材料成形 二、焊接生產(chǎn)中的凝固過程控制

1、 熔焊時(shí)，焊接熔池的凝固過程與一些鑄造時(shí)液態(tài)金屬凝固過程沒有本質(zhì)區(qū)別，因此，它也服從凝固理論的一般規(guī)律。但焊接熔池的凝固過程還有自己的一些特點(diǎn)。 焊接時(shí)，在高溫?zé)嵩吹淖饔孟?，母材發(fā)生局部熔化，并與熔化了的焊絲金屬混合形成熔池，同時(shí)進(jìn)行短暫而復(fù)雜的冶金反應(yīng)。當(dāng)熱源離開后，熔池金屬便開始了凝固。如圖2-56所示。因此，熔池具有下面一些特殊性。 (1)體積小，冷卻速度大體積小，冷卻速度大在一般電弧焊條件下，熔池體積最大僅可達(dá)到30cm3，重量不超過100g。熔他的冷卻速度一般可達(dá)4100s遠(yuǎn)比一般鑄件的冷卻速度高。由于冷卻很快，溫度梯度大，故焊縫中柱狀晶得到充分發(fā)展。 (2)過熱溫度高過熱溫度高 對(duì)

2、一般低碳鋼或低合金鋼，熔池平均溫度可達(dá)1770100，而熔滴溫度更高，約為(2300200) 。而一般煉鋼時(shí)，其澆注溫度僅為1550左右。由于液態(tài)金屬的過熱度較大，非自發(fā)形核的原始質(zhì)點(diǎn)數(shù)將大為減少，這也促使柱狀晶的發(fā)展。 (3)動(dòng)態(tài)下凝固動(dòng)態(tài)下凝固 處于熱源移動(dòng)方向前端的母材不斷熔化，連同過渡到熔池中的焊絲熔滴一起在電弧吹力作用下，對(duì)流至熔池后部。隨熱源的離去，熔池后部的液態(tài)金屬立即開始凝固，形成焊縫 (4)對(duì)流強(qiáng)烈對(duì)流強(qiáng)烈 (4)對(duì)流強(qiáng)烈 熔池中存在各種作用力，如電弧的機(jī)械力、氣流吹力、電磁力，以及液態(tài)金屬中密度差別，使熔池中存在有強(qiáng)烈的攪拌和對(duì)流，其方向一般趨于從熔池頭部向尾部流動(dòng)。 (1

3、)外延生長 (2)彎曲柱狀晶 (3)凝固界面生長形式多樣性 熔池中液態(tài)金屬開始凝固時(shí)，熔池邊界未熔的母材晶?？梢宰鳛榉亲园l(fā)形核的現(xiàn)成基底，從而可以在很小的過冷度下，依附于母材晶粒逆著熱流方向生長，形成方向性很強(qiáng)的柱狀晶，如圖2-57所示。這種凝固特征 就叫焊縫的外延生長。 可以想象，焊接時(shí)過熱 的母材，其晶粒必然粗 大，最終導(dǎo)致焊縫柱狀 晶亦粗大。故焊接操作 時(shí)應(yīng)避免母材過熱的產(chǎn) 生。 熔池的形狀和尺寸，受焊接時(shí)工藝參數(shù)的影響。典型的熔池形狀如圖2-58所示。熔池的輪廓即表示液相面，其形狀很像不標(biāo)淮的 橢球，熔池的寬 度和深度沿x軸 連續(xù)變化。 一般增大焊接電流，熔池的最大深度Hmax隨之增大

4、，而最大寬度Bmax則相對(duì)減小。 增大電弧電壓時(shí)，則恰恰相反。若增大電弧能量，熔池長度L也隨之增大。 當(dāng)焊接速度增大時(shí)，整個(gè)熔池除體積減小外，在焊接方向上將變得更為細(xì)長。 如圖2-59所示，熔池的最大散熱方向就是液相等溫線的法線方向。假定焊接時(shí)熔池形狀穩(wěn)定不變，可以按如下方式來分析晶粒生長方向與焊接方向間的關(guān)系。 在液相等溫線上任一點(diǎn)A的晶粒主軸沿等溫線法線方向生長，設(shè)生長的線速度為R。而焊接熔池則以速度v沿x方向移動(dòng)。當(dāng)經(jīng)過t時(shí)間后，焊接熔池移動(dòng)距離為x，A點(diǎn)便移至B點(diǎn)。與此同時(shí)，A點(diǎn)晶粒長大至C點(diǎn)，以保持熔池形狀不變，A點(diǎn)晶粒的增長量就是S+。于是有 故 當(dāng)S0時(shí)，將比S更快趨向于零，故可

5、忽略不計(jì)。故上式成為 或 R=vcos (2-66)式中 晶粒生長方向與熔池移動(dòng)方向間的夾角。 由上式并結(jié)合圖259便可看出：等溫線上各點(diǎn)的角是變化的，故等溫線上各點(diǎn)的晶粒生長速度也不一致。在焊縫邊緣，=90，cos=0，故晶粒生長速度為零。而在焊縫中心，=0，cos=1，晶拉生長速度與焊接速度相等。由于等溫線是彎曲的，晶粒在生長時(shí)也必須不斷改變方向，形成了特有的彎曲柱狀晶的形態(tài)。圖259的晶粒生長線就是柱狀晶生長的彎曲線。 焊接速度對(duì)晶粒生長形態(tài)有很大的影響。如圖260所示，焊接速度大時(shí)，焊接熔池長度增加，角也相應(yīng)增大，柱狀晶便趨向垂直于焊縫生長(圖260a)。焊接速度小時(shí)，角也相應(yīng)減小，柱

6、狀晶越彎曲(圖260b)。垂直于焊縫的柱狀晶，易在焊縫中心形成脆弱的結(jié)合面，在中心易出現(xiàn)縱向裂紋。 焊接熔池中的溫度梯度與凝固速度比值GR，在不同的凝固階段是不同的，其凝固生長界面亦可以從平界面生長過渡到枝晶生長的形式。在熔池尾端焊縫軸線上的D點(diǎn)(圖259)，有 式中 v焊接速度。 設(shè)x1為點(diǎn)D距熱源中心的距離。又點(diǎn)D的溫度為熔點(diǎn)Tm 。由焊接傳熱學(xué)知識(shí)可以推得 代人式(267)得 在點(diǎn)D處，=0，即cos=1，故R=vcos=v，用R分別除上式兩端，得 已知x1隨v的提高而增大，因而GR將隨v增大而減小。同理，在熔池兩側(cè)翼邊界(圖2-59中點(diǎn)F、H)，由于 cos=0，故GR。 所以，對(duì)熔池

7、的凝固過程的始終聯(lián)系起來看，凝固開始時(shí)，GR很大，滿足平面生長的條件，隨凝固的繼續(xù)，GR逐步減小，在某一時(shí)刻以后，將發(fā)生成分過冷，平面生長將轉(zhuǎn)為胞狀生長；隨成分過冷的進(jìn)一步加大，樹枝晶生長的方式逐漸占主導(dǎo)地位，在到達(dá)熔池尾端結(jié)束凝固時(shí)，GR最小，成分過冷度最大，有可能形成等軸樹枝晶區(qū)。圖261示意表示了焊縫中不同部位凝固界面生長方式的大致情況。 實(shí)際焊縫中，由于化學(xué)成分、板厚和接頭形式不同，不一定具有上述全部的凝固組織形態(tài)。特別當(dāng)焊接操作規(guī)范改變時(shí)，凝固組織亦將作較大的變化。 當(dāng)焊接速度增大時(shí)，焊縫中心往往容易出現(xiàn)大量等軸晶； 當(dāng)焊接速度較低時(shí)，主要為柱狀樹枝晶。 焊接電流小時(shí)，主要是胞狀晶；

8、 焊接電流較大時(shí)，則轉(zhuǎn)為極大的樹枝晶。 粗大的柱狀晶會(huì)降低焊縫金屬的強(qiáng)度和韌性。圖2-62既為低碳鋼堿性焊條焊接的焊縫中，晶粒粗細(xì)對(duì)沖擊韌度的影響。在穩(wěn)定型奧氏 體鋼焊接時(shí)， 粗大柱狀晶 還是造成熱 裂紋的原因 之一。同時(shí) 對(duì)抵抗晶間 腐蝕也不利。 (1)變質(zhì)處理變質(zhì)處理 焊接時(shí)可通過焊接材料向熔池加入一些能細(xì)化晶粒的元素，如鉬、釩、鈦、稀土等，達(dá)到使焊縫晶粒細(xì)化，提高強(qiáng)度和韌性的目的。 (2)振動(dòng)結(jié)晶振動(dòng)結(jié)晶 焊接時(shí)可同時(shí)對(duì)焊件施以振動(dòng)，通過振動(dòng)，可使柱狀樹枝晶破碎，增大晶粒游離傾向，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。振動(dòng)方式主要有機(jī)械振動(dòng)、超聲振動(dòng)和電磁振動(dòng)。 (3)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)優(yōu)化焊接工藝參數(shù) (3)優(yōu)化焊接工藝參數(shù) 對(duì)于不銹鋼這類不發(fā)生相變重結(jié)晶的鋼焊接時(shí)，在保持一定的電弧熱功率的條件下，增大焊接速度v，即降低了焊接的線能量，可以便晶粒變細(xì)。若線能量不變，提高焊接速度v，也可以促使晶粒細(xì)化。因?yàn)楹附铀俣鹊奶岣?，可使熔池在高溫下停留時(shí)間縮短，熔池溫度較低，焊縫冷卻速度也提高了。對(duì)于低合金高強(qiáng)鋼這類發(fā)生相變重結(jié)晶的鋼，應(yīng)盡量采用較小的線能量，減小熔池尺寸和過熱度，同時(shí)加強(qiáng)焊縫的冷卻，便可避免出現(xiàn)粗大的柱狀晶組織。但冷卻速度也不宜過高，過高會(huì)引起焊縫和熱影響區(qū)產(chǎn)生淬火組