焊接接头组织分析

实验二 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 21
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 21
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


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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 22
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 23（
a）所示。


图 22
焊缝金属

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（a）
（b）
（c）
3



（d）
（e）
（f）
图 93
20号钢焊接接头金相组织（ 200×）
（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
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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 24
所示。


图 24
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 1350～1450℃）。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 23（
b）所示。

2、过热区

该区的加热温度范围为 1100～1350℃。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 23(
c)所示。

3、正火区（重结晶区）

该区加热温度在 Ac3~1100℃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

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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 23(
d)。

4、部分相变区（不完全重结晶区）

焊接时，加热温度在 Ac1~Ac3之间（约 750～900℃）的金属区域为不完全重结晶区。
当低碳钢的加热温度超过 Ac1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 Ar1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 23(
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 23(
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 Ac1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。


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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 21
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。

表 21
不同的焊接方法焊接低碳钢时的焊接热影响区平均尺寸

焊接方法 各区平均尺寸 总宽
（mm 过热区 正火区 部分相变区
手弧焊 2.2～3.0 1.5～2.5 2.2～3.0 6.0～8.5
埋弧自动焊 0.8～1.2 0.8～1.7 0.7～1.0 2.3～4.0
电渣焊 18～20 5.0～7.0 2.0～3.0 25～30
气焊 21 40 2.0 27.0
真空电子束焊 ― －－0.05～0.75

三、实验设备及材料

1、金相显微镜、 30 倍放大镜
2、有关金相图谱
3、A3钢手弧焊及气焊接头宏观组织试样及显微试样。

四、实验内容及步骤

1、实验前，先认真阅读实验指导书的内容，并明确本次实验的目的和要求。
2、观察并画出焊接接头的宏观组织示意图，观察焊接缺陷形态及部位。
3、观察并画出焊接接头各个区域典型组织示意图
4、测量热影响区宽度（手弧焊及气焊）

五、注意事项

1、拿取金相试样时，不得用手指触摸试样表面或使试样表面受到硬物擦伤，以免使
显微组织模糊，影响观察效果。
2、画组织图时，应抓住组织形态特点，画出典型区域的组织，注意不要将磨痕画在
图上。
3、认真完成实验报告。

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