金属材料焊接接头的组织与性能对比

齐羿　杨建全

摘 要：随着工业和科学技术的不断发展，对金属材料焊接技术的要求也越来越高。金属材料的焊接性能一般包括接合性能与使用性能，金属材料的焊接性与焊接时焊接接头的组织和性能有关，为此，一定要寻找出合适的焊接方法，确保好焊接接头的组织和性能，控制焊接能力参数，学会从组织的变化去研究和分析焊接性能的变化。

关键词：金属材料；焊接接头的组织与性能；对比

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.010

1 实验材料、工艺及设备

1.1 实验材料

（1）实验选用的是长、宽、高分别为150mm、50mm、5mm的16Mn薄板；（2）直径为3.2mm 的J507型焊条。

1.2 加工工艺及实验设备

（1）焊接方法。本实验要测定不同焊接参数下焊缝金相组织的变化，所以选择焊条电弧焊进行焊接较为适合。

（2）实验设备。1）焊接设备：带数显的逆变式直流电弧焊机；2）切割设备：DK7740型数控电火花线切割机床；3）试样制备设备：MP-2型预磨机、MP-2型磨抛机；4）检测设备CMM-55Z型金相显微镜。

1.3 焊接参数

（1）焊缝空间位置采用平对接焊缝；（2）坡口形式：I形；（3）焊件序号：1.2.3.4；（4）焊件厚度：1-5mm；（5）焊接电压：22-28V

1.4 坡口加工、装备及焊接

材料较薄，无需开坡口。预留装配间隙1～2mm。母材较短，点固时在板材两端各留30mm，然后再点固，定位焊长度为10～15mm

焊前点固。试板较短，选用中间接头法。焊条与工件保持80°～90°夹角。板厚较薄，采用单面焊双面成型，一般只焊一层。

2 实验方案及检测分析方法

2.1 实验方案

（1）16Mn不同焊接参数下组织研究；（2）16Mn钢的物理特性；（3）16Mn钢的焊接性分析；（4）16Mn钢的焊接工艺设计；（5）16Mn钢的焊接；（6）金相组织分析；（7）结论。

2.2 实验检测分析方法

进行显微组织观察，具体是在焊接后试件上取样，抛光、腐蚀，然后再观察与分析焊接区的显微组织，最后使用CMM-55Z型显微镜进行拍照。

3 金相检验

（1）试样切取基本要求。1）不得加热；2）焊接接头试样完整，试样上、下表面平行，视场内凸凹度不超过光学显微镜的景深；3）试样表层不能有明显磨痕、加工硬化、非金属夹杂物剥落或其它使组织模糊的表面层；4）显蚀方法得当、深浅适中、组织清晰。

（2）试样切取。沿焊缝纵向将试样两端各截取一段，中间截取一段。

（3）试样磨制。机械磨制，采用水砂纸。换砂纸须消除前道砂纸的痕迹，试样垂直转换90°。保证试样磨面平整，以免影响金相观察。

（4）试样抛光。时间在3～5min之间较好。

（5）浸蚀。选用4%硝酸酒精溶液作为浸蚀液，浸蚀时间控制在8s左右。

（6）金相照片的拍制。将试样轻放在显微镜物镜上，调整显微镜，使可以清晰观察到试样显微组织，然后拍照。

4 实验结果分析

4.1 金相组织分析

（1）焊缝区。1）铁素体转变。低合金钢焊缝中的铁素体转变随温度不同而具有不同形态，大体有以下四种类型：先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体、细晶铁素体；2）珠光体转变。只有在冷却速度很低的情况下，才能生成少量珠光体；3）贝氏体转变。贝氏体转变属于中温转变，发生在550℃～Ms之间；4）马氏体转变。过冷奥氏体保持在Ms点以下，就会发生扩散型的马氏体转变。

（2）熔合区。熔合区是过渡区，相当狭窄，因此其对焊接接头的质量影响不大。

（3）热影响区。1）过热区。在过热区中粗大的奥氏体晶界上分布着魏氏组织铁素体，并由晶界向晶内生长，故而其性能尤其是韧性很差，是焊接接头的最薄弱地区；2）正火区。在正火区的晶粒明显小于过热区，而且铁素体与珠光体均匀混合分布，所以这个区域性能很好；3）不完全正火区。不完全正火区的焊后金相组织周围聚集着经过重结晶分解的细密铁素体和珠光体，金属组织不均匀，晶粒大小不一，力学性能很差；4）再结晶区。如果母材焊前未遭受冷加工变形，或虽遭受冷加工变形但已经再结晶，组织性能自然恢复；5）蓝脆区。蓝脆的机理尚不十分清楚。

4.2 显微组织对比分析

对比发现：焊接电流相同，焊接速度增大，熔池中心温度梯度下降，熔池中心成分过冷加大，焊缝中心晶粒度增大，晶粒得到细化，有效增加焊缝强度；同时，焊接速度增加，缩短焊接过程中高温停留时间，过热区晶粒来不及长大，过热区范围减少，减少产生焊接缺陷的来源；正火区范围增大，提高了焊接接头的力学性能。

对比发现：焊接速度相同，焊接电流减小，焊缝区晶粒度增大，晶粒得到细化，有效改善焊接接头的力学性能。

4.3 16Mn的焊接性分析

16Mn的焊接性是指钢材对于焊接加工的适应性，即获得优质焊接接头的难易程度。由于钢的焊接性主要取决于钢的化学成分，而16Mn的碳及合金元素的含量都比较低，总体来说焊接性比较好，所以在焊接过程中一般不会产生缺陷。

（1）热裂纹。热裂纹一般是在焊接高温下产生的，最严重的是结晶裂纹，结晶裂纹主要是在结晶后期，由低熔点物质所形成的液态薄膜而引发的，在正常情况下，16 Mn钢是不会出现结晶裂纹的。

（2）冷裂纹。大量的生产实践和理论研究表明，钢种的淬硬倾向、一定的含氢量和足够的拘束应力是焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。

5 结论

实验表明，厚度为5mm的16Mn薄板焊条电弧焊时的焊接工艺规范：焊条直径：3.2mm，焊接电流112A，焊接电压：22-28V，焊接速度：40cm/min。

参考文献：

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