焊接接头试样形貌观察

1、焊接接头试样形貌观察一、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 1 套（二）平板玻璃1块若干（三）不同焊缝结晶形态的典型试样（四）低碳钢焊接接头试片 1块（五）扫描式电子显微镜 1台 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

2、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图4-1焊缝金属的交互结晶示意图焊接。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

3、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Co、结晶速度（或晶粒长大速度）及和温度梯度G有关。图42为Co、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，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

4、展到胞状晶、树枝状晶，最后为等轴晶。图4-3 GH30氩弧焊焊缝熔合区的胞状晶当合金成分Co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

5、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，由于被焊金属的成分、板厚、接头型式和熔池的散热x*u捉黑豐強图4-2 Co、R和G对结晶形态的影响条件不同，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11.5mm的高温合金GH30对接焊 时，熔合区便出现胞状晶，如图 43。 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GHI40高温合金，氩弧 焊时焊缝中心的结晶形态

6、。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）低碳钢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）。分析各个区域，配上各自的附图以下为参考图片焊接接头金相组织基体熔合区焊缝焊缝培合区基休4、4、600400200TG仙(c>lb熔合圾4母材以20钢为例，分析焊接热影响区的组织变化。图9J3表 区和焊接热循环曲线及铁碳扶态图之间的关系。二：二二二二祀'）400>晶粒迟（理煎创“12（X1（也If鬍邕盘型:

7、；t部分相愛区期 W4、4、图9出那按热彫响区与萤碳狀态图的关系心、州鸵曲R蚊明覩示意丰铁顋伏枣图r低駆都分）焊换热繼歼朗践4、温度在A】以下的区域，组织仍保持母材（热轧态）的原始组纟魚 （铁素体+珠光体呈带分布）。组织发生显著变化的热影响区可划分为四个区域。蛊分相变区（不完全重结晶区） 加热温度范围在Ac1-Ac3之间，20钢的ACAC3相当于750-900°C。冷却后的组织为未发生转变的铁素体+经部分相变后的细小珠光体和铁素体。（2）相变重结晶区（细晶粒区）。加热温度范围Ac3-TKs, Tk$晶粒开始急剧粗化的温度。该区 空冷后得到均匀细小的铁素体+珠光体。相当于热处理中的正 火组织，故又称为正火区。过热区（粗晶粒区）。二加热温度范周Tks-T" 儿熔点。加热至1000°C以上直晉黑 奥氏体晶粒剧烈长大，尤其在1300 °C以上，晶粒十分粗戻， 晶粒度均在3级以上。由于晶粒粗大出现粗大的针状铁来体（魏氏组织）+索氏体。(4)熔合区。即熔合线附近焊缝金属到基体金属的过渡部分，温度处g崗相 线和液相线之间。这个地方的金属处于局部熔化状态，霹十