焊接熱影響區(qū)的組織和性能變化

第三節(jié)焊接熱影響區(qū)的組織與性能·焊接熱循環(huán)·焊接熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)焊接熱影響區(qū)的組織與性能變化1焊接熱影響區(qū)概述焊接熱影響區(qū)的定義：熔焊時(shí)在焊接熱源的作用下，焊縫周圍的母材發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域

稱為“熱影響區(qū)”(Heat

Affected

Zone,HAZ),

或

稱為“近縫區(qū)”(Near

Weld

Zone)。焰合區(qū)未受形官區(qū)時(shí)效需化區(qū)不完全結(jié)品區(qū)相變重結(jié)晶區(qū)過(guò)燕粗晶區(qū)熱影響區(qū)焊接熱影響區(qū)的示意圖1111焊2鞋heat

affected

zone

—

0,78

%C→2,06材料因受焊接熱影響(但未熔化)而發(fā)生金相組

織和力學(xué)性能變化的區(qū)域。pentecticummeltE

1147γ+Fe3CTemperatures;400℃

600℃

1000℃

1200℃

1600℃fine-granedregionpartial

austenitichomogeneous

meltpartal

meltK→

cutectoid1536℃

A1

BγOrecrystallizeGBM3S×焊接過(guò)程中，在形成

焊縫的同時(shí)，不可避

免地使其附近的母材

經(jīng)受了一次特殊的熱

處理，形成組織和性

能及不均勻的熱影響區(qū)。熱影響區(qū)一些部位的

組織和性能很差，成

為整個(gè)接頭的薄弱地

帶。t/s。HAZ經(jīng)受了一次特殊的熱處理。。一些部位的組織和性能變壞(如過(guò)熱區(qū)),成為整個(gè)焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)焊接質(zhì)量起著控制作用。很多焊接結(jié)構(gòu)的破壞事故都與焊接熱影響區(qū)的

性能惡化有關(guān)。重視和研究焊接熱影響區(qū)的組織和性能變化。5影響焊接熱影響區(qū)組織和性能的主要因素取決于材料本身的特性和工藝條件，主要冶金和

工藝因素：1)被焊金屬與合金系統(tǒng)的特點(diǎn)無(wú)相變的金屬和合金：非常簡(jiǎn)單有相變的材料：很復(fù)雜2)焊前母材的原始狀態(tài)·

焊前為冷作硬化或熱處理態(tài)：退火軟化。易淬火材料焊前為退火態(tài)：淬火的硬化區(qū)63)焊接工藝方法和工藝參數(shù)熱源特點(diǎn)與焊接工藝參數(shù)密切相關(guān)：溫度場(chǎng)分布和

焊接熱循環(huán)的特點(diǎn)。影響到焊接熱影響區(qū)特殊熱處理的各項(xiàng)參數(shù)：升溫

速度、高溫停留時(shí)間和冷

卻速度等。!/s不同焊接工藝下鋼材單道焊時(shí)熱影響區(qū)的熱循環(huán)曲線1-CO?氣體保護(hù)焊(板厚=1.5mm)2一埋弧焊(板厚=8mm)3一埋弧焊(板厚=15mm)4-

電渣焊(板厚×100mm)影響焊接熱影響區(qū)組織和性能的主要因素7表2

采用不同工藝焊接低碳鋼和低合金鋼時(shí)熱形響區(qū)過(guò)熱區(qū)的熱循環(huán)參數(shù)(1)焊接方法線能量(kJ/cm)亮溫(AC,

以上)停留時(shí)間(s)下死溫度時(shí)的冷卻速度(C/s)過(guò)熱區(qū)寬度(mm)900℃

550℃電學(xué)束焊CO,保護(hù)焊理弧焊電渣焊4.67.5

12.1

12.6

20.9

41.9

92.1

502.4

1046.71.5。1.8/p>

51.21.463

』3

56

心T

;1820353

13

0231061

10.7·17,

55上.00.40.252心

75

Z8

55

心-

12?

(-185tfs1.定義：焊接過(guò)程中，熱源沿焊件移動(dòng)時(shí)，焊件上某點(diǎn)

的溫度由低而高，

達(dá)到最大值后，又

由高而低的變化稱

為焊接熱循環(huán)。距焊縫不同距離各點(diǎn)的焊接熱循環(huán)一、焊接熱循環(huán)92.

焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)~

加熱速度Vn加熱的最高溫度

(Tm)在相變以上的停留時(shí)間(?)冷卻速度(Vo)和冷卻時(shí)間

(tss

、tss

、tion)焊接熱循環(huán)的參數(shù)10twst

800～500℃的冷卻時(shí)間。tws:800～300℃

的冷卻時(shí)間。tm:

從峰值溫度Tm

冷至100℃

的冷卻時(shí)間。11二、焊接熱熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)1.

焊接熱循環(huán)的特點(diǎn)1)加熱的溫度高熱處理AC?以上100-200℃,例如45號(hào)鋼AC?:770

℃焊接近縫區(qū)：接近熔點(diǎn)，鋼的熔點(diǎn)1350

℃2)加熱的速度快比熱處理快幾十倍甚至上百倍。3)高溫停留時(shí)間短手工電弧焊：4-20S,

埋弧焊：20-40S4)局部加熱12★加熱速度快，相變溫度升高Vn↑→Ac1,Ac3

個(gè)>奧氏體化過(guò)程是一個(gè)擴(kuò)散重

結(jié)晶過(guò)程，需要有孕育期。>鋼中含有碳化物形成元素時(shí)

影響更顯著。形成的碳化物阻礙碳的

擴(kuò)散碳化物本身擴(kuò)散速度低14m130-1200-11a0-k

180k900日800-700|481

2461824100t(a)a)1a0-p120m-1000800FF

7eol

5.1245102461024620021(3)b)2.焊接加熱過(guò)程奧氏體化的特點(diǎn)圖4-

19

焊接快述加熱對(duì)An、Acg

和品粒長(zhǎng)大的影響)45鋼(ogs

1-1480C42-2X0℃/3-35℃/4-7.5

b)Cr{a1-1600℃:

2-300C/s3-1S0C/s4-42C/a

5-7.2℃/)

d一指檢的平均直徑A一費(fèi)氏體P一珠光體

F—鐵察體

K-

能化物Ar?Ae?13(℃))奧氏體均質(zhì)化程度低高溫停留時(shí)間短，不利于擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行，從而均質(zhì)化程度低。近縫區(qū)奧氏體晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大當(dāng)加熱溫度在1100℃以上時(shí)，奧氏體晶粒嚴(yán)

重長(zhǎng)大。>加熱過(guò)程形成的奧氏體晶粒度和均勻化程度

對(duì)冷卻時(shí)的相變過(guò)程和相變產(chǎn)物有很大影響。143.焊接時(shí)冷卻過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)(1)奧氏體化溫度高，加熱與冷卻速度快(

2)奧氏體的穩(wěn)定性越大，淬硬傾向越大不含碳化物合金元素(如45鋼):近縫區(qū)組

織

粗化，淬硬傾向比熱處理?xiàng)l件下要大含碳化物合金元素(如40Cr鋼

)

:

碳

化

物

不能

充分溶解，奧氏體穩(wěn)定性下降，淬硬傾向比熱

處理?xiàng)l件下要小15Fe-C合金：在固態(tài)下合金中除了有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變外，還有成分變化和第二相析出，即共

析轉(zhuǎn)變和Fe?C的析出。(一)焊接熱影響區(qū)的組織分布1.低碳鋼及不易淬火的低合金鋼HAZ

組織分布如Q235、16Mn、15MnV

等，可分為如下四個(gè)區(qū)：熔合區(qū)(半熔化區(qū))T?

~Ts,

化學(xué)成分與組織不均勻

分布，過(guò)熱嚴(yán)重，塑性差，對(duì)焊

接接頭的強(qiáng)度、韌性都有很大的

影響。是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。三

、焊接熱影響區(qū)的

組織與性能

變化圖

4

-

2

9

焊接熱

影

響區(qū)的

分

布

特

征1

—

熔

合

區(qū)

2

一

過(guò)

熱

區(qū)3

—

相變量結(jié)晶區(qū)4

一

不完

全

重

結(jié)晶區(qū)

5

—

母

材6

—

淬

火區(qū)

7

—

部

分

淬火區(qū)

8

—

回

火

區(qū)1不易淬火鋼易淬火鋼(退火)易淬火鋼(淬火)2

3146

76

7|

8S

(mm)55516過(guò)熱區(qū)I

(粗晶區(qū))溫度：

Ts-1100

℃現(xiàn)象：加熱溫度高，在固相線附近，

一些難熔質(zhì)點(diǎn)如碳化物和氮化物等溶

入奧氏體，奧氏體晶粒粗大。組織：粗大的奧氏體在較慢的冷卻速

度下形成過(guò)熱組織—魏氏組織?！列阅埽喉g性很低。措施：嚴(yán)重時(shí)采用焊后正火處理(如

電渣焊)。1

-

過(guò)

熱區(qū)Ⅱ

-

重結(jié)晶區(qū)(即正火區(qū))Ⅲ

-

不完全重結(jié)晶區(qū)

IV-再結(jié)晶區(qū)V

一

母材(冷軋狀態(tài))17相變重結(jié)晶區(qū)Ⅱ(正火區(qū))溫度：1100

℃-Ac現(xiàn)象：母材完全奧氏體化，加熱和冷卻過(guò)程中經(jīng)受了兩次重結(jié)晶相變，使晶粒得到顯著的細(xì)化。組織：相當(dāng)于低碳鋼正火處理后的組織(細(xì)小的P+F)。×性能：較好的綜合性能。1

一

過(guò)熱區(qū)

Ⅱ

-

重

結(jié)

晶

區(qū)(

即

正

火

區(qū)

)Ⅲ

-

不完全重結(jié)晶區(qū)IV-再結(jié)晶區(qū)

V

一

母材(冷軋狀態(tài))18>不完全重結(jié)晶區(qū)Ⅲ(不完全正

火區(qū))☆溫度：

Ac?

~Ac?×現(xiàn)象：加熱溫度Ac?到Ac?之

間，金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不發(fā)生

變化，只有部分金屬經(jīng)受了

重結(jié)晶相變?！罱M織：原始的鐵素體晶粒(

粗大)和細(xì)晶粒的混合區(qū)。×性能：性能不好1

-

過(guò)熱區(qū)

Ⅱ

-

重

結(jié)

晶

區(qū)(

即

正

火

區(qū)

)Ⅲ

-

不完全重結(jié)晶區(qū)

IV-再結(jié)晶區(qū)

V

一

母材(冷軋狀態(tài))19)這熱區(qū)組織b)

重結(jié)晶區(qū)組織()不完全重結(jié)品區(qū)組織)母材組紙Q235A

鋼焊接熱影響區(qū)的組織特點(diǎn)20不完全重結(jié)

晶區(qū)重結(jié)晶區(qū)過(guò)熱區(qū)母材(1)焊前是正火或退火狀態(tài)焊前BM

為F+P(S

、B)完全淬火區(qū)(完全奧氏體化)Ac?

以上，室溫組織為M。不完全淬火區(qū)(部分奧氏體化)Ac?~Ac?,室溫組織為M+F。在快速加熱條件下F很少溶入A,

而P、B、S

等轉(zhuǎn)變?yōu)锳;

隨后快

冷，形成M+

粗大F。2.

易淬火鋼HAZ組織分布焊接淬硬傾向較大的鋼種，如18MnMoNb、45、30CrMnSi等，熱影響區(qū)的組織分布與母材焊前的熱處理狀態(tài)有關(guān)。圖4-

29

焊接熱影響區(qū)的分布特征1

一熔合區(qū)2

—

過(guò)熱區(qū)

3—相變量結(jié)晶區(qū)

4一不完全重結(jié)晶區(qū)

5—母材

6

—

淬火區(qū)7

—

部分淬火區(qū)

8—回火區(qū)不易淬火鋼易淬火鋼(退火)易淬火鋼(淬火礦5?

5|?|

8

52

366(2)焊前為調(diào)質(zhì)狀態(tài)

BM回火組織完全淬火區(qū)不完全淬火區(qū)回火區(qū)Ac?

~T,T,

為焊

前調(diào)質(zhì)時(shí)的回火溫

度，低于此溫度，

組織不變；高于此

溫度，出現(xiàn)軟化。S

(mm)圖4-29

焊接熱影響區(qū)的分布特征1—熔合區(qū)2一過(guò)熱區(qū)

3—相變量結(jié)晶區(qū)

4一不完全重結(jié)晶區(qū)

5—母材

6—淬火區(qū)7—部分淬火區(qū)

8—回火區(qū)不易

淬火鋼易淬火鋼(退火)易淬火鋼(淬火)1

2

3

46

76

7|

855522HAZ

的

硬

化HAZ的

脆

化HAZ

的

軟

化(二)焊接熱影響區(qū)的性能變化231.HAZ

的硬化⑩

HAZ

硬度分布不均勻，在

熔合區(qū)附近具有最大硬度

Hm。⑩

不同的組織形態(tài)硬度不同⑩同一組織，也有不同的硬

度⑩

硬度主要決定于材料的化

學(xué)成分和冷卻條件距離焊縫中心距離

(mm)圖4-40

低合金鋼焊接HAZ

硬度分布(3

(C=0.20%,Mn=1.38%,Si=0.23%,δ=20mm,E=15kl/cm)500|400300200100!

8B'4

6

8焊縫章青度粗細(xì)混配風(fēng)鑿晶粒區(qū)B6HV硬度(載荷1k*)4

2

02500400教狀珠光體區(qū)700℃B30020090102面吊粒區(qū)臣24B(1)碳當(dāng)量Carbon

Equivalent(C?；駽E)定義：把鋼中合金元素(包括碳)按其對(duì)淬硬(包

括冷裂、脆化等)的影響折合成碳的相當(dāng)含量。

它反映了化學(xué)成分對(duì)硬化程度的影響251)2)適合于C≥0.18%的鋼種式1)主要適用于中等強(qiáng)度的非調(diào)質(zhì)低合金鋼

(c,=400～

700MPa式2)主要適用于強(qiáng)度級(jí)別較高的低合金高強(qiáng)鋼

(c,=500~

1000MPa)26主

要適用于C≤0.17%,

g,=400～900MPa的低合金高強(qiáng)鋼。應(yīng)用碳當(dāng)量公式時(shí)應(yīng)注意：碳當(dāng)量公式純屬經(jīng)驗(yàn)公式，當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件、方法不同時(shí)，

碳當(dāng)量公式也不同。>一定要注意各公式的適應(yīng)范圍。(2)碳當(dāng)量C。及冷卻時(shí)間tws與HAZ

最高硬度Hm

的關(guān)系Ceq↑→Hmax↑經(jīng)驗(yàn)公式，

Hma=

1274Pcm+45Hma=559CE

(nw)

+100(HV)28Ceq一定，tssl→Hmaxt。Hy

間接反映了HAZ

的淬硬傾向，而Hm

a

測(cè)量方便，故可用H

來(lái)評(píng)價(jià)鋼材的冷

裂傾向圖4-39

H

與

tss

的關(guān)系板厚20man,成分：C=0.12%,Mn=1.4%,S=0.48%,Cu=0.15%800~500℃冷卻時(shí)間(s)29HV2.HAZ

的脆化脆化：是指HAZ

在焊接熱循環(huán)作用下所產(chǎn)生的塑性、韌性下降的現(xiàn)象。通常用缺口沖擊值和

脆性轉(zhuǎn)變溫度判斷脆化現(xiàn)象。脆性轉(zhuǎn)變溫度VT,。:隨著溫度的降低，金屬由

延性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變，通常把發(fā)生轉(zhuǎn)變的

那個(gè)臨界溫度稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度。顯然VT,↑→

脆性↑。30從左圖可以看出，碳錳鋼HAZ的脆化區(qū)有兩個(gè)：粗晶區(qū)(1500℃)時(shí)效脆化區(qū)(400℃~

600℃)BA2

脆化：

粗晶脆化、析

出脆化、組織脆化、熱應(yīng)

變時(shí)效脆化、氫脆化及石

墨脆化。距離圖4-41

碳錳鋼

HAZ的脆化分布310.006熱影響區(qū)1500℃400～600℃100～20℃轉(zhuǎn)變沮度母材焊縫750℃(1)粗晶脆化(主要出現(xiàn)在過(guò)熱區(qū))晶粒d1→VT1鋼中含C、N化物形成

→d加熱溫度T1,

加熱時(shí)間個(gè)

→d

個(gè)一E

(焊接線能量)↑

→dη8060|4020-20-40圖4-43

品粒直徑

d

對(duì)

VT,的影響[33]5

6

7lad÷(mm,04PQ60VT-s(℃)Q80932(2)組織脆化是由于HAZ中出現(xiàn)脆硬組織造成的。根據(jù)

脆性組織不同，又可分為：>M-A

組元脆化>析出脆化331)M—A

組元脆化M—A組元脆化原因：高碳奧氏體易于形成高碳馬氏體M-A

組元存在時(shí)，成為了潛在的裂源，并起到吸氫和應(yīng)力集中的作用。342)析出脆化(沉淀相脆化)>定義：某些金屬或合金，在時(shí)效或回火過(guò)程中，

從過(guò)飽和的固溶體中沿晶界析出碳化物、氮化物

、金屬間化合物及其他亞穩(wěn)定的中間相等，使金

屬或合金的強(qiáng)度、硬度上升，韌性下降的現(xiàn)象。機(jī)理：析出相出現(xiàn)后，形成“柯氏氣團(tuán)”,阻礙

位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使強(qiáng)度、硬度上升，產(chǎn)生脆化。>HAZ的熔合部位(包括粗晶區(qū))在化學(xué)成分和組織

上的不均勻性比焊接區(qū)的其他部位更為嚴(yán)重，極

易產(chǎn)生析出脆化。>特點(diǎn)：時(shí)效性35(3)HAZ

的熱應(yīng)變