焊接接头的金相分析（一）

      在金属学中有关凝固和固态相变等内容的基础上，本文结合焊接过程具有的加热和冷却速度都很快的特点，来分析焊缝及热影响区的显微组织的成因。           1、焊接熔池结晶的特殊性
      在焊接高温下焊接熔池在极短时间内发生了一些列复杂的冶金反应，当电弧移开以后，焊接熔池又迅速冷却、结晶，因而它的结晶与一般铸锭相比有自身的特殊性。
      1）熔池中液态金属内表温差很大
      一方面，熔池的容积相当小，其周围又被大块的且传热快的冷态金属所包围，因而熔池冷却速度很大。另一方面，熔池中金属液体的温度比一般钢水浇铸温度高很多，金属液体处于过热状态。冷却时，熔池的液态金属在已凝固的固相与液相的交界处温度较低，而在熔池中心又处于过热状态，所以在液相中，从固-液相界面到熔池中心的这段距离内，温度差别很大。可作一条温度分布线来反应这段距离中温度变化情况，见图1。这条温度分布线的斜率称为温度梯度（G）。温度差别越大、温度分布线的斜率也越大，当然，温度梯度也越大。

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图1 温度梯度示意图

      2）熔池是在运动状态下结晶的
      焊接时，焊条是在不停地移动着的，因而熔池也随着热源的移动而移动；焊条又是在不停地摆动着的，因而由于电弧不断改变方向的吹力，使熔池中的液体金属又受到强烈的搅拌，所以熔池内的液体金属是在运动状态下结晶的。
      焊接熔池的上述特点决定了焊缝组织的特殊性。
      2、焊缝凝固组织的特征及形成原因
      1）焊缝凝固组织的宏观特征及形成原因
      为了便于分析焊缝的凝固组织（亦称一次结晶组织），可以先选择一些冷至室温过程中不发生固态相变的金属材料和合金，例如奥氏体不锈钢、Fe-Ni合金的焊缝宏观组织来进行观察。
      图2所示为一焊缝的凝固组织，图中箭头所指处为熔合线的位置，其左边为母材的热影响区，从照片上看出焊缝组织为粗大的柱状晶组织，并具有与母材热影响区晶粒联结长大的特征。焊缝组织的晶粒是与熔合线左侧母材的热影响区的晶粒相连接的。这就是说焊缝金属在凝固时它的晶粒是以和液态金属相接触的母材热影响区的晶粒相连长大而形成的。

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图2 焊缝凝固组织

      晶体的长大有各向异性，即晶体沿不同的晶体学位向长大的速率是不相同的。散热速度最快的方向就是最适合晶体长大的方向。散热速度最快的方向就是温度梯度最大的方向，也就是与熔池结晶等温面相垂直的方向。当晶体最易长大方向与最快散热方向（即最大温度梯度方向）一致时，该晶体长大速度最快，形成粗大的柱状晶体。而有的晶体由于取向不利于长大或与最快散热方向不一致时，就会中途夭折，停止生长，因而焊缝中柱状晶呈选择性长大。
      如果小晶体的四周都是过冷区，散热可以沿四面八方同时进行，则晶体沿各个方向长大速率差不多，由此形成的晶粒呈等轴状，称为等轴晶。
      焊缝中常见的是柱状晶。在一定条件下在焊缝中心也会出现等轴晶。
      焊缝结晶时，垂直于熔池壁的方向是最大温度梯度方向，散热速度最快，所以柱状晶的长大方向一般与熔池壁垂直，见图3（a）。由于焊缝凝固是在热源不断向前移动的情况下进行的，随着熔池的向前推进，最大温度梯度方向也在不断改变，因此柱状晶长大的最有利方向也在不断改变，一般情况下焊接熔池呈椭圆状，柱状晶垂直于熔池弯曲长大，见图3（b）。

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图3(a) 柱状晶长大方向与熔池壁垂直

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图3(b) 椭圆状熔池的柱状晶长大形态