焊接熔池的凝固.wps

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1、焊接熔池的凝固1熔池的结晶特殊性1熔池体积小，冷却速度大手工电弧焊V=2-10cm3 Vmax=30 cm3重量最大为100g铸锭： 几吨几十吨焊泠=4100/s 铸= （3150）10-4 C/S焊接冷却速度比铸件冷却速度大10000 倍左右，由于体积小，冷却速度快，对含碳量高的合金钢易产生淬硬组织，裂纹，熔池中心与边缘有较大的温度梯度，焊缝中柱状晶长大，焊缝中没有等轴晶。2、 过热度大熔池温度溶滴 2300200铸件浇铸温度1500过热度大，烧损合金元素，如自发晶核的质点减少，柱状晶长大。3熔池在运动中结晶熔池前部金属熔化，后部金属结晶。在焊接过程理论鲍戈金阿历克谢夫著中有这样论述焊接熔池

2、所特有的金属结晶过程，与铸锭的金属结晶过程不同之处有下述各点。1.焊接熔池即受焊接火焰的加热作用，同时又受到固体1001770t金属的冷却作用；2.焊接熔池的液体金属为加热到不同温度的固体金属所包围。焊接熔池侧壁的焊件金属加热的程度比熔池后壁焊缝金属的加热程度小。3.焊缝金属的平均结晶速度等于熔池的移动速度，也就是等于焊接速度。2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。从金属学的结晶理论可知：金属的结晶过程必须是液态金属的温度降低到

3、“理论结晶温度”以下才能进行。液态金属缓慢冷却时，当温度降到某一点便开始结晶，直到全部结晶成固态金属为止。在缓慢冷却条件下，结晶时由于放出“结晶潜热”，补偿了热的损失，所以在冷却曲线上便出现了一个水平台，平台对应的温度即为纯金属的“理论结晶温度”T。在实际生产中，总是具有一定的冷却速度，有时甚至很大，在这种情况下，纯金属的结晶过程在一定的温度过冷下才能进行。 T1低于 T0过冷度，冷却速度越大，则所测得的实际结晶温度越低，过冷度越大。从图中还可以看出，液态金属座结晶开始到结晶完了是需要一定时间，这就体金属中产生一批晶核，然后这些晶核就吸附周围液体中的原子面成长，同时，还会有新的晶核不断从液体金

4、属中产生，长大，直到全部液体都转变为固体，最后形成由许多外形不规则的晶粒所组成的多晶体。结晶过程就是由晶核的产生和成长两个基本过程所组成。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：新相与液相间的表面张力系数。Fr：单位体积内液固两相自由能之23316FrEr差。2） 非自发形核？：非自发晶核的浸润角见图 3-3=0 EK=0液相中早有悬浮的质点或现成表面。它们本身就是晶核。当 =180，EK= EK自发晶核 =0180时，EK/ EK=01 说明非自发形核所需能量小于自发晶核。 角的大小决定新相晶核与现成表面之间的表面张

5、力。若新核与液相中厚有现成表面固体粒子的晶体结构越相似表面张力越小， 越小，4coscos32 316323 rFkEEK越小。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”。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。晶粒长大要具有一定结晶位向，在焊缝边界，作为晶核基底的母材晶粒是各向异性的，即结晶位向不同，因此在某一个方向上晶粒最易长大；晶核的成长是一个原子厚度从液相中吸收原

6、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。 Fe、 Cr、 Cu、 Ni 点阵，立方结晶有利位向（1、 0、 0）散热最快方向，垂直等温面、 等温线的结晶位向与散热最快的方向一致，晶粒最易长大，与熔池结晶等温面相垂直的方向，也就是最大温度梯度的方向。焊接时非自发晶核依附在半熔化母材晶粒表面上，以柱状晶的形态不断成长，形成联生结晶。所谓联生结晶是指依附在半熔化的母材表面，成长成与母材具有共同晶粒的现象，也称交互结晶。可见金相照片。3熔池结晶线速度任意晶粒主轴在任一点A 成长的平均线速度方向是A 的切condxds*vconvconcdtdx dtds线（SS 线）此方向与X

7、轴交角为 ，在 dt 时间内AB移动 dx 距离，晶粒主轴由 A 成长到 C，若 dx很小，则可把AC=AC？同时认为ABC为直角，见图 3-8，令AC=ds，则同除 dt 则 厚大焊件的表面上快速冷却时：热扩散率 （cm2/s）vc : 晶粒成长的平均速度v : 焊速 : v0和 vc的夹角212 222 2211KKKK TaqYYMAcon2122121cos yykkTmhqA薄板上自动焊接1晶粒成长的平均线速度是变化的y=0B 时Ky=1 熔合线处 =90Ky=1 v0=0晶粒在区上刚成长瞬时，成长方向垂直于熔合区，平均线速度为0.=0 Vc=V 焊道中心处，焊速即是晶粒平均线速度。

8、=090 Vc=V0 即，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0cos1cos当焊速大时， 则 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。4金属的微观结晶形态（一）纯金属的结晶形态纯金属指不含杂质的理想情况，此时金属是在一个确定的温度下结晶的，结晶时，固相和液相成分相同。 G0 时 G-温度梯度（正的温度梯度）液相温度低于固相温度，过冷度小，结晶缓慢，形成平面晶。如图3-16a、b。 G0，结晶界面呈平面型。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。胞状结晶发生

9、在具有很小的浓度过冷的条件下，平面晶处于不稳定状态，时而产生实起部分，有于存在着过冷度，凸起就更迅速的向前伸长，但由于浓度过冷很小，达到一凸起程度时，凸起部分迅速析出结晶潜热，提高了附近液体的温度，改变了温度梯度，同时界面溶质浓度发生了变化，使浓度过冷消失，凸起部分不再继续凸起，处于一种稳定的胞状界面状态。见图3-20。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。见图 3-224树枝状结晶：产生条件：过冷度较大。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。由于浓度过冷范围大，在一个晶粒内生长出一个很长的主干，同时主干向横向排出溶质，横向

10、也产生较大的浓度过冷域，主干向四周伸出的二次横枝也得到很好的生长，生产的二次横枝抑制了周围其它亚晶的生长，而形成了粗大的树枝状结晶。见图3-24。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。见图3-26。C0、R、G对结晶形态的影响见图 3-28。 R、G一定C0向等轴晶方向发展。 C0、G 一定R平面晶向等轴晶发展。 C0、R 一定G向平面晶发展。（四）、焊接条件下的凝固形态焊接条件下的凝固形态见图3-29。 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。在焊缝

11、的熔化边界，由于温度梯度G 大，结晶速度 R小，故成分过冷接近于0，得以平面发展。当远离熔化边界向焊缝中心过渡时，G，R，因此以平面晶胞状晶树枝柱状晶等轴晶发展。但并不是所有焊缝都有这几种结晶形态。1、熔质浓度影响：纯 AL 99 .99%焊缝熔合线附近为平面晶中.S 为胞状晶，若 C0纯 AL 99.6%，焊缝出现胞状晶，中.S.等轴晶。2、 焊接速度的影响V，熔池中心的温度梯度下降很多，使熔池中心的成分过冷很大，中心往往出现等轴晶。V 小，熔合线附近出现胞状树枝晶。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

12、晶。焊接电流大时，出现粗大的树枝晶。五、焊缝金属的化学不均匀性和夹杂（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。如图 3-34 树枝中心，m表示树枝区域。I 偏析严重。A、M 表示树枝晶的间界。其中 Ke最易偏析元素；先结晶M 处 Ni低，A 与 M点，Ni 高。 1）产生原因： 选择性结晶，焊接时，冷却速度大，液固界面溶质来不及扩散，结晶有先后之分，纯金属先结晶，杂质后结晶。 胞状晶，晶粒内部浓度低，晶界处溶质浓度高。树枝晶，主干处溶质浓度低，树枝区域浓度较高，晶界处浓度最高。 结晶

13、形态不同结晶形态，偏析不同。以 Mn为例： 位置 Mn%树枝晶界 0.59 （树枝晶界偏析最严重）胞状晶界 0.57胞状晶中心 0.47 （希望晶粒越细化越好）2）影响因素 冷却速度v 冷小，可以有充分时间溶质进行扩散，显微偏析减少；v过大，溶质来不及扩散整个液体金属瞬时凝固，偏析程度小。 原始浓度 C0溶质浓度C0 ，偏析加剧。枝晶偏析的结果，晶间含较多低熔点杂质，易于形成凝固裂纹。 元素性质（分配系数或扩散系数）若元素扩散系数小，偏析严重。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

14、较严重的偏析，当焊速较大时，成长中的柱状晶最后都会在焊缝中心相遇，使溶质和杂质聚集在那里，容易产生焊缝纵向裂纹。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 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。 层状线不是连续的，是间断的链状偏析带。2）产生原因：焊缝金属的凝固并不是连续均匀的过程，而是一个断续的过程，一种观点：层状偏析是由于晶体成长速度R 发生周期变化引起R，结晶前沿的溶质浓度增大，晶粒含有一层溶质较多的带状偏析层。R结晶前沿的溶质浓度减少。晶粒成长线速度发生周期变化原因

15、看法有很多不同主要是晶体长大速度R 与晶体前沿溶质浓度变化的关系。 电源脉动使输入能量脉动，溶滴过渡带来的附加热脉冲作用； 机械力作用；焊条喷出气体周期搅动结果，液态金属在电弧吹力作用下，流到已凝固的金属表面，使其熔化，结晶停顿。 结晶潜热周期变化；结晶过程放潜热，使结晶前沿温度升高，成长速度降低，析热减少，熔池温度下降，晶粒成长速度又提高，发生了同期性变化。另一种观点：成长中的晶体前沿与溶液在固一液共存时产生的扩散过程所造成。元素在液相中的溶解度在固相中溶解度，固液共存介面，溶质原子由固相表面向液向扩散，如果焊缝的树枝状晶成长过程中固液介面能够发生相互作用，必要条件是凝固过程必须发生一定停顿

16、。这时已凝固的表面发生深化，有利于溶质原子向液向中扩散溶解，则在界面附近形成溶质原子富集薄层。还有一种观点：快速结晶时析出的结晶潜热及熔滴过渡的附加脉冲作用，是促使凝固速度中发生变化及结晶过R 发生停顿的主要原因。当晶体前沿的温度梯度较大时，结晶潜热或其它附加热作用易使晶体前沿温度急剧升高，促使减少凝固，使凝固停顿。手工焊小熔池，G 大，层状线清晰手工焊大熔池，G 小，层状线不清晰，中在熔合线处有层状偏析。（二）熔合区的化学不均匀性1熔合区的形成 热传播不均匀尽管焊接规范稳定，但由于溶滴周期过渡造成热传播不稳定。 晶粒的传热方向不同。由于以上的原因可知，熔合区不可能是一个线，而是一个区域，具有

17、一定宽度。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()由此可知，熔合区的大小，决定于液固温度范围。（该温度区间的温度梯度）。材料本身的热物理性质和组织状态。碳钢，低合金钢，熔合区附近的温度梯度为30080（依焊接方法不同，温度梯度不同）。液固温差范围40GTTTTSLYTSLA YT mmA50. 013. 080300403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。 溶质原子由固相向液相界面扩散，使固液界面有合金元素再分配。在界面处，

18、溶质浓度波动很大。见图3-39。从理论可以利用下列公式计算距界面不同距离，经不同时间溶质的浓度。当 Y0 21 210000 21 01),(TDYKCKCL LDSDCtyCs 21 210000 21 01),(TDYKCCK LLLDSDCtyC -距界面为y，接触时间为 t时，溶质在固相中的浓度。-距界面为y，接触时间为 t，溶质在液相中的浓度 。C0、C0溶质在固液相中的浓度；DS、DL该溶质在固液共存时，在固液相中扩散系数；溶质在固液相中的分配系数；(A)期积分函数。该元素在固液相中的扩散系数和分配系数决定一其浓度。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。),(tYCs),(tYCL（1）凝固过渡层的形成由于凝固过程中母材与焊条熔化金属未能很好混合而形成不完全混合区，这是一种表面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”。