焊接原理PPT电子教案课件-第四章 熔池凝固及焊缝固态相变.ppt

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1、第四章熔池凝固及焊缝固态相变熔焊时，在高温热源作用下，母材发生局部溶化，并与溶化了的焊丝金属搅拌混合形成焊接熔池。发生冶金反应。当焊接热源离开以后，熔池金属开始凝固。熔池凝固过程对焊缝金属的组织和性能具有重要影响：①由于冶金条件和冷却条件的差异，焊缝组织差异大；②产生各种缺陷：晶体缺陷：点缺陷－空位、间隙原子；面缺陷－界面；线缺陷－位错组织性能缺陷：气孔、裂纹、夹渣、偏析焊缝生长(1)在母材的半熔化晶粒表面进行(2)熔池的体积小（最大体积30cm3)冷却速度大(4~100℃/Sec)温差大(TMax=2800℃,TS=1350℃)组织特点：易产生脆硬组织和裂纹;组织细小致密。

2、(3)熔池中的液态金属处于过热状态元素烧损严重；异质形核少——柱状晶(4)熔池在运动状态下结晶——搅拌强烈第一节熔池凝固一.熔池的凝固凝固特点2.凝固过程（1）形核:可分为自发形核和非自发形核。晶核的形成和长大需要一定的能量，该能量由两部分所组成:①体积长大使体系自由能下降；②产生新的固相表面使体系自由能增高。设形成的晶核，或在某现成表面上长出一块小长方体，每边长为a,高度为b，如图4-1所示。总的自由能变化分别为：F1=-a2b×fv+(4ab+2a2)×SEF2=-a2b×fv+4ab×SE式中，fv—单位体积内两相间的自由能差值；SE—比表面能。可以看出：晶核

3、从现成表面上生长使自由能的升高要比直接从熔池中形核所增加的自由能小2a2SE。——长大比形核所需的过冷度要小焊缝金属开始凝固时并不形核，而是在母材基体上联生长大。焊接熔池的结晶主要非自发形核。图4-1形核及生长对体系表面内的影响（2）晶核长大：按照传热学理论：①熔池散热沿等温面的外法线方向最快（dT/dr最大）；②奥氏体晶粒生长最快的方向是<100>晶向；③当dT/dr与<100>方向一致时，晶粒生长最快，抑制了方向不一致的晶粒的生长，一直长到焊缝中心相交为止。——焊缝柱状晶的选择长大。从统计学角度：晶粒生长方向垂直于熔池等温面，自下而上、由外及里生长成柱状晶。自发形核就依附

4、在母材金属的半熔化晶粒表面，并以柱状晶的形态向焊缝中心成长。联生结晶（交互结晶）。如图4-2示。熔合区母材焊缝图4-2熔合区母材晶粒上成长的柱状晶图4-33熔池结晶线速度熔池结晶方向和速度对焊接质量影响很大，特别对气孔、裂纹、夹渣等缺陷的形成影响很大。设在dt时间内，电弧移动dx，晶粒生长长度ds。任一个晶粒主轴，在任一点A的成长方向是A点的切线（S--S）。如图4-3示。图4-3令式中:R—晶粒成长的平均线速度；v—焊接速度；θ—νc与v方向之间的夹角。结论：（1）熔池结晶以柱状晶方式生长：熔池两侧：θ→90º,R→0熔池中心：θ→0º,R→v熔池两侧→熔池中心：R逐渐增大

5、（2）大电流快速焊时，在焊缝中心容易形成脆弱的对接面。产生裂纹和偏析缺陷。——焊接速度和焊接电流要适中，不能太大。焊接奥氏体钢和铝合金时，宜用小的焊接速度进行焊接。焊接速度与柱晶形态焊接速度快焊接速度慢在熔合区上晶粒开始成长的瞬时（图中H和F点）,晶粒生长线速度R为零，即焊缝边缘的生长速度最慢。而在热源移动后面的焊缝中心（D点），晶粒生长速度R与焊接速度υ相等，生长最快。一般情况下，由于等温线是弯曲的，其曲线上各点的法线方向不断地改变，因此晶粒生长的有利方向也随之变化，形成了特有的弯曲柱状晶的形态。二.熔池的结晶形态熔池的结晶形态与散热条件及金属纯度有关。宏观焊缝为柱状晶组织

6、，柱状晶中存在微观结构——亚晶（亚结构）。1.纯金属的结晶形态结晶形态受过冷度的影响，而过冷度的大小只取决于温度梯度。（1）正温度梯度：Tl>Tl-s>Ts晶体生长呈平滑的界面(平面晶)图4-5a,b（2）负温度梯度：TlTs树枝晶生长（纯金属少见）图4-5c,d固液G<0xTTM(c)负温度梯度0xTTMG>0固液凝固界面(a)正温度梯度等轴晶界面母材液(b)平面晶(d)树枝状晶图4-5纯金属的结晶形态2.合金的结晶形态合金凝固时，除了由于实际温度造成的过冷之外，还存在由于固液界面处成分起伏而造成的过冷，称为成分过冷。合金凝固时不必很大的过冷就可以出现树枝状晶，

7、且随过冷度的不同，晶体生长亦出现不同的结晶形态。成分过冷度（∆Tx）：在温度分布（G）一定时，由于溶质分布发生变化而引起液相线（Tx）发生变化而造成的过冷现象：∆Tx＝Tx－G成分过冷对结晶形态的影响（1）∆Tx＝Tx－G≤0，平面结晶。如图4-6b)平面结晶形态GTx温度距固液界面的距离a)∆Tx＝Tx－G≤0图4-6平面结晶条件及其形态（2）∆Tx＝Tx－G>0(较小），包状结晶。如图4-7示图4-7母材焊缝结晶方向液(a)∆Tx＝Tx－G>0较小b)胞状结晶形态距固液界面的距离xGTx温度（3）∆