焊接熔池凝固
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焊接熔池的凝固过程
b
1
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。
b
2
Hale Waihona Puke Baidu
b
3
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。
大 G×R 小
温度梯度G和结晶速度R对结晶组织形态和大小的影响
b
17
3.焊缝中的化学不均匀性
合金在凝固过程中发生的化学成分不均匀的现象称为 偏析。
偏析主要是由于合金在凝固过程中溶质再分配和扩散 不充分引起的。
焊缝中的偏析主要有：
显微偏析 区域偏析 层状偏析 偏析会影响焊缝的性能。
b
18
b
5
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
b
6
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
Fusion boundary
(a) C103合金电子束焊熔 合线附近 (400×).
b
(b)采用4043 焊丝 (Al–5Si)焊接铸 态 Al–4.5Cu合金焊缝熔合线附近.
7
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。
沿熔合线新形 核的晶粒
熔合线
409型铁素体不锈钢（bcc)采用Monel(70Ni30Cu)焊材(fcc)，得到fcc焊缝
焊缝中柱状晶体的选择长大
b
9
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=dx cos ds/dt =dx/dt × cos 即 R= v cos
b
11
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
b
12
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。
动力学过冷
热过冷
△T
纯金属的结晶形态
b
13
2.5.1 成分过冷
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)。
R
DLK0
➢ 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、DL
➢ C0、R、G三个主要因素的影响 见右图。
b
G/ R
C0、R、G对晶体形貌的综 合影响示意图
15
2.6 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：
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”。
TL
K0<1
TS
液相浓度分布
C0
液相线温度
成分过冷形成的条件（液相 有限扩散）
b
14
➢2.5.2成分过冷的因素
➢ 由“成分过冷”判据公式：
G mLC0(1K0)
3.1 显微偏析
显微偏析是指在晶粒范围 内的化学成分不均匀现象。
不同的元素其偏析程度不 同。S、P、C都极易偏析 的元素。
1
d2ARTG s 3 式 中 ,Ts为 非 平 衡 凝 固 的 温 度 区 间 ,GR相 当 于 冷 却 速 度 (oC/s) A为 比 例 常 数 ,与 合 金 性 质 (K0,CL,DL等 )有 关
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。
b
16
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；
b
等温线
晶粒成长线速度分析图 结晶形态：弯曲柱状晶
10
R= v·cos
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。
在熔池边界（熔合线上） ∵ ＝90°，∴ R=0
在焊缝中心（Y＝0） ∵ ＝0 °，∴ R＝v.
b
4
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。
b
8
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；
b
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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。
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Hale Waihona Puke Baidu
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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。
大 G×R 小
温度梯度G和结晶速度R对结晶组织形态和大小的影响
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3.焊缝中的化学不均匀性
合金在凝固过程中发生的化学成分不均匀的现象称为 偏析。
偏析主要是由于合金在凝固过程中溶质再分配和扩散 不充分引起的。
焊缝中的偏析主要有：
显微偏析 区域偏析 层状偏析 偏析会影响焊缝的性能。
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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
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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
Fusion boundary
(a) C103合金电子束焊熔 合线附近 (400×).
b
(b)采用4043 焊丝 (Al–5Si)焊接铸 态 Al–4.5Cu合金焊缝熔合线附近.
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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。
沿熔合线新形 核的晶粒
熔合线
409型铁素体不锈钢（bcc)采用Monel(70Ni30Cu)焊材(fcc)，得到fcc焊缝
焊缝中柱状晶体的选择长大
b
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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=dx cos ds/dt =dx/dt × cos 即 R= v cos
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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
b
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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。
动力学过冷
热过冷
△T
纯金属的结晶形态
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2.5.1 成分过冷
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)。
R
DLK0
➢ 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、DL
➢ C0、R、G三个主要因素的影响 见右图。
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G/ R
C0、R、G对晶体形貌的综 合影响示意图
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2.6 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：
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”。
TL
K0<1
TS
液相浓度分布
C0
液相线温度
成分过冷形成的条件（液相 有限扩散）
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➢2.5.2成分过冷的因素
➢ 由“成分过冷”判据公式：
G mLC0(1K0)
3.1 显微偏析
显微偏析是指在晶粒范围 内的化学成分不均匀现象。
不同的元素其偏析程度不 同。S、P、C都极易偏析 的元素。
1
d2ARTG s 3 式 中 ,Ts为 非 平 衡 凝 固 的 温 度 区 间 ,GR相 当 于 冷 却 速 度 (oC/s) A为 比 例 常 数 ,与 合 金 性 质 (K0,CL,DL等 )有 关
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。
b
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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；
b
等温线
晶粒成长线速度分析图 结晶形态：弯曲柱状晶
10
R= v·cos
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。
在熔池边界（熔合线上） ∵ ＝90°，∴ R=0
在焊缝中心（Y＝0） ∵ ＝0 °，∴ R＝v.
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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。
b
8
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；