焊接熔池凝固.ppt

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1、焊接熔池的凝固过程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

2、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。1.2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。1.3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1.4对流强烈。熔池中存在各种作用力，如电

3、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。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×).Fusionboundary(b)采用4043焊丝(Al–5Si)焊接铸态Al–4.5Cu合金焊

4、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2.1.2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<100>。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；焊

5、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（S－S）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点便移至B点，A点晶粒长大至C点。当dx很小时，ds=dxcosds/dt=dx/dt×cos即R=vcos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）∵　

6、＝90°，∴R=0在焊缝中心（Y＝0）∵＝0°，∴R＝v.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)焊接速度小2.5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2.5.1成

7、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”。14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K0<1TLTS2.5.2成分过冷的因素由“成分过冷”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。C0、R、G对晶体形貌的综合影响示意图2.

8、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G和结晶速度R决定结晶组织；G/R决定结晶组织的形态；G×R决定结晶组织的大小；G×