第三章熔池凝固

第三章熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢亟饘俚哪虇栴}：

研究熔池凝固過程的意義所在？研究內(nèi)容：第一節(jié)熔池凝固的特點第二節(jié)焊縫固態(tài)相變第三節(jié)焊縫中的氣孔和夾渣第四節(jié)焊縫性能的控制1.熔池的體積小冷卻速度大

熔池：30cm3100g4~100℃/s

鑄鋼錠：幾噸~幾十噸（3~150）×10-4℃/s2.熔池中的液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài)熔池：1770±100℃鑄鋼錠：＜1550℃3.熔池在運動狀態(tài)下結(jié)晶

一熔池凝固的條件和特點1.

熔池中晶核的形成

①自發(fā)形核所需能量：

其中：σ——新相-液相界面張力

ΔFv

——單位體積內(nèi)固液兩相自由能之差

二熔池結(jié)晶的一般規(guī)律1.

熔池中晶核的形成

②非自發(fā)形核所需能量：

θ=0°→Ek′=0→現(xiàn)成晶核

θ=180°→Ek′=Ek→全自發(fā)形核

θ=0~180°→Ek′/Ek=0~1

二熔池結(jié)晶的一般規(guī)律熔合區(qū)母材晶粒上成長的柱狀晶不銹鋼自動焊時的交互結(jié)晶二熔池結(jié)晶的一般規(guī)律2.

熔池中晶核的長大

①晶粒生長有方向性，某一方向的生長速度最大

②當最大的生長速度方向與最大溫度梯度方向一致時，可優(yōu)先長成

–選擇性

圖3-6焊縫中柱狀晶體的選擇長大二熔池結(jié)晶的一般規(guī)律晶粒主軸生長線速度

分析三熔池結(jié)晶線速度焊接工藝參數(shù)與θ角之間的關(guān)系厚大焊件表面快速堆焊：薄板上自動焊接：其中：三熔池結(jié)晶線速度總結(jié)：

1

晶粒成長的平均線速度是變化的

a)晶粒成長的方向和線速度是變化的

b)在熔合線上最?。ǖ扔诹悖┰诤缚p中心最大（等于焊速）

2

焊接工藝參數(shù)對晶粒成長方向及平均速度均有影響

a)焊速越大θ角越大，晶粒主軸成長方向越垂直于焊縫中心線三熔池結(jié)晶線速度總結(jié)：

2

焊接工藝參數(shù)對晶粒成長方向及平均速度均有影響

a)焊速越大θ角越大，晶粒主軸成長方向越垂直于焊縫中心線b)當功率不變時，焊速越大,晶粒成長平均速度增大三熔池結(jié)晶線速度晶粒(核)長大同樣需要一定的能量:（1）因為體積長大而使體系自由能下降（2）因長大而產(chǎn)生的新固相表面使體系的自由能升高三熔池結(jié)晶線速度（一）純金屬的結(jié)晶

①正的溫度梯度：平面晶，生長緩慢（主要）②負的溫度梯度：生長速度快，除主軸外，還有分枝，生成樹枝晶（較少）四熔池結(jié)晶的形態(tài)平面晶樹枝狀晶（二）固溶體合金的結(jié)晶形態(tài)

①工業(yè)上使用金屬都是合金②固液金屬的結(jié)晶取決于兩個因素a溫度過冷b

成分過冷

四熔池結(jié)晶的形態(tài)（三）成分過冷對結(jié)晶形態(tài)的影響

①平面結(jié)晶：

四熔池結(jié)晶的形態(tài)（三）

成分過冷對結(jié)晶形態(tài)的影響

②胞狀結(jié)晶：

四熔池結(jié)晶的形態(tài)（三）

成分過冷對結(jié)晶形態(tài)的影響

②胞狀結(jié)晶：

四熔池結(jié)晶的形態(tài)（三）

成分過冷對結(jié)晶形態(tài)的影響

③胞狀樹枝結(jié)晶：

四熔池結(jié)晶的形態(tài)（三）

成分過冷對結(jié)晶形態(tài)的影響

④樹枝狀結(jié)晶：

四熔池結(jié)晶的形態(tài)（三）

成分過冷對結(jié)晶形態(tài)的影響

⑤等軸晶：

四熔池結(jié)晶的形態(tài)（三）

成分過冷對結(jié)晶形態(tài)的影響

四熔池結(jié)晶的形態(tài)（四）

焊接條件下的凝固(結(jié)晶)形態(tài)

四熔池結(jié)晶的形態(tài)（四）

焊接條件下的凝固(結(jié)晶)形態(tài)

四熔池結(jié)晶的形態(tài)（四）

焊接條件下的凝固(結(jié)晶)形態(tài)

四熔池結(jié)晶的形態(tài)（四）

焊接條件下的凝固(結(jié)晶)形態(tài)焊接工藝參數(shù)對結(jié)晶形態(tài)的影響1）焊接速度a焊接速度增大，成分過冷加大，易出現(xiàn)等軸晶b焊接速度減小，成分過冷減小，易出現(xiàn)飽狀晶

四熔池結(jié)晶的形態(tài)（四）

焊接條件下的凝固(結(jié)晶)形態(tài)焊接工藝參數(shù)對結(jié)晶形態(tài)的影響1）焊接速度2）焊接電流

四熔池結(jié)晶的形態(tài)（一）

焊縫中的化學不均勻性1.顯微偏析：→枝晶偏析指晶粒邊界或一個晶粒內(nèi)部亞晶界或樹枝狀晶晶界與晶內(nèi)成分不均勻性產(chǎn)生原因：

結(jié)晶先后所產(chǎn)生的成分

不均勻性

五焊縫金屬的化學成分不均勻性（一）

焊縫中的化學不均勻性1.顯微偏析：→枝晶偏析

五焊縫金屬的化學成分不均勻性（一）

焊縫中的化學不均勻性1.顯微偏析：→枝晶偏析

五焊縫金屬的化學成分不均勻性（一）

焊縫中的化學不均勻性2.宏觀偏析（區(qū)域偏析）指焊縫邊緣到焊縫中心，宏觀上的成分不均勻性焊縫金屬以柱狀晶長大，把雜質(zhì)推向熔池中心，中心雜質(zhì)濃度逐漸升高，使最后凝固的部位發(fā)生較嚴重的偏析

五焊縫金屬的化學成分不均勻性（一）

焊縫中的化學不均勻性3.層狀偏析焊縫金屬由于化學成分分布不均勻引起分層現(xiàn)象焊縫橫斷面經(jīng)浸蝕之后，可以看到顏色深淺不同的分層結(jié)構(gòu)形態(tài)稱為結(jié)晶層。

五焊縫金屬的化學成分不均勻性（一）

焊縫中的化學不均勻性3.層狀偏析

產(chǎn)生原因：1)結(jié)晶前沿，溶質(zhì)濃度高，且富集雜志，快速冷卻時來不及均勻化。2)R變化快速凝固時析出潛熱及熔滴過渡帶來的附加熱脈沖作用等，是促使成長速度R發(fā)生變化以及凝固過程發(fā)生瞬間停頓的主要原因。

五焊縫金屬的化學成分不均勻性（二）熔合區(qū)的化學不均勻性1.熔合區(qū)的形成1）熱傳播不均勻2）晶粒各向異性

五焊縫金屬的化學成分不均勻性（二）熔合區(qū)的化學不均勻性2.熔合區(qū)的寬度

五焊縫金屬的化學成分不均勻性其中，A----------熔合區(qū)的寬度（mm）

-------溫度梯度(℃/mm)TL----------被焊金屬的液相線(℃)TS----------被焊金屬的固相線(℃)（二）熔合區(qū)的化學不均勻性3.熔合區(qū)的成分分布

五焊縫金屬的化學成分不均勻性（二）熔合區(qū)的化學不均勻性3.熔合區(qū)的成分分布

五焊縫金屬的化學成分不均勻性（二）熔合區(qū)的化學不均勻性3.熔合區(qū)的成分分布

五焊縫金屬的化學成分不均勻性第二節(jié)焊縫固態(tài)相變低碳鋼焊縫的固態(tài)相變組織1

固態(tài)相變后主要是鐵素體加少量珠光體2

有時出現(xiàn)魏氏體組織

一低碳鋼焊縫的固態(tài)相變組織一低碳鋼焊縫的固態(tài)相變組織一低碳鋼焊縫的固態(tài)相變組織低碳鋼焊縫的多層焊或熱處理后組織一低碳鋼焊縫的固態(tài)相變組織冷卻速度對低碳鋼焊縫的組織影響(一)鐵素體轉(zhuǎn)變（1）粒界鐵素體(GBF)(先共析鐵素體PF)轉(zhuǎn)變溫度：770～680度二低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織(一)鐵素體轉(zhuǎn)變（2）側(cè)板條鐵素體（FSP）（無碳貝氏體）轉(zhuǎn)變溫度：700～550度二低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織(一)鐵素體轉(zhuǎn)變（3）針狀鐵素體（AF）轉(zhuǎn)變溫度：500度附近二低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織(一)鐵素體轉(zhuǎn)變（3）細晶鐵素體(FGF)(貝氏體鐵素體)轉(zhuǎn)變溫度：500度以下

二低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織(二)珠光體轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變溫度：Ar1～500度擴撒型轉(zhuǎn)變

二低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織(二)珠光體轉(zhuǎn)變二低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織(三)貝氏體轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變溫度：上：550～450度下：450～MS二低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織(三)貝氏體轉(zhuǎn)變二低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織(四)馬氏體轉(zhuǎn)變1板條馬氏二低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織(四)馬氏體轉(zhuǎn)變2片狀馬氏二低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織二低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織焊縫中的組織不是單一的二低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織二低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織第三節(jié)焊縫中的氣孔和夾渣焊縫中的氣孔和夾渣

的有害性：1消弱焊縫有效工作斷面承載能力↓2應(yīng)力集中疲勞強度↓3降低焊縫強度、韌性

4引發(fā)裂紋一焊縫中的氣孔（一）氣孔的類型及分布特征形成氣孔的氣體：第一類：高溫時溶解的氣體H2、N2

第二類：冶金反應(yīng)產(chǎn)生的氣體CO和H2O

一焊縫中的氣孔（一）氣孔的類型及分布特征1.氫氣孔特征：a

多出現(xiàn)在焊縫表面b

斷面形狀多為螺釘狀從焊縫表面看呈喇叭口形，氣孔的四周有光滑內(nèi)壁。c

有個別殘存在內(nèi)部，以小圓球狀存。產(chǎn)生原因：a

溶解度b

擴撒能力大

一焊縫中的氣孔（一）氣孔的類型及分布特征N2氣孔形狀

在焊縫表面，成堆出現(xiàn)，蜂窩狀。產(chǎn)生原因：

保護不當，空氣侵入造成。

一焊縫中的氣孔（一）氣孔的類型及分布特征2.CO氣孔特征：a

焊縫內(nèi)部b條蟲狀c表面光滑

d

內(nèi)壁有氧化色

一焊縫中的氣孔（一）氣孔的類型及分布特征2.CO氣孔產(chǎn)生原因：各種結(jié)構(gòu)鋼總是含有一定量的碳，在焊接時由于冶金反應(yīng)而產(chǎn)生大量的CO氣體。[C]+[O]====CO[FeO]+[C]====CO+[Fe][MnO]十[C]====CO+[Mn][SiO2]+2[C]====2CO+[Si]

一焊縫中的氣孔（一）氣孔的類型及分布特征2.CO氣孔產(chǎn)生原因：A高溫時不會產(chǎn)生CO氣孔B熔池凝固時成分偏析且η↑[FeO]+[C]====CO+[Fe]C反映是吸熱反應(yīng)

一焊縫中的氣孔（二）焊縫中氣孔形成機理

研究表明，產(chǎn)生氣孔的過程是由三個相互聯(lián)系而又彼此不同的階段所組成，即氣泡的生核、長大和上浮。

一焊縫中的氣孔（二）焊縫中氣孔形成機理1.氣泡的生核具備條件：

1）液態(tài)金屬中有過飽和的氣體高溫溶解的過飽和氣體H2N2。冶金反應(yīng)產(chǎn)生氣體COH2O

2）要消耗一定的能量。一焊縫中的氣孔（二）焊縫中氣孔形成機理1.氣泡的生核根據(jù)金屬物理知識，形成氣泡核的數(shù)目由下式?jīng)Q定：在純金屬中

一焊縫中的氣孔（二）焊縫中氣孔形成機理1.氣泡的生核在焊接熔池中有現(xiàn)成表面的條件下，形成氣泡核所需能量為：

一焊縫中的氣孔Ph-氣泡內(nèi)氣體的壓力PL-液體壓力V-氣泡核體積σ-相間張力A-氣泡核表面積Aa-吸附力的作用面積θ-氣泡核與現(xiàn)成表面的浸潤角（二）焊縫中氣孔形成機理2.氣泡長大氣泡長大應(yīng)滿足以下條件：Ph>P0Ph-氣泡內(nèi)部的壓力Po-阻礙氣泡長大的外界壓力Ph＝PH2+PN2+PC0+PH2O

＋.........

一焊縫中的氣孔（二）焊縫中氣孔形成機理2.氣泡長大

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