第12章焊接熱影響區(qū)組織與性能

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12-1

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。二、焊接熱循環(huán)的參數(shù)及特征晶粒大小相變組織加熱速度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)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0mcrR

2+

0

.234

ET

=

TcryTm

0=

T

+

0.242E

d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。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。Et

=2pl(TH

-

T0

)HH

0(E

d)2t

H

=

2plcr(T

-

T

)2點(diǎn)熱源（厚板）線熱源（薄板）冷卻速度：

厚板薄板冷卻時(shí)間：厚板薄板E(T

-

T

)2w

C

=

2pl

C

0

(E

d)2(T

-

T

)3w

C

=

2plcr

C

0

-

0 0

8

5800-T

11E

t

=2pl

500-T-2

0

208

51(500

-

T

)

(800

-

T

)t

=4plcr(E

d)2

1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)。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)變一、焊接過(guò)程的特殊性五個(gè)特點(diǎn)（以低合金鋼的焊接為例）：加熱溫度高加熱速度快在熔合線附近溫度可達(dá)l350～l400℃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(一般手弧焊為4～20s，埋弧焊時(shí)30～l00s)在自然條件下連續(xù)冷卻（有時(shí)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。二、鋼焊接加熱過(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。圖12-4

焊接快速加熱對(duì)Ac1、Ac3和晶粒長(zhǎng)大的影響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＃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℃/s鋼

種相變點(diǎn)平衡態(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12-1

加熱速度對(duì)相變點(diǎn)Ac1和Ac3及其溫差的影響三、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)成分范圍人們通過(guò)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，建立了“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)。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。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：TG～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℃～TG1100℃（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。焊接熱影響區(qū)的組織分布特征1-熔合區(qū)；過(guò)熱區(qū)；相變重結(jié)晶區(qū)；不完全重結(jié)晶區(qū)；母材；完全淬火區(qū)；不完全淬火區(qū)；回火軟化區(qū)不易淬火鋼易淬火鋼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。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。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。二、焊接熱影響區(qū)的性能焊縫可以通過(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)性能惡化只能通過(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）化學(xué)成分HAZ

的冷卻速度（外因）焊接規(guī)范焊接熱影響區(qū)的最高硬度Hmax：Hmax（HV10）=

140

+

1089

Pcm-

8.2

t

8

/

5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（Carbon

Equivalent）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。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（sb＝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：=C

+

Mn

+

Cu+Ni+

Cr+Mo+V6

15

5(IIW

)CEPcm=C

+

Si

+

Mn+Cu+Cr

+

Ni

+

Mo

+

V

+5B30

20

60

15

10碳當(dāng)量↑——熱影響區(qū)的硬化↑（淬硬傾向↑）——脆性和冷裂敏感性↑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%2、焊接熱影響區(qū)的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。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。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。D-1/2(mm-1/2)晶粒直徑d

對(duì)脆性轉(zhuǎn)變溫度VTrs的影響2-1s

f

=so

+

B(d)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。M-A

組元M-A組元是焊接高強(qiáng)鋼時(shí)出現(xiàn)在熱影響區(qū)，也出現(xiàn)在M-A組元形成原因：粗大而使殘余奧氏體的碳濃度增為高碳馬氏體與殘余奧氏體M-A組元分布在粗大鐵素體在一定冷卻速度下形成的。它不僅焊縫中。的奧氏體冷卻過(guò)程中先形成鐵素體，高，隨后這種高碳奧氏體可轉(zhuǎn)變

的混合物，即M-A組元?；咨系慕M織稱為粒狀貝氏體。M-A組元韌性低，因?yàn)闅堄鄪W氏體增碳后，形成孿晶馬氏體夾雜于貝氏體鐵素體板條之間，并在界面上產(chǎn)生顯微裂紋沿M-A組元的邊界擴(kuò)展。因此，有M-A組元存在時(shí)，成為潛在的裂紋源，并起到應(yīng)力集中的作用。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。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。12Gr2MoWVTiB

接頭在800℃×800h加熱后，HAZ

碳元素分布狀況的面掃描結(jié)果。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。HAZ焊縫封頭熱應(yīng)變時(shí)效脆化產(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)的周圍形成所謂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℃）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)作用調(diào)質(zhì)鋼焊接HAZ的