1、第第4 4章熔池凝固与焊缝组织章熔池凝固与焊缝组织4.1 焊接熔池的结晶形核焊接熔池的结晶形核4.2 焊接熔池的晶核长大焊接熔池的晶核长大4.3 焊缝的凝固组织焊缝的凝固组织4.4 焊缝金属的不均匀性焊缝金属的不均匀性4.5 焊缝金属的固态转变焊缝金属的固态转变4.3 焊缝组织的不均匀性焊缝组织的不均匀性 焊缝金属的不均匀性包括化学成分的不均匀性、气孔和夹杂等，均属于凝固缺陷，对焊缝力学性能有负面影响4.3.1凝固偏析凝固偏析完全平衡凝固时固、液相中的成分变化固相中无扩散、液相中部分扩散条件下凝固时固、液相中的成分变化4.4.2 焊缝金属的化学成分不均匀性焊缝金属的化学成分不均匀性化化学学成成
2、分分不不均均匀匀性性焊缝焊缝熔合区（第五章）熔合区（第五章）显微偏析显微偏析区域偏析区域偏析层状偏析层状偏析 焊接熔池体积小、冷却速度快的特点决定了焊缝金属凝固过程中固液金属成分差异很大，导致偏析。1、显微偏析、显微偏析 所谓显微偏析通常是指晶粒尺度层面的成分偏析现象，最典型的显微偏析是晶界相对于晶粒内部的成分偏析，因此也称晶间偏析。Al-Li合金脉冲钨极氩弧焊焊缝中Cu的晶界偏析：(a)背散射照片；(b)Cu的面分布18-10不锈钢熔化极气体保护电弧焊焊缝中S和P的晶界偏析：(a)S；(b)P显微偏析的影响因素显微偏析的影响因素1）熔池结晶条件熔池结晶条件：熔池以树枝晶长大时，先结晶的柱状晶
3、溶质浓度低，后结晶的枝晶溶质浓度高，相邻的枝晶间溶质浓度最高；2）溶质元素的性质溶质元素的性质：平衡分配系数（k）和扩散系数（D）。一般地，对于k1的合金系，溶质的平衡分配系数越小、扩散系数越小，显微偏析程度越趋于严重；3）冷却速率较冷却速率较为复杂。冷却速度对镁合金注铸锭Ca的显微偏析的影响Mg-Ca合金Mg-Mn-Al-Ca合金K是表征偏析程度的系数，称为偏析度：bgCKC晶界溶质浓度晶轴溶质浓度 焊缝金属的区域偏析是指焊缝中的化学成分区域性的不均匀，主要指焊缝中心区域成分明显区别于焊缝其它区域的现象。热输入低，而焊接速度又较大时，焊缝中心区域偏析最严重。2、区域偏析、区域偏析低线能量/较
4、高速焊接时焊缝中心的区域偏析示意图3、层状偏析、层状偏析 层状偏析是指焊缝中的成分或杂质呈现层状分布的一种现象。焊缝断面经浸蚀之后，经常可以看到成分呈明显的层状分布。Inconel 718合金熔化极气体保护电弧焊焊缝中的层状偏析X7106铝合金钨极氩弧焊焊缝中的层状分布气孔原因：原因：凝固速率的周期性变化（热源移动、熔滴过渡、结晶潜热）4、焊缝金属化学成分不均匀性的调控焊缝金属化学成分不均匀性的调控 调控焊缝凝固组织的措施，包括变质处理、焊接工艺优化、超声振动和电磁搅拌等都同时对化学成分的均匀化有良好的作用；焊接工艺参数（如焊接速度、焊接线能量等）对焊接熔池的凝固结晶行为有重要影响。恰当的焊接
5、工艺可以获得细小的等轴晶组织，从而减小化学成分的不均匀性，而不恰当的焊接工艺可能形成粗大的柱状晶组织，甚至两侧柱状晶在焊缝中心线交汇，形成严重的区域偏析和结晶裂纹。4.4.3焊缝中的气孔焊缝中的气孔表面气孔内部气孔球形气孔条形气孔虫形气孔氢气孔氮气孔一氧化氮气孔二氧化碳气孔金属蒸汽气孔析出型气孔反应型气孔金属蒸汽气孔按分布分类按形状分类按产生气孔气体的种类分类按形成机理分类1、气孔的分类、气孔的分类析出型气孔析出型气孔析出型气孔是由于高温下熔池金属中气体的溶解度随温度的降低急剧下降，析出的气体来不及逸出而形成，常见的是氢气孔和氮气孔，其中尤以氢气孔最为常见。AA 1100 铝合金激光焊焊缝中的
6、析出型氢气孔反应型气孔反应型气孔反应型气孔是指由焊接过程中的冶金反应产生的不溶于熔池金属的反应性气体而形成的一类气孔。常见的反应型气体主要有CO和H2O等，它们基本不溶于熔池金属金属蒸气孔金属蒸气孔焊接熔池的金属蒸气有时也可能在焊缝中形成气孔离焦量离焦量(mm)焊焊接接速速度度(m/min)焊接速度和离焦量对镍基合金激光焊焊缝纵剖面气孔情况的影响AA 1100 铝合金激光焊焊缝中的金属蒸气孔2、气孔的控制措施、气孔的控制措施 消除气体来源 加强保护、焊接材料烘干、焊前清理。正确选择焊接材料 氧化性强的焊剂会增加CO气孔的倾向，而减小氢气孔的形成倾向，碱性焊条（加入氟化物）可减小氢气孔的倾向。优
7、化焊接工艺 工艺参数、极性、脉冲电流、电磁搅拌4.4.4焊缝中的夹焊缝中的夹杂杂 焊缝中的夹杂指焊缝中的杂质，一般是指焊缝金属中正常相组成之外的固态物质。1、夹杂的分类与形成机理、夹杂的分类与形成机理氧化物夹杂氧化物夹杂 氧化物主要在熔池的冶金反应过程中形成，只有少数因焊接操作不当，在液态熔池金属内混入熔渣而形成（称为“夹渣”）富Si相变诱发塑性钢钨极氩弧焊（GTA）焊缝中的氧化物夹杂SEM照片氮化物夹杂氮化物夹杂 当焊接保护不良，空气中的氮侵入熔池时，焊缝中有可能出现氮化物夹杂。低碳钢和低合金钢焊缝氮化物夹杂主要是Fe4N，常以针状形态存在。氮化物夹杂通常使焊缝的硬度增大，而塑形和韧性显著降
8、低。硫化物夹杂硫化物夹杂 硫化物夹杂主要存在于钢焊缝中，主要来源于焊条药皮和焊剂，当母材或焊接材料中硫的含量偏高时也会促进焊缝中形成硫化物夹杂。焊缝中的硫化物夹杂主要有MnS和FeS，其中尤以FeS对焊缝性能危害最大，其主要原因是FeS沿晶界析出，与Fe或FeO形成低熔共晶，降低焊缝性能、促进热裂纹的形成2.25Cr-1Mo铁素体钢钨极氩弧焊焊缝裂纹面富铬硫化物夹杂：(a)三个晶粒交界处裂纹面(b)阶梯区的放大(c)大的基体夹杂(d)晶间亚微米夹杂abcd2、夹杂的控制措施、夹杂的控制措施夹杂的预防主要从材料和工艺两方面考虑：在材料方面，应控制母材和焊接材料中硫和磷的含量，合理选择焊条、焊剂等
9、焊接材料，以保证焊接过程中能够充分脱氧、脱硫；在焊接工艺方面，应加强焊接保护，防止空气侵入熔池，并优化焊接工艺参数，以利于熔渣的浮出。多层焊时，应注意层间清渣。4.5 焊缝金属的固态相变焊缝金属的固态相变4.5.1 低碳钢和低合金钢焊缝固态转变的类型低碳钢和低合金钢焊缝固态转变的类型1、铁素体转变、铁素体转变先共析铁素体（先共析铁素体（Proeutectoid Ferrite，PF）特点：特点：1）转变温度高，770680；2）沿奥氏体晶界析出，晶界铁素体（Grain Boundary Ferrite，GBF）；形态：形态：条状分布在奥氏体晶界，有时也以块状出现，块状铁素体影响因素：影响因素：
10、与钢的化学成分和焊接条件（焊接热循环的冷却条件）有关，一般而言，高温停留时间越长，冷却速度越慢，先共析铁素体越多16Mn钢双丝半自动埋弧焊焊缝柱晶区先共析铁素体15MnVN钢焊条电弧焊等轴晶区先共析铁素体侧板条铁素体侧板条铁素体(Ferrite Side Plate，FSP)20钢等离子弧焊焊缝中的侧板条铁素体焊缝中心等轴晶区焊缝柱晶区特点：特点：1）形成温度比GBF稍低，约在700550；2）奥氏体晶界先共析铁素体的侧面以板条状向奥氏体晶内成长，板条的长宽比约为20:1，从形态上看如镐牙状。针状铁素体针状铁素体(Acicular Ferrite，AF)特点：特点：形成温度比侧板条铁素体更低些
11、(约在500附近形成)，大部分在奥氏体晶内形成，常以某些质点（主要是氧化物夹杂）为核心放射性成长。针状铁素体的增加可以显著改善焊缝金属的力学性能。焊条电弧焊Fe-Cr-C 低合金焊缝金属中的针状铁素体焊条电弧焊C-Mn-Ni 低合金焊缝金属中针状铁素体内的氧化物夹杂核心细晶铁素体（细晶铁素体（Fine grain Ferrite，FGF）当钢中有细化晶粒的元素如（Ti，B等）存在且转变温度较低时，在奥氏体晶内可形成细小的铁素体，在细晶之间有Fe3C析出。从其本质来讲，细晶是介于铁素体与贝氏体之间的转变产物，故又称为贝氏铁素体（Bainitic Ferrite）。细晶铁素体的转变温度通常在500
12、以下，如果在更低的温度转变（约445）可转变为上贝氏体。16Mn钢手工电弧焊多层焊焊缝层间细晶铁素体含铌（Nb）低合金管线钢焊缝中的细晶铁素体2、珠光体转变、珠光体转变 在缓慢冷却条件下珠光体转变大体发生在Ar1550之间，其转变产物是铁素体和渗碳体的两相混合物。根据组织中渗碳体的形态，可分为片状珠光体和粒状珠光体两种。片状珠光体随冷速增大，转变温度降低（过冷度增大），片层间距减小。根据片层间距的大小（片层细密程度），片状珠光体又可分为片状珠光体（Lamellar Pearlite）、索氏体(Sorbite)和屈氏体(Tyusite)三种。低碳钢气体保护电弧焊（GMAW）焊缝金属（添加Nb）中
13、的珠光体片状珠光体（1020 2h正火）索氏体（920 2h正火）3、贝氏体转变、贝氏体转变奥氏体化的钢过冷到Bs（约550）Ms温度范围进行等温将发生贝氏体转变。贝氏体转变是中温转变，一种介于扩散性珠光体转变与非扩散性马氏体转变之间的中间转变。按照贝氏体的生成温度区间和形貌（结构）特征可分为上贝氏体、下贝氏体和粒状贝氏体。光学显微镜扫描电镜透射电镜1）上贝氏体）上贝氏体组织形态：组织形态：似羽毛状，铁素体大致平行，取向差约为似羽毛状，铁素体大致平行，取向差约为68，渗碳体，渗碳体分布于铁素体板条之间，沿长轴方向成短竿状、链状或粒分布于铁素体板条之间，沿长轴方向成短竿状、链状或粒状不连续排列；
14、状不连续排列；形成条件：形成条件：550350区域转变产物；区域转变产物；力学性能：力学性能：冲击韧性较差，生产上应力求避免。冲击韧性较差，生产上应力求避免。2）下贝氏体）下贝氏体组织形态：组织形态：在显微镜下呈黑色针状，各针之间有一定的交角，电镜下可以在显微镜下呈黑色针状，各针之间有一定的交角，电镜下可以见到，在片状铁素体基体中分布有很细的碳化物片，它们大致与见到，在片状铁素体基体中分布有很细的碳化物片，它们大致与铁素体片的长轴成铁素体片的长轴成5560的角度；的角度；形成条件：形成条件：350Ms区域转变产物；区域转变产物；力学性能：力学性能：冲击韧性较好。冲击韧性较好。光学显微镜扫描电镜
15、透射电镜3）粒状贝氏体）粒状贝氏体组织形态：组织形态：块状铁素体和岛状的富碳奥氏体组成，岛状富碳奥氏体根据冷块状铁素体和岛状的富碳奥氏体组成，岛状富碳奥氏体根据冷却条件和奥氏体稳定性的不同却条件和奥氏体稳定性的不同（1）部分或全部分解为铁素体部分或全部分解为铁素体和碳化物，和碳化物，（2）部分富碳奥氏体转变为马氏体，出现马氏体部分富碳奥氏体转变为马氏体，出现马氏体+残余奥氏体组织，称为残余奥氏体组织，称为M-A组元（可能性最大），组元（可能性最大），（3）富碳奥富碳奥氏体全部保留至室温。氏体全部保留至室温。形成条件：形成条件：低碳或中碳合金钢，一定速度连续冷却，稍高于上贝氏体形成低碳或中碳合金
16、钢，一定速度连续冷却，稍高于上贝氏体形成温度温度力学性能：力学性能：强度最低，仍有较好的韧性强度最低，仍有较好的韧性光学显微镜扫描电镜透射电镜M-AM-AF上贝氏体下贝氏体粒状/条状贝氏体下贝氏体中针状铁素体内的碳化物4、马氏体转变、马氏体转变当焊缝的含碳量偏高或合金元素较复杂时，在快速冷却的条件下，奥氏体过冷到M 温度以下将发生马氏体转变。马氏体转变是典型的非扩散型相变，此时铁原子和碳原子都不能扩散，相变过程中完全依靠切变进行点阵重构，没有成分变化，因此，马氏体也被视为碳在 中的过饱和固溶体。按组织形态分类，马氏体主要有板条马氏体（低碳马氏体）和片状马氏体两种（高碳马氏体）。焊缝板条马氏体组
17、织焊缝板条马氏体显微结构低碳低合金焊缝金属在连续冷却条件下，常出现板条马氏体。其主要原因是低碳钢的M 点较高，引起滑移所需要的临界应力较低，点阵重构的切变主要以滑移方式进行，滑移形成高位错密度的板条状马氏体。板条马氏体的结构与形态特征是在奥氏体晶粒的内部形成几束马氏体板条，束与束之间具有一定的交角；在透射电镜下观察可以看到，板条马氏体内位错密度较高，因此，这种马氏体又称位错型马氏体；由于这种马氏体含碳量低，故也称低碳马氏体。低碳马氏体不仅具有较高的强度，同时也具有良好的韧性。当焊缝中含碳量（或碳当量）较高(C0.4)时将会出现片状马体。片状马氏体又称高碳马氏体，此时，由于M 点较低，引起孪生所
18、需要的临界切应力较低，点阵重构的切变主要以孪生方式进行，从而形成含有大量孪晶的片状马氏体。焊缝片状马氏体组织片状马氏体中的孪晶带低碳钢和低合金钢焊缝固态转变的分类及其组织形态和显微结构4.5.2 低碳钢和低合金钢焊缝的固态转变组织低碳钢和低合金钢焊缝的固态转变组织1、低碳钢焊缝的固态组织转变、低碳钢焊缝的固态组织转变低碳钢焊缝含碳量较低，其固态转变组织相对简单，通常都是铁素体加少量珠光体。铁素体与珠光体的相对量与钢的含碳量及冷却速度有关，一般地说，随冷却速度提高焊缝珠光体增加、硬度增加而塑性降低焊缝冷却速度(/s)焊缝组织（%）焊缝硬度 （HV）铁素体 珠光体15103550110 82 79
19、 65 61 40 38 18 21 35 39 60 621651671851952052282、低合金钢焊缝的固态转变组织、低合金钢焊缝的固态转变组织低合金钢焊缝的固态转变组织比较丰富，随焊接材料化学成分和焊接条件（热循环条件）的不同，各种固态转变类型及其组织在低合金钢焊缝中均有出现的可能，一般情况下是几种组织（相）的混合组织。由于焊缝含碳量普遍低于母材，在多数情况下低合金钢焊缝组织仍以铁素体和珠光体为主，但在高强钢焊缝中，也会有贝氏体甚至马氏体组织。钢的连续冷却组织转变图（CCT图）原理一样，焊缝金属的固态转变组织可以借助“焊缝金属连续冷却组织转变图”（简称“WM-CCT图”）来进行预测
20、3、低合金钢焊缝固态转变组织的影响因素、低合金钢焊缝固态转变组织的影响因素 合金元素合金元素合金元素和氧含量对低合金钢焊缝固态转变行为的影响随着合金元素含量的增加，连续冷却转变图将向较长的时间和较低的温度方向移动，亦即意味着随合金元素增加，在相同冷却速度条件下，焊缝更容易得到较低温度的转变组织（如贝氏体、马氏体等）焊缝金属Ti含量对API 5L-X70 管线钢埋弧焊焊缝组织结构的影响0.004Ti0.02Ti0.05Ti0.09Ti 含氧量含氧量合金元素和氧含量对低合金钢焊缝固态转变行为的影响焊缝中的氧对连续冷却组织转变图的位置有明显影响，随氧含量的增加，CCT 图或WM-CCT图会向较短的时间和较高的温度方向移动，焊缝更容易得到较高温度的转变组织SAE 1020钢（0.196C-0.6Mn-0.26Si）埋弧焊焊缝组织线能量2kJ/mm线能量0.5kJ/mm 焊接工艺焊接工艺合金元素和氧含量对低合金钢焊缝固态转变行为的影响主要体现在改变冷却速度。对手工电弧焊堆焊0.08C-0.4S-1.5Mn-0.4Mo 焊缝组织的影响8 5t1.89s,B+M0.94s,M 12.03s,Bu4.06s,BL4.5.3 焊缝固态转变组织的调控焊缝固态转变组织的调控1、冶金调控2、焊接参数调控3、焊后热处理4、多层多道焊5、锤击焊道A3钢多层埋弧焊焊缝组织末道焊缝组织层间焊缝组织
