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第四章 焊接热影响区组织和性能 第四章 焊接热影响区组织 和性能 1 第四章 焊接热影响区组织和性能 第一节 焊接热循环 第二节 焊接热循环条件下的金属 组织转变特点 第三节 热影响区组织和性能 第四章 焊接热影响区组织和性能 2 第四章 焊接热影响区组织和性能 重点内容: 1)焊接热循环的主要参数、意义 2)快速加热,连续冷却的金属组织转变特点 3)CCT图的应用 4)热影响区的划分方法 5)不易淬硬钢及淬硬钢的焊接热影响区分 布和组织转变 3 第四章 焊接热影响区组织和性能 Heat-affected Zone (HAZ)定义： 熔焊时在集中热源的 作用下，焊缝两侧发生 组织性能变化的区域， 称HZA。 随钢种强度级别的提 高，热影响区的脆化和 裂纹倾向也越大。 4 第四章 焊接热影响区组织和性能 4-1 焊接热循环 焊接热循环:在焊接热 流作用时,焊件上某一 点P的温度随时间的变 化过程叫作焊接热循 环. 焊接热循环描述焊 接过程中热源对被焊 金属的热作用. 5 第四章 焊接热影响区组织和性能 一.特点 u距离焊缝不同的各点, 所经历的热循环不同. u不同焊接方法,热循环 曲线的形状也不同; u与热处理相比,焊接时 的加热速度快,加热的最 高温度高,在某一温度保 温时间非常短. 如在板厚20mm的低碳钢上用 16kJ/cm热输入手工电弧堆焊时,由 室温加热到1100C仅4s,冷却到200 C仅需1min. 6 第四章 焊接热影响区组织和性能 一.焊接热循环的主要参数 1.加热速度( WH ) 2.加热的最高温度( Tm ) 3.在相变温度以上的停留时间(tH) 4.冷却速度(Wc)或冷却时间t8/5、t8/3、t100 7 第四章 焊接热影响区组织和性能 （一）加热速度 1、特点 焊接条件下的加热速度比热处理条 件下快，是热处理加热速度的几十 倍甚至几百倍。并随加热速度的提 高，相变温度也随之提高，奥氏体 的均质化和碳化物的溶解也越不充 分。 2、影响因素 焊接方法、焊接线能量、板厚及几 何尺寸、被焊金属的热物理性质等 8 第四章 焊接热影响区组织和性能 （二）加热的最高温度 特点 金属的组织性能除化学成分的影响 外，主要与加热的最高温度和冷却 速度有关。 低碳钢和低合金钢在焊接时在熔 合区附近的过热区，由于温度高（ 1300-1350，晶粒严重长大，导致 韧性严重降低。 9 第四章 焊接热影响区组织和性能 （三）在相变温度以上的停留时间 特点 在相变温度以上提高的时间越长， 越有利于奥氏体的均质化，但温度 太高时，即使停留时间不长，但也 会产生晶粒严重长大。 手工焊以上停留时间最大20秒,埋 弧自动焊时30-100秒。 10 第四章 焊接热影响区组织和性能 （三）冷却速度和冷却时间 特点 冷却速度是决定HAZ组织性能的主要参数。热 处理可根据要求控制冷却速度或在冷却过程中不 同阶段进行保温,焊接时,自然条件下冷却,冷却速 度快。 对于低合金钢的焊接来说，有重要影响的是熔 合线附近冷却过程中约540的瞬时冷却速度。 为了便于分析，在实际应用中常采用一定范围 内的冷却时间来分析HAZ的组织性能变化。如 t8/5、t8/3、t100 11 第四章 焊接热影响区组织和性能 二、焊接热循环的求解 （一）实际测量 （二）数值计算 u 解析法 u 数值模拟法 12 第四章 焊接热影响区组织和性能 1、实际测量方法主要有： X-Y函数记录仪器+热电偶 远红外测温度仪。 13 第四章 焊接热影响区组织和性能 二、焊接热循环参数的计算 （一）峰值温度Tm的计算 （二）相变温度以上停留时间tH的计算 （三）瞬时冷却速度Wc的计算 （四）冷却时间的计算 14 第四章 焊接热影响区组织和性能 2、解析法： 从理论上推导出焊接热循环的主要计算公式。通过建立焊 接热过程数学模型，得出各种情况下焊件上温度场的计算 公式。如高速热源作用于厚大焊件的温度场的计算公式： 当 时，即可求出Tm。 15 第四章 焊接热影响区组织和性能 2、数值模拟法： 有限差分法 从微分方程出发，将区域进行离散处理后，近似地用差 分代替微分，用差商代替微商，建立以节点温度为未知量 的代数方程组，然后求解得到各节点温度的近似值。 优点： 对于具有规则的几何形状和均匀的材料性能，差分法的 线性代数方程组的计算格式比较简单，方程的物理意义比 较清楚、程序设计比较简单，收敛性较好。 缺点： 差分网格大多局限于正方形、矩形或正三角形，不容易处 理复杂形状的构件。 有限单元法 16 第四章 焊接热影响区组织和性能 有限单元法 根据变分原理来求解数学物理问题的一种数值计算方法。 求解过程： 1）把传热问题转化为等价的变分问题 2）对物体进行有限单元分割，把变分问题近似地表达为线 性方程组； 3）求解线性方程组，将所得的解作为热传导近似值。 优点： 可以解决解析法解决不料的问题 1）材料性能随温度变化 2）各向异性材料 3）几何形状复杂 4）边界条件复杂性 17 第四章 焊接热影响区组织和性能 18 第四章 焊接热影响区组织和性能 三.多层焊热循环的特点 在实际焊接中,厚板多采用多层焊接,因 此,有必要了解多层焊热循环作用特点。 在单层焊时,因为受到焊缝截面积的限 制,不能在更大的范围内调整功率和焊速, 所以焊接热循环的调整也受到限制。 多层焊比单层焊具有更优越的地方,它是 由许多单层热循环联合在一起的综合作用, 同时相临焊层之间彼此具有热处理性质.从 提高焊接质量而言,多层焊往往易达到要求 19 第四章 焊接热影响区组织和性能 双道焊和多层焊HAZ组织示意图 20 第四章 焊接热影响区组织和性能 多层焊主要考虑焊道层数和层间温度。 层间温度：多层焊时，开始焊接后-焊层 时前-层焊道所具有的最低温度即为层间 温度。 对后一焊道面言，前一焊道具有预 热作用，层间温度相当开预热温度；对前 一焊道来说，后一焊道相当开预热温度； 对前一焊道来说，后一焊道应该起后热作 用，产生一定热处理效果。 21 第四章 焊接热影响区组织和性能 1、长段多层焊接热循环 特点： 每一道焊缝长度较长（1m）以上，在焊完第1层再焊第2层时， 第1层已基本上冷却到较低温度（一般在100-200以上） 相邻各层 之间有依次 热处理的作 用，为防止 最后一层淬 硬，可多加 一层退火焊 道，使焊接 质量得以改 善。 22 第四章 焊接热影响区组织和性能 1、长段多层焊接热循环 适应性： 对于一些淬硬倾向较大的钢种，不适合于长 段多层焊接。 原因： 这些钢焊接第1层以后，焊接第2层之前，近缝区或焊 缝由于淬硬倾向大而有产生裂纹的可能。 解决措施： 与其他工艺措施的配合，如预热、层间温度的控制、 焊后缓冷等。 23 第四章 焊接热影响区组织和性能 1、短段多层焊接热循环 特点： 每一道焊缝长度较短（50-400mm），此时，未等前层焊缝冷却 到较低温度，就开始焊接下一层焊缝。 由图可以看出，在1 点和4点所经历的热循 环是比较理想的。 24 第四章 焊接热影响区组织和性能 特点： 对于1点来讲，一方面使该点在AC3以上停留的时间较短，避免 了晶粒长大，另一方面，延缓了AC3以下的冷却速度，从而防止 淬硬组织产生。 对于4点，在预热的基础上 进行焊接，如果焊缝的长度控制合 适，那么AC3以上停留的时间仍很短，使晶粒不易长大。为防止 最后一层产生淬硬组织，可多一层退火焊道，以便增长奥氏体分 解时间。 优点： 短段多层焊对焊缝和热影响区组织都有一定的改善作用，适合 于焊接晶粒易长大而又易产生淬硬组织的钢种。 缺点： 操作工艺十分复杂，生产效率低，只有在特殊情况下才采用。 25 第四章 焊接热影响区组织和性能 脉冲焊焊接热循环特点 用途： 脉冲电弧焊是生产中常用的一种高质量 的焊接方法，常用于封底焊和高强钢、铝 合金、钛合金、不锈钢等重要产品的全位 置焊接。 26 第四章 焊接热影响区组织和性能 特点： 脉冲电弧焊接时，焊接电流幅值作周期性变化，在 焊件上的热输入以及由此产生的热循环也是周期性变 化的。在脉冲峰值期间，工件吸收的热量多于散失的 热量，工件温度升高，加热熔化，熔池长大。而在脉 冲基值期间，工件散失的热量多于吸收的热量，温度 降低，冷却凝固，熔池缩小。 27 第四章 焊接热影响区组织和性能 右图是脉冲TIG焊时工件表面的 热循环。图中三条曲线分别是距 离焊缝中心线不同位置的热循环 。 在脉冲焊接时，由于热输入的 脉冲作用，接头各点都经历了两 、三次加热和冷却的作用过程， 高温停留时间比恒流焊接时缩短 。 在电弧运动过程中，只有被离 考察点最近的两、三个脉冲对该 点的作用比较明显，而远处脉冲 的影响逐渐减弱，并且随着离焊 缝中心线距离的增加，脉冲对其 热循环影响也逐渐减弱。 28 第四章 焊接热影响区组织和性能 右图是脉冲TIG焊时熔深 及熔宽随时间的变化过程 。 两者均随焊接电流做周 期性变化。引弧四、五个 脉冲周期后，温度场达到 宏观准稳态，熔深及熔宽 在每一个周期内增加或减 小的幅度基本不变。 29 第四章 焊接热影响区组织和性能 4-2 焊接热循环条件下的 金属组织转变特点 特点：1.加热温度高 热处理加热温度以上100200 2.加热速度快: 3.高温停留时间短 4.自然冷却 5.局部加热 30 第四章 焊接热影响区组织和性能 一、快速加热的金属组织转变特点 .加热速度对相变点的影响 焊接时的加热速度很快,各种金属的相变温度发 生了很大的变化。 焊接时,由于采用的焊接方法不同,规范不同,加热 速度可在很大的范围内变化。 焊接方法 板厚（mm） 加热速度（/s） 手工电弧焊 5- 1 200-1000 埋弧自动焊 25-10 60-200 电渣焊 200-50 3-20 31 第四章 焊接热影响区组织和性能 .加热速度对均质化影响 加热速度越快，被 焊金属的相变点 AC1和AC3的温度 越高，而且AC1和 AC3之间的温差越 大。对于钢中含有 较多的碳化物形成 元素时，随加热速 度的提高，相变点 AC1和AC3有更为 显著的增高。 32 第四章 焊接热影响区组织和性能 .近缝区的晶粒长大 在焊接条件下,近缝区由于强烈过热使晶 粒发生严重长大,影响焊接接头塑性,韧性 ,韧性产生热裂纹,冷裂纹. 33 第四章 焊接热影响区组织和性能 二.连续冷却时的金属组织转变特点 研究焊热影响区的熔全线附近的情况 ,这一区域是焊接接头的薄弱地带。 以45钢、40Cr为例,比较焊接条件 下和热处理条件下,在相同的冷却 速度下组织转变的差异. 34 第四章 焊接热影响区组织和性能 35 第四章 焊接热影响区组织和性能 36 第四章 焊接热影响区组织和性能 1.碳钢(45#) n A稳定性CCT曲线右移淬火倾向 n Tm A晶粒极粗大(过烧) 晶界锐减 2.合金钢(40Cr) A稳定性CCT曲线左移淬火倾向 在焊接条件下,合金元素来不及溶入A体中,使A的稳定性 ,且未溶入的碳化物反而成分A转变的必要浓度起伏,进一 步使A稳定性. 37 第四章 焊接热影响区组织和性能 1.CCT图的建立:采用焊热热模拟试验装置来 建立某种钢的CCT图. 2.意义:在大量钢种出现之前,可预先估计热 影响区的组织性能,或作为制定工艺,焊接线 能量的依据. 3.CCT图的应用: 通过CCT图可得到在不同的 冷却速度下的组织,即估计组织. 三.连续冷却组织转变图的应用 38 第四章 焊接热影响区组织和性能 39 第四章 焊接热影响区组织和性能 40 第四章 焊接热影响区组织和性能 影响CCT图的因素 u母材化学成分 除Co外，所有固溶A的合金元素都使S曲线向右移，即增加脆硬倾 向，并降低Ms点，其中C影响最大。 u冷却速度 随着冷却速度的增高，对于Fe-C合金来讲，A1、A3、Acm均移向 更低温度。 u峰值温度 峰值温度越高，过冷A稳定性加大，同时促进A粗化。 u晶粒粗化 晶粒越粗大 ，晶界的总面积 越少，减少形核机会，不利于相变。 u应力应变 存在拉伸应力，明显降低A的稳定性，使CCT曲线向左 上方偏移。 41 第四章 焊接热影响区组织和性能 4-3 焊接热影响区的组织和 性能 一.焊接热影响区的组织分布 焊接结构钢根据热处理特性不同分为两类 :淬火钢,不易淬火钢,分别讲述淬火钢和 不易淬火钢的组织分布. 1.不易淬火钢:如低碳钢,某些不易淬硬的 低合金钢,如16Mn、15MoV、15MnTi等 42 第四章 焊接热影响区组织和性能 热影响区的组织分布 1).熔全区 2).过热区 3).相变重结晶区 4).不完全重结晶区 对于低碳钢,一些淬硬倾向不大的钢 (16Mn.15MnTi等)除过热区外其它各 区组织基本相同. 低碳钢过热区主要是魏氏组织W 43 第四章 焊接热影响区组织和性能 16Mn钢焊接热 影响区 焊缝金属 母材 熔合区 过热 区 不完全重结晶区 44 第四章 焊接热影响区组织和性能 45 第四章 焊接热影响区组织和性能 2.不易淬火钢HAZ组织分布 u 熔合区（半熔化区） 温度范围：TL-Ts 宽度 M100 Hmax=52.0+147.0Pcm 81lg t8/5 (2)铃木公式 Hmax(HV10)=140+1089Pcm 8.2t8/5 意义：1）方便易得 2）能反映接头脆化温度及工艺是否得当 55 第四章 焊接热影响区组织和性能 (二)焊接热影响区的脆化 1)粗晶脆化 产生原因:合金因素对于不 易淬火钢,主要是晶粒长大, 形成粗大魏氏组织(W),易淬 火钢,产生脆硬的孪晶M.此 区处在焊缝与母材的过渡地 带,物理化学的不均匀性 。 56 第四章 焊接热影响区组织和性能 粗晶脆化 Tm过热区晶粒严重长大 VTrs （不易淬火钢） 过热区A孪晶M VTrs （易淬火钢） 影响因素 l 焊接线能量E的影响 l碳化物的影响 多元微合金化钢：与C、N亲合力大的Ti、Nb、V、Mo 、W、Cr等C、N化合物 阻碍晶界迁移、晶粒吞并D 57 第四章 焊接热影响区组织和性能 2)组织组织 脆化 组织脆化类型： （1）M-A组元脆化 （2）析出脆化 （3）遗传脆化 HAZ出现脆硬组织造成，如M-A、孪晶M、Bu及组织遗传等VTrs 如果出现针状F、板条M VTrs 58 第四章 焊接热影响区组织和性能 （1）M-A组元脆化 形成原因： 在B转变温度A大块F，析出C原子，并集中到尚未转 变被F包围的岛状A中，高碳的岛状A在更低温度下（400- 350）转变为M+A的混合物，即M-A组元。 对性能影响 u M孪晶 M-A与F交界充满显微裂纹 u 出现M-A组织后，性能均匀性极差 59 第四章 焊接热影响区组织和性能 （2）析出脆化 本质：C、N化合物从-Fe中析出导致脆化 形成机理： u C、N有限溶入-Fe中，快速冷却室温C，N在-Fe中过 饱和焊后时效或回火析出亚稳定相（Fe24C，Fe16C），并 聚集在位错周围，阻碍位错运动强度，硬度韧性 初始阶段：析出物从固溶体中析出，质点 较小，阻力不大，位错运动比较自由穿过 析出物，HAZ尚未出现脆化，仍具有较好 的韧性； 中间阶段：随时效时间的增长，析出的质 点进一步增加和聚集长大，阻力增大，使 位错运动发生困难，导致脆化； 最后阶段：随时效时间的进一步增大，新 的析出物逐渐减少，而原有的析出物进一 步聚集，析出物之间的距离增大，使位错 运动得以恢复，韧性变好。 60 第四章 焊接热影响区组织和性能 （2）遗传脆化 特征：易淬火钢、多层焊，如果后一层的细晶区和前一层粗晶 区重合，在重合部位，后一层细晶也将发生和前一层粗晶区 相同的晶粒粗化和脆化。 形成机理： u AM 有序无扩散转变，Fe原子集体调整极小位置转变为 M，即新相必须继承母相的晶粒形态、尺寸和位向遗传现 象。 平衡组织：加热到AC3以上不高温的温 度，冷却后可得到正火的细晶组织， 只有加热更高的温度才能使A粗化； 非平衡组织：快速加热到Ac3以上时 ，并没有发生通常的重结晶细化过程 ，如果要使晶粒细化，必须加热到比 Ac3更高的某一温度Tr后才能得到细 晶组织。 在Tr以下温度时，除了在原 始晶粒周界或亚晶界上出现不连续的 等轴晶外，过热粗晶组织基本保留加 热前的大小和形貌。 61 第四章 焊接热影响区组织和性能 62 第四章 焊接热影响区组织和性能 3）.HAZ的热应变时效脆化 (1)静应变时效脆化 (2)动应变时效脆化 63 第四章 焊接热影响区组织和性能 3）.HAZ的热应变时效脆化 脆化机理：HAZ中温度处于Ar1-300，由于母材受应 变产生大量位错，间隙原子C、N聚集到位错周围 形成对位错的包围变形能力kv (1)静应变时效脆化 u 定义：在室温或低温下受到预应变后产生的时效脆化现象； u特征：强度和硬度增高，而塑性、韧性下降。 (2)动应变时效脆化 u定义：在较高温度（200-400）范围内受到预应变后产生的 时效脆化现象； u特征：多发生在低碳钢和碳锰钢低合金钢的Ar1以下亚热影响区 ，在金相组织上不产生明显变化。但强度和硬度增高，而塑性 、韧性下降。 64 第四章 焊接热影响区组织和性能 （三）HAZ的韧化（基本途径） 1.调整焊接热循环 选择适宜的焊接线能量E 焊前预热预热(或后热) 多层焊 2.焊后热处理 整体 局部 3.选用焊接性能优良的母材 调整Wc 、t8/5、 t8/3、 t100获得针状F、BL、 板条M或增韧组织A防止粗大M、M-A 消应力热处理、正火、回火、重新调整 多元微合金化（14MnMoNbB） 细晶粒钢 高强钢（O、S、P、N极低） 65 第四章 焊接热影响区组织和性能 （四）调质钢焊接HAZ的软化 1、调质钢焊接时 HAZ的软化 加热：回火SA+F+碳化物、 冷却：因F和碳化物来不及溶 入AA转变为自由F和未淬硬 的A转变产物强度降低母材 焊前调质处理的回火温度越低 ，这种现象越严重。 影响因素：母材原始强化程度 焊后软化 E软化程度，且宽度 66 第四章 焊接热影响区组织和性能 2、热处理强化合金焊接HAZ的软化 u硬Al、超硬Al合金，如LD2（ Al-Cu-Mg-Si） u硬Al合金HAZ强化和过时效软 化机理： uAl合金固溶处理（合金元素全 部充分溶入棉心立方体中） 过饱和固溶体（ss） u将ss升温延时出现“局部溶 质原子富集区“GP区” 强度 增加 延时保温，GP区转为共 格过渡相（Cu、Mg、Al）（或称 S）即强度达到最大值 延时保温转变为稳定相 (CuMgAl2)脱溶阶段强度继续 降低过时效软化 67 第四章 焊接热影响区组织和性能 （五）焊接HAZ力学性能 一般来说，对HAZ力学性能的研究主要 是从两方面进行： 一方面是研究HAZ不同部位的力学性能 另一方面专门研究 熔合区附近的性能. 对于淬硬倾向不大的钢种(如16Mn钢) 采用焊接热模拟技术，HAZ不同部位常 规力学性能如下图 68 第四章 焊接热影响区组织和性能 一般规律: n强度指标：随Tmb 、s、Hv，在粗晶区 有最大值，至熔合区略有 下降； n塑性指标：Tm、 ，粗晶区、熔合区有 最低值； nc与力学性能关系HAZ 各区cHAZ各区b 、s、Hv、 69 第四章 焊接热影响区组织