焊接試板采用氣割法取樣對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響分析

劉水成

（遼寧本溪大峪國家糧食儲(chǔ)備，遼寧 本溪 117009）

0 前言

在理化試驗(yàn)室進(jìn)行的機(jī)械性能試驗(yàn)、金相分析中，多數(shù)試樣都是焊工考試，焊接工藝評(píng)定及產(chǎn)品試板，試驗(yàn)的準(zhǔn)確與否，對(duì)焊工的操作技術(shù)；焊工工藝的合理與不合理；產(chǎn)品焊接質(zhì)量的好與壞影響極大。其中對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響的因素很多，本文就其中一個(gè)方面，運(yùn)用金屬學(xué)的基本知識(shí)及金相分析的方法，觀察采用氣割方法切取的焊接式樣，因存在熱影響區(qū)其金屬組織的變化情況，分析由于金屬組織的變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的的影響，以及今后應(yīng)如何改進(jìn)的建議。

1 實(shí)驗(yàn)材料及處理

試驗(yàn)材料采用A⒊鋼，由十六化建公司焊工培訓(xùn)隊(duì)第八期學(xué)員焊接。

從焊接試板上切取金相試樣時(shí)，一個(gè)采用機(jī)械切削的方法，另一個(gè)采用氣割的方法。

從試板上取樣的部位，從焊接接頭的橫截面上截取，所取的截面包括焊縫金屬，熱影響區(qū)和母材三個(gè)部份。

從試板上取樣的要求：機(jī)械切削方法切取的試樣不能受到熱影響，用氣割法切取的試樣應(yīng)保留氣割時(shí)產(chǎn)生的熱影響區(qū)。

試樣的加工方法：采用銑床，銑平后就停止加工，待下序進(jìn)行。加工時(shí)采用冷卻液冷卻防止產(chǎn)生50 度以上的溫度。

金相試樣的磨制：首先在予磨機(jī)上進(jìn)行粗磨，采用280# 水砂紙進(jìn)行，試樣磨到?jīng)]有機(jī)械加工的粗大痕跡后，用金相砂紙進(jìn)行細(xì)磨。使用金相砂紙要按砂紙的編號(hào)280#、320#、01#、02#、03#、04# 依次進(jìn)行，合格后再移到拋光機(jī)上拋光，用顯微鏡放大100 倍，看不到劃痕停止拋光。拋光材料采用氧化鋁粉和人造金鋼石研磨膏。

金相試樣的腐蝕：拋光后的金相試樣首先要進(jìn)行清洗，清洗干凈后用95%以上的酒精沖洗，以便去掉水分促進(jìn)蒸發(fā)，并且馬上用吹風(fēng)機(jī)吹干。吹干后的試樣用4%的硝酸酒精溶液侵蝕時(shí)間不限，以清晰的顯示金屬組織為準(zhǔn)。侵蝕清晰后馬上用水洗凈，再用95%的酒精沖洗，然后快速用吹風(fēng)機(jī)吹干，以防產(chǎn)生銹蝕影響觀察效果。

金相組織的檢驗(yàn)使用XJL—02A 型立式金相顯微鏡進(jìn)行。為了觀察與比較方便將金相組織放大到100 倍進(jìn)行顯微照像、制成圖片。

2 試驗(yàn)結(jié)果觀察與分析

2.1 圖片制作

首先用顯微鏡檢查機(jī)械切削方法切取的金相試樣面，以焊縫、過熱區(qū)、正火區(qū)、不完全正火區(qū)的順序進(jìn)行，再用顯微鏡檢查氣割法切取的金相試樣面順序同上。

在檢查過程中選取典型組織逐一攝像，攝像的曝光時(shí)間10 秒，然后進(jìn)行沖洗。底片的顯影時(shí)間為2～4 分鐘，定影時(shí)間為10 分鐘。顯影液配方為D—72 型，定影液配方為普通定影液。印像曝光時(shí)間為2 秒鐘左右，顯影時(shí)間為2 分鐘左右，定影時(shí)間為10 分鐘。顯影、定影配方與膠片相同，顯影液可按1：2 兌水將原液沖淡。

2.2 金相圖片的觀察分析

首先觀察一下用機(jī)械切削方法切取的焊接試樣金相金屬顯微組織照片如圖1、圖2、圖3 所示。

圖1 觀察100x：上部是焊縫，下部是過熱區(qū)

圖2 觀察100x：左部是正火區(qū)，右部是不完全正火區(qū)

圖3 觀察100x：母材

圖1 是焊縫和過熱區(qū)的金屬組織情況，從圖中可看到焊縫的組織呈粗大的柱狀結(jié)晶，柱狀結(jié)晶的產(chǎn)生是在焊接時(shí)電弧離出，熔池冷卻時(shí)在母材坡口處未完全熔化的晶粒（即半熔化晶粒）便成為熔池金屬的結(jié)晶核心，凝固后部分焊縫金屬和坡口處的母材金屬形成許多共同晶粒，即所謂晶內(nèi)結(jié)晶，如圖4 所示。

圖4

由圖4 中可看到焊縫晶粒的大小，很大程度上取決于熔池相接處母材的晶粒大小。通常情況下焊縫結(jié)晶從半熔化晶粒開始，垂直于焊縫與母材的交線（熔合線），向散熱的反方向，向焊縫中心生長，這樣形成的焊縫晶粒，稱為柱狀結(jié)晶。

與焊縫相接的是過熱區(qū)，組織為粗大的魏氏組織，魏氏組織是由網(wǎng)針狀鐵素體與珠光體組織組成。魏氏組織的產(chǎn)生是因?yàn)楹附訒r(shí)產(chǎn)生的1100℃至1493℃的高溫，使這一區(qū)域的奧氏體晶粒變得十分粗大，在焊后迅速冷卻的條件下便產(chǎn)生了粗大的魏氏組織。魏氏組織是一種典型的過熱組織，其組織特征是鐵素體一部分沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀分布，另一部分以平行狀態(tài)伸向奧氏體晶粒內(nèi)部而析出，析出鐵素體后剩余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，珠光體略粗。另外魏氏組織能顯著降低材料的塑性和韌性，使沖擊值惡化。

圖2 是正火區(qū)和不完全正火區(qū)的金屬組織情況。從圖2 中可以看到正火區(qū)的組織很細(xì)，它的晶粒度為8 級(jí)，他的金屬組織是由鐵素體和珠光體組成。正火區(qū)的金屬組織細(xì)化的原因是因?yàn)楹附訒r(shí)產(chǎn)生的高溫，使這一區(qū)域被加熱到900℃以上至1100℃，使鐵素體和珠光體全部轉(zhuǎn)化為奧氏體，但由于焊接時(shí)加熱速度很快，而高溫下停留的時(shí)間又短，奧氏體晶粒還未十分長大，該區(qū)就空冷下來了，所以，在這種情況下就得到了均勻細(xì)小的鐵素體和珠光體組織。該區(qū)的金屬組織相當(dāng)于熱處理中的正火組織。因此，綜合機(jī)械性能是比較好的。

與正火區(qū)相連的是不完全正火區(qū)，它的金屬組織為鐵素體和珠光體組成，晶粒度為6～8 級(jí)。從圖2 中可以清楚的看到此區(qū)域的晶粒大小、分布都極不均勻，這主要是因?yàn)楹附訒r(shí)所產(chǎn)生的高溫使這一區(qū)域被加熱到了723℃～900℃之間，當(dāng)溫度稍高于723℃時(shí)珠光體便轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，隨著溫度的升高，部分鐵素體溶入奧氏體，但還有部分鐵素體保留下來，在空冷下來時(shí)奧氏體便轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的鐵素體和珠光體，而未溶入奧氏體的鐵素體隨溫度升高，晶粒略有長大，在空冷后鐵素體又不發(fā)生轉(zhuǎn)變，所以就出現(xiàn)了晶粒大小，分布不均的狀態(tài)。這種組織狀態(tài)對(duì)機(jī)械性能有極不良的影響，尤其是此區(qū)強(qiáng)度最低。

圖3：是母材的金屬組織情況，從這張照片上可以看到母材的金屬組織全部是由鐵素體和珠光體組成。晶粒度在5～6 級(jí)之間，分布均勻一致。

下面再看一下用氣割法切取的焊接試樣金相顯微組織照片圖5、圖6、圖7。并與圖1、圖2、圖3 進(jìn)行比較分析。

圖5 觀察100x：上部是焊縫，下部是過熱區(qū)

圖6 觀察100x：左上部是正火區(qū)，右下部是不完全正火區(qū)

圖7 觀察100x：母材

圖5：是焊縫和過熱區(qū)的金屬組織照片。從圖5 中可以看到焊縫的金屬組織是由鐵素體和珠光體組成，晶粒度7～8 級(jí)。與圖1，比較發(fā)現(xiàn)粗大的粒狀結(jié)晶已全部消失，晶粒已完全細(xì)化。從圖5 中還可以看到柱狀晶粒轉(zhuǎn)變后的痕跡，鐵素體表現(xiàn)的比較集中。在這里使焊縫金屬組織細(xì)化的原因是，焊縫金屬組織受到了氣割時(shí)產(chǎn)生的高溫影響，此時(shí)的溫度約在900～1100 之間，使得原組織鐵素體和珠光體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，由于氣割時(shí)產(chǎn)生的高溫停留時(shí)間很短，奧氏體晶粒還未十分長大就空冷下來了，這一過程，相當(dāng)于熱處理的正火過程。

根據(jù)圖5 的組織情況和晶粒的細(xì)化程度，可以這樣認(rèn)為：此焊縫金屬的機(jī)械性能比沒有受到氣割時(shí)產(chǎn)生高溫影響的圖1 的焊縫金屬機(jī)械性能有了較大的提高，原始的焊縫金屬組織已完全改變，現(xiàn)已不能代表原焊縫的實(shí)際狀態(tài)。

圖5 過熱區(qū)的金屬組織與焊縫一樣，也形成了細(xì)而均勻的鐵素體和珠光體，晶粒度為7～8 級(jí)。原粗大的魏氏組織已見不到，它的轉(zhuǎn)變過程與圖5 中焊縫柱狀晶的轉(zhuǎn)變過程相同。

圖6 是正火區(qū)和不完全正火區(qū)的金屬組織照片。圖6 的左上部是正火區(qū)，右下部是不完全正火區(qū)。從圖中的金屬組織來看，左右兩邊基本上是一致的，晶粒等級(jí)也相同都是8 級(jí)，但與圖2 比較可以發(fā)現(xiàn)兩張圖正火的金屬組織和晶粒度基本上是一致的，沒有產(chǎn)生什么變化。不完全正火區(qū)圖6 與圖2 就有明顯的不同，在圖2 中可看到它的金屬組織為分布不均的略大鐵素體和細(xì)小珠光體，晶粒度為6～8 級(jí)。而圖6 中看到的卻是均勻細(xì)小的鐵素體和珠光體。在這里，使其晶粒細(xì)化的原因還是因?yàn)槭艿搅藲飧顣r(shí)產(chǎn)生的高溫影響，使原金屬組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一次轉(zhuǎn)變的結(jié)果，轉(zhuǎn)變過程與圖5 相同。

圖7 是母材的金屬組織照片。圖的左邊是魏氏組織，中間是大小不同，分布不均的鐵素體和珠光體組織，右邊是細(xì)小的鐵素體與珠光體組織。晶粒度分別為5 級(jí)、6～8 級(jí)、8 級(jí)。

圖7 這張照片是在母材的兩個(gè)位置拍攝的魏氏組織，是在試樣靠近氣割嘴附近觀察到的，寬度為1 毫米。如圖7 所示，在氣割時(shí)試樣與割嘴的最近處溫度最高，熱影響區(qū)也最大，當(dāng)最高溫度達(dá)到1300℃以上時(shí)，就使晶粒變的十分粗大，當(dāng)割嘴離開割開的試樣繼續(xù)往前走時(shí)，試樣就迅速的空冷下來，產(chǎn)生了魏氏組織，其金屬組織特征與圖1 的過熱區(qū)金屬組織特征一樣。晶粒度為4～5 級(jí)。

中間部分是在試樣母材上觀察到的第二種金屬組織，這種金屬組織在母材有兩塊，寬度約為3～4 毫米。這是一種不完全正火區(qū)的金屬組織特征，鐵素體晶粒粗大，分布不均，珠光體已細(xì)化。

右邊部分是在試樣母材上觀察到的第三種金屬組織，這是采用氣割法切取的試樣面上面積最大的一種金屬組織。這是一種正火組織，與采用機(jī)械方法切取的試樣正火區(qū)金屬組織一樣，晶粒細(xì)小均勻，金屬組織由鐵素體和珠光體組成。

母材這三種金屬組織的轉(zhuǎn)變過程，與圖1 的過程熱區(qū)、圖2 的正火區(qū)、不完全正火區(qū)的金屬組織轉(zhuǎn)變完全相同。在此就不重復(fù)敘述。

在這塊試樣的母材中產(chǎn)生三種組織的原因，是由于氣割產(chǎn)生的斷面高低不平，在進(jìn)行金相試樣加工時(shí)，為了保留氣割產(chǎn)生的熱影響區(qū)，試樣斷面低的地方切削掉的金屬就少些，因而就保留了過熱區(qū)和正火區(qū)。而原來較高的地方切削掉的金屬就多些，使過熱區(qū)和正火區(qū)被加工時(shí)切削掉了，只保留了不完全正火區(qū)。所以在母材中就表現(xiàn)出了這三種不同的組織。

3 結(jié)論與建議

3.1 經(jīng)過對(duì)兩種不同取樣方法的金屬金相顯微組織的觀察分析可以得到這樣的結(jié)論：

3.1.1 采用氣割法切取焊接試樣，由于留有熱影響區(qū)，可以完全改變焊接試樣的金屬顯微組織，使原金屬顯微組織消失，還能改變焊接試樣的晶粒等級(jí)，使原晶粒變的細(xì)小或粗大不均。

3.1.2 采用氣割法切取焊接試樣，由于金屬顯微組織和晶粒度的改變，就使焊接試樣的機(jī)械性能受到影響，使強(qiáng)度、塑性、硬度及韌性得到不同程度的改變。

3.1.3 由于采用氣割法取樣存在以上問題，所以，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性就完全得不到保證，因而也就不能提供任何有價(jià)值的，準(zhǔn)確可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也就失去了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的目的和意義。

3.1.4 既然實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)不能真實(shí)的反應(yīng)焊接的實(shí)際狀況，那也就對(duì)焊工考試、焊接工藝評(píng)定及產(chǎn)品試板完全失去了控制。這樣，就可能給安全生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量帶來嚴(yán)重的后果，還可能影響焊接人員素質(zhì)的提高，甚至影響到企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高。

3.2 為了消除焊接試板氣割取樣時(shí)產(chǎn)生的熱影響，建議采取以下措施：

3.2.1 組織焊接試板取樣專業(yè)人員進(jìn)行學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，熟練掌握國家關(guān)于焊接試板取樣的標(biāo)準(zhǔn)，并在取樣時(shí)嚴(yán)格按國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

3.2.2 焊接試板取樣要定專人進(jìn)行，并有試驗(yàn)單位認(rèn)可的人員進(jìn)行監(jiān)督檢查，或統(tǒng)一由試驗(yàn)單位進(jìn)行焊接試樣的取樣工作。

3.2.3 盡可能采用機(jī)械切削的方法切取焊接試板試樣，以保證試樣處于原始焊接狀態(tài)，如果條件不允許，必須要采用氣割法切取焊接試板試樣時(shí)，一定要在試樣的每邊留有10 毫米的加工余量，以便去掉熱影響區(qū)，保證試樣試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

［1］金屬材料及熱處理[M].上海人民出版社，1973，8.

［2］金相圖譜[M].水利電力出版社，1979，11.

［3］結(jié)構(gòu)鋼金相圖譜[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

［4］焊工培訓(xùn)教材[M].中國水利水電出版社，1980，6.

［5］焊接標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)[Z].機(jī)械工業(yè)部，東方鍋爐廠科學(xué)技術(shù)咨詢中心、標(biāo)準(zhǔn)化室、總師辦公室.

［6］金相分析技術(shù)[Z].上海交通大學(xué)520 教研組，1980.