焊接接头的熔池金属在经历了一系列的化学冶金反应后,随着热源的离去,温度迅速下降,凝固后成为牢固的焊缝。焊缝金属从高温的液体状态到常温的固体状态,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,包括晶粒的生成和长大两个基本过程。第二次是在固相中出现同素异构转变的结晶过程,其间经历了一系列的相变过程。

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的现象就是偏析。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。

显微偏析

显微偏析就是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。在柱状晶粒生长过程中,一是晶粒轴向延长,二是径向扩展。焊缝结晶时,最先结晶的结晶中心的金属最纯,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。这种一个柱状晶粒内部化学成分分布不均的现象称作晶内偏析。

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。这种经历之间化学成分分布不均的现象称作精简偏析。

对于低碳钢一般来说，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，常会引起热裂纹等缺象。因此，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。

区域偏析

区域偏析就是焊缝熔池结晶时，由于柱状晶体的不断长大推移，把杂质推向熔池中心而使熔池中心的杂质含量比其它部位高的现象。焊缝成型系数不同，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，使摘焊缝的中心聚集较多杂质，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，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。比如，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能力强得多。

层状偏析

层状偏析就是随着晶粒长大速度的变化，引起结晶前沿液体金属中夹杂浓度的变化而形成周期性的偏析现象。由于焊接熔池始终是处于气流和熔滴金属的脉动作用下，因此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，使晶粒长大速度显现周期性增加和减少。这种层状偏析常集中了一些有害元素，因而缺欠也常出现在偏析层中，进而造成气孔的产生。