1、1焊接件的金相检验丁惠麟2焊接件的金相检验焊接件的金相检验概述概述一、概述一、概述 焊接过程是在高温热源的作用下，基体金属发生局部熔化，并与熔融的填充金属混合而形成熔池。当热源离开后焊接熔池温度迅速下降，并凝固结晶形成焊缝。焊接一般经历以下几个过程： 加热熔化冶金反应结晶固态相变形成接头 焊接热过程贯穿焊接的始终，它是影响焊接质量的主要因素之一。焊接应力、应变以及冶金、结晶、相变都与之相关。 在化学冶金过程中，熔化金属、熔渣、气相之间将发生一系列的冶金反应，如金属氧化、还原、脱P、S、焊缝金属与氢作用等等，都会直接影响焊缝金属的成分、组织和性能。 焊接时金属结晶和相变是在快速连续冷却条件下进行
2、的，可能产生偏析、夹杂、气孔、裂纹、淬硬和脆化等缺陷。所以，这一过程也是影响焊接质量的重要环节。 焊缝两侧的基体金属也受到焊接热的作用，受热后温升不同，发生组织变化也不同，也将不同程度地影响其性能。 归纳起来，焊接过程的特点如下： 1.加热温度高 熔池液态金属温度可达17701870，比炼钢温度不高，焊缝区的熔合线附近都在1350以上。 2.加热速度快 熔化凝固及热影响区相变仅几秒至几分钟。 3.高温停留时间短。 4.局部加热、温差大 造成组织转变的差异和组织的不均匀。3焊接件的金相检验焊接件的金相检验概述概述 5.冷却条件复杂 焊缝和热影响区冷却方式以母材金属热传导为主，在环境下的自然冷却为
3、次。所以，冷却速度很快，有时可达淬火状态。因此，冷却速度受母材的导热性、板厚度、接头的形状、板材焊前的初始温度等因素有关。 6.偏析严重 因为熔化凝固时间短（几秒钟），冶金反应不平衡、不完善，成分分布不均匀，所以区域性偏析大。 7.组织差别大 1）液体金属蒸发，化学元素烧损； 2）焊缝金属和母材互相扩散； 3）温度不均匀，冷后组织差别大。 8.存在复杂的应力 因为温差大和组织转变不同，引起温差应力和变形与组织转变应力。所以要分析焊接后的组织和缺陷分析，必须和上述特征联系起来考虑。4焊接件的金相检验焊接件的金相检验宏观检验宏观检验二、宏观检验二、宏观检验 包括两个方面：外观质量和焊缝低倍组织。
4、1.外观 主要按照GB/T6417.12005金属熔化焊接头缺陷分类及说明标准列出的六大类缺陷：裂纹、孔穴、固体夹杂、未熔合和未焊透、形状和尺寸不良及上述缺陷外的其他缺陷等。 形状缺陷指：咬边、缩沟、焊缝超高、焊瘤、概况收缩、气孔等共18种。 其他缺陷指：飞溅、表面撕裂等9种。 2.低倍组织（酸蚀） 焊缝处取样、磨平、侵蚀后可见三个区域（图1）： 1）焊缝 熔化金属凝固结晶而成。 特点：晶粒呈柱状，平行于传热方向。 2）熔合区 基体和焊缝熔融结合区。 3）热影响区 靠近熔化金属而受到焊接热作用发生组织和性能变化区，易侵蚀而呈深灰色区。 4）母材金属 保持原有状态组织。 3.焊缝低倍组织检查内容
5、 焊缝低倍组织主要检查：焊接裂缝、气孔、夹杂物等。 图1 焊接接头示意图1焊缝 ； 2熔合区3热影响区； 4基体金属5焊接件的金相检验焊接件的金相检验宏观检验宏观检验 1）焊缝中的热裂纹一般可分分三类：焊道裂纹、弧坑裂纹、根部裂纹。 2）根据形成裂纹的温度范围和原因分三种：热裂纹、冷裂纹和再热裂纹。 4.奥氏体不锈钢焊接头低倍组织 一般包括：过热区、再固溶化温度区、稳定化影响区和敏化热影响区。 1）过热区 紧贴熔合线的一个狭区，侵蚀后呈黑色的窄带。温度高，晶粒大，形成奥氏体粗晶组织。 2）固溶化温度区保持原状态奥氏体组织。 3）稳定化热影响区 低于固溶温度、高于800，对含稳定化元素Ti、Nb
6、的不锈钢会析出TiC或NbC。对18-12Mo型不锈钢母材中有相时，可能使相转变为相（脆性），在腐蚀介质中有选择性腐蚀特点。 4）敏化热影响区 400800范围内，会在奥氏体晶粒边界析出Cr23C6型碳化物，使晶界贫Cr而产生晶间腐蚀。在腐蚀介质中常发生刀蚀而失效，即热影响区晶界贫Cr而产生晶间腐蚀引起的腐蚀沟槽。6焊接件的金相检验焊接件的金相检验焊接区显微组织特征焊接区显微组织特征三、焊接区显微组织特征三、焊接区显微组织特征 焊接区有焊缝、热影响区（包括熔合区）和母材三部分组成。 1.焊缝组织 焊缝从加热熔化后由高温冷到室温，中间经过两次组织转变： 第一次从液体转变为固体时的结晶过程，称为一
7、次结晶； 第二次是当焊缝金属温度降低至相变时所发生的组织转变，称二次结晶。 焊缝的组织和性能除与化学成分有关外，还取决于这两次结晶情况。 1）焊缝一次结晶组织 （1）一次结晶的特点： 一般焊接溶池较小，又被周围冷金属和环境介质所包围，所以溶池冷速快（平均冷速约4100 /秒）。对高碳、合金元素较多的钢种易产生硬化组织及焊缝裂纹。 熔池中心温度高，边缘凝固界面的散热快，冷速快，促使柱状晶的发展。 熔池是在运动状态下结晶的。因为熔池随热源移动而移动，金属的熔化与结晶同时进行，溶池内液体金属达到沸腾，焊条的摆动、气体的吹力使溶池发生搅拌作用，所以，结晶是在运动状态下进行的。 （2）一次结晶组织特征
8、熔池凝固结晶熔合线基体金属晶粒联生，以柱状晶形态向散热相反方向长大，直至相互受到阻碍为止，成为柱状晶。此外，在一定条件下，熔池中的液体金属在凝固时也会产生晶核，并向四个方向均匀地生长成等轴晶。 （3）焊缝偏析7焊接件的金相检验焊接件的金相检验焊接区显微组织特征焊接区显微组织特征 焊缝冷速快，成分来不及扩散，分布不均匀，形成偏析，非金属夹杂来不及浮出而残留在焊缝内，因此对焊缝性能影响大。 焊缝偏析分为显微偏析、宏观偏析和层状偏析。 显微偏析 低碳钢焊缝中C或杂质晶界上含量比钢平均含量高晶界偏析。 宏观偏析 熔池中杂质浓度高，使最后凝固部分严重偏析，易产生纵向裂纹。 焊缝横断面上出现分层组织、成分
9、不均匀，称为层状偏析。 （4）一次晶组织的性能 粗大柱状晶不仅降低焊缝强度，而且使塑性、韧性下降。 树枝晶比胞状晶产生裂纹倾向大。 粗大树枝晶比细小的树枝晶产生热裂纹倾向大。 2）焊缝金属的二次结晶（固态相变） 一次结晶后的奥氏体组织进一步转变成何种组织，取决于焊缝化学成分、冷却条件及焊后热处理等因素。 （1）二次结晶组织 低碳钢：大部分为铁素体+少量珠光体，铁素体沿原奥氏体晶界析出。 冷速快，珠光体增加，还可能出现贝氏体。 冷速慢，铁素体呈粗大的魏氏组织。 低合金钢： 合金元素含量少（如16Mn、20G钢），焊缝组织与低碳钢相似（铁素体+少量珠光体），冷速快，出现粒状贝氏体，甚至出现马氏体。
10、 合金元素较多的低合金高强度钢，焊后组织为贝氏体或下贝氏体，甚至出现8焊接件的金相检验焊接件的金相检验焊接区显微组织特征焊接区显微组织特征低碳马氏体，高温回火后为回火索氏体。 奥氏体不锈钢：奥氏体+少量铁素体。 铁素体不锈钢：仍为铁素体。 马氏体不锈钢：仍为马氏体。 铁素体不锈钢和马氏体不锈钢用Cr-Ni奥氏体焊条时，焊缝组织均为奥氏体。 （2）不同二次结晶组织对机械性能的影响 强度：随马氏体、贝氏体、（铁素体+珠光体）、铁素体、奥氏体顺序下降。 塑性和韧性：奥氏体最好，且无明显脆性转变现象；下贝氏体良好，抗拉强度也高；上贝氏体韧性最差。 （铁素体+珠光体）和奥氏体组织焊缝抗裂性较好。 组织越
11、细、分布越均匀，焊缝性能越好。 2.熔合区组织 熔化焊焊缝是由焊接填充材料与母材熔合部分相互混合后，形成的熔化组织。这种“混合”是不均匀的，如图2所示。熔化焊缝（焊缝金属）区内实际上有三部分组成：即焊缝中的液态填充金属与母材金属完全混合熔化区；焊缝中未混合的母材金属熔化区；母材中部分熔化区。 图2 焊接接头金属的区域组成示意图1焊缝中的完全混合熔化区；2焊缝中的未混合熔化区；3母材中的部分熔化区；4受热影响的母材区（热影响区）；5实际的熔化与未熔化部分的分界线；6未受热影响的母材区9焊接件的金相检验焊接件的金相检验焊接区显微组织特征焊接区显微组织特征所以，在焊缝与母材热影响区之间存在着一个组织
12、与成分有特征的过渡区，它就是焊接接头中的熔合区，即熔合线。微观上看，熔合线是液固两相共存的熔合区，是焊缝与母材间的过渡区，它处于母材的部分熔化区中与母材的固态晶体相连接的区域。熔合区气息的位置和状态如图3所示。 图3 焊缝结晶凝固时熔合区状态示意图1熔融的焊缝金属；2成长中的晶体；3母材近缝区晶粒；4熔合线；5熔化的晶界10焊接件的金相检验焊接件的金相检验焊接区显微组织特征焊接区显微组织特征 3.焊缝热影响区组织特征 焊接热影响区是母材在焊接时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。现以20钢为例，分析焊接热影响区的组织变化。可用图4表示热影响区和焊接热循环及铁碳状态图之间的
13、关系。 图4 焊接热影响区和铁碳状态图之间的关系(a)热影响区的组织示意图；(b)铁碳状态图（低碳部分）；(c)焊接热循环曲线11焊接件的金相检验焊接件的金相检验焊接区显微组织特征焊接区显微组织特征焊接热影响区组织分布图1熔合区 2过热区 3正火区 4不完全重结晶区5基体金属 6淬火区 7部分淬火区 8回火区12焊接件的金相检验焊接件的金相检验焊接区显微组织特征焊接区显微组织特征 焊缝热影响区实际上是进行了一次热处理，但不同于一般热处理，因为焊接特点是： a.加热温度高，约1350左右，一般热处理加热温度Ac3+50; b.加热速度快，比一般热处理快几十倍至几百倍； c.高温停留时间短； d.
14、自然条件下连续冷却； e.局部加热，组织转变在复杂应力状态下进行，并且是不均匀的。 基体金属上各点与焊缝距离不同，加热温度、速度、停留时间、冷速也不同，所以各点组织性能也不同。 1）低碳钢及不易淬火钢热影响区组织（如20钢、16Mn、15MnTi、15MnV等） （1）熔合区 处于固、液相之间，又称半熔化区。固液成分互相扩散，所以成分既不同于焊缝，又不同于基体。这个地方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，塑性、韧性很差。由于该区很窄，金相显微镜下很难区分出来。 （2）过热区（1100以上至固相线以下） 珠光体和铁素体转变成奥氏体后，晶粒严重长大
15、，冷却后成为晶粒粗大的过热组织，即粗大针状铁素体（魏氏组织）+索氏体。 过热区塑性很差，冲击韧性（k）比基体低2530%，是焊接件中的薄弱区域，焊接刚性较大的结构时，易在该区出现裂纹。13焊接件的金相检验焊接件的金相检验焊接区显微组织特征焊接区显微组织特征 （3）相变重结晶区（正火细晶粒区） 温度在Ac31100之间，金属发生重结晶，铁素体和珠光体转变为奥氏体，然后空冷，得到晶粒均匀而细小的铁素体和珠光体。 （4）不完全重结晶区（部分相变区） 温度Ac1Ac3(7501100)之间,珠光体全部转变为奥氏体，而铁素体只有部分变成奥氏体，冷却时奥氏体晶粒发生重结晶，得到晶粒细小的铁素体和珠光体，并
16、分布在未转变的铁素体周围。 因此，该区的组织和晶粒大小都不均匀，使机械性能稍有下降。 熔合区和过热区中所指的过热组织： 对于低碳钢主要是魏氏组织； 对于16Mn，由于加入Mn，有少量粒状贝氏体； 对于15MnTi、15MnV过热区可能全部为粒状贝氏体。 2）易淬火钢热影响区的组织 对中碳钢、低碳和中碳调质钢等淬火倾向较大的钢种，焊前处于正火或退火状态时，热影响区的组织可分为： （1）完全淬火区 加热到Ac3以上区域，焊后冷却下来得到淬火组织（马氏体）。 在熔合线附近（相当于低碳钢的过热区）晶粒严重长大，为粗大马氏体。 在相当于正火区部分，得到细小马氏体。如冷却速度较慢或含碳量较低，也可能出现贝
17、氏体，从而形成马氏体+贝氏体混合组织。14焊接件的金相检验焊接件的金相检验焊接区显微组织特征焊接区显微组织特征 （2）不完全淬火区（ Ac1Ac3之间区域） 铁素体不发生变化，只有不同程度长大。 珠光体、贝氏体转变为奥氏体，随后快速冷却得到马氏体。 最后形成马氏体+铁素体共存组织。 碳和合金元素含量低，冷速缓慢，也可能出现珠光体组织。 （3）回火区 焊前为调质态，除上述两个区域外，还可能发生不同程度的回火区。 所以，热影响区组织不仅与基体成分和焊接热循环特征有关，还和焊前热处理状态有关。 3）焊接接头组织形貌特征 （1）铁素体 在焊缝金属和热影响区中常见的是先共析铁素体，包括自由铁素体和魏氏组
18、织铁素体两种。 自由铁素体 是由奥氏体晶界上析出的铁素体，常见有块状和网状两种形貌。 块状铁素体是在高温下而过冷度较小的冷却过程中形成的。 网状铁素体是在较低温度和过冷度较大的冷却过程中形成的。 自由铁素体析出数量与奥氏体晶粒大小有关，晶粒越大，铁素体越少。 魏氏组织铁素体 低碳钢焊缝金属和热影响区极易形成魏氏组织铁素体。 其形貌为除晶界铁素体外，还有大量的从晶界伸向晶粒内部形似锯齿状或梳状的铁素体，或在晶内以针状独立分布的铁素体，往往针粗大且交叉分布。15焊接件的金相检验焊接件的金相检验焊接区显微组织特征焊接区显微组织特征 （2）贝氏体 低碳钢尤其是低碳氏合金钢易出现粒状贝氏体和上、下贝氏体
19、。 （3）马氏体 在低碳合金钢的焊缝和热影响区易形成板条状马氏体，不会出现隐晶马氏体。由于马氏体的存在会恶化力学性能，极易产生焊接裂纹，因此，在焊接组织中不允许马氏体存在。16焊接件的金相检验焊接件的金相检验焊接组织的侵蚀焊接组织的侵蚀四、焊接组织的侵蚀四、焊接组织的侵蚀 1.碳钢、低碳合金钢：侵蚀剂为硝酸酒精，和一般结构钢相同。 2.不锈钢、耐热钢对接焊、点焊： 1）化学腐蚀法：硫酸铜4g、盐酸20ml、水20ml； 2）电解侵蚀法：草酸10g、水100ml，电压6V，20秒。 3.异种钢焊接：酒精30ml、盐酸15ml、硝酸5ml、重铬酸钾5g、苦味酸13g、FeCl35g。 焊接件宏观侵
20、蚀剂 1）低碳、低合金钢：10%硝酸酒精溶液或10%过硫酸铵水溶液侵蚀，均在室温。 2）奥氏体不锈钢： 4gCuSO4+20mlHCl+20mlH2O溶液热蚀； 10%草酸或10%铬酸电解侵蚀。17焊接件的金相检验焊接件的金相检验焊接接头常见缺陷焊接接头常见缺陷五、焊接接头常见缺陷五、焊接接头常见缺陷 焊接接头常见的缺陷有裂纹、孔穴、夹渣与夹杂、未焊透和未熔合等缺陷。 1.裂纹 根据形成焊接裂纹的温度范围和原因，焊接裂纹可分为：焊接裂纹 热裂纹(高温裂纹)结晶裂纹(凝固裂纹)焊接裂纹(液化裂纹)高温低塑性裂纹 冷裂纹(低温裂纹)氢致裂纹(延迟裂纹)再热裂纹（焊后热处理裂纹或去应力退火裂纹）层状
21、撕裂(高温失塑裂纹) 1）热裂纹 在低于凝固温度时产生的凝固裂纹，在300以上的高温下产生的裂纹都称热裂纹。 热裂纹都贯穿在焊缝表面，断口被氧化呈氧化色，裂纹宽度约0.050.5mm，裂纹末端略呈圆形。裂纹都产生在焊缝，也有出现在热影响区。 （1）焊缝中热裂纹分类 焊道裂纹 平行于焊缝称纵裂纹，垂直于焊缝的称横裂纹。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，往往与母材晶界相连。18焊接件的金相检验焊接件的金相检验焊接接头常见缺陷焊接接头常见缺陷 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。 根部裂纹 起源于焊缝根部，沿柱状晶界向焊缝扩展的裂纹。 2）根据热裂纹形
22、成原因，可分为结晶裂纹、熔化裂纹和高温低塑性裂纹。 （1）结晶裂纹 焊缝结晶过程中，在固相线附近温度下，沿晶界开裂的热裂纹称结晶裂纹。主要出现在含杂质S、P、C、Si等偏析处和收缩应力作用下的焊缝中（包括弧坑），有纵向和横向两种裂纹。 （2）熔化裂纹（液化裂纹） 在焊接高温作用下，基体金属近缝区或多层焊缝的层间金属中，因含有低熔点共晶组成物而被重新熔化，同时在焊接应力作用下，使之沿奥氏体晶界开裂。裂纹主要发生在热影响区，特别是靠近熔合线附近。 （3）高温低塑性裂纹 在高温合金和奥氏体不锈钢焊接接头中，由于在高温下失去塑性导致的裂纹，所以也称高温失塑裂纹。 它一般发生在热影响区，但比熔化裂纹的部
23、位离熔合线更远些。 裂纹的特点是沿晶界有清晰的光滑的光滑的棱边，比液化裂纹直，无方向性，裂纹附近有再结晶现象。 各种热裂纹如图5所示。19焊接件的金相检验焊接件的金相检验焊接接头常见缺陷焊接接头常见缺陷图5 各种热裂纹示意图20焊接件的金相检验焊接件的金相检验焊接接头常见缺陷焊接接头常见缺陷 2）冷裂纹 钢在大约200以下时，由于拘束应力、淬硬组织和氢的作用在焊缝接头内产生的裂纹，叫冷裂纹。 冷裂纹主要发生中、低合金钢和高碳钢的热影响区。 冷裂纹有以下四种： （1）氢致裂纹（也称延迟裂纹） 裂纹不是焊后立即出现，而需要经过一段时间（几小时、几天甚至更长时间）。主要是由于焊丝、焊剂未进行必要的烘
24、烤，有水分，经电弧作用分解出氢，达焊缝中富集，加之冷速快，氢在焊缝中产生一定压力，以气泡的形式存在，一旦受到外力的作用而扩展成裂纹。 裂纹的特征：一般无分枝、穿晶开裂，显微形态是断续分布。 （2）淬硬脆化裂纹 焊接淬硬倾向较大的钢种时，即使没有氢的作用也会导致开裂。主要是由淬硬组织引起的，故又称淬火裂纹。焊后裂纹立即产生，无延迟现象。 （3）低塑性脆化裂纹 在低温下，由于收缩应变超过材料塑性储备而产生的裂纹。 如铸铁的焊接，在热影响区常出现边焊边裂的现象，几乎无延迟。 （4）层状撕裂 焊接结构件，尤其是厚板焊接时，拘束应力大，残余应力高。 在焊接热影响或靠近热影响区部位，由于母材厚度方向应力，
25、在平行轧制方向产生层状和台阶状的裂纹，称为层状撕裂。21焊接件的金相检验焊接件的金相检验焊接接头常见缺陷焊接接头常见缺陷 裂纹在母材中萌生发展，平行于轧制方向呈台阶扩展形态，大部分呈穿晶分布。 一般板材具有严重的带状组织，在厚度方向巨大应力的作用下，使夹杂物与基体分离萌生裂纹，再沿带状组织分层扩展，不同层间的裂纹由细而直立裂纹连接起来，使整个裂纹成为台阶状。 各种冷裂纹如图6所示。图6 各种冷裂纹示意图，冷裂纹主要发生在中、低合金钢和高碳钢的热影响区22焊接件的金相检验焊接件的金相检验焊接接头常见缺陷焊接接头常见缺陷 3）再热裂纹 含有Mo、V、Cr、Nb等沉淀强化元素的低合金高强度钢、珠光体
26、耐热钢，在焊后消除应力的热处理等重新加热过程中，析出沉淀硬化相，在焊接热影响区的粗晶区产生裂纹。 再热裂纹都是沿晶开裂，在550650区间最敏感。 裂纹形态：沿晶、分叉，边缘有楔形开裂特征。有时在奥氏体晶界上呈不连续显微孔穴开裂点，串集成晶间裂纹。 产生部位：在焊趾和焊根部。 2.孔穴（气孔） 焊缝中由于气体存在造成的孔穴称这为气孔。 熔融金属在高温时溶解大量气体，随温度下降，气体以气泡的形式自焊缝中逸出，来不及逸出的气体残留在焊缝内就形成气孔。 形成气孔的气体主要是氢气和CO（焊条、焊剂受潮未烘干、表面有油污、焊接不规范、焊条药皮开裂、脱落、变质等）。 从气孔的分布来分：有单个气孔、连续气孔
27、、密集气孔。 从气孔的部位来分：有外部气孔和内部气孔（图7）。 从气孔的形状来分：有针孔、圆气孔、条虫状气孔、链状和蜂窝状气孔等。图7 气孔形态23焊接件的金相检验焊接件的金相检验焊接接头常见缺陷焊接接头常见缺陷 3.夹渣（夹杂） 1）残留在焊缝中的熔渣（焊剂或熔剂夹渣）； 2）氧化夹杂（凝固过程中在焊缝中残留金属氧化物）； 3）皱褶（如铝合金氧化膜紊流中夹入）。 4.未熔合和未焊透 未熔合（图8）：侧壁未熔合；层间未熔合；焊缝根部未熔合。 未焊透（图9）：焊接接头的概况未完全熔透的现象。图8 未熔合示意图图9 未焊透示意图24焊接件的金相检验焊接件的金相检验焊接接头常见缺陷焊接接头常见缺陷 5.形状缺陷 指焊缝的表面形状与原设计几何形状有偏差。常见的有：咬边（图10）、缩沟、焊瘤（图11）、烧穿（图12）、焊缝接头不良（图13）及其他缺陷。详见GB/T6417.12005金属熔化焊接头缺陷分类及说明。 图10 咬边示意图(a)连续咬边；(b)间断咬边 图11 焊瘤示意图 图12 烧穿示意图 图13 焊缝接头不良示意图25焊接件的金相检验焊接件的金相检验焊接部分的显微组织及硬度分布图焊接部分的显微组织及硬度分布图26焊接件的金相检验焊接件的金相检验焊根部位脱碳和裂纹形态焊根部位脱碳和裂纹形态
