第四章焊接接头的组织和性能 上海文通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY
第四章 焊接接头的组织和性能
内容提纲 熔池的凝固 2 焊缝的偏析 3 焊接接头组织 4 接头组织调控
内容提纲 Page . 2 1 熔池的凝固 2 焊缝的偏析 3 焊接接头组织 4 接头组织调控
1.熔池的凝固 焊接方向 随着温度下降，焊缝金属发生由液态转 熔渣 电弧 变为固态的凝固过程，并在继续冷却中发 生固态相变。熔池的凝固与焊缝的固态相 焊缝 熔池 变决定了焊缝金属的晶体结构、组织和性 母材 熔合线 能。 熔池的凝固过程 >焊缝金属的一次结晶：焊缝金属由液态转变为固态的凝固过程；即 焊缝金属晶体结构的形成过程。 >焊缝金属的二次结晶：焊缝金属的固态相变过程；组织取决于焊缝 金属的化学成份和冷却速度
1. 熔池的凝固 随着温度下降，焊缝金属发生由液态转 变为固态的凝固过程，并在继续冷却中发 生固态相变。熔池的凝固与焊缝的固态相 变决定了焊缝金属的晶体结构、组织和性 能。 焊缝金属的一次结晶：焊缝金属由液态转变为固态的凝固过程；即 焊缝金属晶体结构的形成过程。 焊缝金属的二次结晶：焊缝金属的固态相变过程；组织取决于焊缝 金属的化学成份和冷却速度
1.1熔池凝固的特点 熔池体积小，冷却速度大：平均冷却速度4~100℃/s,比铸锭大几 百到上万倍； 2 熔池中液态金属处于过热状态：合金元素烧损严重，形核质点减 少，促使焊缝得到柱状晶： 3 熔池是在运动状态下结晶：熔池运动，有利于气孔、夹杂排出， 提高焊缝质量。 熔池内存在温度梯度：熔池各处的粘度不同，电弧吹力的机械搅 拌作用在熔池的各部位大小不同，因此靠近熔合线处的焊缝金属 与熔池中心的焊缝金属成分存在差异，且熔池的熔合线作为熔池 结晶的非自发形核核心
1.1 熔池凝固的特点 ① 熔池体积小,冷却速度大：平均冷却速度4100℃/s,比铸锭大几 百到上万倍； ② 熔池中液态金属处于过热状态：合金元素烧损严重，形核质点减 少，促使焊缝得到柱状晶； ③ 熔池是在运动状态下结晶：熔池运动，有利于气孔、夹杂排出， 提高焊缝质量。 ④ 熔池内存在温度梯度：熔池各处的粘度不同，电弧吹力的机械搅 拌作用在熔池的各部位大小不同，因此靠近熔合线处的焊缝金属 与熔池中心的焊缝金属成分存在差异，且熔池的熔合线作为熔池 结晶的非自发形核核心
1.2熔池的凝固过程 (a)开始结晶 (b)晶体长大 熔池结晶：晶核产生和晶核长大 晶核产生：自发形核和非自发形核 ·自发形核（次要）：合金元素或杂质质点； (c)柱状结晶 (d)结晶结束 ·非自发形核（主要)：熔化区附近半熔化状态的基体金属的晶粒表面形核 熔合区 熔池晶体的生长方向：朝着与散热方向相反的方向长大，当 晶体的长大方向与散热最快方向一致时，此方向的晶体长大 焊缝 母材 最快。熔池的散热方向是垂直于熔合线的方向指向金属内部， 故晶体的成长方向垂直于熔合线指向熔池中心，形成柱状晶。 焊缝金属的一次结晶：从熔合线附近开始形核，以联生结晶 的形式呈柱状向熔池中心长大，得到柱状晶组织
1. 2 熔池的凝固过程 熔池结晶：晶核产生和晶核长大 晶核产生：自发形核和非自发形核 ▪ 自发形核（次要）：合金元素或杂质质点； ▪ 非自发形核（主要）：熔化区附近半熔化状态的基体金属的晶粒表面形核 熔池晶体的生长方向：朝着与散热方向相反的方向长大，当 晶体的长大方向与散热最快方向一致时，此方向的晶体长大 最快。熔池的散热方向是垂直于熔合线的方向指向金属内部， 故晶体的成长方向垂直于熔合线指向熔池中心，形成柱状晶。 焊缝金属的一次结晶：从熔合线附近开始形核，以联生结晶 的形式呈柱状向熔池中心长大，得到柱状晶组织
1.2熔池的凝固过程-焊缝横断面结晶模式 centerline equlaxed fusion zone welding dendritic direction weld columnar dendritic pool dendritic pool boundary cellular ccllular planar planar fusion base line metal 50μm base metal Variation in solidification mode Planar-to-cellular and cellular-to- across the fusion zone dendritic transitions in 1100 Al welded with 4047 filler
Variation in solidification mode across the fusion zone Planar-to-cellular and cellular-todendritic transitions in 1100 Al welded with 4047 filler 1. 2 熔池的凝固过程-焊缝横断面结晶模式
1.3晶粒结构 ·熔合线附近的外延生长： ①不填丝情况下的焊接o焊丝成分与母材相当 ②以母材为形核基体不改变晶粒取向 ·熔合线附近的非外延生长： ①填丝情况下的焊接or异种金属的焊接 ②化学成分差异导致晶粒取向发生改变
1. 3 晶粒结构 ▪ 熔合线附近的外延生长: ① 不填丝情况下的焊接or焊丝成分与母材相当 ② 以母材为形核基体不改变晶粒取向 ▪ 熔合线附近的非外延生长: ① 填丝情况下的焊接or异种金属的焊接 ② 化学成分差异导致晶粒取向发生改变
weld metal 外延生长 uoisny Cu 詈 Grain (crystal) base metal (a) GB1 GB2 weld metal m Base Metal Weld Pool GB 1 (substrate) (liquid) base 6u!pleM (b) metal 100μm GB 2 FL resolidified zone Al Epitaxial Stainless Steel Growth 20μm
外延生长 Cu Al Stainless Steel
非外延生长 Weld Metal Equiaxed Region B Base Metal 40m Acc.V Spot Magn Det WD 20m 20.0 kV 4.0 1600x SE 10.0 409-Monel (WF=30ipm Fusion boundary microstructure in 409 ferritic stainless steel (bcc)welded with Monel filler wire (fcc):(a) optical micrograph;(b)scanning electron micrograph
非外延生长 Fusion boundary microstructure in 409 ferritic stainless steel (bcc) welded with Monel filler wire (fcc): (a) optical micrograph; (b) scanning electron micrograph
竞争生长 uoisny 晶粒易长大方向与散热方向 Base Weld 一致时，优先生长 Metal Pool 不一致，生长缓慢 > 取向不利生长，且与散热最快 方向不一致时，停止生长 Competitive Growth Epitaxial Growth Crystal Structure Easy-Growth Direction Examples Face-centered-cubic(fcc) Aluminum alloys, austenitic stainless steels Body-centered-cubic (bcc) Carbon steels,ferritic stainless steels Hexagonal-close-packed (hcp) Titanium,magnesium Body-centered-tetragonal(bct) Tin
晶粒易长大方向与散热方向 一致时，优先生长 不一致，生长缓慢 取向不利生长，且与散热最快 方向不一致时，停止生长 竞争生长