实验3：焊接接头的组织和性能分析
实验学时：2 实验类型：验证 实验要求：选修 一、实验目的
1、观察焊缝和热影响区及母材金属的显微组织
2、分析焊接接头不同组织对性能的影响 二、实验内容
焊接工艺是一种应用极为广泛的热加工成型工艺。在现代船舶、石油、化工、电力、机器制造、桥梁和国防工程上，许多产品都使用焊接结构。为了仔细分析焊缝金属组织和检查焊缝质量，除了外部检查法、机械性能试验、X射线和γ射线透视法、电弧检查法以及水压试验等方法外，金相分析方法是一个重要的、占有突出地位的手段之一。焊接接头的金相检验一般也分为宏观分析和显微分析二种。利用宏观分析可以观察到焊缝柱状晶，检查焊缝组织是否存在裂缝、气泡、夹渣、偏析、未焊透等缺陷。利用微观分析可以观察到焊缝区、热影响区、母材的组织形貌,了解其性能，从而调整和进一步确定焊接工艺。本次实验重点是微观组织分析,检验焊接接头的焊缝区、热影响区及母材组织。对于焊接件来说，热影响区是影响焊接接头质量的最重要的区域。焊接件的损坏通常不在焊缝区而在热影响区内。因此研究和观察焊缝热影响区组织是这次实验的重要任务。 三、实验原理、方法和手段
焊接接头的形成过程实际上是利用电弧(热源)产生的高温(4000～7000℃)使被焊金属局部加热 发生熔化，同时加入填充的金属(焊条、焊丝)熔化滴入，形成金属液体溶池。当电弧移开时，由于周围冷金属导热，使熔池的温度迅速降低，熔池凝固成焊缝。熔池周围的母材金属，由于电弧的热作用，从室温以上一直被加热到熔化温度范围，这部分被加热的母材金属，也随电弧的移开而被冷却下来，于是形成一个焊接接头。
1、焊接接头的宏观组织 见图1,可分为三个部分；
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(1)中心为焊缝区；组织主要特征是形成柱状晶。其生长有明显的方向性，与散热最快的方向一致，即垂直于熔合线向焊缝中心发展。 (2)靠近焊缝的是热影响区；颜色略深的区域 (3)两边为未受影响的母材金属。
2、焊接接头的显微组织,见图a、b、c、d
(1)焊缝区的显微组织 见图a 从焊缝宏观组织观察，焊缝凝固后的组织主要特征之一是形成柱状晶。其生长有明显的方向性，与散热最快的方向一致，即垂直于熔合线向焊缝中心发展。对于常用的焊接结构钢(如低碳钢)从液态到固态的一次结晶形成柱状晶奥氏体，然后进一步冷至室温还要经历二次结晶过程,呈柱状晶的奥氏体在冷却过程中分解为铁素体和珠光体。见图a，由于含碳较低，有先共析铁索体沿奥氏体晶界析出，把原奥氏体柱状晶轮廓勾划出来，也称为柱状铁素体。柱状铁素体十分粗大，其间隙中为少量珠光体，往往呈魏氏组织形态。
若为多层焊接，焊缝二次结晶组织变为细小铁素体加少量珠光体组织。这是由于后一层焊缝相对前一层焊缝进行再加热，使其发生相变重结晶，从而柱状晶消失，形成细小的等轴晶。
合金钢焊缝二次结晶的组织，由于受到合金元素和焊接条件的影响而会出现不同的组织。一般焊缝中合金元素含量少时，类似于低碳钢焊缝组织，当焊缝中合金元素较多，淬透性较好或冷却速度较快时出现贝氏体—马氏体组织。
(2) 热影响区的显微组织 见图b图c图d ,在焊接过程热循环(加热和冷却)的作用下，焊缝附近的热影响区相当于经历了“特殊的热处理”过程一样。热影响区各部分由于离熔池距离不同而被加热到不同的温度，焊后冷却时又以不同的冷却速度冷却下来，因此，使该区组织变化复杂。
由于焊缝周围金属的导热作用，焊缝和热影响区的冷却速度很快，有时可达淬火的程度。冷却速度受材料的导热性、板厚和接头形状及钢板在焊前初始温度(包括环境温度或预热温度)等因素的影响。钢板尺寸越大，冷却越快，钢板初始温度越高(预热)，冷却越慢。
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如20钢，
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A3钢，16Mn， 15MnTi等，另一类是中碳钢和调质合金钢等。前者叫不易淬火钢，后者叫易淬火钢。
不易淬火钢的热影响区组织 现以20钢为例，分析热影响区的组织变化。图2为热影响区和铁碳相图之间的关系。
热影响区可分为四个区域: 熔合区 , 即熔合线附近焊缝金属到基体金属的过渡部分，温度处在固相线与液相线之间，金属处于局部熔化状态，晶粒十分粗大，化学成分和组织极不均匀，冷却后的组织为过热组织，呈典型的魏氏组织，见照片b，照片上半部是焊缝组织为柱状结晶的铁索体和珠光体，照片下半部为热影响区半溶化段，温度最高，呈魏氏组织。这段区域很窄(0.1～lmm)，金相观察实际上很难明显的区分出来，但该区对于焊接接头的强度、塑性都有很大影响，往往熔合线附近是裂纹和脆断的发源地。 过热区(粗晶粒区) 加热温度范围
TKS~TmTKS(为晶粒开始急剧长大温
度，Tm为熔点)，当加热至l100℃以上至熔点，尤其在1300℃以上，奥氏体晶粒急剧粗化，焊后空冷条件下呈粗大的魏氏组织(见照片b下半部组织)，塑性韧性降低，使接头处易出现裂缝。
图2 焊接热影响区和铁碳相图的关系 (a)热影响区的组织示意图 (b)铁碳相图
细晶区(正火区) 即相变重结晶区，加热温度范围Ac3~Tks之间，约为900～
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1100℃，全部为奥氏体．，空冷后得到均匀细小的铁素体+珠光体组织，见照片c，相当于热处理中的正火组织，故又称正火区。
部分相变区，即不完全重结晶区，加热温度AC1~AC3，约750～900℃，钢被加热到奥氏体+部分铁素体区域，冷却后的组织为细小铁素体+珠光体+部分大块未变化的铁索体。见照片d，晶粒大小不均匀。
温度在AC1以下区域，组织保持母材的原始组织：铁素体+珠光体。见照片e。
四、实验组织运行要求
根据本实验的特点,要求和具体条件,采用集中授课形式组织教学 五、实验条件
1、20钢焊接接头,手工电弧焊,宏观及微观样品； 2、金相显微镜、电视机、投影仪；
3、有关金相图谱。硝酸、烧杯、砂纸、竹夹、棉球、塑料盆等 六、实验步骤
1、焊接接头的宏观组织观察:
将焊接接头在砂纸上磨光擦净,试样放入塑料盆中,观察面朝上,用竹夹夹住棉球,沾烧杯中的10%硝酸水溶液擦蚀,当观察看到明显的三个晶区时,冲洗试样, 观察检查焊接接头,本试样检查后未见气孔、夹渣、裂缝、未焊透等焊接缺陷,见焊接接头组织示意图。。
2、焊接接头的显微组织观察:先用低倍(80-100倍)观察整个焊接接头组织变化的特点,再用较高放大倍数(400倍)观察焊缝及热影响区各部位显微组织特征，并在30mm圆内,画出“焊缝”、“熔合区”、“过热区”、“正火区”、“部分相变区”、“母材”金相组织示意图。 七、思考题
简述魏氏组织的形成及对材料性能的影响?
八、实验报告 l、实验目的
2、画出焊接接头宏观组织示意图，注明不同区域。
3、画出焊接接头不同区域显微组织示意图，并注明名称、工艺、腐蚀剂
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放大倍数、区组织组成物。
4、分析焊接接头不同区域组织和常见缺陷对性能的影响。 九、其它说明
本课程的三份实验报告统一用学校标准实验报告簿,并装订成册
图1宏观组织 图b熔合区 、粗晶区
图d部分相变区
图a焊缝区
图c细晶区
图e母材
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