HAZ的组织和性能—熔池凝固与固态相变.ppt

1、材料成型基础 Part III HAZ的组织和性能,焊接热影响区组织和性能,1、焊接热循环 2、焊缝金属组织转变 3、 HAZ组织与性能 4、熔池凝固与固态相变,1、熔池凝固 2、焊缝固态相变 3、焊缝性能的控制,焊接熔池凝固与固态相变,1 熔池凝固,焊接熔池凝固过程与一般液态金属凝固过程在本质上相同：都是晶核生成和晶核长大的过程，但焊接熔池的凝固有其自己的一些特征。 1、熔池凝固的条件 与一般铸造凝固相比，存在较大的差别： (1) 熔池金属体积小，冷却速度快 (2) 熔池中的液态金属处于过热状态 (3) 熔池在运动状态下结晶,(1) 熔池金属体积小，冷却速度快 a. 体积小：体积最大不超过3

2、0cm3，质量不超过100g； b. 冷却速度快：其周围被冷态金属所包围，且母材相对质量很大，熔池界面的导热条件很好，其平均冷却速度可达4100/s，远高于一般铸件的冷却速度。 c. 影响：由于冷却速度快，温度梯度大，导致焊缝中柱状晶得到充分发展。,(2) 熔池中的液态金属处于过热状态 a. 温度高：钢的弧焊，熔池的均温可达177010C，而熔滴约为2300200C，一般铸钢锭温度不超过1550C。 b. 温度分布不均匀、温度梯度大：焊接熔池中心部位温度高，熔池边缘的温度低，中心和边缘存在较大的温度梯度，熔池边界的温度梯度比铸造时高103104倍。 c. 影响：合金元素烧损严重，熔池中自发形核

3、的质点减少，利于柱状晶发展。,(3) 熔池在运动状态下结晶 a. 熔池各部分在液态停留的时间非常短，且熔化与凝固同时进行。 b. 熔池中的液态金属在各种力的作用下，熔池存在激烈的搅拌和对流运动。 c. 影响：有利于促进熔池中气体和杂质的浮出，也有利于获得致密与纯净的焊缝。,1.1 熔池凝固,1.1 熔池凝固,2、熔池结晶的特征 过冷度是液态金属凝固的必要条件，在一定范围内过冷度越大，固液两相的自由能相差越大，越有利于液态金属的凝固结晶焊接具有大的过冷度。,(1) 形核,熔池金属过热度大不能自发形核，以非自发形核为主: a. 固相质点（较少）b. 半熔化状态母材界面上的联生结晶(主要),1.1

4、熔池凝固,(1) 形核,联生结晶的示意图,不锈钢自动焊时的联生结晶,原子由液相不断地向固相转移，晶核的成长是通过二维成核方式长大，但并不是齐步前进，长大趋势不同，有的一直向焊缝中部发展；有的只长大很短距离就被抑制停止长大。当晶体最易长大方向与散热最快方向相一致，最有利长大。晶核的成长是一个原子厚度从液相中吸收原子集团来进行的并连续不断地吸附在晶体表面的小台阶处而迅速长大。,1.1 熔池凝固,(2) 晶粒长大择优长大,1.1 熔池凝固,(2) 晶粒长大择优长大,晶粒以弯曲的形状向焊缝中心成长:,弯曲状成长晶粒,熔池的外形就是液态金属结晶温度的等温面，为椭球状曲面，因晶粒成长垂直于等温面，,而随焊

5、缝凝固过程的进行，生长点熔池界面的方向是改变的。,1.1 熔池凝固,3、熔池金属结晶线速度,(1) 结晶线速度,熔池的结晶方向和结晶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最大。 大量的实践证明，熔池结晶过程中晶粒成长的方向与晶粒主轴成长的线速度及焊接速度等有密切关系。,1.1 熔池凝固,(1) 结晶线速度,任一晶粒主轴，在任一A点的成长方向与X轴之间的夹角为, 熔池结晶界面各点柱状晶生长的平均速度为:vcvcos,晶粒成长线速度分析图,等温线上各点的角是变化的晶粒成长的方向和线速度都是变化的。,焊缝边缘的生长速度vc最慢：在熔合区上晶粒开始成长的瞬时，成长的方向垂

6、直于熔合区，即=90，cos=0，晶粒成长的平均线速度为0。,移动热源后面的焊缝中心晶粒生长最快: = 0，cos=1，晶粒成长速度与焊接速度相等。,等温线弯曲曲线各点法线方向变化晶粒生长的有利方向随之变化特有的弯曲柱状晶的形态。,1.1 熔池凝固,(2) 焊接工艺参数对结晶线速度的影响,v对速度的影响: 功率不变, v, vc, 结晶加快。 v小, vc小, 上升比较缓慢; v大, vc大, 上升较剧烈。,焊接速度对晶粒成长平均线速度的影响,1.1 熔池凝固,(2) 焊接工艺参数对结晶线速度的影响,v对生长方向的影响： v, , 晶粒生长主轴越垂直于焊缝中心线; v, 晶粒主轴成长方向约弯曲

7、。,(a) 偏向晶 (b) 定向晶 焊接速度对晶粒长大趋向的影响示意图,1.1 熔池凝固,(2) 焊接工艺参数对结晶线速度的影响,高速焊时，在热源运动方向温度梯度很小，在焊缝轴线的垂直方向上有很大的温度梯度最大散热方向将始终垂直于焊缝轴线焊缝柱状晶只能垂直焊缝轴线向焊缝中心定向生长，形成典型的对向生长结晶状态，称为“定向晶”。,(a) v=25cm/min； (b) v=150cm/min 工业纯铝TIG焊缝晶粒长大趋向,1.1 熔池凝固,(2) 焊接工艺参数对结晶线速度的影响,出现“定向晶”时，即当晶粒主轴垂直于焊缝中心时，低熔点杂质易偏析于焊缝中心部位而形成脆弱的结合面甚至出现纵向裂纹，因

8、此，在采用过大的焊接速度时，常在焊缝中心出现纵向裂纹。 （奥氏体不锈钢和铝合金特别注意）,大焊速时焊缝的纵向裂纹,1.1 熔池凝固,(2) 焊接工艺参数对结晶线速度的影响,结晶速度随熔池中析出结晶潜热、热源作用的周期性而变化，因而晶粒成长的线速度是围绕着平均线速度作周期性变化的，振幅逐渐减小，最终趋于平均速度。,1.1 熔池凝固,(3) 晶粒长大的能量,晶粒长大需要能量：(1) 因体积长大而是体系自由能下降；(2) 因长大而产生的新固相表面使体系自由能的升高。 晶粒长大时所增加的表面能比形核时要小，因此长大比形核所需要的过冷度要小。 焊缝金属：开始凝固时并不需要形核，而是在母材基体上联生长大。

9、,1.1 熔池凝固,4、熔池结晶的形态,金属结晶必须具有一定的过冷度： (1) 温度过冷：实际温度造成的； (2) 成分过冷：存在成分起伏造成过冷。 (1) 成分过冷对结晶形态的影响结晶的形态也受过冷度的影响，由于过冷成度不同形成不同的结晶形态。 1) 平面结晶; 2)胞状结晶; 3) 胞状树枝结晶; 4) 树枝状结晶; 5) 等轴结晶,(1) 成分过冷对结晶形态的影响,1.1 熔池凝固,1)、平面结晶 产生条件：+G很大，过冷度为0，无成分过冷 特征：结晶潜热向界面后方消散；结晶界面呈平面状向前缓慢推移；多见于高纯度焊缝金属。,2)、胞状结晶 产生条件：温度梯度与实际结晶温度少量相交，过冷度

10、很小。 特征：界面不稳定，结晶界面长出许多平行束或状芽胞伸入过冷液体内，断面呈六角形，如细胞蜂窝状。,3)、胞状树枝结晶 产生条件：过冷度稍大，界面上凸起部分可以伸入液体内部较长的距离。 特征：凸起部分向周围排溶质造成横向成分过冷主干四周伸出短小二次横枝，纵向树枝晶断面呈胞状。,(1) 成分过冷对结晶形态的影响,1.1 熔池凝固,4)、树枝结晶 产生条件：过冷度进一步增大。 特征：很长的主干，主干向四周伸出二次横枝，并能得到很好的生长。,5)、等轴结晶 产生条件：G很小，液相中存在很宽的成分过冷区。 特征：结晶前沿形成树枝状结晶，同时液相内部生核，产生新的晶粒这些晶粒不受四周束缚，自由生长，形

11、成等轴晶。,(1) 成分过冷对结晶形态的影响,1.1 熔池凝固,W.F.Savage等人认为：结晶形态主要决定于合金中溶质的浓度C0、结晶速度(或晶粒长大速度)R和,C0、R和G对结晶形态的影响,液相中温度梯度G等综合作用。当R和G不变时，随着合金中溶质浓度的提高，成分过冷增加，从而使结晶形态由平面晶变为胞状晶、胞状树枝晶、树枝晶、最后到等轴晶。,(2) 影响焊缝结晶形态的因素,1.1 熔池凝固,熔池中不同部位，其温度梯度和结晶速度不同成分过冷的分布是不同的焊缝各部位的结晶形态也不同。 焊缝的边界：即焊接熔池开始结晶处，熔合线上的温度梯度G大、结晶速度R小，成分过冷很难形成，多以平面晶形态成长

12、。,随着晶粒逐渐远离边界向焊缝中心生长，温度梯度G逐渐变小，结晶速度逐渐加快，溶质的质量分数增高，成分过冷区也逐渐增大，柱状晶内的亚结构依次向胞状晶、胞状树枝晶、树枝晶发展。,焊缝中心：温度梯度G最小、结晶速度最大、溶质的质量分数最高，成分过冷区大，最终可能生成等轴晶。,1.1 熔池凝固,1) 焊接工艺方法,焊接Q235钢、14MnMoNbB钢时，溶质的质量分数较高，冷却速度较快，焊缝金属凝固组织为柱状晶，其亚结构为由熔合线向焊缝中心依次生长细长胞状树枝晶和粗胞状树枝晶。,a. SMAW,(a)柱状晶 (b)胞状树枝晶 焊条电弧焊接时的凝固组织,1.1 熔池凝固,埋弧焊接Q235A钢时，冷却速

13、度快，晶体成长速度也快，焊缝金属凝固组织为细长柱状晶。柱状晶内的亚结构为细长的胞状树枝晶。,b. SAW,(a)柱状晶 (b)胞状树枝晶 埋弧焊焊接时的凝固组织,1.1 熔池凝固,电阻点焊GH140铁基高温合金时，焊核从熔合线外延生长成柱状晶。由于溶质的偏聚在焊缝中心出现等轴晶。柱状晶内的亚结构为胞状树枝晶。,c. RSW,电阻点焊焊接GH140合金焊核凝固组织,1.1 熔池凝固,纯度为99.99的铝焊缝中，在熔合线附近为平面晶，到焊缝中心为胞状晶；而纯度为99.6的铝焊缝就出现胞状树枝晶，焊缝中心可出现等轴晶。,d. TIG(成分有影响),(a)平面晶-胞状晶 (b)胞状树枝晶 (c）等轴晶

14、 纯铝薄板（1mm）TIG焊焊缝凝固结晶组织形态,（四）、焊接条件下的凝固形态,熔池中不同部位成分过冷是不同的将会出现不同的结晶形态。如：纯Al 99.99%焊缝熔合线附近为平面晶，中心为胞状晶。若纯Al99.6%，焊缝出现胞状晶，中心为等轴晶。,1.1 熔池凝固,2) 焊缝成分,3) 焊缝速度 v：焊缝中心出现等轴晶。 v：熔合线附近出现胞状树枝晶。,4) 焊接电流 I小：胞状晶, I较大：胞状树枝晶 I大：粗大树枝晶,1.2 焊缝固态相变,焊接熔池凝固后，随着连续冷却过程的进行，钢铁材质的焊缝都将发生组织转变，转变后的组织取决于焊缝的化学成分和冷却条件。焊缝金属的固态相变与一般钢铁固态相变

15、机理相同：1、低碳钢焊缝的固态相变2、低合金钢焊缝的固态相变,1、低碳钢焊缝固态相变,1.2 焊缝固态相变,低碳钢焊缝组织：F(一般都是先从A边界析出)少量P，过热时产生W。,低碳钢焊缝的魏氏组织,改善组织条件： 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柱状晶消失。3) 冷却速度：冷却速度，硬度,2、低合金钢焊缝的固态相变组织,1.2 焊缝固态相变,低合金钢焊缝组织，随匹配焊接材料化学成分和冷却条件的不同，可有不同的组织，除了F、P之外还有B、M。根据低合金钢焊缝化学成分和冷却条件不同，主要有四种固体相变：(1) 铁素体转变(2) 珠光

16、体转变(3) 贝氏体转变(4) 马氏体转变,(1) 铁素体转变,焊缝中铁素体的类型: PF、FSP、AF、FGF,1) 先共析铁素体PF (粒界铁素体(GBF) 条件：焊缝冷却温度较高(770680)，沿原奥氏体晶界析出的铁素体，也称晶界铁素体。,1.2 焊缝固态相变,特征：沿A晶界呈长条状扩展，或以多边形形状互相连结沿晶界分布(块状分布)。,机理：在高温区发生，因晶界能量较高而易于形成新相核心，相变时优先形成。高温停留时间长，冷却速度慢，PF越多。先共析铁素体的位错密度较低。,2) 侧板条铁素体（FSP）,条件：生成温度比PF稍低，约700-500，由A晶界PF侧面向晶内以板条状或锯齿状扩展

17、，实质是魏氏组织。,1.2 焊缝固态相变,特征：板条状或锯齿状，长宽比在20:1以上。FSP在低合金钢焊缝中不一定总是存在，但在焊缝中出现的机会比在母材出现的要多。,机理：PF和FSP侧板条铁素体长大时，其/界面上一侧的碳浓度增加，极为接近共析成分，故易分解为珠光体而出现于侧板条铁素体的间隙之中。侧板条铁素体晶内位错密度大致和先共析块素体相当或稍高一些。,3) 针状铁素体（AF）,条件：生成温度比FSP更低，约500左右。,1.2 焊缝固态相变,特征：出现于原A晶内的有方问性的细小铁素体，宽约2m左右，长宽比多在3:1以至10:1的范围内。,机理：以氧化物或氮化物(如TiO或TiN)为基点放射

18、状生长，相邻AF间的方位差为大倾角，其间隙存在有渗碳体或马氏体，多半是M-A组元，决定于合金化程度。AF晶内位错密度较高，为PF的2倍左右。位错之间互相缠结，分布不均匀，但又不同于剧烈塑性形变后出现的位错形态。,随着合金化程度的提高，AF组织增多的同时，焊缝强度也随之提高。AF增多，有利于改善韧性。,AF对接头延-脆性转变温度和硬度的影响,1.2 焊缝固态相变,3) 针状铁素体（AF）,合金元素的增加使固溶强化作用大大增加，而强度提高带来的有害作用，会抵消AF的有利作用，最终反而会恶化韧性。另外，随着合金化程度的提高，焊缝组织可能出现M，在强度提高同时，焊缝韧性就势必降低。,4) 细晶铁素体（

19、FGF）,条件：生成温度比AF还低，约450左右，A晶内形成，一般有细化晶粒的元素(如Ti、B等)存在，在细晶之间有P和Fe3C存在。,1.2 焊缝固态相变,特征：板条间为小倾角，板条内的位错密度很高。,机理：在本质上，FGF介于F和B直接的转变产物，又称贝氏体铁素体。,16Mn焊缝中的FGF400,(2) 珠光体转变,1.2 焊缝固态相变,热处理平衡状态： 典型的扩散型相变，Ar1-550，C、Fe原子扩散比较容易。(P是F和Fe3C的层状混合物，领先相为Fe3C，转变温度越低，P层状结构越细) 焊接状态： 非平衡转变，P转变受到抑制(来不及充分扩散)，得到P量少，扩大了F和B转变的领域。若

20、B 、Ti合金元素，P转变全部被抑制，,(2) 珠光体转变,1.2 焊缝固态相变,根据P层状结构细密程度不同，P分为层状P (Lamellar Pearite)， 粒状珠光体(Grain Pearite, 又称屈氏体，Tyusite)和细珠光体(Fine Pearite,又称索氏体， Sorbite),F+P 400,低合金钢焊缝中的P,屈氏体 150,索氏体 160,(3) 贝氏体转变,1.2 焊缝固态相变,转变条件: 中温转变，合金元素不能扩散，C能扩散，转变温度为550Ms。 转变机理复杂，焊接条件下出现许多非平衡状态下的过渡组织。 分类： 按照B形成温度区间及其特性分为上贝氏体(Upp

21、er Bainite, BU)和下贝氏体(Lower Bainite，BL),(3) 贝氏体转变,1.2 焊缝固态相变,上贝氏体 在光学金相显微镜下观察呈羽毛状，沿奥氏体晶界析出，在平行的条状F间分布有渗碳体，形成温度550Ms之间。 下贝氏体 AF和针状Fe3C机械混合，针与针之间呈一定角度，F内分布有碳化物颗粒，形成温度区间为450Ms之间,BU 500，10CrMo910，R107,BL 300，12CrMoVSiTiB，R417,(3) 贝氏体转变,1.2 焊缝固态相变,粒状贝氏体：块状铁素体形成之后，待转变的富碳A呈岛状分布在块状F中，在一定合金成分和冷却速度下这些高碳A富碳M和残余

22、A, 称为M-A组织在块状F中，M-A组织以粒状分布，即称为粒状B，若以条状存在称为条状B。,M-A组织对性能的影响取决于粒状B的A岛的分解: 快冷条件下，AM(形成M-A组元)韧性 慢冷条件下，AF+Fe3C+A残余，韧性。,(4) 马氏体转变,1.2 焊缝固态相变,当焊缝含碳量偏高或合金元素较复杂时，冷却速度快，奥氏体过冷到Ms以下形成M。根据含碳量的不同，可分为： 1) 板条M（含碳量很低） 特征：奥氏体晶粒内形成几束细条状M板条，束与 束之间有一定交角。 位错量多位错M 含碳量低低碳M强度好，韧性高(低碳低合金钢),板条马氏体显微组织特征示意图,2) 片状M,1.2 焊缝固态相变,条件

23、：C0.4 特征：马氏体片不相互平行，初始形成的M片较大，往往贯穿A晶粒。,片M存在许多细小平行的带纹孪晶带孪晶M；含碳量较高高碳M 片状马氏体性能：硬度高、脆不希望焊缝中出现中组织。,中高碳合金钢焊接，采用奥氏体焊条避免出现孪晶M 含碳量高、预热不足出现孪晶M,低合金钢焊缝的组织形态分类,1.2 焊缝固态相变,1.3 焊缝性能控制,控制焊缝性能是焊接质量控制的主要目标，具有相同化学成分的焊缝金属，由于结晶形态和组织不同，在性能上会有很大的差异。一般常规焊接构件，焊后都不再进行热处理，因此，应尽可能保证焊缝凝固以后，经凝固相变就具有良好的性能。 常用于改善焊缝金属性能的措施主要有：1、焊缝的固

24、溶强化2、变质处理（微合金化）3、调整焊接工艺 。,通过添加合金元素实现,1、焊缝金属的固溶强化和变质处理,1.3 焊缝性能控制,改善焊缝金属组织有效方法之一是向焊缝中添加某些合金元素，起到固溶强化或变质处理的作用。根据目的和要求的不同可加入不同合金元素，以改变焊缝组织形态，提高焊缝金属性能。研究表明，通过焊接材料向熔池中加入细化晶粒的合金元素，如Mo、V、Ti、Nb、B、Zr、Al和Re等，可以改变结晶形态，使焊缝金属晶粒细化，提高焊缝强度和韧性、改善抗裂性,(1) 锰和硅对焊缝性能的影响,1.3 焊缝性能控制,Mn-Si一般低碳钢和低合金钢焊缝中不可缺少的合金元素：(1)使焊缝金属充分脱氧

25、；(2) 通过固溶强化提高焊缝抗拉强度。,Mn、Si对焊缝韧性的影响比较复杂：对于低合金钢(C=0.100.13%)SAW，Mn、Si含量无论过多还是过少，韧性均下降，只有当Mn=0.81.0%、Si=0.100.25%时，冲击功最高。,(1) 锰和硅对焊缝性能的影响,1.3 焊缝性能控制,组织决定了性能： Mn0.10%：粗大的PF，韧性较低； Mn1.0%，Si0.25%：FSP，韧性较低； Mn=0.81.0%，Si=0.100.25%：形成FGF+AF，具有较高的韧性。,单纯采用Mn、Si提高焊缝的韧性是有限的，特别是在大热输入进行焊接时，仍难以避免产生粗大的FSP和PF。必须向焊缝中

26、加入其它细化晶粒的合金元素，进一步改善焊缝组织，提高韧性。,(2) 铌和钒对焊缝韧性的影响,适当的Nb和 V，焊缝韧性：通过固溶，推迟AF转变，抑制PF和FSP，促进形成AF。,1.3 焊缝性能控制,Nb和V与焊缝中的N化合形成氮化物(NbN、VN)，可以固定焊缝中可溶性的N。但若焊后不再进行正火处理，则NbN、VN以微细共格沉淀相存在，焊缝强度，韧性。,一般不通过焊接材料向低合金钢焊缝中加入Nb和V，只有经过正火处理的焊缝，才可通过焊接材料向焊缝添加Nb和V，使V、Nb和N的析出相脱离与基体共格关系，以改善韧性和降低强度。,单加Nb时对焊缝韧性的影响,V、Nb、Ti共存时对焊缝韧性的影响,(

27、2) 铌和钒对焊缝韧性的影响,1.3 焊缝性能控制,(3) 钛、硼对焊缝韧性的影响,Ti 和 B同时存在可提高焊缝韧性： 1) Ti和O亲和力很大，形成细小的TiO颗粒弥散分布于焊缝中，促进晶粒细化：冷却相变，TiO钉扎晶粒边界，阻碍奥氏体晶粒长大，细化晶粒；Ti和N也有类似作用。,1.3 焊缝性能控制,2) 低合金钢焊缝中O和N的含量不同，Ti和B的最佳含量也不同。,3) Ti在焊缝保护B不被氧化，B作为原子态偏聚A晶界，降低了晶界能，抑制PF，促使形成AF，改善焊缝韧性。,(4) 钼对焊缝韧性的影响,低合金钢焊缝中加入少量Mo不仅提高强度，同时也能改善韧性。,1.3 焊缝性能控制,Mo0.

28、5%时：AF转变温度降低，形成板条状的BU(无碳贝氏体)；这两种情况下韧性均显著下降。 Mo=0.20.35%，有利于形成均一的FGF，提高焊缝韧性。,1.3 焊缝性能控制,如果Ti与Mo同时加入时，更有利于发挥Mo的有益作用，使焊缝的组织更加均一化，韧性显著提高。研究表明，对于Mo-Ti系焊缝金属，当Mo=0.20%0.35%、Ti=0.030.05%时可得到成均一的FGF组织，韧性较高，0 Sharpy冲击功可达100J以上。,(5) 稀土元素对焊缝金属性能的影响,按性质稀土分为两类: 重稀土：钇(Y)、铽(Tb)、镐(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)，习

29、惯称Y组(钇组) 轻稀土：镧(La)、铈(Ce)、镨(Pu)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)和铕(Eu)，习惯称Ce组(铈组) 作用： (1) 脱氢、脱氧、脱氮 (2) 改变夹杂物形态，改善组织、改善抗裂性、提高韧性,1.3 焊缝性能控制,Te：(1) 去H2，抗冷裂增加;(2) 与稀土(Y或Ce)一同加入，进一步降氢，细化组织，提高低温韧性。 机制：(1)Te使铁水表面活化的作用，降低表面张力，使吸附和溶解于液态金属中的氢大大减少；(2) 稀土是熔池表面的活化剂，同时具有较强的溶氢能力，并使夹杂物球化，使之弥散分布。,1.3 焊缝性能控制,(6) 碲元素对焊缝金属性能的影响,总结 Mn、

30、Si固溶强化 Ti、B、Zr、Re变质处理 V、Nb、Mo二者兼有。,1.3 焊缝性能控制,2、调整焊接工艺改善焊缝的性能,1.3 焊缝性能控制,(1) 调解焊接工艺参数,调节焊接工艺参数(焊接电流、电弧电压、焊接速度、预热温度、送丝速度等) 可以控制母材半熔化区晶粒大小、熔池的温度梯度、冷却速度和几何尺寸，最终控制晶粒尺寸和成长方向。在不预热情况下，提高焊接速度、降低焊接热输入，可达到细化18-8镍铬不锈钢和低合金钢焊缝金属凝固组织，消除镍基合金微裂纹。,采用小线能量焊接，可以减小熔池尺寸和液态金属过热度，同时提高了焊缝的冷却速度，可以有效地避免产生粗大的柱状晶组织。但冷却速度也不宜过快，否

31、则会引起焊缝和HAZ固态相变时产生淬火组织，增大了开裂倾向。,通过振动的方式搅拌熔池，破坏正在成长的晶粒，获得细晶组织：1) 低频机械振荡2) 高频超声波振荡3) 电磁搅拌,2、调整焊接工艺改善焊缝的性能,1.3 焊缝性能控制,(2) 振动结晶,1) 低频机械振动f10000Hz，振幅2mm。通过焊丝或工件机械方式实现，使熔池金属发生强烈地搅拌，破坏成长的晶粒，可以使成分均匀，气体杂质等快速上浮，改善焊缝凝固状态，提高焊缝性能。,2) 高频超声振动f20000Hz，振幅10-4mm。超声振动对改善熔池凝固结晶、消除气孔和结晶裂纹以及夹杂比低频振动更有效果。超声振动对正在结晶的晶粒形成强大的冲击

32、波，打断其成长过程，增加结晶中心，改变结晶形态，细化晶粒。需大功率超声波发生器，成本高。,2、调整焊接工艺改善焊缝的性能,1.3 焊缝性能控制,3) 电磁振动利用强磁场使熔池中的液态金属发生强烈搅拌，使成长的晶粒不断受到“冲洗”，造成较大的剪应力，使晶粒破碎。一方面可以打乱结晶方向、改变结晶形态、细化晶粒，另一方面可以降低焊接区的残余应力。方法麻烦。,焊后热处理可以改善整个焊接接头的组织，充分发挥焊接结构的潜在性能。因此，一些重要的焊接结构，一般都要进行焊后热处理，以改善结构的性能。复杂的大型焊接结构采用整体热处理仍有困难，常采用局部热处理来改善焊接接头的性能。,2、调整焊接工艺改善焊缝的性能

33、,1.3 焊缝性能控制,(3) 焊后热处理,(4)多层焊对于相同板厚焊接结构，采用多层焊接可以有效地提高焊缝金属的性能： 1) 由于每层焊缝变小而改善了凝固结晶条件； 2) 后一层对前一层焊缝具有附加热处理的作用，可以改善焊缝固态相变的组织。 生产效率低！,(5) 跟踪回火处理所谓跟踪回火，就是每焊完一道焊缝立即用气焊火焰加热焊道表面，温度控制在900 1000C 左右。不仅改善了焊缝的组织，同时也改善了整个焊接区的性能焊接质量得到显著的提高。,(6) 高能束扫描 EBW、LBW：利用电子束或激光束本身的周期性横向扫动，以一定距离熔切生长的晶体，不仅控制焊缝金属晶粒大小，还消除了结晶裂纹、根部

34、气孔、钉尖缺陷和偏析。,1.3 焊缝性能控制,(7) 锤击焊道表面锤击焊道表面既能改善后层焊缝的凝固结晶组织，也能改善前层焊缝的固态相变组织：锤击焊道可使前一层焊缝(或坡口表面)不同程度地晶粒破碎，使后层焊缝在凝固时晶粒细化，这样逐层锤击焊道就可以改善整个焊缝的组织性能。锤击可产生塑性变形而降低残余应力，从而提高焊缝的韧性和疲劳性能。,思考题,1、焊接溶池凝固与一般铸锭凝固有何不同的特点? 2、试述熔池的结晶线速度与焊接速度的关系. 3、简述熔池的结晶形态,并分析结晶速度、温度梯度和浓度对结晶形态的影响。 4、试述低合金钢焊缝固态相变的特点，根据组织特征如何获得有益组织和避免有害组织?,1.3 焊缝性能控制,