焊接熔池凝固

1、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 1.1 体积小，冷却速度大。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。

2、1.2 1.2 过热温度高过热温度高。 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 1.3 动态下凝固动态下凝固。 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 1.4 对流强烈。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

3、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 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).fusion boundary(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焊缝熔合线沿熔合线新形核的晶粒2

4、.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，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；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

5、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

6、)焊接速度小132.5 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142.5.1 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”。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k01tlts2.5.2成分过冷的因素由“成

7、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。000(1)llm ckgrd k/grc0、r、g对晶体形貌的综合影响示意图132,(/ ),)ssltdar gtgrc sad0l式中为非平衡凝固的温度区间,相当于冷却速度为比例常数,与合金性质(k ,c等 有关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

8、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

9、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

10、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

11、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。同时 对抵抗晶间腐蚀也 不利。 28焊接过程中，改善凝固组织，防止粗晶产生的措施有：(1)(1)变质处理变质处理 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)(2)振动结晶振动结晶 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)3)优化焊接工艺参数优化焊接工艺参数 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。