凝固速度,V为气泡上浮速度

当θ90˚时，气泡要长大到形成颈缩后才有可 能脱离基底。气泡上浮并非就能避免气孔的形成，关键是 要看气泡的上浮速度和液体金属凝固速度相对大小；如果 上浮速度小于凝固速度，则气泡仍将残留在金属中。反之 则可能浮出熔池。因此，产生气孔的最后条件为 VV ≤ R （4-6） 式中，R为熔池金属的凝固速度，VV为气泡上浮 速度