1、第第4 4章熔池凝固与焊缝组织章熔池凝固与焊缝组织4.1 焊接熔池的结晶形核焊接熔池的结晶形核4.2 焊接熔池的晶核长大焊接熔池的晶核长大4.3 焊缝的凝固组织焊缝的凝固组织4.4 焊缝金属的不均匀性焊缝金属的不均匀性4.5 焊缝金属的固态转变焊缝金属的固态转变4.2.3焊接熔池结晶形态焊接熔池结晶形态熔池温度分布示意图熔池从t到t+dt时刻的移动距离与熔池后端边界上任一点 P在相同时间内的凝固距离之间的关系，有：coscos()nR dtVdtRdtcoscos()VR整理得 和 通常差异并不大。当 时：cosRV凝固速率R与焊接速度V的关系熔池后端边界上温度梯度G和凝固速率R的分布示意图c
2、osRV 在焊缝中心线熔池边界C点，R最大，而G最小； 在焊缝两侧熔池边界B点，R最小，而G最大。 从焊缝两侧熔池边界到焊缝中心线熔池边界，成分过冷的程度是增大的； 在焊缝两侧熔池边界位置，几乎不存在成分过冷，而在焊缝中心线熔池边界位置，成分过冷非常大。焊接熔池结晶形态的分布 在焊缝两侧熔池边界，由于基本不存在成分过冷，凝固结晶只能以平面形态缓慢推进； 而在焊缝中心线熔池边界，由于过冷度非常大，凝固常常以等轴晶（等轴树枝晶）形态进行； 从焊缝两侧熔池边界位置到焊缝中心线熔池边界位置，显微结晶形态依次是平面晶、胞状晶、树枝晶和等轴晶等，在胞状晶和树枝状晶之间，有时还会出现胞状树枝晶。其中，平面晶
3、、胞状晶、胞状树枝晶和树枝晶均呈现柱状晶形态。4.2.3联生结晶与竞争生长联生结晶与竞争生长 当焊缝金属成分和晶体结构与基体（母材）金属相近甚至基本相同时，熔池凝固过程中最常见的一种形核机制是在熔合区附近被加热到半熔化状态的基体金属晶粒表面直接形核，这种熔化的焊缝金属直接在现有晶粒上长大的现象，称为“联生结晶联生结晶”或“外延生长外延生长”。 竞争生长：竞争生长：在熔池凝固过程中，那些最容易生长方向与最大温度梯度方向一致的晶粒生长最快，因此能够得到充分生长，可以从熔化边界一直长到焊缝中心，形成粗大的柱状晶。而一些最容易生长方向与最大温度梯度方向不一致的晶粒，因生长速度较慢，在成长过程中将被排挤
4、，最终停止生长。焊缝中的联生结晶与竞争生长示意图Ti5Al5V5Mo3Cr合金电子束焊缝中的联生结晶LD10CS铝合金高频直流脉冲氦弧焊焊缝中的联生结晶碳钢表面钨极氩弧焊熔敷Stellite+WC 焊缝中的竞争生长4.3 焊缝凝固组织焊缝凝固组织4.3.1 焊缝凝固组织的一般特征焊缝凝固组织的一般特征焊缝组织与熔池凝固行为的关系 焊缝凝固组织从熔化边界到焊缝中心依次为柱状晶和等轴晶，柱状晶的显微结构依次为：平面晶、胞状晶、树枝晶； 所有的显微结晶形态不一定全部存在，有时柱状晶可以一直生长到焊缝中心，而无等轴晶； 柱状晶主轴方向是弯曲的。T2紫铜埋弧焊接头平面结晶形成的柱状晶AISI 304 与
5、 Inconel 600激光焊焊缝胞状晶AISI 316L 奥氏体不锈钢埋弧焊焊缝胞状树枝晶蒙乃尔合金钨极氩弧焊焊缝树枝晶铁素体不锈钢熔化极气体保护电弧焊焊缝中心等轴晶4.3.2 焊接参数对焊缝凝固组织的影响焊接参数对焊缝凝固组织的影响熔池边界的凝固方向与该位置的柱状晶主轴方向一致。对于大厚件表面快速堆焊熔池，其边界为三维曲面：122222cos11yzMyzKKPvAa TKK大厚件表面堆焊熔池示意图1222cos11yMyKPvAa TK当z=0时，有：1、焊接参数对焊缝柱状晶主轴方向的影响焊接参数对焊缝柱状晶主轴方向的影响其中：Ky=Y/OB，Kz=Z/OH12222cos11yMyKE
6、vAa TKEP v焊接线能量为有 从焊缝边界到焊缝中心（ y减小），柱状晶的主轴方向与焊接方向的夹角逐渐减小； 当 时， ， ，即在焊缝边界，结晶主轴方向与焊接方向垂直； 当 Y=0时， ， ，即结晶主轴方向与焊接方向一致。 当焊接线能量不变时，随焊接速度增大， 值减小，焊缝柱状晶结晶主轴方向与焊接方向的夹角增大YOBcos090cos10cos焊接速度对熔池形状和焊缝柱状晶主轴方向的影响：(a)低速焊接；(b)高速焊接焊接速度对纯铝钨极氩弧焊焊缝组织的影响：(a) 250mm/min；(b) 1000mm/min ab2、焊接参数对焊缝显微结晶形态及其结构尺度的影响焊接参数对焊缝显微结晶形
7、态及其结构尺度的影响G和R对凝固显微结晶形态和尺度的影响焊缝凝固显微结晶形态及其结构尺度主要受熔池凝固过程中固/液界面前沿的温度梯度G和生长速率R控制： G/R反映了固/液界面前沿的过冷程度，决定微观结晶形态； G.R表征了凝固过程的冷却速率，影响微观组织的尺度； 一个G/R值对应着一个结晶形态，随G/R减小，凝固结晶形态由平面晶顺序向胞状晶、树枝晶和等轴晶转变； 一个G.R值对应着一个结构尺度，随G.R增大，微观组织尺度减小（细化）。焊接线能量恒定时焊接速度对熔池固/液界面前沿温度梯度及过冷度的影响：(a)低速焊接；(b)高速焊接 焊接线能量恒定条件下，随焊接速度增大，熔池结晶速率R将增大、
8、熔池边界温度梯度尤其是熔池中心线附近边界温度梯度G趋于减小，G/R值减小，焊缝中心更容易出现等轴晶； 焊接速度恒定条件下，随焊接线能量增加，熔池边界温度梯度G趋于减小，G/R和G.R值均趋于减小，焊缝中心也更容易出现等轴晶，焊缝结晶显微结构尺度增加（粗化）.焊接工艺焊接工艺-焊接速度焊接速度焊接速度对5052铝合金钨极气体保护焊焊缝组织结构的影响104mm/min500mm/min750mm/min1000mm/min 焊接线能量大体相同，随焊接速度增加，G/R值减小； 焊接速度较低时基本没有等轴晶，随焊接速度增加，焊缝中心等轴晶增加； 焊速较低时，焊缝中的柱状晶是弯曲的，而焊速较高时，焊缝中
9、的柱状晶基本是直的，且趋于垂直焊缝。焊接工艺焊接工艺-焊接线能量焊接线能量焊接线能量对6061铝合金钨极气体保护焊焊缝组织结构的影响热输入100A11V，焊接速度12.7mm/s热输入120A11V，焊接速度12.7mm/s 随焊接线能量增加，熔池边界温度梯度G趋于减小（G/R值减小），焊缝中心区域等轴晶明显增加(G.R)值对AISI 316L 奥氏体不锈钢埋弧焊缝显微组织尺度的影响v=20cm/min, E=6.0kJ/minv=12.5cm/min, E=9.6kJ/min随着焊接速度减小和焊接线能量增加，G和R均减小，焊接熔池凝固结晶G.R值减小，焊缝结晶显微结构尺度增加（粗化）(a)(
10、b)(c)(G/R)值对AISI 304添丝钨极氩弧焊焊缝组织结构的影响v1=2.252mm/s, v2=2.243mm/s, E1+E1=2.563kJ/mmv1=3.030mm/s, v2=3.003mm/s, E1+E1=2.784kJ/mmv1=3.846mm/s, v2=3.787mm/s, E1+E1=3.017kJ/mm随焊接速度和焊接线能量增加， R增加，G减小，G/R值减小，熔池结晶过冷度增加，焊缝枝晶倾向明显增加.焊接速度对纯铝钨极氩弧焊焊缝组织的影响：(a) 250mm/min；(b) 1000mm/min ab纯金属焊接熔池凝固时不存在成分过冷， 结晶形态多是柱状晶（平
11、面结晶），焊接参数对焊缝组织结构的影响主要表现在对焊缝柱状晶主轴方向的影响上，而对结晶形态影响不大4.3.3 焊缝凝固组织的调控焊缝凝固组织的调控 调控的实现途径通常可以从冶金和工艺两方面考虑，冶金措施主要通过添加合金元素或形核剂进行变质处理，工艺措施主要有焊接参数的优化、脉冲电流焊接和熔池振动和电磁搅拌等。 在组织形态上，柱状晶对焊缝性能不利，而等轴晶组织有利于获得良好的强韧性；在结构尺度上，焊缝的显微组织越细小，焊缝综合性能越好。为了获得良好的焊缝性能，一般希望焊缝凝固组织为细小的等轴晶组织。1、变质处理、变质处理 变质处理是一种促进待凝固液体中形成异质形核质点，增加非自发形核而细化凝固组
12、织的冶金处理技术。通过向焊缝金属（母材或焊接填充材料）中添加一些形成高熔点质点（金属间化合物、氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等）趋势较大的合金元素，如钛（Ti）、锆（Zr）、铌（Nb）、钒（V）等，可以促进熔池凝固过程中的非自发形核、细化焊缝晶粒。有时，变质剂也可以直接是化合物、碳化物等。(a)(b)(c)Ti的添加量对Al-2.5%Mg合金钨极氩弧焊焊缝组织的影响，(a) 0.005% Ti, (b) 0.011%Ti, (c) 0.029%Ti(a)(b)合金元素Zr对7020 AlZnMg合金钨极氩弧焊焊缝组织的影响29：(a)未做变质处理;(b) 添加0.5% Zr变质处理(a)(b)
13、稀土元素钪（Sc）对7010铝合金钨极氩弧焊焊缝组织的影响：(a)未做变质处理;(b) 添加0.25% Sc变质处理2、焊接工艺参数的优化、焊接工艺参数的优化(a)(b)焊接速度对AISI 430Ti铁素体不锈钢薄板激光焊焊缝组织结构的影响(P = 5.5 kW) ：(a)V=5m/min;(b)V=11m/min3、脉冲电流焊接脉冲电流焊接(b)(a)Ti6Al4V合金钨极氩弧焊焊缝组织：(a)直流焊接；(b)脉冲直流焊接短时的大电流脉冲形成的熔池将具有较快的凝固速度，而基值电流的预热又有利于减小熔池的温度梯度，因此，脉冲焊接熔池易于获得大的过冷度而形成等轴晶(a)(b)Ti6Al4V合金钨极氩弧焊焊缝组织：(a)交流焊接；(b)脉冲交流焊接(a)(b)4、熔池振动结晶熔池振动结晶超声振动对铁素体不锈钢钨极氩弧焊焊缝组织的影响：(a)无超声震动(b)超声振动5、电磁搅拌电磁搅拌(a)(b)电磁搅拌对5052铝合金钨极氩弧焊（GTA）焊缝组织的影响：(a)无电磁搅拌(b)电磁搅拌
