焊接過程是在高溫熱源的作用下，基體金屬發(fā)生局部熔化，并與熔融的填充金屬混合而形成熔池。當熱源離開后焊接熔池溫度迅速下降，并凝固結晶形成焊縫。焊接一般經(jīng)歷以下幾個過程：

加熱—熔化—冶金反應—結晶—固態(tài)相變—形成接頭，焊接熱過程貫穿焊接的始終，它是影響焊接質(zhì)量的主要因素之一。焊接應力、應變以及冶金、結晶、相變都與之相關。

在化學冶金過程中，熔化金屬、熔渣、氣相之間將發(fā)生一系列的冶金反應，如金屬氧化、還原、脫P、S、焊縫金屬與氫作用等等，都會直接影響焊縫金屬的成分、組織和性能。

焊接時金屬結晶和相變是在快速連續(xù)冷卻條件下進行的，可能產(chǎn)生偏析、夾雜、氣孔、裂紋、淬硬和脆化等缺陷。所以，這一過程也是影響焊接質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

焊縫兩側的基體金屬也受到焊接熱的作用，受熱后溫升不同，發(fā)生組織變化也不同，也將不同程度地影響其性能。

歸納起來，焊接過程的特點如下：

1.加熱溫度高  熔池液態(tài)金屬溫度可達1770～1870℃，比煉鋼溫度還高，焊縫區(qū)的熔合線附近都在1350℃以上。

2.加熱速度快  熔化→凝固及熱影響區(qū)相變僅幾秒至幾分鐘。

3.高溫停留時間短。

4.局部加熱、溫差大  造成組織轉(zhuǎn)變的差異和組織的不均勻。

5.冷卻條件復雜 焊縫和熱影響區(qū)冷卻方式以母材金屬熱傳導為主，在環(huán)境下的自然冷卻為次。所以，冷卻速度很快，有時可達淬火狀態(tài)。因此，冷卻速度受母材的導熱性、板厚度、接頭的形狀、板材焊前的初始溫度等因素有關。

6.偏析嚴重  因為熔化→凝固時間短（幾秒鐘），冶金反應不平衡、不完善，成分分布不均勻，所以區(qū)域性偏析大。

7.組織差別大 

1）液體金屬蒸發(fā)，化學元素燒損；

2）焊縫金屬和母材互相擴散；

3）溫度不均勻，冷后組織差別大。

8.存在復雜的應力 因為溫差大和組織轉(zhuǎn)變不同，引起溫差應力和變形與組織轉(zhuǎn)變應力。所以要分析焊接后的組織和缺陷分析，必須和上述特征聯(lián)系起來考慮。

 測量焊縫尺寸：使用測量工具測量焊縫的尺寸，如焊縫寬度、高度等，以確保其符合設計要求。

評估焊接質(zhì)量：根據(jù)焊接接頭的形態(tài)、缺陷情況等進行綜合評估，判斷焊接質(zhì)量是否符合要求。

2. 微觀金相觀察

制備金相試樣：從焊接接頭上取下一定尺寸和形狀的試樣，進行磨制、拋光等處理，以去除表面的雜質(zhì)和氧化膜，露出金屬基體。

觀察金相組織：使用金相顯微鏡觀察試樣的微觀組織。注意觀察晶粒大小、形態(tài)和分布，以及是否存在異常組織或相變。

分析化學成分：通過化學分析或光譜分析等方法，確定焊接接頭中各種元素的含量和分布情況，以評估焊接材料的化學成分是否滿足要求。

二. 焊接接頭的低倍組織檢驗

焊接接頭的低倍組織檢驗包括兩個方面：外觀質(zhì)量和焊縫低倍組織。

1. 焊接接頭的低倍組織（酸蝕）

焊縫處取樣、磨平、侵蝕后可見三個區(qū)域，焊接接頭分為三部分：

  1）焊縫 熔化金屬凝固結晶而成。

    特點：晶粒呈柱狀，平行于傳熱方向。

2）熔合區(qū)  基體和焊縫熔融結合區(qū)。

3）熱影響區(qū)  靠近熔化金屬而受到焊接熱作用發(fā)生組織和性能變化區(qū)，易侵蝕而呈深灰色區(qū)。

4）母材金屬  保持原有狀態(tài)組織。

2. 焊接接頭低倍組織檢驗的內(nèi)容

焊接接頭低倍組織檢驗的內(nèi)容包括：

焊縫柱狀晶的粗晶組織及結構形態(tài)；焊接熔合線、焊道橫截面的形狀及焊縫邊緣結合、成形等情況；

熱影響區(qū)的寬度；多層焊的焊道層次以及焊接缺欠;如焊接裂紋、氣孔、夾雜物等。

接頭的斷口分析也屬于低倍檢驗。

3. 奧氏體不銹鋼焊接接頭低倍檢驗

這類鋼焊接接頭低倍組織的特點是;它的熱影響區(qū)沒有重結晶相變區(qū)，其熱影響區(qū)包括四個區(qū)，1）過熱區(qū)，2）再固溶化溫度區(qū)，3）穩(wěn)定化熱影響區(qū)，4）敏化熱影響區(qū)。 

    1）過熱區(qū)  緊貼熔合線的一個狹區(qū)，侵蝕后呈黑色的窄帶。溫度高，晶粒大，形成奧氏體粗晶組織。

2）固溶化溫度區(qū)保持原狀態(tài)奧氏體組織。

3）穩(wěn)定化熱影響區(qū)  低于固溶溫度、高于800℃，對含穩(wěn)定化元素Ti、Nb的不銹鋼會析出TiC或NbC。對18-12Mo型不銹鋼母材中有α相時，可能使α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣蚁啵ù嘈裕?，在腐蝕介質(zhì)中有選擇性腐蝕特點。

4）敏化熱影響區(qū)  400～800℃范圍內(nèi)，會在奧氏體晶粒邊界析出Cr23C6型碳化物，使晶界貧Cr而產(chǎn)生晶間腐蝕。在腐蝕介質(zhì)中常發(fā)生腐蝕而失效，即熱影響區(qū)晶界貧Cr而產(chǎn)生晶間腐蝕引起的腐蝕溝槽。

三. 焊接區(qū)域顯微組織特征

熔化焊焊接接頭一般含焊縫金屬、焊接熱影響區(qū)和母材三部分組成。

一次組織又叫初次組織;它是焊縫在熔化狀態(tài)后經(jīng)形核和長大完成結晶時的高溫組織形態(tài);屬于凝固結晶的鑄態(tài)組織。

二次組織屬于固態(tài)相變組織;是在焊縫由高溫態(tài)冷卻到室溫過程中發(fā)生的固態(tài)相變而形成的;所以它也是室溫下焊縫金屬的顯微組織狀態(tài)。

1. 焊縫金屬的一次結晶組織

1）一次結晶的特點

 ①一般焊接溶池較小，又被周圍冷金屬和環(huán)境介質(zhì)所包圍，所以溶池冷速快（平均冷速約4～100℃ /秒）。對高碳、合金元素較多的鋼種易產(chǎn)生硬化組織及焊縫裂紋。

②熔池中心溫度高，邊緣凝固界面的散熱快，冷卻快，促使柱狀晶的發(fā)展。

③熔池是在運動狀態(tài)下結晶的。因為熔池隨熱源移動而移動，金屬的熔化與結晶同時進行，溶池內(nèi)液體金屬達到沸騰，焊條的擺動、氣體的吹力使溶池發(fā)生攪拌作用，所以，結晶是在運動狀態(tài)下進行的。

2）一次結晶組織特征

熔池凝固結晶熔合線基體金屬晶粒聯(lián)生，以柱狀晶形態(tài)向散熱相反方向長大，直至相互受到阻礙為止，成為柱狀晶。此外，在一定條件下，熔池中的液體金屬在凝固時也會產(chǎn)生晶核，并向四個方向均勻地生長成等軸晶。

①焊縫組織具有與被焊件母材連接長大和呈柱狀晶分布的特征。

②焊縫金屬中的柱狀晶生長方向與散熱最快的方向一致;垂直于熔合線向焊縫中心發(fā)展。

③焊縫一次組織的形態(tài)與成分的均勻度及過冷度有關，焊縫結晶形態(tài)有平面晶、胞狀晶、胞狀一樹枝晶、柱狀樹枝晶和等軸樹枝晶。

④焊縫又可分為多層焊和單層焊

低碳低合金鋼焊縫一次組織主要為胞狀晶和樹枝晶，樹枝晶又分胞狀樹枝晶、柱狀樹枝晶和等軸樹枝晶三種。

奧氏體鋼的焊縫一次組織;仍保留著凝固后的結晶形態(tài)特征;奧氏體胞狀樹枝晶和胞狀晶形態(tài)較完整。

3）焊縫偏析

焊縫冷速快，成分來不及擴散，分布不均勻，形成偏析，非金屬夾雜來不及浮出而殘留在焊縫內(nèi)，因此對焊縫性能影響大。

焊縫偏析分為顯微偏析、宏觀偏析和層狀偏析。

①顯微偏析 低碳鋼焊縫中C或雜質(zhì)晶界上含量比鋼平均含量高—晶界偏析。

②宏觀偏析 熔池中雜質(zhì)濃度高，使最后凝固部分嚴重偏析，易產(chǎn)生縱向裂紋。

③焊縫橫斷面上出現(xiàn)分層組織、成分不均勻，稱為層狀偏析。

2. 焊縫金屬的二次組織固態(tài)相變組織

低碳鋼焊縫二次組織大部分是鐵素體+少量珠光體。冷速快，珠光體增加，還可能出現(xiàn)貝氏體。冷速慢，鐵素體呈粗大的魏氏組織。

低合金鋼一般冷卻條件下二次組織大部分是鐵素體+少量珠光體，冷卻快時出現(xiàn)貝氏體組織。

合金元素含量少（如16Mn、20G鋼），焊縫組織與低碳鋼相似（鐵素體+少量珠光體），冷速快，出現(xiàn)粒狀貝氏體，甚至出現(xiàn)馬氏體。

合金元素較多的低合金高強度鋼，焊后組織為貝氏體或下貝氏體，甚至出現(xiàn)低碳馬氏體，高溫回火后為回火索氏體。

奧氏體不銹鋼：奧氏體+少量鐵素體。

鐵素體不銹鋼：仍為鐵素體。

馬氏體不銹鋼：仍為馬氏體。

鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼用Cr-Ni奧氏體焊條時，焊縫組織均為奧氏體。

不同二次結晶組織對機械性能的影響：

強度：隨馬氏體、貝氏體、（鐵素體+珠光體）、鐵素體、奧氏體順序下降。

塑性和韌性：奧氏體最好，且無明顯脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象；下貝氏體良好，抗拉強度也高；上貝氏體韌性最差。

（鐵素體+珠光體）和奧氏體組織焊縫抗裂性較好。

 組織越細、分布越均勻，焊縫性能越好。

3.熔合線組織特征

熔合線是液固兩相共存的熔合區(qū);它處于母材的部分熔化區(qū)中與母材的固態(tài)晶體相連接的區(qū)域。

所以在焊縫與母材熱影響區(qū)之間存在著一個組織與成分有特征的過渡區(qū)，它就是焊接接頭中的熔合區(qū)，即熔合線。微觀上看，熔合線是液固兩相共存的熔合區(qū)，是焊縫與母材間的過渡區(qū)，它處于母材的部分熔化區(qū)中與母材的固態(tài)晶體相連接的區(qū)域。

4. 焊縫熱影響區(qū)組織特征

 1）焊縫熱影響區(qū)的組織

（1）低碳鋼及不易淬火鋼熱影響區(qū)組織（如20鋼、16Mn、15MnTi、15MnV等）。

 ①部分相變區(qū)不完全重結晶區(qū) 未發(fā)生轉(zhuǎn)變的鐵素體＋經(jīng)部分相變后的細小珠光體和鐵素體。

 ②相變重結晶區(qū)細晶粒區(qū)  均勻細小的鐵素體＋珠光體，相當于熱處理中的正火組織。

 ③過熱區(qū)粗晶粒區(qū)  粗大的針狀鐵素體魏氏組織＋索氏體。

 ④熔合區(qū)   晶粒十分粗大為過熱組織，是產(chǎn)生裂紋、局部脆性破壞的發(fā)源地。

管線鋼的低碳或超低碳微合金化，存在熔合區(qū)、過熱區(qū)、正火區(qū)和不完全重結晶區(qū)。上圖所示為X80級管線鋼焊接接頭的組織變化圖。

（2）易淬火鋼熱影響區(qū)的組織

對中碳鋼、低碳和中碳調(diào)質(zhì)鋼等淬火傾向較大的鋼種，焊前處于正火或退火狀態(tài)時，熱影響區(qū)的組織可分為：

①完全淬火區(qū)

加熱到Ac3以上區(qū)域，焊后冷卻下來得到淬火組織（馬氏體）。

在熔合線附近（相當于低碳鋼的過熱區(qū)）晶粒嚴重長大，為粗大馬氏體。

在相當于正火區(qū)部分，得到細小馬氏體。

如冷卻速度較慢或含碳量較低，也可能出現(xiàn)貝氏體，從而形成馬氏體+貝氏體混合組織。

②不完全淬火區(qū)（ Ac1～Ac3之間區(qū)域）

鐵素體不發(fā)生變化，只有不同程度長大。

珠光體、貝氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，隨后快速冷卻得到馬氏體。

最后形成馬氏體+鐵素體共存組織。

碳和合金元素含量低，冷速緩慢，也可能出現(xiàn)珠光體組織。

③回火區(qū)

焊前為調(diào)質(zhì)態(tài)，除上述兩個區(qū)域外，還可能發(fā)生不同程度的回火區(qū)。

所以，熱影響區(qū)組織不僅與基體成分和焊接熱循環(huán)特征有關，還和焊前熱處理狀態(tài)有關。

2）焊縫熱影響區(qū)特點

焊縫熱影響區(qū)實際上是進行了一次熱處理，但不同于一般熱處理，因為焊接特點是：

a.加熱溫度高，約1350℃左右，一般熱處理加熱溫度Ac3+50℃;

b.加熱速度快，比一般熱處理快幾十倍至幾百倍；

c.高溫停留時間短；

d.自然條件下連續(xù)冷卻；

e.局部加熱，組織轉(zhuǎn)變在復雜應力狀態(tài)下進行，并且是不均勻的。

基體金屬上各點與焊縫距離不同，加熱溫度、速度、停留時間、冷速也不同，所以各點組織性能也不同。

四. 焊接金相結果判斷

1. 焊接接頭組織形貌特征

（1）鐵素體  在焊縫金屬和熱影響區(qū)中常見的是先共析鐵素體，包括自由鐵素體和魏氏組織鐵素體兩種。

①自由鐵素體 是由奧氏體晶界上析出的鐵素體，常見有塊狀和網(wǎng)狀兩種形貌。

塊狀鐵素體是在高溫下而過冷度較小的冷卻過程中形成的。

網(wǎng)狀鐵素體是在較低溫度和過冷度較大的冷卻過程中形成的。

自由鐵素體析出數(shù)量與奧氏體晶粒大小有關，晶粒越大，鐵素體越少。

②魏氏組織鐵素體

低碳鋼焊縫金屬和熱影響區(qū)極易形成魏氏組織鐵素體。

其形貌為除晶界鐵素體外，還有大量的從晶界伸向晶粒內(nèi)部形似鋸齒狀或梳狀的鐵素體，或在晶內(nèi)以針狀獨立分布的鐵素體，往往針粗大且交叉分布。

（2）貝氏體 

低碳鋼尤其是低碳氏合金鋼易出現(xiàn)粒狀貝氏體和上、下貝氏體。

（3）馬氏體

在低碳合金鋼的焊縫和熱影響區(qū)易形成板條狀馬氏體，不會出現(xiàn)隱晶馬氏體。由于馬氏體的存在會惡化力學性能，極易產(chǎn)生焊接裂紋，因此，在焊接組織中不允許馬氏體存在。

2.金相判斷

關于焊接缺陷，前期文章已有詳細介紹，本文不再贅述。

根據(jù)宏觀和微觀金相檢測的結果，綜合判斷焊接質(zhì)量的好壞。如果焊縫形態(tài)規(guī)整、無明顯缺陷、尺寸符合設計要求，且微觀組織均勻、無異常相變，則焊接質(zhì)量較好。

 如果存在明顯的缺陷或異常組織，則需要進一步分析原因，并采取相應的措施進行改進。

需要注意的是，金相判斷焊接好壞是一個綜合性的過程，需要結合具體的焊接工藝、材料和應用領域進行綜合考慮。同時，還需要注意金相檢測方法的局限性和誤差來源，確保檢測結果的準確性和可靠性。

最后，建議在進行金相檢測時，由專業(yè)的焊接工程師或質(zhì)檢人員進行操作和分析，以確保檢測結果的準確性和可靠性。