熔池凝固与固态相变.pptx
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1、第一节:熔池的凝固第一节:熔池的凝固第二节:焊缝固态相变第二节:焊缝固态相变第三节:焊缝中的气孔和夹杂第三节:焊缝中的气孔和夹杂第四节:焊缝性能的控制第四节:焊缝性能的控制第1页/共66页第三章第三章 熔池凝固与焊缝固态相变熔池凝固与焊缝固态相变 第一节 熔池凝固 第2页/共66页第三章第三章 熔池凝固与焊缝固态相变熔池凝固与焊缝固态相变 第一节 熔池凝固 焊缝 树枝状晶 熔合区 混晶 熔合区 混晶 HAZ 粗晶HAZ 细晶 第3页/共66页第三章第三章 熔池凝固与焊缝固态相变熔池凝固与焊缝固态相变 熔池凝固:结晶、相变、缺陷焊缝性能,极其重要的研究 一、熔池的凝固条件和特点 与铸钢过程类似,
2、但又有独特的特点 1、熔池的体积小,冷却速度大 熔池的体积最大只有30cm3,重量不超过100g。周围冷金属冷速非常大,4100oC/s。钢锭平均冷速(3 150)10-4 oC/s。大的温度梯度柱状晶发达,无等轴晶,缺陷 第4页/共66页第三章第三章 熔池凝固与焊缝固态相变熔池凝固与焊缝固态相变 2、熔池中的金属处于过热状态 电弧焊条件下,熔池温度1770100 oC,熔滴2300200 oC。钢锭不超过1550oC。3、熔池在运动状态下结晶 第5页/共66页第三章第三章 熔池凝固与焊缝固态相变熔池凝固与焊缝固态相变 二、熔池结晶的一般规律 形核与长大过程 在熔池状态下,结晶过程规律?焊缝金
3、属结晶形态?(一)熔池中晶核的形成 均匀形核与非均匀形核。过冷度,形核功。焊接条件下,熔池中存在两种现成表面:一种是合金元素或杂质的悬浮质点 一种是熔合区附近半熔化的金属界面晶粒表面(主要的非自发形核表面)。第6页/共66页第三章第三章 熔池凝固与焊缝固态相变熔池凝固与焊缝固态相变 (二)熔池中的晶核长大 柱状晶生长的形态与焊接条件密切相关,如焊接线能量、焊缝的位置、熔池的搅拌与振动等。粗大的柱状晶第7页/共66页第三章第三章 熔池凝固与焊缝固态相变熔池凝固与焊缝固态相变 三、熔池结晶线速度 熔池的结晶方向和线速度对焊接质量有很大的影响,特别是对裂纹、夹杂、气孔等缺陷的形成影响更大。焊接溶池的
4、外形是椭球状的曲面,是结晶的等温面,溶池的散热方向也垂直于结晶等温面,因此晶粒的成长方向也是垂直于结晶等温面的。晶粒主轴的生长方向与结晶等温面正交,并且以弯曲的形状向焊缝中心生长。第8页/共66页第三章第三章 熔池凝固与焊缝固态相变熔池凝固与焊缝固态相变 任一晶粒主轴,在任一点A的生长方向为A点的切线(S-S线)晶粒生长的平均线速度 vc=vcos 焊接速度 规律:1.晶粒生长的平均线速度是变化的 2.焊接工艺参数对晶粒生长方向及平均线速度均有影响 第9页/共66页第三章第三章 熔池凝固与焊缝固态相变熔池凝固与焊缝固态相变 焊接速度越大晶粒主轴的生长方向越垂直于焊缝的中心线;焊接工艺参数对晶粒
5、生长的影响:焊接速度越小晶粒主轴的生长方向越弯曲。第10页/共66页第三章第三章 熔池凝固与焊缝固态相变熔池凝固与焊缝固态相变 焊接工艺参数对晶粒生长的影响:当晶粒主轴垂直于焊缝中心时,易形成脆弱的结合面采用过大的焊接速度,常在焊缝中心出现纵向裂纹。焊接速度对晶粒生长平均线速度的影响明显:功率不变时,焊接速度增大晶粒生长平均线速度增大,结晶加快。奥氏体钢和铝合金焊接时要特别注意 第11页/共66页第三章第三章 熔池凝固与焊缝固态相变熔池凝固与焊缝固态相变 四、熔池结晶的形态 主要是柱状晶,少量等轴晶。等轴晶多为树枝晶。第12页/共66页第三章第三章 熔池凝固与焊缝固态相变熔池凝固与焊缝固态相变
6、 四、熔池结晶的形态(一)纯金属的结晶形态 1、正的温度梯度 液相温度高于固相温度,温度沿液相方向正增长 液相温度高,散热慢,平缓生长,形成平滑的晶界 2、负温度梯度 朝向液相温度降低,温度梯度为负,过冷度大,金属生长速度快,形成树枝晶。第13页/共66页a)G0时的温度分布b)G0时的界面结晶形态d)G0时的界面结晶形态第14页/共66页第三章第三章 熔池凝固与焊缝固态相变熔池凝固与焊缝固态相变 (二)固溶体合金的结晶形态 除了温度梯度过冷,还有成分过冷(三)成分过冷对结晶形态的影响 1、平面结晶 液相的正温度梯度很大时,不出现成分过冷,平面生长,平面结晶 第15页/共66页第16页/共66
7、页2、胞状结晶 较小的成分过冷,胞状结晶。不稳定界面,出现芽胞第17页/共66页3、胞状树枝结晶 产生条件:过冷度稍大。特征:主干四周伸出短小二次横枝,纵向树枝晶断面胞状。第18页/共66页4、树枝状结晶产生条件:过冷度圈较大。特征:主枝长,主枝向四周伸出二次横枝,并能得到很好的生长。第19页/共66页5 5、等轴晶、等轴晶产生条件:过冷度大。产生条件:过冷度大。特征:结晶前沿长出粗大树枝晶,液相内,可自发特征:结晶前沿长出粗大树枝晶,液相内,可自发生核,形成自由长大的等轴树枝晶。生核,形成自由长大的等轴树枝晶。第20页/共66页第三章第三章 熔池凝固与焊缝固态相变熔池凝固与焊缝固态相变 (四
8、)焊接条件下的凝固(结晶)形态 熔池中成分过冷的分布在焊缝的不同部位是不同的 焊缝熔化边界(近熔合区),温度梯度大,结晶速度小,成分过冷0平面晶发达 熔合区向焊缝中心过渡温度梯度逐渐变小,结晶速度逐渐增大结晶形态由平面晶向胞状晶、树枝胞状晶(柱状晶区)、等轴晶区发展 实际焊缝受各种因素的影响,结晶形态有异 第21页/共66页第22页/共66页第三章第三章 熔池凝固与焊缝固态相变熔池凝固与焊缝固态相变 焊接工艺参数对焊缝结晶形态的影响:1)焊接速度 速度增大熔池中心温度梯度下降中心成分过冷增大焊缝中心出现大的等轴晶。高速焊接,在焊缝中心形成的等轴晶 低速焊接,在焊缝中心为的胞状树枝晶 第23页/
9、共66页第三章第三章 熔池凝固与焊缝固态相变熔池凝固与焊缝固态相变 2)焊接电流 焊接速度一定时,焊接电流较小(150A)时,得到胞状组织;增加电流(300A)时,得到胞状树枝晶;电流大(450A)时,出现更为粗大的胞状树枝晶 图3-32 HY80钢焊接电流的影响 150A300A450A第24页/共66页第三章第三章 熔池凝固与焊缝固态相变熔池凝固与焊缝固态相变 五、焊缝金属的化学成分不均匀性 冷速快,化学成分扩散不充分偏析(一)焊缝中的化学不均匀性 成分偏析 显微偏析 区域偏析 层状偏析 晶界、亚晶界、树枝晶之间杂质等在焊缝中心区域聚集 结晶过程的周期性变化 层状偏析往往聚集有害元素,也易
10、于形成缺陷,尤其是气孔力学性能不均匀,抗腐蚀性下降,断裂韧性降低等。第25页/共66页第三章第三章 熔池凝固与焊缝固态相变熔池凝固与焊缝固态相变 (二)熔合区的化学不均匀性 整个焊接接头的薄弱环节。易出现缺陷,裂纹等。1、熔合区的形成 半熔化过渡状态、热传播不均匀、晶粒的传热方向不同 第26页/共66页第三章第三章 熔池凝固与焊缝固态相变熔池凝固与焊缝固态相变 2、熔合区宽度 材料的液固温度范围、被焊材料自身的热物理性质和组织状态:被焊金属的固相线温度温度梯度被焊金属的液相线温度第27页/共66页第三章第三章 熔池凝固与焊缝固态相变熔池凝固与焊缝固态相变 低合金钢熔合区附近的温度梯度约为300
11、80oC/mm,液固相线温度差约40 oC,因此,一般电弧焊条件下,熔合区宽度为:A=40/(30080)=0.1330.50(mm)奥氏体钢电弧焊:A=0.060.12mm *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,焊缝的整体性能下降。如奥氏体不锈钢的熔合区宽度在0.1mm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,达到接近1mm时,则焊接接头的耐蚀性显著下降,甚或出现裂纹。第28页/共66页第三章第三章 熔池凝固与焊缝固态相变熔池凝固与焊缝固态相变 3、熔合区的成分分布 成分严重不均匀性能下降 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
12、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。很多焊接接头的早期失效与此有关。第29页/共66页第三章第三章 熔池凝固与焊缝固态相变熔池凝固与焊缝固态相变 第二节 焊缝固态相变 一、低碳钢焊缝的固态相变 含碳量低铁素体+珠光体。特点:组织粗大,过热时铁素体中有粗大魏氏组织 一次结晶组织:粗大的柱状晶第30页/共66页改善措施:1)多层焊:使焊缝获得细小和少量珠光体,使柱状晶组织破坏。2)焊后热处理:加热A3+2030%消失柱状晶。3)冷却速度:冷却速度,硬度第31页/共66页32二、低合金钢焊缝的固态相变组二、低合金钢焊缝的固态相变组织织 低合金钢焊缝二次组织,随匹配焊接材
13、料化学成分和冷却条件的不同,可由不同的组织。以F为主,P、B、M占次要地位。以F为主,F越细小,则韧脆转变温度越低,一般以V型缺口冲击试件断口中纤维区占50%时的温度VTS为判断.第32页/共66页第三章第三章 熔池凝固与焊缝固态相变熔池凝固与焊缝固态相变 (一)铁素体铁素体的形态不同:1、先共析铁素体 Pro eutectoid Ferrite(PF)粒界铁素体Grain Boundary Ferrite(GBF)2、侧板条铁素体 Ferrite Side Plate(FSP)3、针状铁素体 Acicular Ferrite(AF)4、细晶铁素体 Fine Grain Ferrite(FGF
14、)第33页/共66页(1)粒界铁素体(GBF)(先共析铁素体PF)先共析铁索体(PF)是沿原奥氏体晶界析出的铁素体。先共析铁素体也称晶界铁素体。有的沿晶界呈长条状扩展,有的以多边形形状互相连结沿晶界分布。在高温区发生,相变时优先形成,因晶界能量较高而易于形成新相核心。先共析铁素体的位错密度较低。第34页/共66页(2)侧板条铁素体(FSP)生成于700一500 是由晶界向晶内扩展的板条状或锯齿状铁是由晶界向晶内扩展的板条状或锯齿状铁素体,实质是魏氏组织。其长宽比在素体,实质是魏氏组织。其长宽比在2020:以上。:以上。侧板条铁素体在低合金钢焊缝中不一定总是存在,侧板条铁素体在低合金钢焊缝中不一
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