当前位置：文档之家 › 3.1 焊缝的成分、组织与性能

3.1 焊缝的成分、组织与性能

  • 格式：ppt
  • 大小：363.00 KB
  • 文档页数：34

下载文档原格式

  / 34

合集下载

金属材料焊接练习题库及答案

金属材料焊接练习题库及答案

金属材料焊接练习题库及答案一、判断题（共100题，每题1分，共100分）1、焊接是通过加热或加压 ,或两者并用,并且用或不用填充材料 ,使焊件达到原子结合的一种加工方法。

（）A、正确B、错误正确答案：A2、起重机械是指用于垂直升降或者垂直升降并水平移动重物的机电设备。

（）A、正确B、错误正确答案：A3、熔化极氩弧焊的供气系统和钨极氩弧焊不同。

（）A、正确B、错误正确答案：B4、螺柱焊焊接时,应保持焊枪与工件表面垂直。

( )A、正确B、错误正确答案：A5、低合金高强钢焊接时,适当提高预热温度和增加焊接线能量可以防止产生冷裂纹。

A、正确B、错误正确答案：A6、镍和铜可以无限互溶,所以镍铜合金不存在晶间腐蚀问题。

( )A、正确B、错误正确答案：A7、射线照相底片上的白色宽带表示焊缝,白色宽带中的黑色斑点或条纹就表示焊接缺陷。

（）A、正确B、错误正确答案：A8、等离子弧是压缩电弧。

( )A、正确B、错误正确答案：A9、采用接触引弧法是手工钨极氩弧焊最好的引弧方法。

( )A、正确B、错误正确答案：B10、电渣焊时熔化金属表面覆盖一层熔渣,因此氧化现象不严重。

( )A、正确B、错误正确答案：B11、工业纯钛可采用焊条电弧焊方法进焊接。

( )A、正确B、错误正确答案：B12、焊缝金属的力学性能和焊接热输入量无关。

（）A、正确B、错误正确答案：B13、“J422”是结构钢焊条牌号完整的表示方法,其中“42”表示焊缝金属的主要化学成分等级。

（）A、正确B、错误正确答案：B14、钨极氩弧焊接头起弧时, 应注意形成熔池后, 再填加焊丝。

( )A、正确B、错误正确答案：A15、奥氏体不锈钢主要的腐蚀形式是晶间腐蚀。

（）A、正确B、错误正确答案：A16、焊接时,焊接电流越大,越有利于熔渣的悬浮和分离,越不易产生夹渣,因此,焊接电流越大越好。

( )A、正确B、错误正确答案：B17、严禁在尚有压力的容器或管道上进行焊接。

焊接接头的组成

焊接接头的组成

1、焊接接头的组成，影响焊接接头组织和性能的因素。

（1）接头组成：包括焊缝、熔合区和热影响区。

（2）组织1）焊缝区接头金属及填充金属熔化后，又以较快的速度冷却凝固后形成。

焊缝组织是从液体金属结晶的铸态组织，晶粒粗大，成分偏析，组织不致密。

但是，由于焊接熔池小，冷却快，化学成分控制严格，碳、硫、磷都较低，还通过渗合金调整焊缝化学成分，使其含有一定的合金元素，因此，焊缝金属的性能问题不大，可以满足性能要求，特别是强度容易达到。

2）熔合区熔化区和非熔化区之间的过渡部分。

熔合区化学成分不均匀，组织粗大，往往是粗大的过热组织或粗大的淬硬组织。

其性能常常是焊接接头中最差的。

熔合区和热影响区中的过热区(或淬火区)是焊接接头中机械性能最差的薄弱部位，会严重影响焊接接头的质量。

3）热影响区被焊缝区的高温加热造成组织和性能改变的区域。

低碳钢的热影响区可分为过热区、正火区和部分相变区。

(1)过热区最高加热温度1100℃以上的区域，晶粒粗大，甚至产生过热组织，叫过热区。

过热区的塑性和韧性明显下降，是热影响区中机械性能最差的部位。

(2)正火区最高加热温度从Ac3至1100℃的区域，焊后空冷得到晶粒较细小的正火组织，叫正火区。

正火区的机械性能较好。

(3)部分相变区最高加热温度从Ac1至Ac3的区域，只有部分组织发生相变，叫部分相变区。

此区晶粒不均匀，性能也较差。

在安装焊接中，熔焊焊接方法应用较多。

焊接接头是高温热源对基体金属进行局部加热同时与熔融的填充金属熔化凝固而形成的不均匀体。

根据各部分的组织与性能的不同，焊接接头可分为三部分。

，在焊接发生熔化凝固的区域称为焊缝，它由熔化的母材和填充金属组成。

而焊接时基体金属受热的影响(但未熔化)而发生金相组织和力学性能变化的区域称为热影响区。

熔合区是焊接接头中焊缝金属与热影响区的交界处，熔合区一彀很窄，宽度为0．1～0．4mm。

（3）影响焊接接头性能的因素焊接材料焊接方法焊接工艺2、减少焊接应力常采用的措施有哪些？(1)选择合理的焊接顺序(2)焊前预热(3)加热“减应区”(4)焊后热处理3焊接变形的基本形式有哪些？消除焊接变形常用的措施有哪些？(1)焊接变形1)收缩变形2)角变形3)弯曲变形4)波浪形变形5)扭曲变形(2)措施1)合理设计焊接构件2)采取必要的技术措施①反变形法②加裕量法③刚性夹持法④选择合理的焊接顺序⑤采用合理的焊接方法4、为什么要对焊接冶金过程进行保护？采用的保护技术措施有哪些？焊接冶金过程特点：电弧焊时，被熔化的金属、熔渣、气体三者之间进行着一系列物理化学反应，如金属的氧化与还原，气体的溶解与析出，杂质的去除等。

焊缝组织特点

焊缝组织特点

焊缝组织特点
焊缝由焊缝金属和热影响区组成。

焊缝组织特点如下：
一、焊缝金属
焊接加热时，焊缝处的温度在液相线以上，母材与填充金属形成共同熔池，冷凝后成为铸态组织。

在冷却过程中，液态金属自熔合区向焊缝的中心方向结晶，形成柱状晶组织。

由于焊条芯及药皮在焊接过程中具有合金化作用，焊缝金属的化学成分往往优于母材，只要焊条和焊接工艺参数选择合理，焊缝金属的强度一般不低于母材强度。

二、热影响区
在焊接过程中，焊缝两侧金属因焊接热作用而产生组织和性能变化的区域。

金属熔焊原理 第二章 焊缝的组织和性能

金属熔焊原理 第二章 焊缝的组织和性能
熔焊时，母材上由熔焊的焊条金属与局部熔化的母材所 组成的具有一定几何形状的的液体金属叫熔池。如焊接时不 填充金属，则熔池仅由局部熔化的母材组成。
一、熔池的形状和尺寸
熔池的形状类似于不标准的半椭球，其轮廓为温度等于母材熔 点的等温面。
熔池的宽度和深度沿X轴连续变化。电流增加熔池的最大宽度（Bmax）略增， 最大深度（Hmax）增大；随电弧电压的增加， Bmax增大， Hmax减小。
接触过渡
自由过
渣壁过
图2-4 熔滴的重力和熔滴的表面张力示意图 图 2-5 通有同方向电流的两根导 线的相互作用力 F1 -熔滴的重力 F2-熔滴的表面张力
图2-6 磁力线在熔滴上的压缩作用 p —电磁压缩力
图2-7 斑点压力阻碍熔滴过渡 的示意图
2-8焊条药皮形成的套筒示意图
焊接熔池的形成
第二章
焊缝的组织和性能
第一节 焊条、焊丝及母材的熔化
第二节 焊缝金属的一次结晶
第三节 焊缝金属的二次结晶 第四节 焊缝组织和性能的改善
第一节 焊条、焊丝及母材的熔化
焊条金属的加热
1) 电阻热：焊接电流通过焊芯时产生的电阻 热。 2) 电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量。 3) 化学反应热：药皮部分化学物质化学反应 时产生的热量。
3、液态金属与母材交界处，运动受限制， 化学成分不均匀。
焊缝金属的熔合比
熔合比：熔焊时，局部熔化的母材在焊 缝金属中所占的百分比。
A——熔化的母材 B——填充金属
图2-11 不同接头形式焊缝横截面积的熔透情况
图2-12 接头形式与焊道层数对熔合比的影响 I－表面堆焊 II－V形坡口对接 III－U形坡口对接 （奥氏体钢、焊条电弧焊）
比表面积（S）：熔滴表面积（A）与其质量（ρV） 之比，即S=A/ρV 。 设熔滴是半径为R的球体，则S=3/ρR。 熔滴越细其熔滴比表面积越大，凡是能使熔滴变细 的因素，都能加强冶金反应。

第3章焊接接头的组织和性能

第3章焊接接头的组织和性能
第3章焊接接头的组织与性能 控制
第3章焊接接头的组织与性能控制
• 焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区三部分组成、熔池金属在经历了一系列化学冶金反应后，随着热源远离温 度迅速下降，凝固后成为牢固的焊缝,并在继续冷却中发生固态相变。熔合区和热影响区在焊接热源的作用下，也将 发生不同的组织变化，很多焊接缺陷，如气孔、夹杂物、裂纹等都是在上述这些过程中产生，因此,了解接头组织与 性能变化的规律，对于控制焊接质量、防止焊接缺陷有重要的意义。 • •
• •ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ• • • • •
• • • • • • • •
3.1.3焊缝金属的固态相变 1、熔池结晶组织与焊缝固相转变组织的关系 （1）焊缝结晶的一次组织和二次组织 熔池凝固后得到的组织通常叫做一次组织，大多数钢高温奥氏体.在凝固后的继续冷却 过程中，高温奥氏体还要发生固态相变,又称为二次结晶，得到的组织称为二次组织。 焊缝经过固态相变得到的二次组织即为室温组织。二次组织是在一次组织的基础上转 变而成，对焊缝金属的性能都有着决定性的作用。 （2）焊缝一次组织对二次组织的影响 焊缝金属经历了从液态冷到室温的全过程，其二次组织是在快冷的条件下所形成的逸 出结晶组织的基础上在连续冷却的条件下形成的。因此，焊缝的最终组织不仅与γ→α 转变有关，而且与凝固过程有关。焊缝在不平衡条件下得到的一次组织，直接影响继 续冷却时过冷奥氏体的分解过程及分解产物。 1）焊缝一次组织组织粗大，影响焊缝对二次组织的晶粒度的大小，同时为产生魏氏 体创造了前提。 2）焊缝的偏析在熔池一次结晶时产生，对二次组织和性能产生影响。 2、焊缝金属固相转变 焊缝金属的固态相变遵循一般钢铁固态相变的基本规律。一般情况下，相变形式 取决于焊缝金属的化学成分与连续冷却过程的冷却速度。 1低碳钢焊缝的固态相变 材料极缓慢的冷却条件下，由铁碳合金状态图可知，在平衡状态下低碳钢的低碳钢其 中铁索体约占82％，珠光体约占18％ ，其硬度约为83 HB。 （1）焊缝的固态相变过程 熔池凝固后，全部变成A,继续冷却，冷至Ac3线A→A+F至Ac1线，剩余的A→P低碳钢 焊缝金属二次结晶结束时，其组织为F+ P。

焊接结构生产习题及答案

焊接结构生产习题及答案

一、填空题1．将加工好的零、部件，采用适当的工艺方法，按生产图样和技术要求连接成部件或整个产品的工艺过程，称为（）。

装配2．焊接生产中常用热处理法来消除焊接残余应力，常用的热处理方法有（）和局部热处理。

整体热处理3．板厚小于6mm的薄板焊接时，易发生（）变形。

波浪变形4．焊接应力按产生的原因分为热应力、相变应力和（）。

塑变应力5．焊接结构装配的三个基本条件是（）、夹紧和测量。

定位6．焊接接头的基本形式有四种：（）、（）、T形接头和角接接头等。

对接接头；搭接接头7．焊接变形有五种基本形式有（）、（）、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形。

收缩变形；角变形8．焊接接头的两个基本属性是（）和（）。

不均匀性；应力集中10．焊接时加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位（称）使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，起到减小焊接残余应力的作用，此法称为（）。

加热减应区法11．焊接结构生产中常见的测量项目有（）、平行度测量、垂直度测量、同轴度测量和角度测量。

线性尺寸的测量12．钢材除锈有时用化学除锈法，化学除锈法一般分为（）和碱洗法。

酸洗法13．矫正焊接变形的方法有手工矫正法、机械矫正法和（）。

火焰加热矫正14．焊接结构的疲劳强度，在很大程度上决定于构件中的（）情况。

应力集中15．刚性固定法、反变形法主要用来预防焊接梁焊后产生的（）变形和（）变形。

弯曲；角16.调节焊接应力的主要措施有（）措施、（）措施、焊后（）措施。

设计、工艺、热处理17．对接接头静载强度计算时，不考虑焊缝（）。

余高18．根据应力作用方向，焊接应力可分为（）向应力和（）向应力。

纵；横19．影响弯曲变形的主要因素是压缩塑性变形区的（）、焊缝（）、焊件（）。

宽度；位置；刚性20.角变形与焊接（），接头（），坡口（）等因素有关。

参数；形式；角度21.火焰加热矫正法常用的加热方式有（）加热、（）加热、和（）加热三种形式。

点状；线状；三角形22．反变形法主要用来消除焊件的（）变形和（）变形。

《钢结构设计原理》3-1 钢结构的连接-焊缝连接

埋弧焊所用焊丝和焊剂应与主体金属强度相适应， 即要求焊缝与主体金属等强度。
3. 气体保护焊
气体保护焊是利用二氧化碳气体或其他惰性气体 作为保护介质的一种电弧熔焊方法。
直接依靠保护气体在电弧周围造成局部的保护层， 以防止有害气体的侵入并保证了焊接过程中的稳 定性。
气体保护焊的焊缝熔化区没有熔渣，焊工能够清 楚地看到焊缝成型的过程；由于保护气体是喷射 的，有助于熔滴的过渡；又由于热量集中，焊接 速度快，焊件熔深大，故所形成的焊缝强度比手 工电弧焊高，塑性和抗腐蚀性好，适用于全位置 的焊接。但不适用于在风较大的地方施焊。
3.4.1 角焊缝的构造要求
4 侧面角焊缝的最大计算长度 侧面角焊缝在弹性阶段沿长度方向受力不均匀，两端 大中间小。焊缝越长，应力集中越明显。
若焊缝长度适宜，两端点处的应力达到屈服强度后， 继续加载，应力会渐趋均匀。
若焊缝长度超过某一限值时，有可能首先在焊缝的两 端破坏，故一般规定侧面角焊缝的计算长度
A、B级精制螺栓是由毛坯在车床上经过切削加 工精制而成。表面光滑，尺寸准确，对成孔质量 要求高。有较高的精度，因而受剪性能好。制作 和安装复杂，价格较高，已很少在钢结构中采用
C级螺栓由未经加工的圆钢压制而成。螺栓表面 粗糙，一般采用在单个零件上一次冲成或不用钻 模钻成设计孔径的孔(II类孔)。
螺栓孔的直径比螺栓杆的直径大1.5~2mm。螺栓 杆与螺栓孔之间有较大的间隙，受剪力作用时， 将会产生较大的剪切滑移，连接的变形大。安装 方便，且能有效地传递拉力，可用于沿螺栓杆轴 受拉的连接中，以及次要结构的抗剪连接或安装 时的临时固定。
3.4.1 角焊缝的构造要求
3 角焊缝的最小计算长度 焊脚尺寸大而长度较小时，焊件的局部加热严重，焊缝 起灭弧所引起的缺陷相距太近，以及焊缝中可能产生的 其他缺陷(气孔、非金属夹杂等)，使焊缝不够可靠。 搭接连接的侧面角焊缝，如果焊缝长度过小，由于力线 弯折大，会造成严重应力集中。

双相不锈钢焊接知识

2)具有良好的抗点蚀和缝隙腐蚀性能，优于奥氏体不锈钢； 3)有良好的耐腐蚀疲劳和耐磨损腐蚀性能；
4)综合力学性能好。有较高的强度（包括疲劳强度），屈服强度 是普通Cr-Ni奥氏体不锈钢的2倍；
5)焊接性好，热裂倾向小。一般不需要焊前预热和焊后热处理，
可与18-8型奥氏体不锈钢及碳钢进行异种钢焊接； 6) 低铬（ωCr18%）的双相不锈钢热加工温度范围比 18-8 型奥氏
例如：700℃下冷速为70℃/s时， 含N量0.130%的钢，HAZ中α含量达85%； 含N量0.396%的钢，HAZ中α含量仅43%。仍能保持满意的
力学性能和耐腐蚀性能。
Φ（α）为85%
Φ（α）为43%
不同N含量双相不锈钢的HAZ组织
结论： 含 N 量较高的双相不锈钢采用低热输入的焊接
工艺，不会对HAZ 组织产生不良影响，且无需进行焊后固 溶退火处理。
σ相析出 双相不锈钢焊接接头有析出σ相脆化的可能,σ相是铬和铁的金属间化合 物,它的形成温度范围600~1 000℃。不同钢种形成σ相的温度不同,如 00Cr18Ni5Mo3Si2钢在800~900℃,而双相不锈钢00Cr25Ni7Mo3CuN在 750~900℃形成, 850℃最敏感。形成σ相需经一定的时间，一般1~2min萌生， 3~5min σ相增多并长大，因此，焊接时应采用小热量输入,快速冷却。消除 应力处理时,采用较低的温度,如550~600℃为宜。这样可以防止σ相的产生。
根据成分和PREN值分类： ⑴ 低 合 金 型 ， 23%Cr 无 Mo 双 相 不 锈 钢 ： Cr:23% Ni:4% N:0.1-0.2% Mo:3% N:0.14-0.17% PREN=24～25 PREN=30～36 ⑵ 中 合 金 型 ， 22%Cr 标 准 双 相 不 锈 钢 ： Cr:22% Ni:5-5.5% ⑶ 高 合 金 型 ， 25%Cr+(0-2.5%)Cu 双 相 不 锈 钢 ： Cr:25-27% Ni:4-7% Mo:1.5-3.3% N:0.15-0.25% PREN=32～40 ⑷ 25%Cr超级双相不锈钢：Cr:25-26% Ni:6-7% Mo:3.5-4% N:0.25-0.28% PREN>40

焊接接头的组织和性能课件

搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊是一种新型的固相焊接技术，具有低热输入、低变形、 无裂纹等优点，适用于铝合金、镁合金等轻质材料的焊接。
电子束焊接
电子束焊接具有高能量密度、深穿透、高精度等优点，适用于难熔金 属、复合材料等特殊材料的焊接。
高性能焊接接头的设计与制备
1 2
材料选择与匹配
根据材料的物理和化学性质，选择合适的母材和 填充材料，以提高焊接接头的性能。
实验研究
通过实验研究，测试焊接接头的 力学性能、耐腐蚀性能和疲劳性 能等，为实际应用提供依据。
THANKS。
04
环境因素对耐腐蚀性的 影响：如温度、湿度、 氧气浓度等。
04
焊接接头的影响因素
焊接工艺参数的影响
焊接电流
电流大小影响熔深和焊接速度。电流过大可能导致热影响 区扩大，焊接变形增大；电流过小则可能造成未熔合、未 焊透等缺陷。
电弧电压
电弧电压主要影响焊缝的宽度和余高。电压过高可能导致 焊缝宽而低，反之则窄而高。
焊接接头的无损检测技术
超声检测
利用超声波在材料中传播的特性，检测焊接接头 内部的缺陷和异常。
射线检测
通过X射线或γ射线的穿透和成像，检测焊接接头 内部的缺陷和异常。
磁粉检测
利用磁粉在磁场中的吸附特性，检测焊接接头表 面的裂纹和缺陷。
焊接接头的质量评估与改进
质量评估
根据无损检测和力学性能试验的结果，对焊接接头质量进行评估 ，确定是否满足设计要求和使用条件。
焊接工艺优化
通过调整焊接参数，如电流、电压、焊接速度等 ，优化焊接工艺，提高焊接接头的质量。
3
热处理与后处理
适当的热处理和后处理可以改善焊接接头的组织 和性能，进一步提高其力学性能和耐腐蚀性。

焊接基础知识


在焊接时，使气体介质电离的方式主要有热电离、电场 作用下的电离、 光电离。 (1) 热电离 气体粒子受热的作用而产生的电离称为热电离。 温度越 高，热电离作用越大。 (2) 电场作用下的电离 带电粒子在电场的作用下，各作定向高速运动，产生较 大的动能，并不断与中性粒子相碰撞，不断地产生电离， 两电极间的电压越高，电场作用越大，则电离作用越强烈。 (3) 光电离 中性粒子在光辐射的作用下产生的电离，称为光电离。
(3) 角 接 接 头 两 焊 件 端 面 间 构 成 大 于 30° 、 小 于 135°夹角的接头，称为角接接头。角接接头承载能力较 差，一般用于不重要的结构中。
角接接头
a) I 形坡口 b) 单边 V 形坡口 c) 带钝边 V 形坡口 d) 带钝边双单边 V 形坡口
(4) 搭接接头
2个焊件部分重叠构成的接头称为搭接接头。
焊接时，根据阴极吸收能量的方式不同，所产生的电子发 射有以下几类： (1) 热发射 焊接时，阴极表面的温度很高，使阴极内部 的电子热运动速度增加，当电子的动能大于其逸出功时，电子 即冲出阴极表面而产生热电子发射。 (2) 电场发射 当阴极表面外部空间存在强电场时，电子 可获得足够的动能克服正电荷对它的静电引力，从阴极表面发 射出来ꎮ 两极间电压越高，则电场发射作用越大。 (3) 撞击发射 高速运动的正离子撞击阴极表面时，将能 量传递给阴极而产生电子发射的现象，称为撞击发射。电场强 度越大，在电场中正离子运动速度越快，产生撞击发射的作用 也越强烈。
a) 不开坡口
搭接接头形式 b) 圆孔塞焊缝 c) 长孔槽焊缝
(5) 坡口的选择原则 上述各种接头形式在选择坡口形式时，应尽量减少焊 缝金属的填充量，便于装配和保证焊接接头的质量，因此 应考虑下列几条原则： 1) 保证焊件焊透； 2) 坡口的形状容易加工； 3) 尽可能节省焊接材料，提高生产率； 4) 焊接后焊件变形尽可能小。
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
ห้องสมุดไป่ตู้
• 不考虑焊接冶金反应的焊缝成分计算 x w
0
焊缝中某种元素的浓度为
x w
0
x w
0
d x b 1 d
母材中该元素的浓度
x d
x b
x d
焊接材料中该元素的浓度
• 焊缝实际成分
x w
因为焊接冶金反应，焊材中的合金元素会 有一定量的损失，熔池中熔化的母材也会 有烧损。故有元素的过渡系数μ
焊缝的组织
• 焊缝是由熔池凝固结晶形成的； • 焊缝形成后还会发生固态相变； • 焊缝的组织由熔池的凝固结晶过 程和焊缝的固态相变过程决定。
熔池结晶的特点
熔池的体积小，冷却速度大 在一般电弧焊条件下，熔池的体积最大 只有30cm3, 质量不超过100g，冷却速度平均 为4~100℃/s。 因此，对于含碳量高、含合金元素较多 的钢种，易产生淬硬组织。由于冷却很快， 温度梯度大，使焊缝中柱状晶得到很大的发 展。 1.

x w x w
0
x w
d x b 1 d

x d
凡是对氧亲合力大的元素， μ则小。 1800 ℃时各元素对氧的亲合力顺序为：
Al-Zr-Mg-C-B-Ti-Si-V-Mn-Nb-Cr-Fe-Mo-W-P-S-Co-Ni-Cu
活性元素 惰性元素
EBW
3）层状偏析
• 由于在熔池凝固中放出的结晶潜热和高温熔滴的过 渡周期性的变化，使得凝固界面的液体金属成分也 发生周期性的变化，因而造成了所谓层状偏析 ； • 层状偏析常集中了一些有害的元素，如碳、硫、磷 等，因而容易在偏析层出现焊接缺陷 。
气孔
焊缝金属的显微组织与性能
熔池各部位成分过冷不同，凝固形态也有所不同
熔池金属结晶的形态 熔池凝固以非自发晶核为主 • 合金元素或杂质的悬浮质点 为了细化焊缝晶粒，有时在焊接材料中加 入一定的合金元素，如Mo、V、Ti、Nb等， 作为非自发晶核质点。 交互结晶 熔合区半熔化晶粒表面，在此表面上非自 发形核，形成所谓交互结晶，或称联生结 晶。
•
联生结晶
• 焊缝中的晶体形态主要是柱状晶和少量的 等轴晶。结晶形态的不同，是由于金属的 纯度和散热条件的不同所致。 • 合金结晶时，由于成分过冷，在过冷度不 是很大的情况下就可出现树枝状晶。 • 根据成分过冷理论，熔池结晶可能出现以 下五种形态。
凝固形态对焊缝的力学性能有很大的影响。粗大的 柱状晶会降低焊缝金属的强度和韧性。
细晶
粗晶
ak
粗大柱 状晶
温度
低碳钢焊缝晶粒大小对冲击韧性的影响
改善凝固组织，防止粗晶的主要措施
• 变质处理 焊接时，通过焊接材料向熔池中加入某些 能细化晶粒的合金元素，如Nb、V、Ti、B、 Mo、Re等，可使焊缝晶粒细化，提高强度和 韧性以及抗裂性能。 • 振动凝固 通过振动熔池可以破坏成长的晶粒，达到 细化晶粒的目的。振动的方式主要有低频机 械振动、高频超声振动和电磁振动等。
• 影响焊缝成分的因素
– 熔合比d d∝ I
d
v
– 通过焊丝、焊剂（药 皮）、母材渗合金时， 合金元素的过渡系数是 不同的，依次为：
母材、焊丝、焊剂（药皮）
I
v
– 焊缝成分的变化，常常是有益元素的烧损，有害杂 质的增多 如：Ｍn、Si、C↓ N↑27倍、Ｏ↑9倍、Ｈ↑1～2倍 – 焊接方法及焊接工艺规范 电弧气氛的氧化性，保护气体，规范参数I、U、v 如：I↑烧损↑， 埋弧焊Ｉ从150↑180A，则[Mn]w从0.57%↓0.40%
4）树枝状晶
当成分过冷进一步增大时， 即温度梯度G，与实际结 晶温度T相交的面积很大 时，在一个晶体内除产生 一个很长的主干之外，还 向四周伸出二次横枝，因 而形成了明显的树枝结晶。
5）等轴晶
当液相中的温度梯度G很小，能在液相中形成很宽的 成分过冷区，此时不仅在结晶前沿形成树枝晶，同 时也能在液相内部生核，产生新的晶粒，这些晶粒 的四周不受阻碍，可以自由生长，形成等轴晶。
T
实际温度 实际结晶 温度
x
2）胞状晶
当温度梯度G与实际结晶 温度T相交较少时，即具 有较小的成分过冷，便出 现胞状结晶。此时因平面 结晶界面处于不稳定状态， 凝固界面长出许多平行束 状的芽胞伸入过冷液体内， 断面是六角形的胞状结晶 形态，如同蜂窝状。
3）胞状树枝晶
当成分过冷稍大时，界面上 凸起部分能够深入液体内部 较长的距离。与此同时，凸 起部分也向周围排出溶质， 于是在横向也产生了成分过 冷，这时从主干向横向伸出 短小的二次横枝形成树枝晶。 但由于主干的间距较小，所 以二次横枝也比较短，这样 就形成了特殊的胞状树枝晶。
影响结晶形态的主要因素有合金中溶质的浓 度C0(成分过冷)、晶粒长大速度R(结晶速度)、 和液相中的温度梯度G 等轴晶
溶质浓度
等轴晶
柱 状 晶
平面晶
G R
焊缝金属中的化学不均匀性
由于熔池结晶过程中，冷却速度很 大，合金元素来不及扩散均匀，带来了 焊缝金属化学成分的不均匀性，即出现 所谓偏析现象。 • 显微偏析 • 区域偏析 • 层状偏析
3 焊接接头的 组织及性能
3.1 焊缝的成分、组织与性能
• 熔池 • 焊缝的成分 • 焊缝的组织 • 焊缝的性能
熔池的形状
熔池的形状和尺寸 与焊接规范有关。
L
L P2 q P2U I
P2:比例常数；
q: 电弧功率
q=IU
Hmax
Bmax
• 提高焊接电流，熔池的最大熔深 Hmax增加，最大宽度Bmax减小； • 提高焊接电压，熔池的最大熔深 Hmax减小，最大宽度Bmax增加；
I A m M
2）区域偏析
• 在焊缝凝固时，由于柱状 晶不断长大推移，把溶质 和杂质推向熔池的中心部 位，使最后凝固部位产生 较严重的区域偏析。 • 在焊速较大时，成长的柱 状晶最后都在焊缝中心附 近相遇，使焊缝中心出现 溶质和杂质的偏析，在焊 接应力作用下，将会导致 焊缝纵向裂纹的产生。
SMAW
成分过冷constitutional supercooling
因合金的选 分结晶，已 结晶的固体 前沿低熔点 物质多，造 成成分过冷。
T
实际温度 实际结晶 温度
x
1）平面晶
当液相温度高于固相温度，温度梯度G很 大时，G不与实际结晶温度线T相交，因此不 出现成分过冷现象。此时结晶所释放的热量 向界面后方的固体散去，使结晶界面缓慢地 向前推移，结晶呈平面形态，称为平面晶。 这种平面结晶多发生在高纯度的焊缝金属， 如纯铌板氩弧焊。
1）显微偏析
• 焊缝金属在凝固过程中，先凝固的固相含 溶质浓度较低，后凝固的固相含溶质浓度 较高，并富集了许多杂质。 • 当焊缝的凝固呈胞状晶长大时，在胞状晶 体的中心溶质浓度最低，而在胞状晶相邻 的边界上，溶质浓度最高。
当固相呈树枝晶长大时，先凝固的树干含溶质 的浓度最低，后凝固的树枝含溶质浓度稍低，最后凝 固部分，也就是相邻树枝晶间的晶界上，溶质浓度最 高。是含有镍铬的合金结构钢枝枝晶内不同部位的镍、 铬和锰的分布。 m表示树枝中心，I表示树枝区域，A和M表示树 枝晶的晶界。
焊缝的成分
• 熔合比
的比例 局部熔化的母材金属在焊缝金属中所占
d
Fb Fb F d
Fd
deposited metal
d不同时，即使采用 相同的焊材，焊缝的 成分亦不相同
base metal
Fb
通常填充金属的成分与母 材是不同的，特别是在异种接 头或合金堆焊时。当堆焊金属 的合金成分主要来自于填充金 属时，局部熔化的母材在焊缝 中的效果可认为是稀释。故熔 合比又称稀释率。
熔池中的液态金属处于过热状态 对于低碳钢或低合金钢来讲，在一般电 弧焊条件下，熔池的平均温度可达 1700±100℃ ， 而 熔 滴 温 度 更 高 ， 为 2300±200℃。由于液态金属的过热度较大， 合金元素的烧损比较严重，熔池非自发晶核 的质点大为减少，也促使焊缝柱状晶的发展。 2.
熔池在运动状态下凝固 在热源作用下，熔池的前半部熔化的同 时，熔池的后半部开始凝固。同时，熔池是 随着焊接热源一起运动的。此外，在焊接条 件下，熔池在各种力的作用下被搅拌，这对 于排除气体、夹杂及焊缝成分均匀化都是有 利的。 3.