熔池凝固和焊缝固态相变

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1、第三章熔池凝固和焊缝固态相变1主要内容第一节熔池凝固第二节焊缝金属的一次结晶组织第三节焊缝固态相变第四节焊缝中的气孔和夹杂2熔池凝固过程的研究目的：熔池凝固过程对焊缝金属的组织、性能具有重要影响。焊接工程中，由于熔池中的冶金条件和冷却条件不同，可得到性能差异很大的组织。同时有许多缺陷是在熔池凝固的过程中产生的，如气孔、夹杂、偏析和结晶裂纹等。另一方面，焊接过程是处于非平衡的热力学条件，因此熔池金属在凝固过程中会产生许多晶体缺陷，如点缺陷（空位和间隙原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（界面）。这些缺陷的发展严重影响焊缝的金属的性能。3熔焊时，在高

2、温热源的作用下，母材将发生局部熔化，并与熔化了焊丝金属搅拌混合而形成焊接熔池（WeldPool）。与此同时，进行了短暂而复杂的冶金反应。当焊接热源离开以后，熔池金属便开始凝固（结晶），如图3-1。第一节熔池凝固一、熔池的凝固条件和特点结晶过程：晶核生成、晶核长大1.熔池的体积小、冷却速度大含碳高、合金元素较多的钢种，容易产生淬硬组织，甚至焊道上产生裂纹熔池中心和边缘有较大的温度梯度，致使焊缝中柱状晶得到很大发展，一般情况下没有等轴晶，只有在焊缝断面的上部有少量的等轴晶（电渣焊除外）。2.熔池中的液态金属处于过热状态合金元素的烧损比较严重，使

3、熔池中非自发形核的质点大为减少（柱状晶的形成原因之一）。3.熔池是在运动状态下结晶（如图3-2）熔池以等速随热源移动，熔化和凝固同时进行。气体吹力，焊条摆动、内部气体逸出等产生搅拌作用，利于排除气体和夹杂，有利于得到致密而性能好的焊缝。4二、熔池结晶的一般规律1.熔池中晶核的形成①自发形核所需能量：其中：σ——新相-液相的界面张力ΔFv——单位体积内固液两相自由能之差②非自发形核所需能量：θ=0°→Ek´=0→液相中有大量的悬浮质点和现成表面。θ=180°→Ek´=Ek→全自发形核，不存在非自发晶核的现成表面。θ=0°~180°时，Ek´/

4、Ek=0~1，说明在液相中有现成表面存在时，将会降低形成临界晶核所需的能量。5二、熔池结晶的一般规律θ角的大小决定于新相晶核与现成表面之间的表面张力。如果新核与液相中的原有表面固体粒子的晶体结构越相似（即点阵类型与晶格常数相似），则二者之间的表面张力越小，θ角也越小，那么自发非自发晶核的能量也越小。因此，对于焊接熔池来讲，非自发晶核起了主要作用。6③熔池中的现成表面合金元素或杂质的悬浮质点（在一般情况下所起作用不大）熔合区附近加热到半熔化状态的基体金属晶粒表面，非自发晶核就依附在这个表面上，并以柱状晶的形态向焊缝中心成长，形成所谓交互结晶（

5、或称联生结晶），如图3-4、3-5所示。焊接时，为改善焊缝金属的性能，通过焊接材料加入一定量的合金元素（如钼、钒、钛、铌等），可以作为熔池中非自发形核的质点，从而使焊缝金属晶粒细化。72.熔池中的晶核长大熔池中晶核形成之后，就以这些新生的晶核为核心，不断向焊缝中心成长。但是，长大的趋势各不相同，有的柱状晶体严重长大，一直可以成长到焊缝中心，有的晶体却只成长到半途而停止。晶粒由为数众多的晶胞组成，在一个晶粒内部这些晶胞具有相同的方位，称为“位向”。不同的晶粒具有不同的位向，称为各向异性。因此，在某一个方向上的晶粒就最易长大。此外，散热的方向对

6、晶粒的长大也有很大的影响。8当晶体的最易长大方向与最大温度梯度方向（最快散热方向）相一致时，可优先成长，可一直长至熔池的中心，形成粗大的柱状晶体。有的晶体由于取向不利于成长，与散热最快的方向又不一致，这时晶粒的成长就停止下来。以上称之为焊缝中柱状晶体的选择长大，如图3-6。9三、熔池结晶的线速度熔池的结晶方向和结晶速度对焊接质量有很大的影响，特别是对裂纹、夹杂、气孔等缺陷的形成影响更大。焊接熔池的外形为椭球状的曲面，即结晶的等温面，熔池的散热方向是垂直于结晶等温面的，因此，晶粒的成长方向也是垂直于结晶等温面的。由于结晶等温面是曲面，因此晶粒

7、成长的主轴必然是弯曲的。如图3-7所示，晶粒主轴的成长方向与结晶等温面正交，并且以弯曲的形状向焊缝中心成长。101.晶粒主轴生长的线速度(Vc)分析①晶粒生长的线速度分析图（如图3-8）②在dt内，当结晶等温面由A→B时，变化的距离为dx，则dx/dt=V（焊接速度），此时该晶粒生长由A→C，变化距离为ds，则ds/dt=Vc，当dt→0时，BC垂直于AC，即：cosθ取决于焊接规范和材料的热物理性质及形状11③cosθ值的确定厚大件：薄件：④对Vc的讨论θ=0时，Vc=V（焊缝中心线）θ=90时，Vc=0（熔合线，焊缝边界）即晶粒生长

8、速度是变化的V↑→θ↑，生长越垂直于焊缝中心，易形成脆弱的结合线，产生纵向裂纹V↑→Vc↑，所以焊易裂材料时，不能用大的焊速1213四、熔池结晶的形态1.分类结晶形态的不同，是由