材料成型热过程

材料成型热过程331第1页，课件共33页，创作于2023年2月332上讲回顾温度场的影响因素焊接热循环的意义焊接热循环的主要参数第2页，课件共33页，创作于2023年2月333

1.3.4临界板厚的意义引进“临界板厚”的概念是确定选用“厚板”还是“薄板”公式。由图1-12的实验结果可知，板厚h对t8/5的影响最为明显。但在线能量及板宽一定的条件下，h增大到某一数值以后，t8/5就不再发生变化而保持恒定。t8/5与h无关，应该属于“半无限大”物体的情况。h对ωc的影响情况也完全类似。

图1-12焊件尺寸的影响（长度一定）

第3页，课件共33页，创作于2023年2月334因此，如设对冷却速度或冷却时间不发生影响的板厚为临界板厚为临界板厚hc，则可求得hc为：

(1-31)或(1-32)

第4页，课件共33页，创作于2023年2月335实验证明，由800℃冷却到500℃的平均冷却速度与600℃时的瞬时冷却速度是相当的。实际计算时，可对比实际板厚h与临界板厚hc：若，可以认为属于三维导热“厚板”情况，若，则可认为属于二维导热“薄板”情况。

第5页，课件共33页，创作于2023年2月336但计算实例证明，h≈(0.6~0.9)hc时，按二维导热计算或按三维导热计算，均与实际有所出入，即用“厚板”公式所得到的冷却速度值嫌高；用“薄板”式所得的冷却速度值又嫌低。为了处理这一矛盾，认为可随机区分取h/hc=0.75为判据。若h＞0.75hc，应采用“厚板”公式；若h＜0.75hc，可采用“薄板”公式。这样处理，在计算冷却速度时，最大误差不会超过15％。

注意：“厚”与“薄”在传热学中并非绝对的概念。第6页，课件共33页，创作于2023年2月337由于hc为E、T0与cρ的函数，因此，E或T0的不同可以使二维导热成为三维导热或者相反，而cρ和λ的取值是也影响到传热计算的结果。实验证明：计算时取λ=0.29J/(cm·s·℃)，cρ=6.7J/(cm3·℃)，计算结果比较更接近实测数值。

第7页，课件共33页，创作于2023年2月3381.3.5影响焊接热循环的因素影响焊接热循环的因素有：⑴材质（λ、cρ）⑵接头尺寸形状（δ及坡口形式等）⑶焊接工艺条件（E、T0及其它施焊方式等）。第8页，课件共33页，创作于2023年2月339一、焊接线能量的影响线能量提高时，加热的峰值温度、高温停留时间和冷却时间增大，冷却速度随之降低，如图1-13所示。图1-13焊缝边界与线能量E的关系

第9页，课件共33页，创作于2023年2月3310焊接方法不同，线能量影响的程度也不一样：当线能量相同时，埋弧焊时冷却速度最慢，手弧焊时冷却速度最快，而氩弧焊和CO2+O2保护焊时，两者的冷却速度基本相同，且均比埋弧焊时的冷却速度要快一些。原因：尽管焊接线能量相同，但不同的焊接方法所选定的焊接电流和焊接速度数值可能相差很大，结果是焊缝尺寸形状及熔深将明显不同，因而也就影响到焊件上的热传播过程。第10页，课件共33页，创作于2023年2月3311实际上，在用同样焊接方法时，即使焊接线能量相同，但电源种类或极性不同时，冷却速度也会有一定的差别。直流反接比交流时冷却速度要小一些。图1-14反映了板厚13mm的焊接试件热影响区的峰值温度分布与E和T0的关系。可见，如果T0相同，E增加将使图中曲线变得平缓，从而使热影响区加宽。

图1-14峰值温度分布与E和T0的关系

第11页，课件共33页，创作于2023年2月3312二、预热温度的影响从实测结果(图1-15)可见，T0的影响效果完全类似E，提高T0会使HAZ宽度增大；但与线能量相反，提高T0可以显著降低冷却速度，而不会明显影响在峰值温度附近停留的时间。

图1-15焊缝边界附近焊接热循环特性与E及T0的关系

第12页，课件共33页，创作于2023年2月3313三、接头形式的影响接头形式不同，导热情况就有差异，因而对焊接热循环特性也有影响，图1-16为不同接头形式对冷却速度的影响。从图中可以看出，在相同板厚的情况下，丁字接头的冷却速度要比V形坡口对接接头的冷却速度大1.5倍。

图1-16接头形式对t8/5的影响

第13页，课件共33页，创作于2023年2月3314四、焊道长度的影响

在同样接头形式和焊接条件下，焊道越短其冷却速度越大，如图1-17所示。从图中可以看出，当焊道长度短于40mm时，随着焊道长度变短，其冷却速度急剧增大；并且弧坑的冷却速度最大，约为焊缝中部的2倍，甚至还要比引弧端大20％左右。

图1-17焊道长度对ωc的影响

第14页，课件共33页，创作于2023年2月3315五、焊接冷却条件的影响焊接时周围环境及冷却条件，如冬季野外施工，不仅影响到焊件的初始温度，也会影响到焊接过程中的传热条件，例如图1-18所示为试板焊接时，放在钢板上和放在石棉板上进行时，其冷却速度明显不同；而焊后冷却到某一温度时，再用石棉覆盖在试板上，其冷却曲线立即拐向，冷却速度明显降低。

图1-18试板冷却条件对冷却过程的影响

1—钢板垫板2—石棉垫板3—覆盖石棉

第15页，课件共33页，创作于2023年2月33161.3.6多层焊的热循环多层焊热循环实际上是单层焊热循环的交替综合作用。在多道焊中开始焊接后一道焊缝时，前一道焊缝所具有的最低温度（或称层间温度），对于后一道焊缝而言，相当于预热温度；后一道焊缝对于前一道焊缝，相当于在焊接热循环条件下的后热处理。在实际生产中，根据情况不同，有长段多层焊和短段多层焊两种情况。

第16页，课件共33页，创作于2023年2月3317一、长段多层焊接热循环长段多层焊：就是每道焊缝的长度较长，一般在1m以上，这样在焊完第一层再焊第二层时，第一层已基本上冷却到较低的温度，一般多在100～200℃以下，或Ms以下。长段多层焊热循环曲线如图1-19所示，从图中可以看出，后一道焊缝对前一道焊缝有热处理作用。注意：对于一些淬硬倾向较大的钢种，在采用长段多层焊时，由于层间温度较低，焊缝近缝区容易出现淬硬组织而产生裂纹。因此，必须采取相应的工艺措施，如焊前预热、层间度控制、缓冷等等，来加以预防。

第17页，课件共33页，创作于2023年2月3318图1-19长段多层焊焊接热循环a）焊接各点时，近缝区1，2，3，点的热循环b）各层焊缝截面示意图

第18页，课件共33页，创作于2023年2月3319二、短段多层焊接热循环

短段多层焊：是指每层焊道长度较短，为40～400mm，在这种情况下，未等前一层焊缝冷却到较低的温度(如Ms点)以前就开始焊接下一层，也就是它的层间温度温度可以保持在Ms点以上。

图1-20短段多层焊接热循环a）1点的热循环b）4点的热循环

第19页，课件共33页，创作于2023年2月3320短段多层焊的热循环曲线如图1-20a所示。从图中可以看出，近缝区1点和4点所经历的焊接热循环是比较理想的。对于1点：一方面使该点在Ac3以上停留时间较短，避免了晶粒长大，另一方面减缓了Ac3以下的冷却速度，从而可以防止淬硬组织的产生。对于4点：它是在预热的基础上开始焊接的，如果焊缝长度控制合适，那么在Ac3以上停留的时间仍可很短，使晶粒不易长大。为了防止最后一道焊缝产生淬硬组织，生产上常多焊一层退火焊道，以便延长奥氏体分解的时间，如图1-20b所示由TB延长至TB

′。

第20页，课件共33页，创作于2023年2月3321由此可见，短段多层焊对焊缝和热影响区组织都具有一定的改善作用，适于焊接晶粒易长大而又易于淬硬的钢种。但是，短段多层焊的操作工艺十分繁琐，生产率低，只有在特殊情况下才采用。第21页，课件共33页，创作于2023年2月33221.4焊接热影响区焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区三部分组成。热影响区：是指在焊接热源的作用下，焊缝两侧处于固态的母材金相组织和力学性能变化的区域，简称HAZ（HeatAffectedZone）。由于焊接时母材热影响区上各点距焊缝的远近不同，各点所经历的焊接热循环不同，因此，整个焊接热影响区的组织和性能分布是不均匀的。

第22页，课件共33页，创作于2023年2月33231.4.1焊接热影响区的组织分布1、不易淬火钢的组织分布不易淬火钢是指在焊后空冷条件下不易形成马氏体钢的钢种，如低碳钢、16Mn、15MnV、15MnTi等。对于这类钢种，按照热影响区中不同部位加热的最高温度及组织特征的不同，可分为以下三个区域，如图1-21所示。图1-21焊接热影响区构成示意图1—过热区；2—正火区；3—不完全重结晶区；4—淬火区；5—不完全淬火区；6—回火区

第23页，课件共33页，创作于2023年2月3324（1）过热区加热温度在固相线以下到晶粒开始急剧长大的温度(一般指1100℃)范围内的区域叫过热区。由于该区加热温度高，奥氏体晶粒严重长大，冷却后也会得到粗大的过热组织，所以，又叫粗晶区。该区焊后晶粒度一般为1～2级，韧性很低，通常冲击韧度要降低20％～30％。因此，在焊接刚度较大的结构时，常在过热区产生脆化或裂纹。过热区与熔合区一样，都是焊接接头的薄弱环节。

第24页，课件共33页，创作于2023年2月3325（2）相变重结晶区(正火区)该区的加热温度是在Ac3以上到晶粒开始急剧长大的温度范围内。由于该区的加热温度超过了Ac3，所以，铁素体和珠光体己全部转变为奥氏体。又由于加热温度较低(一般低于1100℃)，奥氏体晶粒未显著长大，因此在空气中冷却以后会得到均匀而细小的铁素体和珠光体，相当于热处理时的正火组织，所以该区又叫正火区。此区的综合力学性能一般比母材还好，是热影响区中组织性能最好的区域。

第25页，课件共33页，创作于2023年2月3326（3）不完全重结晶区该区的加热温度处于Ac1~Ac3之间，因此在加热过程中，原来的珠光体全部转变为细小的奥氏体，而铁素体仅部分溶入奥氏体，剩余部分继续长大，成为粗大的铁素体。冷却时奥氏体转变为细小的铁素体和珠光体，粗大的铁素依然保留下来。此区的特点是组织不均匀，晶粒大小不一，因此力学性能也不均匀。以上三个区域是低碳钢，低合金钢焊接热影响区的主要组织特征。第26页，课件共33页，创作于2023年2月3327但如果母材焊前经过冷加工变形，则在加热温度处于Ac1～450℃的范围内就会发生再结晶过程，结果使加工硬化消失，强度下降，塑性、韧性提高。对于有时效敏感性的钢种，加热温度在Ac1～300℃的范围内，会发生应变时效过程，引起该区的脆化，表现出较强的缺口敏感性，但在金相组织上并无明显变化。

第27页，课件共33页，创作于2023年2月33282、易淬火钢的组织特征易淬火钢是指在焊后空冷条件下容易形成马氏体钢的钢种，如低碳调质高强钢(如18MnMoNb)、中碳钢(如45钢)和中碳调质高强钢(如30CrMnSi)等。这类钢焊接热影响区的组织分布与母材焊前的热处理状态有关。

如果母材焊前是正火或退火状态，则焊后热影响区的组织分布可分为：

第28页，课件共33页，创作于2023年2月3329（1）完全淬火区该区的加热温度处于固相线到Ac3之间。由于这类钢的淬硬倾向较大，故焊后将得到淬火组织(马氏体)。在靠近焊缝附近(相当于低碳钢的过热区)，由于晶粒严重长大，故得到粗大的马氏体，而相当于正火区的部位得到细小的马氏体。根据冷却速度和线能量的不同，还可能出现贝氏体，从而形成了与马氏体共存的混合组织。这个区在组织特征上都是属同一类型(马氏体)，只是粗细不同，因此