熔池结晶的形态探究

对焊缝的断面进行金相分析发现，焊缝中的晶体形态主要是柱状晶和少量等轴晶。在显微镜下进行微观分析时，可以发现在每个柱状晶内有不同的结晶形态，如平面晶、胞晶及树枝状晶等。结晶形态的不同，是由于金属纯度及散热条件不同所引起的。

熔池结晶过程中晶体的形核和长大都必须具有一定的过冷度。由于在纯金属凝固结晶过程中不存在化学成分的变化，因此，纯金属的凝固点理论上为恒定的温度。液相中的过冷度取决于实际结晶温度低于凝固点的数值。冷却速度越大，实际结晶温度越低，过冷度就越大。

工业上用的金属大多是合金，即使是纯金属，也未达到理论上的纯度。合金的结晶温度与成分有关，先结晶与后结晶的固、液相成分也不相同，造成固-液界面一定区域的成分变化。因此，合金凝固时，除了由于实际温度造成的过冷之外（温度过冷），还存在由于固-液界面处成分变化而造成的成分过冷。所以合金结晶时不必需要很大的过冷就可出现树枝状晶，而且随着不同的过冷度，晶体成长出现不同的结晶形态。

根据成分过冷理论的分析，由于过冷度的不同，会使焊缝组织出现不同的形态。试验表明，结晶形态大致可分为平面晶、胞状晶、胞状树枝晶、树枝状晶及等轴晶五种。不同的结晶形态具有内在的因素。大量的试验表明，结晶形态主要决定于合金中溶质的浓度C₀、结晶速度R（或晶粒长大速度）和液相中温度梯度G的综合作用。它们对结晶形态的影响如图5-11所示。

当结晶速度R和温度梯度G不变时，随合金中溶质浓度的提高，成分过冷增加，从而使结晶形态由平面晶变为胞状晶、胞状树枝晶、树枝状晶，最后得到等轴晶。

当合金中溶质的浓度C₀一定时，结晶速度R越快，成分过冷的程度越大，结晶形态也可由平面晶过渡到胞状晶、树枝状晶，最后得到等轴晶。

图5-11 C₀、R和G对结晶形态的影响

当合金中溶质浓度C₀和结晶速度R一定时，随液相温度梯度的提高，成分过冷的程度减小，因而结晶形态的演变方向恰好相反，由等轴晶、树枝晶逐步演变到平面晶。

上述关于不同结晶条件对晶体成长形态影响的一般规律，对于分析焊缝金属的凝固结晶组织、提高焊缝金属的性能和防止缺欠等有重要的指导意义。

1.实际焊缝的结晶形态

焊接熔池中成分过冷的情况在焊缝的不同部位是不同的，因此会出现不同的焊缝结晶形态。在熔池的熔化边界，由于温度梯度G较大，结晶速度R又较小，成分过冷接近于零，所以平面晶得到发展。随着远离熔化边界向焊缝中心过渡时，温度梯度G逐渐变小，而结晶速度逐渐增大，所以结晶形态将由平面晶向胞状晶、胞状树枝晶，一直到等轴晶的方向发展。图5-12表示了结晶形态的变化过程。在对焊缝凝固组织的金相观察中，证实了上述结晶形态变化的趋势。(www.xing528.com)

实际焊缝中，由于母材的化学成分、厚度及接头形式不同，不一定具有上述全部结晶形态。如图5-13a所示，纯度为99.99％（质量分数）的铝焊缝中，在熔合线附近为平面晶；到焊缝中心为胞状晶；而纯度为99.6％（质量分数）的铝焊缝出现胞状树枝晶，如图5-13b所示，焊缝中心可出现等轴晶，如图5-13c所示。

图5-12 焊缝结晶形态的变化

1—平面晶 2—胞状晶 3—树枝柱状晶 4—等轴晶

图5-13 纯铝薄板（1mm）TIG点焊焊缝凝固结晶组织形态

a）平面晶—胞状晶 b）胞状树枝晶 c）等轴晶

2.焊接参数对熔池结晶形态的影响

（1）焊接电流的影响 当焊接速度一定时，焊接电流对焊缝结晶组织的影响如图5-14所示。焊接电流较小时，焊缝得到胞状组织（见图5-14a）；增加电流时，得到胞状树枝晶（见图5-14b）；电流继续增大，出现更为粗大的胞状树枝晶（见图5-14c）。

（2）焊接速度的影响 当焊接速度增大时，熔池中心的温度梯度下降很多。快速焊接时，在焊缝中心往往出现大量的等轴晶（见图5-15c）；而低速焊接时，在熔合线附近出现胞状树枝晶，在焊缝中心出现较细的胞状树枝晶（见图5-15a、b）。