低碳钢熔化焊焊接接头组织分析

低碳钢熔化焊焊接接头组织分析

一、实验目的

1观察焊接接头的宏观组织及焊接缺陷

2、观察焊缝、热影响区及母材的各种典型结晶形态

3、掌握低碳钢焊接接头各区域的组织变化

4、测定在不同的焊接工艺下热影响区的宽度

二、实验概述

手工电弧焊的焊接过程如图1所示。当电弧在焊条与焊件之间引燃后，电弧热使焊件（与电弧接触部分）及焊条末端熔化，熔化的焊件和焊条（以熔滴形式下落）形成共同的金属熔池。焊条外面的药皮受热熔化并发生分解反应，产生液态熔渣和大量气体。液态熔渣包围着

熔滴，当其进入金属熔池后，因其比重小而浮在熔池表面。所产生的气体则包围在电弧和熔池周围。

图1手工电弧焊过程示意图

1、焊条芯

2、焊条药皮

3、液态熔渣

4、固态渣壳

5、气体

6、金属熔滴

7、熔池8焊缝9、工件

焊条因不断熔化下滴而应连续向下送进，以保持一定的电弧长度。同时，焊条还应沿焊接方向前进。当电弧离开熔池后，被熔渣覆盖的熔化金属就缓慢冷却凝固成焊缝金属，液态熔渣也凝固成固态熔壳。在电弧移达的下方，又形成新的熔池及其上的液态熔渣，以后又凝固成新的焊缝金属和渣壳。上述过程继续进行下去，只至整个焊缝被焊完为止。从而形成一条连续的焊缝金属。

在焊接过程中，由于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。

显微分析的主要内容为：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，而且与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

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2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，晶粒的成长会被竭止，这就是

所谓选择长大，并形成焊缝中的柱状晶形态，如图3（a）所

示。

图2焊缝金属的交互结晶示意图

(a)

(e)

(f)

图3 20号钢焊接接头金相组织（200 X）

（a）焊缝的焊态组织；（b）熔合区的焊态组织；（c）过热区焊态组织；

（d）正火区焊态组织；（e）部分相变区焊态组织；（f）焊态母材组织；

（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、15MnTi、15MnV等低合金钢。现以20号钢为例，根据其焊接热影响区金属的组织特征，可以分为5个区域，如图4所示。

2 3 4 5

图4低碳钢焊接接头组织变化图

1、熔合区

2、过热区

3、正火区

4、部分相变区

5、再结晶区

1、熔合区

紧邻焊缝的母材与焊缝交界处的金属称为熔合区或半熔合区。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（约1350〜1450C）。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，如图 3 （b）所示。

2、过热区

该区的加热温度范围为1100〜1350 C。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。因此，焊接钢度较大的结构时，常在过热区产生裂纹，过热区的显微组织如

图3（c）所示。

3、正火区（重结晶区）

该区加热温度在A C3~1100C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，因此，该区是热影响区中组织和性能最好的区域，如图3（d）。

4、部分相变区（不完全重结晶区）

焊接时，加热温度在A C I~A C3之间（约750〜900C）的金属区域为不完全重结晶区。当低碳钢的加热温度超过As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，直到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Ar i时，残余的奥氏体就转变为

共析组织-珠光体。由次可看出，次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，因此，该区域金属的

组织是不均匀的，晶粒大小也不一致，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，如图3（e）所示。由于组织不均匀，因而机械性能也不均匀。

5、母材（再结晶区）

当母材为热轧状态供应的钢材时，则该区组织仍保留原始的带状组织特征，如图3（f）

所示。

如果焊前母材为冷轧状态供应的钢材，则在加热温度为As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。

以上是焊接热影响区中主要的组织变化区段，其中以熔合区和过热区对焊接接头组织性

能的不利因素最为显著，因此，在焊接过程中应尽可能减少热影响区的宽度。焊接热影响区

的大小受到许多方面的影响，不同的焊接方法、焊接板厚、焊后冷却速度等都会使热影响区

的尺寸发生变化。表1是用不同的焊接方法焊接低碳钢时焊接热影响区的平均尺寸。

三、实验设备及材料

1、金相显微镜、30倍放大镜