焊接熔池的一次结晶

出处：按学科分类—工业技术 河南科学技术出版社《焊接技术手册》第43页（1497字）

焊接熔池的金属由液态转变为固态的过程，称为焊接熔池的一次结晶。

1．焊接熔池一次结晶的特点

(1)熔池的体积小、冷却速度大：焊接熔池的体积远比金属冶炼和铸造时小，单丝埋弧焊时，熔池的最大体积约为30cm³，液态金属质量不超过100g。由于溶池的体积小，周围又被冷金属所包围，熔池的冷却速度很大，平均冷却速度约为4～100℃／s，比铸锭的冷却速度大出10000倍左右。焊接含碳量高、合金元素较多的钢种及铸铁时，容易产生硬化组织和结晶裂纹。此外，熔池中心和边缘之间存在的温度差会使焊缝中的柱状晶大大发展，因此，一般情况下，电弧焊的焊缝中没有等轴晶，只有大断面焊缝的上部有少量的等轴晶。

(2)熔池在运动状态下结晶：焊接熔池是以等速随同热源一起移动的，熔池的结晶是一个连续熔化、连续结晶的动态过程，在熔池的前半部进行熔化过程，而熔池的后半部进行结晶过程。熔池的形状，也就是液相等温面所界定的区域，一般保持不变。熔池的结晶方向与焊接热源的移动速度密切相关，方向性极强。此外，熔池在结晶过程中，由于熔池内部气体的外逸、焊条的摆动、电弧的吹力等因素的作用，使液态熔池金属处于强烈的湍流状态，搅拌作用甚强，有利于气体、夹杂物的排除和焊缝金属成分的混合。

(3)熔池液态金属处于过热状态：焊接熔池温度极高，在低碳钢和低合金钢电弧焊时，熔池的平均温度可达(1770±100)℃，熔池的液态金属处于很高的过热状态，合金元素的烧损比较严重，使熔池中作为结晶晶核的质点大为减少，也促使焊缝易得到柱状晶。

2．焊接熔池一次结晶过程

焊接熔池的一次结晶和一般冶金一样，包括产生晶核和晶核长大两个过程。一般来说，液态金属在冷却过程中生成的晶核有两种，自发晶核(均质晶核)和非自发晶核(非均质晶核)。自发晶核是由金属熔液中局部能量起伏而形成，非自发晶核则是在熔液中的现成固相表面上生成。在焊接熔池结晶时，由于冷却速度快，熔池体积小，一般不存在自发晶核的结晶过程。焊接熔池的结晶主要是以非自发晶核进行的，首先是在熔合区半熔化晶粒上形成晶核，然后以柱状晶的形态向熔池中心生长，这种由半熔化晶粒上外延生长的结晶形态称为交互结晶或联生结晶，如图2－6所示。而悬浮于熔池液态金属中的杂质和合金元素质点，在焊接结晶过程中也起着一定的作用，以它们为核心所形成的晶粒一般均很细小。因此，有时为了细化晶粒，改善焊缝金属性能，可以通过焊接材料过渡一定量的合金元素(如Mo、Ti、V、Nb、Zr等)进入熔池，作为非自发晶核的质点而使晶粒细化。

图2－6 联生结晶

熔池结晶开始出现的晶体总是向着散热方向相反的方向长大。由于熔池的散热方向是垂直于熔合线的方向而指向金属内部，所以晶体的成长方向总是垂直于熔合线而指向熔池中去，因而形成柱状晶。当柱状结晶不断长大至互相接触时，熔池在该处的结晶过程就告结束。随着热源的移动，熔池的结晶过程一直在连续地进行着。其结晶速度在焊接方向上的分量等于焊接速度，因此，焊接速度的快慢在一定程度上决定了熔池的结晶速度，对熔池晶粒的粗细有影响作用，进而对焊缝金属的塑性和韧性产生影响。