1、123q在一般电弧焊条件下，熔池的体积最大也只有在一般电弧焊条件下，熔池的体积最大也只有30cm3，重量不超过，重量不超过100g;q周围被冷态金属所包围，所以熔池的冷却速度很大，通常可达周围被冷态金属所包围，所以熔池的冷却速度很大，通常可达4100/s，远高于一般铸件的冷却速度，远高于一般铸件的冷却速度;q由于冷却快，温度梯度大，致使焊缝中柱状晶得到充分发展。这也是由于冷却快，温度梯度大，致使焊缝中柱状晶得到充分发展。这也是造成高碳、高合金钢以及铸铁材料焊接性差的主要原因之一。造成高碳、高合金钢以及铸铁材料焊接性差的主要原因之一。4q因加热与冷却速度很快，因加热与冷却速度很快，熔池中心和边缘
2、存在较大的温度梯度熔池中心和边缘存在较大的温度梯度（熔熔池边界的温度梯度比铸造时高池边界的温度梯度比铸造时高103 104倍倍）。例如例如，对于电弧焊接低碳钢或低合金钢，熔池中心温度高达，对于电弧焊接低碳钢或低合金钢，熔池中心温度高达21002300，而熔池后部表面温度只有，而熔池后部表面温度只有1600左右，熔池平均温度为左右，熔池平均温度为1700100。q由于过热温度高，由于过热温度高，非自发形核的原始质点数大为减少非自发形核的原始质点数大为减少，这也促使焊，这也促使焊缝柱状晶的发展。缝柱状晶的发展。5p熔池中存在许多复杂的作用熔池中存在许多复杂的作用力，如电弧的机械力、气流力，如电弧的
3、机械力、气流吹力、电磁力，以及液态金吹力、电磁力，以及液态金属中密度差，使熔池金属产属中密度差，使熔池金属产生强烈的搅拌和对流，生强烈的搅拌和对流，p在熔池上部其方向一般从熔在熔池上部其方向一般从熔池头部向尾部流动，而在熔池头部向尾部流动，而在熔池底部的流动方向与之正好池底部的流动方向与之正好相反，相反，p这一点有利于熔池金属成分这一点有利于熔池金属成分分布的均匀化与纯净化。分布的均匀化与纯净化。6q处于热源移动方向前端的母材处于热源移动方向前端的母材不断熔化，连同过渡到熔池中不断熔化，连同过渡到熔池中的熔滴一起在电弧吹力作用下，的熔滴一起在电弧吹力作用下，对流至熔池后部。对流至熔池后部。q随
4、着热源的离去，熔池后部的随着热源的离去，熔池后部的液态金属立即开始凝固。液态金属立即开始凝固。q凝固过程是连续进行并随熔池凝固过程是连续进行并随熔池前进。前进。q熔池的凝固速度相当大，固熔池的凝固速度相当大，固液界面的推进速度，要比铸件液界面的推进速度，要比铸件高高10100倍。倍。焊缝的形成及熔池凝固焊缝的形成及熔池凝固 7q焊接熔池与其周围的母材金属之间直接接触，不像焊接熔池与其周围的母材金属之间直接接触，不像铸件那样存在气隙。铸件那样存在气隙。q焊接熔池的质量相对于周围母材金属的质量很小，焊接熔池的质量相对于周围母材金属的质量很小，母材金属的母材金属的“质量效应质量效应”促进了热量的吸收
5、。促进了热量的吸收。q焊接熔池界面处的导热条件很好，使焊接熔池能在焊接熔池界面处的导热条件很好，使焊接熔池能在很高的冷却速度下凝固。很高的冷却速度下凝固。q熔池边界或凝固中的固液界面的温度梯度可比铸件熔池边界或凝固中的固液界面的温度梯度可比铸件高高103104倍。倍。8923316FrEr：新相与液相间的表面张：新相与液相间的表面张力系数。力系数。Fr：单位体积内液固两相：单位体积内液固两相自由能之差。自由能之差。：非自发晶核的浸润角：非自发晶核的浸润角=0=0，E EK K=0=04coscos32316323rFkE10这种这种依附于母材晶粒现成表面而形成共同晶粒依附于母材晶粒现成表面而形
6、成共同晶粒的凝固方式，的凝固方式，11(a)(b)母材焊缝边界柱状晶每一种晶体点阵都存在一个最优结晶取向每一种晶体点阵都存在一个最优结晶取向,对于立方点阵的金属（对于立方点阵的金属（Fe,Ni,Cu,Fe,Ni,Cu,AlAl），最优结晶取向为），最优结晶取向为。温度梯度大的方向，也是晶粒易于生长的方向。与焊接熔池边界垂直的方向温温度梯度大的方向，也是晶粒易于生长的方向。与焊接熔池边界垂直的方向温度梯度度梯度G G最大。最大。当晶体最易长大方向当晶体最易长大方向与散热最快方向（最大温度梯度）一致时，则最有与散热最快方向（最大温度梯度）一致时，则最有利于晶粒长大，可一直长至熔池中心形成粗大的柱状
7、晶体。利于晶粒长大，可一直长至熔池中心形成粗大的柱状晶体。当晶体取向不利于长大，与散热最快方向不一致时，晶粒的成长就停止下来。当晶体取向不利于长大，与散热最快方向不一致时，晶粒的成长就停止下来。这种现象就是焊缝中柱状树枝晶的择优成长。这种现象就是焊缝中柱状树枝晶的择优成长。1213一般情况下，由于等温线是弯曲的，其曲线上各点的法线方向不断地改变，一般情况下，由于等温线是弯曲的，其曲线上各点的法线方向不断地改变，因此晶粒生长的有利方向也随之变化，形成了特有的弯曲柱状晶的形态。因此晶粒生长的有利方向也随之变化，形成了特有的弯曲柱状晶的形态。14焊接速度快焊接速度快 焊接速度慢焊接速度慢最后结晶的低
8、熔点夹杂物易被推移到焊缝中心区域，形成脆最后结晶的低熔点夹杂物易被推移到焊缝中心区域，形成脆弱的结合面，因此垂直于焊缝中心线的柱状晶，易导致纵向热裂纹的弱的结合面，因此垂直于焊缝中心线的柱状晶，易导致纵向热裂纹的产生。产生。焊接速度大时，焊接熔池长度增加焊接速度大时，焊接熔池长度增加,柱状晶趋向垂直于焊缝中柱状晶趋向垂直于焊缝中心线生长心线生长 ;焊接速度越慢焊接速度越慢,柱状晶越弯曲。柱状晶越弯曲。15过冷度：理论结晶温度过冷度：理论结晶温度Tm与实际结晶温与实际结晶温度度Tn之差。之差。热过冷：纯金属凝固时，理论凝固温度热过冷：纯金属凝固时，理论凝固温度（熔点）不变，过冷度完全取决于实际（
9、熔点）不变，过冷度完全取决于实际温度分布，这样的过冷叫热过冷。温度分布，这样的过冷叫热过冷。成分过冷：在合金凝固时，实际温度分成分过冷：在合金凝固时，实际温度分布一定，由于液相中溶质分布变化改变布一定，由于液相中溶质分布变化改变了液相的熔点，此时过冷由成分变化与了液相的熔点，此时过冷由成分变化与实际温度这两个因素共同决定，称为成实际温度这两个因素共同决定，称为成分过冷。分过冷。a)C%CL*=C0/k0CS=C0mLTSTMCL(X)b)XXC0CL*CS*Ti界面界面c)C%T成分过冷 区T2实际T1实 际TL(X)成分过冷形成的条件成分过冷形成的条件16a)a)不同的成分过冷情况不同的成分
10、过冷情况 b)b)无成分过冷无成分过冷 平面晶平面晶C)C)窄成分过冷区间窄成分过冷区间 胞状晶胞状晶 d)d)成分过冷区间较宽成分过冷区间较宽 柱状树枝晶柱状树枝晶 e)e)宽成分过冷宽成分过冷 内部等轴晶内部等轴晶G-正温度梯度；正温度梯度；T-实际结晶温度线实际结晶温度线17GL界面前沿液相的实际温度梯度界面前沿液相的实际温度梯度R晶体生长速度快晶体生长速度快18熔合区熔合区柱状晶区柱状晶区焊缝区焊缝区R大，大，G小小R小，小，G大大1920211）多层焊：使焊缝获得细小和少量珠）多层焊：使焊缝获得细小和少量珠光体，使柱状晶组织破坏。光体，使柱状晶组织破坏。2）焊后热处理：加热）焊后热处
11、理：加热A3以上以上2030，柱状晶消失。柱状晶消失。3）冷却速度：冷却速度）冷却速度：冷却速度，硬度，硬度低碳钢焊缝的魏氏组织低碳钢焊缝的魏氏组织22焊缝化学成分相同时，在不同的冷却速度下，低焊缝化学成分相同时，在不同的冷却速度下，低碳钢焊缝中铁素体和珠光体的比例有很大差别。碳钢焊缝中铁素体和珠光体的比例有很大差别。冷却速度越大，焊缝中的珠光体越多，越细，同冷却速度越大，焊缝中的珠光体越多，越细，同时焊缝的硬度增高。时焊缝的硬度增高。23低合金钢焊缝的组织形态分类低合金钢焊缝的组织形态分类2425262728AFFGF+P2930P+F粒粒P+AF31q贝氏体转变属中温转变，转变温度约在贝氏
12、体转变属中温转变，转变温度约在550Ms之间，此时合金元之间，此时合金元素已不能扩散，只有碳还能扩散。素已不能扩散，只有碳还能扩散。q在焊接条件下焊缝金属中的贝氏体转变极其复杂，会出现多种非平衡在焊接条件下焊缝金属中的贝氏体转变极其复杂，会出现多种非平衡条件下的过渡组织。根据它们形成的温度区间及其特征可分为：条件下的过渡组织。根据它们形成的温度区间及其特征可分为：上贝氏体（上贝氏体（Upper Bainite，简称，简称Bu）下贝氏体（下贝氏体（Lower Bainite，简称，简称BL）粒状贝氏体（粒状贝氏体（Grain Bainite，简称，简称BG）无碳贝氏体（无碳贝氏体（Carbide
13、-free Bainite，简称，简称Bc）q这几种贝氏体的形态是逐渐过渡的，没有鲜明的区分，主要根据铁素这几种贝氏体的形态是逐渐过渡的，没有鲜明的区分，主要根据铁素体的形态和碳化物在贝氏体中的分布状态加以区别。体的形态和碳化物在贝氏体中的分布状态加以区别。323334q在低碳低合金钢焊缝中，当冷却速度很快时，常会出现这种马氏体。在低碳低合金钢焊缝中，当冷却速度很快时，常会出现这种马氏体。q这种马氏体的含碳量低，故又称这种马氏体的含碳量低，故又称低碳马氏体低碳马氏体。q 低碳马氏体不仅具有较高的强度，同时也具有良好的韧性。这是因为板条低碳马氏体不仅具有较高的强度，同时也具有良好的韧性。这是因为
14、板条马氏体有发生马氏体有发生“自回火自回火”现象。现象。q焊缝中含碳量大于焊缝中含碳量大于0.4%0.4%，又称，又称高碳马氏体高碳马氏体。q粗大，经常贯穿奥氏体晶粒内部。粗大，经常贯穿奥氏体晶粒内部。q 透射电镜观察，片透射电镜观察，片M M存在许多细小平行带纹孪晶带存在许多细小平行带纹孪晶带，又称为，又称为孪晶马氏体孪晶马氏体。q硬度高、脆。硬度高、脆。3536低合金钢焊缝金属连续冷却组织转变图（简称低合金钢焊缝金属连续冷却组织转变图（简称WMCCT图图）对于对于预测焊缝的组织预测焊缝的组织及及调节焊缝的性能调节焊缝的性能具有重要的意义具有重要的意义37合金元素和含氧量对焊接合金元素和含氧
15、量对焊接CCTCCT图的影响图的影响383940q改善焊缝金属凝固组织的有效方法之一就是向焊缝中添加改善焊缝金属凝固组织的有效方法之一就是向焊缝中添加某些合金元素，起某些合金元素，起固溶强化固溶强化和和变质处理变质处理的作用；的作用；q根据目的和要求的不同，可加入不同的合金元素，以根据目的和要求的不同，可加入不同的合金元素，以改变改变凝固组织的形态凝固组织的形态，从而提高了焊缝金属的性能，特别是近，从而提高了焊缝金属的性能，特别是近年来采用了多种微量合金元素，大幅度地提高了焊缝金属年来采用了多种微量合金元素，大幅度地提高了焊缝金属的强度和韧性。的强度和韧性。q研究表明，通过焊接材料研究表明，通
16、过焊接材料(焊条、焊丝和焊剂等焊条、焊丝和焊剂等)向熔池中向熔池中加入加入细化晶粒细化晶粒的合金元素，如的合金元素，如MoMo、V V、TiTi、NbNb、B B、ZrZr、AlAl和稀土等，可以改变结晶形态。使焊缝金属的晶粒细化，和稀土等，可以改变结晶形态。使焊缝金属的晶粒细化，既既可提高焊缝的强度和韧性，又可改善抗裂性能。可提高焊缝的强度和韧性，又可改善抗裂性能。41由图看出：增加由图看出：增加Mn、Si的含量，可以降低焊缝中的含氧量但对韧性并不有利。的含量，可以降低焊缝中的含氧量但对韧性并不有利。这里更重要的是改变了焊缝的组织，从而使其具有较高的韧性。这里更重要的是改变了焊缝的组织，从而
17、使其具有较高的韧性。42对锰对锰硅系焊缝金属来讲：硅系焊缝金属来讲：1 1）当焊缝中锰和硅的含量较低时）当焊缝中锰和硅的含量较低时，焊缝组织为粗大的先共析铁素体，其韧性较低；，焊缝组织为粗大的先共析铁素体，其韧性较低；2 2）当焊缝中锰和硅的含量较高时）当焊缝中锰和硅的含量较高时，焊缝组织为侧板条铁素体，其韧性也较低；，焊缝组织为侧板条铁素体，其韧性也较低；3 3）只有当锰和硅的含量处于适中范围时）只有当锰和硅的含量处于适中范围时，才能得到由细晶铁素体和针状铁素体组成，才能得到由细晶铁素体和针状铁素体组成的焊缝组织，从而具有较高的韧性。的焊缝组织，从而具有较高的韧性。43q适当的适当的Nb和和
18、 V,焊缝韧性焊缝韧性 NbNb、V V在焊缝金属中可固溶，推迟奥氏体向铁素体的转变，在焊缝金属中可固溶，推迟奥氏体向铁素体的转变，能够抑制焊缝中现共析铁素体的产生，而激发形成细小的针状铁素能够抑制焊缝中现共析铁素体的产生，而激发形成细小的针状铁素体体AFAF组织组织q固定氮的作用固定氮的作用 NbNb和和V V还可以与焊缝中的氮化合成氮化物还可以与焊缝中的氮化合成氮化物(NbN(NbN，VN)VN)，从，从而固定了焊缝中的可溶性氮，这也会使焊缝金属提高韧性而固定了焊缝中的可溶性氮，这也会使焊缝金属提高韧性q通过正火处理，改善焊缝韧性通过正火处理，改善焊缝韧性采用采用NbNb和和V V来韧化焊
19、缝，当焊后不再进行正火处理时，来韧化焊缝，当焊后不再进行正火处理时，V V和和NbNb的氮化物，以微细共格沉淀相存在，导致焊缝的强度大幅度提的氮化物，以微细共格沉淀相存在，导致焊缝的强度大幅度提高，致使焊缝的韧性下降高，致使焊缝的韧性下降因此，一般不加因此，一般不加Nb和和 V4445Ti 和和 B同时存在可提高焊缝韧性同时存在可提高焊缝韧性qTi与氧的亲和力很大，与氧的亲和力很大，以微小颗粒氧化物以微小颗粒氧化物TiO弥散分布，弥散分布，可以作为可以作为“钉子钉子”位于晶粒边界，阻碍奥氏体晶粒的长大，位于晶粒边界，阻碍奥氏体晶粒的长大，使晶粒细化。使晶粒细化。qB原子半径小，在原子半径小，在
20、Ti的保护作用下得以自由存在，在高温的保护作用下得以自由存在，在高温下向奥氏体晶界扩散，在晶界沉淀聚集而降低晶界扩散，下向奥氏体晶界扩散，在晶界沉淀聚集而降低晶界扩散，使晶界奥氏体的稳定性增大，抑制先共析铁素体（包括使晶界奥氏体的稳定性增大，抑制先共析铁素体（包括粒粒界铁素体界铁素体GBF和和侧板条铁素体侧板条铁素体FSP）的形成，从而使）的形成，从而使转变开始温度向低温方向移动，转变开始温度向低温方向移动，促使形成促使形成针状铁素体针状铁素体，改，改善韧性。善韧性。46q合适加入量：合适加入量：Ti0.010.02%B=0.0020.006%.当钛和硼的含量过高时，会使奥氏体的分解温度过分降
21、低，导当钛和硼的含量过高时，会使奥氏体的分解温度过分降低，导致低温产物致低温产物上贝氏体上贝氏体甚至甚至马氏体马氏体的生成，从而使焊缝韧性降低的生成，从而使焊缝韧性降低47其韧性较低其韧性较低形成形成板条状无板条状无碳贝氏体碳贝氏体组织，导致韧性降低组织，导致韧性降低和和针状铁素体针状铁素体组织，从而组织，从而使焊缝具有较高的韧性使焊缝具有较高的韧性48稀土在钢中的作用十分复杂，对于不同钢种，它的作稀土在钢中的作用十分复杂，对于不同钢种，它的作用也会有不同的效果，造成了在钢中的作用不稳定现象。用也会有不同的效果，造成了在钢中的作用不稳定现象。稀土是化学活性极强的元素，能与钢中的合金元素发稀土是
22、化学活性极强的元素，能与钢中的合金元素发生相互作用，改善焊缝的组织以及夹杂物的生相互作用，改善焊缝的组织以及夹杂物的形态形态和和分布分布，从，从而提高焊缝的韧性。而提高焊缝的韧性。我国稀土资源丰富，而且在这方面进行了大量研究工我国稀土资源丰富，而且在这方面进行了大量研究工作，取得了很好的效果。作，取得了很好的效果。49通过焊条药皮向焊缝中过渡一定量的重通过焊条药皮向焊缝中过渡一定量的重稀土元素钇稀土元素钇(Y)，能明显提高焊缝的韧性。，能明显提高焊缝的韧性。钇的加入量存在一个最佳的范围，否则钇的加入量存在一个最佳的范围，否则焊缝韧性的改善效果将降低，而且这个焊缝韧性的改善效果将降低，而且这个范
23、围会受到焊条渣系、钇的加入形态以范围会受到焊条渣系、钇的加入形态以及试验条件等影响。及试验条件等影响。加入的轻稀土元素加入的轻稀土元素铈铈(Ce(Ce)，可以富集在硅酸盐夹杂物中而使其球，可以富集在硅酸盐夹杂物中而使其球化，并弥散分布，从而促进针状铁素体的形核，抑制先共析铁素体的生成，化，并弥散分布，从而促进针状铁素体的形核，抑制先共析铁素体的生成，细化了焊缝组织，提高了焊缝金属的韧性。细化了焊缝组织，提高了焊缝金属的韧性。向焊缝中过渡微量的稀土元素向焊缝中过渡微量的稀土元素蹄蹄(Te)(Te)或或硒硒(Se)(Se)，再配合少量的钇，再配合少量的钇或铈，可使钢液表面活化，降低焊缝合氢量，在使
24、夹杂物球化并弥散分布或铈，可使钢液表面活化，降低焊缝合氢量，在使夹杂物球化并弥散分布的同时，进一步细化晶粒，改善焊缝组织，提高焊缝金属的韧性。的同时，进一步细化晶粒，改善焊缝组织，提高焊缝金属的韧性。50有的主要是固溶强化（如有的主要是固溶强化（如Mn、Si等）等）有的主要是变质处理（如有的主要是变质处理（如Ti、B、Zr、稀土等）、稀土等）有的兼有两种作用（如有的兼有两种作用（如V、Nb、Mo等）等）51工艺方面的控制工艺方面的控制主要是指通过主要是指通过焊接工艺优化焊接工艺优化和和采取辅助工艺措施采取辅助工艺措施来改来改善焊缝金属的组织和性能。善焊缝金属的组织和性能。1、焊接工艺优化、焊接
25、工艺优化1 1）工艺参数调整）工艺参数调整通过调整焊接参数，可以控制焊接热输入通过调整焊接参数，可以控制焊接热输入防止半熔化母树晶粒的过分粗化，控制熔池的尺寸及温度梯度，防止半熔化母树晶粒的过分粗化，控制熔池的尺寸及温度梯度，控制熔池的结晶形态、晶粒的大小及成长方向，获得晶粒细小的结晶组织，控制熔池的结晶形态、晶粒的大小及成长方向，获得晶粒细小的结晶组织，提高焊缝的强度和韧性。提高焊缝的强度和韧性。通过调整焊接工艺参数，能够控制冷却速度通过调整焊接工艺参数，能够控制冷却速度控制焊缝的固态相变过程及其相变组织。对于低合金高强度钢的控制焊缝的固态相变过程及其相变组织。对于低合金高强度钢的焊缝来讲，
26、通过控制冷却速度，可以抑制先共析铁素体的形核与长大，增焊缝来讲，通过控制冷却速度，可以抑制先共析铁素体的形核与长大，增加针状铁素体的含量，同时避免加针状铁素体的含量，同时避免M MA A组元及马氏体的形成，达到提高焊缝组元及马氏体的形成，达到提高焊缝强韧性的目的。强韧性的目的。5253q使熔池中正在成长的晶粒遭到破碎；使熔池中正在成长的晶粒遭到破碎；q产生强烈的搅拌作用，促进夹杂物的上浮及成分的均匀化；产生强烈的搅拌作用，促进夹杂物的上浮及成分的均匀化；q改善熔池的结晶组织，提高了焊缝的性能。改善熔池的结晶组织，提高了焊缝的性能。q使正在成长的晶粒受到拉压交替的应力而破碎，增加结晶的核心，细化
27、使正在成长的晶粒受到拉压交替的应力而破碎，增加结晶的核心，细化焊缝的晶粒。焊缝的晶粒。q消除气孔、减少夹杂以及降低结晶裂纹倾向的作用，消除气孔、减少夹杂以及降低结晶裂纹倾向的作用，q效果好于机械振动，但由于成本较高而限制了它的工程应用。效果好于机械振动，但由于成本较高而限制了它的工程应用。5455BTRBTR焊接方向熔池锤击位置焊接方向沿焊缝中心线温度分布沿焊缝中心线温度分布熔池锤击位置BTR:脆性温度区间(热裂纹)56这样，除了表面一层外，每层焊道都相当于这样，除了表面一层外，每层焊道都相当于进行了一次焊后正火及不同次数的回火，组织与性进行了一次焊后正火及不同次数的回火，组织与性能将有明显的
28、改善。能将有明显的改善。跟踪回火使用中性焰，将焰心对准焊道作跟踪回火使用中性焰，将焰心对准焊道作“z”形形运动，火焰横向摆动的宽度大于焊缝宽度运动，火焰横向摆动的宽度大于焊缝宽度23mm572）整体或局部热处理）整体或局部热处理重要的焊接结构：重要的焊接结构：焊后可采用回火、正火或调质等整体热处理焊后可采用回火、正火或调质等整体热处理 如：珠光体耐热钢电站设备、电渣焊的厚板结构、中碳调质钢飞机起落如：珠光体耐热钢电站设备、电渣焊的厚板结构、中碳调质钢飞机起落架等。大型球罐可采用内加热、外保温的技术进行整体热处理。架等。大型球罐可采用内加热、外保温的技术进行整体热处理。难于采用整体热处理的大型复杂焊接结构：难于采用整体热处理的大型复杂焊接结构：焊后采用局部热处理焊后采用局部热处理 如电站锅炉的过热器等，焊后可采用局部热处理来改善焊缝的性能。如电站锅炉的过热器等，焊后可采用局部热处理来改善焊缝的性能。焊后采用整体或局部热处理，焊后采用整体或局部热处理，不但可以消除残余应力，而且不但可以消除残余应力，而且能改善焊缝和整个接头的组织能改善焊缝和整个接头的组织和性能。和性能。这种方法比较麻烦，耗能耗这种方法比较麻烦，耗能耗资比较大，不是在所有情况下资比较大，不是在所有情况下都是可取的。都是可取的。585960返回61
