焊池凝固和焊缝固态相变.pptx

1焊接原理焊接原理第三章第三章 焊池凝固和焊缝固态相变焊池凝固和焊缝固态相变主要内容1 熔池凝固 p116131 Weld pool solidification2 焊缝固态相变 p132141 Weld solid phase transition3 焊缝中的气孔和夹杂 p1421504 焊缝性能的控制 p151160材料成型及控制工程材料成型及控制工程 0707、0708班班08040806班，班，09040906班班2熔池的形状半个双椭球模型3第一节 熔池凝固一、熔池的凝固条件和特点1 焊接熔池体积小，冷却速度高；焊接熔池体积小，冷却速度高；一般小于一般小于100g，或，或30cm3，平均，平均4100 /s，约为铸造的，约为铸造的104。2 焊接熔池的液态金属处于过热状态焊接熔池的液态金属处于过热状态一般钢材熔池温度平均一般钢材熔池温度平均1770 100熔池边界的温度梯度比铸造时高熔池边界的温度梯度比铸造时高103 104倍。倍。3 熔池在运动状态下结晶熔池在运动状态下结晶结晶前沿随热源同步运动结晶前沿随热源同步运动液态金属受到各种力的搅拌运动液态金属受到各种力的搅拌运动熔池金属存在对流运动熔池金属存在对流运动在运动状态下凝固，凝固速度高，常比铸造的高在运动状态下凝固，凝固速度高，常比铸造的高10100倍。倍。（4 熔池界面的导热条件好）熔池界面的导热条件好）4二、熔池结晶的一般规律（一）熔池中晶核的形成（一）熔池中晶核的形成生成晶核的两个条件：生成晶核的两个条件：热力学：过冷度热力学：过冷度使得系统自由使得系统自由能降低能降低动力学：系统自由能降低的程度动力学：系统自由能降低的程度自发晶核和非自发晶核自发晶核和非自发晶核自发晶核所需能量：自发晶核所需能量：非自发晶核所需能量：非自发晶核所需能量：图图-5研究已证明：研究已证明：焊接熔池结晶，非自发晶核起主要作用焊接熔池结晶，非自发晶核起主要作用=0180，能量比，能量比=Ek/Ek=01能量比能量比=0，大量质点成为现成表面，大量质点成为现成表面能量比能量比=1，无现成表面，无现成表面角的大小，取决于新相晶核与现成表面间的表面张力。角的大小，取决于新相晶核与现成表面间的表面张力。两者晶体结构相似（两者晶体结构相似（类型、常数），两者类型、常数），两者间的表面张力就越小。间的表面张力就越小。焊接熔池有两种现成表面：焊接熔池有两种现成表面：合金元素或杂质质点作用较小合金元素或杂质质点作用较小半熔化态的晶粒表面主导作用半熔化态的晶粒表面主导作用,外延结晶、联生结晶外延结晶、联生结晶图图3-4，3-56联生结晶或外延结晶：联生结晶或外延结晶：从熔池边界半熔化的母材开始生长从熔池边界半熔化的母材开始生长非均质形核非均质形核主要为柱状、枝状晶形态主要为柱状、枝状晶形态外延结晶示意图7（二）熔池中的晶核长大（二）熔池中的晶核长大择优生长择优生长晶粒的位向不同；散热方向晶粒的位向不同；散热方向优先条件？优先条件？不利的晶粒位向，其生长将被抑制不利的晶粒位向，其生长将被抑制晶粒的生长情况还与其他因素有关：晶粒的生长情况还与其他因素有关：ElEl、焊缝的位置、搅拌如何、振动？、焊缝的位置、搅拌如何、振动？8择优生长择优生长当母材金属（当母材金属（Fe,Ni,Fe,Ni,Cu,AlCu,Al）晶粒取向）晶粒取向与导热最快的方向（温度与导热最快的方向（温度梯度梯度G G最大）一致时，垂最大）一致时，垂直熔池边界时，晶粒生长直熔池边界时，晶粒生长最快而优先长大。最快而优先长大。常规速度焊接较高速度焊接9高低速焊接的焊缝高低速焊接的焊缝TIG，99.96 w%Al1M/min0.25M/min源于Welding Metallurgy(Kou,2002)10三、熔池结晶线速度柱状晶体的成长：柱状晶体的成长：一般讲，熔池晶粒生长的主轴是弯曲的；图一般讲，熔池晶粒生长的主轴是弯曲的；图3-73-7与焊接速度有密切关系，图与焊接速度有密切关系，图3-83-8公式推导公式推导11结晶线速度：焊接速度一定，主要取决于焊接速度一定，主要取决于cos：cos又决定于焊接规范和材料热物性又决定于焊接规范和材料热物性定性推导：定性推导：公式公式3-5 厚板表面快速堆焊厚板表面快速堆焊公式公式3-6 薄板上自动焊接薄板上自动焊接看出问题：看出问题：1、晶粒生长定平均线速度是变化的；、晶粒生长定平均线速度是变化的；2、工艺参数对生长方向和平均线速度均有影响、工艺参数对生长方向和平均线速度均有影响3、还有，结晶潜热、周期性、成分不均匀性、元素扩散等诸、还有，结晶潜热、周期性、成分不均匀性、元素扩散等诸多因素相关！多因素相关！12四、熔池结晶的形态熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，成分过冷的分熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，成分过冷的分布不同，形成的晶体亦不同；布不同，形成的晶体亦不同；焊缝晶体的主要形态是：柱状晶和少量等轴晶。焊缝晶体的主要形态是：柱状晶和少量等轴晶。仔细观察还可发现：柱状晶或等轴晶内部还有亚晶结构：仔细观察还可发现：柱状晶或等轴晶内部还有亚晶结构：平面晶、胞晶、树枝状晶等。平面晶、胞晶、树枝状晶等。（一）纯金属的结晶形态：无成分变化，恒温凝固；（一）纯金属的结晶形态：无成分变化，恒温凝固；正温度梯度：正温度梯度：G0,平面晶的生长条件平面晶的生长条件负温度梯度：负温度梯度：G0，树枝状晶的生长条件，树枝状晶的生长条件13金属凝固的四种基本形态源于Welding Metallurgy(Kou,2002)14（二（二)固溶体合金的结晶形态固溶体合金的结晶形态工业纯金属也是合金热过冷热过冷结晶动力结晶动力结晶温度与成分有关：先结晶的成分更纯，使溶质聚结晶温度与成分有关：先结晶的成分更纯，使溶质聚集在固液界面的前沿。集在固液界面的前沿。成分过冷固液界面处成分起伏而造成的过冷。固液界面处成分起伏而造成的过冷。成分过冷的程度不同，结晶形态各异15定向凝固-溶质再分配-成分过冷16成分过冷的程度与结晶形态的变化成分过冷的程度与结晶形态的变化从从 a d，成分过冷增加成分过冷增加源于Welding Metallurgy(Kou,2002)17（三）成分过冷条件对结晶形态的影响（三）成分过冷条件对结晶形态的影响1、温度梯度温度梯度G0，平面结晶，图，平面结晶，图3-182、温度梯度、温度梯度G与实际结晶温度与实际结晶温度T有少量相交，有少量相交，胞状结胞状结晶，图晶，图3-203、GT相交较大，相交较大，胞状树枝结晶，图胞状树枝结晶，图3-224、GT相交很大，相交很大，树枝状结晶，图树枝状结晶，图3-245、两线平行，等轴结晶，图、两线平行，等轴结晶，图3-26冷却条件和结晶形态比对冷却条件和结晶形态比对181、温度梯度温度梯度G0，平面结晶，平面结晶192、温度梯度、温度梯度G与实际结晶温度与实际结晶温度T有少量相有少量相交，交，胞状结晶胞状结晶20GT相交较大，相交较大，胞状树枝结晶胞状树枝结晶214、GT相交很大，相交很大，树枝状结晶树枝状结晶225、两线平行，等轴结晶、两线平行，等轴结晶23（四）焊接条件下的结晶形态熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，成分过冷的分布不同，焊熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，成分过冷的分布不同，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。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。非平衡结晶非平衡结晶1、成分的影响、成分的影响2、焊接速度的影响、焊接速度的影响3、焊接电流的影响、焊接电流的影响24焊缝中的等轴晶焊缝中的等轴晶源于Welding Metallurgy(Kou,2002)25线能量对过冷河结晶形态的影响源于Welding Metallurgy(Kou,2002)26（例）脉冲电弧焊下的等轴晶27（例）电子束焊缝中的结晶电子束单晶电子束单晶合金焊缝中合金焊缝中的柱状晶和的柱状晶和等轴枝晶等轴枝晶28五、焊缝金属的化学成分不均匀性偏析：凝固后微观到宏观尺度上化学成分的不均匀叫偏析：凝固后微观到宏观尺度上化学成分的不均匀叫。偏析的主要原因是冷却速度快，来不及扩散造成的。偏析的主要原因是冷却速度快，来不及扩散造成的。偏析可分为两类：即微观偏析和宏观偏析。偏析可分为两类：即微观偏析和宏观偏析。microscopic segregationgross segregation 微观偏析：微观偏析：范围约范围约1/101/10 000cm数量级；有胞状、枝晶和晶界偏析；组织数量级；有胞状、枝晶和晶界偏析；组织受化学试剂腐蚀时才显露出来。受化学试剂腐蚀时才显露出来。宏观偏析：范围宏观偏析：范围 达达cm m数量级。数量级。宏观偏析按其性质和形状可分为：正、逆、宏观偏析按其性质和形状可分为：正、逆、V、逆、逆V、带、密度、带、密度、区域和层状偏析等。区域和层状偏析等。29（一）焊缝中的化学不均匀性（一）焊缝中的化学不均匀性焊缝中的偏析主要有三种情况焊缝中的偏析主要有三种情况:显微偏析显微偏析区域偏析（属于宏观偏析）区域偏析（属于宏观偏析）层状偏析（属于宏观偏析）层状偏析（属于宏观偏析）1、显微偏析特点显微偏析特点晶界偏析：胞晶、枝晶的晶界溶质浓度最高；晶界偏析：胞晶、枝晶的晶界溶质浓度最高；枝晶偏析大于胞晶偏析；枝晶偏析大于胞晶偏析；细晶偏析大于粗晶偏析；细晶偏析大于粗晶偏析；30微观偏析可以消除：微观偏析可以消除：方法：在低于固相线100200之间，较长时间保温均匀化退火。312、宏观偏析之、宏观偏析之区域区域偏析最后凝固的区域如焊缝中心地带，会出现大量的最后凝固的区域如焊缝中心地带，会出现大量的偏析；这是焊缝中心纵向热裂纹的根源。与工艺规范有关：与工艺规范有关：偏析的结果：低熔点共晶聚集323、宏观偏析之、宏观偏析之层状层状偏析层状层状偏析a）手工电弧焊接头）手工电弧焊接头 b）电子束焊接接头）电子束焊接接头333、宏观偏析之、宏观偏析之层状层状偏析经过用放射性同位素S35对焊缝中元素分布规律的实验观察，认为：周期性的热作用是周期性的热作用是层状层状偏析的主要原因。主要原因。晶体生长速度与溶质浓度有关C0 溶质的平均浓度图中的气孔有夸张分布也难寻xq34（二）熔合区的化学不均匀性1、熔合区的形成半熔化区的晶粒熔化不均匀2、熔合区的宽度取决于L-S温度范围、热物理性能和组织有公式描述：试算：温度梯度30080/mm；液固相温差40：A=？353、熔合区的成分分布严重的化学不均匀性，薄弱地带原因之一；36第二节 焊缝固态相变 （低碳和低合金钢非平衡固态相变）一、低碳钢焊缝的固态相变组织一、低碳钢焊缝的固态相变组织主要是：主要是：F+P少量少量F常在原奥氏体晶界析出，其晶粒大，甚至会有魏常在原奥氏体晶界析出，其晶粒大，甚至会有魏氏组织。氏组织。魏氏组织特征：魏氏组织特征：F在奥氏体晶界网状析出，也可以在奥氏体晶界网状析出，也可以从奥氏体晶粒内沿一定晶向析出。从奥氏体晶粒内沿一定晶向析出。图图3-41魏氏组织出现在过热的焊缝中。魏氏组织出现在过热的焊缝中。多层焊接或焊后热处理可消除粗大柱状晶，得细小多层焊接或焊后热处理可消除粗大柱状晶，得细小F+P少量，少量，在在A3+2030即可，如图即可，如图3-42注意再加热的温度对焊缝韧性的影响图注意再加热的温度对焊缝韧性的影响图3-4337相同成分，冷却速度对组织性能的影响相同成分，冷却速度对组织性能的影响HV16516718519520522838二、低合金钢焊缝的固态相变组织低合金钢焊缝的固态相变组织因成分增加，出现了新的组织，如多了贝氏体和马氏体；得到什么样的组织？与低碳钢的有何区别？主要与成分和冷速相关；非平衡相变：焊缝是铸态组织；含气量比母材高10倍；氧含量达数百ppm。这使得焊缝的相变组织更复杂，影响性能，使使CCT图左移。图左移。分别介绍：（一）铁素体转变（一）铁素体转变 （Ferrite transformation）39低合金钢焊缝中低合金钢焊缝中F主要分为主要分为4类：类：1 先共析铁素体先共析铁素体(Proeutectoid Ferrite，简称，简称PF)v温度：温度：770-680；v位置：沿奥氏体晶界位置：沿奥氏体晶界v形态：长条形或多边形块状形态：长条形或多边形块状v性能特点：韧性下降性能特点：韧性下降 图图3-443-442 侧板条铁素体侧板条铁素体 (Ferrite Side Plate，简称，简称FSP)v温度：温度：700-550700-550 v位置：从晶界铁素体侧面生长位置：从晶界铁素体侧面生长v形状：板条状形状：板条状v性能特点：韧性下降性能特点：韧性下降 图图3-453-4540另外的两类铁素体：3 针状铁素体针状铁素体(Acicular Ferrite，简称，简称AF)v温度：温度：500；v位置：在奥氏体晶粒内部位置：在奥氏体晶粒内部v形态：针状形态：针状v条件：中等冷却速度条件：中等冷却速度v性能特点：韧性好性能特点：韧性好 图图3-463-464 细晶铁素体（细晶铁素体（Fine Grain Fine Grain Ferrite，简称，简称FGF）v温度：温度：500500 以下以下v位置：在奥氏体晶粒内部位置：在奥氏体晶粒内部v形状：细晶状形状：细晶状v条件：存在细化晶粒的元素（条件：存在细化晶粒的元素（TiTi，B B等）等）v性能特点：韧性好性能特点：韧性好 图图3-473-4741附A 晶界FB多边形FC 魏氏FD 针状F E上贝氏体F下贝氏体42v珠光体是接近平衡下的组织，焊接条件下很少产生。只有在近乎平衡条件下才能得到；v铁素体和渗碳体两相层状混合物vAr1550时P体扩散转变，焊接冷速下，扩散来不及进行，P体转变受到抑制，但扩大了F、B体的转变区域；v按P体片层的细密程度，珠光体又分为：v层状珠光体 图3-49 a）v粒状珠光体称为屈氏体 图3-49 b）v细珠光体称为索氏体 图3-49 c）（二）（二）珠光体转变珠光体转变（低合金钢）（低合金钢）43层状珠光体层状珠光体+F44贝氏体贝氏体在典型的钢的时间在典型的钢的时间-温度转变（温度转变（TTT）图中存在一个较宽的中间温）图中存在一个较宽的中间温度范围，在这个温度范围内既不形成珠光体也不形成马氏体，而度范围，在这个温度范围内既不形成珠光体也不形成马氏体，而是形成是形成细铁素体条（或板条）与渗碳体颗粒的集细铁素体条（或板条）与渗碳体颗粒的集合体合体。这些中间组织通常称为这些中间组织通常称为贝氏体贝氏体贝氏体贝氏体。当冷速对珠光体形成来说太快、而对形成马氏体来说又太慢时会当冷速对珠光体形成来说太快、而对形成马氏体来说又太慢时会发生贝氏体转变。随转变温度的下降，贝氏体的性质发生变化。发生贝氏体转变。随转变温度的下降，贝氏体的性质发生变化。可以分成两类：可以分成两类：上贝氏体和下贝氏体上贝氏体和下贝氏体。45（三）贝氏体转变（三）贝氏体转变v贝氏体：过冷奥氏体在中温区域转变而成的铁素体贝氏体：过冷奥氏体在中温区域转变而成的铁素体和渗碳体两相混合组织（有时可能有奥氏体）。和渗碳体两相混合组织（有时可能有奥氏体）。1 上贝氏体上贝氏体呈羽毛状呈羽毛状-温度：温度：550-450；-位置：沿奥氏体晶界析出位置：沿奥氏体晶界析出-形态：平行的条状铁素体之间分布有渗碳体形态：平行的条状铁素体之间分布有渗碳体 图图3-50a3-50a）-性能特点：韧性较差性能特点：韧性较差2 2 下贝氏体下贝氏体针状针状-温度：温度：450450-Ms-Ms-形态：针状铁素体和针状渗碳体的机械混合物，铁素体内分布有形态：针状铁素体和针状渗碳体的机械混合物，铁素体内分布有碳化物颗粒碳化物颗粒 图图3-50b3-50b）-性能特点：强度和韧性都较好性能特点：强度和韧性都较好3 3 粒状贝氏体的不同说法：韧性的高低？粒状贝氏体的不同说法：韧性的高低？贝氏体与贝氏体相变 刘宗昌46粒状贝氏体与粒状贝氏体与M-AM-A组元组元在块状铁素体形成后待转变的富碳奥氏体岛形成了富碳马在块状铁素体形成后待转变的富碳奥氏体岛形成了富碳马氏体和残余奥氏体的机械混合物。氏体和残余奥氏体的机械混合物。M-A组元的性能如强度和韧性的说法不一，原因是奥氏体组元的性能如强度和韧性的说法不一，原因是奥氏体岛的形成产物不同，而形成产物主要取决于冷却速度。岛的形成产物不同，而形成产物主要取决于冷却速度。富碳的奥氏体岛形成M+A残韧性降低富碳的奥氏体岛分解成 F+C+A残韧性提高在块状铁素体上在块状铁素体上M-AM-A组元以粒状分布时叫组元以粒状分布时叫“粒状粒状贝氏体贝氏体”。图3-5147附：上贝氏体形态羽毛状为上贝氏体，白色基体为马氏体，16Mn（Q345），500等温10盐水淬火,2硝酸酒精腐蚀。48附：下贝氏体形态放大160倍-黑色针状为下贝氏体 白色基体为马氏体，白色粒状为碳化物；T10钢，300等温淬火,4硝酸酒精侵蚀49附：附：钢中的贝氏体钢中的贝氏体 作者：作者：H.K.D.H.Bhadeshia译者：哈尔滨工业大学，甄良译者：哈尔滨工业大学，甄良50 下贝氏体的显微组织。注意在下贝氏体型铁素体薄片内析出的几种碳化物变体。下贝氏体也是由排列成束的细薄片组成的，每一薄片部分地被富碳残余奥氏体分割开。引自Bhadeshia and Edmonds,Metallurgical Transactions A,volume 10A(1979)895-907.上贝氏体的显微组织这种钢富硅，硅抑制了渗碳体的析出。在贝氏体中的铁素体板条间奥氏体薄膜取代了渗碳体。(a)光学显微镜照片；(b)透射电镜明场像；(c)残余奥氏体暗场像；(d)贝氏体束的透射电镜照片（在光学显微镜照片中这一贝氏体束看起来象一个独立的黑色板条）引自Bhadeshia and Edmonds,Acta Metallurgica,volume 28(1980)1265-1273.51（四）马氏体（四）马氏体（martensite）转变）转变马氏体马氏体 是黑色金属材料的一种组织名称。最先由德国冶金学家是黑色金属材料的一种组织名称。最先由德国冶金学家 Adolf Martens(1850-1914)于于19世纪世纪90年代在一种硬矿物中发现。年代在一种硬矿物中发现。马氏体马氏体 的三维组织形态通常有片状的三维组织形态通常有片状(plate)或者板条状或者板条状(lath)，但，但是在金相观察中（二维）通常表现为针状（是在金相观察中（二维）通常表现为针状（needle-shaped），这也是），这也是为什么在一些地方通常描述为针状的原因。为什么在一些地方通常描述为针状的原因。M形态简图形态简图3-52电镜下的电镜下的M形态形态 图图3-53马氏体马氏体 的晶体结构为体心四方结构（的晶体结构为体心四方结构（BCT）。中、高碳钢中加）。中、高碳钢中加速冷却通常能够获得这种组织。高的强度和硬度是钢中马氏体的主要速冷却通常能够获得这种组织。高的强度和硬度是钢中马氏体的主要特征之一。特征之一。521、板条马氏体（位错型）、板条马氏体（位错型）MD在低碳、低合金钢中在低碳、低合金钢中在奥氏体内部呈不同晶向在奥氏体内部呈不同晶向细条状细条状综合性能在马氏体中最好，强度高、韧性好综合性能在马氏体中最好，强度高、韧性好 TEM照片照片532、片状马氏体（孪晶型）、片状马氏体（孪晶型）Mr焊缝中含碳量焊缝中含碳量 0.4%时产生时产生粗大，经常成一定角度贯穿奥氏体晶粒内部，粗大，经常成一定角度贯穿奥氏体晶粒内部，片中的亚结构有许多细小平行的带纹（孪晶带）。硬度高而脆片中的亚结构有许多细小平行的带纹（孪晶带）。硬度高而脆TEM照片照片54对比：(a)板条马氏体 (b)针状马氏体55低合金钢焊缝的组织比较复杂见图3-54，组织形态简图汇总表56附：低碳钢焊缝金属CCT图57附：合金元素，晶粒尺寸、氧含量对低碳钢焊缝CCT图的影响58焊缝金属连续冷却组织转变图（WM-CCT图）见P141，图3-55 和下图WM-CCT图C=0.11%，Si=0.31%，Mn=1.44%，O=0.017%图中：No.1No.10:不同的冷却速度曲线；大写字母代表着组织转变区；冷却曲线和转变区的交点常用数字表示组织的体积含量（如下图）；圆圈内的数字用于表示HV硬度值。59第三节第三节 焊缝中的气孔和夹杂焊缝中的气孔和夹杂P142150主要内容：主要内容：气孔的种类气孔的种类 气孔的形成机理气孔的形成机理 影响气孔的因素及其防止措施影响气孔的因素及其防止措施 夹杂物夹杂物60一、焊缝中的气孔一、焊缝中的气孔对气孔的一般描述：对气孔的一般描述：物料、环境中和反应的气体在高温下溶入金属，随温物料、环境中和反应的气体在高温下溶入金属，随温度降低其溶解度也显著降低，在金属凝固前没有逸出的度降低其溶解度也显著降低，在金属凝固前没有逸出的以分子形式残留在固体金属内部而形成气孔。以分子形式残留在固体金属内部而形成气孔。作用：其主要作用是降低构件的有效截面，还会引起作用：其主要作用是降低构件的有效截面，还会引起应力集中，使金属材料出现断裂和疲劳，降低构件的强应力集中，使金属材料出现断裂和疲劳，降低构件的强度。度。分类：金属中的气孔主要有分类：金属中的气孔主要有析出性气孔和反析出性气孔和反应性气孔应性气孔两类：两类：61气孔形式气孔形式Surface breaking pores(T fillet weld in primed plate)表面气孔（N2气孔）Uniformly distributed porosity内部气孔（内部气孔（H2气孔）62（一）气孔的类型及其分布特征（一）气孔的类型及其分布特征1 1、析出性气孔、析出性气孔 H H2 2、N N2 2因气体溶解度的下降，析出的气体来不及从液面排除而产因气体溶解度的下降，析出的气体来不及从液面排除而产生的气孔叫做生的气孔叫做。金属液在冷却及凝固过程中，结晶前沿特别是枝晶内液相金属液在冷却及凝固过程中，结晶前沿特别是枝晶内液相气体浓度聚集区将超过其饱和浓度，被枝晶封闭的液相内，气体浓度聚集区将超过其饱和浓度，被枝晶封闭的液相内，其气体的过饱和浓度更大，有更大的析出压力，而使液固其气体的过饱和浓度更大，有更大的析出压力，而使液固界面的浓度最高。此处还有其它溶质的偏析使此处液固界界面的浓度最高。此处还有其它溶质的偏析使此处液固界面析出的气泡又难以排除，保留下来形成气孔。面析出的气泡又难以排除，保留下来形成气孔。63析出性气孔析出性气孔1 1）氢气孔）氢气孔对低碳钢和低合金钢焊接，氢气孔对低碳钢和低合金钢焊接，氢气孔出现在焊缝的表面上。出现在焊缝的表面上。对于铝、镁合金时，由于液态金属对于铝、镁合金时，由于液态金属中氢溶解度随温度下降而急剧降低，中氢溶解度随温度下降而急剧降低，析出气体，在凝固时来不及上浮而析出气体，在凝固时来不及上浮而残余在焊缝中。残余在焊缝中。气孔的断面形状如同螺钉状，在焊气孔的断面形状如同螺钉状，在焊缝的表面上堪称喇叭口形，气孔的缝的表面上堪称喇叭口形，气孔的四周有光滑的内壁，如图所示。这四周有光滑的内壁，如图所示。这是由于氢气是在液态金届和枝晶界是由于氢气是在液态金届和枝晶界面上浓聚析出，随枝晶生长而逐渐面上浓聚析出，随枝晶生长而逐渐形成气孔的。形成气孔的。氢气孔氢气孔64Fig.宏观气孔宏观气孔macroporosity由不稳定的熔孔产生由不稳定的熔孔产生produced by the instability of the keyhole.A Spherical porosity;B irregular-shaped porosity.Nominal power 3 kW,welding speed 150 in./min(63.5 mm/s)and shielding gas flow rate 200 in./min(5.66 m3/h)of helium.化学成分：化学成分：Continuous Wave Nd:YAG Laser Welding of Thin Plates of Aluminum Alloys 5754（连续激光焊接铝（连续激光焊接铝-镁合金）镁合金）65三种典型的微观气孔：三种典型的微观气孔：Three types of microporosity in Alloy 5754 weld.Fig.A Irregular-shaped porosity;不规则气孔不规则气孔Fig.B spherical porosity;球球Fig.C randomly distributed porosity having spherical or interdendritic shape.不规则群气孔不规则群气孔66对低碳钢和低合金钢焊接而言，在大多数情况对低碳钢和低合金钢焊接而言，在大多数情况下，氮气孔出现在焊缝的表面上。下，氮气孔出现在焊缝的表面上。氮气孔成群出现，如孔洞细小的蜂窝。氮气孔成群出现，如孔洞细小的蜂窝。析出型气孔2 2）氮气孔）氮气孔672 2、反应性气孔、反应性气孔金属液内部或与铸型间发生反应所产生的气孔，叫做金属液内部或与铸型间发生反应所产生的气孔，叫做。反应性气孔主要是反应性气孔主要是COCO气孔。气孔。特征：特征：金属金属-铸型反应气孔主要分布在铸型反应气孔主要分布在表皮之下表皮之下1 13mm3mm处，又叫皮下处，又叫皮下气孔。呈气孔。呈球状或梨状。球状或梨状。金属内部反应或与非金属夹杂物发生反应产生，呈金属内部反应或与非金属夹杂物发生反应产生，呈梨形或球梨形或球形，均匀分布。形，均匀分布。68熔池中的冶金反应产生熔池中的冶金反应产生COCOC+O=CO当液态金属中的碳含量较高，同时脱氧不当液态金属中的碳含量较高，同时脱氧不足，会生成足，会生成COCOFeO+C=CO+Fe不熔于液态金属的不熔于液态金属的 COCO：69气孔的特征气孔的特征反应型气孔反应型气孔COCO气孔气孔高温时生成的高温时生成的COCO会以气泡的会以气泡的形式从液态金属中高速逸出形式从液态金属中高速逸出形成飞溅，而不形成气孔。形成飞溅，而不形成气孔。热源离开后，熔池开始凝固热源离开后，熔池开始凝固时，时，COCO形成的气泡来不及逸形成的气泡来不及逸出时便产生了气孔。出时便产生了气孔。由于由于COCO形成的气泡是在结晶形成的气泡是在结晶面上产生的，因此形成了沿面上产生的，因此形成了沿结晶方向条虫状的内部气孔结晶方向条虫状的内部气孔。COCO气孔气孔70（二）焊缝中形成气孔的机理（二）焊缝中形成气孔的机理1 1、气泡的形核条件：、气泡的形核条件：形核的形核的两个条件：存在过饱和气体（物质条件）、满两个条件：存在过饱和气体（物质条件）、满足气泡生核的能量消耗（即系统中形成新的界面，需要额足气泡生核的能量消耗（即系统中形成新的界面，需要额外的界面能外的界面能）。）。2 2、气泡的长大条件：、气泡的长大条件：其中：其中：71焊缝中形成气孔的机理焊缝中形成气孔的机理3 3、气泡的逸出、气泡的逸出 （1 1）气泡脱离固体表面）气泡脱离固体表面 （2 2）气泡上浮）气泡上浮气泡脱离现成表面示意图72焊缝中形成气孔的机理焊缝中形成气孔的机理4 4、困于熔池中、困于熔池中-熔池结晶速度与熔池结晶速度与气孔的形成示意图气孔的形成示意图a)a)结晶速度慢结晶速度慢 b)b)结晶速度快结晶速度快吸附在熔合面上没有吸附在熔合面上没有浮出熔池的气孔浮出熔池的气孔浮到半道的气孔浮到半道的气孔73（三）（三）防止焊缝形成气孔的措施防止焊缝形成气孔的措施概括起来主要是冶金与工艺两个方面：概括起来主要是冶金与工艺两个方面：1.1.冶金因素冶金因素在焊接材料已经研制定型的条件下，生产中往往应注意两点：在焊接材料已经研制定型的条件下，生产中往往应注意两点：(1)(1)正确选择焊接材料正确选择焊接材料特别是气体保护焊，焊丝成分影响很大，须能满足脱氧要求，有特别是气体保护焊，焊丝成分影响很大，须能满足脱氧要求，有时也会有一定气氛的要求。时也会有一定气氛的要求。(2)(2)适当控制气氛性质适当控制气氛性质 从防止溶氢角度考虑，气氛具有适当的氧化性有时是比较有利的，从防止溶氢角度考虑，气氛具有适当的氧化性有时是比较有利的，例如焊接铝及铝镁合金时，在例如焊接铝及铝镁合金时，在ArAr中混配少量中混配少量COCO2 2或或0 02 2，对防止产生，对防止产生氢气孔是有好处的。氢气孔是有好处的。但对那些对脱氧要求较高的金属但对那些对脱氧要求较高的金属(如上述如上述CuCu和和Ni)Ni)焊接气氛则焊接气氛则不应具有氧化性，应尽可能提高保护气体不应具有氧化性，应尽可能提高保护气体ArAr的纯度。的纯度。74防止焊缝形成气孔的措施防止焊缝形成气孔的措施2 2工艺条件工艺条件(1)(1)消除各种气体来源消除各种气体来源清除氧化膜和铁锈，清理油污，正确烘干焊条与焊清除氧化膜和铁锈，清理油污，正确烘干焊条与焊剂，合理保管、存放焊接材料，去除保护气体中的剂，合理保管、存放焊接材料，去除保护气体中的气体杂质气体杂质(H(H2 2，O O2 2，N N2 2）。）。对于易形成氧化膜的活性金属，如对于易形成氧化膜的活性金属，如A1,TiA1,Ti，焊前清，焊前清理工作最为重要，不仅须对焊丝与焊件进行化学清理工作最为重要，不仅须对焊丝与焊件进行化学清洗，还须进行机械清理，例如用刮刀利削。铲根的洗，还须进行机械清理，例如用刮刀利削。铲根的作用非常明显，有利于减少气孔。作用非常明显，有利于减少气孔。75防止焊缝形成气孔的措施防止焊缝形成气孔的措施(2)(2)加强保护加强保护注意引弧。低氢焊条引弧时易产生气孔、就是由于注意引弧。低氢焊条引弧时易产生气孔、就是由于CaCOCaCO3 3未能及时分解所造成。为此，对低氢焊条曾未能及时分解所造成。为此，对低氢焊条曾有许多改进如焊芯尖端磨尖或顶部钻小孔有许多改进如焊芯尖端磨尖或顶部钻小孔(为增为增大电流密度大电流密度)，采用双层药皮，引弧端额外添加强，采用双层药皮，引弧端额外添加强引弧成分等。引弧成分等。不能破坏正常保护条件。不能破坏正常保护条件。76防止焊缝形成气孔的措施防止焊缝形成气孔的措施(3)(3)正确控制焊接工艺正确控制焊接工艺目的是创造熔池中气体逸出的有利条件。但焊接工目的是创造熔池中气体逸出的有利条件。但焊接工艺参数的影响比较复杂，须具体分析。焊接工艺参艺参数的影响比较复杂，须具体分析。焊接工艺参数改变既可影响气体选出条件，也可影响气体溶入数改变既可影响气体选出条件，也可影响气体溶入条件，只有逸出条件比吸入条件更有利，才有减少条件，只有逸出条件比吸入条件更有利，才有减少气孔的可能性。气孔的可能性。77焊接气孔实质是，在熔池凝固期间未能来得及逸出而焊接气孔实质是，在熔池凝固期间未能来得及逸出而残留于焊缝金属中的气泡。形成气孔的气体是由多种残留于焊缝金属中的气泡。形成气孔的气体是由多种成分所构成成分所构成,如如COCO、H H2 2和和N N2 2,其中会有一、二种成分是其中会有一、二种成分是主体。主体。由于铝镁合金不含碳由于铝镁合金不含碳,不存在不存在COCO气孔的生成条件气孔的生成条件,而氮而氮又不溶于铝镁及其合金又不溶于铝镁及其合金,因此因此,铝镁合金焊缝中的气孔铝镁合金焊缝中的气孔一般为氢气孔。一般为氢气孔。防止焊缝形成气孔的措施防止焊缝形成气孔的措施78铝镁合金焊缝中的形成气孔的冶金因素：由于液态铝在高温时能吸收大量的氢由于液态铝在高温时能吸收大量的氢,冷却时氢在其中的溶解能冷却时氢在其中的溶解能力急剧下降力急剧下降,在固态时又几乎不溶解氢在固态时又几乎不溶解氢,致使原来溶于液态铝的氢致使原来溶于液态铝的氢大量析出大量析出,形成气泡。形成气泡。同时同时,因铝及铝合金密度小、导热性很强因铝及铝合金密度小、导热性很强,不利于气泡的逸出不利于气泡的逸出,因因此此,铝及铝合金焊接易产生气孔。铝及铝合金焊接易产生气孔。此外此外,铝镁合金化学活泼性强铝镁合金化学活泼性强,表面极易形成熔点高的氧化膜表面极易形成熔点高的氧化膜AlAl2 2O O3 3 和和MgO,MgO,由于由于MgO MgO 的存在的存在,形成的氧化膜疏松且吸水性强形成的氧化膜疏松且吸水性强,这就更这就更难避免焊缝中产生密集气孔。难避免焊缝中产生密集气孔。用交流用交流TIGTIG焊焊,虽然负半周瞬间氩离子对氧化膜具有虽然负半周瞬间氩离子对氧化膜具有“阴极雾化阴极雾化”作用作用,但并不能去除氧化膜中的水分但并不能去除氧化膜中的水分,因而铝镁合金焊接比纯铝具因而铝镁合金焊接比纯铝具有更大的气孔倾向。有更大的气孔倾向。79如图为TIG焊接LF6铝合金的实例。显然，采用大的焊接电流与高焊接速度配合是比较有利的。LF6铅镁合金的气孔倾向与焊接工艺参数的关系(TIG)防止焊缝形成气孔的措施防止焊缝形成气孔的措施80防止焊缝形成气孔的措施防止焊缝形成气孔的措施在在MIGMIG焊铝合金时，焊丝氧化膜的影响将占主要地焊铝合金时，焊丝氧化膜的影响将占主要地位，焊丝中常加入适量的位，焊丝中常加入适量的MnMn、SiSi元素脱氧。但是氢元素脱氧。但是氢的溶入条件十分有利，经常是防不胜防（空气湿度的溶入条件十分有利，经常是防不胜防（空气湿度大的例子）。大的例子）。因此，常需增大熔池的存在时间以改善氢的逸因此，常需增大熔池的存在时间以改善氢的逸出条件，即应适当提高线能量是有利的措施。出条件，即应适当提高线能量是有利的措施。81（次要因素）（次要因素）1 1 工件和焊丝表面吸附水（工件和焊丝表面吸附水（H H2 2O O）气；）气；2 2 表面污染物（有机物）处理不净；表面污染物（有机物）处理不净；3 3 环境气体或保护气体中的水气。环境气体或保护气体中的水气。（次要因素）（次要因素）4 4 工件和焊丝内部的氢。工件和焊丝内部的氢。焊接铝镁及其合金时，氢的主要来源焊接铝镁及其合金时，氢的主要来源82焊接接头 x-射线探伤纵向裂纹纵向裂纹群气孔群气孔83二、焊缝中的夹杂二、焊缝中的夹杂(1)液态金属中非金属夹杂物的来源与类型液态金属中非金属夹杂物的来源与类型 炉料，反应、氧化膜等炉料，反应、氧化膜等类型类型熔炼和炉中处理时产生的夹杂物叫初生熔炼和炉中处理时产生的夹杂物叫初生；凝固过程中产生的叫次生凝固过程中产生的叫次生（微观，溶质密集有关）；（微观，溶质密集有关）；浇注中产生的叫二次浇注中产生的叫二次。(2)非金属夹杂物对铸件或焊接件质量的影响非金属夹杂物对铸件或焊接件质量的影响 减少有效截面，应力集中加大，使各种力学性能均大幅度下减少有效截面，应力集中加大，使各种力学性能均大幅度下降。降。(3)形成过程形成过程形核与长大的过程（自学）形核与长大的过程（自学）(4)初生夹杂物初生夹杂物的二次夹杂物的防止措施的二次夹杂物的防止措施 加溶剂、过滤；加溶剂、过滤；合理的涂料，控制水分，形成还原性气合理的涂料，控制水分，形成还原性气氛或保护使用气体。氛或保护使用气体。84焊缝中的硅酸盐夹渣和由此引起的裂纹85(5)防止焊缝中夹杂物的措施防止焊缝中夹杂物的措施冶金：正确选择焊接材料、控制杂质含量、有适当的合金元素；工艺：适当的摆动、注意保护熔池、层道间注意清理。86第四节第四节 焊缝性能的控制焊缝性能的控制 p151160这是控制焊接质量的主要目标。这是控制焊接质量的主要目标。主要手段：固熔强化和变质处理、调整焊接工艺一、焊缝金属的固熔强化和变质处理一、焊缝金属的固熔强化和变质处理（一）Mn和Si对焊缝性能的影响（二）Nb和V对焊缝韧性韧性的影响（三）Ti、B对焊缝韧性韧性的影响（四）Al对焊缝韧性韧性的影响（五）稀土元素对焊缝金属性能的影响（六）碲在焊缝中的作用（七）焊缝硬度与AF韧化作用的关系87二、调整焊接工艺改善焊缝的性能（一）振动结晶：低频、高频、电磁（二）焊后热处理（三）多层焊接（四）捶击焊道表面（五）跟踪会火处理：按手工焊道3mm厚计，每道后加热到9001000度（正火），第二层相当750度（高温回火），第三层在600度（回火）。