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第十章 焊接热影响区的组织与性能. 图 10-1 焊接接头示意图 1- 焊缝； 2- 熔合区； 3- 热影响区； 4- 母材. 熔焊时在高温热源作用下，靠近焊缝两侧一定范围内发生组织和性能变化的区域称为“焊接热影响区” 。. 第一节 焊接热循环 第二节 焊接热循环下的金属组织转变特点 第三节 焊接热影响区的组织与性能. 第一节 焊接热循环. 一、研究焊接热循环的意义 二、焊接热循环的参数及特征 三、焊接热循环参数的计算. 一、研究焊接热循环的意义. 在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程称为焊接热循环 。
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第十章 焊接热影响区的组织与性能 第十章 焊接热影响区的组织与性能
图10-1 焊接接头示意图 1-焊缝；2-熔合区；3-热影响区；4-母材 • 熔焊时在高温热源作用下，靠近焊缝两侧一定范围内发生组织和性能变化的区域称为“焊接热影响区” 。
第一节 焊接热循环 第二节 焊接热循环下的金属组织转变特点 第三节 焊接热影响区的组织与性能
第一节 焊接热循环 一、研究焊接热循环的意义 二、焊接热循环的参数及特征 三、焊接热循环参数的计算
一、研究焊接热循环的意义 • 在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程称为焊接热循环。 • 焊接热循环反映了热源对焊件金属的热作用。焊件上距热源远近不同的位置，所受到热循环的加热参数不同，从而会发生不同的组织与性能变化。 • 研究焊接热循环的意义为： ① 找出最佳的焊接热循环； ② 用工艺手段改善焊接热循环； ③ 预测焊接应力分布及改善热影响区组织与性能。
二、焊接热循环的参数及特征 • 加热速度ωH • 最高加热温度Ｔm • 相变温度以上 的停留时间tH • 冷却速度Ωc (或冷却时间t8/ 5) 晶粒大小 相变组织
三、焊接热循环参数的计算 主要介绍焊接热源高速运动时厚板和薄板的热循环参数的计算（推导过程略）： • 峰值温度Ｔm的计算 • 相变温度以上的停留时间tH的计算 • 冷却速度ωC和冷却时间的计算
点热源（厚板） 线热源（薄板） 由两式可以看出，当焊接线能量E（ 单位长度上的焊接热输入量，E = IU/v)一定，焊件上某点离开热源轴心距离越远，最高温度Ｔm越低；而对焊件上某一定点，随着线能量E的提高，其Ｔm增高，焊接热影响区的宽度增大。峰值温度的高低还受预热温度与焊件热物理性质的影响。
点热源（厚板） 线热源（薄板） 由公式可以看出，在其它条件不变的情况下，提高线能量 E，高温停留时间 tH 延长，也就是说发生粗晶脆化的可能性增大。提高初始温度 T0（预热温度），也会在一定程度上延长高温停留时间 tH。
冷却速度： 厚板 薄板 • 冷却时间： 厚板 薄板 冷却速度ωc随着线能量E和初始温度T0的提高而降低，冷却时间随着线能量E和初始温度T0的提高而延长。母材的热物理性质、焊件的形状、尺寸、接头型式、焊道的长度及层数都会影响焊接热循环参数，
第二节 焊接热循环条件下的金属组织转变特点 与热处理条件下的组织转变相比，其基本原理相同，又具有与热处理不同的特点。 • 焊接过程的特殊性 • 焊接加热过程的组织转变 • 焊接时冷却过程的组织转变
一、焊接过程的特殊性 五个特点（以低合金钢为例）： • 加热温度高在熔合线附近温度可达l350～l400℃； • 加热速度快加热速度比热处理时快几十倍甚至几百倍； • 高温停留时间短在AC3以上保温的时间很短(一般手工电弧焊约为4～20s，埋弧焊时30～l00s) ； • 在自然条件下连续冷却（个别情况下进行焊后保温缓冷）； • 有热应力作用状态下进行的组织转变。
二、焊接加热过程的组织转变 • 焊接过程的快速加热，将使各种金属的相变温度比起等温转变时大有提高。当钢中含有较多的碳化物形成元素(Cr、W、Mo、V、Ti、Nb等)时，这一影响更为明显。这是因为碳化物形成元素的扩散速度很小(比碳小1000～10000倍)，同时它们本身还阻碍碳的扩散，因而大大地减慢了奥氏体转变过程。
图10-4 焊接快速加热对Ac1、Ac3和晶粒长大的影响（CCT图） d—晶粒的平均直径；A—奥氏体；P—珠光体；F—铁素体；K—碳化物 45钢 40Cr ωH ： 1—1400℃/s；2—270℃/s； 3—35℃/s； 4—7.5℃/s) ωH：1—1600℃/s；2—300℃/s； 4—42℃/s； 5—7.2℃/s
表10-1 加热速度对相变点Ac1和Ac3及其温差的影响
三、焊接冷却过程中的组织转变 • 焊接条件下的组织转变不仅与等温转变不同，也与热处理条件下的连续冷却组织转变不同 。 • 随冷却速度增大，平衡状态图上各相变点和温度线均发生偏移。 共析成分成为一个成分范围
通过进行焊接热模拟试验，研究各种材料热影响区的组织转变，建立“模拟焊接热影响区连续冷却组织转变图SH-CCT” 技术资料数据库，它可以比较方便地预测焊接热影响区的组织和性能，同时也能作为选择焊接线能量、预热温度和制定焊接工艺的依据。有关典型钢种的CCT图及组织的变化可参阅有关焊接手册。
第三节 焊接热影响区的组织与性能 • 焊接热影响区的组织分布 • 焊接热影响区的性能
一、焊接热影响区的组织分布 • 接头不同部位，经历的焊接热循环不同，便有不同的组织特点。按照热循环过程特点，将接头进行分区研究。
熔合区： 又称半熔化区，是焊缝与母材的交界区。 加热温度：1490～1530℃（固、液相线之间） 组织：（未熔化但因过热而长大的）粗晶组织和（部分新凝固的）铸态组织。 特点：该区很窄，组织不均匀，强度下降，塑性很差，是裂纹及局部脆断的发源地。 相变重结晶区(正火区)： 紧靠着过热区 加热温度： 850℃～1100℃ （AC3至1100℃） 组织： 均匀细小的铁素体和珠光体组织（近似于正火组织） 特点： 宽度约1.2～4.0mm，力学性能优于母材。 不完全重结晶区： 加热温度： AC1～AC3之间 组织： F+P (F粗、细不均)特点： 部分组织发生相变，晶粒不均匀，力学性能差。 过热区： 紧靠熔合区 加热温度： 1100℃～1490℃（1100℃～固相线） 组织： 粗大的过热组织。 特点： 宽度为1～3mm，塑性和韧性下降。 不易淬火钢焊接热影响区的组织分布
1-熔合区； 2-过热区； 3-相变重结晶区； 4-不完全重结晶区； 5-母材； 6-完全淬火区； 7-不完全淬火区； 8-回火软化区 不易 淬火钢 易淬 火钢 焊接热影响区的组织分布特征
1、 完全淬火区 • 焊接时处于Ac3以上的区域，与不易淬火钢的过热区、正火区对应。加热时铁素体、珠光体全部转变为奥氏体，冷却时很容易得到淬火组织。在紧靠焊缝相当于低碳钢过热区的部位，得到粗大的马氏体，而相当于正火区的部位则得到细小的马氏体。当焊件母材的淬硬性不是太高时，还会出现贝氏体、索氏体等正火组织与马氏体共存的混合组织。
2、 不完全淬火区 • 母材被加热到Ac1～Ac3温度之间的热影响区，相当于不易淬火钢的不完全重结晶区。在快速加热条件下，铁素体很少溶入奥氏体，而珠光体、贝氏体、索氏体等转变为奥氏体。在随后快冷时，奥氏体转变为马氏体，原铁素体保持不变，并有不同程度的长大，最后形成马氏体加铁素体的混合组织。如含碳量和合金元素含量不高或冷却速度较小时，奥氏体也可能转变成索氏体或珠光体。
3、回火软化区 • 如母材焊前是调质状态，焊接热影响区的组织分布除存在完全淬火区和不完全淬火区外，还存在一个回火软化区。 • 在回火区内组织和性能发生变化的程度决定于焊前调质的回火温度Ｔt ：热循环温度低于Ｔt 的部位，其组织性能不发生变化，而高于Ｔt 的部位，将发生软化现象； • 若焊前为淬火态，则可获得不同的回火组织。紧靠Ac1的部位，相当于瞬时高温回火，得到回火索氏体；离焊缝较远的区域，获得回火马氏体。
二、 焊接热影响区的性能 问题的严重性：焊缝可以通过化学成分的调整再配合适当的焊接工艺来保证性能的要求，而热影响区性能只能通过控制焊接热循环作用来改善。 • 焊接热影响区的硬化 • 焊接热影响区的脆化 • 焊接热影响区的软化 • 焊接热影响区的性能控制
1、焊接热影响区的硬化 母材的淬硬倾向（内因） HAZ的冷却速度（外因） HAZ的硬度 高低取决于 化学成分 焊接规范 焊接热影响区的最高硬度Hmax： Hmax（HV10）= 140 + 1089 Pcm- 8.2 t 8/ 5
材料淬硬倾向的评价指标 —碳当量 • 钢中含碳量显著影响奥氏体的稳定性，对淬硬倾向影响最大。含碳量越高，越容易得到马氏体组织，且马氏体的硬度随含碳量的增高而增大。 • 合金元素的影响与其所处的形态有关。溶于奥氏体时提高淬硬性(和淬透性)；而形成不溶碳化物、氮化物时，则可成为非马氏体相变形核的核心，促进细化晶粒，使淬硬性下降。 • 碳当量（Carbon Equivalent）是反映钢中化学成分对硬化程度的影响，它是把钢中合金元素（包括碳）按其对淬硬（包括冷裂、脆化等）的影响程度折合成碳的相当含量。
国际焊接学会推荐的CE(IIW)，用于中等强度的非调质低合金钢（b＝400～700MPa）：国际焊接学会推荐的CE(IIW)，用于中等强度的非调质低合金钢（b＝400～700MPa）： • 20世纪60年代以后，发展了低碳微量多合金元素的低合金高强钢。日本的伊藤等人采用Ｙ形坡口对接裂纹试验对200多个低合金钢进行研究，建立了Pcm公式：
焊接热影响区 Hmax 与 t8/5 的关系 板厚20mm，成分：C=0.12%，Mn=1.4%，Si=0.48%，Cu=0.15%
2、焊接热影响区的脆化 不同材料的焊接热影响区及热影响区的不同部位都会发生程度不同的材料脆化。 • 粗晶脆化 • 组织转变脆化 • 析出脆化 • 热应变时效脆化 • 氢脆以及石墨脆化
粗晶脆化 • 在热循环的作用下，熔合线附近和过热区将发生晶粒粗化。粗化程度受钢种的化学成分、组织状态、加热温度和时间的影响。如：钢中含有碳、氮化物形成元素，就会阻碍晶界迁移，防止晶粒长大。例如18CrWV钢，晶粒显著长大温度可达1140℃之高，而不含碳化物元素的23Mn和45号钢，超过1000℃晶粒就显著长大。
晶粒粗大严重影响组织的脆性，尤其是低温脆性。一般来讲，晶粒越粗，则脆性转变温度越高。 晶粒直径d对脆性转变温度VTrs的影响
组织转变脆化 • 焊接HAZ中由于出现脆硬组织而产生的脆化称之组织脆化。 • 对于常用的低碳低合金高强钢，焊接HAZ的组织脆化主要是M-A组元、上贝氏体、粗大的魏氏组织等所造成。但对含碳量较高的钢（一般Ｃ≥0.2％），则组织脆化主要是高碳马氏体。
M - A 组元 • M-A组元是焊接高强钢时在一定冷却速度下形成的。它不仅出现在热影响区，也出现在焊缝中。 • 粗大的奥氏体冷却过程中先形成铁素体，而使残余奥氏体的碳浓度增高，随后这种高碳奥氏体可转变为高碳马氏体与残余奥氏体的混合物，即M-A组元。 • M-A组元分布在粗大铁素体基底上的组织称为粒状贝氏体。 • M-A组元只在生成上贝氏体的冷却条件下才能观察到，冷速太快和太慢都不能产生M-A组元。 • 焊缝和HAZ有M-A组元存在时，会降低接头韧性。
析出脆化 析出脆化的机理目前认为是由于析出物出现以后，阻碍了位错运动，使塑性变形难以进行。若析出物以弥散的细颗粒分布于晶内或晶界，将有利于改善韧性。但以块状或沿晶界以薄膜状分布的析出物会造成材料脆化。 • 由于焊接过程的快速加热与冷却，其热影响区组织处于非平衡态。在时效或回火过程中，其过饱和固溶体中将析出碳化物、氮化物、金属间化合物及其它亚稳定的中间相等，使材料的强度、硬度和脆性提高，这种现象称为析出脆化。 例：G102（12Gr2MoWVTiB）接头 在800℃加热不同时间之后， HAZ 碳元素分布状况的面扫描结果。
冷成形 静应变时效脆化 热成形 动应变时效脆化（特别是在200～400℃的预应变 ） 焊缝 封头 HAZ 热应变时效脆化 产生应变时效脆化的原因, 主要是由于应变引起位错增殖，焊接热循环时，碳、氮原子析集到这些位错的周围形成所谓Cottrell气团，对位错产生钉扎和阻塞作用而使材料脆化。 • 在制造过程中要对焊接结构进行一系列冷、热加工，如下料、剪切、弯曲成型、气割等。若加工引起的局部应变、塑性变形的部位在随后又经历焊接热循环作用（处于HAZ 内）便会引起材料脆化，称为热应变时效脆化。 明显产生热应变时效脆化的部位是HAZ的熔合区和Ar1以下的亚临界HAZ（200～600℃）
焊接热循环作用 再结晶软化 过时效软化 3、焊接热影响区的软化 经冷作强化的金属 经热处理强化的金属
图10-10 调质钢焊接HAZ的硬度分布 • 焊前淬火+低温回火；B—焊前淬火+高温回火； • C—焊前退火 1—淬火区；2—部分淬火；3—回火区
图10-11LD2铝合金HAZ的软化现象 (HR为表面洛氏硬度) (自动TIG焊)
4、焊接热影响区的性能控制 • 控制焊接工艺过程 • 改善母材的焊接性能
针对不同母材焊接热影响区的性能变化分析，合理制定焊接工艺，包括： • 选择焊接线能量 • 预热与缓冷 • 焊后热处理（正火、调质、去应力退火） 控制焊接 热循环 控制HAZ 组织
采用低碳微合金化钢：利用微量元素弥散强化、固溶强化，提高材料的热稳定性（控制析出相的尺寸及母材晶粒尺寸）。 • 采用控轧工艺得到细晶粒钢。 • 近年来在国际上大力发展了冶金精炼技术，使钢中的杂质含量极低 ( O、N 、H、S、P 等杂质元素总和小于50PPM ) ，得到高纯净钢，使钢材的韧性大为提高，也提高了焊接热影响区的韧性。
a) 过热区(粗大马氏体) b) 细晶区(细小马氏体) 图10-8 低碳调质钢焊条电弧焊完全淬火区组织 400×
G102 G102 800 ℃ / 12h 焊 态 G102 G102 800 ℃ / 800h 800 ℃ / 1452h
Fe-C相图中的3个恒温转变 共析转变温度称为Al温度 奥氏体→铁素体转变温度称为A3温度 在727℃发生共析转变：s→P+Fe3C，转变产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体。 在1148℃发生的共晶转变：Lc→E+Fe3C，转变产物是奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体； 在1495℃发生的包晶转变：LB＋H→YJ转变产物是奥氏体
