熔池凝固和焊缝固态相变

成成分过冷，由于过冷成度不同形成
不同的结晶形态。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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三、 浓度过冷对结晶形态的影响
1、平面结晶
产生条件：过冷度＝0，无成分过冷 特征：平面晶（G正温度梯度很大时）
平面结晶形态发生在结晶前沿没有浓 度过冷的情况下。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
薄板上自动焊接
cos
1 A
q
hTm
2
ky2
1 k y 2



1 2
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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1、晶粒成长的平均线速度是变化的
晶粒成长方向和线速度是变化的，在熔合线处 最小，在焊道中心处最大，为焊速。
2、焊接规范的影响
当焊速大时， 则θ越大，晶粒主轴的成 长方向垂直于焊缝中心线，称为定向晶。 当焊速小时，晶粒主轴的成长方向弯曲， 形成偏向晶。
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第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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五、焊缝金属的化学不均匀性
（一） 焊缝中的化学不均匀性
晶核的成长是一个原子厚度从液相中吸 收原子集团来进行的并连续不断地吸附在 晶体表面的小台阶处而迅速长大。
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焊接熔池边界正是固 液相的相界面，熔池边 界的部分熔化的母材晶 粒表面完全可能成为新 相晶核的“基底” ， 非均匀生核，焊缝金属 呈柱状晶形式与母材相 联系，好似母材晶粒外 延长大。这种依附于母 材晶粒现成表面而形成 共同晶粒的凝固方式， 称为外延结晶或联生结 晶。
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2、 胞状结晶
产生条件：过冷度很小。
特征：断面六角形，细胞或蜂窝状。
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3、胞状树枝结晶
产生条件：过冷度稍大。 特征：主干四周伸出短小二次横枝，纵向 树枝晶断面胞状。
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4、 树枝状结晶
产生条件：过冷度圈较大。 特征：主枝长，主枝向四周伸出二次横枝，并能 得到很好的生长。
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1、溶质浓度影响
纯AL 99 .99%焊缝熔合线附近为平面晶， 中心为胞状晶。若纯AL99.6%，焊缝出现 胞状晶，中心为等轴晶
2、焊接速度的影响
V↑，熔池中心出现等轴晶。 V小，熔合线附近出现胞状树枝晶。
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3、电流的影响
I小，胞状晶, I较大，胞状树枝晶 I大，粗大树枝晶 焊接速度过大时，焊缝中心出现等 轴晶，低速时，焊缝中心有胞状树 枝晶。焊接电流大时，出现粗大的 树枝晶。
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1.生核
熔池中晶核的生成分为：非自发晶核、自发 晶核。形成两种晶核都需要能量
1)自发晶核
自发临界晶核所需的能量
Er 16 3 3Fr2
б：新相与液相间的表面张力系数。 ΔFr：单位体积内液固两相自由能之差。
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2)非自发形核
E ` 16 3 23cos cos3
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三、熔池结晶线速度
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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在厚大焊件的表面上快速堆焊
cos 1 A
α：热扩散率
q
KY 2 K22
a（TMcm12/sK）Y 2 K22
Байду номын сангаас
1 2
vc : 晶粒成长的平均速度 v : 焊速
θ: v0和vc的夹角
第三章
熔池凝固和焊缝固态相变
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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第三章--熔池凝固和焊缝 固态相变
第一节 第二节 第三节 第四节
熔池凝固 焊缝固态相变 焊缝中的气孔和夹杂 焊缝性能的控制
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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重点内容
1、熔池凝固条件和特点及一般规律 2、各钢种焊缝的固态相变组织的转变 3、焊缝中的气孔和夹杂问题 4、焊缝性能问题讨论
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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5、等轴晶
产生条件：过冷度大。 特征：结晶前沿长出粗大树枝晶，液相内，
可自发生核，形成自由长大的等轴树枝晶。
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（四）、焊接条件下的凝固形态
焊缝成分对结晶形态有影响，还与焊接 规范参数有关。熔池中成分过冷的分布 在焊缝的不同部位是不同的，将会出现 不同的结晶形态。
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第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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四、金属的微观结晶形态
（一）．纯金属的结晶形态
① G>0时 G------温度梯度（正的温度梯 度）液相温度固相，过冷度小，结晶缓 慢，形成平面晶。
② G<0液体内部温度比界面低，进过冷度 大，晶粒成长速度大，形成树枝晶。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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§3-1 熔池凝固
一、熔池的凝固条件和特点
1. 熔池体积小，冷却速度大 2．熔池中的液态金属处于过热状态 3．熔池在运动状态下结晶
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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二、熔池结晶的一般规律
焊接时，熔池金属的结晶与一般炼钢时 钢锭的结晶一样，也是在过冷的液体金 属中，首先形成晶核和晶核长大的结晶 过程。生核热力学条件是过冷度而造成 的自由能降低；生核的动力学条件是自 由能降低的程度。
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a)G>0时的温度分布
b)G<0时的温度分布
c)G>0时的界面结晶形态 d)G<0时的界面结晶形态
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（二）．固溶体合金的结晶形态
在任意T，溶质B在液态A是的浓度为
CL`，在固态A中浓度为CS，分配系数
K CS
0
CL
金属结晶，温度过冷，合金的结晶形
态除了温度过冷，还存在成分起伏造
k
3 Fr 2
4
θ：非自发晶核的浸润角
θ=0℃ EK`=0
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焊接时存在两种非自发晶核质点，一种是 合金元素，另一种是现成表面，焊接熔池 边界，正是固液相的相界石，熔池边界半 熔化的母材晶粒表面为新相晶核的“基 底”。
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2．成长
原子由液相不断地向固相转移，晶核的成 长是通过二维成核方式长大，但并不是齐 步前进，长大趋势不同，有的一直向焊缝 中部发展；有的只长大很短距离就被抑制 停止长大。当晶体最易长大方向与散热最 快方向相一致，最有利长大