焊缝金属的化学不均匀性和夹杂 （一） 焊缝中的化学不均匀性 化学不均匀性：结晶过程中化学成分的一种偏析现象 1．显微偏析：→枝晶偏析 指晶粒边界或一个晶粒内部亚晶界或树枝状晶的晶枝之间 的偏析 如图 3-34 树枝中心，m表示树枝区域I 偏析严重 A、M 表示树枝晶的间界其中 Ke最易偏析元素； 先结晶M 处 Ni 低，A 与 M点，Ni高 1）产生原因： 选择性结晶，焊接时，冷却速度大，液固界面溶质来 不及扩散，结晶有先后之分，纯金属先结晶，杂质后 结晶 胞状晶，晶粒内部浓度低，晶界处溶质浓度高 树枝晶，主干处溶质浓度低，树枝区域浓度较高，晶 界处浓度最高 结晶形态 不同结晶形态，偏析不同 以 Mn为例： 位置 Mn% 树枝晶界 0.59 （树枝晶界偏析最严重） 胞状晶界 0.57 胞状晶中心 0.47 （希望晶粒越细化越好） 2）影响因素 冷却速度 v 冷小，可以有充分时间溶质进行扩散，显微偏析减少；v 过大，溶质来不及扩散整个液体金属瞬时凝固，偏析程度 小 原始浓度 C0 溶质浓度C0 ↑，偏析加剧枝晶偏析的结果，晶间含较多低 熔点杂质，易于形成凝固裂纹。
元素性质（分配系数或扩散系数） 若元素扩散系数小，偏析严重 2、宏观偏析（区域偏析） 指焊缝边缘到焊缝中心，宏观上的成分不均匀性，焊 缝金属以柱状晶长大，把杂质推向熔池中心，中心杂质浓 度逐渐升高，使最后凝固的部位发生较严重的偏析，当焊 速较大时，成长中的柱状晶最后都会在焊缝中心相遇，使 溶质和杂质聚集在那里，容易产生焊缝纵向裂纹 2、 层状偏析 由于化学成分分布不均匀引起分层现象焊缝横断面经浸蚀 之后，可以看到颜色深浅不同的分层结构形态称为结晶层 1）特征 晶粒主轴与层状线垂直 越先靠近熔合线处越清析，远离熔合线不清晰，线距越 宽 层状线不是连续的，是间断的链状偏析带 2）产生原因： 焊缝金属的凝固并不是连续均匀的过程，而是一个断 续的过程，一种观点：层状偏析是由于晶体成长速度R 发 生周期变化引起R↑，结晶前沿的溶质浓度增大，晶粒含有 一层溶质较多的带状偏析层R↓结晶前沿的溶质浓度减少 晶粒成长线速度发生周期变化原因看法有很多不同主要是 晶体长大速度R 与晶体前沿溶质浓度变化的关系 电源脉动使输入能量脉动，溶滴过渡带来的附加热脉冲 作用； 机械力作用； 焊条喷出气体周期搅动结果，液态金属在电弧吹力作用下， 流到已凝固的金属表面，使其熔化，结晶停顿。
结晶潜热周期变化； 结晶过程放潜热，使结晶前沿温度升高，成长速度降低， 析热减少，熔池温度下降，晶粒成长速度又提高，发生了 同期性变化 另一种观点：成长中的晶体前沿与溶液在固一液共存时产 生的扩散过程所造成 元素在液相中的溶解度＞在固相中溶解度，固液共存介面， 溶质原子由固相表面向液向扩散，如果焊缝的树枝状晶成 长过程中固液介面能够发生相互作用，必要条件是凝固过 程必须发生一定停顿这时已凝固的表面发生深化，有利于 溶质原子向液向中扩散溶解，则在界面附近形成溶质原子 富集薄层 还有一种观点：快速结晶时析出的结晶潜热及熔滴过渡的 附加脉冲作用，是促使凝固速度中发生变化及结晶过R 发 生停顿的主要原因 当晶体前沿的温度梯度较大时，结晶潜热或其它附加热作 用易使晶体前沿温度急剧升高，促使减少凝固，使凝固停 顿 手工焊小熔池，G 大，层状线清晰 手工焊大熔池，G 小，层状线不清晰，中在熔合线处有层 状偏析 （二）熔合区的化学不均匀性 1．熔合区的形成 热传播不均匀 尽管焊接规范稳定，但由于溶滴周期过渡造成热传播不稳 定 晶粒的传热方向不同 由于以上的原因可知，熔合区不可能是一个线，而是一个 区域，具有一定宽度。
2．熔合区的宽度 其中，A----------熔合区的宽度（mm） ---------温度梯度(℃/mm) TL----------被焊金属的液相线(℃) TS----------被焊金属的固相线(℃) 由此可知，熔合区的大小，决定于液固温度范围该温度 区间的温度梯度）材料本身的热物理性质和组织状态 碳钢，低合金钢，熔合区附近的温度梯度为300~80℃（依 焊接方法不同，温度梯度不同）液固温差范围40℃ G TTTT SL Y T SL A Y T mmA50. 0~13. 0 80~300 40 3．熔合区的成分分布 1） 化学不均匀性对于一般钢铁材料而言，合金元素在液 相中的溶解度大于固相中的溶解度 熔合区是液固两本 共存的地方 溶质原子由固相向液相界面扩散，使固液 界面有合金元素再分配 在界面处，溶质浓度波动很大见图3-39 从理论可以利用下列公式计算距界面不同距离，经不同时 间溶质的浓度 当 Y0 -----距界面为y，接触时间为 t时，溶质在固相中的浓度 -----距界面为y，接触时间为 t，溶质在液相中的浓度 C0、C0`溶质在固液相中的浓度； DS、DL该溶质在固液共存时，在固液相中扩散系数； Ｋ０＝ＣＳ／ＣＬ溶质在固液相中的分配系数； Φ(A)期积分函数。
该元素在固液相中的扩散系数和分配系数决定一其浓度 2）物理不均匀性 近缝区，半熔化区在不平衡加热时，出现空位和位错，残 余应力 ),(tYCs ),(tYCL 因此熔合区组织，性能不均的，成为焊接接头薄弱环节 （1）凝固过渡层的形成 由于凝固过程中母材与焊条熔化金属未能很好混合而形成 不完全混合区，这是一种表面化学不均匀性的过渡层，由 于与凝固过程有关，可称为“凝固过渡层”。