二焊接生產(chǎn)中的凝固過程控制

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焊接時，在高溫?zé)嵩吹淖饔孟?，母材發(fā)生局部熔化，并與熔化了的焊絲金屬混合形成熔池，同時進(jìn)行短暫而復(fù)雜的冶金反應(yīng)。當(dāng)熱源離開后，熔池金屬便開始了凝固。如圖2-56所示。因此，熔池具有下面一些特殊性。第2頁/共21頁1．焊接熔池特征

(1)體積小，冷卻速度大在一般電弧焊條件下，熔池體積最大僅可達(dá)到30cm3，重量不超過100g。熔他的冷卻速度一般可達(dá)4～100℃／s遠(yuǎn)比一般鑄件的冷卻速度高。由于冷卻很快，溫度梯度大，故焊縫中柱狀晶得到充分發(fā)展。

(2)過熱溫度高

對一般低碳鋼或低合金鋼，熔池平均溫度可達(dá)1770±100℃，而熔滴溫度更高，約為(2300±200)℃。而一般煉鋼時，其澆注溫度僅為1550℃左右。由于液態(tài)金屬的過熱度較大，非自發(fā)形核的原始質(zhì)點數(shù)將大為減少，這也促使柱狀晶的發(fā)展。

(3)動態(tài)下凝固

處于熱源移動方向前端的母材不斷熔化，連同過渡到熔池中的焊絲熔滴一起在電弧吹力作用下，對流至熔池后部。隨熱源的離去，熔池后部的液態(tài)金屬立即開始凝固，形成焊縫

(4)對流強(qiáng)烈第3頁/共21頁

(4)對流強(qiáng)烈熔池中存在各種作用力，如電弧的機(jī)械力、氣流吹力、電磁力，以及液態(tài)金屬中密度差別，使熔池中存在有強(qiáng)烈的攪拌和對流，其方向一般趨于從熔池頭部向尾部流動。第4頁/共21頁

2．焊縫凝固特點

(1)外延生長

(2)彎曲柱狀晶

(3)凝固界面生長形式多樣性

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(1)外延生長

熔池中液態(tài)金屬開始凝固時，熔池邊界未熔的母材晶?？梢宰鳛榉亲园l(fā)形核的現(xiàn)成基底，從而可以在很小的過冷度下，依附于母材晶粒逆著熱流方向生長，形成方向性很強(qiáng)的柱狀晶，如圖2-57所示。這種凝固特征就叫焊縫的外延生長?？梢韵胂?，焊接時過熱的母材，其晶粒必然粗大，最終導(dǎo)致焊縫柱狀晶亦粗大。故焊接操作時應(yīng)避免母材過熱的產(chǎn)生。第6頁/共21頁

(2)彎曲柱狀晶

熔池的形狀和尺寸，受焊接時工藝參數(shù)的影響。典型的熔池形狀如圖2-58所示。熔池的輪廓即表示液相面，其形狀很像不標(biāo)淮的橢球，熔池的寬度和深度沿x軸連續(xù)變化。

第7頁/共21頁一般增大焊接電流，熔池的最大深度Hmax隨之增大，而最大寬度Bmax則相對減小。增大電弧電壓時，則恰恰相反。若增大電弧能量，熔池長度L也隨之增大。當(dāng)焊接速度增大時，整個熔池除體積減小外，在焊接方向上將變得更為細(xì)長。第8頁/共21頁如圖2-59所示，熔池的最大散熱方向就是液相等溫線的法線方向。假定焊接時熔池形狀穩(wěn)定不變，可以按如下方式來分析晶粒生長方向與焊接方向間的關(guān)系。第9頁/共21頁

在液相等溫線上任一點A的晶粒主軸沿等溫線法線方向生長，設(shè)生長的線速度為R。而焊接熔池則以速度v沿x方向移動。當(dāng)經(jīng)過△t時間后，焊接熔池移動距離為△x，A點便移至B點。與此同時，A點晶粒長大至C點，以保持熔池形狀不變，A點晶粒的增長量就是△S+δ。于是有故

當(dāng)△S→0時，δ將比△S更快趨向于零，故可忽略不計。故上式成為

或R=vcosψ(2-66)

式中ψ—晶粒生長方向與熔池移動方向間的夾角。

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由上式并結(jié)合圖2—59便可看出：等溫線上各點的ψ角是變化的，故等溫線上各點的晶粒生長速度也不一致。在焊縫邊緣，ψ=90，cosψ=0，故晶粒生長速度為零。而在焊縫中心，ψ=0，cosψ=1，晶拉生長速度與焊接速度相等。由于等溫線是彎曲的，晶粒在生長時也必須不斷改變方向，形成了特有的彎曲柱狀晶的形態(tài)。圖2—59的晶粒生長線就是柱狀晶生長的彎曲線。第11頁/共21頁

焊接速度對晶粒生長形態(tài)有很大的影響。如圖2—60所示，焊接速度大時，焊接熔池長度增加，ψ角也相應(yīng)增大，柱狀晶便趨向垂直于焊縫生長(圖2—60a)。焊接速度小時，ψ角也相應(yīng)減小，柱狀晶越彎曲(圖2—60b)。垂直于焊縫的柱狀晶，易在焊縫中心形成脆弱的結(jié)合面，在中心易出現(xiàn)縱向裂紋。第12頁/共21頁

(3)凝固界面生長形式多樣性

焊接熔池中的溫度梯度與凝固速度比值G／R，在不同的凝固階段是不同的，其凝固生長界面亦可以從平界面生長過渡到枝晶生長的形式。在熔池尾端焊縫軸線上的D點(圖2—59)，有式中v—焊接速度。設(shè)x1為點D距熱源中心的距離。又點D的溫度為熔點Tm。由焊接傳熱學(xué)知識可以推得

代人式(2—67)得

在點D處，θ=0°，即cosθ=1，故R=vcosθ=v，用R分別除上式兩端，得第13頁/共21頁

已知x1隨v的提高而增大，因而G／R將隨v增大而減小。同理，在熔池兩側(cè)翼邊界(圖2-59中點F、H)，由于cosθ=0，故G／R→∞。第14頁/共21頁

所以，對熔池的凝固過程的始終聯(lián)系起來看，凝固開始時，G／R很大，滿足平面生長的條件，隨凝固的繼續(xù)，G／R逐步減小，在某一時刻以后，將發(fā)生成分過冷，平面生長將轉(zhuǎn)為胞狀生長；隨成分過冷的進(jìn)一步加大，樹枝晶生長的方式逐漸占主導(dǎo)地位，在到達(dá)熔池尾端結(jié)束凝固時，G／R最小，成分過冷度最大，有可能形成等軸樹枝晶區(qū)。圖2—61示意表示了焊縫中不同部位凝固界面生長方式的大致情況。第15頁/共21頁

3．熔池凝固組織控制

實際焊縫中，由于化學(xué)成分、板厚和接頭形式不同，不一定具有上述全部的凝固組織形態(tài)。特別當(dāng)焊接操作規(guī)范改變時，凝固組織亦將作較大的變化。當(dāng)焊接速度增大時，焊縫中心往往容易出現(xiàn)大量等軸晶；當(dāng)焊接速度較低時，主要為柱狀樹枝晶。焊接電流小時，主要是胞狀晶；焊接電流較大時，則轉(zhuǎn)為極大的樹枝晶。第16頁/共21頁

粗大的柱狀晶會降低焊縫金屬的強(qiáng)度和韌性。圖2-62既為低碳鋼堿性焊條焊接的焊縫中，晶粒粗細(xì)對沖擊韌度的影響。在穩(wěn)定型奧氏體鋼焊接時，粗大柱狀晶還是造成熱裂紋的原因之一。同時對抵抗晶間腐蝕也不利。第17頁/共21頁焊接過程中，改善凝固組織，防止粗晶產(chǎn)生的措施有：

(1)變質(zhì)處理焊接時可通過焊接材料向熔池加入一些能細(xì)化晶粒的元素，如鉬、釩、鈦、稀土等，達(dá)到使焊縫晶粒細(xì)化，提高強(qiáng)度和韌性的目的。

(2)振動結(jié)晶焊接時可同時對焊件施以振動，通過振動，可使柱狀樹枝晶破碎，增大晶粒游離傾向，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。振動方式主要有機(jī)械振動、超聲振動和電磁振動。

(3)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)第18頁/共21頁(3)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)對于不銹鋼這類不發(fā)生相變重結(jié)晶的鋼焊接時，在保持一定的電弧熱功率的條件下，增大焊接速度v，即降低了焊接的線能量，可以便晶粒變細(xì)。若線能量不變，提高焊接速度v，也可以促使晶粒細(xì)化。因為焊接速度的提高，可使熔池在高溫下停留時間縮短，熔池溫度較低，焊縫冷卻速度也提高了。對于低合金高強(qiáng)鋼這類發(fā)生相變重結(jié)晶的鋼，應(yīng)盡量采用較小的線能量，減小熔池尺寸和過熱度，同時加強(qiáng)焊縫的冷卻，便可避免出現(xiàn)粗大的柱狀晶組織。但冷卻速度也不宜過高，過高會引起焊縫和熱影響區(qū)產(chǎn)生淬火組織，在冷卻過程