焊接物理冶金 第三章+焊缝金属上

1、第三章焊缝金属焊缝金属图图3.1 对熔焊焊缝成分有作用的各种影响途径示意图对熔焊焊缝成分有作用的各种影响途径示意图焊接热过程特点 （1）焊接热过程的局部集中性（加热、冷却速度极不均匀） （2）焊接热过程的瞬时性（加热、冷却速度极快）； （3）焊接热源的运动性（特殊的热循环）； （4）焊接传热过程的复杂性（液体对流、固体导热、辐射）。第一节 焊接熔池结晶特点C10042 C10017701、 熔池体积小、冷却速度快电弧焊条件下，熔池体积约30cm3，重量约100g，冷却速度2、 熔池中的液态金属处于过热状态低合金钢熔池温度 ，熔滴温度2300C3、 熔池在运动状态下结晶结晶行为与焊接速度有关，熔

2、池均匀化过程通过搅拌、对流、扩散完成。图图3.6 晶体生长速度与焊接速度间的关系晶体生长速度与焊接速度间的关系第二节第二节 焊接熔池的形状焊接熔池的形状图图3.2 合金种类及热扩散率对等温线形状影响合金种类及热扩散率对等温线形状影响图图3.3 低碳钢中焊接速度对等温线形状的影响低碳钢中焊接速度对等温线形状的影响图图3.4 板厚对等温线形状的影响板厚对等温线形状的影响图图3.5 铝平板堆焊时的温度分布铝平板堆焊时的温度分布图3-11 熔池形状第三节 焊接熔池结晶过程焊接熔池结晶包括两个过程：晶核形成和晶核长大一、焊接熔池中晶核的形成VSLkG316E3晶核形成有两种途径：自发形核和非自发形核。形

3、成自发临界晶核所需能量（31）SL：新相与液相间的表面能GV=单位体积内液、固两相自由能差形成非自发临界晶核所需能量浸湿角:4coscos32EE4coscos32316E3k33SLkkVG（32）（33）图图3.6 熔合线处半球状固相晶核的不均匀成核熔合线处半球状固相晶核的不均匀成核图图3.7 焊缝金属的柱状晶由熔合线处母材晶粒外延凝固而成焊缝金属的柱状晶由熔合线处母材晶粒外延凝固而成 二、焊接熔池中晶核长大（结晶方向和速度）coscoscos_vRdtdxdtdSdxdSCAdS1、结晶方向 假设晶粒生长具有各向同性，晶粒沿垂直于等温面方向生长。2、结晶速度(34)（35）（36）（37

4、）图3-9 晶粒成长速度的示意图图3.10 钢焊缝中晶体生长方向的改变（如箭头所示）钢焊缝中晶体生长方向的改变（如箭头所示）图3-11 熔池形状2122221043217.01coszyzymKKKKTaqvq热源有效功率 v焊接速度 a导温系数导热系数Tm被焊金属熔点OHZKOBYKzyOB：平面椭圆短半轴OH：熔池椭圆熔深半轴图图3.12 焊接速度对熔化形状及晶体生长模式的影焊接速度对熔化形状及晶体生长模式的影响响 图1 焊缝柱状晶成长与焊接速度的关系（示意） a）偏向晶 b）定向晶图图3.13 晶体沿最大温度梯度方向生长速度晶体沿最大温度梯度方向生长速度(R)与沿与沿 方向生长速度方向生

5、长速度(R)间的关系间的关系图图3.14 晶体在最接近熔池最大温度梯度方向上的晶体在最接近熔池最大温度梯度方向上的方向上生长方向上生长三、焊接熔池的成分过冷与结晶形态1、成分过冷结晶条件：（1）平衡结晶（2）固相无扩散，液相混合均匀（搅拌、对流、扩散）（3）固相无扩散，液相混合不均匀（扩散）由于结晶界面成分分布变化引起的过冷度称之为“成分过冷”（“浓度过冷”）图图3.15 简单二元系统中合金简单二元系统中合金X0的不平衡凝固的不平衡凝固图图3.16 液相中完全混合、固相中无扩散时，凝固柱体液相中完全混合、固相中无扩散时，凝固柱体a) 的成分曲线由b)向c)过渡图图3.17 液相中扩散混合时，液

6、相中扩散混合时，柱体的浓度分布由柱体的浓度分布由a)向向c)演变。演变。若结晶速度均匀不变，在凝固若结晶速度均匀不变，在凝固的最后阶段，液相中合金浓度的最后阶段，液相中合金浓度富集时，柱体中的成分达到稳富集时，柱体中的成分达到稳定前状态定前状态 图图3.18 生长中晶体前缘的前方，溶质在液相中浓度富集，生长中晶体前缘的前方，溶质在液相中浓度富集，引起液相凝固温度降低时发生成分过冷，成分过冷与熔引起液相凝固温度降低时发生成分过冷，成分过冷与熔融金属中的温度梯度融金属中的温度梯度TL有关有关 图图3.19 向平面界面前方生长的固态球节，当它进入向平面界面前方生长的固态球节，当它进入 较热的液体时，

7、一般会被重新熔化。但若界面前较热的液体时，一般会被重新熔化。但若界面前 方的液体是成分过冷的话，这个球节是稳定的方的液体是成分过冷的话，这个球节是稳定的 图图3.20 焊缝中平面状结晶向胞焊缝中平面状结晶向胞状结晶状结晶的转变的转变图2 平面晶形态a）成分过冷条件 b）结晶形态 c）纯铌板氩弧焊时的平面晶 图3 胞状晶形态a）成分过冷条件 b）结晶形态 c）Cr25Ni35AlTi合金TIG焊时胞状晶 图2 胞状树枝晶形态a）成分过冷条件 b）结晶形态 c）Cr25Ni35AlTi合金TIG焊时胞状树枝晶 图3 胞状树枝晶形态a）成分过冷条件 b）结晶形态 c）Cr25Ni35AlTi合金TI

8、G焊时胞状树枝晶 图4 胞状树枝晶形态a）成分过冷条件 b）结晶形态 c）铝板TIG焊时胞状树枝晶 图5 C0、R、G对结晶形态的影响图图3.20 熔融金属中温度梯度的变化和成分过冷引熔融金属中温度梯度的变化和成分过冷引 起的平面状起的平面状胞状晶的转变胞状晶的转变 （箭头指示晶体生长方向）图图3.21a）平面状界面破裂成晶胞）平面状界面破裂成晶胞b）胞状结晶的温度及溶质分布）胞状结晶的温度及溶质分布 图图3.24 蒙乃尔蒙乃尔TIG焊缝中树枝状晶的生长情况焊缝中树枝状晶的生长情况 图图3.23 充分发育的树枝状晶，在立方晶格的金属中，充分发育的树枝状晶，在立方晶格的金属中， 一次、二次及三次晶轴都与一次、二次及三次晶轴都与生长方向相对应生长方向相对应 图3.25 C0、R和G对结晶形态的影响图图3.13 铸造及焊接凝固的不同自由能驱动力，两者铸造及焊接凝固的不同自由能驱动力，两者 都是不均匀过程，但焊接时的外延向凝固，都是不均匀过程，但焊接时的外延向凝固， 使成核势垒实际上降为使成核势垒实际上降为0图图3.26 焊缝金属凝固时，合金成分晶体生长率和熔融金属中焊缝金属凝固时，合金成分晶体生长率和熔融金属