焊缝金属的一次结晶

熔池金属在经历了一系列的化学冶金反应之后，随着热源的离去，温度迅速下降，凝固后成为牢固的焊缝。从高温液体状态到常温固体状态，焊缝金属经历了两次结晶过程。第一次是从液相转变为固相的结晶过程；第二次是在固相中出现同素异构转变的结晶过程。

基础知识

焊缝金属由液态转变为固态的凝固过程称为焊缝金属的一次结晶。一次结晶包括晶核生成和晶核长大两个基本过程。

熔化焊时，随着电弧的移去，熔池液态金属温度逐渐降低，原子间的活动能力逐渐减弱，吸引力逐渐增强。当达到凝固温度时，原子便重新有规则地排列起来，形成微小晶体，称为“晶核”。由已形成的晶核吸附周围液体中的原子的过程，称为“长大”。这样不断产生新的晶核，并且不断长大，直至液态金属完全消失为止。

在熔池中，最先出现晶核的部位是在熔合线上。此处散热快、温度最低，半熔化晶粒形成附近液态金属结晶的晶核，如图5-7 (a)所示。由于晶体是向着与散热方向相反的方向长大，如图5-7 (b)所示，同时也向两侧长大，因此受到相邻长大的晶体的阻碍，使晶粒生长方向指向熔池中心，形成柱状结晶，如图5-7 (c)所示。当柱状晶粒不断长大至互相接触时，焊缝的结晶过程结束，如图5-7 (d)所示，焊缝结晶如图5-8所示。

图5-7  焊接熔池的结晶过程

焊缝金属在一次结晶时冷却速度很快，固相内的成分很难趋于一致，而且结晶又有先后，因此在相当大的程度上存在着化学成分不均匀性。这种焊缝金属中化学成分分布不均匀的现象称为偏析。偏析会导致焊缝性能改变，同时也是产生裂纹、气孔、夹杂物等焊接缺陷的主要原因之一。

焊缝中的偏析主要有显微偏析、区域偏析和层状偏析。

图5-8  焊缝结晶示意图

任务实施

一、认识显微偏析

在一个柱状晶粒内部和晶粒之间的化学成分分布不均匀的现象，称为显微偏析。

柱状晶粒生长过程中，一方面是在结晶的轴向延长，另一方面是径向扩展，如图5-9所示。

图5-9  柱状晶粒生长过程

焊缝结晶时，最先结晶的结晶中心（即结晶轴）的金属最纯，而后结晶的部分含合金元素和杂质略高，最后结晶的部分，即晶粒的外缘和前端含合金元素和杂质最高。这样一个柱状晶粒内部化学成分分布不均匀的现象叫晶内偏析。

焊缝结晶过程是无数个柱状晶粒同时生长的过程，每个晶粒都有自己的结晶轴，很多相邻的晶粒都以自己的晶轴为中心向四周和前方发展，所以相邻晶粒之间的液体结晶最迟，含有较多的合金元素和杂质，这种晶粒之间化学成分分布不均匀的现象称为晶间偏析。

一般对于低碳钢来说，因其结晶开始和终了的温度区间不大，所以显微偏析并不那么严重。而在高碳钢、合金钢中含合金元素较多，结晶区间大，显微偏析现象就很严重，常常会因此而引起热裂纹等缺陷。所以，高碳钢、合金钢等焊件焊后必须进行扩散及细化晶粒的热处理，以此来消除显微偏析。

二、认识区域偏析

熔池结晶时，由于柱状晶体的不断长大和推移，把杂质推向熔池中心，这样熔池中心的杂质含量要比其他部位高，这种现象称为区域偏析。

焊缝成形系数不同，其偏析的地方也不一样。焊缝成形系数小，焊缝窄而深，各柱状晶粒的交界在中心，使窄焊缝的中心聚集较多的杂质，如图5-10 (a)所示，这时极易形成热裂纹；焊缝成形系数大，焊缝宽而浅，杂质聚集在焊缝上部，如图5-10 (b)所示，这种焊缝具有较强的抗热裂纹能力。因此，可以利用这一特点来降低焊缝产生热裂纹的可能性，如图5-11所示。如同样厚度的钢板，用多层多道焊要比一次熔焊的焊缝抗热裂纹的能力强得多。

图5-10  不同成形系数焊缝断面对偏析分布的影响

图5-11  焊缝热裂纹

三、层状偏析

焊接熔池始终是处于气流和熔滴金属的脉动作用下，所以，无论是金属的流动或热量的提供和传递都具有脉动性质。同时，熔池结晶过程中放出的结晶潜热，造成结晶过程周期性停顿，使晶体长大速度出现周期性增加和减少。晶体长大速度的变化，引起结晶前沿液体金属中夹杂浓度的变化，这样就形成周期性的偏析现象，称为层状偏析。层状偏析常集中了一些有害元素，因而缺欠也往往出现在偏析层中。图5-12所示是由层状偏析所造成的气孔。

图5-12  层状偏析气孔的分布