第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 1
第三章
熔池凝固和焊缝固态相变
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 2
第四节 焊缝性能的控制
第一节 熔池凝固
第二节 焊缝固态相变
第三节 焊缝中的气孔和夹杂
第三章 --熔池凝固和焊缝
固态相变
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 3
重点内容
1、熔池凝固条件和特点及一般规律
2、各钢种焊缝的固态相变组织的转变
3、焊缝中的气孔和夹杂问题
4、焊缝性能问题讨论
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 4
§ 3-1 熔池凝固
一、熔池的凝固条件和特点
?
1,熔池体积小，冷却速度大
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
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 5
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 6
二、熔池结晶的一般规律
焊接时，熔池金属的结晶与一般炼钢时
钢锭的结晶一样，也是在过冷的液体金
属中，首先形成晶核和晶核长大的结晶
过程。 生核热力学条件 是过冷度而造成
的自由能降低； 生核的动力学条件 是自
由能降低的程度。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 7
1.生核
熔池中晶核的生成分为：非自发晶核、自发
晶核。形成两种晶核都需要能量
1)自发晶核
自发临界晶核所需的能量
2
3
3
16
FrEr ??
??
б,新相与液相间的表面张力系数。
ΔFr,单位体积内液固两相自由能之差 。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 8
2)非自发形核
θ,非自发晶核的浸润角
θ =0℃ E K`=0
? ?4 c o sc o s32316` 323 ???? ??
?
?
rF
kE
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 9
焊接时存在两种非自发晶核质点，一种是
合金元素，另一种是现成表面，焊接熔池
边界，正是固液相的相界石，熔池边界半
熔化的母材晶粒表面为新相晶核的“基
底, 。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 10
2．成长
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。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 11
焊接熔池边界正是固
液相的相界面，熔池边
界的部分熔化的母材晶
粒表面完全可能成为新
相晶核的, 基底,,
非均匀生核，焊缝金属
呈柱状晶形式与母材相
联系，好似母材晶粒外
延长大。这种 依附于母
材晶粒现成表面而形成
共同晶粒的凝固方式，
称为外延结晶或联生结
晶 。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 12
三、熔池结晶线速度
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 13
在厚大焊件的表面上快速堆焊
α,热扩散率 （ cm2/s）
vc, 晶粒成长的平均速度
v, 焊速
θ, v0和 vc的夹角
? ?? ? 212
2
2
2
2
2
1
1co s
?
??
???
KK
KK
Ta
q
Y
Y
M
A ? ??
薄板上自动焊接
? ? 2
1
2
2
1
21c o s
?
? ??
?
??
? ?
?
??
?
???
y
y
k
k
Tmh
qA
??
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 14
1、晶粒成长的平均线速度是变化的
晶粒成长方向和线速度是变化的，在熔合线处
最小，在焊道中心处最大，为焊速。
2,焊接规范的影响
当焊速大时,则 θ 越大，晶粒主轴的成
长方向垂直于焊缝中心线，称为定向晶。
当焊速小时，晶粒主轴的成长方向弯曲，
形成偏向晶。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 15
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 16
四、金属的微观结晶形态
（一）．纯金属的结晶形态
① G>0时 G------温度梯度（正的温度梯
度）液相温度固相，过冷度小，结晶缓
慢，形成平面晶。
② G<0液体内部温度比界面低，进过冷度
大，晶粒成长速度大，形成树枝晶。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 17
a)G>0时的温度分布 b)G<0时的温度分布
c)G>0时的界面结晶形态 d)G<0时的界面结晶形态
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 18
（二）．固溶体合金的结晶形态
在任意 T，溶质 B在液态 A是的浓度为
CL`，在固态 A中浓度为 CS，分配系数
金属结晶，温度过冷，合金的结晶形
态除了 温度过冷,还存在 成分起伏 造
成成分过冷，由于过冷成度不同形成
不同的结晶形态。
L
S
C
CK ?
0
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 19
三,浓度过冷对结晶形态的影响
1、平面结晶
产生条件：过冷度＝ 0，无成分过冷
特征：平面晶（ G正温度梯度很大时）
平面结晶形态发生在结晶前沿没有浓
度过冷的情况下。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 20
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 21
2,胞状结晶
产生条件：过冷度很小。
特征：断面六角形，细胞或蜂窝状。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 22
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 。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 23
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 。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 24
5、等轴晶
产生条件：过冷度大。
特征：结晶前沿长出粗大树枝晶，液相内，
可自发生核，形成自由长大的等轴树枝晶。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 25
（四）、焊接条件下的凝固形态
焊缝成分对结晶形态有影响，还与焊接
规范参数有关。熔池中成分过冷的分布
在焊缝的不同部位是不同的，将会出现
不同的结晶形态 。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 26
1、溶质浓度影响
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
2、焊接速度的影响
V↑,熔池中心出现等轴晶。
V小，熔合线附近出现胞状树枝晶。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 27
3、电流的影响
I小,胞状晶,
I较大,胞状树枝晶
I大,粗大树枝晶
焊接速度过大时，焊缝中心出现等
轴晶，低速时，焊缝中心有胞状树
枝晶。焊接电流大时，出现粗大的
树枝晶。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 28
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 29
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 30
五、焊缝金属的化学不均匀性
（一） 焊缝中的化学不均匀性
化学不均匀性：结晶过程中化学成分的一
种偏析现象。
1.显微偏析,→ 枝晶偏析
指晶粒边界或一个晶粒内部亚晶界或树枝
状晶的晶枝之间的偏析。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 31
晶轴上含有
熔点较高的
成分，熔点
较低的成分
则集中在枝
晶枝干与枝
干间的孔隙
以及柱状枝
晶的晶粒边
界，称枝晶
偏析。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 32
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 33
2、宏观偏析（区域偏析）
指焊缝边缘到焊缝中心，宏观上的成分不均
匀性，焊缝金属以柱状晶长大，把杂质推向
熔池中心，中心杂质浓度逐渐升高，使最后
凝固的部位发生较严重的偏析,
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 34
3.层状偏析
由于化学成分分布不均匀引起分层现象。焊
缝横断面经浸蚀之后，可以看到颜色深浅不
同的分层结构形态称为结晶层。
1）特征
（１） 晶粒主轴与层状线垂直,越先靠近熔合
线处越清析，远离熔合线不清晰，线距越宽
。(2)层状线与熔合线轮廓相似，但层与层的间
距并不相等。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 35
(3)层状线的存在，一般相溶质 (特别是硫 )的不
均匀分布有重要关系。可将每一个结晶层大体
区分为三个小区域：
初始区 溶质富集区，即溶质成分高于平均
浓度的区域。在侵蚀照片上呈最暗黑的颜色。
中间区 为平均浓度区，是结晶层中最宽的一
段．其特征为溶质成分均匀，颜色稍暗。
结尾区 为溶质贫化区，即溶质成分低于平
均浓度的区域，颜色最为浅淡。
（４）层状线不是连续的，是间断的链状偏析
带。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 36
危害,层状偏析不仅
造成焊缝力学性能不
均匀性，还可沿层状
线形成裂纹或气孔。
产生原因, R变化 快速凝
固时析出潜热及熔滴过渡带
来的附加热脉冲作用等，是
促使成长速度 R发生变化以
及凝固过程发生瞬间停顿的
主要原因。成长中的柱晶前
沿的温度梯度 G，对凝固过
程的瞬间停顿有相当大的影
响。枝晶前沿的 温度梯度 G
较大时，结晶潜热或其他附
加热作用容易使柱晶前沿的
温度急剧增高，而易于促使
凝固过程停顿。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 37
（二）熔合区的化学不均匀性
1熔合区的形成
热传播不均匀
晶粒的传热方向不同
2熔合区的宽度
其中,A----------熔合区的宽度（ mm）
-------温度梯度 (℃ /mm)
TL----------被焊金属的液相线 (℃ )
TS----------被焊金属的固相线 (℃ )
G
TTTT SL
Y
T
SLA ?? ??
?
?
YT??
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 38
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 39
3、熔合区的成分分布
1）化学不均匀性对于一般钢铁材料而言，
合金元素在液相中的溶解度大于固相中
的溶解度,熔合区是液固两本共存的地方,
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 40
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 41本节结束
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 42
凝固过渡层的形成
由于凝固过程中母材与焊条熔敷金属末能很好混合而
形成未混合区 (或不完全混合区 )，焊后可以立即发现
。这是一种表现 化学不均匀性的过渡层，由于与凝固
过程有关，可称为, 凝固过渡层, 。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 43
碳迁移过渡层的形成
是 α 类钢 (体心立方
的珠光体钢 )与 γ 类
钢 (面心立方的奥氏
体钢 )焊接时出现的
一种 熔合区碳迁移
现象。
碳在 α —Fe中的扩散活
动能力均比在 γ —Fe中
大得多
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 44
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 45
晶界液化现象
在近缝区，特别是在半熔化区，常可因下一些过
程而促使产生化学不均匀性。
晶界发生迁移，从而使最易扩散活动的物质 (C，
S,P等 )易于被推动而析集干晶界；
母材的带状偏析组织与原奥氏体晶界交合时的
局部熔化而造成的溶质偏析；
共存因液相间的相互作用 (分布系数 K0＜ 1)，使
溶质易于转入液相之中，从而使晶界偏析增大 (“
上坡, 扩散 )；
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 46
不均匀的局部熔化所造成的溶质偏析
现象，与晶格位向不同的晶界具有不同的
能量有关；
不均匀的新相沉淀 (硫化物、碳化物、
氮化物 )。
近缝区的晶界偏析常常会促使在真实固相
线以下产生所谓晶界局部液化现象。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 47
2）物理不均匀性
近缝区,半熔化区在不平衡加热时,出现
空位和位错,残余应力,因此熔合区组织,性
能不均的,成为焊接接头薄弱环节。
温度对空位数量的影响如下式所示
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 48
空位的平衡浓度与温度成比例。接头冷却过
程中，空位的平衡浓度显然要下降，在不平
衡冷却时，空位必处于过饱和状态，超过平
衡浓度的空位则要向高温部位发生运动，而
半熔化区本身就易于形成较多空位，因此，
熔合线附近将是空位密度最大的部位。 这
种空位的聚合可能是熔合区延迟断裂的原因
之一。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 49
熔合区不仅存在化学不均匀性，还有物理
性质 (导热系数和膨胀系数 )的不均匀性，
甚至也有力学 (屈服强度和弹性模量 )的不
均匀性，这些都会在熔合区引起较大的残
余应力。
残余应力的形成
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 50
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 51
§ 3-2 焊缝固态相变
一、低碳钢焊缝的固态相变组织
低碳钢焊缝组织,F＋少量 P
过热时产生 W。
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+20~30%消
失柱状晶。
3)冷却速度：冷却速度 ↑,硬度 ↑
?
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 52
低碳钢焊缝的魏氏组织
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 53
二、低合金钢焊缝的固态相变组织
低合金钢焊缝二次组织，随匹配焊接
材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，则延性－脆
性转变，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,
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 54
(一 )铁素体转变
焊缝中铁素体的类型
?
（ 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 γ→α,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。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 55
（ 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素体，实
质是魏氏组织。其长宽比在 20：１以上。侧板条铁
素体在低合金钢焊缝中不一定总是存在，但出现的
机会比母材多。
当先共析铁素体和侧板条铁素体长大时，其
γ ／ α 界面上 γ 一侧的碳浓度增加，极为接近共析
成分，故 γ 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。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 56
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 57
（ 3）针状铁素体（ AF）
出现于原奥氏体晶内的有方问性的细小铁素体
．宽约 2μm 左右，长宽比多在 3,1以至 10,1的范
围内。针状铁素体可能是以氧化物或氮化物 (如 TiO
或 TiN)为基点，呈放射状生长，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。针状铁素体晶内
位错密度较高，为先共析铁素体的 2倍左右。位错
之间也互相缠结，分布也 不均匀，但又不同于经受
剧烈塑性形变后出现的位错形态。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 58
（ 4）细晶铁素体 (FGF),(贝氏体铁素体 )
生成于４ 50℃ 以下。板条间为小倾角，板条
内的位错密度很高。
如在用不同强度级别焊条所焊接的焊缝，
J507焊条的焊缝中有 FSP，其间存在的确为珠光体
，未见 M－ A；
J707焊条的焊缝中，出现的是块状 M－ A组元；
J807焊条的焊缝中已无 PF,M—A组元呈颗粒状；
J907焊条的焊缝中，因合金化程度提高而出现板
条状马氏体，部分 M－ A组元由颗粒状变成条状。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 59
AF
FGF+P
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 60
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。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 61
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 LF以及 M，在强度提高同时，焊缝韧性就
势必降低。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 62
(二 )、珠光体转变
热处理平衡状态
珠光体转变 Ar--550℃ C, Fe原子扩散比
较容易。珠光体转变扩散型相变。（ P是
F和 Fe3C的层状混合物领先相 Fe3C）
焊接状态,非平衡转变，得到 P量少，
珠光体转变量小。若 B, Ti合金元素,P
转变全部被抑制，
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 63
P+F
粒 P+AF
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 64
（三）、贝氏体转变
贝氏体转变机理复杂
上贝氏体特征：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间分布有渗碳休形成温度
550℃~M s之间。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 65
粒贝
羽状 Bu+板 M
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 66
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，块状 F中，这些高碳 A→ 富碳
M，和残余奥氏体。称为 M－ A组织
在块状 F中,M－ A组织以粒状分布，因
此称粒状贝氏体,若 以条状存在称为条
状 B氏体 。（强度韧性影响争论不一）若
以条状存在称为条状 B氏体 。
下贝氏体,针状,力学性能优异,
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 67
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 68
（四）、马氏体转变
当焊缝含碳量偏高或合金元素较复杂时，
冷却速度快,Ms形成 M。
1、板条 M（含碳量很低）
特征：奥氏体晶粒内形成几束 M板条，束
与束之间有一定高角。
位错量多 → 位错 M
含碳量低 → 低碳 M 强度好，韧性高
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 69
板条马氏体显微组织特征示意图
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 70
板 M与 M-A
M+M-A
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 71
2,片状 M
C≥0, 4％
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。
透射电镜观察，片 M存在许多细小平行的
带纹－孪晶带，硬度高、脆。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 72
M+M-A
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 73
§ 3-3 焊缝中的气孔和夹杂
一、焊缝中的气孔
（一） 气孔的类型及分布特征
气孔有的产生在焊缝表面，也有的产生在
内部，有的以单个存在，有的成堆出现。
一类：高温时溶解的气体 H2 N2
二类：冶金反应产生的气体 CO和 H2O
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 74
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 75
1、氢气孔
特征,多出现在焊缝表面，断面形状多为
螺钉状，从焊缝表面看呈园喇叭口形，气孔
的四周有光滑内壁。有个别残存在内部，以
小圆球状存在 。
产生原因,焊接过程中，熔池金属吸收大
量的氢气，在冷却和结晶过程中，氢的溶解
度发生了急剧下降，熔池冷却速度快，来不
及逸出，残存在内部，发生了氢的过饱和，
使焊缝中形成具有喇叭口形的表面气孔。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 76
2,CO气孔
特征,焊缝内部，条虫状，表面光滑。
产生原因,高温冶金反应。 CO不溶于液态
金属，在高温时,CO以气泡的形式猛烈地
逸出，但熔池结晶时,η↑, CO不易逸出
，此反应为吸热反应，促使结晶速度加快，
CO形成气泡不能逸出，沿结晶方向形成条
虫形内气孔。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 77
二、气孔形成机理
气孔的形成：生核 ---长大 ----逸出：
1）浮出：无气孔
2）浮不出：气孔
1,气泡的生核
具备条件：①液态金属中有过饱和的气体
②要消耗一定的能量
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 78
消耗的能量
单位时间形成气泡核的数目
KT
rrCen
3
24 ??
?
2210*2.1610 ??n
形成气泡核所需能量为
? ? ? ?? ??? c o s11 ????? FFalnp FVPPE
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 79
2、长大
Ph>P0
Ph>PH2+PN2+PCO+…….
P0>Pa+Pm+Ps+…
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 80
即气泡长大的条件为
??21 ??? ca pPPn ?
气泡形成初期,r很小，附加压 Pc则很大，
气泡很难形成。焊接时，由于熔池内存在
着很多现成表面，如柱状晶粒和液态金属
相接触的地方形成，这些地方由于界面张
力的作用，气泡不成园形，可以得到较大
的曲率半径 r使 Pc减小。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 81
3、气泡上浮
1）气泡核脱离表面主要与气泡 ---液体金属
---现成表面界面张力及接触角有关
平衡时：
气液
液现气现
气液液现气现
?
??
?
????
?
?
??
c o s
c o s
当 θ<90,有利于气泡上
浮，气泡形成的快，完全
脱离现成表面。
当 θ<90,由于形成细颈过
程需要时气，若结晶速度
＞气泡脱离现成表面的速
度，就会形成气孔
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 82
2）结晶速度,
v较小时，气泡有充分时间逸出，无气孔，气泡
易上浮； v大时，气泡上浮时间短，可能残余在焊
缝内部。
3）气泡上浮速度,
? ?
?
?? 221
9
2 grv ??
① 当 r↑,v↑易浮出
②液体金属密度越大,v↑不易形成气孔
③ η 影响最大,T↑,η ↑ 易上浮 v↑ 。
T↓ η ↑,V↓ 易形成气孔
?
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 83
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 84
（三）影响生成气孔的因素及防
止措施
冶金因素、工艺因素二个方面讨论。
1,冶金因素的影响
1）熔渣与弧柱气氛的氧化性
［ C］ × ［ 0］ CO↑H2↓
氧的活度 ax
?
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 85
2）熔渣成分影响
氟化钙脱氢机理
氧化物脱氢机理
酸性焊条脱氢是靠较强氧化物,
碱性焊条脱氢是靠碳酸盐分解,产生较强
氧化性,OH
氟化物脱氢
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 86
3）铁锈及水份的影响
3Fe2O3=2 Fe3O4+O
2 Fe3O4+H2O=3 Fe2O3+H2
Fe+H2O= FeO+H2
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 87
2、工艺因素影响
1）焊接规范的影响
?电流 ↑,熔池存在时间 ↑,气体外逸 ;
熔滴尺寸 ↓，比表面积 ↑，易产生气孔
熔深 ↓,不易使气体逸出
焊条电阻热 ↑，药皮提前脱落，易产生气孔,
?电压 ↑,N气孔 ↑；
?焊速 ↑,气孔增加,
?
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 88
2）电流种类及极性
3.工艺操作
直流反接，气孔小（溶滴为正）
直流正接，气孔多（溶滴为阴极收）
交流焊接，气孔更多
?
① 焊件去油、锈；
②烘干焊条；
③短弧焊 ?
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 89
二、焊缝夹杂
一,焊缝夹杂
1,氧化物 SiO2,MnO,TiO2,Al2O3---
热裂，层状撕裂
2,氮化物 Fe4N 脆硬相，硬度 ↑ 韧性 ↓
硫化物 FeS MnS
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 90
防止措施
1）选用合理规范，以利于熔渣的浮出；
2）多层焊时，清渣；
3）焊条摆动；
4）保护溶池，防止空气侵入。
本节结束
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 91
§ 3-4 焊缝性能控制
控制焊缝性能是控制焊接质量的主要目
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 。 一般常归的焊接构件, 焊后都不再进行
热处理, 因此, 应尽可能保证焊缝凝固以后
,经过凝固相变就具有良好的性能 。
在焊接工作中用于改善焊缝金属性能的途经
很多，但主要是焊缝的固溶强化、变质处理
（微合金化）和调整焊接工艺 。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 92
一、焊缝金属的固溶强化和
变质处理
对于低合金结构钢的焊缝金属, 最有害的脆
化元素是 S,P,N,o,H,必须加以限制 。
铁素体化元素 与 奥氏体化元素 的影响有些差
异 。 一般来说, 铁素体化元素对韧性不太有
利, 强化作用越强烈, 对韧性越有害 。 奥氏
体化元素中 c的作用最为不利 ；而 Mn与 Nｉ
则在相当大的含量范围内 有利于改善焊缝韧
。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 93
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 94
（一） 锰和硅对焊缝性能的影响
强度较低的 Mn—si系焊缝金属,
Mn,Si数量少时，形成粗大的铁素体；
提高 Mn,Si数量则可形成针状铁素体 AF，
超过一定量后，可形成块状铁素体 LF。
Mn,Si量有最佳范围,Mn／ Si值为 3—6。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 95
强度较高的高强钢焊缝,
在 AF之间会产生一定数量的 M-A组元。
调整 Mn,Ni数量以获得单一的微细 AF。
Mn,Ni数量较少时，岛状相部分分解为铁
素体和渗碳体，还可有先共析铁素体；
Mn,Ni过多：形成 LF，还可能产生 M。
Mn Si单纯加入提高焊缝韧性有限。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 96
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 97
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 98
（二） 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 A→F 转变,抑制 GBF和 FSP,利于形
成 AF.
NbN,VN以微细共格沉淀相存在，焊缝强度 ↑
韧性 ↓ 。只有正火处理，改善焊缝韧性。
因此，一般不加 Nb和 V。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 99
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 100
（三） 钛、硼对焊缝韧性的影响
Ti 和 B同时存在可提高焊缝韧性
Ti和 O亲和力比较大，形成细小的（ TiO）细化
晶粒。
Ti保护 B不被氧化,B偏聚 A晶界，抑制 GBF和
PF，利于形成 AP。
合适加入量
Ti＝ 0.01~0.02% B=0.002~0.006%.
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 101
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 102
（四） 钼对焊缝韧性的影响
M0 焊缝的强度 ↑ 韧性 ↑
M0<0.2% 时,A→F 转变温度提高,形成 PF
M0>0.5%时,A→F 转变降低,形成 B上
合适量 0.2-0.35%,形成细晶铁素体,
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 103
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 104
（五） 稀土元素对焊缝金属性能的影响
稀土分为两类,
重稀土,Y(钇组 )
轻稀土,Ce(铈组 )
作用：脱氢、脱氧、脱氮
改变夹杂物形态
提高韧性
减少裂纹
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 105
（六） 碲在焊缝中的作用
碲：去 H2
抗冷裂
与稀土一同加入，提高韧性。
总结, Mn,Si固溶强化
Ti,B,Zr、Ｒｅ变质处理
V,Nb,Mo二者兼有。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 106
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 107
二、调整焊接工艺改善焊缝的
性能
（ 一 ） 振动结晶
低频机械振动
高频超声振动
电磁振动
振动频率 10000Hz以下
振动频率 20000Hz以下
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 108
（二） 焊后处理
（三） 多层焊接
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 109
（四） 锤击焊道表面
BTR BTR
焊接方向
熔池
锤击位置
焊接方向
沿焊缝中心线温度分布 沿焊缝中心线温度分布
熔池
锤击位置
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 110
（五） 跟踪回火处理
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 111
本章小结
本章重点介绍了熔池凝固条件和特点
及一般规律以及各钢种焊缝的固态相
变组织的转变，对于焊缝中的气孔、
夹杂和焊缝性能问题进行了讨论,并论
述了合金元素改善焊缝性能及处理工
艺,
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 112
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、分析焊缝和熔合区的化学不均匀性，为什
么会形成这种不均匀性?
５、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?
６、分析粒状贝氏体 Bg和 M-A组元的形成原因
及其对焊缝性能的影响。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 113
７、试述氢气和ＣＯ气孔的形成原因、特征及如何防
止。
８、用一分为二的观点分析夹杂物对焊缝金属性能的
影响。
９、分析微量元素 (Ｍ o、Ｎ b、Ｔ i、Ｂ、Ｖ、稀土等 )
对焊缝性能的影响，并考虑它们之间的相互作用及分
析原因。
10,某厂用 E5015焊条焊接时，在引弧和弧坑处产生
气孔，分析其有原因，并提出解决方法
11,如 16Mn母材中含有高的 S,P应如何保证焊缝金属
韧性？
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 114
本章结束
第三章
熔池凝固和焊缝固态相变
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 2
第四节 焊缝性能的控制
第一节 熔池凝固
第二节 焊缝固态相变
第三节 焊缝中的气孔和夹杂
第三章 --熔池凝固和焊缝
固态相变
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 3
重点内容
1、熔池凝固条件和特点及一般规律
2、各钢种焊缝的固态相变组织的转变
3、焊缝中的气孔和夹杂问题
4、焊缝性能问题讨论
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 4
§ 3-1 熔池凝固
一、熔池的凝固条件和特点
?
1,熔池体积小，冷却速度大
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
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 5
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 6
二、熔池结晶的一般规律
焊接时，熔池金属的结晶与一般炼钢时
钢锭的结晶一样，也是在过冷的液体金
属中，首先形成晶核和晶核长大的结晶
过程。 生核热力学条件 是过冷度而造成
的自由能降低； 生核的动力学条件 是自
由能降低的程度。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 7
1.生核
熔池中晶核的生成分为：非自发晶核、自发
晶核。形成两种晶核都需要能量
1)自发晶核
自发临界晶核所需的能量
2
3
3
16
FrEr ??
??
б,新相与液相间的表面张力系数。
ΔFr,单位体积内液固两相自由能之差 。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 8
2)非自发形核
θ,非自发晶核的浸润角
θ =0℃ E K`=0
? ?4 c o sc o s32316` 323 ???? ??
?
?
rF
kE
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 9
焊接时存在两种非自发晶核质点，一种是
合金元素，另一种是现成表面，焊接熔池
边界，正是固液相的相界石，熔池边界半
熔化的母材晶粒表面为新相晶核的“基
底, 。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 10
2．成长
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。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 11
焊接熔池边界正是固
液相的相界面，熔池边
界的部分熔化的母材晶
粒表面完全可能成为新
相晶核的, 基底,,
非均匀生核，焊缝金属
呈柱状晶形式与母材相
联系，好似母材晶粒外
延长大。这种 依附于母
材晶粒现成表面而形成
共同晶粒的凝固方式，
称为外延结晶或联生结
晶 。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 12
三、熔池结晶线速度
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 13
在厚大焊件的表面上快速堆焊
α,热扩散率 （ cm2/s）
vc, 晶粒成长的平均速度
v, 焊速
θ, v0和 vc的夹角
? ?? ? 212
2
2
2
2
2
1
1co s
?
??
???
KK
KK
Ta
q
Y
Y
M
A ? ??
薄板上自动焊接
? ? 2
1
2
2
1
21c o s
?
? ??
?
??
? ?
?
??
?
???
y
y
k
k
Tmh
qA
??
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 14
1、晶粒成长的平均线速度是变化的
晶粒成长方向和线速度是变化的，在熔合线处
最小，在焊道中心处最大，为焊速。
2,焊接规范的影响
当焊速大时,则 θ 越大，晶粒主轴的成
长方向垂直于焊缝中心线，称为定向晶。
当焊速小时，晶粒主轴的成长方向弯曲，
形成偏向晶。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 15
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 16
四、金属的微观结晶形态
（一）．纯金属的结晶形态
① G>0时 G------温度梯度（正的温度梯
度）液相温度固相，过冷度小，结晶缓
慢，形成平面晶。
② G<0液体内部温度比界面低，进过冷度
大，晶粒成长速度大，形成树枝晶。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 17
a)G>0时的温度分布 b)G<0时的温度分布
c)G>0时的界面结晶形态 d)G<0时的界面结晶形态
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 18
（二）．固溶体合金的结晶形态
在任意 T，溶质 B在液态 A是的浓度为
CL`，在固态 A中浓度为 CS，分配系数
金属结晶，温度过冷，合金的结晶形
态除了 温度过冷,还存在 成分起伏 造
成成分过冷，由于过冷成度不同形成
不同的结晶形态。
L
S
C
CK ?
0
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 19
三,浓度过冷对结晶形态的影响
1、平面结晶
产生条件：过冷度＝ 0，无成分过冷
特征：平面晶（ G正温度梯度很大时）
平面结晶形态发生在结晶前沿没有浓
度过冷的情况下。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 20
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 21
2,胞状结晶
产生条件：过冷度很小。
特征：断面六角形，细胞或蜂窝状。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 22
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 。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 23
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 。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 24
5、等轴晶
产生条件：过冷度大。
特征：结晶前沿长出粗大树枝晶，液相内，
可自发生核，形成自由长大的等轴树枝晶。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 25
（四）、焊接条件下的凝固形态
焊缝成分对结晶形态有影响，还与焊接
规范参数有关。熔池中成分过冷的分布
在焊缝的不同部位是不同的，将会出现
不同的结晶形态 。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 26
1、溶质浓度影响
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
2、焊接速度的影响
V↑,熔池中心出现等轴晶。
V小，熔合线附近出现胞状树枝晶。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 27
3、电流的影响
I小,胞状晶,
I较大,胞状树枝晶
I大,粗大树枝晶
焊接速度过大时，焊缝中心出现等
轴晶，低速时，焊缝中心有胞状树
枝晶。焊接电流大时，出现粗大的
树枝晶。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 28
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 29
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 30
五、焊缝金属的化学不均匀性
（一） 焊缝中的化学不均匀性
化学不均匀性：结晶过程中化学成分的一
种偏析现象。
1.显微偏析,→ 枝晶偏析
指晶粒边界或一个晶粒内部亚晶界或树枝
状晶的晶枝之间的偏析。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 31
晶轴上含有
熔点较高的
成分，熔点
较低的成分
则集中在枝
晶枝干与枝
干间的孔隙
以及柱状枝
晶的晶粒边
界，称枝晶
偏析。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 32
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 33
2、宏观偏析（区域偏析）
指焊缝边缘到焊缝中心，宏观上的成分不均
匀性，焊缝金属以柱状晶长大，把杂质推向
熔池中心，中心杂质浓度逐渐升高，使最后
凝固的部位发生较严重的偏析,
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 34
3.层状偏析
由于化学成分分布不均匀引起分层现象。焊
缝横断面经浸蚀之后，可以看到颜色深浅不
同的分层结构形态称为结晶层。
1）特征
（１） 晶粒主轴与层状线垂直,越先靠近熔合
线处越清析，远离熔合线不清晰，线距越宽
。(2)层状线与熔合线轮廓相似，但层与层的间
距并不相等。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 35
(3)层状线的存在，一般相溶质 (特别是硫 )的不
均匀分布有重要关系。可将每一个结晶层大体
区分为三个小区域：
初始区 溶质富集区，即溶质成分高于平均
浓度的区域。在侵蚀照片上呈最暗黑的颜色。
中间区 为平均浓度区，是结晶层中最宽的一
段．其特征为溶质成分均匀，颜色稍暗。
结尾区 为溶质贫化区，即溶质成分低于平
均浓度的区域，颜色最为浅淡。
（４）层状线不是连续的，是间断的链状偏析
带。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 36
危害,层状偏析不仅
造成焊缝力学性能不
均匀性，还可沿层状
线形成裂纹或气孔。
产生原因, R变化 快速凝
固时析出潜热及熔滴过渡带
来的附加热脉冲作用等，是
促使成长速度 R发生变化以
及凝固过程发生瞬间停顿的
主要原因。成长中的柱晶前
沿的温度梯度 G，对凝固过
程的瞬间停顿有相当大的影
响。枝晶前沿的 温度梯度 G
较大时，结晶潜热或其他附
加热作用容易使柱晶前沿的
温度急剧增高，而易于促使
凝固过程停顿。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 37
（二）熔合区的化学不均匀性
1熔合区的形成
热传播不均匀
晶粒的传热方向不同
2熔合区的宽度
其中,A----------熔合区的宽度（ mm）
-------温度梯度 (℃ /mm)
TL----------被焊金属的液相线 (℃ )
TS----------被焊金属的固相线 (℃ )
G
TTTT SL
Y
T
SLA ?? ??
?
?
YT??
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 38
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 39
3、熔合区的成分分布
1）化学不均匀性对于一般钢铁材料而言，
合金元素在液相中的溶解度大于固相中
的溶解度,熔合区是液固两本共存的地方,
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 40
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 41本节结束
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 42
凝固过渡层的形成
由于凝固过程中母材与焊条熔敷金属末能很好混合而
形成未混合区 (或不完全混合区 )，焊后可以立即发现
。这是一种表现 化学不均匀性的过渡层，由于与凝固
过程有关，可称为, 凝固过渡层, 。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 43
碳迁移过渡层的形成
是 α 类钢 (体心立方
的珠光体钢 )与 γ 类
钢 (面心立方的奥氏
体钢 )焊接时出现的
一种 熔合区碳迁移
现象。
碳在 α —Fe中的扩散活
动能力均比在 γ —Fe中
大得多
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 44
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 45
晶界液化现象
在近缝区，特别是在半熔化区，常可因下一些过
程而促使产生化学不均匀性。
晶界发生迁移，从而使最易扩散活动的物质 (C，
S,P等 )易于被推动而析集干晶界；
母材的带状偏析组织与原奥氏体晶界交合时的
局部熔化而造成的溶质偏析；
共存因液相间的相互作用 (分布系数 K0＜ 1)，使
溶质易于转入液相之中，从而使晶界偏析增大 (“
上坡, 扩散 )；
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 46
不均匀的局部熔化所造成的溶质偏析
现象，与晶格位向不同的晶界具有不同的
能量有关；
不均匀的新相沉淀 (硫化物、碳化物、
氮化物 )。
近缝区的晶界偏析常常会促使在真实固相
线以下产生所谓晶界局部液化现象。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 47
2）物理不均匀性
近缝区,半熔化区在不平衡加热时,出现
空位和位错,残余应力,因此熔合区组织,性
能不均的,成为焊接接头薄弱环节。
温度对空位数量的影响如下式所示
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 48
空位的平衡浓度与温度成比例。接头冷却过
程中，空位的平衡浓度显然要下降，在不平
衡冷却时，空位必处于过饱和状态，超过平
衡浓度的空位则要向高温部位发生运动，而
半熔化区本身就易于形成较多空位，因此，
熔合线附近将是空位密度最大的部位。 这
种空位的聚合可能是熔合区延迟断裂的原因
之一。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 49
熔合区不仅存在化学不均匀性，还有物理
性质 (导热系数和膨胀系数 )的不均匀性，
甚至也有力学 (屈服强度和弹性模量 )的不
均匀性，这些都会在熔合区引起较大的残
余应力。
残余应力的形成
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 50
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 51
§ 3-2 焊缝固态相变
一、低碳钢焊缝的固态相变组织
低碳钢焊缝组织,F＋少量 P
过热时产生 W。
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+20~30%消
失柱状晶。
3)冷却速度：冷却速度 ↑,硬度 ↑
?
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 52
低碳钢焊缝的魏氏组织
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 53
二、低合金钢焊缝的固态相变组织
低合金钢焊缝二次组织，随匹配焊接
材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，则延性－脆
性转变，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,
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 54
(一 )铁素体转变
焊缝中铁素体的类型
?
（ 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 γ→α,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。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 55
（ 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素体，实
质是魏氏组织。其长宽比在 20：１以上。侧板条铁
素体在低合金钢焊缝中不一定总是存在，但出现的
机会比母材多。
当先共析铁素体和侧板条铁素体长大时，其
γ ／ α 界面上 γ 一侧的碳浓度增加，极为接近共析
成分，故 γ 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。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 56
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 57
（ 3）针状铁素体（ AF）
出现于原奥氏体晶内的有方问性的细小铁素体
．宽约 2μm 左右，长宽比多在 3,1以至 10,1的范
围内。针状铁素体可能是以氧化物或氮化物 (如 TiO
或 TiN)为基点，呈放射状生长，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。针状铁素体晶内
位错密度较高，为先共析铁素体的 2倍左右。位错
之间也互相缠结，分布也 不均匀，但又不同于经受
剧烈塑性形变后出现的位错形态。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 58
（ 4）细晶铁素体 (FGF),(贝氏体铁素体 )
生成于４ 50℃ 以下。板条间为小倾角，板条
内的位错密度很高。
如在用不同强度级别焊条所焊接的焊缝，
J507焊条的焊缝中有 FSP，其间存在的确为珠光体
，未见 M－ A；
J707焊条的焊缝中，出现的是块状 M－ A组元；
J807焊条的焊缝中已无 PF,M—A组元呈颗粒状；
J907焊条的焊缝中，因合金化程度提高而出现板
条状马氏体，部分 M－ A组元由颗粒状变成条状。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 59
AF
FGF+P
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 60
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。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 61
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 LF以及 M，在强度提高同时，焊缝韧性就
势必降低。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 62
(二 )、珠光体转变
热处理平衡状态
珠光体转变 Ar--550℃ C, Fe原子扩散比
较容易。珠光体转变扩散型相变。（ P是
F和 Fe3C的层状混合物领先相 Fe3C）
焊接状态,非平衡转变，得到 P量少，
珠光体转变量小。若 B, Ti合金元素,P
转变全部被抑制，
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 63
P+F
粒 P+AF
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 64
（三）、贝氏体转变
贝氏体转变机理复杂
上贝氏体特征：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间分布有渗碳休形成温度
550℃~M s之间。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 65
粒贝
羽状 Bu+板 M
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 66
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，块状 F中，这些高碳 A→ 富碳
M，和残余奥氏体。称为 M－ A组织
在块状 F中,M－ A组织以粒状分布，因
此称粒状贝氏体,若 以条状存在称为条
状 B氏体 。（强度韧性影响争论不一）若
以条状存在称为条状 B氏体 。
下贝氏体,针状,力学性能优异,
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 67
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 68
（四）、马氏体转变
当焊缝含碳量偏高或合金元素较复杂时，
冷却速度快,Ms形成 M。
1、板条 M（含碳量很低）
特征：奥氏体晶粒内形成几束 M板条，束
与束之间有一定高角。
位错量多 → 位错 M
含碳量低 → 低碳 M 强度好，韧性高
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 69
板条马氏体显微组织特征示意图
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 70
板 M与 M-A
M+M-A
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 71
2,片状 M
C≥0, 4％
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。
透射电镜观察，片 M存在许多细小平行的
带纹－孪晶带，硬度高、脆。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 72
M+M-A
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 73
§ 3-3 焊缝中的气孔和夹杂
一、焊缝中的气孔
（一） 气孔的类型及分布特征
气孔有的产生在焊缝表面，也有的产生在
内部，有的以单个存在，有的成堆出现。
一类：高温时溶解的气体 H2 N2
二类：冶金反应产生的气体 CO和 H2O
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 74
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 75
1、氢气孔
特征,多出现在焊缝表面，断面形状多为
螺钉状，从焊缝表面看呈园喇叭口形，气孔
的四周有光滑内壁。有个别残存在内部，以
小圆球状存在 。
产生原因,焊接过程中，熔池金属吸收大
量的氢气，在冷却和结晶过程中，氢的溶解
度发生了急剧下降，熔池冷却速度快，来不
及逸出，残存在内部，发生了氢的过饱和，
使焊缝中形成具有喇叭口形的表面气孔。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 76
2,CO气孔
特征,焊缝内部，条虫状，表面光滑。
产生原因,高温冶金反应。 CO不溶于液态
金属，在高温时,CO以气泡的形式猛烈地
逸出，但熔池结晶时,η↑, CO不易逸出
，此反应为吸热反应，促使结晶速度加快，
CO形成气泡不能逸出，沿结晶方向形成条
虫形内气孔。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 77
二、气孔形成机理
气孔的形成：生核 ---长大 ----逸出：
1）浮出：无气孔
2）浮不出：气孔
1,气泡的生核
具备条件：①液态金属中有过饱和的气体
②要消耗一定的能量
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 78
消耗的能量
单位时间形成气泡核的数目
KT
rrCen
3
24 ??
?
2210*2.1610 ??n
形成气泡核所需能量为
? ? ? ?? ??? c o s11 ????? FFalnp FVPPE
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 79
2、长大
Ph>P0
Ph>PH2+PN2+PCO+…….
P0>Pa+Pm+Ps+…
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 80
即气泡长大的条件为
??21 ??? ca pPPn ?
气泡形成初期,r很小，附加压 Pc则很大，
气泡很难形成。焊接时，由于熔池内存在
着很多现成表面，如柱状晶粒和液态金属
相接触的地方形成，这些地方由于界面张
力的作用，气泡不成园形，可以得到较大
的曲率半径 r使 Pc减小。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 81
3、气泡上浮
1）气泡核脱离表面主要与气泡 ---液体金属
---现成表面界面张力及接触角有关
平衡时：
气液
液现气现
气液液现气现
?
??
?
????
?
?
??
c o s
c o s
当 θ<90,有利于气泡上
浮，气泡形成的快，完全
脱离现成表面。
当 θ<90,由于形成细颈过
程需要时气，若结晶速度
＞气泡脱离现成表面的速
度，就会形成气孔
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 82
2）结晶速度,
v较小时，气泡有充分时间逸出，无气孔，气泡
易上浮； v大时，气泡上浮时间短，可能残余在焊
缝内部。
3）气泡上浮速度,
? ?
?
?? 221
9
2 grv ??
① 当 r↑,v↑易浮出
②液体金属密度越大,v↑不易形成气孔
③ η 影响最大,T↑,η ↑ 易上浮 v↑ 。
T↓ η ↑,V↓ 易形成气孔
?
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 83
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 84
（三）影响生成气孔的因素及防
止措施
冶金因素、工艺因素二个方面讨论。
1,冶金因素的影响
1）熔渣与弧柱气氛的氧化性
［ C］ × ［ 0］ CO↑H2↓
氧的活度 ax
?
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 85
2）熔渣成分影响
氟化钙脱氢机理
氧化物脱氢机理
酸性焊条脱氢是靠较强氧化物,
碱性焊条脱氢是靠碳酸盐分解,产生较强
氧化性,OH
氟化物脱氢
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 86
3）铁锈及水份的影响
3Fe2O3=2 Fe3O4+O
2 Fe3O4+H2O=3 Fe2O3+H2
Fe+H2O= FeO+H2
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 87
2、工艺因素影响
1）焊接规范的影响
?电流 ↑,熔池存在时间 ↑,气体外逸 ;
熔滴尺寸 ↓，比表面积 ↑，易产生气孔
熔深 ↓,不易使气体逸出
焊条电阻热 ↑，药皮提前脱落，易产生气孔,
?电压 ↑,N气孔 ↑；
?焊速 ↑,气孔增加,
?
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 88
2）电流种类及极性
3.工艺操作
直流反接，气孔小（溶滴为正）
直流正接，气孔多（溶滴为阴极收）
交流焊接，气孔更多
?
① 焊件去油、锈；
②烘干焊条；
③短弧焊 ?
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 89
二、焊缝夹杂
一,焊缝夹杂
1,氧化物 SiO2,MnO,TiO2,Al2O3---
热裂，层状撕裂
2,氮化物 Fe4N 脆硬相，硬度 ↑ 韧性 ↓
硫化物 FeS MnS
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 90
防止措施
1）选用合理规范，以利于熔渣的浮出；
2）多层焊时，清渣；
3）焊条摆动；
4）保护溶池，防止空气侵入。
本节结束
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 91
§ 3-4 焊缝性能控制
控制焊缝性能是控制焊接质量的主要目
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 。 一般常归的焊接构件, 焊后都不再进行
热处理, 因此, 应尽可能保证焊缝凝固以后
,经过凝固相变就具有良好的性能 。
在焊接工作中用于改善焊缝金属性能的途经
很多，但主要是焊缝的固溶强化、变质处理
（微合金化）和调整焊接工艺 。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 92
一、焊缝金属的固溶强化和
变质处理
对于低合金结构钢的焊缝金属, 最有害的脆
化元素是 S,P,N,o,H,必须加以限制 。
铁素体化元素 与 奥氏体化元素 的影响有些差
异 。 一般来说, 铁素体化元素对韧性不太有
利, 强化作用越强烈, 对韧性越有害 。 奥氏
体化元素中 c的作用最为不利 ；而 Mn与 Nｉ
则在相当大的含量范围内 有利于改善焊缝韧
。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 93
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 94
（一） 锰和硅对焊缝性能的影响
强度较低的 Mn—si系焊缝金属,
Mn,Si数量少时，形成粗大的铁素体；
提高 Mn,Si数量则可形成针状铁素体 AF，
超过一定量后，可形成块状铁素体 LF。
Mn,Si量有最佳范围,Mn／ Si值为 3—6。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 95
强度较高的高强钢焊缝,
在 AF之间会产生一定数量的 M-A组元。
调整 Mn,Ni数量以获得单一的微细 AF。
Mn,Ni数量较少时，岛状相部分分解为铁
素体和渗碳体，还可有先共析铁素体；
Mn,Ni过多：形成 LF，还可能产生 M。
Mn Si单纯加入提高焊缝韧性有限。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 96
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 97
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 98
（二） 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 A→F 转变,抑制 GBF和 FSP,利于形
成 AF.
NbN,VN以微细共格沉淀相存在，焊缝强度 ↑
韧性 ↓ 。只有正火处理，改善焊缝韧性。
因此，一般不加 Nb和 V。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 99
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 100
（三） 钛、硼对焊缝韧性的影响
Ti 和 B同时存在可提高焊缝韧性
Ti和 O亲和力比较大，形成细小的（ TiO）细化
晶粒。
Ti保护 B不被氧化,B偏聚 A晶界，抑制 GBF和
PF，利于形成 AP。
合适加入量
Ti＝ 0.01~0.02% B=0.002~0.006%.
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 101
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 102
（四） 钼对焊缝韧性的影响
M0 焊缝的强度 ↑ 韧性 ↑
M0<0.2% 时,A→F 转变温度提高,形成 PF
M0>0.5%时,A→F 转变降低,形成 B上
合适量 0.2-0.35%,形成细晶铁素体,
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 103
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 104
（五） 稀土元素对焊缝金属性能的影响
稀土分为两类,
重稀土,Y(钇组 )
轻稀土,Ce(铈组 )
作用：脱氢、脱氧、脱氮
改变夹杂物形态
提高韧性
减少裂纹
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 105
（六） 碲在焊缝中的作用
碲：去 H2
抗冷裂
与稀土一同加入，提高韧性。
总结, Mn,Si固溶强化
Ti,B,Zr、Ｒｅ变质处理
V,Nb,Mo二者兼有。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 106
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 107
二、调整焊接工艺改善焊缝的
性能
（ 一 ） 振动结晶
低频机械振动
高频超声振动
电磁振动
振动频率 10000Hz以下
振动频率 20000Hz以下
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 108
（二） 焊后处理
（三） 多层焊接
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 109
（四） 锤击焊道表面
BTR BTR
焊接方向
熔池
锤击位置
焊接方向
沿焊缝中心线温度分布 沿焊缝中心线温度分布
熔池
锤击位置
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 110
（五） 跟踪回火处理
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 111
本章小结
本章重点介绍了熔池凝固条件和特点
及一般规律以及各钢种焊缝的固态相
变组织的转变，对于焊缝中的气孔、
夹杂和焊缝性能问题进行了讨论,并论
述了合金元素改善焊缝性能及处理工
艺,
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 112
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、分析焊缝和熔合区的化学不均匀性，为什
么会形成这种不均匀性?
５、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?
６、分析粒状贝氏体 Bg和 M-A组元的形成原因
及其对焊缝性能的影响。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 113
７、试述氢气和ＣＯ气孔的形成原因、特征及如何防
止。
８、用一分为二的观点分析夹杂物对焊缝金属性能的
影响。
９、分析微量元素 (Ｍ o、Ｎ b、Ｔ i、Ｂ、Ｖ、稀土等 )
对焊缝性能的影响，并考虑它们之间的相互作用及分
析原因。
10,某厂用 E5015焊条焊接时，在引弧和弧坑处产生
气孔，分析其有原因，并提出解决方法
11,如 16Mn母材中含有高的 S,P应如何保证焊缝金属
韧性？
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变 114
本章结束
