焊接金相試驗工藝技術研究

蔣立影等

摘要：研究了焊接工作試件的金相試驗工藝技術，介紹了切取金相試件、磨制試件、金相腐蝕及拍攝金相照片的方法及焊縫金相組織中焊接缺陷的分析方法。針對焊接金相試驗中容易出現的問題，分析原因并提出合理有效的措施，充分保證了焊縫金相試驗質量。

關鍵詞：焊接 工作試件 金相試驗 焊接缺陷 措施

1.前言

在軌道車輛制造過程中，采用新焊接材料、新焊接工藝方法、焊接新材料新結構或使用新的焊接設備都需要進行焊接工藝評定；為了驗證材料的可焊接性、焊接結構的工藝性及焊縫焊接質量，都采用焊接工作試件進行生產前焊接試驗，焊縫金相試驗是最簡單實用且直觀可靠的檢測焊縫焊接質量的方法。在某公司不銹鋼、鋁合金和碳鋼車等軌道車輛及部件產品中，尤其是城軌、地鐵車體試制、轉向架試制焊接生產時，采用大量的焊接工作試件，進行批量的宏觀和微觀金相試驗并形成工作試件報告，為焊接質量檢驗提供重要的檢測依據。

本文針對焊接金相試驗中容易出現的技術難題，提出了合理有效的控制措施，保證了焊接金相試驗的順利進行。

2.焊縫金相檢測工藝

按照ISO 17639：2003標準要求，在垂直于焊件表面并沿焊縫中心方向將焊接接頭剖開，截取包括焊縫熔敷金屬和焊縫兩側的熱影響區的焊接金相試樣，進行宏觀和微觀檢驗，評定接頭組織如晶粒組織、形態和取向，沉淀和夾渣等與各種裂紋和空穴關系[1]。通過焊接工作試件和焊接工藝評定，確定焊縫的裝配尺寸、焊接前是否預熱、層間溫度、焊縫的施焊位置、焊接時的層次道數、焊接每道所使用的工藝參數等。通過焊接工藝性試驗，檢測焊接接頭的性能和截面的宏觀、微觀質量，從而對焊接工藝的合理性進行評定。

焊縫金相試驗分宏觀金相試驗和微觀金相試驗。宏觀金相試驗是將焊接工作試件切取、斷面打磨光亮后，用15倍的金相放大鏡觀察焊縫根部的熔透性、焊縫層間的熔合效果及焊接接頭中焊縫斷面的焊接質量，觀察焊接接頭中是否存在未熔合、未焊透、焊接氣孔、裂紋、夾渣等焊接缺陷。微觀金相試驗是將金相試件經過打磨、拋光、腐蝕后，用金相顯微鏡觀察焊接接頭中焊縫及影響區是否存在微觀裂紋等細微小的焊接缺陷，檢驗焊縫的微觀質量。微觀金相試驗主要用于焊接工藝評定和焊接工藝技術研究中，作為焊接質量的憑證和焊縫微觀組織分析的重要依據。

3.焊接金相試驗技術難點

焊接金相試驗包括試件的切取、打磨、拋光、腐蝕、金相分析等工藝過程，試驗過程中由于操作方法不規范、腐蝕液濃度不合理等原因，導致焊縫金相試驗不正確影響焊接質量檢測效果，因此需要研究金相試驗技術難點和工藝措施，保證焊接金相試驗質量。

3.1金相試件切取

焊接金相試驗通常利用手工鋸條或電鋸床等工具在焊接接頭中垂直焊縫軸線的橫截面上，截取包括焊縫熔敷金屬和焊縫兩側的熱影響區，去除兩側多余的焊接母材作為焊縫金相試驗試件金相試件切取過程中由于操作方法不規范，容易出現試件切割面與不垂直焊縫軸線的問題，嚴重影響后續試件打磨的工作量；由于試件壓卡不正確或鋸齒磨耗遲鈍產生劇烈震動導致試件斷面參差不齊、存在凹坑或突起等缺陷，嚴重的甚至破壞了焊縫斷面中焊縫的完整性；由于切割方式不合理或切割工具不對，導致金相試件切取過程中熱量集中，引起焊接接頭組織產生相變等，影響試驗檢測效果。

為了提高金相試件切取后的質量，保證金相試驗質量，采取以下工藝措施：（1）規試件磨制過程中，由于打磨方向不合理、手握試件壓力和方向不恰當，導致試件打磨后斷面平直度差，甚至打磨拋光后試件表面依然存在細微劃痕，影響金相試件的后序觀察效果及微觀金相組織分析。

為了提高焊接金相試件的打磨質量，保證金相中試驗的觀察效果，采取以下工藝措施，確保試件打磨的光亮度及斷面質量。①規范打磨方法，保證試件打磨方向或機器旋轉方向一致，充分磨除試件斷面上的劃痕；②用緊緊握住試件，防止試件打磨或拋光過程中跑飛，但是在垂直于試件打磨的方向上不得施加任何壓力，保證試件斷面打磨后的平直度，即試件表面為統一的水平面；③試件拋光時，必須使用光滑細膩的拋光布，而且使用黏度較小的拋光膏，充分去除試件表面的細微劃痕，保證試件光亮整潔；④試件拋光后用流動的清水將拋光膏及拋光布絨毛沖洗干凈，然后風干或用電吹風機低溫吹干，禁止用紙巾或抹布擦干試件表面，避免產生二次劃傷。

在金相試件腐蝕過程中，由于操作方法不當、腐蝕液使用不規范、腐蝕時間掌握不準確等原因，容易產生金相試件腐蝕效果差即腐蝕后觀察金相效果模糊、試件腐蝕過輕或過重腐蝕等問題，需要重新磨制試件再腐蝕，影響試驗周期。

為了保證金相試件的腐蝕效果，提高工作效率，金相試件腐蝕過程中需注意以下操作規范：（1）金相試件腐蝕前，檢測腐蝕液的種類、濃度是否與待腐蝕的試件材料相匹配，避免不匹配的腐蝕液與試件交叉腐蝕；（2）腐蝕多個試件腐蝕時，可將腐蝕液倒入試驗器皿內，然后將帶標號的試件放入腐蝕液中；腐蝕單個金相試件時，必須用棉球蘸取腐蝕液放在試件表面經行充分腐蝕，禁止用滴管直接往試件表面滴腐蝕液，腐蝕試件腐蝕不均勻；（3）認真仔細的觀察試件腐蝕過程中的反應，嚴格控制腐蝕時間，試件與腐蝕液不反應了立即將試件取出（4）腐蝕好的試件充分清理干凈，防止腐蝕液殘留在試件局部表面；（5）腐蝕好的試件可立即進行宏觀金相試驗，確定焊接接頭斷面的焊接質量；對于無法立即進行圍觀金相觀察的試件，必須做好干燥和防氧化措施，防止試件氧化或銹蝕。

3.4拍攝焊接金相照片

將磨制好的金相試件放在實驗工作臺上，用15倍的金相放大鏡觀察試件斷面的宏觀金相，判斷焊接接頭的焊接質量，用數碼相機對滿足實驗要求的試件拍攝宏觀金相照片，如圖4（a）所示。

將腐蝕好的金相試件放在金相顯微鏡上，調整試件位置和顯微鏡鏡頭焦距，根據實驗要求拍攝母材、熱影響區、熔合區及焊縫等區域的微觀金相照片，用于判斷焊接接頭微觀焊接質量、分析焊接接頭微觀組織類型、晶粒度等。用于精細科學學術研究的試件，則采用電子顯微鏡等高端精良的設備拍攝微觀金相照片。拍攝微觀金相照片時，需注意以下操作要領：（1）試件的中心首先對準鏡頭中，然后根據需要通過移動載物臺調整試件的位置，禁止用手直接更換試件位置，防止劃傷鏡頭；（2）調整鏡頭焦距時，首先用粗準焦螺旋找到試件待拍攝的位置并放大，然后用細準焦螺旋調整金相視野的清晰度，保證微觀金相組織觀察效果；（3）拍攝微觀金相照片時，根據放大倍數，在進行照片右下角設置好金相標距，以便于接頭組織分析和試驗研究。

3.5焊接金相照片分析

根據微觀金相組織照片，參照標準的金相圖譜，可以分析焊接接頭中的組織類型和晶粒分布狀態，對比組織晶粒大小，為焊接接頭強度和力學性能分析提供微觀組織上的佐證材料。分析焊接接頭微觀的焊接質量，觀察是否存在細微裂紋等微觀焊接缺陷。根據宏觀金相照片分析試件的宏觀焊接質量，觀察是否存在裂紋、氣孔、夾渣、未焊透等宏觀的焊接缺陷，根據標準判斷焊接工作試件是否合格，為焊接預生產試驗提供試驗數據。在產品的工作試件中，用得最多的則是宏觀金相檢測，宏觀檢測可以觀察焊縫熔合情況、是否有缺陷，從而根據焊接缺陷類型及斷面熔合情況調整焊接參數，確定合理工藝參數[3]。

4.結論

本文分析了焊縫金相試驗的技術難點，探討了金相試驗過程中容易產生問題的原因，結合實際金相試驗提出了相應的措施和解決方法，有效解決了金相試件磨制不規范、試件腐蝕過輕或過腐蝕等問題，保證了焊縫金相試驗的質量和效果，提高了試驗效率。

5.參考文獻

[1]王陸釗，唐衡郴，王廣英等. 軌道車輛用鋁合金近距離焊縫焊接及數值模擬[J].電焊機，2012， 8（42）：79-82.

[2]劉春寧， 唐衡郴，王陸釗. 軌道車輛用鋁合金型材自動焊搭接裂紋研究[J].電焊機，2011，11（41）：39-43.

[3]劉志平，劉春寧，王立夫. 高速列車鋁合金車體的焊縫檢驗[J].焊接技術，2008，1（37）：49-52.