焊接缺陷分析综合实验报告焊接条件：试件号：3 组号：4试件材料：16Mn 板材保护气体：20% CO 2 + 80% Ar 15L/min线能量：34.6KJ/cm同组成员：34.6KJ/cm （1、3） 12.0KJ/cm （5、7） 24.8KJ/cm （9、11）一、 金相组织分析（一）各自的接头组织分析1、焊接接头一般分为：焊缝、熔合区、焊接热影响区、母材四部分。

以16Mn 焊缝组织为例，图1中图（a ）、图（b ）○1处为焊缝， ○2处为熔合区，○3处为母材。

图（a ） 图（b ） ②③①图（1）低倍镜下16Mn 焊缝组织形态 ①②③2、16Mn属于低合金钢，根据低合金钢焊缝化学成分和冷却条件的不同，可能出现以下四种固态转变组织：（1）铁素体转变：○1先共析铁素体○2侧板条铁素体○3针状铁素体○4细晶铁素体（2）珠光体转变：铁素体和渗碳体的层状混合物（3）贝氏体转变：○1上贝氏体○2下贝氏体（4）马氏体转变：○1板条马氏体○2片状马氏体3、各自的接头组织分析16Mn等低碳钢根据其焊接热影响区金属的组织特征，可以分为四个区域。

（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化区。

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。

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、塑性都有很大的影响。

如图2（a）所示。

（2）粗晶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。

其组织委粗大的铁素体和珠光体。

粗晶区的显微组织见图2（b）。

（3）细晶区此区加热温度在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，冷却后将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，故又称正火区或相变重结晶区。

该区的组织比退火（或轧制）状态的母材组织细小，如图2（c）所示。

（4）不完全重结晶区焊接时，加热温度在Ac1~Ac3之间的金属区域为不完全重结晶区。

当低碳钢的加热温超过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，直至Ac3时，铁素体将全部溶解到奥氏体中。

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。

由此看出：此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，所以该区域金属的组织是不均匀的，晶粒大小不一，一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（图2（d））。

由于组织不均匀，因而机械性能也不均匀。

图（a）熔合区图（b）粗晶区图（c）细晶区图（d）不完全重结晶区图（2）16Mn焊缝组织区域分析4、16Mn焊缝高倍镜下的组织分析图（a）图（b）图（c）图（d）图（3）高倍镜下16Mn焊缝的组织组织分析：如图（3）所示，图（a）（b）（c）（d）是16Mn板材在焊接性能量为34.6KJ/cm 条件下形成的焊缝在500倍镜下的焊缝组织形态图，焊缝、熔合区、热影响区的组织形态有明显区别。

熔合区宽度为2~3个晶粒的宽度，甚至在显微镜下也难以辨认。

在图（a）中有一块白色区域，其组织成分应该是黑白相间的羽毛状下贝氏体。

另外，图（a）中焊缝处还存在一个气孔缺陷。

在图（b）的靠近母材一侧的熔合区可以看到有少量的马氏体存在，这是因为母材的温度比较低，所以靠近母材一侧的熔合区的温度比较低，这样导致靠近母材一侧的熔合区的冷却速度很大，即形成马氏体。

图（c）中，可一看到铁素体是沿晶界分布的，而晶粒内部是片层状的珠光体组成。

图（d）中熔合区部分的铁素体成柱状，由焊缝向母材中生长。

另外，在图（c）中可以有许多黑点分布在图中，在焊缝中的黑点可能是气孔、夹杂物等。

但此图中的黑点明显是由于在制备晶像试样过程中腐蚀过度形成的凹坑。

在图（c）中还有部分黑白相间的羽毛状下贝氏体。

图（d）的靠近母材一侧的熔合区可以看到有少量的马氏体存在。

5、16Mn钢的CCT图分析连续冷却组织转变图（CCT图），可以比较方便地预测焊接热影响区的组织和性能。

图（4）为16Mn钢的CCT图。

由图（4）可以看出，只要知道在焊接条件下熔合区附近（T m=1300~1350℃）t8/5冷却时间，就可以在此图上查出相应的组织。

图（4）16Mn钢的CCT图查找资料知t8/5计算公式如下：E-焊接线能量（J/cm）= 3.64×104 J/cmT0-初始温度（℃）= 30℃可以计算得t8/5值5.23s，结合图（4）可以知道焊缝组织。

16Mn钢奥氏体在以不同速度的连续冷却过程中,发生了铁素体的析出(A→F)、珠光体转变(A→P)、贝氏体转变(A→B)和马氏体转变(A→M)。

Ms线右端降低,这是由于先共析铁素体的析出和贝氏体的转变使得周围奥氏体富碳所致。

随着冷却速度的增大,铁素体的析出量、珠光体的转变量和贝氏体的转变量都先增后减,直到最后为零。

而马氏体的转变量则越来越多,钢的硬度也随之越来越高(由156到366)。

当冷却速度小5℃Πs 时,奥氏体中只析出铁素体和发生珠光体转变,不发生贝氏体转变和马氏体转变,转变产物为铁素体和珠光体(F+P),冷却速度为10℃Πs 时开始出现贝氏体(B),当冷却速度为20℃Πs 时开始出现马氏体(M),冷却速度为20～35℃Πs 时转变产物为铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体(F+P+B+M),冷却速度≥45℃Πs 时转变产物为铁素体、贝氏体和马氏体(F+B+M)。

图（b ） 图（a ） 图（c ） 图（d ）（二）各组接头组织分析小组分析：如图（4）所示，图（a ）（b ）（c ）（d ）的线能量依次增大，焊缝、熔合区、热影响区的组织形态有明显变化。

随着线能量的增大，可以发现焊缝中的针状铁素体逐渐变细；在熔合区部分的铁素体成柱状，由焊缝向母材中生长，且随着线能量的增大，可以发现其伸入母材的铁素体越粗；随着焊接线能量的增大，母材靠近熔合区的部分的晶粒的有明显的长大，这是由于线能量增大，这部分的母材处于过热状态，晶粒随热输入量增大而增大。

另外，在（a ）的靠近母材一侧的熔合区可以看到有马氏体存在，而在（b ）（c ）（d ）图中的熔合区没有明显的马氏体组织，这是由于（a ）图中的焊接线能量相对于（b ）（c ）（d ）图中的焊接线能量小得多，又因为母材的温度比较低，所以靠近母材一侧的熔合区的温度比较低，这样导致靠近母材一侧的熔合区的冷却速度很大，即形成马氏体。

在图（c ）中可以有许多黑点分布在图中，在焊缝中的黑点可能是气孔、夹杂物等。

但此图中的黑点明显是由于在制备晶像试样过程中腐蚀过度形成的凹坑。

在图（c ）中还有部分黑白相间的羽毛状下贝氏体。

二、扩散焊与钎焊设备与工艺认知实验图（4）16Mn 焊接接头组织随线能量变化图 （a ）线能量为12 KJ/cm （b ）线能量为22.3 KJ/cm （c ）线能量为24.8 KJ/cm (d)线能量为34.6KJ/cm（一）实验目的1.了解真空泵原理2.了解并掌握真空扩散焊的操作流程3.了解真空扩散机的结构及工作原理（二）实验原理扩散焊是在一定温度和压力下使待焊表面相互接触，通过微观塑性变形或通过待焊表面上产生的微量液相而扩大待焊表面的物理接触，然后经较长时间的原子相互扩散来实现结合的一种焊接方法。

根据具体实现形式可分为真空扩散焊、超塑性成形扩散焊、热等静压扩散焊等焊接方法。

真空扩散焊是一种最常见的扩散焊接方法，由于焊接在真空状态下进行，因此被焊材料或中间层合金中含有易挥发元素时不应采用次方法，此外由于受真空室尺寸的限制，仅适用于尺寸不大的工件。

（三）实验设备、材料1.真空扩散焊机2.0.2mm紫铜板（10mm*15mm*0.2mm）四块3.模具一套（四）真空扩散焊机介绍试验真空扩散连接所用设备为真空扩散焊机。

图为ZRYS200/80-1500型真空扩散焊机热压烧结炉的实物图和结构框图。

该设备由加压系统、炉体、加热系统、冷却系统、抽真空系统及PLC控制系统等五大部分组成。

加热体由Mo片制成，在加热体的四周安防着几层Mo片保温屏以提高加热速度和保温隔热效果，炉体中心的最高温度可达1500度。

抽真空系统由机械泵、罗茨泵和油扩散泵三级组成高真空机组，炉腔极限真空度可达8*10-4Pa。

加热保温过程的真空度由于5*10*-3Pa压力系统的最大加压压力为5T。

（五）三级真空系统介绍1.机械泵工作原理旋片机械泵的结构如图所示。

旋片泵主要由泵体、转子、旋片、端盖、弹簧等组成。

在旋片泵的腔内偏心地安装一个转子，转子外圆与泵腔内表面相切（二者有很小的间隙），转子槽内装有带弹簧的二个旋片。

旋转时，靠离心力和弹簧的张力使旋片顶端与泵腔的内壁保持接触，转子旋转带动旋片沿泵腔内壁滑动。

两个旋片把转子、泵腔和两个端盖所围成的月牙形空间分隔成A、B、C三部分，如图所示。

当转子按箭头方向旋转时，与吸气口相通的空间A 的容积是逐渐增大的，正处于吸气过程。

而与排气口相通的空间C的容积是逐渐缩小的，正处于排气过程。

居中的空间B的容积也是逐渐减小的，正处于压缩过程。

由于空间A的容积是逐渐增大（即膨胀），气体压强降低，泵的入口处外部气体压强大于空间A内的压强，因此将气体吸入。

当空间A与吸气口隔绝时，即转至空间B 的位置，气体开始被压缩，容积逐渐缩小，最后与排气口相通。

当被压缩气体超过排气压强时，排气阀被压缩气体推开，气体穿过油箱内的油层排至大气中。

由泵的连续运转，达到连续抽气的目的。

如果排出的气体通过气道而转入另一级（低真空级），由低真空级抽走，再经低真空级压缩后排至大气中，即组成了双级泵。

这时总的压缩比由两级来负担，因而提高了极限真空度。

2.罗茨泵的工作原理：罗茨泵在泵腔内，有二个"8"字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上，由传动比为1的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动。

在转子之间，转子与泵壳内壁之间，保持有一定的间隙，可以实现高转速运行。

由于罗茨泵是一种无内压缩的真空泵，通常压缩比很低，故高、中真空泵需要前级泵。

罗茨泵的极限真空除取决于泵本身结构和制造精度外，还取决于前级泵的极限真空。

为了提高泵的极限真空度，可将罗茨泵串联使用。

由于转子的不断旋转，被抽气体从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间v0内，再经排气口排出。

由于吸气后v0空间是全封闭状态，所以，在泵腔内气体没有压缩和膨胀。