School of Material and Chemical Engineering
西安工业大学材化学院
焊接冶金学--基本原理
第3章 熔池凝《固和焊焊接缝成固形态原相理变》 The Principle of Welding
（2）非自发形核
E ' 16 3
k
3 FK2
(0 23coscos3 4
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第3章 熔池凝《固和焊焊接缝成固形态原相理变》 The Principle of Welding
3.1.3 熔池结晶速度和方向
熔池的结晶方向和结晶速度对焊接质量有很大的影响，特别是对 裂纹、夹杂、气孔等缺陷的形成影响很大。
熔池在结晶过程中晶粒成长的方向与晶粒主轴成长的线速度 vc及焊接速度v有密切关系。
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（3）熔池在运动状态下结晶 ➢结晶前沿随热源同步运动 ➢液态金属受到力的搅拌运动
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第3章 熔池凝《固和焊焊接缝成固形态原相理变》 The Principle of Welding
焊接冶金学主要内容
❖焊接接头形成 以熔化焊为例，焊接过 程经过了
焊接热过程 焊接化学冶金过程 焊缝结晶及焊接组织 焊接热影响区的组织与性能 焊接裂纹
❖加热— ❖熔化— ❖冶金反应— ❖结晶— ❖固态相变—
3.1.1 熔池凝固的条件和特点
1.熔池凝固的条件: 晶核生成和晶核长大 2.熔池凝固的特点（相比较钢锭的差别）
（1）焊接熔池体积小，冷却速度高； 最大100g，平均4~100 ℃ /s，约为铸造的104。淬硬。裂纹。
（2）焊接熔池的液态金属处于过热状态 熔池1770±100℃; 钢锭<1550 ℃。烧损严重
❖接头
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第3章 熔池凝《固和焊焊接缝成固形态原相理变》 The Principle of Welding
熔池凝固------形成焊缝
焊缝的组织
焊缝的相变过程
焊缝的性能
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3.2焊缝固态相变 3.3焊缝中的气孔、夹杂
3.4 焊缝性能的控制
3.5 焊接熔合区
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3.1 熔池凝固
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第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
主要内容： ✓ 3.1熔池凝固 ✓ 3.2焊缝固态相变 ✓ 3.3焊缝中的气孔、夹杂
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焊接冶金学--基本原理 2.熔池中晶核的长大
第3章 熔池凝《固和焊焊接缝成固形态原相理变》 The Principle of Welding
a 联生结晶起主导作用
b 当晶体最易长大方向（bcc，fcc <100>方向）与散热最快方 向（温度梯度）相一致，最有利长大。
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生核的热力学条件是过冷度而造成的自由能降低； 生核的动力学条件是自由能降低的程度。 下面来分析焊接条件下有那些特点。
1、熔池中晶核的形成
熔池中晶核的生成分为：非自发晶核、自发晶核。形成两种晶核
都需要能量。
E （1）自发形核： K
16 3
3FK 2
б：新相与液相间的表面张力系数。
ΔFK：单位体积内液固两相自由能之 差。
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3.1.2 熔池结晶的一般规律
焊接时，熔池金属的结晶与一般炼钢时钢锭的结晶一样，也是 在过冷的液体金属中，首先形成晶核和晶核长大的结晶过程。
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关于θ：
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θ越小，湿润性越好， θ大小取决于新相晶核与现成表面之间的 表面张力。若结构相似，表面张力越小，θ越小，那么形核需 要能量越小。
熔池的结晶过程
气孔、夹杂、偏析、结晶裂纹
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3.1 熔池凝固
3.1.1 熔池凝固的条件和特点 3.1.2 熔池结晶的一般规律 3.1.3 熔池结晶速度和方向 3.1.4 熔池结晶的形态 3.1.5 焊缝金属的化学成份不均匀性
这说明，在已有同一物质的固体表面形核所需能量最小，形核最 容易。
焊接条件下非自发形核：
✓熔合区加热到半熔融状态基本 金属的晶粒表面，并以柱状晶的 形态向焊缝中心成长，联生结晶 （起主要作用）。
✓合金元素或杂质（一般作用不 大）。如何细化晶粒？
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180)
EK ' EK
23coscos3
4
EKf( )
θ：非自发晶核的浸润角
f(θ)=0~1。如θ=10°，f(θ)=0.0017
θ=0°,E’K=0,液相中存在悬浮质点和 某些现成表面。形核容易。
θ=180°,E’K=EK，只存在自发形核。 形核较难。
研究表明，焊接熔池结晶，非自发形核主导。