焊接熱影響區(qū)的組織與性能

焊接熱影響區(qū)的組織與性能1第1頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一熔焊時(shí)在高溫?zé)嵩醋饔孟?，靠近焊縫兩側(cè)一定范圍內(nèi)發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域稱為“焊接熱影響區(qū)”。圖10-1焊接接頭示意圖1-焊縫；2-熔合區(qū)；3-熱影響區(qū)；4-母材2第2頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)焊接熱循環(huán)第二節(jié)焊接熱循環(huán)下的金屬組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)第三節(jié)焊接熱影響區(qū)的組織與性能3第3頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)焊接熱循環(huán)一、研究焊接熱循環(huán)的意義二、焊接熱循環(huán)的參數(shù)及特征三、焊接熱循環(huán)參數(shù)的計(jì)算4第4頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、研究焊接熱循環(huán)的意義在焊接熱源的作用下，焊件上某點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化過(guò)程稱為焊接熱循環(huán)。

焊接熱循環(huán)反映了熱源對(duì)焊件金屬的熱作用。焊件上距熱源遠(yuǎn)近不同的位置，所受到熱循環(huán)的加熱參數(shù)不同，從而會(huì)發(fā)生不同的組織與性能變化。研究焊接熱循環(huán)的意義為：

①找出最佳的焊接熱循環(huán)；②用工藝手段改善焊接熱循環(huán)；

③預(yù)測(cè)焊接應(yīng)力分布及改善熱影響區(qū)組織與性能。5第5頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、焊接熱循環(huán)的參數(shù)及特征加熱速度ωH

最高加熱溫度Ｔm

相變溫度以上的停留時(shí)間tH

冷卻速度Ωc(或冷卻時(shí)間t8

/5)晶粒大小相變組織6第6頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、焊接熱循環(huán)參數(shù)的計(jì)算

主要介紹焊接熱源高速運(yùn)動(dòng)時(shí)厚板和薄板的熱循環(huán)參數(shù)的計(jì)算（推導(dǎo)過(guò)程略）：

峰值溫度Ｔm的計(jì)算

相變溫度以上的停留時(shí)間tH

的計(jì)算

冷卻速度ωC和冷卻時(shí)間的計(jì)算

7第7頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一點(diǎn)熱源（厚板）線熱源（薄板）由兩式可以看出，當(dāng)焊接線能量E（單位長(zhǎng)度上的焊接熱輸入量，E=IU/v

)

一定，焊件上某點(diǎn)離開(kāi)熱源軸心距離越遠(yuǎn)，最高溫度Ｔm越低；而對(duì)焊件上某一定點(diǎn)，隨著線能量E

的提高，其Ｔm增高，焊接熱影響區(qū)的寬度增大。峰值溫度的高低還受預(yù)熱溫度與焊件熱物理性質(zhì)的影響。8第8頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一點(diǎn)熱源（厚板）線熱源（薄板）由公式可以看出，在其它條件不變的情況下，提高線能量E，高溫停留時(shí)間tH延長(zhǎng)，也就是說(shuō)發(fā)生粗晶脆化的可能性增大。提高初始溫度T0（預(yù)熱溫度），也會(huì)在一定程度上延長(zhǎng)高溫停留時(shí)間tH。9第9頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一冷卻速度：厚板薄板冷卻時(shí)間：厚板薄板

冷卻速度ωc隨著線能量E和初始溫度T0的提高而降低，冷卻時(shí)間隨著線能量E和初始溫度T0的提高而延長(zhǎng)。母材的熱物理性質(zhì)、焊件的形狀、尺寸、接頭型式、焊道的長(zhǎng)度及層數(shù)都會(huì)影響焊接熱循環(huán)參數(shù)，10第10頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)焊接熱循環(huán)條件下的

金屬組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)與熱處理?xiàng)l件下的組織轉(zhuǎn)變相比，其基本原理相同，又具有與熱處理不同的特點(diǎn)。

焊接過(guò)程的特殊性

焊接加熱過(guò)程的組織轉(zhuǎn)變

焊接時(shí)冷卻過(guò)程的組織轉(zhuǎn)變

11第11頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、焊接過(guò)程的特殊性五個(gè)特點(diǎn)（以低合金鋼為例）：加熱溫度高

在熔合線附近溫度可達(dá)l350～l400℃；加熱速度快

加熱速度比熱處理時(shí)快幾十倍甚至幾百倍；高溫停留時(shí)間短

在AC3以上保溫的時(shí)間很短(一般手工電弧焊約為4～20s，埋弧焊時(shí)30～l00s)；在自然條件下連續(xù)冷卻（個(gè)別情況下進(jìn)行焊后保溫緩冷）；有熱應(yīng)力作用狀態(tài)下進(jìn)行的組織轉(zhuǎn)變。12第12頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、焊接加熱過(guò)程的組織轉(zhuǎn)變焊接過(guò)程的快速加熱，將使各種金屬的相變溫度比起等溫轉(zhuǎn)變時(shí)大有提高。當(dāng)鋼中含有較多的碳化物形成元素(Cr、W、Mo、V、Ti、Nb等)時(shí)，這一影響更為明顯。這是因?yàn)樘蓟镄纬稍氐臄U(kuò)散速度很小(比碳小1000～10000倍)，同時(shí)它們本身還阻礙碳的擴(kuò)散，因而大大地減慢了奧氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程。13第13頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖10-4焊接快速加熱對(duì)Ac1、Ac3和晶粒長(zhǎng)大的影響（CCT圖）d—晶粒的平均直徑；A—奧氏體；P—珠光體；F—鐵素體；K—碳化物45鋼40CrωH：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℃/s14第14頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一鋼種相變點(diǎn)平衡狀態(tài)加熱速度ωH/（℃·S-1）AC1與AC3的溫差/℃/℃6~840~50250~3001400~170040~50250~3001400~170045鋼AC17307707757908404560110AC3770820835860950659018040CrAC17407357507708401535105AC3780775800850940257516523MnAC1735750770785830355095AC3830810850890940408013030CrMnSiAC17407407758259203585180AC38207908358909804510019018Cr2WVAC1710800860930100060130200AC38108609301020112070160260表10-1加熱速度對(duì)相變點(diǎn)Ac1和Ac3及其溫差的影響15第15頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、焊接冷卻過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變焊接條件下的組織轉(zhuǎn)變不僅與等溫轉(zhuǎn)變不同，也與熱處理?xiàng)l件下的連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變不同。隨冷卻速度增大，平衡狀態(tài)圖上各相變點(diǎn)和溫度線均發(fā)生偏移。共析成分成為一個(gè)成分范圍16第16頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一通過(guò)進(jìn)行焊接熱模擬試驗(yàn)，研究各種材料熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變，建立“模擬焊接熱影響區(qū)連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖SH-CCT”技術(shù)資料數(shù)據(jù)庫(kù)，它可以比較方便地預(yù)測(cè)焊接熱影響區(qū)的組織和性能，同時(shí)也能作為選擇焊接線能量、預(yù)熱溫度和制定焊接工藝的依據(jù)。有關(guān)典型鋼種的CCT圖及組織的變化可參閱有關(guān)焊接手冊(cè)。17第17頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)焊接熱影響區(qū)的

組織與性能

焊接熱影響區(qū)的組織分布

焊接熱影響區(qū)的性能18第18頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、焊接熱影響區(qū)的組織分布接頭不同部位，經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)不同，便有不同的組織特點(diǎn)。按照熱循環(huán)過(guò)程特點(diǎn)，將接頭進(jìn)行分區(qū)研究。19第19頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一不易淬火鋼焊接熱影響區(qū)的組織分布熔合區(qū)：又稱半熔化區(qū)，是焊縫與母材的交界區(qū)。加熱溫度：1490～1530℃（固、液相線之間）組織：（未熔化但因過(guò)熱而長(zhǎng)大的）粗晶組織和（部分新凝固的）鑄態(tài)組織。特點(diǎn)：該區(qū)很窄，組織不均勻，強(qiáng)度下降，塑性很差，是裂紋及局部脆斷的發(fā)源地。過(guò)熱區(qū)：緊靠熔合區(qū)加熱溫度：1100℃～1490℃（1100℃～固相線）組織：粗大的過(guò)熱組織。特點(diǎn)：寬度為1～3mm，塑性和韌性下降。相變重結(jié)晶區(qū)(正火區(qū))：緊靠著過(guò)熱區(qū)加熱溫度：850℃～1100℃（AC3至1100℃）組織：均勻細(xì)小的鐵素體和珠光體組織（近似于正火組織）特點(diǎn)：寬度約1.2～4.0mm，力學(xué)性能優(yōu)于母材。不完全重結(jié)晶區(qū)：加熱溫度：AC1～AC3之間組織：F+P(F粗、細(xì)不均)特點(diǎn)：部分組織發(fā)生相變，晶粒不均勻，力學(xué)性能差。20第20頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1-熔合區(qū)；2-過(guò)熱區(qū)；3-相變重結(jié)晶區(qū)；4-不完全重結(jié)晶區(qū)；5-母材；6-完全淬火區(qū)；7-不完全淬火區(qū)；8-回火軟化區(qū)焊接熱影響區(qū)的組織分布特征不易淬火鋼易淬火鋼21第21頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、完全淬火區(qū)焊接時(shí)處于Ac3以上的區(qū)域，與不易淬火鋼的過(guò)熱區(qū)、正火區(qū)對(duì)應(yīng)。加熱時(shí)鐵素體、珠光體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，冷卻時(shí)很容易得到淬火組織。在緊靠焊縫相當(dāng)于低碳鋼過(guò)熱區(qū)的部位，得到粗大的馬氏體，而相當(dāng)于正火區(qū)的部位則得到細(xì)小的馬氏體。當(dāng)焊件母材的淬硬性不是太高時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)貝氏體、索氏體等正火組織與馬氏體共存的混合組織。22第22頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、不完全淬火區(qū)母材被加熱到Ac1～Ac3溫度之間的熱影響區(qū)，相當(dāng)于不易淬火鋼的不完全重結(jié)晶區(qū)。在快速加熱條件下，鐵素體很少溶入奧氏體，而珠光體、貝氏體、索氏體等轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在隨后快冷時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，原鐵素體保持不變，并有不同程度的長(zhǎng)大，最后形成馬氏體加鐵素體的混合組織。如含碳量和合金元素含量不高或冷卻速度較小時(shí)，奧氏體也可能轉(zhuǎn)變成索氏體或珠光體。23第23頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、回火軟化區(qū)如母材焊前是調(diào)質(zhì)狀態(tài)，焊接熱影響區(qū)的組織分布除存在完全淬火區(qū)和不完全淬火區(qū)外，還存在一個(gè)回火軟化區(qū)。在回火區(qū)內(nèi)組織和性能發(fā)生變化的程度決定于焊前調(diào)質(zhì)的回火溫度Ｔt：熱循環(huán)溫度低于Ｔt的部位，其組織性能不發(fā)生變化，而高于Ｔt的部位，將發(fā)生軟化現(xiàn)象；若焊前為淬火態(tài)，則可獲得不同的回火組織。緊靠Ac1的部位，相當(dāng)于瞬時(shí)高溫回火，得到回火索氏體；離焊縫較遠(yuǎn)的區(qū)域，獲得回火馬氏體。24第24頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、焊接熱影響區(qū)的性能

問(wèn)題的嚴(yán)重性：焊縫可以通過(guò)化學(xué)成分的調(diào)整再配合適當(dāng)?shù)暮附庸に噥?lái)保證性能的要求，而熱影響區(qū)性能只能通過(guò)控制焊接熱循環(huán)作用來(lái)改善。焊接熱影響區(qū)的硬化焊接熱影響區(qū)的脆化焊接熱影響區(qū)的軟化焊接熱影響區(qū)的性能控制25第25頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、焊接熱影響區(qū)的硬化HAZ的硬度高低取決于母材的淬硬傾向（內(nèi)因）HAZ的冷卻速度（外因）化學(xué)成分焊接規(guī)范焊接熱影響區(qū)的最高硬度Hmax：

Hmax（HV10）=140+1089Pcm-8.2t8

/526第26頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一材料淬硬傾向的評(píng)價(jià)指標(biāo)—

碳當(dāng)量鋼中含碳量顯著影響奧氏體的穩(wěn)定性，對(duì)淬硬傾向影響最大。含碳量越高，越容易得到馬氏體組織，且馬氏體的硬度隨含碳量的增高而增大。合金元素的影響與其所處的形態(tài)有關(guān)。溶于奧氏體時(shí)提高淬硬性(和淬透性)；而形成不溶碳化物、氮化物時(shí)，則可成為非馬氏體相變形核的核心，促進(jìn)細(xì)化晶粒，使淬硬性下降。碳當(dāng)量（CarbonEquivalent）是反映鋼中化學(xué)成分對(duì)硬化程度的影響，它是把鋼中合金元素（包括碳）按其對(duì)淬硬（包括冷裂、脆化等）的影響程度折合成碳的相當(dāng)含量。27第27頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的CE(IIW)，用于中等強(qiáng)度的非調(diào)質(zhì)低合金鋼（b＝400～700MPa）：20世紀(jì)60年代以后，發(fā)展了低碳微量多合金元素的低合金高強(qiáng)鋼。日本的伊藤等人采用Ｙ形坡口對(duì)接裂紋試驗(yàn)對(duì)200多個(gè)低合金鋼進(jìn)行研究，建立了Pcm公式：28第28頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一焊接熱影響區(qū)Hmax與t8/5的關(guān)系板厚20mm，成分：C=0.12%，Mn=1.4%，Si=0.48%，Cu=0.15%29第29頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、焊接熱影響區(qū)的脆化

粗晶脆化

組織轉(zhuǎn)變脆化析出脆化

熱應(yīng)變時(shí)效脆化氫脆以及石墨脆化不同材料的焊接熱影響區(qū)及熱影響區(qū)的不同部位都會(huì)發(fā)生程度不同的材料脆化。30第30頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一粗晶脆化在熱循環(huán)的作用下，熔合線附近和過(guò)熱區(qū)將發(fā)生晶粒粗化。粗化程度受鋼種的化學(xué)成分、組織狀態(tài)、加熱溫度和時(shí)間的影響。如：鋼中含有碳、氮化物形成元素，就會(huì)阻礙晶界遷移，防止晶粒長(zhǎng)大。例如18CrWV鋼，晶粒顯著長(zhǎng)大溫度可達(dá)1140℃之高，而不含碳化物元素的23Mn和45號(hào)鋼，超過(guò)1000℃晶粒就顯著長(zhǎng)大。31第31頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一晶粒粗大嚴(yán)重影響組織的脆性，尤其是低溫脆性。一般來(lái)講，晶粒越粗，則脆性轉(zhuǎn)變溫度越高。晶粒直徑d對(duì)脆性轉(zhuǎn)變溫度VTrs的影響32第32頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一組織轉(zhuǎn)變脆化焊接HAZ中由于出現(xiàn)脆硬組織而產(chǎn)生的脆化稱之組織脆化。對(duì)于常用的低碳低合金高強(qiáng)鋼，焊接HAZ的組織脆化主要是M-A組元、上貝氏體、粗大的魏氏組織等所造成。但對(duì)含碳量較高的鋼（一般Ｃ≥0.2％），則組織脆化主要是高碳馬氏體。33第33頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一M-A組元M-A組元是焊接高強(qiáng)鋼時(shí)在一定冷卻速度下形成的。它不僅出現(xiàn)在熱影響區(qū)，也出現(xiàn)在焊縫中。粗大的奧氏體冷卻過(guò)程中先形成鐵素體，而使殘余奧氏體的碳濃度增高，隨后這種高碳奧氏體可轉(zhuǎn)變?yōu)楦咛捡R氏體與殘余奧氏體的混合物，即M-A組元。

M-A組元分布在粗大鐵素體基底上的組織稱為粒狀貝氏體。M-A組元只在生成上貝氏體的冷卻條件下才能觀察到，冷速太快和太慢都不能產(chǎn)生M-A組元。焊縫和HAZ有M-A組元存在時(shí)，會(huì)降低接頭韌性。34第34頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一析出脆化由于焊接過(guò)程的快速加熱與冷卻，其熱影響區(qū)組織處于非平衡態(tài)。在時(shí)效或回火過(guò)程中，其過(guò)飽和固溶體中將析出碳化物、氮化物、金屬間化合物及其它亞穩(wěn)定的中間相等，使材料的強(qiáng)度、硬度和脆性提高，這種現(xiàn)象稱為析出脆化。析出脆化的機(jī)理目前認(rèn)為是由于析出物出現(xiàn)以后，阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使塑性變形難以進(jìn)行。若析出物以彌散的細(xì)顆粒分布于晶內(nèi)或晶界，將有利于改善韌性。但以塊狀或沿晶界以薄膜狀分布的析出物會(huì)造成材料脆化。例：G102（12Gr2MoWVTiB）接頭在800℃加熱不同時(shí)間之后，HAZ碳元素分布狀況的面掃描結(jié)果。35第35頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一熱應(yīng)變時(shí)效脆化在制造過(guò)程中要對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行一系列冷、熱加工，如下料、剪切、彎曲成型、氣割等。若加工引起的局部應(yīng)變、塑性變形的部位在隨后又經(jīng)歷焊接熱循環(huán)作用（處于HAZ內(nèi)）便會(huì)引起材料脆化，稱為熱應(yīng)變時(shí)效脆化。冷成形靜應(yīng)變時(shí)效脆化熱成形動(dòng)應(yīng)變時(shí)效脆化（特別是在200～400℃的預(yù)應(yīng)變）HAZ焊縫封頭產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效脆化的原因,主要是由于應(yīng)變引起位錯(cuò)增殖，焊接熱循環(huán)時(shí)，碳、氮原子析集到這些位錯(cuò)的周?chē)纬伤^Cottrell氣團(tuán)，對(duì)位錯(cuò)產(chǎn)生釘扎和阻塞作用而使材料脆化。明顯產(chǎn)生熱應(yīng)變時(shí)效脆化的部位是HAZ的熔合區(qū)和Ar1以下的亞臨界HAZ（200～600℃）36第36頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、焊接熱影響區(qū)的軟化經(jīng)冷作強(qiáng)化的金屬經(jīng)熱處理強(qiáng)化的金屬再結(jié)晶軟化過(guò)時(shí)效軟化焊接熱循環(huán)作用37第37頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖10-10調(diào)質(zhì)鋼焊接HAZ的硬度分布焊前淬火+低溫回火；B—焊前淬火+高溫回火；C—焊前退火1—淬火區(qū)；2—部分淬火；3—回火區(qū)38第38頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖10-11

LD2鋁合金HAZ的軟化現(xiàn)象(HR為表面洛氏硬度)(自動(dòng)TIG焊)39第39頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4、焊接熱影響區(qū)的性能控制控制焊接工藝過(guò)程改善母材的焊接性能40第40頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一針對(duì)不同母材焊接熱影響區(qū)的性能變化分析，合理制定焊接工藝，包括：選擇焊接線能量預(yù)熱與緩冷焊后熱處理（正火、調(diào)質(zhì)、去應(yīng)力退火）控制焊接熱循環(huán)控制HAZ組織41第41頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期一采用低碳微合金化鋼：利用微量元素彌散強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化，提高材料的熱穩(wěn)定性（控制析出相的尺寸及母材晶粒尺寸）。采用控軋工藝得到細(xì)晶粒鋼。近年來(lái)在國(guó)際上大力發(fā)展了冶金精煉技術(shù)，使鋼中的雜