质点,通常情况下这种现成表面所起作用不大;另一种是熔合区附近加热到半 熔化状态的母材金属的晶粒表面,非自发晶核就依附在这个表面上,并以柱状 晶的形态向焊缝中心成长,形成所谓交互结晶,也称为联生结晶,如图4-3和图 4-4所示。
图4-3 熔合区母材半熔化晶粒上成长的柱状晶
图4-4 不锈钢自动焊时的交互结晶
目录ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4.1 熔池凝固 4.1.1 熔池凝固的特点 4.1.2 熔池结晶的一般规律 4.1.3 熔池结晶的线速度 4.1.4 熔池结晶的形态 4.1.5 焊接接头的化学成分不均匀性
4.2 焊缝固态相变 4.2.1 低碳钢焊缝的固态相变 4.2.2 低合金钢焊缝的固态相变
4.3 焊缝性能的改善 4.3.1 焊缝金属的强化与韧化 4.3.2 改善焊缝性能的工艺措施
4.1.1 熔池凝固的特点
3.熔池中的液态金属处于过热状态 在电弧焊的条件下,对于低碳钢或低合金钢,熔池的平均温度可达 (1770±100)℃,而熔滴的温度更高,为(2300±200)℃。一般铸钢锭的温度很 少超过1550℃。因此,熔池中的液态金属处于过热状态。由于熔池液体金属 的过热程度较大,合金元素的烧损比较严重,使熔池中非自发晶核的质点大为 减少,这也是促使焊缝中柱状晶得到发展的原因之一。 4.熔池在运动状态下结晶 铸钢锭的结晶是在钢锭模中静态下进行结晶的,而一般熔焊时,熔池凝固 是随热源移动而进行的。在熔池中金属的熔化和凝固过程是同时进行的,如
4.1.1 熔池凝固的特点
焊接熔池的凝固与一般铸钢锭的凝固结晶不同,焊接熔池凝固的特点如下: 1.熔池的体积小、冷却速度快 在电弧焊的条件下,熔池的最大体积约为30cm3,熔池的质量在单丝埋弧焊时,最 大约为100g,而铸钢锭可达数吨以上。由于熔池的体积小,而周围又被冷金属所包 围,所以熔池的冷却速度很快,平均为4~100℃/s。而铸钢锭的平均冷却速度,根据尺 寸、形状的不同,为(3~150)×10-4℃/s。由此可见,熔池的平均冷却速度比铸钢锭的 平均冷却速度大104倍左右。因此,对于含碳量较高、合金元素较多的钢种容易产 生淬硬组织,甚至在焊道上产生裂纹。由于冷却速度很快,熔池中心和边缘有较大的 温度梯度,致使焊缝中的柱状晶能够迅速成长。所以,通常情况下电弧焊的焊缝中几 乎没有等轴晶。 2.半熔化状态的母材金属晶粒是熔池结晶的“模壁” 铸钢锭的结晶是从铸锭模壁开始形核及长大的。焊接熔池的凝固结晶,是从母 材半熔化晶粒开始生长的,它的“模壁”就是温度等于熔点的熔池等温面。
图4-2 非自发晶核的浸润角
4.1.2 熔池结晶的一般规律
试验研究证明,θ角的大小(图4-2)取决于新相晶核与现成表面之间的表
面张力。如果新相晶核与液相中原有现成表面固体粒子的晶体结构越相似,
也就是点阵类型与晶格常数相似,则两者之间的表面张力越小,θ角也越小,那
么形成非自发晶核的能量也越小。 在焊接条件下,熔池中存在两种现成表面:一种是合金元素或杂质的悬浮
式中 σ——新相与液相间的表面张力系数; ΔFv——单位体积内液-固两相自由能之差。
研究表明,在焊接熔池结晶中,非自发晶核起了主要作用。在液相金属中有非自 发晶核存在时,可以降低形成临界晶核所需的能量,使结晶易于进行。
在液相中形成非自发晶核所需的能量E'K为
4.1.2 熔池结晶的一般规律
式中 θ——非自发晶核的浸润角(见图4-2)。 由式(4-3)可见,当θ=0°时,EK=0,说明液相中有大量的悬浮质点和某些现成表面。 当θ=180°时,E'K=EK,说明液相中只存在自发晶核,不存在非自发晶核的现成表面。 由此可见,当θ=0°~180°时,E'K/EK=0~1,这就是说在液相中有现成表面存在时,将会 降低形成临界晶核所需的能量。
4.1 熔池凝固
熔焊过程中,母材在高温热源的作用下发生了局部熔化,并且与熔化了 的焊丝金属混合,形成了熔池。在熔滴及熔池形成的过程中,进行了剧烈而 复杂的冶金反应。当焊接热源离开以后,熔池金属逐渐冷却,当温度达到母 材的固相线时,熔池开始凝固结晶,最终形成了焊缝金属。
由于焊接过程处于非平衡的热力学状态,因此熔池金属在凝固过程中会 产生一些晶体缺陷。分析焊接时熔池的凝固过程,应讨论熔池凝固的特点、 熔池凝固的一般规律、熔池结晶的线速度、熔池结晶的形态等。
图4-1所示,在熔池的前半部abc进行熔化过程,而熔池的后半部cda进行凝固
过程。此外,在焊接条件下,气体的吹力、焊条的摆动以及熔池内部的气体外 逸,都会产生搅拌作用。这一点对于排除气体和夹杂是有利的,也有利于得到 致密而性能良好的焊缝。
4.1.1 熔池凝固的特点
图4-1 熔池在运动状态下结晶
4.1.2 熔池结晶的一般规律
4.1.2 熔池结晶的一般规律
2.熔池中晶核的长大 熔池中晶核形成之后,以这些新生的晶核为核心,不断向焊缝中成长。熔
池金属结晶开始于熔合区附近母材半熔化晶粒的现成表面。也就是说,熔池 金属开始结晶时,是从靠近熔合线处的母材上以联生结晶的形式长大起来的。 由于每个晶粒的长大趋势不尽相同,有的柱状晶迅速长大,一直可以成长到焊 缝中心;有的晶体却在长大时中途停止,不再继续成长;少数晶粒没有明显长大。
熔池金属的结晶与一般金属的结晶基本一样,同样也是形核和晶核长大的过程。 由于熔池凝固的特点,使得熔池结晶过程有着自身的规律。
1.熔池中晶核的形成 由金属学理论可知,生成晶核的热力学条件是过冷度而造成的自由能降低,进行 结晶过程的动力学条件是自由能降低的程度。这两个条件在焊接过程中都是具备 的。 根据结晶理论,晶核有两种:自发晶核和非自发晶核。但在液相中无论形成自发 晶核或非自发晶核都需要消耗一定的能量。在液相中形成自发晶核所需的能量EK 为
熔池凝固及固态相变过程对焊缝金属的组织、性能具有重要的影响。 焊接过程中,由于熔池中的冶金反应和冷却条件的不同,可能得到组织性能 差异很大的接头。在熔池凝固过程中还可能会产生气孔、裂纹、夹杂、偏 析等缺欠,这些缺欠会严重影响焊缝金属的性能,以致成为发生失效事故的 隐患。在焊接熔池凝固以后的连续冷却过程中,焊缝金属将发生组织转变, 转变后的组织性能取决于焊缝的化学成分及冷却条件。因此,应当根据焊 接特点和具体的母材成分分析焊缝的固态相变。