《材料成形基本原理》(3Ed)焊接熱影響區(qū)的組織與性能《材料成形基本原理》(第3版)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《材料成形基本原理》(第3版)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)的計算《材料成形基本原理》(第3版)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)的溫度隨時間的變化過程稱為焊接熱循環(huán)。焊接熱循環(huán)反映了熱源對焊件金屬的熱作用。

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)測焊接應(yīng)力分布及改善熱影響區(qū)組織與性能。

《材料成形基本原理》(第3版)《材料成形基本原理》(第3版)二、焊接熱循環(huán)的參數(shù)及特征加熱速度WH最高加熱溫度

Tm

相變溫度以上的停留時間tH冷卻速度Ωc(或冷卻時間t?/5)tna

CTc加熱

冷卻焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)晶粒

大小相變

組織三、焊接熱循環(huán)參數(shù)的計算主要介紹焊接熱源高速運(yùn)動時厚板和薄板的熱循環(huán)參數(shù)的計算(推導(dǎo)過程略):峰

值

溫

度

7m的計算相變溫度以上的停留時間卉的計算

冷卻速度Wc和冷卻時間的計算《材料成形基本原理》(第3版)由兩式可以看出，當(dāng)焊接線能量E(

單位長度上的焊接熱輸入量，E=IU/v

)

一定，焊件上某點(diǎn)離開熱源軸心距離越遠(yuǎn)，最高溫度

Tm越低；而對焊件上某一定點(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。

點(diǎn)熱源(厚板)線熱源(薄板)0.242E/δTm=T?+cpy《材料成形基本原理》(第3版)0.234EcpR2Tm=T?+由公式可以看出，在其它條件不變的情況下，

提高線能量

E,

高溫停留時間

t

延

長，也就是說發(fā)生粗晶脆化的可能性增大。提高初始溫度

T?

(預(yù)熱溫度),也會在

一

定程

度上延長高溫停留時間

th?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)點(diǎn)熱源(厚板)線熱源(薄板)En=2m2(Ta-T。)2,冷卻速度W

隨著線能量E

和初始溫度T?

的提高而降低，冷卻時間隨著線能量E

和初始溫度T?

的提高而延長。母材的熱物理

性質(zhì)、焊件的形狀、尺寸、接頭型式、焊道的長度及層數(shù)都

會影響焊接熱循環(huán)參數(shù)。冷卻速度：

厚板

薄板冷卻時間：

厚板

薄板《材料成形基本原理》(第3版)《材料成形基本原理》(第3版)第二節(jié)焊接熱循環(huán)條件下的金屬組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)與熱處理條件下的組織轉(zhuǎn)變相比，其基本原理相同，又具有與熱處理不同的特點(diǎn)。焊接過程的特殊性焊接加熱過程的組織轉(zhuǎn)變焊接時冷卻過程的組織轉(zhuǎn)變《材料成形基本原理》(第3版)一、焊接過程的特殊性五個特點(diǎn)(以低合金鋼的焊接為例):加熱溫度高

在熔合線附近溫度可達(dá)1350～1400℃加熱速度快

加熱速度比熱處理時快幾十倍甚至幾百倍高溫停留時間短

在AC?以上保溫的時間很短(一般手弧焊為4～20s,

埋弧焊時30～100

s)在自然條件下連續(xù)冷卻

(有時進(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、鋼焊接加熱過程的組織轉(zhuǎn)變這是因為碳化物形成元素的擴(kuò)散速度很小(比碳小1000～10000倍),同時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)變過程。w.(%)1495°L1400°L+γ1227°L+Fe?CC(4.30)1000912800KP4.55.05.56.06.56.69《材料成形基本原理》(第3版)0.51.0

1.5

2.01600[

1538°溫

度

/。3.03.54.0DF1200y+Fe?CS(0.77)γ(Fe)8(Fe)Fe?C727°B6000①H:1—1400℃/s;2—270℃/s;

WH:1—1600℃/s;2—300℃/s;3—35℃/s;

4—7.5℃/s)4—42℃/s;

5—7.2℃/s圖12-4焊接快速加熱對Ac?

、Ac?

和晶粒長大的影響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#

40Cr1400

r

1400r1300es41000-Ac?800Ac?0.1120011001000-900上8007000.1

4《材料成形基本原理》(第3版)6t/s0.os3A21200A+10(/sT/℃2鋼

種相變點(diǎn)平衡態(tài)加熱速度wH/(℃

·S-1)Ac?

與Ac?

的溫差/℃/℃6~840~50250~3001400~170040~50250~3001400~170045鋼Ac17307707757908404560110Ac?770820835860950659018040CrAc17407357507708401535105Ac?780775800850940257516523MnAc1735750770785830355095Ac?830810850890940408013030CrMnSiAc17407407758259203585180Ac38207908358909804510019018Cr?WVAc1710800860930100060130200Ac?8108609301020112070160260表12-1

加熱速度對相變點(diǎn)Ac?和Ac?及其溫差的影響《材料成形基本原理》

(第3版)焊接條件下的組織轉(zhuǎn)變不僅與等溫轉(zhuǎn)變不同，也與熱處理條件下的連續(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?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)三、焊接冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變BsMs0.4

0.8

1.2

1.6Wc(%)900800700600so0400300200100共析成分成為一個成分范圍2.0

2.4《材料成形基本原理》(第3版)人們通過焊接熱模擬試驗，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，它可以方便地預(yù)測焊接熱影響區(qū)的組織和性能，同時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?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)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)過程特點(diǎn)，將接頭進(jìn)行分區(qū)研究?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)不

完

全

重

結(jié)

晶

區(qū)：加

熱

溫

度：AC?

~AC?

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

。一熔合區(qū)-—

…1400粗晶粒區(qū)(過熱區(qū))1200晶粒區(qū)(相變重結(jié)晶區(qū))2

1000不完全重結(jié)晶區(qū)800時效脆化區(qū)6004400母材2000

0.2

0.5C(%)鐵碳狀態(tài)圖IL

八

lDT/

女

L

I

1人飲

rlr:T(℃)--

一焊縫金屬

一--

一不易淬火鋼焊接熱影響區(qū)的組織分布母材NGPSTmTGAc?Ac?熔合線熱影響區(qū)焊接熱循環(huán)曲線焊縫1

-

熔合區(qū)；2-過熱區(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)不易淬火鋼易淬火鋼不易淬火鋼

2

3

4易淬火鋼(退火)

6

7易淬火鋼(淬火)6

7S/mm555《材料成形基本原理》(第3版)焊接熱影響區(qū)的組織分布特征15001100AC

AC5000./L8《材料成形基本原理》(第3版)1

、

完全淬火區(qū)焊接時處于Ac?以上的區(qū)域，與不易淬火鋼的過熱區(qū)、正火區(qū)對應(yīng)。加熱時鐵素體、珠光體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，冷卻時很容易得到淬火組織。在緊靠焊縫相當(dāng)于低碳鋼過熱區(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，還會出現(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AC?

~AC?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，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，奧氏體也可能轉(zhuǎn)變成索氏體或珠光體?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)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AC?

的部位，相當(dāng)于瞬時高溫回火，得到回火索氏體；離焊縫較

遠(yuǎn)的區(qū)域，獲得回火馬氏體?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)二、

焊接熱影響區(qū)的性能焊縫可以通過化學(xué)成分的調(diào)整再配合適當(dāng)?shù)暮附庸に噥肀ＷC性能的要求，而熱影響區(qū)性能惡化只能通過控制焊

接熱循環(huán)作用來改善。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《材料成形基本原理》(第3版)《材料成形基本原理》(第3版)1、

焊接熱影響區(qū)的硬化母材的淬硬傾向(內(nèi)因)焊接視范焊接熱影響區(qū)的最高硬度

Hmax:Hmax

(HV10)=140+1089Pcm-8.2t81

5化學(xué)成分HAZ

的冷卻速度(外因)HAZ

的硬度高低取決于材料淬硬傾向的評價指標(biāo)一碳當(dāng)量鋼中含碳量顯著影響奧氏體的穩(wěn)定性，對淬硬傾向影響最大。

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)。溶于奧氏體時提高淬硬性(和淬透性);而形成不溶碳化物、氮化物時，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)成分對硬化程度的影響，它是把鋼中合金元素(包括碳)按其對淬硬(包括冷裂、脆化等)的影響程度折合成碳的相當(dāng)含量?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)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

形坡口對接裂紋試

驗對200多個低合金鋼進(jìn)行研究，建立了Pcm

公式：國際焊接學(xué)會推薦的CE(IIw),

用于中等強(qiáng)度的非調(diào)質(zhì)低合金鋼

(ob=400～700MPa):碳當(dāng)量↑——熱影響區(qū)的硬化↑(淬硬傾向↑)——脆性和冷裂敏感性↑《材料成形基本原理》(第3版)500—電弧焊時的Hmaxo—

埋弧焊時的Hmax4—CO?氣體保護(hù)焊的Hmax十一

Tm

1400℃時的平均硬度

—Tm=1300℃時的平均硬度300250200150200040006001000焊接熱影響區(qū)Hmax與

t?15的關(guān)系板厚20mm,成分：C=0.12%,Mn=1.4%,Si=0.48%,Cu=0.15%《材料成形基本原理》(第3版)800～500℃冷卻時間

(s)400350-450《材料成形基本原理》(第3版)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

和時間的影響。如：鋼中含有碳、氮化物形成元素，就會阻礙晶界遷移，防止晶粒長大。例如18CrWV鋼，晶

粒顯著長大溫度可達(dá)1140℃之高，而不含碳化物元素的

23Mn

和45號鋼，超過1000℃晶粒就顯著長大。《材料成形基本原理》(第3版)晶粒粗大嚴(yán)重影響組織的脆性，尤其是低溫脆性。

一般來講，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

對脆性轉(zhuǎn)變溫度VTr

的影響《材料成形基本原理》(第3版)./SALA脆

化。對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?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)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M-A組元M-A

組元韌性低，因為殘余奧氏體增碳后，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，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。《材料成形基本原理》

(第3版)《材料成形基本原理》(第3版)析

出

脆

化熱應(yīng)變時效脆化產(chǎn)生應(yīng)變時效脆化的原因，主要是由于應(yīng)變引起位錯增殖，焊接熱循

環(huán)時，碳、氮原子析集到這些位錯的周圍形成所謂Cottrell

氣團(tuán)，對

位錯產(chǎn)生釘扎和阻塞作用而使材料脆化。明顯產(chǎn)生熱應(yīng)變時效脆化的部位是HAZ的熔合區(qū)和Ar?

以下

的亞臨界HAZ(200～600℃)《材料成形基本原理》(第3版)經(jīng)冷作強(qiáng)化的金屬經(jīng)熱處理強(qiáng)化的金屬HV《材料成形基本原理》(第3版)3、焊接熱影響區(qū)的軟化調(diào)質(zhì)鋼焊接HAZ的硬度分布A-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)再結(jié)晶軟化過時效軟化ABC200℃焊接熱循環(huán)作用AC?

AC:600℃2

3190

效軟

母材47026085430

30080370距離10/mm圖10-11

LD2鋁合金HAZ的軟化現(xiàn)象(HR

為表面洛氏硬度)(自動TIG

焊)《材料成形基本原理》(第3版)051520硬

度

/

H

R3.2200《材料成形基本原理》(第3版)HV

ABAC?

600℃

200℃2

3圖12-10調(diào)質(zhì)鋼焊接HAZ的硬度分布A—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)《材料成形基本原理》(第3版)4、

焊接熱影響區(qū)的性能控制控制焊接工藝過程改善母材的焊接性能針對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)《材料成形基本原理》(第3版)控制HAZ組織《材料成形基本原理》(第3版)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。近年來在國際上大力發(fā)展了冶金精煉技術(shù)，使鋼中的雜質(zhì)含量極低(O

、N

、H

、S

、P等雜質(zhì)元素總

和小于50

PPM),

得到高純凈鋼，使鋼材的韌性大

為提高，也提高了焊接熱影響區(qū)的韌性。a)

過熱區(qū)(粗大馬氏體)

b)

細(xì)晶區(qū)(細(xì)小馬氏體)圖12-8

低碳調(diào)質(zhì)鋼焊條電弧焊完全淬火區(qū)組織400×《材料成形基本原理》(第3版)試驗9

tg/s=8.3s

tH=5.8s

試驗1

t?/s=11.6s

tH=6.4s試驗2

tg/s=24.1s

tH=7.4sX80管線鋼HAZ在不同冷速下的M-A組元(圖中白色顆粒)試驗7

ton=43s

tu=41te/5=6.8s

tH=4.8s母材焊縫1

0℃最

高

溫

度粗

晶

粒區(qū)B′1006

4

2

02

4

6

8距

離

焊

縫

中

心

距

離

(mm)低

合