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1、焊接件的金相检验 金相检验第九单元 主要内容 一、焊接热循环 二、焊接接头的组织 三、焊接接头的宏观组织观察 四、焊接接头的显微组织观察 五、焊接接头的缺陷 六、焊接接头显微组织与性能的关系 一、焊接热循环 1、焊接热循环的特点： 加热温度高: 热处理：Ac3以上100200 近缝区1350以上至Tm 加热速度快: 几秒内完成熔化与凝固以及热影响区相变 高温停留时间短: SMAW:20秒, SAW:30-100秒。 自然冷却，冷却速度快: 热处理可根据要求控制冷却速度或在冷却过程 中不同阶段进行保温,焊接时,局部加热、熔池的 体积小、自然条件下冷却,冷却速度快，平均冷却 速度约为l0100s。
2、 动态结晶： 熔池一般均随热源的移动而移动，同时焊条的 摆动，电弧的吹力，还会使熔池发生强烈的搅拌 作用。可见，是在运动状态下结晶的，因此焊缝 凝固时各处的最大温度梯度的方向不断地变化， 晶体长大的方向也随之而改变。 2、焊接过程特点 加热温度高 冷却速度快 高温停留时间无法控制 故： 熔池凝固结晶过程远离平衡态； 焊接接头组织为非平衡组织。 二、焊接接头的组织 A：焊缝区 B: 熔合区 C: 热影响区 D：母材 1、焊缝区 结晶形态：联生结晶 结晶过程：熔合区半熔 化晶粒提供了现成的结 晶表面； 液相依附熔合区半熔化 晶粒开始垂直底部向中 心生长，粗大的柱状晶 。 a.焊缝组织具有联生结晶和
3、长大的特点，常 见的焊缝组织有柱状晶、树枝状晶、等轴 晶等，同样成份的焊缝，由于结晶组织形 态不同，性能差别很大。 b.多层焊时，由于后面的焊层对前面的焊层 进行了再加热而发生相变结晶，导致焊缝 区各部位组织形态的差异。 c.焊接过程是连续快速冷却的过程，超过一 定的冷却速度后，会得到非平衡组织 贝氏体和马氏体。 2、熔合区 焊缝与热影响区的过渡区，位于熔合线两 侧。 温度处于固相线和液相线之间； 金属处于局部熔化状态，晶粒十分粗大， 化学成份和组织极不均匀, 粗大的过热组织 和粗大的淬硬组织.是焊接接头中性能最差 的区域。 此区域很窄，显微镜下难区分。 但危害大，常是裂缝、局部脆性破坏的发
4、源地。 3、热影响区 HAZ属于母材金 属的一部分； 受焊接热循环的 影响，组织或性 能发生变化的区 域为焊接热影响 区。 a.熔化区/半熔化区：此区较窄，邻接熔合线，由于严重过 热，晶粒大，化学成分不均匀严重，导致性能恶化，是焊 接接头中最薄弱的区域。 b.过热区：此区域明显特点是晶粒最粗大，其组织形貌与 部分熔化区基本相同，是再热裂纹的敏感区。 c.正火/重结晶区：此区域晶粒细小而均匀，是焊接接头中 组织和常温机械性能最好的区域。相当于正火。 d.相变区/不完全重结晶区：此区位于A1A3温度区间， 具有部分铁素体溶解到奥氏体中去的特点，冷却时奥氏体 发生分解，而原来未转变的铁素体仍保留下来
5、，对某些低 合金钢，由于这部分奥氏体中碳和合金元素含量较高，快 速冷却后可能转变为高碳马氏体，得到马氏体和铁素体的 混合组织，这种组织性能较差。 4、基体组织分析（母材） a.鉴别材料中非金属夹杂物，显微裂纹的类 型，观察其形态和分布，测量其数量和大 小。 b.鉴别被检件显微组织的组成，各种组织的 形貌、分布和数量，对晶粒度、带状组织 、非金属夹杂物、魏氏组织等。 c.对异种钢焊接接头，焊缝两侧的母材及热 影响区均须检验。 三、焊接接头的宏观检验 1、焊接接头外观检验 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G
6、B/ 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。 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。 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 、
7、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。 2、低倍检验 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。 1)取样：与焊道垂直，焊接接头横断面。 2)侵蚀剂：硝酸水溶液，硝酸酒精，盐酸水溶液，电解 ，染色等。 3)检验内容:焊缝柱状晶组织及结构，焊接熔合线，焊道 横截面的形状及焊道边缘结合、成形等情况；热影响区
8、的 宽度；多层焊的焊道层次及焊接缺陷。 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。 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。 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。 母材金属 即待焊接的材料，仍保持着母材
9、原有 组织。 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。 四、焊接接头的显微组织观察 焊缝金属 一次组织：铸态组织，熔化状态后经形核和长大 完成结晶的高温组织形态。 二次组织：固态相变组织，室温下的显微组织。 熔合线热影响区：熔合区，粗晶区（过热 区），细晶区（相变重结晶区），部分相 变区 母材区 （一）焊缝的组织特征 1连接长大 焊缝金属的晶粒和熔
10、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。 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
11、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。 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。 （二）热影响区的组织特征 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Ac1Ac3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
12、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。 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
13、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。 五、焊接接头的缺陷 焊接接头常见的缺陷有裂纹、孔穴、夹渣 、末焊透、未熔合等。 （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。 根据形成裂纹的温度范围和原因可分为： 1、热裂纹 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。 根据热裂纹成因，分为结晶裂纹、熔化裂纹和高温低塑性
14、 裂纹。 热裂纹发生的部位，常见于焊缝中，有时也出现在热影响 区。 2、冷裂纹 因氢引起的或焊缝由于焊接冷却速度过快而产生的应力裂 纹，均称为冷裂纹。它通常是指焊接时在A3以下温度冷却 过程中或冷却以后所产生的裂纹。 冷裂纹可分为氢致裂纹、层状撕裂、再热裂纹或去应力裂 纹。 （二）气孔 气泡在凝固时未能逸出而残留下来所形成的空穴 焊缝密集气孔 （三）夹渣 残留在焊缝中的熔渣。可分为线状、孤立及其他型式三种 （四）未熔合 在焊缝金属和母材之间或焊道金属之间未完全熔化结合的部分 。 可分为侧壁未熔合（图4011）、层间未熔合（图4012）、焊缝 根部未熔合(图4013) 根部未熔合 （五）未焊透
15、焊接时接头的根部未完全熔透的现象。 六、焊接接头组织与性能的关系 1、焊缝的组织与性能 随焊缝化学成分和冷却条件的变化，低合金钢焊缝中可能 形成铁素体F、珠光体P、贝氏体B及马氏体M等相变组织 ，而且它们会呈现出多种形态，从而具有不同的性能。 铁素体、 铁素体+珠光体、 珠光体、 贝氏体、 马氏体 强度、硬度低 强度、硬度高 塑性、韧性好 塑性、韧性差 晶粒度细小均匀机械性能好，反之差。 下贝氏体强度高、塑性、韧性好 ，上贝氏体塑性、韧性 差。 低碳马氏体强度高、塑性、韧性好 ，高碳马氏体体塑性 、韧性差。 魏氏体组织塑性、韧性差。 2、热影响区组织与性能（不易淬火钢） 焊接热影响区的组织特征
16、：焊接结构钢根据热处理特性不 同可分为两类：淬火钢、不易淬火钢。 不易淬火钢热影响区的组织分布：主要由过热区、完全重 结晶区、不完全重结晶区及再结晶区组成。当母材为热轧 态时，热影响区中没有再结晶区。 1).过热区 ，(11001490) F粗+P粗,脆 2).相变（完全）重结晶区（正火区） ，(9001100) F细+P细,韧 3).不完全重结晶区 （不完全正火区）， (750900) F粗， F细+P细,（铁素体大小不一，铁素体与珠 光 体分布不均） 力学性能不均匀 4).再结晶区 ， (500750) 软化区 晶粒拉长晶粒等轴，强度韧性 5).蓝脆区 ， (250750) 热应变时效脆化 塑性 ，韧性 END! thank you ！