四、焊接热影响区(2010)演示幻灯片

第四章焊接热影响区的组织和性能,1,焊接接头包括焊缝和焊接热影响区（图41）。,焊接热影响区（HAZ：heataffectedzone）,HAZ也叫近缝区，是焊缝熔合区与母材被加热之间的区域,是焊接接头最薄弱的部分（图42）。,2,焊件上某一点经历的从低温到高温，又从高温降到低温随时间的变化称为焊接热循环。,第一节焊接热循环,焊接是一个不均匀的加热和冷却过程，并且焊缝不同部位所经历的焊接热循环不一样，有不同的最高加热温度（图43），所以焊接接头各点的组织、性能、应力和应变也不一样。,热处理的热循环,3,不同的焊接方法，其焊接热循环的特点也不同（图44）。,焊接热循环,4,焊接热循环的主要参数包括：1加热速度（H）焊接加热速度比热处理加热速度快得多（见表41）。H过快使相变温度提高，并造成奥氏体均匀化和碳化物溶解都不充分。,一、焊接热循环的主要参数（1）,热处理的热循环,5,2加热的最高温度（Tm）Tm越高，晶粒越粗大，而且焊接冶金反应速度越快。,焊接热循环的主要参数（2）,3相变温度以上停留的时间（tH）tH包括加热时停留的时间t和冷却时停留的时间ttHt+ttH越长，越有利于奥氏体均质化。但晶粒也越易长大。,热处理的热循环,6,4冷却速度（C）和冷却时间（t8/5、t8/3、t100）,焊接热循环的主要参数（3）,由于冷却速度的非线性，所以常用在某一温度范围内的平均冷却速度，如图45的C点速度。,C是决定焊接HAZ组织和性能的主要参数。,热处理的热循环,7,焊缝冷却速度（C）也可以用焊缝在某一温度范围内的冷却时间来表示，如t8/5：焊缝从800冷却到500所用的时间；t8/3：焊缝从800冷却到300所用的时间；t100：焊缝从Tm冷却到100所用的时间。,焊缝冷却速度和冷却时间,8,（1）被焊金属的热物理性质：金属的导热系数越大，冷却速度就越快。,影响焊接热影响区的冷却速度的因素（1）,（2）钢板的厚度：钢板的尺寸越大、越厚，冷却速度就越快（图566）。但板厚超过25mm后，冷却速度趋于一定值。,9,初始温度越高，冷却速度越慢（图567）。,（3）钢板的初始温度对HAZ冷却速度的影响,预热对减缓600以下的冷却速度特别显著，是控制淬硬组织、避免产生冷裂纹的重要手段。,10,HAZ的冷却速度受焊接电流、电弧电压、焊接速度等的影响，冷却速度随着焊接线能量的增加而降低（图568）。,（4）焊接规范对HAZ冷却速度的影响,焊接接头的形状对冷却速度也有影响。角焊缝、T字接头的冷却速度比对接焊缝的冷却速度要快得多。,调整焊接线能量、预热、缓冷等措施都可以降低焊缝的冷却速度。,11,采用模拟试验机和计算机技术对焊接过程进行数值模拟是焊接研究的热点之一。,二、焊接热循环参数的数值模拟（略）,12,多层焊的后一道焊缝可以对前一道焊缝进行一次热处理，所以多层焊的焊缝质量优于单层焊。,三、多层焊热循环的特点,1长段多层焊（1m）焊第二道焊缝时第一道已降至低温，所以各相邻焊缝有依次热处理的作用。为防止最后一层淬硬，可加焊一道“退火焊道”（图417*）。,易淬硬钢不易采用长段多层焊。,13,短段多层焊（50400mm）是在第一道焊缝仍处于高温时，进行第二道焊接（图418）。,2短段多层焊,短段多层焊适于焊接晶粒易长大而又易于淬硬的钢种，尤其是用于铸铁补焊。,14,与热处理加热进行比较（图420），焊接（热影响区）加热具有：加热温度高、加热速度快、高温停留时间短、自然冷却和局部加热等特点。,第二节焊接热影响区的组织转变,焊接加热特点必然造成焊接区域的组织、性能等的不均匀性和复杂化。,15,由于焊接加热速度快，造成AC1和AC3线上移，偏离平衡位置。加热速度越快，两线之间的距离越宽（图419，表48）。,一、焊接时加热过程组织转变的特点（1）,图4-19（45钢）1-1600/s；2-270/s；3-35/s,16,由于P体和F体向A体转变属于扩散性重结晶，需要孕育期，所以加热速度快也不利于A体均质化。,焊接时加热过程组织转变的特点（2）,对于含有碳化物合金元素的钢（Cr、W、Mo、V等），快速加热使碳化物来不及溶入A体中，造成成分不均匀。A体的不均匀将影响到冷却过程的组织转变。,17,由于焊接与热处理的热循环特点不同（图420），所以即使在同样的冷却条件下获得的组织也不一样（表49）。,二、冷却过程的组织转变CCT图（1）,注：1有（）号为热处理时的百分比；2中间组织为贝氏体、索氏体和托氏体。,18,利用WMCCT图可以预测到焊接热影响区的组织和性能，也可以根据熔合区的某点冷却速度，了解此钢种的淬硬倾向以及产生冷裂的可能性（图423），然后制定出相应的工艺措施，如预热、焊后热处理等。,冷却过程的组织转变CCT图（2）,19,影响MW-CCT图的因素（1）,1母材化学成分的影响除钴外，所有合金元素都使S曲线右移，即增加淬硬倾向。,2冷却速度的影响随着冷却速度的增加，A1线下移，可形成伪共析组织。,20,3峰值温度的影响峰值温度越高，曲线右移，奥氏体越稳定，但晶粒越粗大。,影响MW-CCT图的因素（2）,最高加热温度,21,4晶粒粗化影响奥氏体晶粒不仅在加热时长大，在高温冷却时也长大。,影响MW-CCT图的因素（3）,22,5应力应变的影响焊接时不可避免产生各种应力和应变。有拉伸应力时会明显降低奥氏体的稳定性，使CCT曲线向左上方偏移。,影响MW-CCT图的因素（4）,T（）,23,一、焊接热影响区的组织分布距焊缝中心不同距离的热影响区经历了不同的热循环，因而出现不同的组织。对于不易淬火的低碳钢和低合金钢焊缝，焊接热影响区按组织变化可分为四个区（图429）。,第三节焊接热影响区的组织和性能,24,焊缝与母材相邻的部位，是液固相结合的部位。化学成分、组织、性能非常不均匀，是产生裂纹、脆性破坏的发源地。,1熔合区（半熔化区）,25,加热温度在固相线至1100的区域。此区金属因过热造成晶粒粗大，易生成魏氏组织（图430），韧性较差，容易产生脆化或裂纹。熔合区和过热区是焊接接头最薄弱的部位。,2过热区,26,金属被加热到1100以下Ac3以上，发生重结晶（F和P全部转变成A），冷却后获得细P和F体。,3相变重结晶区（正火区）,27,加热温度在Ac3Ac1之间，只有部分组织发生相变重结晶。转变的部分冷却后成为晶粒细小的F体和P体；未转变的F体成为粗大F体。所以该区组织不均匀，力学性能也不均匀。,4不完全重结晶区,如果母材在焊接前进行过冷加工，那么加热温度在Ac1300区域还会发生再结晶过程和应变时效过程。,28,16Mn钢埋弧自动焊的热影响区组织特征（图431）,29,焊接热影响区的大小与焊接方法、焊接线能量、板的厚度以及焊接工艺等有关（表410*）。,不易淬火钢的焊接热影响区,30,对于焊接淬硬倾向较大的钢，焊接热影响区的组织与母材焊前热处理状态有关。若母材焊前是正火或退火状态，则焊接热影响区有完全淬火区、不完全淬火区和回火区。,易淬钢的焊接热影响区的组织和性能,31,若加热温度在Ac3以上，靠近熔合区，因温度过高，冷后得到粗大M体。如果加热温度在正火区（Ac3+50），可获得细小M体。根据冷却速度和线能量的不同，可能出现贝氏体或M+B。,1完全淬火区,32,加热温度在Ac3Ac1之间的热影响区，P、B、S（索氏体）等转变为A体，但F体很少溶入A体。在随后的快速冷却后，转变的M体和未转变的F体形成F+M共混组织（图433）。,2不完全淬火区（1）,33,如果含碳量和合金含量不高或冷却速度较小时，也可能出现S体和P体。,不完全淬火区（2）,如果母材在焊前是调质状态，此时焊接热影响区的组织和性能还取决于焊前调质回火温度。高于回火温度的部位将出现软化现象。,34,在焊接条件下，热影响区的复杂性远高于常规热处理，即使是低碳钢，焊接热影响区的组织也比较复杂（看图434）。,焊接热影响区的组织,35,焊接热影响区的最新划分方法（图435）,36,二、焊接热影响区性能,硬度是判断材料力学性能的重要指标，也是判断能否发生裂纹、脆化可能性，所以有时用焊后硬度作为材料的可焊性。热影响区的硬度可以作为一个钢种能否获得性能优良焊接接头的指标。,37,焊接热影响区的硬度主要决定于母材的成分和冷却条件，一般用热影响区（一般在熔合区）的最高硬度Hmax来间接判断热影响区的性能，如强度、韧性、脆性和抗裂性等。,材料的硬度与钢的含碳量、合金元素含量、冷却速度等因素有关。尤其是碳含量是金属可焊性的重要指标。,1焊接热影响区的硬化,38,把钢中合金元素，按其对淬硬的影响程度折合成碳的相当含量。碳当量是评定材料可焊性的重要指标之一。计算碳当量常用的公式见表414。,（1）碳当量Ceq或CE（CarbonEquivalent）,39,CE越高，Hmax硬度越高（图437）。,（2）CE及t8/5与HAZ最高硬度Hmax的关系（1）,冷却时间t8/5与HAZ最高硬度Hmax的关系（图438，39）。,40,熔合区附近的硬度最高，距熔合区越远，硬度越接近母材（图440）。,CE及t8/5与HAZ最高硬度Hmax的关系（2）,（3）焊接HAZ最高硬度的计算(定性分析),对于不同强度级别的低合金高强度钢，规定了最大允许硬度Hmax（表415）。,防止硬度过高的措施是限制冷却速度。,41,2热影响区脆化,在焊缝的热影响区存在脆性区（图441），引起脆化的原因主要是粗晶脆化和组织脆化。,（1）粗晶脆化在熔合线的过热区内发生严重晶粒粗化，而且只要温度高于某一值，不论是加热还是冷却，晶粒都在长大。,42,提高加热温度和增加加热时间都能引起晶粒长大式中：D晶粒直径；D0加热时间t0时的晶粒直径；t加热时间；T加热温度；R气体常数；Q激活能；常数，和材质有关。,（1）粗晶脆化（1）,焊接线能量也会使晶粒长大式中：l距熔合线的距离；板厚；E焊接线能量；焊接热效率,43,由于焊接热影响区是在非平衡条件下形成的，成分、组织的不均匀造成粗晶脆化更为严重。,粗晶脆化（2）,焊接线能量E越大，距离熔合线越近的部位，晶粒就越大。焊接线能量E越大，高温停留时间就越长，晶粒越易长大。,一般来讲，晶粒越粗大，脆性转变温度越高（图443）。,44,1）低碳钢的粗大魏氏组织（图430）,（2）组织脆化（1）,在发生脆化的部位，往往同时伴随有脆性的组织。而且不同类型的钢，HAZ区会出现不同的脆性组织。,2）焊接含碳量（碳当量）较高的钢时，易出现的挛晶马氏体比较脆，应采取焊前预热、焊后缓冷和焊后热处理等措施。,45,在HAZ的熔合部位因化学成分和组织不均匀，极易产生析出脆化。,（3）析出脆化（1）,析出脆化：某些钢在时效或回火过程中，从非稳态固溶体中沿晶界析出碳化物、氮化物、金属间化合物等硬脆的中间相，提高金属的强度和硬度，但增加钢的脆性。,46,析出物的分布、形态和尺寸对脆化都有影响。如果析出物发生聚集或沿晶界以薄膜状分布时，脆化会更严重。,析出脆化（2）,析出脆化的原因是当析出物长大到0时，位错运动的阻力最大，金属的硬度（脆化）达到最大值（图447）。,47,HAZ区产生的热应变时效脆化分为：1）静应变时效脆化：在低温受到预应变后产生的时效脆化，特征是强度和硬度增高，塑性、韧性下降。这时钢中一般会存在碳、氮自由间隙原子在位错区聚集，阻碍位错运动。,（5）HAZ的热应变时效脆化,热应变时效脆化：焊接构件在焊前冷加工过程中发生局部塑性变形，当这些区域处于热影响区时会有脆化现象。,2）动应变时效脆化：一般在200400的预应变所产生的时效脆化现象（蓝脆性，不可逆）。,48,提高焊缝的韧性有利于阻止裂纹扩展。但是因为焊接HAZ不能靠焊接冶金的方法提高韧性，所有只能采取工艺措施在一定范围内改善。,2焊接热影响区的韧化（防止脆化措施）,（1）母材的原始组织选用一些低碳微量多种元素合金钢，使HAZ分布有弥散性的强化质点（本质细晶粒钢）。尽量得到下贝氏体或低碳M体等韧性较好的组织，提高焊缝的韧性。,49,2）焊前预热、焊后缓冷等措施，获得一些残余奥氏体（面心立方的韧化相），从而提高韧性（表418）。,（2）韧化处理（1）,比较重要的焊接构件的韧化处理常采用：1）焊后热处理来改善HAZ的韧性。（可全部或局部）,50,3）控制焊接线能量，防止线能量过大而过热，造成HAZ的晶粒粗化，形成粗大F体或魏氏组织（图455）。但线能量也不能过低，否则容易形成淬硬组织，或造成焊接缺陷。,韧化处理（2）,51,3调质钢焊接HAZ的软化（1）,（1）调质钢焊接时HAZ的软化调质钢焊接热影响区中低于Ac3，高于回火温度区域硬度将下降（软化），最软位置在Ac1处（图456）。母材焊前调质温度越低，焊后HAZ区软化越严重。,52,热影响区的软化大小与焊接线能量大小有关，也与焊前母材强度有关，（强度越高，软化的程度越大，软化区越宽）。调质钢焊接后HAZ的软化程度常用失强率Psd表示：式中：B母材强度；J焊接接头强度。,调质钢焊接HAZ的软化（2）,53,虽然软化区焊后硬度较低，但在使用过程中，由于加工硬化效应，硬度有所提高，结果使整个接头的强度略有提高。,调质钢焊接HAZ的软化（3）,焊接线能量越大，接头强度越低，软化区越宽b（图458）。,54,减少HAZ的软化的措施：采用小能量多层焊（Ar弧焊），并保持层间温度不高于100。,4热处理强化合金焊接HAZ的软化,一些热处理强化的合金（有色金属Al、Cu、Ti的热处理温度一般在300450）焊后接头强度下降较大，软化区范围大（5mm）（图459）。,*,55,5焊接HAZ的力学性能（1）,HAZ是焊接接头最薄弱区，一般焊接接头的力学性能取决于HAZ的力学性能。在HAZ区，最薄弱的部位是：熔合区、过热区（13001400高温区）和低温区（400500的回火区）。,56,焊接HAZ的力学性能（2）,焊缝硬度最高区在过热区和熔合区之间，整个接头从外到内是强度升高（b、s），塑性下降（，）（图460）。,57,冷却速度对HAZ性能影响很大，随冷速提高，b、s、HV增加，、下降（图461）。钢的强度越高（淬硬倾向大），这种影响越大（图461b）。,焊接HAZ的力学性能（3）,58,现代焊接研究采用计算机模拟方法（热循环模拟和受力模拟）研究焊接过程、焊缝性能等。为衡量焊接接头的抗冷裂性、热裂性、韧性、应力腐蚀等。制定了一系列公认的测试方法。,第四节焊接热、力模拟试验方法,59,插销直径610mm，环状缺口位于热影响区的过热区内。焊后冷却到150时，用不同载荷施加轴向拉力，直至拉断，此值即为临界应力。用这种