焊接接头组织分析

(2)弧坑裂纹。有纵、横和星状裂纹，大多发生在弧坑中心的等 轴晶区。
(3)根部裂纹。起源于焊缝根部，沿柱状晶界向焊缝扩展的裂纹。
(4)热影响区热裂纹。 有横向及纵向，均沿晶界分布。
横向裂纹
焊缝下裂纹
2. 根据热裂纹成因，分为结晶裂纹、熔化裂纹和高温低塑性裂纹 (1)结晶裂纹 焊接过程中，熔池凝固结晶时，在液相与固相并存的温度区间， 由于结晶偏析和收缩应力应变作用，沿一次结晶晶界形成的裂 纹称为结晶裂纹。 只发生在焊缝中（包括弧坑），有纵裂纹和横裂纹。结晶裂纹 的特征为沿晶开裂、属晶间裂纹。液相与固相间的温度区间愈 大，结晶偏析愈大，冷速愈快，愈易产生结晶裂纹。
焊接过程的以上特点，会直接影响焊缝金属和热影响区的 宏观组织和显微组织、焊接缺陷及焊接接头的性能。因此， 研究焊缝的各区组织、焊接缺陷和接头的性能，必须与焊 接过程的上述特点联系起来考虑。
焊接金相检验包括： 焊接接头的宏观检验，显微组织检验，焊接缺陷的检验。

第一节 焊接接头的宏观检验
一、焊接接头外观质量检验
缺陷分析还包括： 对焊接接头的小试样，进行试样断口形貌、冲击、拉伸后试样 外观形态，焊道的表面状态等缺陷进行分析。对大型焊接结构， 在运行一段时间后进行焊缝的受腐蚀和裂缝的检查等。
总之，通过焊接接头的外观质量检查，可以了解焊接结构和焊 接产品的全貌，产生缺陷的性质、部位，及其与焊接结构的整 体关系等情况，对评定和控制焊接质量，以及防止重大事故发 生都是必需的。
（二）易淬火钢的热影响区组织（自学）
第三节 焊接组织浸蚀方法
一、侵蚀剂 普通碳钢或低碳低合金钢的焊接接头，用w=3%～4%硝酸酒精 溶液(3+97) ～(14+96)侵蚀就能清晰的显示出其显微组织形貌。 二、不锈钢对接焊
焊板经固熔处理后，最好用电解侵蚀方法，用w=10%草酸水 溶液，电压取6V，电解侵蚀时间为20 s，可获得清晰的奥氏体 晶界，焊缝中树枝状结晶也较明显。
焊接产品和焊接接头的外观质量检查通过肉眼或放大镜对焊接 接头进行的检查。
外观检查的内容很多，主要应检查各种焊接缺陷。按照GB/ T 6417-1986《金属熔化焊焊缝缺陷分类及说明》标准进行。 标准列出的金属熔化焊焊缝缺陷分为六大类： 裂纹、孔穴、固体夹杂、未熔合和未焊透、形状缺陷及上述以 外其他缺陷等。
1．连接长大 焊缝金属的晶粒和熔合线附近母材热影响区内的晶粒是相连接 的。即焊缝金属凝固时，它的晶体是从与液态金属相接触的母 材热影响区的晶粒连接长大出来的。它们之间所以这样紧密相 连是由于熔合线附近未熔化的母材金属起着熔池模壁的作用， 起非自发晶核的作用。 因此焊缝金属的晶粒总是和熔合线附近的母材晶粘连接并保持 同一晶轴。 如果热影响区的晶粒粗大，则焊缝中的柱状晶也粗大。
6. 偏析现象严重 焊接熔池体积小，焊缝金属从熔化到凝固只有几秒钟时间。在 如此短时间内，冶金反应是不平衡的，使焊缝金属的成分分布 不均匀，有时区域偏析很大。
7. 组织差别大 焊接过程中温度高，液体金属蒸发，化学元素烧损，有些元素 在焊缝金属和母材金属之间相互扩散，近缝区各段所处的温度 不同，冷却后焊接区的显微组织差别极大。 8．存在复杂的应力 由于熔池与母材间存在的温差巨大，使焊接接头产生很大的内 应力和变形，造成了焊接条件下的复杂转变应力。
(2)熔化裂纹 在焊接过程中，由于快速加热和快速冷却，会在母材与焊缝交 接处，即熔合区或多层焊缝层间发生局部熔化，并沿晶界扩展 的裂纹，称为晶间熔化裂纹。
4. 局部加热、温差大 从冷态开始到加热熔化，形成熔池的温度可达2000℃以上，母材 又是冷态金属，两者温差巨大。并且随热源的移动局部受热区 也在不断移动，造成组织转变差异和整个接头组织不均匀。 5．冷却条件复杂 焊缝及热影响区的冷却方式以母材的金属热传导为主，自然冷 却是其次的。因此，在焊缝周围冷金属的导热作用下，焊缝和 热影响区的冷却速度很快，有时可达到淬火的程度。焊接后的 冷却速度还会受材料本身的导热性、板厚及接头的形状、钢板 焊前的初始温度（环境温度或预热温度）等因素的影响。
形状缺陷是指焊缝的表面形状与原设计的几何形状有偏差。 包括：咬边、缩沟、焊缝超高、凸度过大、下塌、焊缝型面不 良、焊瘤、错边、角度偏差、下垂、烧穿、未焊满、焊脚不对 称、焊缝宽度不齐、表面不规则、根部收缩、根部气孔、焊缝 接头不良等共18种。 其他缺陷包括：电弧擦伤、飞溅、钨飞溅、表面撕裂、磨痕、 凿痕、打磨过量、定位焊缺陷及层间错位等9种。
第二节 焊接区域显微组织特征
一、焊缝金属的组织
为了便于观察和分析焊缝的铸态组织（一次结晶组织），先选 择一些冷至室温过程中不发生固态相变的金属材料，如奥氏体 不锈钢、Fe-Ni合金、铝合金等的焊缝组织来说明。 图9-7（P165）为不锈钢焊缝的凝固组织，箭头处表示熔合线位 臵，熔合线以左部分为母材热影响区。可以看出焊缝组织具有 连接长大和形成柱状晶两个基本特征。
焊接过程的特点： 1. 加热温度高 电弧高温可达4000 - 7000℃，其熔池液态金属温度约为1 770 ℃±100℃，远高于通常的炼钢温度。近缝区的熔合线附近 一般都在1350℃以上。 2. 加热速度快 焊缝金属熔化与凝固及热影响区相变均在几秒钟内完成。 3. 高温停留时间短 一般几十秒之内就从Ac3以上温度冷却下来。
第六章 焊接接头组织分析
焊接接头的宏观检验 焊接组织浸蚀方法 焊接区域显微组织特征 焊接接头的缺陷
焊接过程是一个加热和冷却过程。包括在焊缝区金属的熔 化凝固结晶所形成焊缝金属，和在焊缝金属邻近部位的母 材由于传热所引起的加热及冷却（即热循环）作用而产生 的热影响区。 焊接工艺有部分类似于炼钢和铸造，又有部分与钢的热处 理相似。焊接过程是一个时间短、变化复杂而完整的物理 冶金过程，与普通冶金和通常的热处理有许多不同之处。
四、焊接试样宏观检验侵蚀剂
1.低碳及低合金钢宏观组织 可采用w=10%硝酸酒精溶液(1+9)侵蚀。或用w=%过硫酸铵水 溶液侵蚀。均在室温侵蚀。 2.奥氏体不锈钢宏观组织 可采用4 gCuSO4+20 mL HCl+20 mL H2O溶液热蚀。或用w=10 %草酸，也可用w=10%铬酸电解侵蚀。
第四节 焊接接头的缺陷
二、焊缝热影响区组织特征
焊接热影响区是母材在焊接时在于不同峰值热循环作用下形成 的一系列连续变化的梯度组织区域。 焊件距离熔池远近与受热程度的影响大小成反比，离熔池愈近， 受热影响愈大；离熔池愈远，受热影响愈小。远离熔池到一定 距离时，被焊件的原始组织未发生变化。 用于焊接的结构钢，可分为两类： 一类是低碳钢和普通低合金钢，加热冷却时不易得到马氏体， 叫不易淬火钢； 另一类是中碳钢和调质合金钢等，加热冷却时易得到马氏体， 叫易淬火钢。
三、异种钢焊接 对具有两种以上金属材料的焊接，可以分段侵蚀，这种方法存 在较多弊病，特别是在两种材料交界处，存在不侵蚀或过侵蚀 的问题，经实践证明，可以配制一种复合试剂，这种试剂在配 制时要格外小心，且不宜多配，最好用多少配制多少。 具体配制方法如下，但须依次加入不可随意配制。 酒精 30 mL； 盐酸 15 mL； 硝酸 5 mL； 重铬酸钾（研磨成细粉状）5 g； 苦味酸 1-3 mL; FeCl3 5 g。 配制好的溶液旱深绿色，如果有沉淀出来，说明浓度比例有了 变化，可能会影响侵蚀效果。
(4)熔合区。 即熔合线附近焊缝金属到基体金属的过渡部分，温度处于固相 线和液相线之间。这个地方的金属处于局部熔化状态，晶粒十 分粗大，化学成分和组织都极不均匀，冷却后的组织为过热组 织。这段区域很窄，金相观察实际上很难明显区分出来。但该 区对于焊接接头的强度、塑性都有很大影响。熔合线附近是产 生裂缝、局部脆性破坏的发源地。
（一）不易淬火钢的热影响区组织 以20钢为例，分析焊接热影响区的组织变化。图9-13表示热影响 区和焊接热循环曲线及铁碳状态图之间的关系。
温度在A1以下的区域，组织仍保持母材（热轧态）的原始组织 （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。 (1)部分相变区（不完全重结晶区） 加热温度范围在Ac1-Ac3之间，20钢的Ac1～Ac3相当于750-900℃。 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，TKs—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。
(3)过热区（粗晶粒区）。 加热温度范周TKS - Tm，Tm熔点。 加热至1000℃以上直至熔点， 奥氏体晶粒剧烈长大，尤其在1300 ℃以上，晶粒十分粗大， 晶粒度均在3级以上。由于晶粒粗大出现粗大的针状铁素体 （魏氏组织）+索氏体。
根据形成裂纹的温度范围和原因可分为：
（一）热裂纹（高温裂纹） 热裂纹一般指在0.5Tm以上温度形成的裂纹，在钢中通常指A3以 上直至凝固温度的范围。 热裂纹发生的部位，常见于焊缝中，有时也出现在热影响区。 1．焊缝中的热裂纹分类 (1)焊道裂纹。平行于焊缝的称为纵裂纹，垂直于焊缝的称为横 裂纹。纵裂纹一般发生在焊缝中心，即中心线裂纹。横裂纹沿 柱状晶界，往往与母材晶粒间界相连。
2．形成柱状晶 焊缝组织的第二个特征是焊缝金属大都长成长长的柱状晶， 成长方向与散热最快的方向一致，垂直于熔合线，向焊缝中 心发展。 在一般焊接条件下，焊缝不出现等轴晶，只有在特殊条件下 才形成等轴晶，例如弧坑中的组织，或大断面焊缝中的中、 上部形成少量等轴晶。
3. 熔池形状对柱状晶成长形态的影响 焊接条件不同，晶体成长的形态也不同。 图9-8所示是焊接速度较低时的情况： 熔池呈椭圆形，柱状晶逐渐向焊接方向弯曲，在凝固未达到 焊缝的中心线前，很多柱状晶体已经相遇。
二、焊接接头的低倍组织检验
接头低倍检验要对接头经过解剖取样、制样（包括低倍组织显 示）后才能进行。 （一）焊接接头的低倍组织 切取一个熔化焊的单面焊接接头的横截面，经制样侵蚀显示宏 观组织，可见焊接接头分为三部分：焊缝中心为焊缝金属，靠 近焊缝的是热影响区，接头两边是未受焊接热影响的母材。
1. 焊缝金属 焊缝金属又称熔化焊缝，是由熔化金属凝固结晶而成。 焊缝金属的组织： 铸态柱状晶，晶粒相当长，平行于传热方向（垂直于熔池壁方 向），在熔化金属（熔池）中部呈八字形分布的柱状树枝晶。
（二）焊接接头低倍组织检验的内容 焊缝柱状晶的粗晶组织及结构形态； 焊接熔合线； 焊道横截面的形状及焊缝边缘结合、成形等情况； 热影响区的宽度； 多层焊的焊道层次及焊接缺陷，如焊接裂缝、气孔、夹杂； 接头的断口分析与其他检验方法（如金相、扫描电镜等微观 分析法）综合分析找出接头破断的原因。
焊接接头常见的缺陷有裂纹、孔穴、夹渣与夹杂、末焊透和未 熔合、形状缺陷、其他缺陷等。 一、裂纹 焊接裂纹是在焊接应力及其他致脆因素共同作用下，焊接接头 中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面而产生 的缝隙。裂纹在焊缝区最易产生，且危害最大。
根据裂纹的尺寸大小可分两类： 肉眼能见到的宏观裂纹，在一切产品中不允许存在； 在光学显微镜下才能看到的显微裂纹。
2. 母材热影响区 是母材上靠近熔化金属而受到焊接热作用发生组织和性能变化 的区域。 母材热影响区实际上是一个从液相线至环境温度之间不同温度 冷却转变所产生的连续多层的组织区。经适当侵蚀后容易受蚀， 在宏观试样上呈深灰色区域。 p.162 图9-1
3. 母材金属 即待焊接的材料，仍保持着母材原有组织。
当焊速较高时，熔池呈雨滴状，其最大的温度梯度方向（如 箭头所示）在凝固过程中几乎不变，使柱状晶体最后相遇在 焊缝的中心线上。 有些合金在焊缝中心还会出现等轴晶，见图 (b)。
图9-10为Al薄板氩弧焊焊缝金属内柱状晶成长形态实例，(a) 为低速(2.5cm/s)焊接，柱状晶逐渐弯向焊接方向； (b)为高速(150 cm/s)焊接，柱状晶几乎垂直焊缝边界长大，且 焊缝中心出现块状的等轴树枝晶。 见p166