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281第二章金属的凝固第06讲282上讲回顾液态金属结晶的热力学条件晶核的形成液-固界面的微观结构晶体长大机制晶体生长形态非平衡凝固时的溶质再分配283在熔焊条件下，除了自熔焊接（即不给送填充焊丝或焊条的焊接方法）外，焊缝金属均是由母材金属(焊件金属)和焊条金属所组合而成。因此，有必要了解焊条的熔化和过渡特性以及熔池的物理参数，以便进而研究焊缝的化学成分特点。2.3焊条熔化及熔池的形成2842.3.1焊条的加热与熔化1、焊条金属的加热电弧焊时，用于加热和熔化焊条或焊丝的热能有：电阻热、电弧热、化学反应热在一般情况下，化学反应热只占1％～3％，可忽略不计。在正常焊接规范时，焊接电流通过焊芯产生的电阻热对焊条的加热也可以不考虑。使焊条加热和熔化的热能主要来自焊接电弧。然而，焊接电弧用于加热和熔化焊条的功率仅是其全部功率的一小部分。285注意：焊条端部得到的电弧热是熔化焊条并使液体金属过热和蒸发的主要能源，其中只有一小部分传导到焊芯的深处使它和药皮的温度升高。焊条端部药皮表面的温度可达600℃左右，因此在该处就开始发生冶金反应。2862、焊条金属的平均熔敷速度焊条金属的平均熔敷速度是指单位时间内真正进入焊缝金属的那一部分金属的质量，是反映焊接生产率的重要指标。研究发现，焊条金属的熔化是以周期性的滴状形式进行的，这说明焊条的熔化是不均匀的。另外，在焊接过程中，由于飞溅、氧化和蒸发将损失一部分焊条金属。焊条金属的平均熔敷速度可表示为：gD=GD/t=αHI2873、焊条金属的过渡特性在电弧热的作用下，焊条端部熔化形成的滴状液态金属称为熔滴。当熔滴长大到一定的尺寸时，便在各种力的作用下脱离焊条，以滴状的形式过渡到熔池中去，然后周而复始。熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程称为熔滴过渡。用药皮焊条焊接时，主要有三种过渡形式：短路过渡、颗粒状过渡、附壁过渡288短路过渡过程：在短弧焊时焊条端部的熔滴长大到一定的尺寸就与熔池发生接触，形成短路，于是电弧熄灭。同时在各种力的作用下熔滴过渡到熔池中，电弧重新引燃。如此重复这一过程，形成稳定的短路过渡过程。颗粒状过渡过程：当电弧的长度足够长时，焊条端部的熔滴长大到较大的尺寸，然后在各种力的作用下，以颗粒状落入熔池，此时不发生短路，接着进行下一个过渡周期。附壁过渡过程：指熔滴沿着焊条端部的药皮套筒壁向熔池过渡的形式。289熔滴的过渡形式、尺寸和过渡频率取决于药皮的成分与厚度、焊芯直径、焊接电流和极性等因素。一般来讲，碱性焊条在较大的焊接电流范围内主要是短路过渡和大颗粒状过渡；用酸性焊条焊接时为细颗粒状过渡和附壁过渡。28104、焊条金属熔滴的特征（1）熔滴的比表面积和相互作用时间焊接时金属与熔渣和气体的相互作用属于高温多相反应，因此熔滴的比表面积和它与周围介质相互作用的时间，对熔滴阶段的冶金反应有很大的影响。2811①熔滴的表面积熔滴的表面积Ag与其质量Vg之比称为熔滴的比表面积S，即S=Ag/ρVg（2-11）由此可知，熔滴越细小，其比表面积越大。因此，凡是能使熔滴变细的因素，如增大焊接电流或在药皮中加入表面活性物质等，都能使熔滴的比表面积增大，从而有利于加强冶金反应。手工电弧焊时，正常情况下的熔滴比表面积是可达103～104cm2/kg,，约比炼钢时大1000倍。2812理论上，熔滴的存在时间τ不等于熔滴与周围介质相互作用的时间。因为在一个周期刚开始时，进入熔滴的金属与周围介质相互作用的时间接近等于τ，而在该周期将近终了时，进入熔滴的金属与周围介质相互作用时间接近等于零。熔滴过渡后，在焊条端部剩下的熔滴中相互作用时间比τ还大。因此，常采用平均相互作用时间的概念。熔滴与周围介质的平均相互作用时间可用下式表示：（2-13）210trcpmm2813由式(2-13)可以看出，τcp与τ及m0/mtr的比值有关。根据焊接方法、焊接规范、电流极性和焊接材料的不同，平均相互作用时间在0.01~1.0s内变化，是很短暂的。2814（2）熔滴的温度迄今为止，还不能从理论上精确计算熔滴的温度。实际测量表明，对手工电弧焊焊接低碳钢而言，熔滴的平均温度为2100～2700K。试验表明，熔滴的平均温度随焊接电流的增加而升高，随焊丝直径的增加而降低。药皮形成的熔渣向熔池过渡有两种过渡形式：一是以薄膜的形式包在熔滴外面或夹在熔滴内同熔滴一起落入熔池；二是直接从焊条端部流入熔池或以滴状落入熔池。当药皮厚度较大时才会出现第二种过渡形式。28152.3.2熔池的形成熔焊时，在热源的作用下母材上由熔化的焊条金属与局部熔化的母材所组成的具有一定几何形状的液体金属叫熔池。如焊接时不填充金属，则熔池仅由局部熔化的母材组成。熔池的形状、尺寸、温度、存在时间和其中液体金属的流动状态，对熔池中的冶金反应、结晶方向、晶体结构、夹杂物的数量和分布、以至焊接缺陷(如气孔和结晶裂纹)的产生等均有极其重要的影响。28161、熔池的形状和尺寸熔池的形成需要一定的时间，这段时间叫做过渡时期。经过过渡时期以后，就进入准稳定时期，这时熔池的形状、尺寸和质量不再变化，只取决于母材的种类和焊接工艺条件，并随热源作同步运动。在电弧焊的条件下，准稳定时期熔池的形状如图2-14所示，类似于不标准的半椭球，其轮廓为温度等于母材熔点的等温面。图2-14焊接熔池形状示意图2817在一般情况下，I↑→Bmax↓、Hmax↑；随着U↑→Bmax↑、Hmax↓。熔池长度L的大小与电弧能量成正比。熔池的上表面积，即熔池中液态金属与熔渣的接触面，取决于焊接方法和焊接工艺参数，一般为1~4cm2。熔池的比表面积S根据规范不同，变化在(0.3～13)×10-3m2/kg，比熔滴的比表面积小。28182、熔池的质量和存在时间手弧焊时熔池的重量通常在0.6~16g范围之内，多数情况下小于5g。埋弧焊焊接低碳钢时，即使焊接电流很大，熔池的质量也不超过100g。由于熔池的体积和质量很小，所以熔池存在的时间很短，一般只有几秒至几十秒，因此，熔池中各种物化反应的时间是很短暂的。但它比熔滴阶段存在的时间要长。28193、熔池的温度实测表明，在熔池内的温度分布是不均匀的，如图2-15所示。在熔池的前部，输入的热量大于散失的热量，所以随热源的移动，母材不断熔化。处于电弧下面的熔池表面(熔池中部)温度最高。熔池后部的温度逐渐下降，因为此处输入的热量小于散失的热量，所以不断发生金属的凝固。图2-15熔池的温度分布1—熔池中部2—头部3—尾部2820熔池的平均温度主要取决于母材的性质和散热的条件。对低碳钢来讲，熔池的平均温度约为1770±100℃。28214、熔池中流体的运动状态熔池中的液体金属在各种力的作用下，将发生强烈的运动，使得熔池中的热量和质量的得以传输。好处：①使熔化的母材和焊条金属能够很好的混合，形成成分均匀的焊缝金属。②熔池中的运动有利于气体和非金属夹杂物的外逸，加速冶金反应，消除焊接缺陷(如气孔)，提高焊接质量。2822产生运动的原因：①熔池温度分布不均匀而造成的液态金属密度差，使液相产生对流运动。温度高的地方金属密度小，温度低的地方金属密度大。由于这种密度差将使液相从低温区向高温区流动。②温度分布不均匀也使表面张力分布不均匀。③由于焊接热源作用在熔池上的各种机械力使熔池中的液相产生搅拌作用。作用在熔池上的力：电磁力、气体吹力、熔滴下落的冲击力、离子的冲击力等。28232.4.1熔池凝固的特点和结晶形态1、熔池凝固的特殊性焊接时，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，与此同时，熔池内进行短暂而复杂的冶金反应。当热源离开后，熔池金属便开始凝固，如图2-16所示。2.4熔池凝固和焊缝的组织与性能图2-16熔池金属的凝固2824焊接熔池的凝固具有以下的特殊性：1.熔池体积小，冷却速度大手工焊：V池max=30㎝3，质量最大为≤100g铸锭：几吨~几十吨υ焊=4~100℃/sυ铸=（3~150）×10-4℃/S焊接冷却速度比铸件冷却速度大10000倍左右，由于体积小，冷却速度快，对含碳量高的合金钢易产生淬硬组织，裂纹；熔池中心与边缘有较大的温度梯度，使焊缝中柱状晶长大，焊缝中没有等轴晶。28252．熔池中的液态金属处于过热状态熔池平均温度：1770±100℃熔滴平均温度：2300±200℃铸件浇铸温度＜1500℃过热度大，烧损合金元素，非自发晶核的质点减少，柱状晶长大。28263．熔池在运动状态下结晶铸锭的结晶是在钢锭模中静止状态下进行的，而一般的焊接熔池是在运动过程中同时存在熔化和结晶的。由于搅拌作用，有利于形成致密而性能良好的接头。2827焊接过程理论认为：焊接熔池既受焊接热源的加热作用，同时又受到固体金属的冷却作用；焊缝金属的平均结晶速度等于熔池的移动速度，也就是等于焊接速度。图2-18为熔池在运动状态下结晶。图2-18熔池在运动状态下结晶2828本讲小结焊条的加热与熔化焊条金属的过渡特性熔池的形状和尺寸熔池中流体的运动状态熔池凝固的特殊性