焊接熔池凝固

1、焊接熔池的凝固過(guò)程,1.焊接熔池特征,熔焊時(shí)，焊接熔池的凝固過(guò)程與一些鑄造時(shí)液態(tài)金屬凝固過(guò)程沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，因此，它也服從凝固理論的一般規(guī)律。但焊接熔池的凝固過(guò)程還有自己的一些特點(diǎn)。 焊接時(shí)，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(shí)進(jìn)行短暫而復(fù)雜的冶金反應(yīng)。當(dāng)熱源離開(kāi)后，熔池金屬便開(kāi)始了凝固。如圖2-56所示。因此，熔池具有下面一些特殊性。,1.1 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(guò)100g。熔他的冷卻速度一般可達(dá)4100s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。 1.2

2、 過(guò)熱溫度高。 對(duì)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(2300200) 。而一般煉鋼時(shí)，其澆注溫度僅為1550左右。由于液態(tài)金屬的過(guò)熱度較大，非自發(fā)形核的原始質(zhì)點(diǎn)數(shù)將大為減少，這也促使柱狀晶的發(fā)展。,1.3 動(dòng)態(tài)下凝固。 處于熱源移動(dòng)方向前端的母材不斷熔化，連同過(guò)渡到熔池中的焊絲熔滴一起在電弧吹力作用下，對(duì)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(kāi)始凝固，形成焊縫 1.4 對(duì)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(duì)流，其方向一般趨于從熔池頭部向尾部流動(dòng)。,2.焊接熔

3、池結(jié)晶,2.1 晶核形成 焊接條件下，非自發(fā)形核的現(xiàn)成表面有： 液態(tài)金屬中未熔化的懸浮質(zhì)點(diǎn)； 熔合區(qū)附近加熱到未熔化狀態(tài)基本金屬（BM）的晶粒表面聯(lián)生結(jié)晶 (主要）；,聯(lián)生結(jié)晶示意圖,2.1.1 聯(lián)生結(jié)晶（外延結(jié)晶） 依附于母材晶?，F(xiàn)成表面而形成共同晶粒的凝固方式,(a) C103合金電子束焊熔合線附近 (400).,(b)采用4043 焊絲 (Al5Si)焊接鑄態(tài) Al4.5Cu合金焊縫熔合線附近.,409型鐵素體不銹鋼（bcc)采用Monel(70Ni-30Cu)焊材(fcc)，得到fcc焊縫,2.1.2 非聯(lián)生結(jié)晶 當(dāng)焊縫與母材晶體結(jié)構(gòu)不同時(shí)，新的晶粒以半熔化區(qū)的異質(zhì)點(diǎn)形核。,2.2 晶

4、核長(zhǎng)大 與焊接熔池邊界垂直的方向，溫度梯度G最大，散熱最快。 每一種晶體結(jié)構(gòu)都存在一個(gè)最優(yōu)結(jié)晶取向（樹(shù)枝晶或胞狀晶最易生長(zhǎng)的方向）； 對(duì)于fcc和bcc點(diǎn)陣的金屬（Fe, Ni, Cu, Al），最優(yōu)結(jié)晶取向?yàn)椤?在凝固過(guò)程中，最優(yōu)結(jié)晶取向與與散熱最快的方向一致時(shí)，晶粒生長(zhǎng)最快而優(yōu)先長(zhǎng)大擇優(yōu)長(zhǎng)大；,焊縫中柱狀晶體的選擇長(zhǎng)大,等溫線,2.3 結(jié)晶線速度 設(shè)液相等溫線上任一點(diǎn)A的晶粒主軸，沿等溫線法線方向（SS）生長(zhǎng)，此方向與X軸的夾角為。 設(shè)結(jié)晶速度為R，焊接速度為V，經(jīng)過(guò)dt時(shí)間后，焊接熔池移動(dòng)dx，A點(diǎn)便移至B點(diǎn)，A點(diǎn)晶粒長(zhǎng)大至C點(diǎn)。 當(dāng)dx很小時(shí)， ds=dx cos ds/dt =dx/

5、dt cos 即 R= v cos ,晶粒成長(zhǎng)線速度分析圖,結(jié)晶形態(tài)：彎曲柱狀晶,式中，R晶粒成長(zhǎng)的平均線速度 v 焊接速度 焊接方向與熔池邊界法線方向的夾角 cos 值取決于焊接參數(shù)和被焊金屬的熱物理性質(zhì)。,R= v cos ,在熔池邊界（熔合線上） 90，R=0 在焊縫中心（Y0） 0 ，Rv.,2.4 焊接速度對(duì)晶粒生長(zhǎng)形態(tài)的影響 焊接速度大， ，柱狀晶趨向垂直于焊縫中心線。 焊速太快，最后結(jié)晶的低熔點(diǎn)夾雜物被推到焊縫中心，導(dǎo)致縱向裂紋。 所以焊接速度不宜過(guò)快，尤其是焊接熱裂紋敏感性大的奧氏體鋼和鋁合金。,(a)焊接速度大,(b)焊接速度小,2.5 結(jié)晶形態(tài) 純金屬的結(jié)晶形態(tài) (右圖所示

6、) 合金的結(jié)晶形態(tài) 平面結(jié)晶 胞狀晶 胞狀樹(shù)枝晶 柱狀樹(shù)枝晶 等軸晶 合金的結(jié)晶形態(tài)除了受“熱過(guò)冷”影響外，還受“成分過(guò)冷”的影響，且后者往往更重要。,純金屬的結(jié)晶形態(tài),T,動(dòng)力學(xué)過(guò)冷,熱過(guò)冷,2.5.1 成分過(guò)冷 凝固過(guò)程的溶質(zhì)再分配引起固-液界面前沿的溶質(zhì)富集（b圖)，導(dǎo)致界面前沿熔體液相線溫度發(fā)生改變的改變(c圖)。 當(dāng)界面前沿液相的實(shí)際溫度梯度小于界面處液相線的斜率時(shí)，是出現(xiàn)過(guò)冷（如圖中“G2實(shí)際”）。 由溶質(zhì)成分富集引起的過(guò)冷稱為“成分過(guò)冷”。,14,成分過(guò)冷形成的條件（液相有限擴(kuò)散）,液相濃度分布,C0,液相線溫度,K01,TL,TS,2.5.2成分過(guò)冷的因素 由“成分過(guò)冷”判據(jù)公

7、式： 影響成分過(guò)冷度主要因素有： 工藝因素：R、G 合金性質(zhì)C0、mL、K0、DL C0、R、G三個(gè)主要因素的影響見(jiàn)右圖。,C0、R、G對(duì)晶體形貌的綜合影響示意圖,2.6 枝晶間距 枝晶間距是指相鄰?fù)沃чg的垂直距離。 一次枝晶（柱狀晶主干）間距 二次枝晶間距 枝晶間距越小，組織越細(xì)。 二次枝晶間距d2為：,冷卻速度越快（即溫度梯度G和結(jié)晶速度R越大），樹(shù)枝晶越細(xì)。,17,溫度梯度G和結(jié)晶速度R對(duì)結(jié)晶組織形態(tài)和大小的影響,溫度梯度G 和結(jié)晶速度R 決定結(jié)晶組織； G/R決定結(jié)晶組織的形態(tài)； GR決定結(jié)晶組織的大小；,GR,小,大,3.焊縫中的化學(xué)不均勻性,合金在凝固過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)成分不均勻

8、的現(xiàn)象稱為偏析。 偏析主要是由于合金在凝固過(guò)程中溶質(zhì)再分配和擴(kuò)散不充分引起的。 焊縫中的偏析主要有： 顯微偏析 區(qū)域偏析 層狀偏析 偏析會(huì)影響焊縫的性能。,3.1 顯微偏析 顯微偏析是指在晶粒范圍內(nèi)的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。 不同的元素其偏析程度不同。S、P、C都極易偏析的元素。 在合金中，很多元素共存，使元素自身的偏析度也有較大的變化 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,晶間偏析,3.2區(qū)域偏析 焊縫結(jié)晶時(shí)，隨著柱狀晶前沿的推進(jìn)長(zhǎng)大，從而把低熔點(diǎn)雜質(zhì)推向熔池中心，造成焊縫中心富集溶質(zhì)，使焊縫結(jié)晶后在整個(gè)橫截面上的成分分布明顯不均勻的現(xiàn)象。 加強(qiáng)熔池金屬的混合

9、可改善區(qū)域偏析。 電磁攪拌 GTAW焊時(shí)，采用直流正流性焊接，熔深較大，混合較好。,快速焊時(shí)焊縫的區(qū)域偏析（宏觀偏析）,3.3層狀偏析 結(jié)晶過(guò)程周期性變化而使得化學(xué)成分不均勻分布的現(xiàn)象。 產(chǎn)生原因： 凝固時(shí)結(jié)晶潛熱及熔滴過(guò)渡帶來(lái)的附加熱脈沖作用等，使熱輸入波動(dòng)。 結(jié)晶前沿溫度變化結(jié)晶速度R波動(dòng)層狀偏析 危害：層狀偏析不僅造成焊縫力學(xué)性能不均勻性，還可沿層狀線形成裂紋或氣孔。,當(dāng)結(jié)晶前沿溫度降低時(shí)，晶粒成長(zhǎng)速度加快，結(jié)晶前沿的富集層來(lái)不及均勻化而被“凍結(jié)” 。,4.熔合區(qū)的化學(xué)不均勻性,熔合區(qū)的定義 熔合區(qū)是指焊縫金屬與母材金屬交界的地區(qū)。由于這個(gè)區(qū)域液相與固相并存，所以又稱為半熔化區(qū)。 熔合區(qū)

10、是整個(gè)焊接接頭的薄弱部位。該區(qū)域存在嚴(yán)重的化學(xué)不均勻性。 它常常是冷裂紋、再熱裂紋和脆性相的起源地。,元素在固液界面濃度分布與該元素在固、液相中的擴(kuò)散系數(shù)和分配系數(shù)有關(guān)。 不均勻性程度與母材和填充金屬成分及其差異大小有關(guān)。 異種鋼焊接時(shí)尤為突出。,采用奧氏體鋼焊條焊接低碳鋼時(shí)熔合線附近,25,增碳層,脫碳層,5.熔池凝固組織控制,實(shí)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(shí)，凝固組織亦將作較大的變化。 當(dāng)焊接速度增大時(shí)，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(shí)，主要為柱狀樹(shù)枝晶； 焊接電流小時(shí)，主要是胞狀晶； 焊接電流較大時(shí)

11、，則轉(zhuǎn)為極大的樹(shù)枝晶。,粗大的柱狀晶會(huì)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(duì)沖擊韌度的影響。在穩(wěn)定型奧氏體鋼焊接時(shí)，粗大柱狀晶還是造成熱裂紋 的原因之一。同時(shí) 對(duì)抵抗晶間腐蝕也 不利。,焊接過(guò)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(shí)可通過(guò)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(dòng)結(jié)晶 焊接時(shí)可同時(shí)對(duì)焊件施以振動(dòng)，通過(guò)振動(dòng)，可使柱狀樹(shù)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(dòng)方式主要有機(jī)械振動(dòng)、超聲振動(dòng)和電磁振動(dòng)。,（3)優(yōu)化焊接工藝參數(shù) 對(duì)于不銹鋼這類(lèi)不發(fā)生相變重結(jié)晶的鋼焊接時(shí)，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