低碳鋼熔化焊焊接接頭組織分析一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?觀察焊接接頭的宏觀組織及焊接缺陷2、 觀察焊縫、熱影響區(qū)及母材的各種典型結(jié)晶形態(tài)3、 掌握低碳鋼焊接接頭各區(qū)域的組織變化4、 測定在不同的焊接工藝下熱影響區(qū)的寬度二、 實(shí)驗(yàn)概述手工電弧焊的焊接過程如圖1所示。當(dāng)電弧在焊條與焊件之間引燃后， 電弧熱使焊件（與電弧接觸部分）及焊條末端熔化，熔化的焊件和焊條（以熔滴形式下落）形成共同的金屬熔池。焊條外面的藥皮受熱熔化并發(fā)生分解反應(yīng)， 產(chǎn)生液態(tài)熔渣和大量氣體。液態(tài)熔渣包圍著熔滴，當(dāng)其進(jìn)入金屬熔池后，因其比重小而浮在熔池表面。所產(chǎn)生的氣體則包圍在電弧和熔池周圍。圖1手工電弧焊過程示意圖1、焊條芯2、焊條藥皮3、液態(tài)熔渣4、固態(tài)渣殼5、氣體6、金屬熔滴7、熔池8焊縫9、工件焊條因不斷熔化下滴而應(yīng)連續(xù)向下送進(jìn)，以保持一定的電弧長度。同時(shí)，焊條還應(yīng)沿焊接方向前進(jìn)。當(dāng)電弧離開熔池后，被熔渣覆蓋的熔化金屬就緩慢冷卻凝固成焊縫金屬， 液態(tài)熔渣也凝固成固態(tài)熔殼。在電弧移達(dá)的下方，又形成新的熔池及其上的液態(tài)熔渣，以后又凝固成新的焊縫金屬和渣殼。上述過程繼續(xù)進(jìn)行下去，只至整個(gè)焊縫被焊完為止。從而形成一條連續(xù)的焊縫金屬O

在焊接過程屮，由于焊接接頭各部分經(jīng)受了不同的熱循環(huán)， 因而所得組織各異。組織的不同，導(dǎo)致機(jī)械性能的變化。對焊接接頭進(jìn)行金相組織分析， 是對接頭機(jī)械性能鑒定的不可缺少的環(huán)節(jié)。焊接接頭的金相分析包括宏觀和顯微分析兩個(gè)方面。宏觀分析的主要內(nèi)容為：觀察與分析焊縫成型、焊縫金屬結(jié)晶方向和宏觀缺陷等。顯微分析的主要內(nèi)容為：借助于放大100倍以上的光學(xué)金相顯微鏡或電子顯微鏡進(jìn)行觀察，分析焊縫的結(jié)晶形態(tài)，焊接熱影響區(qū)金屬的組織變化，焊接接頭的微觀缺陷等。焊接接頭由焊縫金屬和焊接熱影響區(qū)金屬組成。 焊縫金屬的結(jié)晶形態(tài)與焊接熱影響區(qū)的組織變化不僅與焊接熱循環(huán)有關(guān)，而且與所用的焊接材料和被焊材料有密切關(guān)系。(一)焊縫凝固時(shí)的結(jié)晶形態(tài)熔化焊是通過加熱使被焊金屬的聯(lián)接處達(dá)到熔化狀態(tài)，焊縫金屬凝固后實(shí)現(xiàn)金屬的焊接。聯(lián)接處的母材和焊縫金屬具有交互結(jié)晶的特征， 圖2為母材和焊縫金屬交互結(jié)晶的示意圖。由圖可見，焊縫金屬與聯(lián)接處母材具有共同的晶粒， 即熔池金屬的結(jié)晶是從熔合區(qū)母材的半熔化晶粒上開始向焊縫屮心成長的。 這種結(jié)晶形式稱為交互結(jié)晶或聯(lián)生結(jié)晶。 當(dāng)晶體最易長大方向與散熱最快方向一致時(shí)，晶體便優(yōu)先得到成長，有的晶體由于取向不利于成長，晶粒的成長會被竭止，這就是所謂選擇長大，并形成焊縫中的柱狀晶形態(tài)，如圖 3(a)所zj\O圖2焊縫金屬的交互結(jié)晶示意圖(b)(c)(d)(e)(f)圖3 20號鋼焊接接頭金相組織(200X)(a)焊縫的焊態(tài)組織；(b)熔合區(qū)的焊態(tài)組織； 6c)過熱區(qū)焊態(tài)組織；(d)正火區(qū)焊態(tài)組織；(e)部分相變區(qū)焊態(tài)組織； (f)焊態(tài)母材組織；(二)不易淬火鋼焊接熱影響區(qū)金屬的組織變化不易淬火鋼包括低碳鋼，l6Mn>15MnTi.15MnV等低合金鋼?，F(xiàn)以20號鋼為例，根據(jù)其焊接熱影響區(qū)金屬的組織特征，可以分為 5個(gè)區(qū)域，如圖4所示。2 34 5圖4低碳鋼焊接接頭組織變化圖1、熔合區(qū)2、過熱區(qū)3、正火區(qū)4、部分相變區(qū)5、再結(jié)晶區(qū)1、 熔合區(qū)緊鄰焊縫的母材與焊縫交界處的金屬稱為熔合區(qū)或半熔合區(qū)。 焊接時(shí)，該區(qū)金屬處于局部熔化狀態(tài)，加熱溫度在固液相溫度區(qū)間(約1350-1450C)o在一般熔化焊的情況下，此區(qū)僅有2-3個(gè)晶粒的寬度，甚至在顯微鏡下也難以辨認(rèn)。但是，它對焊接接頭的強(qiáng)度、塑性都有很大影響,如圖3(b)所示。2、 過熱區(qū)該區(qū)的加熱溫度范圍為1100?1350C。由于受熱溫度很高，使奧氏體晶粒發(fā)生嚴(yán)重的長大現(xiàn)象，冷卻后得到晶粒粗大的過熱組織，故稱為過熱區(qū)。此區(qū)的塑性差，韌性低，硬度高。其組織為粗大的鐵素體和珠光體。在有的情況下，如氣焊或?qū)釛l件較差時(shí)， 甚至可獲得魏氏體組織。因此，焊接鋼度較大的結(jié)構(gòu)時(shí)，常在過熱區(qū)產(chǎn)生裂紋， 過熱區(qū)的顯微組織如圖3（c）所示。3、 正火區(qū)（重結(jié)晶區(qū)）該區(qū)加熱溫度在AC3-1100C之間。在加熱過程屮，鐵素體和珠光體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，即產(chǎn)生金屬的重結(jié)晶現(xiàn)象。由于加熱溫度稍高于 AC3,奧氏體晶粒尚未長大，冷卻后獲得均勻而細(xì)小的鐵素體和珠光體，相當(dāng)于熱處理時(shí)的正火組織，故又稱為正火區(qū)或相變重結(jié)晶區(qū)。該區(qū)的組織比退火（或軋制）狀態(tài)的母材組織細(xì)小，因此，該區(qū)是熱影響區(qū)屮組織和性能最好的區(qū)域，如圖3（d）o4、 部分相變區(qū)（不完全重結(jié)晶區(qū)）焊接時(shí)，加熱溫度在Aci~AC3之間（約750-900C）的金屬區(qū)域?yàn)椴煌耆亟Y(jié)晶區(qū)。當(dāng)?shù)吞间摰募訜釡囟瘸^As時(shí)，珠光體先轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。溫度進(jìn)一步升高時(shí)，部分鐵素體逐步溶解于奧氏體中， 溫度越高，溶解的越多，直到AC3時(shí)，鐵素體將全部溶解在奧氏體中。焊后冷卻時(shí)，又從奧氏體中析出細(xì)小的鐵素體，一直冷卻到 Ari時(shí)，殘余的奧氏體就轉(zhuǎn)變?yōu)楣参鼋M織-珠光體。由次可看出，次區(qū)只有一部分組織發(fā)生了相變重結(jié)晶過程， 而始終未溶入奧氏體的鐵素體，在加熱時(shí)會發(fā)生長大，變成較粗大的鐵素體組織， 因此，該區(qū)域金屬的組織是不均勻的，晶粒大小也不一致，一部分是經(jīng)過重結(jié)晶的晶粒細(xì)小的鐵素體和珠光體，另一部分是粗大的鐵素體，如圖 3（e）所示。由于組織不均勻，因而機(jī)械性能也不均勻。5、 母材（再結(jié)晶區(qū)）當(dāng)母材為熱軋狀態(tài)供應(yīng)的鋼材時(shí)，則該區(qū)組織仍保留原始的帶狀組織特征，如圖 3（f）所示。如果焊前母材為冷軋狀態(tài)供應(yīng)的鋼材，則在加熱溫度為As以下的金屬屮還存在一個(gè)再結(jié)晶區(qū)。處于再結(jié)晶區(qū)的金屬，在加熱的過程屮將發(fā)生金屬的再結(jié)晶過程， 即經(jīng)過冷變形后的碎晶粒在再結(jié)晶溫度作用下重新排列的過程。以上是焊接熱影響區(qū)中主要的組織變化區(qū)段， 其屮以熔合區(qū)和過熱區(qū)對焊接接頭組織性能的不利因素最為顯著， 因此，在焊接過程屮應(yīng)盡可能減少熱影響區(qū)的寬度。 焊接熱影響區(qū)的大小受到許多方面的影響，不同的焊接方法、焊接板厚、焊后冷卻速度等都會使熱影響區(qū)的尺寸發(fā)生變化。表1是用不同的焊接方法焊接低碳鋼時(shí)焊接熱影響區(qū)的平均尺寸。表1不同的焊接方法焊接低碳鋼時(shí)的焊接熱影響區(qū)平均尺寸焊接方法各區(qū)平均尺寸總寬(mm)過熱區(qū)正火區(qū)部分相變區(qū)手弧焊2.2?3.01.5-2.52.2?3.06.0?8.5埋弧自動焊0.8-1.20.8-1.70.7-1.02.3-4.0電渣焊18-205.0-7.02.0?3.025-30氣焊21402.027.0真空電子束焊—0.05?0.75三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料1金相顯微鏡、30倍放大鏡2、 有關(guān)金相圖譜3、 A3鋼手弧焊及氣焊接頭宏觀組織試樣及顯微試樣。四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、 實(shí)驗(yàn)前，先認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的內(nèi)容，并明確本次實(shí)驗(yàn)的目的和要求。2、 觀察并畫岀焊接接頭的宏觀組織示意圖，觀察焊接缺陷形態(tài)及部位。3、 觀察