焊缝金属的化学不均匀性和夹杂

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K e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M n为例：

位置M n%

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

G T T T T S L Y T S

L A --==∆∆

其中，A----------熔合区的宽度（mm ）

Y T

∆∆---------温度梯度(℃/mm)

T L ----------被焊金属的液相线(℃)

T S ----------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℃ mm A 50.0~13.080~30040==

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Y<0 ()()()[]2121000021`01),(T D Y K C K C L L D S D C t y Cs Φ+-

=+- 当Y>0 ()()()[]212100

0021`01`),(T D Y K C C K L L L D S D C t y C Φ--=++-

),(t Y Cs -----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。

),

C

Y

(t

L

C0、C0`溶质在固液相中的浓度；

D S、D L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。

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”。