焊接金相试验工艺技术研究

蒋立影等

摘要：研究了焊接工作试件的金相试验工艺技术，介绍了切取金相试件、磨制试件、金相腐蚀及拍摄金相照片的方法及焊缝金相组织中焊接缺陷的分析方法。针对焊接金相试验中容易出现的问题，分析原因并提出合理有效的措施，充分保证了焊缝金相试验质量。

关键词：焊接 工作试件 金相试验 焊接缺陷 措施

1.前言

在轨道车辆制造过程中，采用新焊接材料、新焊接工艺方法、焊接新材料新结构或使用新的焊接设备都需要进行焊接工艺评定；为了验证材料的可焊接性、焊接结构的工艺性及焊缝焊接质量，都采用焊接工作试件进行生产前焊接试验，焊缝金相试验是最简单实用且直观可靠的检测焊缝焊接质量的方法。在某公司不锈钢、铝合金和碳钢车等轨道车辆及部件产品中，尤其是城轨、地铁车体试制、转向架试制焊接生产时，采用大量的焊接工作试件，进行批量的宏观和微观金相试验并形成工作试件报告，为焊接质量检验提供重要的检测依据。

本文针对焊接金相试验中容易出现的技术难题，提出了合理有效的控制措施，保证了焊接金相试验的顺利进行。

2.焊缝金相检测工艺

按照ISO 17639：2003标准要求，在垂直于焊件表面并沿焊缝中心方向将焊接接头剖开，截取包括焊缝熔敷金属和焊缝两侧的热影响区的焊接金相试样，进行宏观和微观检验，评定接头组织如晶粒组织、形态和取向，沉淀和夹渣等与各种裂纹和空穴关系[1]。通过焊接工作试件和焊接工艺评定，确定焊缝的装配尺寸、焊接前是否预热、层间温度、焊缝的施焊位置、焊接时的层次道数、焊接每道所使用的工艺参数等。通过焊接工艺性试验，检测焊接接头的性能和截面的宏观、微观质量，从而对焊接工艺的合理性进行评定。

焊缝金相试验分宏观金相试验和微观金相试验。宏观金相试验是将焊接工作试件切取、断面打磨光亮后，用15倍的金相放大镜观察焊缝根部的熔透性、焊缝层间的熔合效果及焊接接头中焊缝断面的焊接质量，观察焊接接头中是否存在未熔合、未焊透、焊接气孔、裂纹、夹渣等焊接缺陷。微观金相试验是将金相试件经过打磨、抛光、腐蚀后，用金相显微镜观察焊接接头中焊缝及影响区是否存在微观裂纹等细微小的焊接缺陷，检验焊缝的微观质量。微观金相试验主要用于焊接工艺评定和焊接工艺技术研究中，作为焊接质量的凭证和焊缝微观组织分析的重要依据。

3.焊接金相试验技术难点

焊接金相试验包括试件的切取、打磨、抛光、腐蚀、金相分析等工艺过程，试验过程中由于操作方法不规范、腐蚀液浓度不合理等原因，导致焊缝金相试验不正确影响焊接质量检测效果，因此需要研究金相试验技术难点和工艺措施，保证焊接金相试验质量。

3.1金相试件切取

焊接金相试验通常利用手工锯条或电锯床等工具在焊接接头中垂直焊缝轴线的横截面上，截取包括焊缝熔敷金属和焊缝两侧的热影响区，去除两侧多余的焊接母材作为焊缝金相试验试件金相试件切取过程中由于操作方法不规范，容易出现试件切割面与不垂直焊缝轴线的问题，严重影响后续试件打磨的工作量；由于试件压卡不正确或锯齿磨耗迟钝产生剧烈震动导致试件断面参差不齐、存在凹坑或突起等缺陷，严重的甚至破坏了焊缝断面中焊缝的完整性；由于切割方式不合理或切割工具不对，导致金相试件切取过程中热量集中，引起焊接接头组织产生相变等，影响试验检测效果。

为了提高金相试件切取后的质量，保证金相试验质量，采取以下工艺措施：（1）规试件磨制过程中，由于打磨方向不合理、手握试件压力和方向不恰当，导致试件打磨后断面平直度差，甚至打磨抛光后试件表面依然存在细微划痕，影响金相试件的后序观察效果及微观金相组织分析。

为了提高焊接金相试件的打磨质量，保证金相中试验的观察效果，采取以下工艺措施，确保试件打磨的光亮度及断面质量。①规范打磨方法，保证试件打磨方向或机器旋转方向一致，充分磨除试件断面上的划痕；②用紧紧握住试件，防止试件打磨或抛光过程中跑飞，但是在垂直于试件打磨的方向上不得施加任何压力，保证试件断面打磨后的平直度，即试件表面为统一的水平面；③试件抛光时，必须使用光滑细腻的抛光布，而且使用黏度较小的抛光膏，充分去除试件表面的细微划痕，保证试件光亮整洁；④试件抛光后用流动的清水将抛光膏及抛光布绒毛冲洗干净，然后风干或用电吹风机低温吹干，禁止用纸巾或抹布擦干试件表面，避免产生二次划伤。

在金相试件腐蚀过程中，由于操作方法不当、腐蚀液使用不规范、腐蚀时间掌握不准确等原因，容易产生金相试件腐蚀效果差即腐蚀后观察金相效果模糊、试件腐蚀过轻或过重腐蚀等问题，需要重新磨制试件再腐蚀，影响试验周期。

为了保证金相试件的腐蚀效果，提高工作效率，金相试件腐蚀过程中需注意以下操作规范：（1）金相试件腐蚀前，检测腐蚀液的种类、浓度是否与待腐蚀的试件材料相匹配，避免不匹配的腐蚀液与试件交叉腐蚀；（2）腐蚀多个试件腐蚀时，可将腐蚀液倒入试验器皿内，然后将带标号的试件放入腐蚀液中；腐蚀单个金相试件时，必须用棉球蘸取腐蚀液放在试件表面经行充分腐蚀，禁止用滴管直接往试件表面滴腐蚀液，腐蚀试件腐蚀不均匀；（3）认真仔细的观察试件腐蚀过程中的反应，严格控制腐蚀时间，试件与腐蚀液不反应了立即将试件取出（4）腐蚀好的试件充分清理干净，防止腐蚀液残留在试件局部表面；（5）腐蚀好的试件可立即进行宏观金相试验，确定焊接接头断面的焊接质量；对于无法立即进行围观金相观察的试件，必须做好干燥和防氧化措施，防止试件氧化或锈蚀。

3.4拍摄焊接金相照片

将磨制好的金相试件放在实验工作台上，用15倍的金相放大镜观察试件断面的宏观金相，判断焊接接头的焊接质量，用数码相机对满足实验要求的试件拍摄宏观金相照片，如图4（a）所示。

将腐蚀好的金相试件放在金相显微镜上，调整试件位置和显微镜镜头焦距，根据实验要求拍摄母材、热影响区、熔合区及焊缝等区域的微观金相照片，用于判断焊接接头微观焊接质量、分析焊接接头微观组织类型、晶粒度等。用于精细科学学术研究的试件，则采用电子显微镜等高端精良的设备拍摄微观金相照片。拍摄微观金相照片时，需注意以下操作要领：（1）试件的中心首先对准镜头中，然后根据需要通过移动载物台调整试件的位置，禁止用手直接更换试件位置，防止划伤镜头；（2）调整镜头焦距时，首先用粗准焦螺旋找到试件待拍摄的位置并放大，然后用细准焦螺旋调整金相视野的清晰度，保证微观金相组织观察效果；（3）拍摄微观金相照片时，根据放大倍数，在进行照片右下角设置好金相标距，以便于接头组织分析和试验研究。

3.5焊接金相照片分析

根据微观金相组织照片，参照标准的金相图谱，可以分析焊接接头中的组织类型和晶粒分布状态，对比组织晶粒大小，为焊接接头强度和力学性能分析提供微观组织上的佐证材料。分析焊接接头微观的焊接质量，观察是否存在细微裂纹等微观焊接缺陷。根据宏观金相照片分析试件的宏观焊接质量，观察是否存在裂纹、气孔、夹渣、未焊透等宏观的焊接缺陷，根据标准判断焊接工作试件是否合格，为焊接预生产试验提供试验数据。在产品的工作试件中，用得最多的则是宏观金相检测，宏观检测可以观察焊缝熔合情况、是否有缺陷，从而根据焊接缺陷类型及断面熔合情况调整焊接参数，确定合理工艺参数[3]。

4.结论

本文分析了焊缝金相试验的技术难点，探讨了金相试验过程中容易产生问题的原因，结合实际金相试验提出了相应的措施和解决方法，有效解决了金相试件磨制不规范、试件腐蚀过轻或过腐蚀等问题，保证了焊缝金相试验的质量和效果，提高了试验效率。

5.参考文献

[1]王陆钊，唐衡郴，王广英等. 轨道车辆用铝合金近距离焊缝焊接及数值模拟[J].电焊机，2012， 8（42）：79-82.

[2]刘春宁， 唐衡郴，王陆钊. 轨道车辆用铝合金型材自动焊搭接裂纹研究[J].电焊机，2011，11（41）：39-43.

[3]刘志平，刘春宁，王立夫. 高速列车铝合金车体的焊缝检验[J].焊接技术，2008，1（37）：49-52.