冶金效果与冷却速率计算方法分析

熔池后部区域的冷却速率可以采用下式计算^[49]：

这里，我们用熔池总长度来代替原表达式中热源到熔池后部的长度，温度从环境温度上升到工件的熔化温度（液态）。冷却速率也可以用表14.3中的第2列和第3列相乘来计算，与利用上式的计算结果约差3倍左右（见括号中的数）。冷却速率可以用来估算凝固过程产生的树枝晶和胞状晶的尺寸^[50]：

λ=a（ε）-n （14.17）

对于310奥氏体不锈钢，一次枝晶的a和n分别为80和0.33，二次枝晶的a和n为25和0.28。同样冷却速率条件下，奥氏体不锈钢的枝晶和胞状晶的测量尺寸约在0.4～1.1μm之间^[51]。

两次用到的分数幂定律都与冷却速率有关，因此，以某一位置的最大冷却速度估算出来的微观组织特征尺寸比预期特征尺寸小一些。微连接过程的冷却速率极快，同冷速相对较慢的大尺寸结构件焊接相比，在进行不锈钢微连接时，其凝固组织会有所改变。凝固速率较高的微连接过程会导致单相凝固组织的形成，而一般大尺寸不锈钢工件焊接的冷却条件下只是形成δ铁素体（体心立方结构）和γ奥氏体（面心立方结构）的混合组织^[52]。可见，凝固速率较快时，奥氏体凝固组织里包含的物相成分会更多。但是，这种快速凝固过程也容易产生凝固（热）裂纹。因此，焊接时需要选择焊接性好的材料，保证材料中只含有极少的杂质元素，或可以通过调整材料成分来获得较好的铁素体凝固组织^[53]。

表14.3 不同焊接参数下线热源和点热源的计算结果（304SS不锈钢0.1mm厚）

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（续）

注：1.∗熔池后部，沿中心线计算1454℃与1354℃等温线之间的温度梯度。

2.∗∗熔池后部，焊接速度×Tmp/焊缝长度^[49]。

3.+熔池后部，焊接速度×dT/dx∗。

4.⊥0.08mm板厚。

5.PS：有限板厚点热源处理，未全熔透，1W功率作为线热源在任何焊接速度下都无法产生熔化。