焊接热影响区的组织与性能

1、熔焊时在高温热源作用下，靠近焊缝两侧熔焊时在高温热源作用下，靠近焊缝两侧一定范围内发生组织和性能变化的区域称一定范围内发生组织和性能变化的区域称为为“焊接热影响区焊接热影响区” 。 图10-1 焊接接头示意图1-焊缝；2-熔合区；3-热影响区；4-母材第一节第一节 焊接热循环焊接热循环第二节第二节 焊接热循环下的金属组织转变特点焊接热循环下的金属组织转变特点第三节第三节 焊接热影响区的组织与性能焊接热影响区的组织与性能第一节第一节 焊接热循环焊接热循环一、研究焊接热循环的意义一、研究焊接热循环的意义二、焊接热循环的参数及特征二、焊接热循环的参数及特征三、焊接热循环参数的计算三、焊接热循环参数的

2、计算一、研究焊接热循环的意义一、研究焊接热循环的意义 在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程称为焊接热循环的变化过程称为焊接热循环。 焊接热循环反映了热源对焊件金属的热作用。焊接热循环反映了热源对焊件金属的热作用。焊件上距热焊件上距热源远近不同的位置，所受到热循环的加热参数不同源远近不同的位置，所受到热循环的加热参数不同，从而会，从而会发生不同的组织与性能变化。发生不同的组织与性能变化。 研究焊接热循环的意义为：研究焊接热循环的意义为： 找出最佳的焊接热循环；找出最佳的焊接热循环； 用工艺手段改善焊接热循环；用工艺手段改善焊接热循环； 预

3、测焊接应力分布及改善热影响区组织与性能。预测焊接应力分布及改善热影响区组织与性能。二、焊接热循环的参数及特征 加热速度加热速度H 最高加热温度最高加热温度m 相变温度以上相变温度以上 的停留时间的停留时间tH 冷却速度冷却速度c (或冷却时间或冷却时间t8 / 5) 晶粒晶粒大小大小相变相变组织组织三、焊接热循环参数的计算 主要介绍焊接热源高速运动时厚板和薄板的主要介绍焊接热源高速运动时厚板和薄板的热循环参数的计算（推导过程略）：热循环参数的计算（推导过程略）： 峰值温度峰值温度m的计算的计算 相变温度以上的停留时间相变温度以上的停留时间tH 的计算的计算 冷却速度冷却速度C和冷却时间的计算和

4、冷却时间的计算 20mRcE234.0TTycE242. 0TT0m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，当焊接线能量由两式可以看出，当焊接线能量E（ 单位长度上的焊单位长度上的焊接热输入量，接热输入量，E = IU/v ) 一定，焊件上某点离开热源轴心一定，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越低越低；而对焊件上某一定点，随着；而对焊件上某一定点，随着线能量线能量E 的提高，其的提高，其m增高增高，焊接热影响区的宽度增大。，焊接热影响区的宽度增大。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

5、物理性质的影响。)TT(2Et0HH20H2)TT(c2)E(tH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，在其它条件不变的情况下，由公式可以看出，在其它条件不变的情况下，提高提高线能量线能量 E，高温停留时间，高温停留时间 tH 延长延长，也就是说发生粗晶，也就是说发生粗晶脆化的可能性增大。提高初始温度脆化的可能性增大。提高初始温度 T0（预热温度），（预热温度），也会在一定程度上延长高温停留时间也会在一定程度上延长高温停留时间 tH。冷却速度：冷却速度： 厚板厚板 薄板薄板冷却时间：冷却时间： 厚板厚板 薄板薄板 E)TT(220CC230)E()TT(c

6、2CC 0058T8001T50012Et2020258T8001T5001c4)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。母材的热的提高而延长。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，都会影响焊接热循环参数， 第二节 焊接热循环条件下的金属组织转变特点 与热处理条件下的组织转变相比，其基本原理与热处理条件下的组织转变相比，其基本原理相同，又具有与热处理不同的特点。相

7、同，又具有与热处理不同的特点。 焊接过程的特殊性焊接过程的特殊性 焊接加热过程的组织转变焊接加热过程的组织转变 焊接时冷却过程的组织转变焊接时冷却过程的组织转变 一、焊接过程的特殊性 五个特点（以低合金钢为例）：五个特点（以低合金钢为例）：加热温度高加热温度高 在熔合线附近温度可达在熔合线附近温度可达l350l400；加热速度快加热速度快 加热速度比热处理时快几十倍甚至几百倍；加热速度比热处理时快几十倍甚至几百倍；高温停留时间短高温停留时间短 在在AC3以上保温的时间很短以上保温的时间很短(一般手工电一般手工电弧焊约为弧焊约为420s，埋弧焊时，埋弧焊时30l00s) ；在自然条件下连续冷却在

8、自然条件下连续冷却（个别情况下进行焊后保温缓（个别情况下进行焊后保温缓冷）；冷）；有热应力作用状态下进行的组织转变有热应力作用状态下进行的组织转变。二、焊接加热过程的组织转变二、焊接加热过程的组织转变焊接过程的快速加热，将使各种金属的相变温度比焊接过程的快速加热，将使各种金属的相变温度比起起等温转变等温转变时大有提高。当钢中含有较多的碳化物时大有提高。当钢中含有较多的碳化物形成元素形成元素(Cr、W、Mo、V、Ti、Nb等等)时，这一影时，这一影响更为明显。这是因为碳化物形成元素的扩散速度响更为明显。这是因为碳化物形成元素的扩散速度很小很小(比碳小比碳小100010000倍倍)，同时它们本身还

9、阻，同时它们本身还阻碍碳的扩散，因而大大地减慢了奥氏体转变过程。碍碳的扩散，因而大大地减慢了奥氏体转变过程。 图图10-4 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（CCT图图）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40Cr40CrH ： 11400/s；2270/s； 335/s； 47.5/s)H ：11600/s；2300/s； 442/s； 57.2/s钢种钢种相变点相变点平衡状态平衡状态加热速度加热速度H H/ /（S S-1-1）AC1与与AC3的温差的温差/684050 2

10、50300 14001700 4050 250300 1400170045钢钢AC17307707757908404560110AC3770820835860950659018040CrAC17407357507708401535105AC3780775800850940257516523MnAC1735750770785830355095AC3830810850890940408013030CrMnSiAC17407407758259203585180AC38207908358909804510019018Cr2WVAC1710800860930100060130200AC381086093

11、01020112070160260表表10-1 加热速度对相变点加热速度对相变点Ac1和和Ac3及其温差的影响及其温差的影响三、焊接冷却过程中的组织转变 焊接条件下的组织焊接条件下的组织转变不仅与等温转转变不仅与等温转变不同，也与热处变不同，也与热处理条件下的连续冷理条件下的连续冷却组织转变不同却组织转变不同 。随冷却速度增大，随冷却速度增大，平衡状态图上各相平衡状态图上各相变点和温度线均发变点和温度线均发生偏移。生偏移。 共析成分成为一个成分范围共析成分成为一个成分范围 通过进行焊接热模拟试验，研究各种材料热影响通过进行焊接热模拟试验，研究各种材料热影响区的组织转变，建立区的组织转变，建立“

12、模拟焊接热影响区连续冷模拟焊接热影响区连续冷却组织转变图却组织转变图SH-CCT” 技术资料数据库，它可以技术资料数据库，它可以比较方便地预测焊接热影响区的组织和性能，同比较方便地预测焊接热影响区的组织和性能，同时也能作为选择焊接线能量、预热温度和制定焊时也能作为选择焊接线能量、预热温度和制定焊接工艺的依据。有关典型钢种的接工艺的依据。有关典型钢种的CCT图及组织的图及组织的变化可参阅有关焊接手册。变化可参阅有关焊接手册。第三节 焊接热影响区的组织与性能 焊接热影响区的组织分布 焊接热影响区的性能一、焊接热影响区的组织分布 接头不同部位，经历的焊接热循环不接头不同部位，经历的焊接热循环不同，便

13、有不同的组织特点。按照热循环同，便有不同的组织特点。按照热循环过程特点，将接头进行分区研究。过程特点，将接头进行分区研究。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熔合区熔合区： 又称半熔化区，是焊缝与又称半熔化区，是焊缝与母材的交界区。母材的交界区。加热温度加热温度：14901530（固、液相线之间）（固、液相线之间）组织组织：（未熔化但因过热而：（未熔化但因过热而长大的）粗晶组织和（部分长大的）粗晶组织和（部分新凝固的）铸态组织。新凝固的）铸态组织。特点特点：该区很窄，组织不均：该区很窄，组织不均匀，强度下降，塑性很差，匀，强度下降，塑性很差，是裂纹及局部脆断的发源地

14、。是裂纹及局部脆断的发源地。过热区过热区：紧靠熔合区紧靠熔合区加热温度加热温度： 11001490（1100固相线）固相线）组织组织： 粗大的过热组织。粗大的过热组织。特点特点： 宽度为宽度为13mm，塑性和，塑性和韧性下降。韧性下降。相变重结晶区相变重结晶区(正火区正火区)： 紧靠着过热区紧靠着过热区加热温度加热温度： 8501100 （AC3至至1100）组织组织： 均匀细小的铁素体和珠光均匀细小的铁素体和珠光体组织（近似于正火组织）体组织（近似于正火组织）特点特点： 宽度约宽度约1.24.0mm，力，力学性能优于母材。学性能优于母材。不完全重结晶区不完全重结晶区：加热温度加热温度： AC

15、1AC3之间之间组织组织： F+P (F粗、细不均粗、细不均)特点特点： 部分组织发生相变，部分组织发生相变，晶粒不均匀，力学性晶粒不均匀，力学性能差。能差。1-熔合区；熔合区；2-过热区；过热区；3-相变重结晶区；相变重结晶区；4-不完全重结晶区；不完全重结晶区；5-母材；母材；6-完全淬火区完全淬火区；7-不完全淬火区不完全淬火区；8-回火软化区回火软化区焊接热影响区的组织分布特征不易不易淬火钢淬火钢易淬易淬火钢火钢1、 完全淬火区焊接时处于焊接时处于Ac3以上的区域，与不易淬火钢的过热以上的区域，与不易淬火钢的过热区、正火区对应。加热时铁素体、珠光体全部转变区、正火区对应。加热时铁素体、

16、珠光体全部转变为奥氏体，冷却时很容易得到淬火组织。在紧靠焊为奥氏体，冷却时很容易得到淬火组织。在紧靠焊缝相当于低碳钢缝相当于低碳钢过热区的部位，得到粗大的马氏体，过热区的部位，得到粗大的马氏体，而相当于正火区的部位则得到细小的马氏体而相当于正火区的部位则得到细小的马氏体。当焊。当焊件母材的淬硬性不是太高时，还会出现贝氏体、索件母材的淬硬性不是太高时，还会出现贝氏体、索氏体等正火组织与马氏体共存的混合组织。氏体等正火组织与马氏体共存的混合组织。2、 不完全淬火区 母材被加热到母材被加热到Ac1Ac3温度之间的热影响区，温度之间的热影响区，相当于不易淬火钢的不完全重结晶区。在快速加热相当于不易淬火

17、钢的不完全重结晶区。在快速加热条件下，铁素体很少溶入奥氏体，而珠光体、贝氏条件下，铁素体很少溶入奥氏体，而珠光体、贝氏体、索氏体等转变为奥氏体。在随后快冷时，奥氏体、索氏体等转变为奥氏体。在随后快冷时，奥氏体转变为马氏体，原铁素体保持不变，并有不同程体转变为马氏体，原铁素体保持不变，并有不同程度的长大，最后形成马氏体加铁素体的混合组织。度的长大，最后形成马氏体加铁素体的混合组织。如含碳量和合金元素含量不高或冷却速度较小时，如含碳量和合金元素含量不高或冷却速度较小时，奥氏体也可能转变成索氏体或珠光体。奥氏体也可能转变成索氏体或珠光体。3、回火软化区如母材焊前是如母材焊前是调质状态调质状态，焊接热

18、影响区的组织分布除存在，焊接热影响区的组织分布除存在完全淬火区和不完全淬火区外，还存在一个完全淬火区和不完全淬火区外，还存在一个回火软化区回火软化区。在回火区内组织和性能发生变化的程度决定于在回火区内组织和性能发生变化的程度决定于焊前调质的焊前调质的回火温度回火温度t ：热循环温度低于：热循环温度低于t 的部位，其组织性能不的部位，其组织性能不发生变化，而发生变化，而高于高于t 的部位，将发生软化现象的部位，将发生软化现象；若若焊前为淬火态焊前为淬火态，则，则可获得不同的回火组织可获得不同的回火组织。紧靠。紧靠Ac1的的部位，相当于瞬时高温回火，得到回火索氏体；离焊缝较部位，相当于瞬时高温回火

19、，得到回火索氏体；离焊缝较远的区域，获得回火马氏体。远的区域，获得回火马氏体。二、 焊接热影响区的性能 问题的严重性：焊缝可以通过化学成分的调整再配问题的严重性：焊缝可以通过化学成分的调整再配合适当的焊接工艺来保证性能的要求，而热影响区性合适当的焊接工艺来保证性能的要求，而热影响区性能只能通过控制焊接热循环作用来改善。能只能通过控制焊接热循环作用来改善。焊接热影响区的硬化焊接热影响区的硬化焊接热影响区的脆化焊接热影响区的脆化焊接热影响区的软化焊接热影响区的软化焊接热影响区的性能控制焊接热影响区的性能控制1、焊接热影响区的硬化、焊接热影响区的硬化 HAZ的硬度的硬度 高低取决于高低取决于母材的淬

20、硬倾向母材的淬硬倾向（内因）（内因）HAZ的冷却速度的冷却速度（外因）（外因）化学成分化学成分焊接规范焊接规范焊接热影响区的焊接热影响区的最高硬度最高硬度Hmax： Hmax（HV10）= 140 + 1089 Pcm- 8.2 t 8 / 5材料淬硬倾向的评价指标材料淬硬倾向的评价指标 碳当量碳当量钢中含碳量显著影响奥氏体的稳定性，对淬硬倾向影响最大。钢中含碳量显著影响奥氏体的稳定性，对淬硬倾向影响最大。含碳量越高，越容易得到马氏体组织，且马氏体的硬度随含含碳量越高，越容易得到马氏体组织，且马氏体的硬度随含碳量的增高而增大。碳量的增高而增大。合金元素的影响与其所处的形态有关。溶于奥氏体时提高

21、淬合金元素的影响与其所处的形态有关。溶于奥氏体时提高淬硬性硬性(和淬透性和淬透性)；而形成不溶碳化物、氮化物时，则可成为；而形成不溶碳化物、氮化物时，则可成为非马氏体相变形核的核心，促进细化晶粒，使淬硬性下降。非马氏体相变形核的核心，促进细化晶粒，使淬硬性下降。碳当量（碳当量（Carbon Equivalent）是反映钢中化学成分对硬化）是反映钢中化学成分对硬化程度的影响，它是把钢中合金元素（包括碳）按其对淬硬程度的影响，它是把钢中合金元素（包括碳）按其对淬硬（包括冷裂、脆化等）的影响程度折合成碳的相当含量。（包括冷裂、脆化等）的影响程度折合成碳的相当含量。 国际焊接学会国际焊接学会推荐的推荐

22、的CE(IIW)，用于，用于中等强度的非调质低中等强度的非调质低合金钢合金钢（ b400700MPa）：）：20世纪世纪60年代以后，发展了年代以后，发展了低碳微量多合金元素的低低碳微量多合金元素的低合金高强钢合金高强钢。日本的伊藤等人采用形坡口对接裂纹。日本的伊藤等人采用形坡口对接裂纹试验对试验对200多个低合金钢进行研究，建立了多个低合金钢进行研究，建立了Pcm公式：公式：5Mo156Mn)(VCrNiCuCIIWCEBVMoNiCrCuMnSiC51015602030Pcm焊接热影响区焊接热影响区 Hmax 与与 t8/5 的关系的关系板厚板厚20mm，成分：，成分：C=0.12%，Mn

23、=1.4%，Si=0.48%，Cu=0.15%2、焊接热影响区的脆化 粗晶脆化粗晶脆化 组织转变脆化组织转变脆化 析出脆化析出脆化 热应变时效脆化热应变时效脆化 氢脆以及石墨脆化氢脆以及石墨脆化 不同材料的焊接热影响区及不同材料的焊接热影响区及热影响区热影响区的不同部位都会的不同部位都会发生程度不同的材料脆化。发生程度不同的材料脆化。粗晶脆化粗晶脆化在热循环的作用下，熔合线附近和过热区将发生在热循环的作用下，熔合线附近和过热区将发生晶粒粗化晶粒粗化。粗化程度受钢种的。粗化程度受钢种的化学成分、组织状化学成分、组织状态、加热温度和时间态、加热温度和时间的影响。如：的影响。如：钢中含有碳、钢中含有

24、碳、氮化物形成元素，就会阻碍晶界迁移，防止晶粒氮化物形成元素，就会阻碍晶界迁移，防止晶粒长大长大。例如。例如18CrWV钢，晶粒显著长大温度可达钢，晶粒显著长大温度可达1140之高，而不含碳化物元素的之高，而不含碳化物元素的23Mn和和45号钢，号钢，超过超过1000晶粒就显著长大。晶粒就显著长大。 晶粒粗大严重影响组晶粒粗大严重影响组织的脆性，尤其是低织的脆性，尤其是低温脆性。一般来讲，温脆性。一般来讲，晶粒越粗，则脆性转晶粒越粗，则脆性转变温度越高。变温度越高。 晶粒直径晶粒直径d对脆性转变温度对脆性转变温度VTrs的影响的影响21)(dBof组织转变脆化焊接焊接HAZHAZ中中由于出现脆

25、硬组织而产生的脆化由于出现脆硬组织而产生的脆化称之组织脆化称之组织脆化。对于常用的低碳低合金高强钢，焊接对于常用的低碳低合金高强钢，焊接HAZ的组织的组织脆化主要是脆化主要是M-A组元组元、上贝氏体、粗大的、上贝氏体、粗大的魏氏组魏氏组织织等所造成。但对含碳量较高的钢（一般等所造成。但对含碳量较高的钢（一般0.2），则组织脆化主要是），则组织脆化主要是高碳马氏体高碳马氏体。M - A 组元M-A组元组元是焊接高强钢时在一定冷却速度下形成的。它是焊接高强钢时在一定冷却速度下形成的。它不仅不仅出现在热影响区，也出现在焊缝中出现在热影响区，也出现在焊缝中。粗大的奥氏体冷却过程中先形成铁素体，粗大的奥

26、氏体冷却过程中先形成铁素体，而使残余奥氏体的而使残余奥氏体的碳浓度增高碳浓度增高，随后这种高碳奥氏体可转变为高碳马氏体与残，随后这种高碳奥氏体可转变为高碳马氏体与残余奥氏体的混合物，即余奥氏体的混合物，即M-A组元。组元。 M-A组元分布在组元分布在粗大铁素体基底上的组织称为粗大铁素体基底上的组织称为粒状贝氏体粒状贝氏体。M-A组元组元只在生成上贝氏体的冷却条件下才能观察到，只在生成上贝氏体的冷却条件下才能观察到，冷速冷速太快和太慢都不能产生太快和太慢都不能产生M-A组元组元。 焊缝和焊缝和HAZ有有M-A组元存在时，会组元存在时，会降低接头韧性降低接头韧性。析出脆化析出脆化由于焊接过程的快速

27、加热与冷却，其由于焊接过程的快速加热与冷却，其热影响区组热影响区组织处于非平衡态织处于非平衡态。在。在时效或回火时效或回火过程过程中，中，其过饱其过饱和固溶体中将和固溶体中将析出碳化物析出碳化物、氮化物氮化物、金属间化合金属间化合物物及其它亚稳定的中间相等，使材料的强度、硬及其它亚稳定的中间相等，使材料的强度、硬度和脆性提高，这种现象称为析出脆化。度和脆性提高，这种现象称为析出脆化。 析出脆化的机理目前认为是由于析出物出现以后，析出脆化的机理目前认为是由于析出物出现以后，阻碍了位错运动阻碍了位错运动，使塑性变形难以进行。若析出物，使塑性变形难以进行。若析出物以以弥散的细颗粒弥散的细颗粒分布于晶

28、内或晶界，将有利于改善分布于晶内或晶界，将有利于改善韧性。但以韧性。但以块状块状或沿晶界以或沿晶界以薄膜状薄膜状分布的析出物会分布的析出物会造成材料脆化。造成材料脆化。例：例：G102（12Gr2MoWVTiB）接头）接头 在在800加热不加热不同时间之后，同时间之后， HAZ 碳元素分布状况的面扫描结果碳元素分布状况的面扫描结果。热应变时效脆化热应变时效脆化在制造过程中要对焊接结构进行一系列冷、热加工，如在制造过程中要对焊接结构进行一系列冷、热加工，如下料、剪切、弯曲成型、气割等。若加工引起的局部应下料、剪切、弯曲成型、气割等。若加工引起的局部应变、塑性变形的部位在随后又经历焊接热循环作用（

29、处变、塑性变形的部位在随后又经历焊接热循环作用（处于于HAZ 内）便会引起材料脆化，称为热应变时效脆化。内）便会引起材料脆化，称为热应变时效脆化。 冷成形冷成形 静应变时效脆化静应变时效脆化热成形热成形 动应变时效脆化动应变时效脆化（特别是在特别是在200400的预应变的预应变 ）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，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焊接热循环时，碳、氮原子析集到这些位错的周围形成所谓所谓Cottrell气团，对位错产生钉扎和阻塞作用而使材料气团，对位错产生钉扎和阻塞作用而使

30、材料脆化。脆化。 明显产生热应变时效脆化的部明显产生热应变时效脆化的部位是位是HAZ的熔合区和的熔合区和Ar1以下的以下的亚临界亚临界HAZ（200600） 3、焊接热影响区的软化经冷作强化的金属经冷作强化的金属经热处理强化的金属经热处理强化的金属再结晶软化再结晶软化过时效软化过时效软化焊接热循焊接热循环作用环作用图图10-10 调质钢焊接调质钢焊接HAZ的硬度分布的硬度分布焊前淬火焊前淬火+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回火区回火区图图10-11 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