材料成形二、焊接生产中的凝固过程控制.pptVIP

二、焊接生产中的凝固过程控制 熔焊时，焊接熔池的凝固过程与一些铸造时液态金属凝固过程没有本质区别，因此，它也服从凝固理论的一般规律。但焊接熔池的凝固过程还有自己的一些特点。 焊接时，在高温热源的作用下，母材发生局部熔化，并与熔化了的焊丝金属混合形成熔池，同时进行短暂而复杂的冶金反应。当热源离开后，熔池金属便开始了凝固。如图2-56所示。因此，熔池具有下面一些特殊性。 1．焊接熔池特征 (1)体积小，冷却速度大在一般电弧焊条件下，熔池体积最大仅可达到30cm3，重量不超过100g。熔他的冷却速度一般可达4～100℃／s远比一般铸件的冷却速度高。由于冷却很快，温度梯度大，故焊缝中柱状晶得到充分发展。 (2)过热温度高 对一般低碳钢或低合金钢，熔池平均温度可达1770±100℃，而熔滴温度更高，约为(2300±200) ℃。而一般炼钢时，其浇注温度仅为1550℃左右。由于液态金属的过热度较大，非自发形核的原始质点数将大为减少，这也促使柱状晶的发展。 (3)动态下凝固 处于热源移动方向前端的母材不断熔化，连同过渡到熔池中的焊丝熔滴一起在电弧吹力作用下，对流至熔池后部。随热源的离去，熔池后部的液态金属立即开始凝固，形成焊缝 (4)对流强烈 (4)对流强烈 熔池中存在各种作用力，如电弧的机械力、气流吹力、电磁力，以及液态金属中密度差别，使熔池中存在有强烈的搅拌和对流，其方向一般趋于从熔池头部向尾部流动。 2．焊缝凝固特点 (1)外延生长 (2)弯曲柱状晶 (3)凝固界面生长形式多样性 (1)外延生长 熔池中液态金属开始凝固时，熔池边界未熔的母材晶粒可以作为非自发形核的现成基底，从而可以在很小的过冷度下，依附于母材晶粒逆着热流方向生长，形成方向性很强的柱状晶，如图2-57所示。这种凝固特征 就叫焊缝的外延生长。 可以想象，焊接时过热 的母材，其晶粒必然粗 大，最终导致焊缝柱状 晶亦粗大。故焊接操作 时应避免母材过热的产 生。 (2)弯曲柱状晶 熔池的形状和尺寸，受焊接时工艺参数的影响。典型的熔池形状如图2-58所示。熔池的轮廓即表示液相面，其形状很像不标淮的 椭球，熔池的宽 度和深度沿x轴 连续变化。 一般增大焊接电流，熔池的最大深度Hmax随之增大，而最大宽度Bmax则相对减小。 增大电弧电压时，则恰恰相反。若增大电弧能量，熔池长度L也随之增大。 当焊接速度增大时，整个熔池除体积减小外，在焊接方向上将变得更为细长。 如图2-59所示，熔池的最大散热方向就是液相等温线的法线方向。假定焊接时熔池形状稳定不变，可以按如下方式来分析晶粒生长方向与焊接方向间的关系。 在液相等温线上任一点A的晶粒主轴沿等温线法线方向生长，设生长的线速度为R。而焊接熔池则以速度v沿x方向移动。当经过△t时间后，焊接熔池移动距离为△x，A点便移至B点。与此同时，A点晶粒长大至C点，以保持熔池形状不变，A点晶粒的增长量就是△S+δ。于是有 故 当△S→0时，δ将比△S更快趋向于零，故可忽略不计。故上式成为 或 R=vcosψ (2-66)式中 ψ—晶粒生长方向与熔池移动方向间的夹角。  由上式并结合图2—59便可看出：等温线上各点的ψ角是变化的，故等温线上各点的晶粒生长速度也不一致。在焊缝边缘，ψ=90，cosψ=0，故晶粒生长速度为零。而在焊缝中心，ψ=0，cosψ=1，晶拉生长速度与焊接速度相等。由于等温线是弯曲的，晶粒在生长时也必须不断改变方向，形成了特有的弯曲柱状晶的形态。图2—59的晶粒生长线就是柱状晶生长的弯曲线。 焊接速度对晶粒生长形态有很大的影响。如图2—60所示，焊接速度大时，焊接熔池长度增加，ψ角也相应增大，柱状晶便趋向垂直于焊缝生长(图2—60a)。焊接速度小时，ψ角也相应减小，柱状晶越弯曲(图2—60b)。垂直于焊缝的柱状晶，易在焊缝中心形成脆弱的结合面，在中心易出现纵向裂纹。 (3)凝固界面生长形式多样性 焊接熔池中的温度梯度与凝固速度比值G／R，在不同的凝固阶段是不同的，其凝固生长界面亦可以从平界面生长过渡到枝晶生长的形式。在熔池尾端焊缝轴线上的D点(图2—59)，有 式中 v—焊接速度。 设x1为点D距热源中心的距离。