焊接原理 第五章

.,第五章焊接热影响区的组织和性能,.,焊接热影响区熔焊时在集中热源的作用下，焊缝两侧的母材上发生组织和性能变化的区域。叫焊接热影响区，或近缝区。焊接接头(joint)焊缝区(WM)热影响区(HAZ)低碳钢的WM和HAZ一般不出现问题，但是，随着高强钢、高合金钢以及特种钢的应用，在某些情况下，HAZ易脆化，可能成为焊接接头的薄弱地带，对其研究非常必要。本章主要根据低合金高强钢焊接过程中，由于快速不均匀加热和冷却引起热影响区组织和性能的变化而进行讨论。,.,.,图5-1,.,.,.,图5-2,.,4.表征焊接热循环的主要参数:（1）加热速度H加热速度H快，奥氏体化温度升高，奥氏体中的碳化物溶解不充分，奥氏体均质化程度低，稳定性差.（2）峰值温度Tm焊缝两侧各点的Tm不同，冷却过程中发生的相变不同，组织性能不同.（3）高温停留时间tH在相变温度Ac3以上停留的时间。一般指11001200以上的停留时间。tH越长，越有利于奥氏体的均质化，同时带来严重的晶粒长大.把高温停留时间tH分为加热过程的停留时间t和冷却过程的停留时间t.即：tH=t+t奥氏体不仅在加热过程中长大，而且冷却过程中也在长大奥氏体长大的热惯性.,.,.,（4）冷却速度c冷却速度是决定焊接HAZ组织和性能的主要参数。i.某一温度下的冷却速度（瞬时冷速）c低碳、低合金钢熔合线附近在冷却过程中，冷到540左右的瞬时冷速。因焊接冷速快，瞬时冷速测定困难，常用如下冷速：ii.一定温度范围内的平均冷速为便于研究，常采用“某一温度范围内”的冷却时间”来表示平均冷速。即在某温度范围内，冷却所持续的时间。如t8/5，t8/3,t100等。t8/5熔合线附近的金属从800冷却到500所持续的时间。t8/3熔合线附近的金属从800冷却到300所持续的时间。t100熔合线附近的金属从Tm冷却到100所持续的时间。注：冷裂倾向较大的钢种用t8/3和t100表示冷速；冷裂倾向较小的钢种，如低碳钢、低合金钢用t8/5表示冷速。,.,5.热循环参数的计算,.,.,6.影响焊接热循环的因素焊件尺寸形状在E一定的条件下：a.薄板，随板宽增大，冷速增大；b.厚板，随随板厚增大，冷速增大。接头形式不同接头形式的导热有差异，冷速不同。相同板厚的丁字接头冷速要比V字接头大约1.5倍。焊道长度接头形式、焊接参数一定时，焊道越短，冷速越大。当焊道长度40mm时，冷速明显增大。弧坑处冷速约为焊缝冷速的2倍；甚至比引弧断大20。焊接线能量随E增大，Tm、tH增大，c增大。a.焊接方法不同，冷速不同：在E一定时，埋弧焊气电焊0.42%、Pcm0.23：易淬钢如14MnMoNbB、18MnMoNb、14MnMoV、30CrMnSi、40Cr、HY80美、HY120、wel-ten80日、wel-ten60等。,.,低碳钢碳当量计算式：适于C0.18的低合金钢。适于C0.18的低合金钢。不易淬钢：低碳钢、一些低合金钢；易淬钢：热轧钢（正火态，F+P）；调质钢（回火态，S）,.,一、焊接热影响区的组织分布焊接HAZ组织和性能的分析依据Fe-C相图。1.不易淬火钢焊接HAZ可分为：（1）熔合区TS1100TS奥氏体晶粒发生严重的长大现象，常温组织为粗大的铁素体和珠光体。此区的韧性很低，通常要降低20%30%。拘束大件易产生脆化或裂纹。过热区的大小与焊接方法、焊接线能量和母材的板厚等有关：气焊和电渣焊时比较宽；手弧焊和埋弧自动焊时较窄；真空电子束、激光焊接时几乎不存在。母材中含有V、Nb、Ti、Mo等碳化物形成元素时，晶粒粗化程度降低。,.,（3）相变重结晶区（正火区）T=A31100焊接母材被加热到Ac3以上，将发生重结晶（即铁素体和珠光体全部转变为奥氏体），然后在空气中冷却就会得到均匀细小的珠光体和铁素体，相当于热处理时的正火组织。（4）不完全重结晶区（不完全正火区）T=Ac1Ac3处于Ac1Ac3范围内只有一部分组织发生了相变重结晶过程，另一部分是始终未能溶于奥氏体的铁素体，成为粗大的铁素体。所以此区由粗大的铁素体和细小的珠光体组成的不均匀组织。（5）亚热影响区T1100，粗大M(B)T=A31100细小M(B)（2）不完全淬火区T=Ac1Ac3F快M(B、S、P)B.母材为调质态除了A中的（1）、（2）区之外，还存在：（3）回火区（软化区）TT回AC1回火组织中的铁索体基体上存在着Fe3C型碳化物，若T1100区，晶粒粗大，快速冷却时硬度升高；熔合区中，C由固态母材向液态熔池扩散，结果使焊缝因含C量升高而硬度增大，母材则因含C量减小而硬度降低。焊接接头HAZ硬度测定方法,硬度测定方法图,.,图5-13,.,调质钢HAZ的硬度分布调质钢HAZ硬度分布与基本相同，但在Tm600700有一硬度下降区软化区。,图5-14,.,经过调质处理的高强钢和具有沉淀强化及弥散强化的合金，经焊接之后在HAZ会产生不同程度的软化或失强，这将影响焊接结构的力学性能和承载能力。i.调质钢HAZ的软化程度与母材焊前的热处理状态有关。母材焊前回火温度越低(即强化程度越大)，则焊后的软化程度越严重，如图5-15所示。ii.HAZ中软化最明显的部位大都在A1A3之间，一般在T=Acl附近失强最大。这与此温度内不完全淬火过程密切相关。焊接加热过程中，A未达平衡，Fe3C、K未能充分溶解；冷却时A发生分解，使强度、硬度降低。iii.不同的焊接方法和焊接线能量主要影响软化区的宽度。E增大、软化区宽度增大，强度和硬度降低。有人认为，接头中的软化区为以狭层，并处于强体之间，其塑性变形受到相邻两强体的拘束，受力时将会产生应变强化的效应。因此对接头性能不构成影响。,.,图5-15,.,图5-16,.,2.热影响区的强度和塑性（1）焊接HAZ强度低碳钢：低合金高强钢：HAZ强度分布与硬度分布曲线相似，只是坐标不同而已。（2）HAZ塑性塑性分布曲线与强度分布曲线相似，但走向恰恰相反。,.,3.热影响区的韧性韧性是材料在塑性应变和断裂过程中吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合体现。以碳锰钢为例，说明HAZ不同部位的韧性分布如图5-17示。由图可见：HAZ韧性降低（脆化）有2个部位：过热区（粗晶区）和400600的时效脆化区；900左右细晶区韧性最高。HAZ脆化有多种类型，如粗晶脆化、析出脆化、组织脆化、热应变时效脆化、氢脆和石墨脆化等。,.,图5-17,.,.,a.高强钢的粗晶区可能有两种元素引起的脆化：i.晶粒粗大导致的脆化(不易淬钢)晶粒长大是晶粒相互吞并和晶界迁移的过程。若钢中含有C、N化合物形成元素(Ti、Nb、Mo、V、W、Cr)，可阻碍晶粒长大。例如：18Cr2WV在1400时晶粒才明显长大；45钢和23Mn钢在1000时就显著长大。粗晶致使韧性降低的程度：手弧焊约5，埋弧焊约30。ii.脆硬组织导致的脆化(易淬钢）MT、BG、组织遗传等。,.,b.预防粗晶脆化的措施i.选择晶粒不易长大的钢种作为母材多元微合金元素强化母材，希望得到BL和MD组织；微量合金元素获得弥散强化的细晶粒钢。采用合理的焊接工艺焊前T0=150300预热，适当降低焊接线能量，用以增大冷却速度。焊后热处理：正火处理，细化组织；调质处理，改变组织形态。,.,（2）组织脆化钢种和冷却条件不同，可能出现不同的脆硬组织，常用低合金高强钢HAZ脆化主要是由于M-A组元BG脆化、BU、W、组织遗传等。a.M-A组元脆化某些低合金高强钢的焊接HAZ和WM中，在一定冷却速度条件下，处于中温BU转变区间，先析出含碳量很低的铁素体，并且逐渐长大，而使得C大部分富集到被铁素体包围的岛状残余奥氏体中，当连续冷却到400350时，残余奥氏体中的含碳量达到0.50.8，随后，此高碳的奥氏体转变为MT和A的混合物，即M-A组元。随M-A组元的增多，脆性转变温度显著升高，即使焊接HAZ脆化。M-A组元的形成取决于两个因素：i.冷却速率见图5-19冷速小时，AF+Fe3C冷速大时，AM中等冷速条件下，ABG(M-A组元)ii.A的合金化程度A的合金化程度越高，稳定性越强，越容易形成M-A组元。实际高强钢的焊接接头中，在Ac1Ac3区也可能出现M-A组元。,.,图5-19,.,b.析出脆化某些金属或合金焊接区因处于非平衡状态，其性质不均匀，在后续的回火和时效过程中，从非稳态固溶体中沿晶界析出碳化物和氮化物，金属间化合物及其他亚稳定的中间相等，而使金属或合金的强度、硬度和脆性提高，韧性降低。这种现象称为析出脆化。熔合区和粗晶区的组织不均匀比接头其它部位更易脆化。析出脆化产生原因：不均匀析出的C、N原子聚集于位错周围，形成conttroll气团，阻碍位错运动，使金属强度、硬度升高，韧性下降，发生脆化。晶内析出不引起脆化。,c.遗传脆化厚板结构多层焊时，上层焊道的HAZ粗晶区位于该焊道的相变重结晶区（正火区），一般可使上层焊道的粗晶区得到细化。但是，某些钢种则事实上仍保留粗晶组织和结晶学位向关系，造成脆化。称为“遗传脆化”。遗传脆化主要发生于有脆硬倾向的调质钢，并在快速加热和快速冷却时产生。,.,氢脆见第二章，氢对焊接质量的影响。,（3）HAZ的热应变时效脆化在焊接热循环作用下，焊接局部由于热应变而产生塑性变形，尤其在200400产生更明显的脆化。应变时效脆化可分为两大类：(1)静应变时效脆化(SSAE)：在室温或低温下受到预应变后产生的时效脆化现象。强度和硬度增高，而塑性、韧性下降。钢中只有存在C、N原子时才产生SSAE。(2)动应变时效脆化(DSAE)：在较高温度下，特别是200400温度范围的预应变所产生的时效脆化现象称为动应时效脆化。即HAZ的“蓝脆现象”。,.,脆化机理：应力应变位错运动（增殖）C、N原子聚集在位错周围形成Cottrell气团，钉扎位错，引起脆化。i.单道焊产生于200400亚热影响区T400时，原子溶解度大，不会析出；T200400时，原子过饱和溶于铁素体中，不稳定，原子容易析出，并向位错中心聚集。ii.多道焊产生于前焊道的熔合区。原因：熔合区存在截面突变缺口效应，应力集中。缺口和应力集中处位错密度高，C、N浓度高，易脆化。预防HSE措施：i.选用含N量低的镇静钢；ii.在钢中加入Al、Ti、V等强氮化物形成元素；iii.焊后正火处理，使N来不及析出。,.,4、焊接热影响区的性能控制,控制焊接工艺过程改善母材的焊接性,.,针对不同母材焊接热影响区的性能变化分析，合理制定焊接工艺，包括：选择焊接线能量预热与缓冷焊后热处理（正火、调质、去应力退火）,.,采用低碳微合金化钢：利用微量元素弥散强化、