熔池凝固-吴正权.ppt

1.正温度梯度 在这种情况下由于液体金属的温度高， 过冷度小或为负，使伸入液体金属内部的晶体成长 缓慢，故形成平滑的晶界
2.负温度梯度 由于液体内部的温度比界面低，过冷 度大，因而伸入液体金属内部的晶体成长速度很快， 除了主干之外，还有分枝，形成所谓树枝状晶
（二）固溶体合金的结晶形态
由于温度过冷和成分过冷，因此合金结晶时不必很大 的过冷度就可以出现树枝状晶。而且随过冷的不同， 晶体成长亦出现不同的结晶形态。
（三）成分过冷对结晶形态的影响
过冷程度的不同，焊缝组织出现不同的形态：
1.平面结晶 当液相的正温度梯度结晶呈平面形态， 这种平面结晶多发生在高纯度的焊缝金属，如纯铌 板氩弧焊时，就是以平面结晶的形态进行长大。
2.胞状结晶 当温度梯度G与实际结晶温度T不少量的 相交，即具有较小的成分过冷的条件下，便出现胞 状结晶。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
熔池凝固过程对焊缝金属的组织、性能具有重要的 影响。焊接过程中，由于熔池中的冶金条件和冷 却条件的不同，可得到性能差异甚大的组织，同 时有许多缺陷是在熔池凝固的过程中产生，如气 孔、夹杂、偏析和结晶裂纹等。
第一节 熔 池 凝 固
一、熔池的凝固条件和特点
1．熔池的体积小，冷却速度大
二、熔池结晶的一般规律 熔池金属的结晶也是生核和晶核长大的过程。 （一）熔池中晶核的形成 晶核有两种：自发晶核和非自发晶核。 在焊接条件下，熔池中存在是合金元素或杂质的悬浮 质点和熔合区附近加热到半熔化状态基本金属的晶 粒，非自发晶核就依附在它们的表面上，并以柱状 晶的形态向焊缝中心成长。
熔合区母材晶粒上 成长的柱状晶
快速焊时柱状晶的成长 大焊速时焊缝的纵向裂纹
四、熔池结晶的形态
焊缝中的晶体形态主要是柱状晶和少量等轴晶。每个 柱状晶内还有不同的结晶形态（如平面晶、胞晶和树 枝状晶等），而等轴晶内一般都呈现树枝晶。这些柱 状或等轴晶内部的微观形状称为亚晶。 （一）纯金属的结晶形态 由于在纯金属凝固（结晶）过程中不存在化学成分变 化，因此整个液体中的凝固点为恒定的温度，而过冷 度的大小只决定于温度的梯度。即液相中的过冷度取 决于造成实际结晶温度低于凝固点的冷却条件，例如 冷却速度越大，过冷度越大。
焊接电流较小（150A）时，焊缝得到胞状组织；增 加电流（300A）时，得到胞状树枝晶；电流继续增 大（450A），出现更为粗大的胞状树枝晶。
五、焊缝金属的化学成分不均匀性
在熔池进行结晶的过程中，由于冷却速度很快，已凝固的焊缝 金属中化学成分来不及扩散，合金元素的分布是不均匀的，出 现所谓偏析现象。与此同时，在焊缝的边界处——熔合区，还 出现更为明显的成分不均匀，常成为焊接接头的薄弱地带。
5．等轴结晶 当液相中的温度梯度G很小，能在液相 中形成很宽的成分过冷区，此时不仅在结晶前沿形 成树枝状结晶，同时也能在液相的内部生核，产生 新的晶粒。这些晶粒的四周不受阻碍，可以自由成 长，形成等轴晶。
（四）焊接条件下的凝固（结晶）形态
实践证明，熔池中成分过冷的分布在焊缝的不同部位 是不同的，因此，将会出现不同的结晶形态。在焊 缝的熔化边界，由于温度梯度G较大，结晶速度R又 较小，故成分过冷接近于零，所以平面晶得到发展。 随着远离熔化边界向焊缝中心过渡时，温度梯度G逐 渐变小，而结晶速度逐渐增大，所以结晶形态将由 平面晶向胞状晶、树枝胞状晶（柱状晶区），一直 到等轴晶发展。
熔池的平均冷却速度比钢锭的平均冷却速度要大 10000倍左右。因此，对于含碳高、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。
由于冷却很快，熔池中心和边缘还有较大的温度梯 度，致使焊缝中柱状晶体得到很大发展。 2．熔池中的液态金属处于过热状态。 由于液体金属的过热程度较大，合金元素的烧损比 较严重，使熔池中非自发晶核的质点在为减少，这 也是促使焊缝中柱状晶体得到发展的原因之一 3．熔池是在运动状态下结晶
除了焊缝金属成分对结晶形态有影响之外，焊接工艺 参数也有很大的影响。
1．焊接速的影响
当焊接速度增大，熔池中心的温度梯度下降很多，使 熔池中心的成分过冷加大，因此快速焊接时，在焊 缝中心往往出现大量的等轴晶；而低速焊接时，在 熔合线附近出现胞状树枝晶，在焊缝中心出现较细 的胞状树枝晶。
2．焊接电流的影响
当晶体最易长大方向与散热最快方向（或最大温度梯 度方向）相一致时，则最有利于晶粒长大，便优先 得到成长，可以一直长至熔池的中心，形成粗大的 柱状晶体。
三、熔池结晶线速度
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。
晶粒的成长方向也是垂直于结晶等温面。 1．晶粒成长的平均线速度是变化的 2．焊接工艺参数对晶粒成长方向及平均线速度均有影响 当焊速越大时，晶粒主轴的成长方向越垂直于焊缝的中心线。 相反，当焊缝越小时，则晶粒主轴的成长方向越弯曲。 当晶粒主轴垂直于焊缝中心时，易形成脆弱的结合面，因 此， 采用过大的焊速时，常在焊缝中心出现纵向裂纹。 （见下图） 对于焊接奥氏体钢和铝合金时应物特别注意不能采用大的焊 速。
3.胞状树枝结晶 当成分过冷稍大时，界面上凸起部 分能够深入液体内部较长的距离，与此同时，凸起 部分也向周围排溶质，于是在横向也产生了成分过 冷，这时从主干向横向方向伸出短小的二次横枝。 但由于主干的间距较小，所以二次横枝也比较短， 这样就形成的特殊的胞状树结晶。
4．树枝状结晶 当成分过冷进一步增大时，即温度梯 度G与实际结晶温度T相交的面积很大时，在一个晶 体内除产生一个很长的主干之外，还向四周伸出二 次横枝，因而形成了明显的树枝状结晶。
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 为熔池中非自发晶核的质点，从而使焊缝金属晶粒 细化。
（二）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， 不断向焊缝中成长。
熔池金属开始结晶时，总是从靠近熔合线处的母材上 联生地长大起来。
（一）焊缝中的化学不均匀性
和微观分析的方法查明，焊缝金属在结晶过程中，由于来不 及扩散而存在化学成分的不均匀性。