焊缝金属组织及性能分析

焊缝金属由高温的液体状态冷却至常温的固体状态，经历了两次结晶过程，即从液相转变为固相的一次结晶过程和在固相焊缝金属中出现组织转变的二次结晶过程。

焊缝金属的结晶过程对焊缝金属的组织、性能有较大影响。

1.焊缝金属的一次结晶

（1）焊缝金属的一次结晶过程 熔焊时，随着电弧的移去，熔池液态金属的温度逐渐降低，原子间的活动能力逐渐减小。降到凝固温度时，液态金属的原子中，有部分原子开始作有规律的排列，形成晶核。在熔池中，因熔合线处的温度最低，所以最先出现晶核的部位是在熔合线上（见图3-11a）。随着熔池温度的不断降低，晶核开始向着与散热方向相反的方向长大，同时也向两侧缓慢的增长（见图3-11b）。在晶体长大过程中，由于受到相邻长大晶体的阻碍，晶体只能向熔池中心生长，从而形成柱状晶（见图3-11c）。当柱状晶不断长大至互相接触时，焊缝一次结晶过程结束（见图3-11d）。

图3-11 焊缝熔池的结晶过程

a）开始结晶 b）晶粒长大 c）柱状结晶 d）结晶结束

（2）焊缝结晶过程中的偏析现象 焊缝一次结晶过程中，由于冷却速度快，焊缝金属的化学成分来不及扩散，因此合金元素的分布是不均匀的，这种现象称为偏析。偏析对焊缝金属的质量影响很大，它不仅由于化学成分不均匀而导致性能改变，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三种。

1）显微偏析。在一个晶粒内部或晶粒之间的化学成分的不均匀现象称为显微偏析。焊缝结晶时晶粒中心金属最纯，而后结晶部分含合金元素和杂质略高，最后结晶的部分即晶粒的外端和前缘含合金元素杂质最高。

影响显微偏析的主要因素是金属化学成分，因为金属化学成分决定金属结晶区间，结晶区间越大，越容易产生显微偏析。低碳钢因其结晶区间不大，所以显微偏析现象并不严重；高碳钢、合金钢由于合金元素含量较多，结晶区间增大，所以焊接时易产生较严重的显微偏析。因此，焊后一般需要进行均匀化退火及细化晶粒的热处理，以消除显微偏析的现象。(www.xing528.com)

2）区域偏析。熔池结晶时，由于柱状晶的不断长大和推移，会把杂质推向熔池中心，使熔池中心的杂质比其他部位多，这种现象叫区域偏析。

焊缝的断面形状对区域偏析的分布有很大影响。窄而深的焊缝，柱状晶的交界在焊缝中心，因此在焊缝中心有许多杂质聚集（见图3-12a），易产生热裂纹；宽而浅的焊缝，杂质聚集在焊缝的上部（见图3-12b），这种焊缝具有较高的抗热裂能力。

图3-12 焊缝断面形状及对偏析分布的影响

3）层状偏析。层状偏析是在焊缝横断面上出现的分层组织，不同分层的化学成分的分布是不均匀的，因此称为层状偏析。层状偏析会使焊缝的力学性能和耐蚀性不均匀。

2.焊缝金属的二次结晶

焊接熔池一次结晶后，已转为固态焊缝，高温焊缝金属冷却到室温时，要经过一系列的相变过程，这种相变过程称为二次结晶。

焊缝金属二次结晶的组织和性能与焊缝的化学成分、冷却速度及焊后热处理有关。

以低碳钢为例，平衡状态下的二次结晶组织是铁素体加上少量的珠光体，随着冷却速度增加，珠光体含量增多，铁素体减少，焊缝的硬度和强度均有所提高，而塑性和韧性也会下降。