焊缝结晶过程课件.ppt

1、高高 级级 焊焊 工工 工工 艺艺 第四讲第四讲复习旧课复习旧课一、填空题一、填空题1.1.超出木材表面连线上的那部分焊缝金属的最大高度叫超出木材表面连线上的那部分焊缝金属的最大高度叫_ _ 。2.2.熔焊时，焊件接缝所处的空间位置叫熔焊时，焊件接缝所处的空间位置叫_ _ ，可用，可用_ _ _ _ 和和_ _ 来表示。来表示。3.3.带钝边带钝边V V型焊缝的符号是型焊缝的符号是 ，角焊缝的符号是，角焊缝的符号是 ；表示焊缝；表示焊缝 表面平齐的符号是表面平齐的符号是 ；表示环绕工件周围焊缝的符号是；表示环绕工件周围焊缝的符号是_ _ 。4.4.焊缝横截面上的尺寸应标在基本符号的焊缝横截面上

2、的尺寸应标在基本符号的 侧，焊缝长度方向侧，焊缝长度方向 的尺寸应标在基本符号的的尺寸应标在基本符号的_ _ 侧，坡口角度、坡口面角度、根侧，坡口角度、坡口面角度、根 部间隙等尺寸均应标在基本符号的部间隙等尺寸均应标在基本符号的 侧，相同焊缝数量符侧，相同焊缝数量符 号应标在号应标在 。5.5.焊缝符号一般由焊缝符号一般由 、和和 组成。组成。二、选择题二、选择题1.1.焊缝倾角为焊缝倾角为0 0焊缝转角为焊缝转角为9090的焊接位置是指的焊接位置是指()()。A A平焊平焊 B B横焊横焊 C C立焊立焊 B B仰焊仰焊2.2.焊缝倾角为焊缝倾角为9090,270,270的焊接位置是指的焊接

3、位置是指()()位置。位置。A A立焊立焊 B B横焊横焊 C C立焊立焊 D D仰焊仰焊3.3.焊缝成形系数是焊缝成形系数是()()的比值用的比值用表示表示.A B A B与与H B HH B H与与B C HB C H与与a a 4.()4.()符号是表示焊缝表面形状的符号符号是表示焊缝表面形状的符号 A A基本基本 B B辅助辅助 C C补充补充复习旧课复习旧课模块一模块一 焊接基础知识焊接基础知识包括包括课题一课题一课题四课题四课题二课题二课题三课题三焊条、焊丝及母材的熔化焊条、焊丝及母材的熔化1焊接冶金过程焊接冶金过程2焊缝结晶过程焊缝结晶过程3焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的

4、组织和性能4课题二课题二 焊接冶金基础焊接冶金基础控制和改善焊接接头性能的方法控制和改善焊接接头性能的方法5课题二课题二 焊接冶金基础焊接冶金基础三、焊缝结晶过程三、焊缝结晶过程 焊缝金属从高温的液体状态冷却至常温的固体状态经历了两次结晶过程：1.从液相转变为固相的一次结晶.2.在固相焊缝金属中出现同素异构转变的二次结晶.熔池结晶过程研究目的：1.熔池凝固过程对焊缝金属的熔池凝固过程对焊缝金属的组织、性能组织、性能具有重具有重 要影响。要影响。2.防止气孔、夹杂、偏析、结晶裂纹等焊接缺陷.3.防止晶体缺陷影响接头性能.1.定义:焊缝金属由液态转变为固态的凝固过程称为焊缝金属的一次结晶。一、焊缝

5、金属的一次结晶一、焊缝金属的一次结晶2.基本过程基本过程 1）晶核生成）晶核生成 2）晶核长大）晶核长大 1.熔池体熔池体积小、冷积小、冷却速度大。却速度大。2.熔池中的熔池中的金属处于金属处于过热状态。过热状态。3.溶池在溶池在运动状态运动状态下结晶。下结晶。一次结晶特殊性一次结晶特殊性二、焊接熔池一次结晶的特点和形态二、焊接熔池一次结晶的特点和形态 产生淬硬、粒产生淬硬、粒状晶等组织状晶等组织金属烧损严重金属烧损严重非自发形核少非自发形核少随热源移动，熔化和凝固随热源移动，熔化和凝固同时进行，搅拌作用有利同时进行，搅拌作用有利于得到性能好的焊缝于得到性能好的焊缝1.1.熔池中晶核的形成熔池

6、中晶核的形成自发形核自发形核非自发形核非自发形核熔池中的熔池中的现成表面现成表面合金元素或杂质的合金元素或杂质的悬浮质点悬浮质点。（在一般情况下所起作用不大）。（在一般情况下所起作用不大）熔合区附近加热到熔合区附近加热到半熔化状态半熔化状态的基体金属的基体金属晶粒表面晶粒表面。焊接时，为改善焊缝金属的性能，通过焊接材料加入一定量的焊接时，为改善焊缝金属的性能，通过焊接材料加入一定量的合金元素合金元素（如（如钼、钒、钛、铌钼、钒、钛、铌等），可以作为熔池等），可以作为熔池中非自发形中非自发形核的质点核的质点，从而使焊缝金属，从而使焊缝金属晶粒细化晶粒细化。（变质处理）。（变质处理）现成表面现成表

7、面熔池结晶的一般规律熔池结晶的一般规律1 1）以新生的晶核为核心，不断向焊缝中心成长。但长大的趋势）以新生的晶核为核心，不断向焊缝中心成长。但长大的趋势各不相同，有的一直长到焊缝中心，有的长到半途而停止。各不相同，有的一直长到焊缝中心，有的长到半途而停止。2 2）在一个晶粒内部晶胞具有相同的方位，称为）在一个晶粒内部晶胞具有相同的方位，称为“位向位向”。不同。不同的晶粒具有不同的位向，称为的晶粒具有不同的位向，称为各向异性各向异性。因此，在某一个方。因此，在某一个方向上的晶粒就最易长大。向上的晶粒就最易长大。3 3）当晶体的最易长大方向与最快散热的反方向相一致时，可优）当晶体的最易长大方向与最

8、快散热的反方向相一致时，可优先成长，可一直长至熔池的中心，形成粗大的柱状晶体。先成长，可一直长至熔池的中心，形成粗大的柱状晶体。4 4）有的晶体取向不利于生长，则晶粒的成长就停止下来。）有的晶体取向不利于生长，则晶粒的成长就停止下来。2.2.熔池中的晶核长大熔池中的晶核长大以上现象说明以上现象说明焊缝中柱状晶体的长大是有方向选择的焊缝中柱状晶体的长大是有方向选择的。1.1.熔池的熔池的结晶方向和结晶速度结晶方向和结晶速度对焊接质量有很大的对焊接质量有很大的影响，特别是对影响，特别是对裂纹、夹杂、气孔裂纹、夹杂、气孔等缺陷的形成等缺陷的形成影响更大。影响更大。2.2.晶粒的成长方向也是垂直晶粒的

9、成长方向也是垂直 于结晶等温面的。于结晶等温面的。3.3.如图所示，晶粒主轴的成如图所示，晶粒主轴的成 长方向与结晶等温面正交，长方向与结晶等温面正交，并且以弯曲的形状向焊缝并且以弯曲的形状向焊缝 中心成长。中心成长。熔池结晶的线速度熔池结晶的线速度 2.纯金属的结晶形态纯金属的结晶形态正的温度梯度：平面晶，生长缓慢（主要）正的温度梯度：平面晶，生长缓慢（主要）负的温度梯度：生长速度快，除主轴外，还有负的温度梯度：生长速度快，除主轴外，还有分枝，生成树枝晶（较少）分枝，生成树枝晶（较少）151.分类分类 结晶形态的不同，是由于金属的纯度和散热条件结晶形态的不同，是由于金属的纯度和散热条件的不同

10、所致。的不同所致。等轴晶（树枝晶）等轴晶（树枝晶）树枝晶树枝晶晶胞晶胞平面晶平面晶柱状晶柱状晶形态形态熔池结晶的形态熔池结晶的形态平面晶，高纯度的金属平面晶，高纯度的金属胞状晶胞状晶胞状树枝结晶胞状树枝结晶树枝状结晶树枝状结晶液相的内部形成的树枝晶液相的内部形成的树枝晶等轴晶等轴晶213.焊缝各部位结晶形态的变化焊缝各部位结晶形态的变化 焊缝各部位出现不同的结晶形态：平面晶、胞状晶、树枝焊缝各部位出现不同的结晶形态：平面晶、胞状晶、树枝状晶、等轴晶。状晶、等轴晶。焊缝焊缝 树枝状晶树枝状晶 熔合区熔合区 混晶混晶 熔合区熔合区 混晶混晶 HAZ HAZ 粗晶粗晶HAZ HAZ 细晶细晶 4.实

11、际焊缝凝固金属的组织形态实际焊缝凝固金属的组织形态 实际焊缝凝固金属的组织形态不实际焊缝凝固金属的组织形态不一定具有上述全部结晶形态，一般来一定具有上述全部结晶形态，一般来说由柱状晶和少量等轴晶构成。说由柱状晶和少量等轴晶构成。柱状晶柱状晶内：平面晶、胞状晶、树枝状内：平面晶、胞状晶、树枝状晶晶等轴晶等轴晶内：树枝晶内：树枝晶柱状晶柱状晶+少量等轴晶少量等轴晶24例例1：焊条电弧焊接凝固组织：焊条电弧焊接凝固组织Q235、14MnMoNbB钢钢25例例2：埋弧焊接凝固组织：埋弧焊接凝固组织Q235A钢钢改善一次结晶组织措施改善一次结晶组织措施三、焊缝结晶过程中的偏析三、焊缝结晶过程中的偏析 1

12、.偏析的定义偏析的定义 焊缝金属中焊缝金属中化学成分分布不均匀化学成分分布不均匀的现象称为的现象称为偏析偏析2.偏析的产生时间偏析的产生时间 主要产生在主要产生在一次结晶时一次结晶时 3.偏析的影响偏析的影响 1 1）偏析的化学成分分布不均导致）偏析的化学成分分布不均导致性能改变。性能改变。2 2）产生）产生裂纹、气孔、夹杂物裂纹、气孔、夹杂物等焊接缺陷等焊接缺陷 4.偏析的分类偏析的分类1）显微偏析显微偏析熔池一次结晶时，最先结晶的结晶中心金属最熔池一次结晶时，最先结晶的结晶中心金属最纯，后结晶部分含其它合金元素和杂质略高，最后纯，后结晶部分含其它合金元素和杂质略高，最后结晶部分，即结晶的外

13、端和前缘所含其它合金元素结晶部分，即结晶的外端和前缘所含其它合金元素和杂质最高。和杂质最高。在一个柱状晶粒内部和晶粒之间的化在一个柱状晶粒内部和晶粒之间的化学成分分布不均匀现象称为学成分分布不均匀现象称为显微偏析显微偏析。4.偏析的分类偏析的分类 1）显微偏析显微偏析 2）区域偏析区域偏析熔池一次结晶时，由于柱状晶体的不断长大和熔池一次结晶时，由于柱状晶体的不断长大和推移，会把杂质推移，会把杂质“赶赶”向熔池中心，使向熔池中心，使熔池中心的熔池中心的杂质含量比其它部位多，这种现象称为杂质含量比其它部位多，这种现象称为区域偏析区域偏析。焊缝的断面形状对区域偏析的分布影响很大。焊缝的断面形状对区域

14、偏析的分布影响很大。窄而深的焊缝，各柱状晶的交界在其焊缝的中心，窄而深的焊缝，各柱状晶的交界在其焊缝的中心，因此焊缝中心聚集有较多的杂质，见图因此焊缝中心聚集有较多的杂质，见图1a。这种焊。这种焊缝在其中心部位极易产生热裂纹。宽而浅的焊缝，缝在其中心部位极易产生热裂纹。宽而浅的焊缝，杂质则聚集在焊缝的上部，见图杂质则聚集在焊缝的上部，见图1b，这种焊缝具有，这种焊缝具有较高的抗热裂能力较高的抗热裂能力 4.偏析的分类偏析的分类 1）显微偏析显微偏析 2）区域偏析区域偏析 3）层状偏析层状偏析熔池在一次结晶的过程中，要不断地放出结晶潜熔池在一次结晶的过程中，要不断地放出结晶潜热，当结晶潜热达到一

15、定数值时，熔池的结晶就出现热，当结晶潜热达到一定数值时，熔池的结晶就出现暂时的停顿。以后随着熔池的散热，结晶又重新开始，暂时的停顿。以后随着熔池的散热，结晶又重新开始，形成周期性的结晶，形成周期性的结晶，伴随着出现结晶前沿液体金属中伴随着出现结晶前沿液体金属中杂质浓度的周期变动，产生周期性的偏析称为杂质浓度的周期变动，产生周期性的偏析称为层状偏层状偏析析。层状偏析集中了一些有害元素，因此层状偏析集中了一些有害元素，因此缺陷往往出缺陷往往出现在层状偏析中现在层状偏析中。由层状偏析所造成的气孔（。由层状偏析所造成的气孔（如下图如下图）。）。四、焊缝金属的二次结晶四、焊缝金属的二次结晶1.定义：定义

16、：一次结晶结束后一次结晶结束后,熔池就转变为固体的焊缝。熔池就转变为固体的焊缝。高高温的焊缝金属冷却到室温时温的焊缝金属冷却到室温时,要经过一系列的组织相要经过一系列的组织相变过程变过程,这种相变过程称为这种相变过程称为焊缝金属的二次结晶焊缝金属的二次结晶。焊缝金属的焊缝金属的固态相变过程固态相变过程即为焊缝金属的即为焊缝金属的二二次结晶。次结晶。2.2.低碳钢焊缝二次结晶组织性能低碳钢焊缝二次结晶组织性能魏魏氏氏组组织织 3.3.合金钢焊缝二次结晶组织性能合金钢焊缝二次结晶组织性能1.夹杂物夹杂物：五、焊缝中的夹杂物五、焊缝中的夹杂物 由焊接冶金反应产生的，焊后残留在焊缝由焊接冶金反应产生的

17、，焊后残留在焊缝金属中的微观非金属杂金属中的微观非金属杂 质，称为质，称为夹杂物。夹杂物。2.夹杂物种类夹杂物种类硫化物硫化物氧化物氧化物氮化物氮化物硫化亚铁和硫化锰硫化亚铁和硫化锰二氧化硅、氧化锰、氧化钛二氧化硅、氧化锰、氧化钛焊缝中很少出现（时效时可焊缝中很少出现（时效时可能出现能出现Fe4NFe4N析出）。析出）。1.焊缝金属的一次结晶焊缝金属的一次结晶2.焊接熔池一次结晶的特点和形态焊接熔池一次结晶的特点和形态 3.焊缝结晶过程中的偏析焊缝结晶过程中的偏析4.焊缝金属的二次结晶焊缝金属的二次结晶5.焊缝中的夹杂物焊缝中的夹杂物小小 结结（二）熔合区的化学不均匀性（二）熔合区的化学不均匀

18、性 整个焊接接头的薄弱环节。易出现缺陷，裂纹等。整个焊接接头的薄弱环节。易出现缺陷，裂纹等。1 1、熔合区的形成、熔合区的形成 半熔化过渡状态、半熔化过渡状态、热传播不均匀、晶粒的传热方向不同热传播不均匀、晶粒的传热方向不同 2 2、熔合区宽度、熔合区宽度 材料的液材料的液固温度范围、被焊材料自身的热物固温度范围、被焊材料自身的热物理性质和组织状态：理性质和组织状态：YTTTASL被焊金属的固相线温度被焊金属的固相线温度温度梯度温度梯度被焊金属的液相线温度被焊金属的液相线温度 低合金钢熔合区附近的温度梯度约为低合金钢熔合区附近的温度梯度约为3003008080o oC/mmC/mm，液固相线温

19、度差约，液固相线温度差约40 40 o oC C，因此，一般电弧，因此，一般电弧焊条件下，熔合区宽度为：焊条件下，熔合区宽度为：A=40/A=40/（3003008080）=0.133=0.1330.500.50（mmmm）奥氏体钢电弧焊：奥氏体钢电弧焊：A=0.06A=0.060.12mm0.12mm *熔合区的宽度对焊缝性能影响很大。由于焊接熔合区的宽度对焊缝性能影响很大。由于焊接工艺的因素，当熔合区宽度大时，焊缝的整体性能下工艺的因素，当熔合区宽度大时，焊缝的整体性能下降。如奥氏体不锈钢的熔合区宽度在降。如奥氏体不锈钢的熔合区宽度在0.1mm0.1mm时，对不时，对不锈钢焊接接头的抗腐蚀性影响不大；但当该宽度较大锈钢焊接接头的抗腐蚀性影响不大；但当该宽度较大，达到接近，达到接近1mm1mm时，则焊接接头的耐蚀性显著下降，时，则焊接接头的耐蚀性显著下降，甚或出现裂纹。甚或出现裂纹。3 3、熔合区的成分分布、熔合区的成分分布 成分严重不均匀成分严重不均匀性能下降性能下降 熔合区固液界面附近元素（溶质）的浓度分布熔合区固液界面附近元素（溶质）的浓度分布决定于该元素在固、液相中的扩散系数和分配系数。决定于该元素在固、液相中的扩散系数和分配系数。*异种钢焊接时，特别注意这一问题。很多焊接异种钢焊接时，特别注意这一问题。很多焊接接头的早期失效与此有关。接头的早期失效与此有关。