D707碳化铬耐磨药芯焊丝的焊接熔池虽小,但它的结晶规律与铸钢锭一样,凝固过程服从于金属结晶的基本规律。宏观上,D707碳化铬耐磨药芯焊丝金属结晶的实际温度总是低于理论结晶温度,即液体金属具有一定的过冷度是凝固的必要条件。微观上,金属的凝固过程由晶核不断形成和长大这两个基本过程共同构成。然而,由于D707碳化铬耐磨药芯焊丝焊接熔池的凝固条件不同,这个凝固过程还受到焊接热循环特殊条件的制约,与一般钢锭的结晶相比有如下的特点。
一、熔池体积小、冷却速度大
在电弧焊的条件下,D707碳化铬耐磨药芯焊丝熔池的体积较大也只有30cm3,质量不超过100g(单丝埋弧焊),而钢锭可达几吨至几十吨重。由于熔池的体积小,其周围被体积很大的母材金属所包围,熔池界面导热条件很好,故熔池冷却速度很快,其平均值可达到100℃∕s,约为铸造时的104倍。因此,对于含碳高、合金元素较多的钢种,焊接时容易产生淬硬组织,甚至焊道上产生裂纹。由于冷却很快,熔池中心和边缘有较大的温度梯度,致使焊缝中柱状晶得到很大发张。
二、熔池过热、温度梯度大
焊接熔池中的液态金属处于过热状态,温度极不均匀,热源中心呈过热状态,一般钢可达2300℃。如低碳钢的焊接熔池平均温度可达到1870℃,远高于铸造时的较高平均温度1550℃,因此,D707碳化铬耐磨药芯焊丝熔池中的液态金属处于过热状态。同时,因为熔池体积小且温度高,使得熔池边界的温度梯度很大,可比铸造时大104倍。
由于液体金属的过热程度较大,合金元素的烧损比较严重,使D707碳化铬耐磨药芯焊丝熔池中非自发晶核的质点大为减少,这也是促使焊缝中柱状晶得到发展的原因之一。
三、熔池在动态下结晶
熔池随焊接热源而移动,对凝固过程带来两方面的影响。一是,D707碳化铬耐磨药芯焊丝的熔池各部位在液态停留的时间非常短,而且,焊接熔池中金属的结晶和熔化是同时进行的。熔池前半部分进行加热与熔化,而后半部分则是冷却与凝固;二是随热源的运动及焊条的连续给进,熔池中不断有新的液体金属补充并进行搅拌。因此,熔池金属的凝固过程总是在新基础上开始,固液相界面以比铸锭高出10-100倍的速度向前推进,同时在运动中不断排出气体。焊条摆动与电弧吹力所产生的强烈搅拌作用,进一步促进气体和杂质的浮出,因而焊缝的凝固组织要比一般铸锭致密性好。
四、焊接熔池凝固以熔化母材为基础
在熔化D707碳化铬耐磨药芯焊丝基础上的凝固过程与熔池的形状、尺寸密切相关,并直接取决于焊接工艺。此外,耐磨焊丝形成的“壁模”与熔池之间不存在空气隙,因而具有较好的导热条件与形核条件。