“焊接凝固结晶”的概念、定义、翻译、参考文献-科学参考

单词

焊接凝固结晶

释义

【焊接凝固结晶】

拼译：solidification of welding

是随着焊接技术科学的发展首先建立起来的学科理论。焊接凝固结晶发生在金属联接和承载的核心部位，因此它与熔焊技术推广应用紧密相联。第二次世界大战后期，西线盟军开辟第2战场乘用焊接方法建造的近5000艘舰船在诺曼底登陆成功；东线苏军乘用焊接方法制造的T－34型坦克一举攻克柏林。焊接技术在结束第二次世界大战的最后大战役中发挥了重要作用。人们看到焊接代替铆接造船，用分段焊接代替整体铸造坦克炮塔的广阔前景的同时，也密切注视到占舰船总数的51%出现了宏观裂纹，发生横向贯穿甲板和危及航行的长裂纹占3．3%，断裂成两段的有7艘；坦克炮塔也出现了大量纵向和横向裂纹。检查结果表明，结构体的断裂是焊接凝固裂纹引起的。为此从40年代末期到50年代焊接界以大型结构体为对象，突出力学因素系统研究了焊接凝固结晶过程中形成的最严重缺陷——凝固裂纹。N．N．Prohorov发现结构钢焊接凝固过程中出现一个脆性温度区。在此区间存在焊缝金属最低塑性贮备。提出了当凝固收缩拉应力作用下产生的应变超过脆性温度区内焊缝金属的塑性贮备时便发生开裂的热裂纹形成理论。潘际銮深入研究了脆性温度区补充了这一理论。N．N．Prohorov等还创建了定量评定焊接热裂纹形成敏感性试验装置，推荐出合理的焊接工艺、焊前预热降低应力、限制C．S．P含量等措施，解决了大型结构体焊接热裂纹问题。致使50年代中期国际上普遍采用焊接代替铆接造船、造机车、制造高参数锅炉和高压容器。有力地推动了交通运输业和动力工业的迅速发展。

50年代初期化学工业、原子能工业和火箭工业选用了与高参数相适应的不锈钢、高合金钢和合金结构材料。焊后发现焊缝金属出现严重的凝固裂纹、气孔、偏析等凝固缺陷。焊接界转入突出冶金因素深入研究了焊接凝固裂纹生成的原因。B．E．Medowar发现在晶界上存在低熔点共晶薄膜，提出在拉应力作用下将凝固过程中的液膜拉开，而无新的液体补充，凝固后产生结晶裂纹的理论。采取降低易形成低熔点共晶的S．P含量小于0．03%、降低C含量和增加抗热裂纹形成的合金元素N_b等冶金措施，解决了不锈钢和奥氏体合金焊接凝固裂纹问题。B．A．Movchan发现在纯金属和单相奥氏体镍基合金焊缝金属中不存在低熔点共晶液膜也产生热裂纹，在凝固结晶后期出现多边化边界，是位错和空位集聚的一种超微观裂纹。提出在凝固收缩拉应力作用下沿高温低塑性的多边化边界超微观裂纹处开裂的热裂纹形成理论。运用上述理论指导加入微量B、Mo等合金元素减少和阻碍位错的集聚也解决了多边化边界裂纹问题。

凝固结晶出现的宏观偏析，不仅降低焊缝各种性能也常常伴随热裂纹的产生。T．W．Miller观察到在熔池固液界面前沿富集溶质层。S．Kou、Y．H Wang和A．T．Dannessa认为宏观偏析是由对流引起固液界面前沿溶质原子不均匀分布。Yoji Matsumoto实测证实，宏观偏析还取决于溶质原子分配系数K0的大小。宏观偏析沿柱状晶界偏聚在焊缝金属中心汇合区。细化凝固组织是防止宏观偏析的有效措施。

在焊接凝固结晶过程中还常常产生气孔、夹杂凝固缺陷，不仅降低了焊缝金属强度和塑性，还往往成为泄漏和疲劳裂纹源。M．N．Gapchenko系统地研究了凝固结晶过程中气体溶解度变化规律和气泡形核、长大、上浮过程。提出当焊接凝固结晶速度快时，气泡来不及上浮从熔池表面逸出而生成气孔的理论。夹杂的形成过程与气孔形成相类似。推荐采用降低母材和填充材料中气体含量，清除焊件表面油污、水锈、预热、慢速焊接等措施解决了焊接气孔问题。正如A．A．Alov所说的，没有焊接就没有原子能工业和火箭工业。

50年代中期人们就发现采取防止凝固裂纹和气孔的措施往往是相互矛盾的，有时也不是有效的。为从根本上控制焊接凝固组织消除凝固缺陷，于50年代末60年代初W．F．Savage和E．F．Nippes引用铸造平衡凝固组成过冷概念采用W．A．Tiller和J．W．Rutter提出的凝固组织形成参量G_L／R^1／2(G_L为组成过冷区内温度梯渡，R为平均凝固结晶速度)为横座标，C₀平均溶质浓度为纵座标，在二维热传导条件下得出的试验结果。当C₀平均溶质浓度不变时，随着G_L／R^1／2的降低，组成过冷区增大，依次形成平面晶、胞状晶、胞状树枝晶、树枝晶、等轴晶。当C₀平均溶质浓度不变时，随着G_L／R^1／2的降低，在胞状晶区内胞状晶的尺寸线性减小。通过合理选择焊接工艺参数可达到改善凝固组织的目的。实际上在通常熔焊条件下，焊缝金属凝固组织多为柱状晶，只是柱状晶内的亚结构不同，很难获得细小的等轴晶。松田福久、仙田富男和J．G．Garland等系统的研究了凝固组织对焊缝金属机械性能的影响。结果表明，即使消除了焊缝金属中的裂纹、气孔和夹杂，由于粗大柱状晶引起的宏观偏析，造成强度和塑性显著降低，尤其是疲劳强度只达母材的60%～70%。到80年代初期焊接凝固结晶还限于平衡热力学的研究阶段。

A．A．Erohen给出碳钢焊接溶池过热温度达243℃，铝TIG焊接溶池过热温度高达415～550℃，凝固冷却速度是铸造的1000倍，显然焊接非平衡凝固与铸造平衡凝固有较大的区别。由于焊接熔池体积小，周期性产生，停留时间短无法测定传质基本参数。过去只好沿用铸造平衡凝固理论，或者加以修正。Salahaddin Anik等认为焊接熔池凝固，是在较大组成过冷区内在过冷的熔化金属中均质形核。W．F．Savage和C．D．Lundin认为焊接溶池凝固为相起伏非均质形核。以半熔化晶粒为基底，组成过冷度只需1C便可形核，然后沿＜100＞面竟相向焊缝中心外延生长。彭日辉发现镍基合金树枝晶主干前端层状推进前缘出现对称异号螺旋位错。提出了“对称性异号螺旋位错型层状结晶生长假说”。张文钺、陈伯蠡认为焊接凝固为非均质形核，半熔化区现成表面便是形核的基底。B．E．Mahnenko、松田福久认为焊接非平衡凝固与铸造平衡凝固不同。用数学计算出溶质扩散的特征距离X_c为0．8～20μm。陈晓风、肖又红、李忠库创建了瞬时定态法，首次测出Al-Si-Mg合金焊接池固液界面前沿Si溶质浓度分布呈指数衰减(K₀＜1时)曲线，晶体萌生到停止生长对应的溶质扩散特征距离X_c=3．5～50μm，揭示出晶体萌生到停止生长所对应的固液界面上组成过冷度为36℃到0C，液相中的最高组成过冷度从80C到6℃，最高达100℃(为熔点的0．18)并未发生均质形核。提出界面组成过冷度是形核的必要条件是晶体变速生长的动力，液相中组成过冷度是枝晶变速生长的动力概念。为达到控制焊接凝固结晶的目的，H．G．Garland等基于铸造破碎晶枝、游离、形核细化晶粒理论，摆动电孤焊接3．2mmAl-Mg合金晶粒细化效果良好，当板厚增加到6．3mm时无细化效果。焊接Al-Cu合金没有获得等轴晶。松田福久等加交变磁场用TIG焊接铝合金时发现7N01焊缝金属晶粒显著细化。5052、5083次之，而2017、2024、1100及1050完全不微细化，A．A．Alov和G．V．Bobrov用埋孤焊接铝加入Zr、Ti变质剂晶粒细化效果显著。J．G．Garland用埋孤焊接碳钢加入TiC和TiC-FeTi混合物作为难熔质点获得了等轴晶，Ti的临界含量为0．18%。由于Ti含量的增加，Ti₂S夹杂物数量在晶界上增加，显著降低了焊缝金属的冲击韧性。A．A．Alov等将超声波引入焊接熔池改善了凝固组织，但是超声波换能器长期使用输出频率和振幅不稳定。陈晓风、李忠库、肖又红创建了快速固液分离技术直观电子束摆动熔切晶体表面形貌，测出界面溶质浓度，经几何解析、溶质上坡重叠扩散及下坡重叠扩散试验结果，证明电子束摆动焊接熔池不产生回转运动，提出电子束摆动焊接周期熔切晶体细化晶粒理论。熔切晶体表面即是现成表面，是形核的充要条件，界面组成过冷度是形核的必要条件。表面能和界面组成过冷能总合超过形核临界能时便可形核，同时又以错配度相制约。用此细化晶粒理论，可控制细化Al-Si-Мg系合金焊缝金属的晶体尺寸的同时消除了结晶裂纹、气孔、偏析全部凝固缺陷。开辟了焊接凝固结晶动力学研究的新生面。

90年代应从平衡凝固热力学定性描述焊接阶段进入焊接非平衡凝固动力学研究时代。研究焊接熔池传质传热过程规律，研究传热、传质与晶体生长的动力学过程。研究建立现成表面新方法。建立二元焊接非平衡凝固相图角。研究焊接凝固形核和长大的动力学机制。研究控制焊接凝固组织和凝固缺陷。研究凝固组织对断裂韧性和疲劳强度的影响，提高焊缝金属承载能力和安全性，减轻结构体重量，降低能耗以及控制宇宙空间焊缝金属质量具有现实意义。

【参考文献】：

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7 张文钺．金属熔焊原理．北京：机械工业出版社，1983．1～186

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(中国科学院金属研究所博士生导师陈晓凤研究员撰)

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