第三章 焊池凝固和焊缝固态相变.pptVIP

焊接原理第三章 焊池凝固和焊缝固态相变 主要内容 §1 熔池凝固 p116~131 Weld pool solidification §2 焊缝固态相变 p132~141 Weld solid phase transition §3 焊缝中的气孔和夹杂 p142~150 §4 焊缝性能的控制 p151~160 材料成型及控制工程 0707、0708班 0804~0806班，0904~0906班 熔池的形状 半个双椭球模型 第一节 熔池凝固一、熔池的凝固条件和特点 1 焊接熔池体积小，冷却速度高； 一般小于100g，或30cm3 ，平均4~100 ℃ /s，约为铸造的104。 2 焊接熔池的液态金属处于过热状态 一般钢材熔池温度平均1770 ±100℃ 熔池边界的温度梯度比铸造时高103 –104倍。 3 熔池在运动状态下结晶 结晶前沿随热源同步运动 液态金属受到各种力的搅拌运动 熔池金属存在对流运动 在运动状态下凝固，凝固速度高，常比铸造的高10~100倍。 （4 熔池界面的导热条件好） 二、熔池结晶的一般规律 （一）熔池中晶核的形成 生成晶核的两个条件： 热力学：过冷度——使得系统自由能降低 动力学：系统自由能降低的程度 自发晶核和非自发晶核 自发晶核所需能量： 非自发晶核所需能量： 图３-３ 研究已证明：焊接熔池结晶，非自发晶核起主要作用 θ=0~180°，能量比=E’k/ Ek=0~1 能量比=0，大量质点成为现成表面 能量比=1，无现成表面 θ角的大小，取决于新相晶核与现成表面间的表面张力。 两者晶体结构相似（　　类型、　　常数），两者间的表面张力就越小。 焊接熔池有两种现成表面： 合金元素或杂质质点＿作用较小 半熔化态的晶粒表面＿主导作用,外延结晶、联生结晶 图3-4，3-5 联生结晶或外延结晶： 从熔池边界半熔化的母材开始生长 非均质形核 主要为柱状、枝状晶形态 （二）熔池中的晶核长大 择优生长——晶粒的位向不同；散热方向 优先条件？ 不利的晶粒位向，其生长将被抑制 晶粒的生长情况还与其他因素有关： El、焊缝的位置、搅拌如何、振动？ 择优生长 当母材金属（Fe, Ni, Cu, Al）晶粒取向001 与导热最快的方向（温度 梯度G最大）一致时，垂 直熔池边界时，晶粒生长 最快而优先长大。 高低速焊接的焊缝TIG，99.96 w% Al 三、熔池结晶线速度 柱状晶体的成长： 一般讲，熔池晶粒生长的主轴是弯曲的；图3-7 与焊接速度有密切关系，图3-8 公式推导—— 结晶线速度： 焊接速度一定，主要取决于cosθ： cosθ又决定于焊接规范和材料热物性 定性推导： 公式3-5 厚板表面快速堆焊 公式3-6 薄板上自动焊接 看出问题： 1、晶粒生长定平均线速度是变化的； 2、工艺参数对生长方向和平均线速度均有影响 3、还有，结晶潜热、周期性、成分不均匀性、元素扩散等诸多因素相关！ 四、熔池结晶的形态 熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，成分过冷的分布不同，形成的晶体亦不同； 焊缝晶体的主要形态是：柱状晶和少量等轴晶。 仔细观察还可发现：柱状晶或等轴晶内部还有亚晶结构：平面晶、胞晶、树枝状晶等。 （一）纯金属的结晶形态：无成分变化，恒温凝固； 正温度梯度：G＞0, 平面晶的生长条件 负温度梯度：G＜0，树枝状晶的生长条件 金属凝固的四种基本形态 （二) 固溶体合金的结晶形态 工业纯金属也是合金 热过冷——结晶动力 结晶温度与成分有关：先结晶的成分更纯，使溶质聚集在固液界面的前沿。 成分过冷——固液界面处成分起伏而造成的过冷。 成分过冷的程度不同，结晶形态各异 定向凝固-溶质再分配-成分过冷 成分过冷的程度与结晶形态的变化 （三）成分过冷条件对结晶形态的影响 1、 温度梯度G＞0，平面结晶，图3-18 2、温度梯度G与实际结晶温度T有少量相交，胞状结晶，图3-20 3、 G—T相交较大，胞状树枝结晶，图3-22 4、 G—T相交很大，树枝状结晶，图3-24 5、两线平行，等轴结晶，图3-26 冷却条件和结晶形态比对 1、 温度梯度G＞0，平面结晶 2、温度梯度G与实际结晶温度T有少量相交，胞状结晶 G—T相交较大，胞状树枝结晶 4、 G—T相交很大，树枝状结晶 5、两线平行，等轴结晶 （四）焊接条件下的结晶形态 熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，成分过冷的分布不同，焊缝各部位出现不同的结晶形态：平面晶、胞状晶、树枝状晶、等轴晶。——非平衡结晶 1、成分的影响 2、焊接速度的影响 3、焊接电流的影响 焊缝中的等轴晶 线能量对过冷河结晶形态的影响 （例）脉冲电弧焊下的等轴晶 （例）电子束焊缝中的结晶 五、焊缝金属的化学成分不均匀