第4章-焊接热影响区的组织和性能课件

第四章焊接热影响区组织和性能1第四章1第四节焊接热力模拟试验方法的特点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第四节焊接热力模拟试验方法的特点第一节焊接热循环第二重点内容:

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重点内容:

1)焊接热循环的主要参数、意义34455§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.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6§4-1焊接热循环

焊接热循环:在焊接热流作用时,焊件二.特点

1.加热温度高:热处理加热温度以上100-200℃2.加热速度快:是热处理加热速度的几十倍甚至几百倍3.高温停留时间短:手工焊以上停留时间最大20秒,埋弧自动焊时30-100秒。

7二.特点1.加热温度高:热处理加热温度以上100-200℃4.自然冷却:

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。5.局部加热:

热处理时,工件是在炉中整体加热,焊接时,局部集中加热,随热源的移动,局部加热地区的范围也移动.由于局部加热产生复杂应力,组织转变是在复杂应力不完成。84.自然冷却:热处理可根据要求控制冷却速度或在冷却过程中二、焊接热循环参数的数值模拟（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9二、焊接热循环参数的数值模拟（一）峰值温度Tm的计算9三.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

10三.多层焊热循环的特点在单层焊时,因为受到焊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。本节结束11多层焊主要考虑焊道层数和层间温度。本节结束11二、多层焊接热循环1.长段多层焊接热循环长段焊道差不多在1m以上，这样焊完第一层再焊第二层时，第一层焊缝基本上冷却到100-200℃以下12二、多层焊接热循环1.长段多层焊接热循环1213132.短段多层焊接热循环（50-400mm）142.短段多层焊接热循环（50-400mm）14§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100～200℃2.加热速度快:3.高温停留时间短4.自然冷却5.局部加热15§4-2焊接热循环条件下的金属组织转变特点特一、快速加热的金属组织转变特点

１.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。16一、快速加热的金属组织转变特点１.加热速度对相变点的影响焊２.加热速度对Ａ均质化影响加热速度不但对相变点有影响,对Ａ均质化也有影响.３.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.17２.加热速度对Ａ均质化影响加热速度不但对相变点有影响,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.18二.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1919动画20动画201.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.t8-5时间三.连续冷却组织转变图的应用21三.连续冷却组织转变图的应用2122222323影响CCT图的因素有

(一)母材化学成分(二)冷却速度（相变温度；碳化物降低奥氏体的稳定）(三)峰值温度（使过冷奥氏体稳定性加大；晶粒粗化）(四)晶粒粗化（不利于奥氏体的转变）(五)应力应变（切应力促进马氏体转变）本节结束24影响CCT图的因素有(一)母材化学成分本节结束24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25焊接热影响区的组织和性能一.焊接热影响区的组织分布2526262727热影响区的组织分布

1).熔合区（产生裂纹）2).过热区（真空电子束、激光焊该区小）3).相变重结晶区（正火区1100-Ac3，细小的珠光体和铁素体，塑韧性好）4).不完全重结晶区（Ac1-Ac3之间,部分重结晶，部分未能融入奥氏体的铁素体，成为粗大的铁素体。晶粒大小不一，组织不均匀）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W28热影响区的组织分布1).熔合区（产生裂纹）2816Mn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2916Mn钢焊接热影响区焊缝金属母材熔合区过热区不完全重结30302.易淬火钢30CrMnSi18MnMoNb45

此类钢热影响区的组织分布与母材焊前热处理有关焊前热处理.退火,正火,调质(淬火+高回火)1).完全淬火区(Ac3以上)2).不完全淬火区（Ac1-Ac3，马氏体-铁素体的组织）3).对于调质处理的钢(母材焊前处于调质状态)（低于Ac1）回火区以下,发生不同程度的回火处理─回火区.组织性能变化取决于焊前调质状态的温度.例如，焊前调质时的回火温度为T1，低于此温度的部位不发生变化，而高于此温度的部位，组织性能将发生变化，出现软化现象。312.易淬火钢30CrMnSi18MnMoNb45此3.注意问题

1).热影响区中熔合区,过热区晶粒严重长大,是焊接接头的薄弱地带.2).低碳钢的不完全重结晶区,在急冷急热的条件下,会表现出高碳钢的行为.3).成分偏析严重,C.P.S高时易产生淬硬组织,裂纹.323.注意问题1).热影响区中熔合区,过热区晶粒严重长大,是二.焊接热影响区的性能

硬度

为了方便起见,常常用硬度的变化来判定热影响区的性能变化,硬度高的区域,强度也高,塑性.韧性下降,测定热影响区的硬度分布可以间接来估计热影响区的强度,塑性和裂纹倾向影响硬度的因素。33二.焊接热影响区的性能33冷却时间t8/5与HAZ最高硬度Hmax的关系34冷却时间t8/5与HAZ最高硬度Hmax的关系3435353）焊接HAZ最高硬度的计算公式(1)国产钢硬度计算公式 当t8/5

<tM100Hmax=292+812C 当t8/5

>tM100 Hmax=52.0+147.0Pcm–81lgt8/5(2)铃木公式Hmax(HV10)=140+1089Pcm–8.2t8/5363）焊接HAZ最高硬度的计算公式(1)国产钢硬度计算公式Hm(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。37(二)焊接热影响区的脆化产生原因:合金因素对于不易淬火钢,主组织脆化（1）M-A组元脆化（2）析出脆化（3）热应变脆化

静应变时效脆化动应变时效脆化38组织脆化（1）M-A组元脆化3839393）.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(三)焊接热影响区的韧化1、母材的原始组织2、韧化处理403）.HAZ的热应变时效脆化(1)静应变时效脆化(三)焊接热（四）调质钢焊接HAZ的软化1、调质钢焊接时 HAZ的软化41（四）调质钢焊接HAZ的软化1、调质钢焊接时 HAZ的2、热处理强化合金焊接HAZ的软化422、热处理强化合金焊接HAZ的软化42（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43（五）焊接HAZ力学性能一般来说，对HAZ力学性能的研究本节结束44本节结束44§4-4焊接热力模拟试验方法的特点一、焊接模拟技术发展的背景二、焊接模拟技术发展的过程及其现状三、焊接模拟试验的基本方法点及意义45§4-4焊接热力模拟试验方法的特点一、焊接模拟技术发焊接模拟试验的主要参数1.加热速度(WH)或加热时间2.加热的峰值温度(Tmax)3.在高温的停留时间(tH)4.冷却速度(Wc)或冷却时间（t8/5）46焊接模拟试验的主要参数1.加热速度(WH)或加热时间46本章小节 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性能的变化，进行了系统地讨论，以及对于焊接热循环和热力模拟试验方法的特点介绍。47本章小节 本章主要根据低合金高强钢焊接过程中，由于快速不均匀思考题1、焊接热循环对被焊金属近缝区的组织、性能有何影响？2、低合金钢焊接时，HAZ粗晶区奥氏体的均质化程度对冷却时相变有何影响？3、探讨低合金钢焊接HAZ受应力应变时对相变的影响4、焊接条件下组织转变与热处理条件下组织转变有何不同？48思考题1、焊接热循环对被焊金属近缝区的组织、性能有何影响？45、建立低合金钢HAZ最大硬度计算公式有可意义？6、何谓HAZ的热应变时脆性？在焊接工艺上如何防止？7.如何提高焊接HAZ的韧化？在焊接工艺上如何防止？8.何谓“组织遗传”？受哪些因素影响？如何改善？9.中碳调质钢焊接HAZ软化的机制？应如何改善和控制？495、建立低合金钢HAZ最大硬度计算公式有可意义？49本章结束谢谢观看50本章结束50第四章焊接热影响区组织和性能51第四章1第四节焊接热力模拟试验方法的特点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52第四节焊接热力模拟试验方法的特点第一节焊接热循环第二重点内容:

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

53重点内容:

1)焊接热循环的主要参数、意义3544555§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.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56§4-1焊接热循环

焊接热循环:在焊接热流作用时,焊件二.特点

1.加热温度高:热处理加热温度以上100-200℃2.加热速度快:是热处理加热速度的几十倍甚至几百倍3.高温停留时间短:手工焊以上停留时间最大20秒,埋弧自动焊时30-100秒。

57二.特点1.加热温度高:热处理加热温度以上100-200℃4.自然冷却:

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。5.局部加热:

热处理时,工件是在炉中整体加热,焊接时,局部集中加热,随热源的移动,局部加热地区的范围也移动.由于局部加热产生复杂应力,组织转变是在复杂应力不完成。584.自然冷却:热处理可根据要求控制冷却速度或在冷却过程中二、焊接热循环参数的数值模拟（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59二、焊接热循环参数的数值模拟（一）峰值温度Tm的计算9三.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

60三.多层焊热循环的特点在单层焊时,因为受到焊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。本节结束61多层焊主要考虑焊道层数和层间温度。本节结束11二、多层焊接热循环1.长段多层焊接热循环长段焊道差不多在1m以上，这样焊完第一层再焊第二层时，第一层焊缝基本上冷却到100-200℃以下62二、多层焊接热循环1.长段多层焊接热循环1263132.短段多层焊接热循环（50-400mm）642.短段多层焊接热循环（50-400mm）14§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100～200℃2.加热速度快:3.高温停留时间短4.自然冷却5.局部加热65§4-2焊接热循环条件下的金属组织转变特点特一、快速加热的金属组织转变特点

１.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。66一、快速加热的金属组织转变特点１.加热速度对相变点的影响焊２.加热速度对Ａ均质化影响加热速度不但对相变点有影响,对Ａ均质化也有影响.３.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.67２.加热速度对Ａ均质化影响加热速度不但对相变点有影响,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.68二.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6919动画70动画201.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.t8-5时间三.连续冷却组织转变图的应用71三.连续冷却组织转变图的应用2172227323影响CCT图的因素有

(一)母材化学成分(二)冷却速度（相变温度；碳化物降低奥氏体的稳定）(三)峰值温度（使过冷奥氏体稳定性加大；晶粒粗化）(四)晶粒粗化（不利于奥氏体的转变）(五)应力应变（切应力促进马氏体转变）本节结束74影响CCT图的因素有(一)母材化学成分本节结束24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75焊接热影响区的组织和性能一.焊接热影响区的组织分布2576267727热影响区的组织分布

1).熔合区（产生裂纹）2).过热区（真空电子束、激光焊该区小）3).相变重结晶区（正火区1100-Ac3，细小的珠光体和铁素体，塑韧性好）4).不完全重结晶区（Ac1-Ac3之间,部分重结晶，部分未能融入奥氏体的铁素体，成为粗大的铁素体。晶粒大小不一，组织不均匀）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W78热影响区的组织分布1).熔合区（产生裂纹）2816Mn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7916Mn钢焊接热影响区焊缝金属母材熔合区过热区不完全重结80302.易淬火钢30CrMnSi18MnMoNb45

此类钢热影响区的组织分布与母材焊前热处理有关焊前热处理.退火,正火,调质(淬火+高回火)1).完全淬火区(Ac3以上)2).不完全淬火区（Ac1-Ac3，马氏体-铁素体的组织）3).对于调质处理的钢(母材焊前处于调质状态)（低于Ac1）回火区以下,发生不同程度的回火处理─回火区.组织性能变化取决于焊前调质状态的温度.例如，焊前调质时的回火温度为T1，低于此温度的部位不发生变化，而高于此温度的部位，组织性能将发生变化，出现软化现象。812.易淬火钢30CrMnSi18MnMoNb45此3.注意问题

1).热影响区中熔合区,过热区晶粒严重长大,是焊接接头的薄弱地带.2).低碳钢的不完全重结晶区,在急冷急热的条件下,会表现出高碳钢的行为.3).成分偏析严重,C.P.S高时易产生淬硬组织,裂纹.823.注意问题1).热影响区中熔合区,过热区晶粒严重长大,是二.焊接热影响区的性能

硬度

为了方便起见,常常用硬度的变化来判定热影响区的性能变化,硬度高的区域,强度也高,塑性.韧性下降,测定热影响区的硬度分布可以间接来估计热影响区的强度,塑性和裂纹倾向影响硬度的因素。83二.焊接热影响区的性能33冷却时间t8/5与HAZ最高硬度Hmax的关系84冷却时间t8/5与HAZ最高硬度Hmax的关系3485353）焊接HAZ最高硬度的计算公式(1)国产钢硬度计算公式 当t8/5

<tM100Hmax=292+812C 当t8/5

>tM100 Hmax=52.0+147.0Pcm–81lgt8/5(2)铃木公式Hmax(HV10)=140+1089Pcm–8.2t8/5863）焊接HAZ最高硬度的计算公式(1)国产钢硬度计算公式Hm(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。87(二)焊接热影响区的脆化产生原因:合金因素对于不易淬火钢,主组织脆化（1）M-A组元脆化（2）析出脆化（3）热应变脆化

静应变时效脆化动应变时效脆化88组织脆化（1）M-A组元脆化3889393）.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(三)焊接热影响区的韧化1、母材的原始组织2、韧化