焊接物理冶金 第三章+焊縫金屬上

1、第三章焊縫金屬焊縫金屬圖圖3.1 對熔焊焊縫成分有作用的各種影響途徑示意圖對熔焊焊縫成分有作用的各種影響途徑示意圖焊接熱過程特點 （1）焊接熱過程的局部集中性（加熱、冷卻速度極不均勻） （2）焊接熱過程的瞬時性（加熱、冷卻速度極快）； （3）焊接熱源的運動性（特殊的熱循環(huán)）； （4）焊接傳熱過程的復(fù)雜性（液體對流、固體導(dǎo)熱、輻射）。第一節(jié) 焊接熔池結(jié)晶特點C10042 C10017701、 熔池體積小、冷卻速度快電弧焊條件下，熔池體積約30cm3，重量約100g，冷卻速度2、 熔池中的液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài)低合金鋼熔池溫度 ，熔滴溫度2300C3、 熔池在運動狀態(tài)下結(jié)晶結(jié)晶行為與焊接速度有關(guān)，熔

2、池均勻化過程通過攪拌、對流、擴散完成。圖圖3.6 晶體生長速度與焊接速度間的關(guān)系晶體生長速度與焊接速度間的關(guān)系第二節(jié)第二節(jié) 焊接熔池的形狀焊接熔池的形狀圖圖3.2 合金種類及熱擴散率對等溫線形狀影響合金種類及熱擴散率對等溫線形狀影響圖圖3.3 低碳鋼中焊接速度對等溫線形狀的影響低碳鋼中焊接速度對等溫線形狀的影響圖圖3.4 板厚對等溫線形狀的影響板厚對等溫線形狀的影響圖圖3.5 鋁平板堆焊時的溫度分布鋁平板堆焊時的溫度分布圖3-11 熔池形狀第三節(jié) 焊接熔池結(jié)晶過程焊接熔池結(jié)晶包括兩個過程：晶核形成和晶核長大一、焊接熔池中晶核的形成VSLkG316E3晶核形成有兩種途徑：自發(fā)形核和非自發(fā)形核。形

3、成自發(fā)臨界晶核所需能量（31）SL：新相與液相間的表面能GV=單位體積內(nèi)液、固兩相自由能差形成非自發(fā)臨界晶核所需能量浸濕角:4coscos32EE4coscos32316E3k33SLkkVG（32）（33）圖圖3.6 熔合線處半球狀固相晶核的不均勻成核熔合線處半球狀固相晶核的不均勻成核圖圖3.7 焊縫金屬的柱狀晶由熔合線處母材晶粒外延凝固而成焊縫金屬的柱狀晶由熔合線處母材晶粒外延凝固而成 二、焊接熔池中晶核長大（結(jié)晶方向和速度）coscoscos_vRdtdxdtdSdxdSCAdS1、結(jié)晶方向 假設(shè)晶粒生長具有各向同性，晶粒沿垂直于等溫面方向生長。2、結(jié)晶速度(34)（35）（36）（37

4、）圖3-9 晶粒成長速度的示意圖圖3.10 鋼焊縫中晶體生長方向的改變（如箭頭所示）鋼焊縫中晶體生長方向的改變（如箭頭所示）圖3-11 熔池形狀2122221043217.01coszyzymKKKKTaqvq熱源有效功率 v焊接速度 a導(dǎo)溫系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)Tm被焊金屬熔點OHZKOBYKzyOB：平面橢圓短半軸OH：熔池橢圓熔深半軸圖圖3.12 焊接速度對熔化形狀及晶體生長模式的影焊接速度對熔化形狀及晶體生長模式的影響響 圖1 焊縫柱狀晶成長與焊接速度的關(guān)系（示意） a）偏向晶 b）定向晶圖圖3.13 晶體沿最大溫度梯度方向生長速度晶體沿最大溫度梯度方向生長速度(R)與沿與沿 方向生長速度方向生

5、長速度(R)間的關(guān)系間的關(guān)系圖圖3.14 晶體在最接近熔池最大溫度梯度方向上的晶體在最接近熔池最大溫度梯度方向上的方向上生長方向上生長三、焊接熔池的成分過冷與結(jié)晶形態(tài)1、成分過冷結(jié)晶條件：（1）平衡結(jié)晶（2）固相無擴散，液相混合均勻（攪拌、對流、擴散）（3）固相無擴散，液相混合不均勻（擴散）由于結(jié)晶界面成分分布變化引起的過冷度稱之為“成分過冷”（“濃度過冷”）圖圖3.15 簡單二元系統(tǒng)中合金簡單二元系統(tǒng)中合金X0的不平衡凝固的不平衡凝固圖圖3.16 液相中完全混合、固相中無擴散時，凝固柱體液相中完全混合、固相中無擴散時，凝固柱體a) 的成分曲線由b)向c)過渡圖圖3.17 液相中擴散混合時，液

6、相中擴散混合時，柱體的濃度分布由柱體的濃度分布由a)向向c)演變。演變。若結(jié)晶速度均勻不變，在凝固若結(jié)晶速度均勻不變，在凝固的最后階段，液相中合金濃度的最后階段，液相中合金濃度富集時，柱體中的成分達到穩(wěn)富集時，柱體中的成分達到穩(wěn)定前狀態(tài)定前狀態(tài) 圖圖3.18 生長中晶體前緣的前方，溶質(zhì)在液相中濃度富集，生長中晶體前緣的前方，溶質(zhì)在液相中濃度富集，引起液相凝固溫度降低時發(fā)生成分過冷，成分過冷與熔引起液相凝固溫度降低時發(fā)生成分過冷，成分過冷與熔融金屬中的溫度梯度融金屬中的溫度梯度TL有關(guān)有關(guān) 圖圖3.19 向平面界面前方生長的固態(tài)球節(jié)，當(dāng)它進入向平面界面前方生長的固態(tài)球節(jié)，當(dāng)它進入 較熱的液體時，

7、一般會被重新熔化。但若界面前較熱的液體時，一般會被重新熔化。但若界面前 方的液體是成分過冷的話，這個球節(jié)是穩(wěn)定的方的液體是成分過冷的話，這個球節(jié)是穩(wěn)定的 圖圖3.20 焊縫中平面狀結(jié)晶向胞焊縫中平面狀結(jié)晶向胞狀結(jié)晶狀結(jié)晶的轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變圖2 平面晶形態(tài)a）成分過冷條件 b）結(jié)晶形態(tài) c）純鈮板氬弧焊時的平面晶 圖3 胞狀晶形態(tài)a）成分過冷條件 b）結(jié)晶形態(tài) c）Cr25Ni35AlTi合金TIG焊時胞狀晶 圖2 胞狀樹枝晶形態(tài)a）成分過冷條件 b）結(jié)晶形態(tài) c）Cr25Ni35AlTi合金TIG焊時胞狀樹枝晶 圖3 胞狀樹枝晶形態(tài)a）成分過冷條件 b）結(jié)晶形態(tài) c）Cr25Ni35AlTi合金TI

8、G焊時胞狀樹枝晶 圖4 胞狀樹枝晶形態(tài)a）成分過冷條件 b）結(jié)晶形態(tài) c）鋁板TIG焊時胞狀樹枝晶 圖5 C0、R、G對結(jié)晶形態(tài)的影響圖圖3.20 熔融金屬中溫度梯度的變化和成分過冷引熔融金屬中溫度梯度的變化和成分過冷引 起的平面狀起的平面狀胞狀晶的轉(zhuǎn)變胞狀晶的轉(zhuǎn)變 （箭頭指示晶體生長方向）圖圖3.21a）平面狀界面破裂成晶胞）平面狀界面破裂成晶胞b）胞狀結(jié)晶的溫度及溶質(zhì)分布）胞狀結(jié)晶的溫度及溶質(zhì)分布 圖圖3.24 蒙乃爾蒙乃爾TIG焊縫中樹枝狀晶的生長情況焊縫中樹枝狀晶的生長情況 圖圖3.23 充分發(fā)育的樹枝狀晶，在立方晶格的金屬中，充分發(fā)育的樹枝狀晶，在立方晶格的金屬中， 一次、二次及三次晶軸都與一次、二次及三次晶軸都與生長方向相對應(yīng)生長方向相對應(yīng) 圖3.25 C0、R和G對結(jié)晶形態(tài)的影響圖圖3.13 鑄造及焊接凝固的不同自由能驅(qū)動力，兩者鑄造及焊接凝固的不同自由能驅(qū)動力，兩者 都是不均勻過程，但焊接時的外延向凝固，都是不均勻過程，但焊接時的外延向凝固， 使成核勢壘實際上降為使成核勢壘實際上降為0圖圖3.26 焊縫金屬凝固時，合金成分晶體生長率和熔融金屬中焊縫金屬凝固時，合金成分晶體生長率和熔融金屬