1、33,1,第一章 材料成型熱過程,第3講,33,2,上講回顧,溫度場的影響因素 焊接熱循環(huán)的意義 焊接熱循環(huán)的主要參數(shù),33,3,1.3.4 臨界板厚的意義 引進“臨界板厚”的概念是確定選用“厚板”還是“薄板”公式。 由圖1-12的實驗結果可知，板厚h對t8/5的影響最為明顯。但在線能量及板寬一定的條件下，h增大到某一數(shù)值以后，t8/5就不再發(fā)生變化而保持恒定。 t8/5與h無關，應該屬于“半無限大”物體的情況。 h對c的影響情況也完全類似。,圖1-12 焊件尺寸的影響（長度一定）,33,4,因此，如設對冷卻速度或冷卻時間不發(fā)生影響的板厚為臨界板厚為臨界板厚hc ，則可求得hc為： (1-31

2、) 或 (1-32),33,5,實驗證明，由800冷卻到500的平均冷卻速度 與600時的瞬時冷卻速度是相當?shù)摹?實際計算時，可對比實際板厚h與臨界板厚hc：若 ，可以認為屬于三維導熱“厚板”情況，若 ，則可認為屬于二維導熱“薄板”情況。,33,6,但計算實例證明， h(0.60.9)hc時，按二維導熱計算或按三維導熱計算，均與實際有所出入，即用“厚板”公式所得到的冷卻速度值嫌高；用“薄板”式所得的冷卻速度值又嫌低。 為了處理這一矛盾，認為可隨機區(qū)分取h/hc=0.75為判據(jù)。若h0.75hc，應采用“厚板”公式；若h0.75hc ，可采用“薄板” 公式。這樣處理，在計算冷卻速度時，最大誤差不

3、會超過15。 注意：“厚”與“薄”在傳熱學中并非絕對的概念。,33,7,由于hc為E、T0與c的函數(shù)，因此，E或T0的不同可以使二維導熱成為三維導熱或者相反，而c和的取值是也影響到傳熱計算的結果。 實驗證明： 計算時取=0.29J/(cms)，c=6.7J/(cm3)， 計算結果比較更接近實測數(shù)值。,33,8,1.3.5 影響焊接熱循環(huán)的因素 影響焊接熱循環(huán)的因素有： 材質（、c） 接頭尺寸形狀（及坡口形式等） 焊接工藝條件（E、T0及其它施焊方式等）。,33,9,一、焊接線能量的影響 線能量提高時，加熱的峰值溫度、高溫停留時間和冷卻時間增大，冷卻速度隨之降低，如圖1-13所示。,圖1-13

4、焊縫邊界與線能量E的關系,33,10,焊接方法不同，線能量影響的程度也不一樣： 當線能量相同時，埋弧焊時冷卻速度最慢，手弧焊時冷卻速度最快，而氬弧焊和CO2+O2保護焊時，兩者的冷卻速度基本相同，且均比埋弧焊時的冷卻速度要快一些。 原因： 盡管焊接線能量相同，但不同的焊接方法所選定的焊接電流和焊接速度數(shù)值可能相差很大，結果是焊縫尺寸形狀及熔深將明顯不同，因而也就影響到焊件上的熱傳播過程。,33,11,實際上，在用同樣焊接方法時，即使焊接線能量相同，但電源種類或極性不同時，冷卻速度也會有一定的差別。直流反接比交流時冷卻速度要小一些。 圖1-14反映了板厚13mm的焊接試件熱影響區(qū)的峰值溫度分布與

5、E和T0的關系?？梢姡绻鸗0相同，E增加將使圖中曲線變得平緩，從而使熱影響區(qū)加寬。,圖1-14 峰值溫度分布與E和T0的關系,33,12,二、預熱溫度的影響 從實測結果(圖1-15)可見，T0的影響效果完全類似E，提高T0會使HAZ寬度增大；但與線能量相反，提高T0可以顯著降低冷卻速度，而不會明顯影響在峰值溫度附近停留的時間。,圖1-15 焊縫邊界附近焊接熱循環(huán)特性與E及T0的關系,33,13,三、接頭形式的影響 接頭形式不同，導熱情況就有差異，因而對焊接熱循環(huán)特性也有影響，圖1-16為不同接頭形式對冷卻速度的影響。 從圖中可以看出，在相同板厚的情況下，丁字接頭的冷卻速度要比V形坡口對接接頭

6、的冷卻速度大1.5倍。,圖1-16 接頭形式對t8/5的影響,33,14,四、焊道長度的影響 在同樣接頭形式和焊接條件下，焊道越短其冷卻速度越大，如圖1-17所示。 從圖中可以看出，當焊道長度短于40mm時，隨著焊道長度變短，其冷卻速度急劇增大；并且弧坑的冷卻速度最大，約為焊縫中部的2倍，甚至還要比引弧端大20左右。,圖1-17 焊道長度對c的影響,33,15,五、 焊接冷卻條件的影響 焊接時周圍環(huán)境及冷卻條件，如冬季野外施工，不僅影響到焊件的初始溫度，也會影響到焊接過程中的傳熱條件，例如圖1-18所示為試板焊接時，放在鋼板上和放在石棉板上進行時，其冷卻速度明顯不同；而焊后冷卻到某一溫度時，再

7、用石棉覆蓋在試板上，其冷卻曲線立即拐向，冷卻速度明顯降低。,圖1-18 試板冷卻條件對冷卻過程的影響 1鋼板墊板 2石棉墊板 3覆蓋石棉,33,16,1.3.6 多層焊的熱循環(huán) 多層焊熱循環(huán)實際上是單層焊熱循環(huán)的交替綜合作用。 在多道焊中開始焊接后一道焊縫時，前一道焊縫所具有的最低溫度（或稱層間溫度），對于后一道焊縫而言，相當于預熱溫度；后一道焊縫對于前一道焊縫，相當于在焊接熱循環(huán)條件下的后熱處理。 在實際生產中，根據(jù)情況不同，有長段多層焊和短段多層焊兩種情況。,33,17,一、長段多層焊接熱循環(huán) 長段多層焊： 就是每道焊縫的長度較長，一般在1m以上，這樣在焊完第一層再焊第二層時，第一層已基本

8、上冷卻到較低的溫度，一般多在100200以下，或Ms以下。 長段多層焊熱循環(huán)曲線如圖1-19所示，從圖中可以看出，后一道焊縫對前一道焊縫有熱處理作用。 注意：對于一些淬硬傾向較大的鋼種，在采用長段多層焊時，由于層間溫度較低，焊縫近縫區(qū)容易出現(xiàn)淬硬組織而產生裂紋。因此，必須采取相應的工藝措施，如焊前預熱、層間度控制、緩冷等等，來加以預防。,33,18,圖1-19 長段多層焊焊接熱循環(huán) a） 焊接各點時，近縫區(qū)1，2，3，點的熱循環(huán) b）各層焊縫截面示意圖,33,19,二、短段多層焊接熱循環(huán) 短段多層焊： 是指每層焊道長度較短，為40400mm，在這種情況下，未等前一層焊縫冷卻到較低的溫度(如Ms

9、點)以前就開始焊接下一層，也就是它的層間溫度溫度可以保持在Ms點以上。,圖1-20 短段多層焊接熱循環(huán) a） 1點的熱循環(huán) b） 4點的熱循環(huán),33,20,短段多層焊的熱循環(huán)曲線如圖1-20 a所示。從圖中可以看出，近縫區(qū)1點和4點所經歷的焊接熱循環(huán)是比較理想的。 對于1點： 一方面使該點在Ac3以上停留時間較短，避免了晶粒長大，另一方面減緩了Ac3以下的冷卻速度，從而可以防止淬硬組織的產生。 對于4點： 它是在預熱的基礎上開始焊接的，如果焊縫長度控制合適，那么在Ac3以上停留的時間仍可很短，使晶粒不易長大。為了防止最后一道焊縫產生淬硬組織，生產上常多焊一層退火焊道，以便延長奧氏體分解的時間，

10、如圖1-20b所示由TB延長至TB 。,33,21,由此可見，短段多層焊對焊縫和熱影響區(qū)組織都具有一定的改善作用，適于焊接晶粒易長大而又易于淬硬的鋼種。 但是，短段多層焊的操作工藝十分繁瑣，生產率低，只有在特殊情況下才采用。,33,22,1.4 焊接熱影響區(qū) 焊接接頭由焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)三部分組成。 熱影響區(qū)： 是指在焊接熱源的作用下，焊縫兩側處于固態(tài)的母材金相組織和力學性能變化的區(qū)域，簡稱HAZ（Heat Affected Zone）。 由于焊接時母材熱影響區(qū)上各點距焊縫的遠近不同，各點所經歷的焊接熱循環(huán)不同，因此，整個焊接熱影響區(qū)的組織和性能分布是不均勻的。,33,23,1.4.1 焊

11、接熱影響區(qū)的組織分布 1、不易淬火鋼的組織分布 不易淬火鋼是指在焊后空冷條件下不易形成馬氏體鋼的鋼種，如低碳鋼、16Mn、15MnV、15MnTi等。 對于這類鋼種，按照熱影響區(qū)中不同部位加熱的最高溫度及組織特征的不同，可分為以下三個區(qū)域，如圖1-21所示。,圖1-21 焊接熱影響區(qū)構成示意圖 1過熱區(qū) ；2正火區(qū)；3不完全重結晶區(qū)； 4淬火區(qū)；5不完全淬火區(qū)；6回火區(qū),33,24,（1） 過熱區(qū) 加熱溫度在固相線以下到晶粒開始急劇長大的溫度(一般指1100)范圍內的區(qū)域叫過熱區(qū)。 由于該區(qū)加熱溫度高，奧氏體晶粒嚴重長大，冷卻后也會得到粗大的過熱組織，所以，又叫粗晶區(qū)。 該區(qū)焊后晶粒度一般為1

12、2級，韌性很低，通常沖擊韌度要降低2030。因此，在焊接剛度較大的結構時，常在過熱區(qū)產生脆化或裂紋。 過熱區(qū)與熔合區(qū)一樣，都是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。,33,25,（2） 相變重結晶區(qū)(正火區(qū)) 該區(qū)的加熱溫度是在Ac3以上到晶粒開始急劇長大的溫度范圍內。由于該區(qū)的加熱溫度超過了Ac3，所以，鐵素體和珠光體己全部轉變?yōu)閵W氏體。 又由于加熱溫度較低(一般低于1100)，奧氏體晶粒未顯著長大，因此在空氣中冷卻以后會得到均勻而細小的鐵素體和珠光體，相當于熱處理時的正火組織，所以該區(qū)又叫正火區(qū)。 此區(qū)的綜合力學性能一般比母材還好，是熱影響區(qū)中組織性能最好的區(qū)域。,33,26,（3） 不完全重結晶區(qū) 該區(qū)的

13、加熱溫度處于Ac1Ac3之間，因此在加熱過程中，原來的珠光體全部轉變?yōu)榧毿〉膴W氏體，而鐵素體僅部分溶入奧氏體，剩余部分繼續(xù)長大，成為粗大的鐵素體。冷卻時奧氏體轉變?yōu)榧毿〉蔫F素體和珠光體，粗大的鐵素依然保留下來。 此區(qū)的特點是組織不均勻，晶粒大小不一，因此力學性能也不均勻。 以上三個區(qū)域是低碳鋼，低合金鋼焊接熱影響區(qū)的主要組織特征。,33,27,但如果母材焊前經過冷加工變形，則在加熱溫度處于Ac1450的范圍內就會發(fā)生再結晶過程，結果使加工硬化消失，強度下降，塑性、韌性提高。 對于有時效敏感性的鋼種，加熱溫度在Ac1300的范圍內，會發(fā)生應變時效過程，引起該區(qū)的脆化，表現(xiàn)出較強的缺口敏感性，但在

14、金相組織上并無明顯變化。,33,28,2、易淬火鋼的組織特征 易淬火鋼是指在焊后空冷條件下容易形成馬氏體鋼的鋼種，如低碳調質高強鋼(如18MnMoNb)、中碳鋼(如45鋼)和中碳調質高強鋼(如30CrMnSi) 等。這類鋼焊接熱影響區(qū)的組織分布與母材焊前的熱處理狀態(tài)有關。 如果母材焊前是正火或退火狀態(tài)，則焊后熱影響區(qū)的組織分布可分為：,33,29,（1） 完全淬火區(qū) 該區(qū)的加熱溫度處于固相線到Ac3之間。由于這類鋼的淬硬傾向較大，故焊后將得到淬火組織(馬氏體)。在靠近焊縫附近(相當于低碳鋼的過熱區(qū))，由于晶粒嚴重長大，故得到粗大的馬氏體，而相當于正火區(qū)的部位得到細小的馬氏體。 根據(jù)冷卻速度和線

15、能量的不同，還可能出現(xiàn)貝氏體，從而形成了與馬氏體共存的混合組織。 這個區(qū)在組織特征上都是屬同一類型(馬氏體)，只是粗細不同，因此統(tǒng)稱為完全淬火區(qū)。,33,30,（2） 不完全淬火區(qū) 該區(qū)的加熱溫度在Ac1Ac3之間，相當于不完全重結晶區(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、索氏體等轉變?yōu)閵W氏體。在隨后快冷時，奧氏體轉變?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-鐵素體的組織，故稱不完全淬火區(qū)。 如含碳量和合金元素含量不高或冷卻速度較小時，也可能出現(xiàn)索氏體和珠光體。,33,31,如果母材在焊前是調質狀態(tài)，那么焊接熱影響區(qū)的組織，除在上述的完全淬火區(qū)和不完全淬火