焊接冶金學基本原理-第3章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變ppt課件

1、西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding第第3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：3.1熔池凝固熔池凝固3.2焊縫固態(tài)相變焊縫固態(tài)相變3.3焊縫中的氣孔、夾雜焊縫中的氣孔、夾雜西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬?/p>

2、和焊縫固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding焊接熱過程焊接熱過程 焊接化學冶金過程焊接化學冶金過程 焊縫結(jié)晶及焊接組織焊縫結(jié)晶及焊接組織 焊接熱影響區(qū)的組織與性能焊接熱影響區(qū)的組織與性能 焊接裂紋焊接裂紋焊接冶金學主要內(nèi)容焊接冶金學主要內(nèi)容v焊接接頭形成以熔化焊為例，焊接過程經(jīng)過了v加熱v熔化v冶金反應v結(jié)晶v固態(tài)相變v接頭西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Princip

3、le of Welding熔池凝固熔池凝固-形成焊縫形成焊縫焊縫的相變過程焊縫的相變過程熔池的結(jié)晶過程熔池的結(jié)晶過程焊縫的組織焊縫的組織氣孔、夾雜、偏析、結(jié)晶裂紋氣孔、夾雜、偏析、結(jié)晶裂紋焊縫的性能焊縫的性能西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding3.1 熔池凝固熔池凝固3.1.1 熔池凝固的條件和特點熔池凝固的條件和特點3.1.2 熔池結(jié)晶的一般規(guī)律熔池結(jié)晶的一般規(guī)律3.1.3

4、 熔池結(jié)晶速度和方向熔池結(jié)晶速度和方向3.1.4 熔池結(jié)晶的形態(tài)熔池結(jié)晶的形態(tài)3.1.5 焊縫金屬的化學成份不均勻性焊縫金屬的化學成份不均勻性3.2焊縫固態(tài)相變焊縫固態(tài)相變3.3焊縫中的氣孔、夾雜焊縫中的氣孔、夾雜3.4 焊縫性能的控制焊縫性能的控制3.5 焊接熔合區(qū)焊接熔合區(qū)西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding3.1 熔池凝固熔池凝固3.1.1 熔池凝固的條件和特點熔池凝固

5、的條件和特點1.熔池凝固的條件熔池凝固的條件: 晶核生成和晶核長大晶核生成和晶核長大2.熔池凝固的特點相比較鋼錠的差別）熔池凝固的特點相比較鋼錠的差別）（1焊接熔池體積小，冷卻速度高；焊接熔池體積小，冷卻速度高； 最大最大100g，平均，平均4100 /s，約為鑄造的，約為鑄造的104。淬硬。淬硬。裂紋。裂紋。（2焊接熔池的液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài)焊接熔池的液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài) 熔池熔池1770100; 鋼錠鋼錠1550 。燒損嚴重。燒損嚴重西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固

6、態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding（3熔池在運動狀態(tài)下結(jié)晶熔池在運動狀態(tài)下結(jié)晶結(jié)晶前沿隨熱源同步運動結(jié)晶前沿隨熱源同步運動液態(tài)金屬受到力的攪拌運動液態(tài)金屬受到力的攪拌運動西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding3.1.2 熔池結(jié)晶的一般規(guī)律熔池結(jié)晶的一般規(guī)律 焊接時，熔池金屬的結(jié)晶與一般煉鋼時鋼錠的結(jié)晶一樣，也是焊

7、接時，熔池金屬的結(jié)晶與一般煉鋼時鋼錠的結(jié)晶一樣，也是在過冷的液體金屬中，首先形成晶核和晶核長大的結(jié)晶過程。在過冷的液體金屬中，首先形成晶核和晶核長大的結(jié)晶過程。 生核的熱力學條件是過冷度而造成的自由能降低；生核的熱力學條件是過冷度而造成的自由能降低； 生核的動力學條件是自由能降低的程度。生核的動力學條件是自由能降低的程度。 下面來分析焊接條件下有那些特點。下面來分析焊接條件下有那些特點。 1、熔池中晶核的形成、熔池中晶核的形成熔池中晶核的生成分為：非自發(fā)晶核、自發(fā)晶核。形成熔池中晶核的生成分為：非自發(fā)晶核、自發(fā)晶核。形成兩種晶核都需要能量。兩種晶核都需要能量。（1自發(fā)形核：自發(fā)形核：32163

8、KKFE：新相與液相間的表面張力系數(shù)。：新相與液相間的表面張力系數(shù)。FK：單位體積內(nèi)液固兩相自由能之：單位體積內(nèi)液固兩相自由能之差。差。西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding（2非自發(fā)形核非自發(fā)形核3323162 3coscos342 3coscos4(0180 )( )KkFKKKEEEE f ：非自發(fā)晶核的浸潤角：非自發(fā)晶核的浸潤角 f()=01。如。如=10，f()=0.

9、0017=0,EK=0,液相中存在懸浮質(zhì)點和液相中存在懸浮質(zhì)點和 某些現(xiàn)成表面。形核容易。某些現(xiàn)成表面。形核容易。=180,EK=EK，只存在自發(fā)形核。，只存在自發(fā)形核。 形核較難。形核較難。研究表明，焊接熔池結(jié)晶，非自發(fā)形核主導。研究表明，焊接熔池結(jié)晶，非自發(fā)形核主導。西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding關(guān)于關(guān)于： 越小，濕潤性越好，越小，濕潤性越好， 大小取決于新相晶核與

10、現(xiàn)成表面之間的大小取決于新相晶核與現(xiàn)成表面之間的表面張力。若結(jié)構(gòu)相似，表面張力越小，表面張力。若結(jié)構(gòu)相似，表面張力越小，越小，那么形核需越小，那么形核需要能量越小。要能量越小。這說明，在已有同一物質(zhì)的固體表面形核所需能量最小，形核最這說明，在已有同一物質(zhì)的固體表面形核所需能量最小，形核最容易。容易。焊接條件下非自發(fā)形核：焊接條件下非自發(fā)形核：熔合區(qū)加熱到半熔融狀態(tài)基本金熔合區(qū)加熱到半熔融狀態(tài)基本金屬的晶粒表面，并以柱狀晶的形屬的晶粒表面，并以柱狀晶的形態(tài)向焊縫中心成長，聯(lián)生結(jié)晶態(tài)向焊縫中心成長，聯(lián)生結(jié)晶起主要作用）。起主要作用）。合金元素或雜質(zhì)一般作用不合金元素或雜質(zhì)一般作用不大）。如何細化晶

11、粒？大）。如何細化晶粒？西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding2.熔池中晶核的長大熔池中晶核的長大a 聯(lián)生結(jié)晶起主導作用聯(lián)生結(jié)晶起主導作用b 當晶體最易長大方向當晶體最易長大方向bcc，fcc 方向與散熱最快方向方向與散熱最快方向溫度梯度相一致，最有利長大。溫度梯度相一致，最有利長大。西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chem

12、ical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding3.1.3 熔池結(jié)晶速度和方向熔池結(jié)晶速度和方向 熔池的結(jié)晶方向和結(jié)晶速度對焊接質(zhì)量有很大的影響，特別是對熔池的結(jié)晶方向和結(jié)晶速度對焊接質(zhì)量有很大的影響，特別是對裂紋、夾雜、氣孔等缺陷的形成影響很大。裂紋、夾雜、氣孔等缺陷的形成影響很大。 熔池在結(jié)晶過程中晶粒成長的方向與晶粒主軸成長的線速度熔池在結(jié)晶過程中晶粒成長的方向與晶粒主軸成長的線速度vc及焊接速度及焊接速度v有密切關(guān)系。有密切關(guān)系。晶粒主軸成長方向與結(jié)晶等溫面正晶粒主軸成長

13、方向與結(jié)晶等溫面正交，并以彎曲狀向焊縫中心生長。交，并以彎曲狀向焊縫中心生長。西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding cosdxds cosdtdxdtdscoscvv西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理T

14、he Principle of Welding焊接工藝參數(shù)與焊接工藝參數(shù)與090）關(guān)系：）關(guān)系：(熔池半橢球體假設）熔池半橢球體假設）212z2y2z2yMKK1KKTqVA1cos 212y2y2MK1KTqA1cos 厚大件上快速堆焊：厚大件上快速堆焊：薄板上自動焊：薄板上自動焊：西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding結(jié)論：結(jié)論：（1 1） 晶粒成長的平均線速度是變化的，在

15、熔合線上最小，在焊晶粒成長的平均線速度是變化的，在熔合線上最小，在焊縫中心最大，縫中心最大，vc=0vc=0v v。 Ky=1 Ky=1， cos=0, =90 cos=0, =90,Vc=0, ,Vc=0, 說明熔合區(qū)上晶粒開始成說明熔合區(qū)上晶粒開始成長的瞬間，成長的方向垂直于熔合區(qū)，晶粒成長的平均線速度長的瞬間，成長的方向垂直于熔合區(qū)，晶粒成長的平均線速度等于零。等于零。 Ky=0 Ky=0，cos =1, =0cos =1, =0,Vc=V, ,Vc=V, 說明晶粒成長到接觸說明晶粒成長到接觸X X軸時，軸時，晶粒成長的平均線速度等于焊接速度，且方向一致。晶粒成長的平均線速度等于焊接速度

16、，且方向一致。（2 2） 焊接工藝參數(shù)對晶粒成長方向和平均線速度均有影響焊接工藝參數(shù)對晶粒成長方向和平均線速度均有影響 。當焊接速度越大時，當焊接速度越大時，角越大，晶粒主軸的成長方向越垂直于角越大，晶粒主軸的成長方向越垂直于焊縫的中心線；相反，當焊接速度小時，則晶粒主軸的成長方焊縫的中心線；相反，當焊接速度小時，則晶粒主軸的成長方向越彎曲。向越彎曲。 西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of

17、Welding西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding3.1.4 熔池結(jié)晶的形態(tài)熔池結(jié)晶的形態(tài)符合符合 一般結(jié)晶理論，本課程僅分析焊接中的特色部分。一般結(jié)晶理論，本課程僅分析焊接中的特色部分。1、純金屬的結(jié)晶理論、純金屬的結(jié)晶理論（1） 正溫度梯度正溫度梯度 液相溫度高于固相溫度，且距界面越遠，液相溫度越高，液相溫度高于固相溫度，且距界面越遠，液相溫度越高， 稱為正溫度梯度，稱為

18、正溫度梯度，G0。純金屬焊縫凝固時，屬于此類，是。純金屬焊縫凝固時，屬于此類，是 平晶。平晶。 （2） 負溫度梯度負溫度梯度 當距界面越遠液相的溫度越低，稱為負溫度梯度，當距界面越遠液相的溫度越低，稱為負溫度梯度，G0時的溫度分布b)G0時的界面結(jié)晶形態(tài)d)G0時的界面結(jié)晶形態(tài)西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding2.固溶體合金的結(jié)晶形態(tài)固溶體合金的結(jié)晶形態(tài)合金結(jié)晶溫度與成分有

19、關(guān)，先結(jié)晶與后結(jié)晶的固液相成分也不相合金結(jié)晶溫度與成分有關(guān)，先結(jié)晶與后結(jié)晶的固液相成分也不相同，造成固液界面一定區(qū)域的成分起伏，因此合金凝固時，除同，造成固液界面一定區(qū)域的成分起伏，因此合金凝固時，除了由于實際溫度造成的過冷外了由于實際溫度造成的過冷外( 溫度過冷溫度過冷)，還存在由于固液界，還存在由于固液界面處成分起伏而造成的過冷，稱為成分過冷。所以合金結(jié)晶隨面處成分起伏而造成的過冷，稱為成分過冷。所以合金結(jié)晶隨過冷的不同晶體成長也不同。過冷的不同晶體成長也不同。3、成分過冷對結(jié)晶形態(tài)的影響、成分過冷對結(jié)晶形態(tài)的影響 過冷度不同，就會使焊縫出現(xiàn)不同的形態(tài)，大致可以分五種結(jié)晶過冷度不同，就會使

20、焊縫出現(xiàn)不同的形態(tài)，大致可以分五種結(jié)晶形態(tài)。形態(tài)。 西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding（1）、平面結(jié)）、平面結(jié)晶晶產(chǎn)生條件：過產(chǎn)生條件：過冷度冷度0，無成，無成分過冷分過冷特征：平面晶特征：平面晶G正溫度梯正溫度梯度很大時）度很大時）平面結(jié)晶形態(tài)平面結(jié)晶形態(tài)發(fā)生在結(jié)晶前發(fā)生在結(jié)晶前沿沒有成分過沿沒有成分過冷的情況下。冷的情況下。 西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院Sc

21、hool of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding(2) 胞狀結(jié)晶胞狀結(jié)晶產(chǎn)生條件：過冷度很小。產(chǎn)生條件：過冷度很小。特征：斷面六角形，細胞或蜂窩狀。特征：斷面六角形，細胞或蜂窩狀。西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Weldi

22、ng（3 3）、胞狀樹枝結(jié)晶）、胞狀樹枝結(jié)晶 產(chǎn)生條件：過冷度稍大。產(chǎn)生條件：過冷度稍大。特征：主干四周伸出短小二次橫枝，縱向樹枝晶斷面胞特征：主干四周伸出短小二次橫枝，縱向樹枝晶斷面胞狀。狀。西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding（4 4）、）、 樹枝狀結(jié)晶樹枝狀結(jié)晶產(chǎn)生條件：過冷度進一步增大。產(chǎn)生條件：過冷度進一步增大。特征：主枝長，主枝向四周伸出二次橫枝，并能得到特征：主

23、枝長，主枝向四周伸出二次橫枝，并能得到很好的生長。很好的生長。西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding（5 5）、等軸晶）、等軸晶產(chǎn)生條件：過冷度大，溫度梯度小。產(chǎn)生條件：過冷度大，溫度梯度小。特征：結(jié)晶前沿長出粗大樹枝晶，液相內(nèi)，可自發(fā)生核，特征：結(jié)晶前沿長出粗大樹枝晶，液相內(nèi)，可自發(fā)生核，形成自由長大的等軸樹枝晶。形成自由長大的等軸樹枝晶。西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化

24、學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding結(jié)晶形態(tài)主要決定于結(jié)晶形態(tài)主要決定于合金中的合金中的溶質(zhì)的濃度溶質(zhì)的濃度C0C0、結(jié)晶速度結(jié)晶速度R R和和液相中溫度梯度液相中溫度梯度G G的綜合作用。的綜合作用。等軸晶等軸晶樹枝狀晶樹枝狀晶胞狀樹枝晶胞狀樹枝晶胞狀晶胞狀晶平面晶平面晶G / R 1/2 C0 圖圖328 C0、R和和G對結(jié)晶形態(tài)的影響對結(jié)晶形態(tài)的影響西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School o

25、f Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding4、焊接條件下的凝固結(jié)晶形態(tài)、焊接條件下的凝固結(jié)晶形態(tài)(1)溫度梯度及結(jié)晶速度的影響基本趨勢） 在焊縫的熔化邊界，由于溫度梯度G較大，結(jié)晶速度R又較小，故成分過冷接近與零，所以平面晶得到發(fā)展。向焊縫中心過渡時，溫度梯度G逐漸變小，而結(jié)晶速度逐漸增大，所以結(jié)晶形態(tài)有平面向胞狀晶、樹枝晶、等軸晶發(fā)展。 西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemic

26、al Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding（2成分（成分（ 溶質(zhì)濃度的影響。溶質(zhì)濃度的影響。西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding （3工藝參數(shù)的影響工藝參數(shù)的影響 b 焊接速度的影響。焊接速度的影響。 V，熔池中心出現(xiàn)等軸晶。，熔池中心出現(xiàn)等軸晶。 V小，熔合

27、線附近出現(xiàn)胞狀樹枝晶。小，熔合線附近出現(xiàn)胞狀樹枝晶。 c 焊接電流的影響。焊接電流的影響。 I小，胞狀晶小，胞狀晶,I較大，胞狀樹枝晶較大，胞狀樹枝晶I大，粗大樹枝晶大，粗大樹枝晶西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding3.1.5 焊縫金屬的化學成份不均勻性焊縫金屬的化學成份不均勻性化學不均勻性：結(jié)晶過程中化學成分的一種偏析現(xiàn)象?；瘜W不均勻性：結(jié)晶過程中化學成分的一種偏析現(xiàn)象。（

28、1 1）. .顯微偏析：顯微偏析：枝晶偏析枝晶偏析指晶粒邊界或一個晶粒內(nèi)部亞晶界或樹枝狀晶的晶枝之間的偏析。指晶粒邊界或一個晶粒內(nèi)部亞晶界或樹枝狀晶的晶枝之間的偏析。 西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding（2）、宏觀偏析區(qū)域偏析）、宏觀偏析區(qū)域偏析） 指焊縫邊緣到焊縫中心，宏觀上的成分不均勻性，焊指焊縫邊緣到焊縫中心，宏觀上的成分不均勻性，焊縫金屬以柱狀晶長大，把雜質(zhì)推向熔池

29、中心，中心縫金屬以柱狀晶長大，把雜質(zhì)推向熔池中心，中心雜質(zhì)濃度逐漸升高，使最后凝固的部位發(fā)生較嚴重雜質(zhì)濃度逐漸升高，使最后凝固的部位發(fā)生較嚴重的偏析的偏析.西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding（3）.層狀偏析層狀偏析 由于化學成分分布不均勻引起分層現(xiàn)象。焊縫橫斷面經(jīng)浸蝕由于化學成分分布不均勻引起分層現(xiàn)象。焊縫橫斷面經(jīng)浸蝕之后，可以看到顏色深淺不同的分層結(jié)構(gòu)。之后，可以看到顏色

30、深淺不同的分層結(jié)構(gòu)。西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding3.1 熔池凝固熔池凝固3.2焊縫固態(tài)相變焊縫固態(tài)相變3.3焊縫中的氣孔、夾雜焊縫中的氣孔、夾雜3.4 焊縫性能的控制焊縫性能的控制3.5 焊接熔合區(qū)焊接熔合區(qū)西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相

31、變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding3.2 焊縫固態(tài)相變焊縫固態(tài)相變p 對于具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的焊縫金屬例如鋼），焊接熔池完全對于具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的焊縫金屬例如鋼），焊接熔池完全結(jié)晶后形成的固態(tài)焊縫一次組織），在隨后的連續(xù)冷卻過程結(jié)晶后形成的固態(tài)焊縫一次組織），在隨后的連續(xù)冷卻過程中還將發(fā)生相變，從而形成相變組織二次組織），即焊縫最中還將發(fā)生相變，從而形成相變組織二次組織），即焊縫最終組織。終組織。p 對鋼鐵而言，相變組織主要取決于焊縫金屬的化學成分和冷卻對鋼鐵而言，相變組織主要取決于焊縫金屬的化學成分和冷卻條件。條件。西安工業(yè)大學材化

32、學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖-即即CCT曲線復習）曲線復習）西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding焊縫金屬連續(xù)冷卻

33、組織轉(zhuǎn)變圖簡稱焊縫金屬連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖簡稱WM-CCT圖）圖）西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding3.1 熔池凝固熔池凝固3.2焊縫固態(tài)相變焊縫固態(tài)相變3.3焊縫中的氣孔、夾雜焊縫中的氣孔、夾雜3.3.1 焊縫中的氣孔焊縫中的氣孔3.3.2 焊縫中的夾雜焊縫中的夾雜3.4 焊縫性能的控制焊縫性能的控制3.5 焊接熔合區(qū)焊接熔合區(qū)西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院Sch

34、ool of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding3.3 焊縫中的氣孔和夾雜焊縫中的氣孔和夾雜1、氣孔的類型及其分布特征、氣孔的類型及其分布特征 （1焊縫中氣孔產(chǎn)生的根本原因焊縫中氣孔產(chǎn)生的根本原因 a.高溫時金屬溶解了較多的氣體高溫時金屬溶解了較多的氣體H,N),凝固時來不凝固時來不及逸出。及逸出。 b.焊接冶金反應也會產(chǎn)生氣體焊接冶金反應也會產(chǎn)生氣體CO),凝固時來不及凝固時來不及逸出。逸出。3.3.1 焊縫中的氣孔焊縫中的氣孔焊

35、接缺陷：按照焊接缺陷：按照GB/T6417.1-2019金屬熔化焊焊縫缺欠分類及金屬熔化焊焊縫缺欠分類及說明，焊接缺欠分為六類：裂紋、孔穴、固體夾雜、未熔合和說明，焊接缺欠分為六類：裂紋、孔穴、固體夾雜、未熔合和未焊透、形狀缺陷、其他缺陷。焊接缺欠的存在是焊接結(jié)構(gòu)失效未焊透、形狀缺陷、其他缺陷。焊接缺欠的存在是焊接結(jié)構(gòu)失效的重要原因之一。的重要原因之一。裂紋、氣孔、夾雜對焊接結(jié)構(gòu)至關(guān)重要又容易出現(xiàn)。裂紋、氣孔、夾雜對焊接結(jié)構(gòu)至關(guān)重要又容易出現(xiàn)。西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和

36、焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding（2能形成氣孔的氣體有能形成氣孔的氣體有2種。種。 a.高溫溶解于液相，凝固相變?nèi)芙舛认陆?，來不及逸出高溫溶解于液相，凝固相變?nèi)芙舛认陆?，來不及逸?H,N) b.由于冶金反應產(chǎn)生的不溶于金屬的氣體，如由于冶金反應產(chǎn)生的不溶于金屬的氣體，如CO. （3氣孔的類型氣孔的類型 不同的分類方式，如內(nèi)部的，表面的；單個的，密集的；不同的分類方式，如內(nèi)部的，表面的；單個的，密集的； 析出的，反應的；析出的，反應的； 按照產(chǎn)生氣孔的氣體種類，可分為氫氣孔、氮氣孔、按照產(chǎn)生氣孔的氣體種類，可分為氫氣孔、

37、氮氣孔、CO氣孔。氣孔。西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Weldinga. 氫氣孔氫氣孔 特征：多出現(xiàn)在焊縫表面，斷面形狀多為螺釘狀，從焊縫表面特征：多出現(xiàn)在焊縫表面，斷面形狀多為螺釘狀，從焊縫表面看呈園喇叭口形，氣孔的四周有光滑內(nèi)壁。有個別殘存在內(nèi)部看呈園喇叭口形，氣孔的四周有光滑內(nèi)壁。有個別殘存在內(nèi)部輕金屬中），以小圓球狀存在。輕金屬中），以小圓球狀存在。 產(chǎn)生原因：焊接過程中，熔

38、池金屬吸收大量的氫氣，在冷卻和產(chǎn)生原因：焊接過程中，熔池金屬吸收大量的氫氣，在冷卻和結(jié)晶過程中，氫的溶解度發(fā)生了急劇下降，熔池冷卻速度快，結(jié)晶過程中，氫的溶解度發(fā)生了急劇下降，熔池冷卻速度快，來不及逸出，殘存在內(nèi)部，發(fā)生了氫的過飽和，使焊縫中形成來不及逸出，殘存在內(nèi)部，發(fā)生了氫的過飽和，使焊縫中形成具有喇叭口形的表面氣孔。具有喇叭口形的表面氣孔。 氮氣孔一般較少，形成機理同氫氣孔。氮氣孔一般較少，形成機理同氫氣孔。西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)

39、相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding b.CO氣孔氣孔 特征：焊縫內(nèi)部，條蟲狀，表面光滑。特征：焊縫內(nèi)部，條蟲狀，表面光滑。 產(chǎn)生原因：冶金反應。產(chǎn)生原因：冶金反應。 CO不溶于液態(tài)金屬。不溶于液態(tài)金屬。 在高溫時在高溫時C被氧，氧化物氧化，被氧，氧化物氧化，CO以氣泡的形式猛烈地逸出。以氣泡的形式猛烈地逸出。 熔池結(jié)晶時熔池結(jié)晶時FeO氧化氧化C，CO不易逸出，此反應為吸熱反不易逸出，此反應為吸熱反應，促使結(jié)晶速度加快，應，促使結(jié)晶速度加快，CO形成氣泡不能逸出，沿結(jié)晶方向形成氣泡不能逸出，沿結(jié)晶方向形成條蟲形內(nèi)氣孔。形成條蟲形內(nèi)氣孔。西安工業(yè)大學材化

40、學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding2 焊縫中的形成氣孔的機理焊縫中的形成氣孔的機理氣孔的形成：氣泡生核氣孔的形成：氣泡生核-長大長大-上浮：上?。?1浮出：無氣孔浮出：無氣孔 2浮不出：氣孔浮不出：氣孔（1）、）、 氣泡的生核氣泡的生核具備條件：液態(tài)金屬中有過飽和的氣體具備條件：液態(tài)金屬中有過飽和的氣體 要消耗一定的能量要消耗一定的能量 西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School

41、 of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding形成氣泡核的數(shù)目：243rKTnCe在純金屬中在純金屬中n非常小，非常小，在極純金屬中形成氣泡核的可能性很小。在極純金屬中形成氣泡核的可能性很小。2216.2 1010n西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Pri

42、nciple of Welding焊接熔池現(xiàn)成表面形核需要的能量：焊接熔池現(xiàn)成表面形核需要的能量：11 cosAaphLAEPP VA 結(jié)論：結(jié)論：a氣泡依附在現(xiàn)成表面，降低氣泡依附在現(xiàn)成表面，降低和提高和提高Aa/A,Ep減少。減少。 如樹枝晶凹陷處，母材尚未熔化晶粒表面。如樹枝晶凹陷處，母材尚未熔化晶粒表面。 b越大，形成氣泡核所需能量越小。越大，形成氣泡核所需能量越小。西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Pr

43、inciple of Welding（2）.氣泡長大氣泡長大21(hacPPPr 大氣壓）0hoaMscPPPPPPP0haMscPPPPPPr氣泡中各種氣體分壓的總和；阻礙氣泡長大的外界壓力大氣壓力；氣泡上部的金屬的壓力氣泡上部的熔渣的壓力由表面張力構(gòu)成的附加壓力；金屬與氣泡間的界面張力；氣泡半徑。氣泡形成初期，氣泡形成初期，r很小，附加壓很小，附加壓Pc則很大，氣泡很難形成。焊接則很大，氣泡很難形成。焊接時，由于熔池內(nèi)存在著很多現(xiàn)成時，由于熔池內(nèi)存在著很多現(xiàn)成表面，如柱狀晶粒和液態(tài)金屬相表面，如柱狀晶粒和液態(tài)金屬相接觸的地方形成，這些地方由于接觸的地方形成，這些地方由于界面張力的作用，氣泡

44、成橢圓形，界面張力的作用，氣泡成橢圓形，可以得到較大的曲率半徑可以得到較大的曲率半徑r使使Pc減小。減小。西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding（3）、氣泡上?。馀萆细?1脫離、上浮脫離、上浮 氣泡核脫離表面主要與氣泡核脫離表面主要與 氣泡氣泡-液體金屬液體金屬-現(xiàn)成表面之間的表現(xiàn)成表面之間的表面張力有關(guān)。面張力有關(guān)。1.1.22.cosgg氣現(xiàn)液現(xiàn)氣液當當90, 由于形成

45、細頸過程需要時間，若結(jié)晶速度氣泡脫離現(xiàn)成由于形成細頸過程需要時間，若結(jié)晶速度氣泡脫離現(xiàn)成表面的速度，就會形成氣孔表面的速度，就會形成氣孔 。(減小減小2.g1.2,增大增大1.g 使使90)西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding當當90, 由于形成細頸過程需要由于形成細頸過程需要時間，若結(jié)晶速度氣泡脫離現(xiàn)時間，若結(jié)晶速度氣泡脫離現(xiàn)成表面的速度，就會形成氣孔成表面的速度，就會形成

46、氣孔 西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding 2結(jié)晶速度結(jié)晶速度 vc vc較小時，氣泡有充分時間逸出，無氣孔，氣泡易上??；較小時，氣泡有充分時間逸出，無氣孔，氣泡易上??； vc vc大時，氣泡上浮時間短，可能殘余在焊縫內(nèi)部。大時，氣泡上浮時間短，可能殘余在焊縫內(nèi)部。 3 3） 氣泡上浮速度氣泡上浮速度22192grv西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of

47、Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding3. 影響生成氣孔的因素及防治措施影響生成氣孔的因素及防治措施（1冶金因素的影響冶金因素的影響 a.熔渣氧化性熔渣氧化性 b.焊條藥皮和焊劑的影

48、響焊條藥皮和焊劑的影響 c.鐵銹及水分的影響鐵銹及水分的影響（2） 工藝因素工藝因素（3防治措施防治措施a 焊件去油、銹；焊件去油、銹；b 烘干焊條；烘干焊條；c 短弧焊短弧焊西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊接成形原理The Principle of Welding3.3.2 焊縫中的夾雜焊縫中的夾雜1、焊縫夾雜、焊縫夾雜 （1氧化物氧化物 （2氮化物氮化物 （3硫化物硫化物2、防止措施、防止措施 （1選用合理規(guī)范，以利于熔渣的浮出；選用合理規(guī)范，以利于熔渣的浮出；（2多層焊時，清渣；多層焊時，清渣；（3焊條擺動；焊條擺動；（4保護溶池，防止空氣侵入。保護溶池，防止空氣侵入。西安工業(yè)大學材化學院西安工業(yè)大學材化學院School of Material and Chemical Engineering第第3 3章章 熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變焊接成形原理焊