焊缝金属的一次结晶组织探究

钢熔焊时，液态金属熔池从高温向室温的冷却过程中，一般要经过两次组织转变。第一次是液态转变成固态的形核、结晶和长大过程，即焊缝金属晶粒结构的形成过程，称为焊缝金属的一次结晶。一次结晶得到的组织，称为焊缝金属的一次结晶组织。在大多数情况下，一次结晶组织为柱状奥氏体，在一定条件下焊缝也会产生等轴奥氏体。焊缝金属一次结晶后，随着焊缝温度的不断降低，大部分材料的固态焊缝金属还要经过一系列的相变过程，这种固态相变过程就称为焊缝金属的二次结晶。

（一）一次结晶的特点

1）熔池的体积小，冷却速度快，对于含碳量高、含合金元素较多的钢种，容易产生硬化组织和结晶裂纹。

2）熔池中的液态金属处于过热状态，因此合金元素的烧损比较严重，使熔池中作为晶核的质点大为减少，促使焊缝得到柱状晶。

3）熔池在运动状态下结晶，即熔池的前半部处在熔化过程，其后半部处在结晶过程。此外，熔池在结晶过程中，由于熔池内部的气体外逸、焊条的摆动、气体的吹力对熔池产生搅拌作用，这一点有利于气体、夹杂物的排除，有利于得到致密而性能良好的焊缝。

4）结晶以母材或前道焊缝局部熔化部位上的晶粒为基晶进行结晶。

（二）一次结晶的过程

熔池的一次结晶包括产生晶核和晶核长大两个过程。随着电弧移去，熔池液体金属逐渐降低到凝固温度时，形成最原始的微小晶体——晶核。在熔池中，最先出现晶核的部位在熔合线上，如图3-9所示的焊缝轮廓线上。因为熔合线处散热快，是熔池中温度最低的地方，也是最先达到凝固温度的部位。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一方长大，由于熔池的散热方向垂直于熔合线的方向指向金属内部，所以晶体只能向熔池中心生长，从而形成柱状晶。当柱状晶体不断长大至互相接触时，焊缝这一断面的结晶过程结束。

图3-9 熔池的结晶过程

在某些情况下，一次结晶过程不仅在熔合线上，半熔化状态的基本晶粒表面形成晶核，有时在液态金属内部也会生成晶核，产生等轴晶粒，等轴晶粒的产生是由于液态金属温度梯度很小，液态金属中形成浓度过冷，达到凝固温度，在周围晶粒没有长到该区域前就形成晶核，并向四个方向长大，形成等轴晶。

（三）一次结晶过程中的偏析

由于冷却速度快，已凝固的焊缝金属中的化学成分来不及扩散，因此化学成分分布是不均匀的，这种现象称为偏析。焊缝中的偏析有显微偏析、区域偏析和层状偏析三种。

1.显微偏析 在一个晶粒内部和晶粒之间的化学成分是不均匀的，这种现象称为显微偏析。影响显微偏析的主要因素是金属的化学成分。因为金属的化学成分决定金属结晶区间的大小，结晶区间越大，越容易产生显微偏析，严重的偏析会引起热裂纹等缺陷。

2.区域偏析 熔池结晶时，由于柱状晶体的不断长大和推移，会把杂质“赶”向熔池中心，使熔池中心的杂质比其他部位多，这种现象称为区域偏析。

焊缝熔池形状对区域偏析分布有很大的影响，窄而深的焊缝，杂质聚集在焊缝中心，极易形成热裂纹；宽而浅的焊缝，杂质便聚集在焊缝上部，具有较高的抗热裂能力，如图3-10所示。(www.xing528.com)

焊缝成形系数是描述焊缝熔池形状的最常用术语。焊缝成形系数又称焊缝形状系数，是指熔焊时，在单道焊缝横截面上焊缝宽度（B）与焊缝计算厚度（H）的比值（ϕ=B/H），如图3-11所示。

图3-10 焊缝的熔池形状对区域偏析的影响

图3-11 焊缝成形系数示意图

熔融金属从温度较低的区域开始凝固，不断向焊缝中心推动。熔融焊缝金属一直处于凝固的焊缝金属之上。由于凝固过程是垂直于固液线进行，焊缝成形系数越大，熔池中的低熔点组成物、偏析的杂质物越容易浮在熔池上部。焊缝成形系数小，将导致杂质物、低熔点组成物沿着焊缝中心线沉淀，造成界面结合力减弱，增加产生裂纹倾向。这种裂纹在凝固后立即产生或在凝固过程中的高温段产生。

焊缝成形系数是被用来估测焊缝抗中心裂纹倾向的经验数字。但是焊缝中心裂纹倾向大小不仅由焊缝成形系数决定，而且填充金属材料、母材的化学成分（特别是碳当量）和接头拘束度也对中心裂纹倾向产生影响。可以用焊接参数来控制焊缝熔池形状，即焊缝成形系数的大小。一般说来，增加电弧电压会使焊缝成形系数增大，增加焊接电流会使焊缝成形系数减小。

另外，焊接材料的合金成分或杂质越多，则区域偏析越严重，熔池的冷却速度越慢，各种元素和杂质越易集中，区域偏析也越严重。焊接速度越高时，柱状晶的成长方向越垂直于焊缝的中心，易形成脆弱的焊缝断合面，偏析会聚集在焊缝中心线附近，此处易产生焊缝的纵向裂纹。当焊接速度越慢时，偏析情况有所减轻。

3.层状偏析 焊缝断面上不同分层的化学成分分布不均匀的现象称为层状偏析。层状偏析是由于熔池在凝固过程中，晶粒成长速度发生周期变化，从而形成周期性的偏析。

图3-12 层状偏析中的缺陷

层状偏析中常集中了一些有害元素，因而缺陷也往往出现在偏析中。图3-12所示为由层状偏析造成的气孔。层状偏析同样使焊缝的力学性能不均匀。

（四）夹杂

1.氧化物夹杂 主要是SiO₂、MnO、TiO₂、Al₂O₃等。这些夹杂物的危害较大，是在焊缝中引起夹渣的原因之一。

2.硫化物夹杂 主要是MnS和FeS，其中的FeS形式存在的夹杂，对钢的性能影响最大，它是促使形成热裂纹的主要因素之一。