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焊接熔池凝固

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焊接冶金原理作业讲评(二))

焊接冶金原理作业讲评(二))

作业讲评（二）1、焊接接头的形成要经历加热、熔化、冶金反应、熔池凝固、固态相变五个阶段。

2、结晶的驱动力与过冷度成正比，过冷度越大，结晶的驱动力就越大。

3、液态薄膜是结晶裂纹形成的内因，拉伸应力是裂纹形成的必要条件。

4、手工电弧焊时有三个反应区：药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区。

5、焊接溶池凝固与一般铸锭凝固相比，具有以下特点：（1）体积小；（2）过热度高；（3）熔化和凝固同时进行。

6、测得熔渣的化学成分为：SiO2 25.1%, TiO2 30.2%, CaO 8.8%, MgO 5.2%, MnO 13.7%, FeO 9.5%, Al2O3 3.5%，计算得B2为-1.16，则该熔渣为酸性渣。

7、同种钢材焊接时，焊条选用要求焊缝金属与母材强度相等，熔敷金属的抗拉强度应等于或稍高于母材，合金成分与母材相同或接近。

8、改善焊缝金属性能的途径有很多，主要是焊缝就是固溶强化、变质处理（向焊缝中添加合金元素）、调整焊接工艺。

9、焊缝中气孔的形成过程是由形核、长大和上浮三个相互联系而又彼此不同的阶段构成。

10、硫在熔池凝固时容易发生偏析，以低熔点共晶的形式呈片状或链状分布于晶界。

因此增加了焊接金属产生结晶裂纹的倾向，同时还会降低冲击韧性和抗腐蚀性。

控制硫的主要措施：(1)限制焊接材料中的含硫量；(2)用冶金方法脱硫。

1．焊接区内气体的主要来源是什么？它们是怎样产生的？答：（1）焊接材料：焊条药皮、焊剂及焊丝药芯中造气剂。

直接输送进入焊接区。

（2）热源周围的气体介质：不可避免，侵入焊接区（真空除外）（3）焊丝和母材表面上铁锈、油污、氧化铁皮以及吸附水等（直接输送）（4）焊接过程中所进行物化反应产生气体。

2.试述熔池在结晶过程中，晶粒成长方向与晶粒主轴成长的平均线速度和焊接速度的关系。

答：熔池结晶过程中，晶粒成长方向与最快散热方向一致，垂直于结晶等温面；因结晶等温面是曲面，晶粒成长方向的主轴必然弯曲，并指向焊缝中心。

金蓝领模拟试题(一.二)

金蓝领模拟试题(一.二)

金蓝领试题一一、判断题（请将判断结果填入括号中，正确的划“√”，错误的划“×”。

每题1分，共20分）（×）1、焊接时应尽量采用长弧焊接，因为长弧焊时电弧的范围大，保护的效果好。

（√）2、熔焊过程隔离空气的保护措施，其基本形式是气体保护、熔渣保护和气渣联合保护。

（×）3、焊缝中的偏析有显微偏析和区域偏析，两者都是在焊缝金属二次结晶时产生的。

（×）4、异种金属焊接接头各区域的金相组织主要决定于母材和填充材料的化学成分。

（×）5、异种钢焊接时，不论在什么情况下，焊接材料的选择完全可以根据性能较低母材的一侧来选择。

（√）6、镍基合金中，因康洛依属于800系列。

（×）7、热喷涂是将熔化状态的喷涂材料，通过高速气流使其雾化喷射到零件表面，形成喷涂层的一种焊接方法。

（√）8、低碳钢具有最优良的焊接性，因此，低碳钢和低合金钢焊接时的焊接性仅决定于低合金钢本身的焊接性。

（×）9、珠光体耐热钢与低合金钢焊接时，应根据珠光体耐热钢的化学成分来选择焊接材料。

（√）10、珠光体钢的含碳量较高，碳化物形成元素较少，面奥氏体钢则相反，因此在珠光体钢与奥氏体钢接头的熔合线两侧出现碳和碳化物形成元素的浓度差。

（√）11、异种金属焊接时，预热温度是根据母材焊接性能较差一侧的钢材来选择。

（×）12、异种钢焊后热处理的目的主要是改变焊缝金属的组织，以提高焊缝的塑性、减小焊接残余应力。

（√）13、热焊铸铁件时，焊后必须采用均热缓冷措施。

（√）14、铸铁的焊接热裂纹多出现在采用非铁基铸铁焊条焊接时的焊缝金属上。

（√）15、焊条电弧焊补焊铸铁有冷焊、半热焊和热焊三种方法。

（√）16、灰铸铁焊接的主要问题是在熔合区易产生白口组织和在焊接接头易产生裂纹。

（×）17、焊接结构由于刚度大，所以不容易产生脆性断裂。

（×）18、疲劳断裂和脆性断裂在本质上是一样的。

关于焊接熔池表面凝固速率测量的方法探究

关于焊接熔池表面凝固速率测量的方法探究

关于焊接熔池表面凝固速率测量的方法探究摘要：随着我国经济的迅速发展，我国的工业取得了巨大的发展与进步。

而在工业生产与测量中，进行对于焊接熔池表面温度与凝固速率的测量计算是必不可少的。

目前状况下，国内对于其的测算方法基本上都是数值模拟法。

这一方法主要是通过分析测算出相应的值，然而，在实际的情况中，往往出现选择的数学模型与实际的过程不完全符合，有事甚至差距过大。

这样一来，其准确性就会大打折扣。

我们研究的课题是：焊接熔池表面凝固速率测量的新方法分析。

为了完成我们的课题研究，我们组织设计了一项工艺，可以进行低糖钢的激光点焊，可以较为清晰的显示出液态的熔池回缩凝固的整个过程。

凭借这一设计，我们开展对于焊接熔池表面温度与凝固速率的测量计算以及相应的分析。

对于其表面温度的测量，主要运用的是红外辐射测温法。

而对于熔池表面的速率测量，主要是先对信息进行相应的提取与采集，抓住其特征，进行对于凝固速率的推算。

然后进一步的进行工艺实验，验证熔池表面凝固速率与直径之间的相应关系。

关键词：焊接熔池表面温度凝固速率红外测温法低碳钢1、红外线测温法由于传统的数值模拟法存在一定的弊端，这一方法主要是通过分析测算出相应的值，然而，在实际的情况中，往往出现选择的数学模型与实际的过程不完全符合，有事甚至差距过大。

因此，在我们的课题研究中，所采用的方法是红外线测温法。

1.1红外测温原理运用红外线进行温度的测量，是一种非接触测量方法，也就是说测温的对象不会接触到测温的元件，其主要是通过热辐射来进行对于温度的测量的。

要想正确而有效的使用红外测温仪，就必须先对红外测温仪进行一定程度上的了解。

主要了解其工作的原理、相应的技术指标、进行工作时所需要的环境以及条件以及对其的操作以及维修。

红外测温仪的构成其实并不复杂，它主要是由几大部分组成的，分别是光学系统、光电探测器、信号放大器以及信号的处理、显示输出。

各个部分有着不同的分工，进行着不同的工作。

光学系统的主要作用是进行对于相应的红外辐射能量的聚集，而红外测温仪的光学零件以及其放置的位置决定了其视场是否广泛。

焊接熔池凝固

焊接熔池凝固
加强熔池金属的混合可改善 区域偏析。
电磁搅拌
GTAW焊时，采用直流正流性焊 接，熔深较大，混合较好。
快速焊时焊缝的区域偏析 （宏观偏析）
20
3.3层状偏析
结晶过程周期性变化而使得化学成分不均匀分布的现 象。
产生原因： 凝固时结晶潜热及熔滴过渡带来的附加热脉冲作 用等，使热输入波动。 结晶前沿温度变化→结晶速度R波动→层状偏析
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；
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 (C/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。
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；
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
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

焊缝组织分析与质量控制

焊缝组织分析与质量控制

过热粗晶区魏氏组织
低碳钢中的魏氏组织
3、细晶区
此区加热温度在A~1100°之 间。在加热过程中，铁素体和 珠光体全部转变为奥氏体，即 产生金属的重结晶现象。由于 加热温度稍高于A ，奥氏体晶 粒尚未长大，冷却后将获得均 匀而细小的铁素体和珠光体， 相当于热处理时的正火组织， 故又称为正火区或相变重结晶 区。该区的组织比退火 (或轧制) 状态的母材组织细小，如图所 示。
纯钛加热快冷β→α’,钛马氏体。
3、有同素异构转变的多相合金
钢材（Fe-C合金) 过热区（1100--1490℃），易产生魏氏组织 重结晶区（900--1100℃）加热与冷却两次重
结晶，内部晶格发生变化。低碳钢相当于正火 组织
不完全重结晶区（750--900℃）粗晶与细 晶的混合组织
再结晶区 （晶粒外形变化）冷变形钢—晶粒细 化
1、焊接熔池体积小，冷却速度快（平均100℃/s，是铸造 104).
2、熔池液态金属高度过热，温度梯度大，熔池中心与边 缘的金属液态梯度比铸造高103– 104倍。
3、熔池在运动状态下结晶，结晶前沿随热源同步移动， 结晶主轴逆散热方向并向热源中心生长，到焊缝中心区停 止生长。此区是杂质易聚集区。
（一）焊接熔池的凝固
• 焊接熔池凝固的过程是从液相转变成固相的焊 接一次结晶过程。
• 此过程中易产生缺陷：气孔、裂纹、夹杂、宏 观偏析、粗大柱状晶等。
• 导致塑性降低、强度降低，断裂事故发生。
等轴晶
柱状晶
焊缝组织宏观分析
焊 接 区 域 低 倍 下 形 貌
20钢
（二）焊接熔池凝固与铸造凝固区别
元素较多时，熔合区
树
的结晶形态往往是胞
枝 晶
状树枝晶(或树枝晶)，

焊接熔池凝固ppt课件

焊接熔池凝固ppt课件

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.
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；
焊缝中柱状晶体的选择长大
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
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。
1
1.焊接熔池特征

熔焊总结解读

4、熔池周围散热条件好
二、焊缝的结晶特点
1、焊接熔池的：非均匀形核和联生生长
择优长大
偏向晶和定向晶的形成
2、焊缝凝固后的结晶形态
主要是柱状晶和少量的等轴晶，其中柱状晶包括平面晶和包晶；等轴晶包括树枝晶。
3、不均匀性和夹杂
a)结晶的不均匀性会产生：偏析、气孔、裂纹
b)偏析指显微偏析、层状偏析和区域偏析。
c)区域偏析的危害：在应力作用下产生纵向裂纹。
4、熔合区的不均性。
会产生脆性线、冷裂纹、再裂裂纹。
5、熔合区划分
分为：半熔合区、结晶过渡区和未混合区
三、焊缝金属组织调整和改善
1、一次结晶
一次结晶组织形态：粗大柱状晶。
A、粗大柱状晶对低碳钢影响不大，对高温合金钢高强钢影响大
B、粗大柱状晶影响：冲击韧性下降易产生热裂纹、夹杂、气孔、腐蚀等。
高合金钢钢合金元素〉10%
2.按性能与用途分类：强度用钢（高强钢）
低中合金特殊用钢
二、高强钢及特殊用钢的分类
１.高强钢： 普通低合金钢（热轧正火钢）
调质钢：低碳调质钢、中碳调质钢
２.特殊用钢： 珠光体耐热钢Ｐ
低温用钢：Ｆ、Ｍ、Ａ
低合金耐蚀钢
三、高强钢的性能及特点
１，普低钢
ａ．屈服强度为２９４～４９０ＭＰａ，属于热轧正火钢，也叫普通低合金钢，代表：１６Ｍｎ，１５ＭｎＶ
1．宏观分类：表面裂纹、内部裂纹、热影响区纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹
2．本质分类：热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂裂纹、应力腐蚀裂纹
三、热裂纹
1．热裂纹的分布形态
结晶裂纹（凝固裂纹）：特点是沿一次结晶的晶界分布，主要在杂质多的碳钢中
液化裂纹：在母材近缝区或多层焊前-焊道，受热而在液化晶界上形成的，主要是高碳钢与不锈钢中

焊接冶金原理04熔池凝固与焊缝组织2课件


➢ G.R表征了凝固过程的冷却速率，影 响微观组织的尺度；
➢ 一个G/R值对应着一个结晶形态，随 G/R减小，凝固结晶形态由平面晶顺 序向胞状晶、树枝晶和等轴晶转变；
➢ 一个G.R值对应着一个结构尺度，随 G.R增大，微观组织尺度减小（细 化）。
G和R对凝固显微结晶形ห้องสมุดไป่ตู้和尺度的影响
➢ 焊接线能量恒定条件下，随焊 接速度增大，熔池结晶速率R将 增大、熔池边界温度梯度尤其 是熔池中心线附近边界温度梯 度G趋于减小，G/R值减小，焊 缝中心更容易出现等轴晶；
a
b
焊接速度对纯铝钨极氩弧焊焊缝组织的 影响：(a) 250mm/min；(b) 1000mm/min
4.3.3 焊缝凝固组织的调控
在组织形态上，柱状晶对焊缝性能不利，而等轴晶组织有利于获得 良好的强韧性；在结构尺度上，焊缝的显微组织越细小，焊缝综合性能 越好。为了获得良好的焊缝性能，一般希望焊缝凝固组织为细小的等轴 晶组织。
的显微结构依次为：平面晶、胞状晶、树枝晶； ➢ 所有的显微结晶形态不一定全部存在，有时柱状晶可以一直生长到焊
缝中心，而无等轴晶； ➢ 柱状晶主轴方向是弯曲的。
焊缝组织与熔池凝固行为的关系
T2紫铜埋弧焊接头平面结晶形成 的柱状晶
AISI 304 与 Inconel 600激光焊焊 缝胞状晶
AISI 316L 奥氏体不锈钢埋弧焊 焊缝胞状树枝晶
(a)
(b)
(c)
Ti的添加量对Al-2.5%Mg合金钨极氩弧焊焊缝组织的影响， (a) 0.005% Ti, (b) 0.011%Ti, (c) 0.029%Ti
(a)
(b)
合金元素Zr对7020 Al–Zn–Mg合金钨极氩弧焊焊缝组织的影 响[29]：(a)未做变质处理;(b) 添加0.5% Zr变质处理

焊接熔池凝固组织中等轴晶生长的模拟


ｂ ｓ ｄ ｏ ｏ ｕ ｅ ｄ ｆ ｓ ｎ ａ ｄ ｉ ｔｒａ ｉｌｅ ｅ ｇ ｈ ｏ ｙ，ｉ ａ ｏ ｔ ｄ ｃ ｌ ｌ ｒａ ｔ ｍａ ｏ ｔ ｏ ｏ ｓｍｕ ａ ｅ ｅ ｕ ａ ｉ ｌ ａ ｅ ｎ ｓ ｌ ｔ ｉ ｕ ｉ ｎ ｎ ｅｆ ｃ ａ ｎ ｒ ｙ ｔ ｅ ｒ ｆ ｏ ｔ ｄ ｐ ｅ ｅｌ ａ ｕ ｏ ｔ ｎ ｍｅ ｈ ｄ ｔ ｉ ｌｔ ｑ ｉｘ ａ ｕ
（ ｃ ｏｌｆ Ｓｈ ｏ ｏ ｅ Ｓｉ ｃ ｎ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｘ ’ Ｕ ｉ ｒ ｔ ｏ ｅｈ ｏ ｇ ， ｉａ １０ ８ Ｃ ｉａ ｃ ｎ ｅａｄＥ ｇｎ ｅｉ ， ｉｍ ｎｖ ｓｙ ｆＴｃ ｎｌ ｙ Ｘ ’ｎ７ ０ ４ ， ｈｎ ） ｅ ｎ ｅ ｉ ｏ
Ａｂｓ ｒ ｃ ： Ｃｏ ｉ ｅ ｉ ｇ ｃ ｍ ｐ ｎｅ ｔ ｕｐ ｒｃ ｏ ｉｇ， ｃ ｒ ａ ｕ ｅ ｕ ｒｃ ｌｎｇ ａ ｈ ａ ｉｏｒ ｐ ｏ ｎ ｅ ｆｃａ ｅ ｅ ｇ ｔａ ｔ ｎｓｄ ｒｎ ｏ ｏ ｎ ｓ ｅ － ｏ ｌｎ ｕ ｖ ｔ ｒ ｓ ｐｅ －ｏｏｉ ｎｄ ｔ ｅ ｎ ｓ ｔｏ ｙ ｆ ｉ ｔ ｒａ ｉｌ ｎ ｒ ｙ
用元 胞 动机 法对 焊接 熔 池凝 固过 程 中等轴 晶生 长进 行 了模 拟 。在 模 拟 过程 中．对 液相 中的
溶 质 传输 进 行 了计 算 ， 同时考 虑 了凝 固过 程 中 固相 分数 变化 对 溶质 传 输 的影 响 ，讨论 了理
想状 态、不 同过 冷度 、 施加 扰 动 对 枝 晶 形貌 及 成 分偏 析 的 影 响 。模 拟 结 果很 好 地 再现 了枝
ｃ ｙ ｔ ｌ ｒ ｗ ｈ ｄ ｒ ｇｔ ｅ ｓ ｌ ｉ ｃ ｔ ｎ ｃ ｕ ｓ ｎ ｗ ｌ ｉ ｇ ｐ ｏ ． ｎ ｓ ｌ ｔ ｎ ｈ ｏｕ ｅ ｔ ｎ ｍｉｓ ｎ ｗａ ａｃ ｌ ｔｄ ｉ ｒ ｓａ ｏ ｔ ｕ ｎ ｈ ｏ ｉ ｆ ａｉ ｏ ｒ ｅ ｉ ｅ ｄ ｎ ｏ １ Ｉ ｉ ａｉ ，ｔ ｅ ｓ ｌ ｔ ａ ｓ ｓ ｉ ｓｃ ｌｕ ａｅ ｎ ｇ ｉ ｄ ｉ ｏ ｍｕ ｏ ｒ ｏ ｌ ｕ ｄ ｐ ａ ｅ， ｔ ｈ ａ ｉ ， ｈ ｆ ｃ ｆ ｈ ｏｉ ａ ｔ ｎ ｅ ｏｕ ｉ ｎ ｏ ｈ ｏ ｕｅ ｔ ｎ ｍｉ ｉｎ ｗ ｓｃ ｎ ｉ ｅ ｅ Ｔ ｅ ｉ ｉ ｈ ｓ ａ ｅｓ ｍｅｔ ｑ ｔ ｍｅ ｔ ｅ ｅｆ ｔ ｅ ｓ ｌ ｆ ｃ ｉ ｖ ｌ ｔ ｎｔ ｅ ｓ ｌ ｔ ａ ｓ ｓ ｏ ａ ｏ ｓｄ ｒ ｄ． ｈ ｅ ｏｔ ｄｒ ｏ ｏ ｒ ｓ

焊接熔池凝固范本.ppt

振动方式主要有机械振动、超声振动和电磁振动。
0.0
（3)优化焊接工艺参数 对于不锈钢这类不发生相变重结晶的钢焊接时，
在保持一定的电弧热功率的条件下，增大焊接速度v， 即降低了焊接的线能量，可以便晶粒变细。若线能 量不变，提高焊接速度v，也可以促使晶粒细化。因 为焊接速度的提高，可使熔池在高温下停留时间缩 短，熔池温度较低，焊缝冷却速度也提高了。对于 低合金高强钢这类发生相变重结晶的钢，应尽量采 用较小的线能量，减小熔池尺寸和过热度，同时加 强焊缝的冷却，便可避免出现粗大的柱状晶组织。 但冷却速度也不宜过高，过高会引起焊缝和热影响 区产生淬火组织，在冷却过程中导致裂纹的发生。
焊缝中柱状晶体的选择长大
0.0
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
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
0.0
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。
R
DL K0
➢ 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。
0.0
G/ R
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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)。
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
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)
(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
b
8
2， 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；
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
2
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。
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。
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。
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
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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：
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
b
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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
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。
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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
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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.