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1、焊接熔池的凝固过程,1.焊接熔池特征,熔焊时，焊接熔池的凝固过程与一些铸造时液态金属凝固过程没有本质区别，因此，它也服从凝固理论的一般规律。但焊接熔池的凝固过程还有自己的一些特点。焊接时，在高温热源的作用下，母材发生局部熔化，并与熔化了的焊丝金属混合形成熔池，同时进行短暂而复杂的冶金反应。当热源离开后，熔池金属便开始了凝固。如图2-56所示。因此，熔池具有下面一些特殊性。,1.1 体积小，冷却速度大。在一般电弧焊条件下，熔池体积最大仅可达到30cm3，重量不超过100g。熔他的冷却速度一般可达4100s远比一般铸件的冷却速度高。由于冷却很快，温度梯度大，故焊缝中柱状晶得到充分发展。1.2 过热
2、温度高。对一般低碳钢或低合金钢，熔池平均温度可达1770 100，而熔滴温度更高，约为(2300200)。而一般炼钢时，其浇注温度仅为1550左右。由于液态金属的过热度较大，非自发形核的原始质点数将大为减少，这也促使柱状晶的发展。,1.3 动态下凝固。处于热源移动方向前端的母材不断熔化，连同过渡到熔池中的焊丝熔滴一起在电弧吹力作用下，对流至熔池后部。随热源的离去，熔池后部的液态金属立即开始凝固，形成焊缝 1.4 对流强烈。熔池中存在各种作用力，如电弧的机械力、气流吹力、电磁力，以及液态金属中密度差别，使熔池中存在有强烈的搅拌和对流，其方向一般趋于从熔池头部向尾部流动。,2.焊接熔池结晶,2.1
3、 晶核形成焊接条件下，非自发形核的现成表面有：液态金属中未熔化的悬浮质点；熔合区附近加热到未熔化状态基本金属（BM）的晶粒表面联生结晶(主要）；,联生结晶示意图,2.1.1 联生结晶（外延结晶）依附于母材晶粒现成表面而形成共同晶粒的凝固方式,(a)C103合金电子束焊熔合线附近(400).,(b)采用4043 焊丝(Al5Si)焊接铸态 Al4.5Cu合金焊缝熔合线附近.,409型铁素体不锈钢（bcc)采用Monel(70Ni-30Cu)焊材(fcc)，得到fcc焊缝,2.1.2 非联生结晶当焊缝与母材晶体结构不同时，新的晶粒以半熔化区的异质点形核。,2.2 晶核长大与焊接熔池边界垂直的方向，
4、温度梯度G最大，散热最快。每一种晶体结构都存在一个最优结晶取向（树枝晶或胞状晶最易生长的方向）；对于fcc和bcc点阵的金属（Fe,Ni,Cu,Al），最优结晶取向为。在凝固过程中，最优结晶取向与与散热最快的方向一致时，晶粒生长最快而优先长大择优长大；,焊缝中柱状晶体的选择长大,等温线,2.3 结晶线速度 设液相等温线上任一点A的晶粒主轴，沿等温线法线方向（SS）生长，此方向与X轴的夹角为。设结晶速度为R，焊接速度为V，经过dt时间后，焊接熔池移动dx，A点便移至B点，A点晶粒长大至C点。当dx很小时，ds=dx cos ds/dt=dx/dt cos 即 R=v cos,晶粒成长线速度分析图
5、,结晶形态：弯曲柱状晶,式中，R晶粒成长的平均线速度 v 焊接速度 焊接方向与熔池边界法线方向的夹角cos 值取决于焊接参数和被焊金属的热物理性质。,R=v cos,在熔池边界（熔合线上）90，R=0在焊缝中心（Y0）0，Rv.,2.4 焊接速度对晶粒生长形态的影响焊接速度大，柱状晶趋向垂直于焊缝中心线。焊速太快，最后结晶的低熔点夹杂物被推到焊缝中心，导致纵向裂纹。所以焊接速度不宜过快，尤其是焊接热裂纹敏感性大的奥氏体钢和铝合金。,(a)焊接速度大,(b)焊接速度小,2.5 结晶形态纯金属的结晶形态(右图所示)合金的结晶形态平面结晶 胞状晶 胞状树枝晶柱状树枝晶等轴晶合金的结晶形态除了受“热过
6、冷”影响外，还受“成分过冷”的影响，且后者往往更重要。,纯金属的结晶形态,T,动力学过冷,热过冷,2.5.1 成分过冷凝固过程的溶质再分配引起固-液界面前沿的溶质富集（b图)，导致界面前沿熔体液相线温度发生改变的改变(c图)。当界面前沿液相的实际温度梯度小于界面处液相线的斜率时，是出现过冷（如图中“G2实际”）。由溶质成分富集引起的过冷称为“成分过冷”。,14,成分过冷形成的条件（液相有限扩散）,液相浓度分布,C0,液相线温度,K01,TL,TS,成分过冷的因素由“成分过冷”判据公式：影响成分过冷度主要因素有：工艺因素：R、G合金性质C0、mL、K0、DLC0、R、G三个主要因素的影响见右图。
7、,C0、R、G对晶体形貌的综合影响示意图,2.6 枝晶间距枝晶间距是指相邻同次枝晶间的垂直距离。一次枝晶（柱状晶主干）间距二次枝晶间距枝晶间距越小，组织越细。二次枝晶间距d2为：,冷却速度越快（即温度梯度G和结晶速度R越大），树枝晶越细。,17,温度梯度G和结晶速度R对结晶组织形态和大小的影响,温度梯度G 和结晶速度R 决定结晶组织；G/R决定结晶组织的形态；GR决定结晶组织的大小；,GR,小,大,3.焊缝中的化学不均匀性,合金在凝固过程中发生的化学成分不均匀的现象称为偏析。偏析主要是由于合金在凝固过程中溶质再分配和扩散不充分引起的。焊缝中的偏析主要有：显微偏析区域偏析层状偏析 偏析会影响焊缝
8、的性能。,3.1 显微偏析显微偏析是指在晶粒范围内的化学成分不均匀现象。不同的元素其偏析程度不同。S、P、C都极易偏析的元素。在合金中，很多元素共存，使元素自身的偏析度也有较大的变化C可使S、P的偏析度增加，Ni可使S的偏析度增加Mn可降低S的偏析度,晶间偏析,3.2区域偏析焊缝结晶时，随着柱状晶前沿的推进长大，从而把低熔点杂质推向熔池中心，造成焊缝中心富集溶质，使焊缝结晶后在整个橫截面上的成分分布明显不均匀的现象。加强熔池金属的混合可改善区域偏析。电磁搅拌GTAW焊时，采用直流正流性焊接，熔深较大，混合较好。,快速焊时焊缝的区域偏析（宏观偏析）,3.3层状偏析结晶过程周期性变化而使得化学成分
9、不均匀分布的现象。产生原因：凝固时结晶潜热及熔滴过渡带来的附加热脉冲作用等，使热输入波动。结晶前沿温度变化结晶速度R波动层状偏析危害：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。,当结晶前沿温度降低时，晶粒成长速度加快，结晶前沿的富集层来不及均匀化而被“冻结”。,4.熔合区的化学不均匀性,熔合区的定义熔合区是指焊缝金属与母材金属交界的地区。由于这个区域液相与固相并存，所以又称为半熔化区。熔合区是整个焊接接头的薄弱部位。该区域存在严重的化学不均匀性。它常常是冷裂纹、再热裂纹和脆性相的起源地。,元素在固液界面浓度分布与该元素在固、液相中的扩散系数和分配系数有关。不均匀性程度与
10、母材和填充金属成分及其差异大小有关。异种钢焊接时尤为突出。,采用奥氏体钢焊条焊接低碳钢时熔合线附近,25,增碳层,脱碳层,5.熔池凝固组织控制,实际焊缝中，由于化学成分、板厚和接头形式不同，不一定具有上述全部的凝固组织形态。特别当焊接操作规范改变时，凝固组织亦将作较大的变化。当焊接速度增大时，焊缝中心往往容易出现大量等轴晶；当焊接速度较低时，主要为柱状树枝晶；焊接电流小时，主要是胞状晶；焊接电流较大时，则转为极大的树枝晶。,粗大的柱状晶会降低焊缝金属的强度和韧性。图2-62既为低碳钢碱性焊条焊接的焊缝中，晶粒粗细对冲击韧度的影响。在稳定型奥氏体钢焊接时，粗大柱状晶还是造成热裂纹 的原因之一。同
11、时 对抵抗晶间腐蚀也 不利。,焊接过程中，改善凝固组织，防止粗晶产生的措施有：(1)变质处理 焊接时可通过焊接材料向熔池加入一些能细化晶粒的元素，如钼、钒、钛、稀土等，达到使焊缝晶粒细化，提高强度和韧性的目的。(2)振动结晶 焊接时可同时对焊件施以振动，通过振动，可使柱状树枝晶破碎，增大晶粒游离倾向，达到细化晶粒的目的。振动方式主要有机械振动、超声振动和电磁振动。,（3)优化焊接工艺参数 对于不锈钢这类不发生相变重结晶的钢焊接时，在保持一定的电弧热功率的条件下，增大焊接速度v，即降低了焊接的线能量，可以便晶粒变细。若线能量不变，提高焊接速度v，也可以促使晶粒细化。因为焊接速度的提高，可使熔池在高温下停留时间缩短，熔池温度较低，焊缝冷却速度也提高了。对于低合金高强钢这类发生相变重结晶的钢，应尽量采用较小的线能量，减小熔池尺寸和过热度，同时加强焊缝的冷却，便可避免出现粗大的柱状晶组织。但冷却速度也不宜过高，过高会引起焊缝和热影响区产生淬火组织，在冷却过程中导致裂纹的发生。,
