二焊接生产中的凝固过程控制

二焊接生产中的凝固过程控制第1页/共21页

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。第2页/共21页1．焊接熔池特征

(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4～100℃／s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)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(2300±200)℃。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。

(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

(4)对流强烈第3页/共21页

(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。第4页/共21页

2．焊缝凝固特点

(1)外延生长

(2)弯曲柱状晶

(3)凝固界面生长形式多样性

第5页/共21页

(1)外延生长

熔池中液态金属开始凝固时，熔池边界未熔的母材晶粒可以作为非自发形核的现成基底，从而可以在很小的过冷度下，依附于母材晶粒逆着热流方向生长，形成方向性很强的柱状晶，如图2-57所示。这种凝固特征就叫焊缝的外延生长。可以想象，焊接时过热的母材，其晶粒必然粗大，最终导致焊缝柱状晶亦粗大。故焊接操作时应避免母材过热的产生。第6页/共21页

(2)弯曲柱状晶

熔池的形状和尺寸，受焊接时工艺参数的影响。典型的熔池形状如图2-58所示。熔池的轮廓即表示液相面，其形状很像不标淮的椭球，熔池的宽度和深度沿x轴连续变化。

第7页/共21页一般增大焊接电流，熔池的最大深度Hmax随之增大，而最大宽度Bmax则相对减小。增大电弧电压时，则恰恰相反。若增大电弧能量，熔池长度L也随之增大。当焊接速度增大时，整个熔池除体积减小外，在焊接方向上将变得更为细长。第8页/共21页如图2-59所示，熔池的最大散热方向就是液相等温线的法线方向。假定焊接时熔池形状稳定不变，可以按如下方式来分析晶粒生长方向与焊接方向间的关系。第9页/共21页

在液相等温线上任一点A的晶粒主轴沿等温线法线方向生长，设生长的线速度为R。而焊接熔池则以速度v沿x方向移动。当经过△t时间后，焊接熔池移动距离为△x，A点便移至B点。与此同时，A点晶粒长大至C点，以保持熔池形状不变，A点晶粒的增长量就是△S+δ。于是有故

当△S→0时，δ将比△S更快趋向于零，故可忽略不计。故上式成为

或R=vcosψ(2-66)

式中ψ—晶粒生长方向与熔池移动方向间的夹角。

第10页/共21页

由上式并结合图2—59便可看出：等温线上各点的ψ角是变化的，故等温线上各点的晶粒生长速度也不一致。在焊缝边缘，ψ=90，cosψ=0，故晶粒生长速度为零。而在焊缝中心，ψ=0，cosψ=1，晶拉生长速度与焊接速度相等。由于等温线是弯曲的，晶粒在生长时也必须不断改变方向，形成了特有的弯曲柱状晶的形态。图2—59的晶粒生长线就是柱状晶生长的弯曲线。第11页/共21页

焊接速度对晶粒生长形态有很大的影响。如图2—60所示，焊接速度大时，焊接熔池长度增加，ψ角也相应增大，柱状晶便趋向垂直于焊缝生长(图2—60a)。焊接速度小时，ψ角也相应减小，柱状晶越弯曲(图2—60b)。垂直于焊缝的柱状晶，易在焊缝中心形成脆弱的结合面，在中心易出现纵向裂纹。第12页/共21页

(3)凝固界面生长形式多样性

焊接熔池中的温度梯度与凝固速度比值G／R，在不同的凝固阶段是不同的，其凝固生长界面亦可以从平界面生长过渡到枝晶生长的形式。在熔池尾端焊缝轴线上的D点(图2—59)，有式中v—焊接速度。设x1为点D距热源中心的距离。又点D的温度为熔点Tm。由焊接传热学知识可以推得

代人式(2—67)得

在点D处，θ=0°，即cosθ=1，故R=vcosθ=v，用R分别除上式两端，得第13页/共21页

已知x1随v的提高而增大，因而G／R将随v增大而减小。同理，在熔池两侧翼边界(图2-59中点F、H)，由于cosθ=0，故G／R→∞。第14页/共21页

所以，对熔池的凝固过程的始终联系起来看，凝固开始时，G／R很大，满足平面生长的条件，随凝固的继续，G／R逐步减小，在某一时刻以后，将发生成分过冷，平面生长将转为胞状生长；随成分过冷的进一步加大，树枝晶生长的方式逐渐占主导地位，在到达熔池尾端结束凝固时，G／R最小，成分过冷度最大，有可能形成等轴树枝晶区。图2—61示意表示了焊缝中不同部位凝固界面生长方式的大致情况。第15页/共21页

3．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。第16页/共21页

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。第17页/共21页焊接过程中，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)优化焊接工艺参数第18页/共21页(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