堆焊层的冶金结合优化方法

1.堆焊结合的实质

堆焊是堆焊材料与母材受焊接热源加热形成熔池，热源移开后，熔池冷却结晶形成堆焊层的工艺过程。因此，堆焊层形成过程的实质是异种金属的液相冶金结合过程，即液相条件下促使构成金属键而形成堆焊金属与基体金属的可靠连接。

两种金属在液相状态下虽然比固相状态下容易形成金属键结合，但能否真正实现冶金结合决定于两者间的冶金相容性。液固互不相容的两种金属或合金不可能实现熔化冶金结合，液态和固态均具有良好互溶性的异种金属可实现冶金结合，晶格类型相近、晶格常数和原子半径相近的异种金属也可实现冶金结合。此外，堆焊层与母材形成良好冶金结合时还应当避免在堆焊界面上产生脆性的金属间化合物，以免因堆焊界面脆化而影响结合强度。

2.熔池的结晶过程

堆焊时熔池金属的结晶完全遵循一般金属的结晶规律，即先形成晶核，然后沿一定位向成长。从金属结晶理论可知，结晶必须在过冷的条件下进行，过冷度越大，自由能降低越多，越有利于结晶过程的进行。

堆焊时，由熔融的堆焊材料和表层熔化的基体金属相混合而形成“熔池”，凝固后即成为堆焊层。在堆焊条件下，熔池中存在两种现成的表面，一种是合金元素或杂质的悬浮质点，在一般情况下起的作用不大；另一种是熔合区附近加热到熔化温度但还没有熔化的基体金属的晶粒表面。晶核就依附在这些表面上并以这些新生的晶核为核心按照柱状晶的形态，顺着基体金属的晶粒向熔池中心不断长大，形成“交互结晶”或“联生结晶”。

晶核成长的实质就是液相中的金属向固相转移的过程，同时要消耗能量。由于现成表面对形成新晶核所需能量少，熔合区附近母材晶粒作为现成表面向熔池中心成长起了主要作用。即熔池金属开始结晶时总是从靠近熔合区处的基体上晶粒外延长大起来的。但各晶粒长大的趋势各不相同，有的柱状晶严重长大，一直可以向内部发展；而有的却只长到半途就被抑制停止长大。这主要是由于不同的晶粒具有不同的位向，当晶粒位向与晶粒优先成长方向（100）一致时，有利于晶粒的生长。随着结晶过程结束，就完成了堆焊冶金结合过程。(www.xing528.com)

熔池冷却凝固后，在堆焊层与母材之间的分界面，无论是化学成分或组织特征，都存在着一个过渡的熔合区，它是由半熔化区和不完全熔合区构成的，如图14-24所示。

在熔焊条件下，熔池的结晶中心是未被熔化的基体金属的晶粒，结晶新相的原子就附着在结晶中心的上面。焊缝完全冷却以后，熔合区一部分由基体金属组成，另一部分由焊缝金属组成。

图14-24 堆焊熔合区构成示意图

1—堆焊层 2—不完全熔合区 3—半熔化区 4—热影响区 5—熔合区