金属焊接热影响区的组织和性能

1、1 2 3 早期：早期：母材主要是低碳钢，母材主要是低碳钢，HAZ一般不会出现什么问题，焊接质量取决一般不会出现什么问题，焊接质量取决 于焊缝质量，人们的主要精力用于解决焊缝中可能出现的问题。于焊缝质量，人们的主要精力用于解决焊缝中可能出现的问题。 现在：现在：母材材料的品种不断扩大（如低合金高强度钢、高合金特殊钢，母材材料的品种不断扩大（如低合金高强度钢、高合金特殊钢， 铝、铜、钛等有色金属的合金等），这些材料大多对加热敏感，有些化铝、铜、钛等有色金属的合金等），这些材料大多对加热敏感，有些化 学性质还相当活泼。学性质还相当活泼。HAZ的组织与性能将发生较大的变化，甚至会产生的组织与性能将发

2、生较大的变化，甚至会产生 严重的缺陷。严重的缺陷。 随着钢材强度、结构的尺寸与板厚不断增加，随着钢材强度、结构的尺寸与板厚不断增加，HAZ脆化倾向增大，产生脆化倾向增大，产生 焊接缺陷的可能性增加，焊缝质量不再是决定焊接质量的唯一要素。焊接缺陷的可能性增加，焊缝质量不再是决定焊接质量的唯一要素。 4 5 H越快，相变温度提高，均质化和碳化物在奥氏体的溶解也越越快，相变温度提高，均质化和碳化物在奥氏体的溶解也越 不充分。必然影响在冷却过程中热影响区的组织转变及其性能。不充分。必然影响在冷却过程中热影响区的组织转变及其性能。 6 7 8 数值模拟数值模拟是指用一组控制方程来描述一个过程的基本参是指

3、用一组控制方程来描述一个过程的基本参 数变化关系；数变化关系； 利用数值方法求解，以获得该过程定量的结果。利用数值方法求解，以获得该过程定量的结果。 根据焊接传热理论建立了许多描述焊接传热过程的数根据焊接传热理论建立了许多描述焊接传热过程的数 学模型学模型( (包括焊接热循环参数包括焊接热循环参数) )。 随着计算机的发展和普及，计算机的容量日益增大，随着计算机的发展和普及，计算机的容量日益增大， 计算速度也越来越快，过去难以用分析方法求解的非线性问计算速度也越来越快，过去难以用分析方法求解的非线性问 题现在可以在计算机上用数值方法迎刃而解。题现在可以在计算机上用数值方法迎刃而解。 9 2 0

4、m Rc E234.0 TT y c E242. 0 TT 0m 点热源（厚板）：点热源（厚板）： 线热源（薄板）：线热源（薄板）： 由两式可以看出：由两式可以看出： 焊件上某点离开热源轴心焊件上某点离开热源轴心距离越远，最高温度距离越远，最高温度m m越低越低； 焊件上某一定点，随着焊件上某一定点，随着线能量线能量E E 的提高，其的提高，其m m增高增高，焊接热影响区的，焊接热影响区的 宽度增大。宽度增大。 峰值温度的高低还受预热温度与焊件热物理性质的影响。峰值温度的高低还受预热温度与焊件热物理性质的影响。 10 11 )TT(2 E t 0H H 2 0H 2 )TT(c2 )E( t

5、H 点热源（厚板）点热源（厚板） 线热源（薄板）线热源（薄板） 由公式可以看出：由公式可以看出： 提高线能量提高线能量 E E，高温停留时间，高温停留时间 t tH H 延长，也就是说发生粗晶 延长，也就是说发生粗晶 脆化的可能性增大。脆化的可能性增大。 提高初始温度提高初始温度 T T0 0（预热温度），也会在一定程度上延长高温（预热温度），也会在一定程度上延长高温 停留时间停留时间 t tH H。 12 E )TT( 2 2 0 C C 2 3 0 )E( )TT( c2 C C 00 58 T800 1 T500 1 2 E t 2 0 2 0 2 58 T800 1 T500 1 c4

6、 )E( t 冷却速度冷却速度c随着线能量随着线能量E和初始温度和初始温度T0的提高而降低的提高而降低， 冷却时间随着线能量冷却时间随着线能量E和初始温度和初始温度T0的提高而延长。的提高而延长。 母材的热物理性质、焊件的形状、尺寸、接头型式、焊道的长度及层数都母材的热物理性质、焊件的形状、尺寸、接头型式、焊道的长度及层数都 会影响焊接热循环参数，会影响焊接热循环参数， 13 14 15 16 由图可知，焊件近缝区由图可知，焊件近缝区1点和点和4点所经点所经 历的焊接热循环是比较理想的。历的焊接热循环是比较理想的。 1点：点：一方面使该点在一方面使该点在Ac3以上停留时以上停留时 间较短，避免

7、了晶粒长大，另一方面间较短，避免了晶粒长大，另一方面 由于层间的热作用，减缓了冷却速度，由于层间的热作用，减缓了冷却速度， 从而防止产淬火组织。从而防止产淬火组织。 4点：点：它是在预热基础上开始焊接的，它是在预热基础上开始焊接的， 只要焊缝长度控制合适，只要焊缝长度控制合适， Ac3 以上停以上停 留时间仍可很短，晶粒不会长大。留时间仍可很短，晶粒不会长大。 为了防止最后一层产生淬火组织，可为了防止最后一层产生淬火组织，可 另加一层退火焊遵，以增加奥氏体的另加一层退火焊遵，以增加奥氏体的 分解时间。分解时间。 短短段多层焊对于段多层焊对于晶粒易长大而又易淬火晶粒易长大而又易淬火 钢种钢种的热

8、影响区和焊缝具有改善作用。的热影响区和焊缝具有改善作用。 但但短段多层焊的操作十分繁琐，生产率短段多层焊的操作十分繁琐，生产率 低，因此除非在特殊的情况下才采用。低，因此除非在特殊的情况下才采用。 17 18 19 20 焊接快速加热对焊接快速加热对Ac1、Ac3和晶粒长大的影响和晶粒长大的影响 d晶粒的平均直径；晶粒的平均直径；A奥氏体；奥氏体；P珠光体；珠光体；F铁素体；铁素体；K碳化物碳化物 45钢钢40Cr40Cr H ： 11400/s；2270/s； 335/s； 47.5/s) H ：11600/s；2300/s； 442/s； 57.2/s 21 加热速度对相变点加热速度对相变

9、点Ac1和和Ac3及其温差的影响及其温差的影响 22 共析成分成为一个成分范围共析成分成为一个成分范围 23 24 25 用途：用途： 1）确定给定）确定给定时热时热 影响区的组织及硬度，影响区的组织及硬度， 2）按照热影响区组）按照热影响区组 织及硬度的要求确定织及硬度的要求确定 所需的所需的 例如：例如： 若若36s，热影响，热影响 区的组织组成约为：区的组织组成约为： 10F+5P+85B HV5硬度值为硬度值为240。 Q345(16Mn)钢的CCT图 26 27 28 29 30 31 32 33 返回 不易淬火钢焊接热影响区的组织分布不易淬火钢焊接热影响区的组织分布 34 35 3

10、6 37 38 母材的淬硬倾向（内因）母材的淬硬倾向（内因） HAZ的冷却速度（外因）的冷却速度（外因） 化学成分化学成分 焊接规范焊接规范 39 40 5 Mo 156 Mn )( VCrNiCu C IIW CE B VMoNiCrCuMnSi C5 1015602030 P cm 41 42 43 晶粒直径晶粒直径d d 对脆性转变温度对脆性转变温度VTVTrs rs的影响 的影响 应当注意脆化程度和粗晶区的组织有关：应当注意脆化程度和粗晶区的组织有关： 对于不易淬火钢，主要是晶粒长大，形成粗大魏氏组织对于不易淬火钢，主要是晶粒长大，形成粗大魏氏组织(W)；降低焊接；降低焊接 线能量，提

11、高冷却速度，可提高韧性。线能量，提高冷却速度，可提高韧性。 对于易淬火钢（如高碳低合金高强钢），提高冷却速度会产生脆硬的对于易淬火钢（如高碳低合金高强钢），提高冷却速度会产生脆硬的 孪晶孪晶M，使脆性增加。应适当提高焊接线能量，降低冷却速度。，使脆性增加。应适当提高焊接线能量，降低冷却速度。 44 45 46 HAZ 焊缝焊缝 封头封头 产生应变时效脆化的原因：产生应变时效脆化的原因： 主要是由于应变引起位错增殖，焊接热循环时，碳、氮原子析集到主要是由于应变引起位错增殖，焊接热循环时，碳、氮原子析集到 这些位错的周围形成所谓这些位错的周围形成所谓Cottrell气团，气团，对位错产生钉扎和阻塞

12、对位错产生钉扎和阻塞作用而使作用而使 材料脆化。材料脆化。 明显产生热应变时效脆化的部位是明显产生热应变时效脆化的部位是HAZ的熔合的熔合 区和区和Ar1以下的亚临界以下的亚临界HAZ（200400） 47 48 49 调质钢焊接调质钢焊接HAZ的硬度分布的硬度分布 A焊前淬火焊前淬火+低温回火；低温回火； B焊前淬火焊前淬火+高温回火；高温回火； C焊前退火焊前退火 1淬火区；淬火区；2部分淬火；部分淬火；3回火区回火区 50 51 LD2铝合金铝合金HAZ的软化现象的软化现象 ( (HR为表面洛氏硬度为表面洛氏硬度) () (自动自动TIG焊焊) ) 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 返回 64 45钢在钢在Ms附近，焊接曲线右移，即同样冷却速度条件下，焊接比热处理淬硬倾向大。附近，焊接曲线右移，即同样冷却速度条件下，焊接比热处理淬硬倾向大。 65 40Cr在在Ms附近，焊接曲线左移，即同样冷却速度下，热处理比焊接淬硬倾向大。附近，焊接曲线左移，即同样冷却速度下，热处理比焊接淬硬倾向大。 66 返回 67 68 返回 69Q235A钢焊接热影响区的组织特点 返回 70 低碳调质钢焊条