焊接接头金相组织分析
一、实验目的
(一)观察与分析焊缝的各种典型结晶形态； (二)掌握低碳钢焊接接头各区域的组织变化。 二、实验装置及实验材料
(一)粗、细金相砂纸 1套 (二)平板玻璃 1块 (三)不同焊缝结晶形态的典型试片 若干 (四)低碳钢焊接接头试片 1块 (五)正置式金相显微镜 1台 (六)抛光机 1台 (七)工业电视(或幻灯机) 1台 (八)吹风机 1个 (九)4％硝酸酒精溶液、无水乙醇、脱脂棉 若干 (十)典型金相照片(或幻灯照片) 一套 三、实验原理
焊接过程中，焊接接头各部分经受了不同的热循环，因而所得组织各异。组织的不 同，导致机械性能的变化。对焊接接头进行金相组织分析，是对接头机械性能鉴定的不 可缺少的环节。
焊接接头的金相分析包括宏观和显微分析两个方面。
宏观分析的主要内容为：观察与分析焊缝成型、焊缝金属结晶方向和宏观缺陷等。 显微分析是借助于放大100倍以上的光学金相显微镜或电子显微镜进行观察，分析 焊缝的结晶形态，焊接热影响区金属的组织变化，焊接接头的微观缺陷等。 焊接接头由焊缝金属和焊接热影响区金属组成。焊缝金属的结晶形态与焊接热影响 区的组织变化，不仅与焊接热循环有关，也和所用的焊接材料和被焊材料有密切关系。 (一)焊缝凝固时的结晶形态 1．焊缝的交互结晶
熔化焊是通过加热使被焊金属的联接处达到熔化状态，焊缝金属凝固后实现金属的 焊接。联接处的母材和焊缝金属具有交互结晶的特征，图４—１为母材和焊缝金属交互结晶的示意图。由图可见，焊缝金属与联接处母材具有共同的晶粒，即熔池金属的结晶是从熔合区母材的半熔化晶粒上开始向焊缝中心成长的。这种结晶形式称为交互结晶或联生结晶。当晶体最易
长大方向与散热最快方向一致时，晶体便图４－１ 焊缝金属的交互结晶示意图 优先得到成长，有的晶体由于取向不利于
成长，晶粒的成长会被遏止。这就是所谓选择长大，并形成焊缝中的柱状晶。
2．焊缝的结晶形态
根据浓度过冷的结晶理论，合金的结晶形态与溶质的浓度C0、结晶速度(或晶粒长大速度)及和温度梯度G有关。图4—2为C0、R和G对结晶形态的影响。
由图可见，当结晶速度及和温度梯度G不变时，随着金属中溶质浓度的提高，浓 度过冷增加，从而使金属的结晶形态由平面晶变为胞状晶，胞状树枝晶，树枝状晶及等
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轴晶。
当合金成分一定时，结晶速度越快，浓度过冷越大，结晶形态由平面晶发展到胞状 晶、树枝状晶，最后为等轴晶。
当合金成分C0和结晶速度R一定时，随着温度梯度G的升高，浓度过冷将减小因 而结晶形态会由等轴晶变为树枝晶，直至平面晶。 随着晶粒的成长，熔池中晶粒界面前的浓度过冷和温度梯度也随着发生变化。因而， 熔池全部凝固以后，各处将会出现不同的结晶形态。在焊接熔池的熔化边界上，温度梯 度G较大，结晶速度R很小，因此此处的浓度过冷最小，随着焊接熔池的结晶。温度 梯度G由熔化边界处直到焊缝中心逐渐变小，熔池的结晶速度R却逐渐增大，到焊缝 中心处，温度梯度最小，结晶速度最大，故浓度过冷最大。由上述分折可知，焊缝中 结晶形态的变化，由熔合区直到焊缝中心，依次为：平面晶，胞状晶，树枝状晶，等轴 晶。
在实际的焊缝金属中，由于被焊金属的成
图4-2 C0、R和G对结晶形态的影响
图4-3 GH30氩弧焊焊缝熔合区的胞状晶
分、板厚、接头型式和熔池的散热条件不 同，一般不具有上述的全部结晶形态。当焊缝金属成分不甚复杂时，熔合区将出现平面 晶或胞状晶。例如，厚度为1~1.5mm的高温合金GH30对接焊时，熔合区便出现胞状 晶，如图4—3。当焊缝金属中合金元素较多时，熔合区的结晶形态往往是胞状树枝晶 (或树枝状晶)，焊缝金属中心则为等轴晶。图4—4为1mm厚的1Crl8Ni 9Ti不锈钢和 1.2mm厚的GHl40高温合金，氩弧焊时焊缝中心的结晶形态。
焊缝的结晶形态除了受被焊金属成分的影响外，还与焊接速度、焊接电流、板厚和 接头型式等工艺因素有关。
(二)不易淬火钢焊接热影响区金属的组织变化
不易淬火钢包括低碳钢、16Mn等低合金钢。若以20号碳钢为例，根据其焊接热 影响区金属的组织特征，可以分为四个区域(如图4—5所示)。 1．熔合区
(a)
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(b)
图4-4 焊缝中的胞状晶及等轴晶 ×200
(a) GH140焊缝熔合区胞状树枝晶；(b) GH140焊缝中心等轴晶；
(c) 1Cr18Ni9Ti焊缝中心等轴晶
(c)
图4-5 低碳钢焊接热影响区分布特征
1-熔合区；2-粗晶区；3-细晶区；4-不完全重结晶区；5-母材。
紧邻焊缝的母材与焊缝交界处的金属称为熔合区或半熔化区。焊接时，该区金属处 于局部熔化状态，加热温度在固液相温度区间。在一般熔化焊的情况下，此区仅有2~ 3个晶粒的宽度，甚至在显微镜下也难以辨认。但是，它对焊接接头的强度、塑性都有 很大影响。 2．粗晶区
该区的加热温度范围为1100~1350℃。由于受热温度很高，使奥氏体晶粒发生严 重的长大现象，冷却后得到晶粒粗大的过热组织，故称为过热区。此区的塑性差、韧性
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低、硬度高。其组织为粗大的铁素体和珠光体。在有的情况下，如气焊或导热条件较差 时，甚至可获得魏氏体组织。粗晶区的显微组织见图4—6（b）。
(a)
(b)
(c)
(d)
图4-6 20号钢焊接接头金相组织 ×350
(e)
(a) 焊缝组织；(b) 粗晶区魏氏体组织；(c) 细晶区组织；(d) 不完全重
结晶区组织；(e) 母材。
3．细晶区
此区加热温度在Ac3~1100℃之间。在加热过程中，铁素体和珠光体全部转变为奥 氏体，即产生金属的重结晶现象。由于加热温度稍高于Ac3，奥氏体晶粒尚未长大，冷 却后将获得均匀而细小的铁素体和珠光体，相当于热处理时的正火组织，故又称为正火 区或相变重结晶区。该区的组织比退火(或轧制)状态的母材组织细小，如图4—6(c)所 示。
4．不完全重结晶区
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焊接时，加热温度在Ac1~Ac3之间的金属区域为不完全重结晶区。当低碳钢的加热 温度超过Ac1时，珠光体先转变为奥氏体。温度进一步升高时，部分铁素体逐步溶解于 奥氏体中，温度越高，溶解的越多，直至Ac3时，铁素体将全部溶解在奥氏体中。焊后 冷却时又从奥氏体中析出细小的铁素体，一直冷却到Ar1时，残余的奥氏体就转变为共 析组织——珠光体。由此看出：此区只有一部分组织发生了相变重结晶过程，而始终未 溶入奥氏体的铁素体，在加热时会发生长大，变成较粗大的铁素体组织，所以该区域金 属的组织是不均匀的，晶粒大小不一，一部分是经过重结晶的晶粒细小的铁素体和珠光 体，另一部分是粗大的铁素体(图4—6(d))。由于组织不均匀，因而机械性能也不均匀。 如果焊前母材为冷轧状态，则在加热温度为Ac1以下的金属中，还存在一个再结晶 区。处于再结晶区的金属，在加热的过程中，将发生金属的再结晶过程，即经过冷变形 后的碎晶粒在再结晶温度作用下重新排列的过程。 四、实验方法与步骤
(一)低碳钢焊接接头的金相分析
1．将已焊好的试件(以结422焊条在150×80×3mm的试件上堆焊)，切成25×25 mm的试片，然后把试片四周用砂轮打去毛刺，并把四个角打磨成圆角。
2．用金相砂纸打磨试片。必须注意，研磨试片的砂纸要由粗到细、依次制作，不 要使粗砂粒带到细的砂纸上。试片研磨完后，用清水冲洗，进行机械抛光，抛光后再用 清水冲洗试片。
3．将抛光好的试片，用4％的硝酸酒精溶液腐蚀，大约经过5~10s左右，立即用 清水冲洗，然后用无水乙醇轻轻擦去水分，并用吹风机吹干。
4．把已制备好的试片在显微镜下进行观察与分析。分清焊接接头各区域后，仔细 辨认各区域组织的特征，在显微镜下，测定焊接热影响区各区域的宽度，把各区的宽度 及组织填入表4—1。绘制各区域组织示意图。 表4—1 低碳钢焊接接头各区域的组织及宽度
热 影 响 区 接头区域 组 织 宽 度(mm) 焊 缝 母 材 (二)焊缝典型结晶形态的观察
将事先制备好的焊接金相试片2~3块，例如，可用1Crl8Ni 9Ti的氩弧焊试片，高 温合金GH30氩弧焊试片进行观察和金相分析。主要观察焊缝的结晶形态，注意各试片 焊缝中的组织变化及焊缝的交互结晶、柱状晶选择长大的特征，把所观察到的焊缝组织 绘制示意图，并表明组织在焊缝中所在部位。 (三)讨论焊接接头的典型组织
利用工业电视或幻灯照片观察已制备好的低碳钢焊接接头和具有各种典型焊缝组 织形态的金相试片，分别讨论分析，提高分辨各种组织的能力。掌握低碳钢焊接接头从 焊缝到热影响区，直至母材组织连续变化的特征，熟悉焊缝金属中的等轴晶、树枝状晶、 胞状晶、平面晶等典型的结晶形态，并讨论形成这些结晶形态的影响因素。 五、实验结果的整理和分析
(一)根据实验所绘制的低碳钢焊接接头的组织图和所测定各区域宽度，结合低碳 钢的状态图以及焊接热循环曲线，绘制低碳钢焊接接头组织变化与状态图的关系示意 图。
(二)分析低碳钢焊接接头各区域组织变化的特征，说明各组织的生成机理及对焊
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接接头性能的影响。
(三)由实验绘制焊缝典型结晶形态；根据浓度过冷理论，分析等轴晶、树枝状晶、 胞状晶等组织与过冷度的关系；说明材料成分对焊缝结晶形态的影响。解释同一焊缝 中存在不同结晶形态的原因。从理论上分析实验中观察到的结果，分别说明各焊缝组织 从熔合区到焊缝中心变化的趋势。 六、思考题
(一)低碳钢焊接热影响粗晶区中，为什么会出现魏氏体组织？能否出现马氏体组 织?
(二)焊缝组织是否有可能全部是等轴晶？为什么?
(三)不易淬火钢的焊接热影响区组织，与焊前母材的状态有什么关系?
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