飞纳台式扫描电镜在焊接领域中的应用

在焊接领域中，为了实现焊接工艺优化、焊件质量把控等工作，通常会使用扫描电镜（SEM）介入研发。焊接工艺参数如功率、起弧时间、工作距离、送丝速度、保护气流速等参数的变化会直接对焊件质量产生影响，因此，使用扫描电镜（SEM）对样品进行实时观察，对焊接工艺参数的及时调整和工艺改进过程将大有帮助。通常，扫描电镜（SEM）可以帮助焊接领域研究人员实现以下功能。

一、焊接接头观测

1.1

接头微观形貌观察

通过观察焊接接头的微观形貌可以提取出很多有用的信息，比如热输入量是否合适，若焊接过程中热输入量过大，则容易造成母材晶粒的异常长大甚至过烧，从而导致焊件力学性能大幅度下降；若热输入量较小，会带来焊不透等其他焊接缺陷。图 1 为 304 不锈钢焊缝熔化区（WZ）-母材（304 Zone）的边界形貌在扫描电镜（SEM）下的图像，HAZ 为焊接热影响区。

图1：焊接接头在扫描电镜（SEM）下的微观形貌

对微观形貌的观察还可以进一步拓展，例如工艺摸索实验过程中，可以通过沿焊接方向每隔固定距离取样的方式，观察沿焊接方向的微观形貌变化，以确定在焊接全过程中的焊缝质量稳定性和可靠性，从而进一步对长程焊接过程的焊缝质量进行考量和评判。

1.2

焊缝区域的元素分析检测

对于焊缝区域，除了观测微观形貌以外，飞纳台式电镜能谱一体机 Phenom ProX 还可以实现焊缝内的元素识别和含量的确定。图2 为飞纳台式扫描电镜能谱一体机 Phenom ProX，图 3 为 7XXX 系铝合金焊缝熔化区中共晶相的元素分析。

图2：飞纳台式扫描电镜能谱一体机 Phenom ProX

图3：7xxx 系铝合金焊接熔化区中元素分布 EDS 分析

除此之外，EDS 分析还可以应用在焊接领域的以下方面：

（1）通过对焊缝区域中 O 元素含量的检测，可以判断保护气体的通入量是否合适，若保护气通入不足，则高温下会增加空气中的氧气与熔化金属的接触时间，在元素分析上的反映就是氧含量异常高。

（2）使用 EDS 对热影响区中的成分热偏析进行分析，也可以作为评定热输入量的一种辅助手段。

二、焊接陷的观测

焊接过程中的焊接缺陷直接影响最终产品的性能和使用寿命。通过飞纳台式扫描电镜（SEM）可以非常轻松地观察到一些微小的焊接缺陷，如气孔、夹杂、焊接热应力下产生的冷热裂纹等，从而实现产品质量的把控，下面就列举一些常见焊接缺陷的显微图像。

2.1

气孔

焊接气孔指焊接时，熔池中的气体未在金属凝固前逸出，残存于焊缝之中所形成的空穴。其气体可能是熔池从外界吸收的,也可能是焊接冶金过程中反应生成的。这些气孔的存在可能会在焊件受力时作为应力集中点，引发焊件开裂或失效。图 4 为使用飞纳台式扫描电镜（SEM）对一些焊件剖面（未侵蚀）存在的气孔观测结果。

图4：焊件点缺陷——气孔 SEM 观察结果

2.2

焊接裂纹

焊接裂纹也是焊接过程中的一种常见缺陷，这种缺陷多发生在熔池凝固末期，一般是由于低温共晶液相在焊接热应力的作用下产生了微小撕裂。焊接裂纹的大小一般比气孔小，普通的光学显微镜甚至很难发现焊接裂纹。因此，使用扫描电镜对焊接裂纹进行观测是观察这种缺陷的唯一方法。图 5 为使用飞纳台式扫描电镜（SEM）对焊件表面（未打磨）裂纹的观测结果。

图5：飞纳台式扫描电镜（SEM）对焊接裂纹的观测结果（焊件未经打磨的表面裂纹）

图 6 为使用扫描电镜对焊件内部的焊接裂纹进行观测的图像。该图中，裂纹沿着低温共晶相（白色条带）开裂的路径清晰可见。

图6：飞纳台式扫描电镜（SEM）对焊接裂纹开裂路径的观测结果（焊件剖面）