第三章 熔池的凝固和焊缝的固态相变.docx
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第三章熔池的凝固和焊缝的固态相变
第三章熔池的凝固和焊缝的固态相变
焊接时,在高温热源的作用下,母材要发生局部熔化,并和熔化了的焊丝金属混合而形成熔池。
与此同时,也进行了短暂而复杂的冶金反应,当焊接热源离开以后便开始结晶。
熔池的结晶情况对焊缝的组织、性能有重要的影响,焊缝的许多缺陷:
气孔,夹杂,偏析和结晶裂纹均是在熔池的凝固过程中产生的,另一方面,焊接过程是处于非平衡的热力学条件下,因此凝固过程会产生许多晶体缺陷,如点缺陷(空位和间隙原子)、线缺陷(位错)和面缺陷(界面).
§3-1熔池的凝固
一、熔池凝固的条件和特点(特殊性)
熔池的结晶规律和钢锭一样.都是晶核的生长和晶核的长大.由于其凝固条件不同.其特殊性如下:
1、熔池的体积小,冷却速度大
(1)Vmax=30cm3Gmax=100g钢锭几吨到几十吨
(2)V冷熔池=4—100℃/sV冷钢锭=(3—150)×10-4℃/s
作用:
a.高碳钢、合金元素较多的钢种易产生淬硬组织和裂纹
b.熔池V冷大,故易产生柱状晶,一般情况下焊缝中无等
轴晶,只有在焊缝断面上部有少量等轴晶(电渣焊除
外)
2、熔池的液态金属处于过热状态
低碳钢施焊熔池1770±100℃熔滴2300±100℃
钢锭Tmax=1500℃
作用:
Me烧损严重.非自发晶核质点↓↓,柱状晶↑
3、熔池在运动状态下结晶
作用:
温度的不同导致的运动,气体的吹力,焊条的摆动,熔池内部的气体排出有利于搅拌作用,有利于排出气体和夹杂物,从而获得致密的焊缝。
二、熔池结晶的一般规律。
1、熔池中晶核的形成:
自发晶核和非自发晶核。
(生成晶核的热力学条件是过冷度而造成的自由能降低,进行结晶的过程的动力学条件是自用由能降低的程度。
这两个条件在焊接过程中都是具备的。
)
对于熔池来说,非自发晶核起重要作用。
焊接时,为了改善焊缝金属的力学性能,通过焊接材料加入一定量的Me(Mo、V、Nb、TiB等)可以作为熔池中的非自发晶核的质点,从而使焊缝晶粒细化。
2、熔池中的晶核长大
(1)从靠近熔合线处母材上联生地长大起来
(2)当晶粒长大的方向与散热最快方向(温度梯度最大的方向)一致有利于晶粒的长大。
实践证明:
熔池结晶的方向和结晶速度对焊接质量影响很大,特别是对裂纹、气孔,夹杂等形成影响很大。
三、熔池结晶的线速度
1、晶粒成长的平均线速度是变化的:
熔合线上最小(等于零),焊缝中心最大(等于焊速)。
2、焊接速度对晶粒的长大方向及平均线速度的影响很大
(1)V焊↑晶粒主轴的成长方向越垂直于焊缝中心。
故采用过大焊速时,主轴的成长方向垂直于焊缝中心易形成脆性结合面,常在焊缝的中心产生纵向裂纹。
(2)V焊↑,晶粒成长的平均线速度↑(Vc=Vcosθ)易利于柱状晶的形成。
对于焊缝金属,开始凝固时并不形核,而是在母材基础上联生长大。
四、熔池的结晶形态:
易出现柱状晶和少量等轴晶(等轴树枝晶)
显微镜下观察,每个柱状晶内部还有不同的形态:
如平面晶、胞晶、树枝状晶。
1、纯金属结晶的形态:
凝固点为恒温度,过冷度的大小取决于温度梯度。
(1)正温度梯度:
液相温度高于固相温度,且距界面越远,液相温度越高,因此过冷度小或为负,使伸入液态金属内部的晶体成长缓慢形成平面晶。
(G>0)
(2)负温度梯度:
液态内部的温度比界面低,过冷度大形成树枝晶,(使伸入液态金属内部的晶体长成速度很快),距界面越远液相的温度越低。
(G<0)
2、固溶体合金的结晶
过冷度由于两方面的原因造成
(1)温度梯度造成(温度过冷)
(2)存在由于固液相界面成份起伏而造成的过冷(成份过冷),因此固溶体合金结晶时,不需要大的过冷就可出现树枝晶,而且随过冷的不同亦出现不同的结晶形态。
3、成份过冷对结晶形态的影响
(1)无过冷成份——平面晶plategooth
(2)过冷成份较小——胞状晶cellularsturture
(3)过冷成份较大——胞状树枝晶
(4)过冷成份很大,每个亚晶变成一个非常发达的晶粒,柱状树枝晶(温度梯度小)
(5)残余L很少,温度梯度很小,成份过冷很大时形成等轴树枝晶。
4、焊接条件下的凝固(结晶)形态
实践证明:
熔池中成份过冷的分布在焊缝的不同部位是不同的,因此将出现不同的结晶形态。
(1)部位不同结晶形态不同
在焊缝的熔化边界:
G较大,V结晶又较小,成分过冷接近于零,因此平面晶得到发展,随着远离熔化边界的向焊缝中心过渡时,G逐渐变小而V结晶逐渐增大。
因此结晶的形态由平面晶→胞状晶→树枝胞状晶(柱状晶区)→等轴晶
(2)化学成份不同,板厚和接头型式不同(冷速不同)结晶形态不同
99.99%的纯A1焊缝:
熔合线附近为平面晶,焊缝中心为胞状晶
99.6%的纯A1焊缝:
焊缝就出现胞状树枝晶,焊缝中心可出现等轴晶。
(3)焊接速度不同结晶形态不同
V焊↑—温度梯度下降快,熔池中心的成份过冷↑—焊缝中心出现大量等轴晶(快速焊时)
V焊↓—熔合线附近出现胞状树枝晶,焊缝中心出现较细的胞树枝晶。
(4)焊接电流不同,结晶形态不同
电流↑—组织由胞状组织→胞状树枝晶→晶大的胞状树枝晶
五、焊缝金属的化学成份不均匀性
偏析:
熔池结晶时,V冷较大,在凝固的焊缝金属中,化学成份来不及扩散,合金元素的分布是不均匀的,熔合区成份最不均匀,成为焊接接头的薄弱地带。
1、焊缝中化学成份的不均匀性
(1)显微偏析:
一个柱状晶内部和晶粒之间化学成份的不均匀性
a、晶体形态:
胞状晶偏析小,树枝晶偏析大。
b、晶粒尺寸:
晶粒大,偏析大。
c、合金元素的分配系数Kc,扩散系数Da
S:
Kc=0.05Da=10-9-10-8偏析大
P:
Kc=0.07Da=10-8-10-7偏析小
d、冷却速度↑,偏析↑。
(2)区域偏析:
regionssegregation
焊缝结晶时,由于柱状晶的不断长大和推移,把杂质推向熔池中心。
这时熔池中心的杂质的浓度逐渐升高,使最后凝固的部位杂质的浓度高于其他部位的现象。
如:
火口偏析——火口裂纹
SAW快速焊时,V冷大,产生纵向裂纹
(3)层状偏析:
layersegragation
由于结晶过程的周期性变化而造成化学成份不均匀造成的层状分布(热的周期性作用)
V冷—快—慢—快
杂质浓度—高—低—高
层状偏析将会造成产生气孔,机械性能不均匀,抗腐蚀性↓断裂韧性↓
2、熔合区的化学成份的不均性
熔合区的宽度
TL---被焊金属的液相线温度
TS----被焊金属的固相线温度
△T/△Y----温度梯度
碳钢低合金钢:
A=0.133~0.50cm
奥氏体钢A=0.06~0.12
熔合区=半熔化区+未混合区
半熔化区:
焊缝金属与母材未熔化晶粒互相渗透,交错。
半混合区:
局部熔化的母材晶粒与所形成的液态金属未与焊接熔池金属充分混合形成的组织,与母材化学成份基本一致。
特征:
1、化学成份的不均匀
P132图3-40熔合区中S的分布。
2、晶间液化(S%高)FeS+Fe(948℃)
3、热应力不均匀
4、物理不均匀性
说明:
熔合区是整个接头中的一个薄弱地带、许多焊接结构的失效常常是熔合区的某些缺陷引起的如冷裂,热裂脆性相应重视。
§3-2焊缝的固态相变
焊接熔池完全凝固后,随着连续冷却过程的进行,对于钢铁材料来讲,焊缝金属将发生组织转变。
转变后的组织是根据化学成份和冷却条件而定。
焊缝金属相变的机理与一般钢铁固态相变的机理是一致的。
一、低碳钢焊缝的固态相变组织
1、组织:
铁素体+珠光体
E过大时会产生魏氏组织:
F在A晶界呈网状析出,也可在A晶粒内部沿一定的方向析出,具有长短不一的针状和片条状,可直接插入P晶粒之中。
2、固态相变组织的影响因素
(1)化学成份的影响
(2)热处理及焊接层数
热处理及多层焊可获得细小的F+少量P使柱状组织遭到破坏
T>900℃短时间加热可使柱状组织消失—↑冲击韧性,但T>1100℃晶粒粗化。
(3)V冷↑—P量↑而组织细化,硬度↑
总之,低碳钢焊缝的固态相变组织随匹配焊材的化学成份和冷却条件不同得到组织不同,但由于[C]wm<[C]BM所以组织为F+P.
二、低合金钢焊缝的固态相变组织
F+P+(B+M)(在高强钢焊缝中有)
1、F的转变
(1)先共折F(粒界F)
PF(Proeutectoidferrite)GBF(GrainBoundaryferrite)
温度:
770—680℃
形成:
由A晶界析出呈细条状或块状分布
(2)侧板条F(Ferritesideplate)FSP
温度:
700-550℃
形成:
在A晶界析出,向晶内以板条状生长。
(3)针状F(AciaclarFerrite)AF
温度:
500℃附近。
形成:
在A晶内形成,以某些质点(氧化物夹杂)为核心放射性生成。
(4)细晶F(FximegrainFerrite)FGF
温度:
450℃
形成:
A晶内形成,细晶之间有P和K(Fe3C)形成(析出)
介于F和B之间的转变产物,称贝氏F。
(主要是由细化晶粒的元素存在)
2、P的转变
焊接条件是属非平衡的介稳状态,所以一般情况下,低合金钢焊缝组织的固态转变很少能有P的转变,除非在很缓慢的冷却速度下,才有少量的P组织存在。
细晶粒元素B.Ti抑制P的转变。
按细密程度,P分:
层状P,粒状P(屈氏体),细P-索氏体
3、B的转变:
属于中温转变550℃-Ms(此时合金元素不能扩散,只有C能够扩散
上B:
呈羽毛状,沿A晶界析出。
下B:
与回火针状M相似
粒状B:
块状F上M-A组元以粒状分布时
条状B:
针状F上M-A组元以条状分布时
4、M的转变
(1)板条M(lathmartensite)低CM或位错M
在低C的合金焊缝中
特点:
在A晶粒内部形成细条状M板条,条与条之间有一定的交角。
(2)片状M(platemartensite),孪晶M
焊缝的含C量高。
特点:
M不相互平形,初始形成M较粗大。
5、低合金钢焊缝金属连续冷却组织转变图
P141图3-55,WM-CCT
(1)冷速较小时,得到块状F+P;
冷速较大时,得到针状F,B和M。
(2)[Me]%↑,WM-CCT曲线右移易形成针状F+B+M
三、改善焊缝固态相变组织的措施(焊缝性能的控制措施)
1、固溶处理和变质处理(有效方法之一)
固溶处理(MnSi)提高焊缝韧性是有限的,因此最有效的方法还是变质处理。
通过焊接材料向熔池中加入细化晶粒的元素:
Mo、Ti、Nb、Zr、Al、B、N稀土等细化晶粒,改变结晶的形态,↑强度、韧性和抗裂性。
2、振动结晶
通过破坏正在成长的晶粒,从而获得细晶粒的组织。
(1)机械振动(低频振动)f<1000HZA=2mm
工件上f=20-60HZA=0.05-2.0mm
焊丝上f=100HZA=0.5-1.5mm
作用:
a.细化晶粒
b.↑熔池的搅拌作用,使气体和夹杂上浮,↓气孔和夹杂
(2)超声波振动(高频)f≥20000HZA<10-4mm.
直接接到熔池上:
耦合棒,附加焊丝。
(3)电磁振动:
利用强磁场使熔池中的液态金属产生强烈的搅拌,使成长的晶粒不断受到“冲洗”造成剪应力。
3、多层多道焊
(1)每层焊缝变小而改善了焊缝凝固结晶的条件。
(2)后一层对前一层有附加热处理的作用,从而改善了固态相变的组织。
4、焊后热处理:
回火、正火、调质。
5、跟踪回火:
每焊完一道立即用气焊火焰加热焊道表面
T=900-1000℃。
盖面层:
最上层0-3正火处理
2层:
中层3-6750℃高温回火
1层:
首层6-9600℃左右回火
6、锺击焊道表面:
细化晶粒↓残余应力,↑焊缝金属的韧性。
一般用风铲捶击:
锤头圆角R=1.0~1.5
锤痕深度h=0.5~1.0mm
捶击方向:
在中间后两侧,依次垂直
顺时针
§3-3焊缝中的气孔和夹杂
焊缝中的气孔和夹杂是焊接生产中常遇到的一种缺陷,它不仅削弱了焊缝的有效面积,导致应力集中-↓↓强度和韧性,在个别情况下还会引起裂纹。
一、焊缝中的气孔
1、气孔形成的原因
(1)焊条、焊剂烘干温度不够
(2)被焊金属和焊丝表面有锈,油污及其他杂质。
(3)工艺不够稳定,电弧电压偏高,焊速太大,电流太小。
(4)焊接区保护不良。
2、气孔的类型及其分布特征
(1)第一类气孔:
高温时某些气体溶解于熔池金属中,当结晶和相变时,气体的溶解度突然下降而来不及逸出残留在焊缝内部的气体,如氢和氮。
氢气孔:
比较大,从焊缝表面上看呈喇叭孔,内壁较光滑。
氢的扩散力大,大多数情况下在焊缝表面,个别情况下在焊缝内部。
氮气孔:
比较小,针状,蜂窝状,多在表面出现,熄弧处、起弧处较多。
(2)第二类气孔:
由于冶金反应产生而不溶于金属的气体形成的气孔CO气孔。
a.各种结构钢中总含有一定量的C
[C]+[O]=CO↑[FeO]+[C]=[Fe]+CO↑
[MnO]+[C]=[Mn]+CO↑[SiO2]+[C]=Si+2CO↑
b.热源离开后,熔池开始结果结晶,由于铁碳合金溶质浓度偏析的结果,可使熔池中的氧化铁和碳的浓度在某些局部地方有偏高,有利于下述反应:
[FeO]+[C]→CO↑Fe-Q
吸热反应↓T从而↑V结晶
CO扩散慢,长大慢,上浮慢(熔池结晶时粘度↑),因此沿结晶方向形成条虫状气孔。
一般为内部气孔,表面较少
如CO2焊时,脱氧能力不足时产生表面CO气孔。
3、影响生成气孔的因素及防治措施
(1)冶金因素的影响
a.熔渣氧化性的影响
熔渣的氧化性↑CO气孔倾向↑
熔渣的还源性↑H气孔的倾向↑
b.焊条药皮和焊剂的影响:
(主要是其成份的影响)
H的控制:
(由于含SiO2量少,不利于方程
(1)向右进行,故碱性焊条不是靠
(1)去氢,而是直接和H2O,H反应去氢)
①碱性焊条中:
有一定的萤石在药皮中:
CaF2+H2O=CaO+2HF
CaF2+H=CaF+HF
CaF2+2H=Ca+2HF
②酸性焊条中,控制氢主要是依靠药皮中较强的氧化性组成物,防止氢的产生。
FeO+H=Fe+OH
SiO2+H=SiO+OH
MnO+H=Mn+OH
OH稳定性仅次于HF
③焊剂中(SAW)HJ431中含有一定量的SiO2、CaF2
2CaF2+3SiO2=SiF4+2CaSiO3
(1)
SiF4+2H2O=4HF+SiO2
SiF4+4H+O=4HF+SiO2
实践证明:
SiO2CaF2同时存在有利于消除H气孔,但CaF2不能过量,否则:
a、会影响电弧的稳定性;
b、会产生可溶性氟(NaF、KF)影响焊工健康。
CO气孔的控制:
①酸性焊条加入Mn-Fe渗Si—↓FeO含量—↓CO气孔倾向
[FeO]+[Mn]=(MnO)+[Fe]
2[FeO]+[Si]=(SiO2)+2[Fe]
②碱性焊条,加入Mn-Fe,Si-Fe,Ti-Fe
[Mn]+[FeO]=(MnO)+[Fe]
[Si]+2[FeO]=[SiO2]+2[Fe]
③SAW,焊剂431(高锰高锰焊剂)
同上大量渗SiMn而↓(FeO)从而↓CO气孔倾向
c.铁锈及水份对产生气孔的影响:
铁锈:
m.Fe2O3.nH2O
3Fe2O3=2Fe3O4+O增氧
(氧化皮)Fe3O4+H2O=3Fe2O3+H2
Fe+H2O=FeO+H2
说明:
铁锈是一个极有害的杂质,对CO气孔和H气孔均有敏感性,水份也如此。
(2)工艺因素的影响
①焊接规范:
Ih↑虽然熔池的存在时间↑有利于气孔送出,但熔滴变细,比表面积增大,熔滴吸收的气体较多气孔倾向↑
U弧↑形成氮气孔倾向↑
V焊↑V结晶↑气孔倾向CO,H
②电流的种类和极性
a.交流焊时当电流通过零点时,质子可顺利地熔入熔池气孔倾向↑。
交流>直流
b.直流反接气孔倾向<直流正接
实验表明;氢以质子的形式溶入熔池
H→[H+]+e
反接时溶池表面e过剩反应向左进行↓H气孔倾向。
③工艺操作方面
a、焊前仔细清除焊件,焊丝上的污锈和油渍。
b、焊条、焊剂要烘干,烘干后放的时间不能过长,最好放在保温筒里,随取随用。
c、焊接时,规范要稳定;低氢焊条采用短弧焊、适当摆动,以使气体逸出。
二、焊缝中的夹杂
母材或焊缝中夹杂物↑焊缝金属的韧性↓低温脆性↑,热裂纹和层状撕裂倾向↑。
1、夹杂物的种类及其危害性
(1)氧化物
低C钢焊接时,主要是在冶金反应的过程中产生。
SiO2最多,其次是MnO,TiO2,Al2O3。
夹杂物存在于焊缝中(以片状或块状存在)会形成热裂纹
夹杂物存在于母材中(以片状或块状存在)会引起层状撕裂
(2)氮化物Fe4N
Fe4N是焊缝在时效过程中由饱和固溶体中析出,并以针状分布于晶粒或贯穿于晶界。
Fe4N脆硬化合物-↑硬度,↓↓塑性和韧性
加入Mo、V、Nb、Ti、Al等Me时,能与N形成弥散分布的氮化物--↑↑强度,经过正火(热处理)可使钢具有良好的机械性能,如15MnVN,0641NbCuN等。
(3)硫化物:
来源于药皮和焊剂
MnS影响较小
FeS影响较大,FeS+Fe、FeS+FeO导致热裂纹。
三、防止焊缝中夹杂物的措施
(1)正确选择焊条、焊剂,使之更好的脱S脱O。
(2)选择合适的焊接规范,焊条要适当摆动,以便溶渣浮出。
(3)多层焊时,要清理前层熔渣。
(4)操作时,保护熔池以防止空气侵入。
(O、N)
熔池边缘和中心有较大的温度梯度
冷却速度↑--
过冷度↑
过冷度:
实际结晶温度Th与理论结晶温度To之间的温度差
△T=Th-T0
过冷度↑实际结晶温度↓
T0液态金属与固态金属共同存在的平衡临界点。
CaF2↑氧化物↑-[H]w↓Mn-FeSi-FeTi-Fe↑-CO↓
正接时:
①氢以质子的形式熔入熔池;②另一部分在电场的作用下飞向负极
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