四章焊接热影响区组织性能

第四章焊接热影响区的组织

和性能1主要内容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焊接热影响区的组织和性能2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，进行系统地讨论3基本概念：1.热影响区（HeatAffectedZone，简称HAZ）：熔焊时在集中热源的作用下，焊缝两侧发生组织和性能变化的区域2.焊接接头:由两个主要部分所组成，焊缝和焊接热影响区，示意图如图4-14

焊接结构制造的问题：早期，主要采用低碳钢，主要集中注意力解决焊缝中存在的问题。只要焊缝不出现问题，热影响区也不会出现问题。后来，高强钢、不锈钢、耐热钢等，焊接质量不仅决定于焊缝，同时也决定于热影响区，有时有些金属焊接热影响区存在的问题比焊缝更复杂。以低合金高强钢焊接为例，随钢种强度级别的提高，热影响区的脆化和裂纹倾向越严重。图4-2，抗拉强度为800MPa的钢种，焊接热影响区在不同温度下的断裂韧性和可能出现的裂纹。可见，在某些情况下焊接热影响区可能成为焊接接头的薄弱环节。应重视热影响区的问题。5第一节焊接热循环焊接热循环的概念焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点的温度由低而高，达到最高值后，又由高而低随时间的变化称为焊接热循环。如图4-3。6焊接热循环是描述焊接过程中热源对被焊金属的热作用。距离焊缝不同距离的各点，所经历的热循环是不同的，如图4-3。另外，由于焊接方法不同，热循环曲线的形状也发生较大的变化，图4-4。由上可见，焊接是一个不均匀加热和冷却的过程。也可以说是一种特殊的热处理，从而使热影响区造成不均匀的组织和性能。同时，也会产生复杂的应力与应变，给焊接结构的安全稳定性带来许多复杂的问题。7一、焊接热循环的主要参数（一）加热速度（ωH）ωH=dT/dtωH

↑→T相变↑→A均质化和碳化物溶解越不充分，必然影响到焊接HAZ冷却后的组织和性能。加热速度与许多因素相关：焊接方法、焊接线能量、板厚及几何尺寸、被焊金属的热物理性能等。8（二）加热的最高温度（Tm）金属的组织和性能除受化学成分的影响外，主要与加热的最高温度、冷却速度有关。低碳钢和低合金钢焊接时，在熔合线附近的过热区，由于温度高（1300～1350℃），晶粒发生严重长大，从而使韧性严重下降。9（三）在相变温度以上的停留时间（tH）在相变温度以上的停留时间tH为焊接加热和冷却过程中在相变温度以上的停留时间，分为加热过程的停留时间t′和冷却过程的停留时间t′′tH＝t′＋t′′tH越长，越有利于奥氏体的均质化过程，但tH太长时，奥氏体晶粒越容易长大；特别是在温度较高时（如1100℃以上)，即使停留时不长，也会产生严重的晶粒长大。10（四）冷却速度(ωc)和冷却时间(t8/5、t8/3、t100等）冷却速度是决定焊接HAZ组织性能的主要参数，如同热处理时的冷却速度一样。焊接时的冷却过程在不同阶段是不同的。1.冷却速度是一个不易准确描述的变化量，在工程实际应用中常用一定温度范围内的平均冷却速度，或者是冷至某一瞬时温度的冷却速度来表示。如对低合金钢的焊接，熔合线附近冷却过程中约450℃的瞬时冷却速度。2.用冷却时间t8/5、t8/3或t100来表述焊接冷却过程。t8/5、t8/3为焊接冷却过程中温度从800℃冷却到500℃或从800℃冷却到300℃的冷却时间3.t100为焊后冷却到100℃所用的时间11二、多层焊焊接热循环的特点（一）长段多层焊焊接热循环1.长段多层焊：每道焊缝的长度较长（一般1m以上），焊完第一层再焊第二层时，第一层已基本冷至较低的温度（一般在100～200℃以下），其特点是相邻各层之间有依次热处理的作用，不适用于淬硬倾向较大的钢种。2.因为这些钢在焊接第一层以后，焊接第二层的过程中，第一层的近缝区或焊缝由于淬硬倾向大而有产生裂纹的可能。应注意焊前预热、层间温度控制，焊后缓冷等工艺措施配合。3.焊接热循环的变化如图4-17所示。1213（二）短段多层焊焊接热循环1.短段多层焊：每道焊缝长度较短（约为50～400mm），未等前层焊缝冷却到较低温度（如MS点）就开始焊接下一道焊缝了，其特点是后焊层对先焊层具有缓冷作用，可以防止焊接接头产生淬硬组织，适于焊接晶粒易长大而又易于淬硬的钢种2.短段多层焊的热循环如图4-18所示3.操作工艺十分繁琐，生产率低，只有在特殊情况下才采用。1415第二节焊接热循环条件下的

金属组织转变特点一、HAZ热循环的特点（五点）：1.加热温度高：超过Ac3以上100~200℃2.加热速度快：热源强烈集中，加热速度比热处理快几十至几百倍。3.高温停留时间短：在Ac3以上保温的时间很短（一般手工焊约为4~20s，埋弧焊时30~100s），而热处理的可以根据需要任意控制保温时间。4.一般都是在自然条件下连续冷却，个别情况下才进行焊后保温或焊后热处理。而热处理可以根据需要控制冷却速度，或是在冷却过程中的不同阶段进行保温。5.局部加热：组织转变是在应力作用下进行的，并且这种转变的过程是不均匀的。16二、焊接时加热过程组织转变的特点1.相变温度提高：加热速度越快，被焊金属的相变点Acl和Ac3的温度越高，而且Acl和Ac3之间的温差越大，如图4-19和表4-8所示。含有碳化物合金元素（Cr、W、Mo、V、Ti、Nb等）的钢，加热速度对相变温度的影响更大。根据金属学的原理，加热时由珠光体、铁素体转变为奥氏体的过程是扩散性重结晶过程，需要有孕育期。在快速加热的条件下，来不及完成扩散过程所需的孕育期，必然会引起相变温度提高。对于含碳化物合金元素的钢，由于碳化物的扩散速度小，且阻碍碳的扩散，因此大大减慢了奥氏体的转变过程。2.奥氏体均质化程度较低（不利于扩散过程）：由于奥氏体的均质化过程是属于扩散过程，因此加热速度快和相变温度以上停留时间短，都不利于扩散过程的进行。171819三、焊接时冷却过程组织转变的特点1.组织转变过程中热循环的特点冷却速度ωc大、加热的最高温度Tm高、在相变温度以上的停留时间tH短202.焊接过程组织转变特点（P179）：对于一般的低碳钢，焊接时淬硬倾向比热处理时要大（不存在C化物溶解、奥氏体稳定、组织易粗化）；对于合金钢，焊接时比热处理的淬硬倾向要小（C化物未充分溶解，奥氏体不稳定，易发生其他非马氏体类型的组织转变）3.在焊接和热处理条件下连续冷却的组织转变图（即CCT图），如图4-21和图4-22所示21222324由图4-21、图4-22和表4-9可以看出，45钢在焊接条件下比在热处理条件下的CCT曲线稍向右移（主要考虑MS点附近）。说明在相同冷却速度条件下，焊接时比热处理时的淬硬倾向大。相反，40Cr钢在焊接条件下的CCT曲线比热处理条件下的CCT曲线向左移动，也就是在同样冷却速度下焊接时比热处理时的淬硬倾向小。25原因：（1）碳化物合金元素（如Cr、Mo、V、Ti、Nb等）只有充分溶解在奥氏体的内部，才会增加奥氏体的稳定性（即增加淬硬倾向）。（2）热处理条件下，有充分的时间使碳化物合金元素向奥氏体内部溶解。（3）焊接条件下，加热速度快，高温停留时间短，合金元素不能充分地溶解在奥氏中，降低了淬硬倾向。（4）不含碳化物合金元素的钢（如45钢），一方面不存在碳化物的溶解过程，另一方面在焊接条件下，近缝区组织粗化，淬硬倾向比热处理条件下要大。26三、焊接条件下的CCT图及其应用1.图4-23是16Mn钢的CCT图及组织和硬度的变化图2.根据在焊接条件下熔合区附近（Tm=1300～1350℃）t8/5冷却时间，可以在图上查出相应的组织和硬度272829303.影响CCT图的因素（1）母材化学成分的影响：影响CCT图的形态除钴之外，所有固溶于奥氏体的合金元素都使S曲线向右移，加大过冷奥氏体的稳定性，即增加淬硬倾向，并降低Ms点，其中以碳的影响为最大（2）冷却速度的影响a.随着冷却速度的增大，对于Fe-C合金，A1、A3、Acm均移向更低的温度，共析成分由C0.77％转为C

0.4％～0.7％。也就是说在快速冷却的条件下，C

0.4％的钢就可以得到全部珠光体的组织（伪共析组织）。b.冷却速度增大时，Ms有所上升，并且会改变马氏体的形态。因为增大冷却速度使马氏体增大滑移的抗力，不均匀切变就会以孪晶方式进行，马氏体就由条状变为片状。31（3）峰值温度的影响峰值温度越高：影响焊接CCT图的形态。a.使过冷奥氏体的稳定性加大b.促使奥氏体晶粒粗化c.奥氏体的稳定性增大，淬硬倾向增大（4）晶粒粗化的影响焊接条件下，近缝区由于强烈地过热而使晶粒发生严重的长大，这不仅影响焊接接头的性能，同时也增大了产生裂纹的危险性。晶粒越粗大，晶界的总面积越少，减少了形核的机会，不利于奥氏体的转变。从而对奥氏体的分解转变及转变产物的形态有很大的影响。32（5）应力应变的影响a.有拉伸应力存在时会明显地降低奥氏体的稳定性，使CCT曲线明显地向左上方偏移。b.应力和应变都会增加奥氏体的内能，加速扩散过程，有利于扩散型相变的进行c.应力应变影响到马氏体转变，拉伸应力可促进马氏体转变，即MS升高和马氏体转变量增加。切应力也能促进马氏体转变，正压应力则会阻碍马氏体转变。33第三节焊接热影响区的组织和性能一、焊接热影响区的组织分布（一）低碳钢和某些低合金钢此类属不易淬火钢，HAZ可分为四个区（如图4-29所示）1.熔合区a.焊缝与母材相邻的部位，又称为半熔化区（温度处于固—液相线之间）b.范围很窄，在化学成分上和组织性能上都有较大的不均匀性，对焊接接头的强度、韧性都有很大的影响。在许多情况下是产生裂纹和脆性破坏的发源地。34焊接时母材热影响区上各点距焊缝的远近不同，所以各点所经历的焊接热循环不同，这就会出现不同的组织，因而也就具有不同的性能。整个焊接热影响区的组织和性能是不均匀的。2.过热区a.温度范围处在固相线以下1100℃左右，金属处于过热状态，奥氏体晶粒发生严重长大现象，冷却之后得到粗大的组织b.在气焊和电渣焊条件下常出现魏氏组织（见图4－30）c.韧性很低，常在过热粗晶区产生脆化或裂纹353.相变重结晶区（正火区）a.母材金属加热到Ac3以上的部位，发生重结晶（即铁素体和珠光体全部转变为奥氏体），在空气中冷却就会得到均匀而细小的珠光体和铁素体b.塑性和韧性都比较好，所处的温度范围约在A3～1000℃之间364.不完全重结晶区a.处于Acl～Ac3之间范围内的热影响区b.处于Acl～Ac3范围内只有一部分组织发生了相变重结晶过程，成为晶粒细小的铁素体和珠光体，另一部分始终未能溶入奥氏体的铁素体，成为粗大的铁素体c.晶粒大小不一，组织不均匀，力学性能不均匀5.母材处于Ac1以下：母材事先受冷加工变形或由于焊接应力而产生的应变，在以下将发生再结晶过程和应变时效过程，在金相组织上看不出明显的变化。具有时效应变敏感性强的钢种，处于Acl～300℃左右的热影响区将发生脆化现象，表现出较强的缺口敏感性。但在金相组织上并无明显变化。3738热影响区的大小的影响因素：焊接方法、板厚、线能量、施工工艺等39Q235A钢焊接热影响区的组织特点过热区重结晶区不完全重结晶区母材40（二）易淬火钢1．完全淬火区a.处于Ac3以上的区域b.钢的淬硬倾向较大，焊后得到淬火组织（马氏体）c.靠近焊缝附近（相当于低碳钢的过热区），晶粒严重长大，得到粗大的马氏体；稍远处相当于低碳钢的正火区的部位得到细小的马氏体2.不完全淬火区a.母材被加热到Acl～Ac3温度之间的热影响区b.原铁素体保持不变，但是有不同程度的长大，形成马氏体-铁素体的混合组织413.回火区（低于Acl以下的区域）a.母材在焊前是调质状态b.焊前调质时的回火温度为Tt，低于此温度的部位，其组织性能不发生变化，高于此温度的部位，组织性能将发生变化，出现软化现象4.母材42以低碳钢为例，可以把热影响区各部分所经受的焊接热循环，对照铁碳合金状态图的组织转变归纳如图4-34所示焊接热影响区的划分方法新的建议，具体划分方案如图4-35所示4344以低碳钢为例，热影响区各部分的组织特征归纳如表4-11所示45焊接热影响区各部位的名称及其所包括的范围如表4-12所示46二、焊接热影响区（HAZ）的性能（一）焊接热影响区的硬化1.淬硬：成分对淬硬倾向的影响（1）碳当量（表4-14）a.简称Ceq或CE，反映钢中化学成分对硬化程度的影响，把钢中的合金元素（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47国际焊接学会推荐的CEПW和日本焊接协会的Ceq(WES)公式、Pcm公式48492.随钢种碳当量（Pcm、CEIIW）的增加，硬度也随之增加，即淬硬倾向增加如图4-36、4-37503.t8/5越大，淬硬倾向越小

如图4-39514.HAZ硬度分布

如图4-40熔合区附件硬度最高距熔合区越远，硬度逐渐接近母材525．焊接HAZ最高硬度的计算公式（1）国产钢硬度计算公式HAZ的最大硬度Hmax与Pcm和t8/5的关系建立的硬度计算公式：a.当t8/5<τM100Hmax=292+812Cb.当t8/5＞τM100时Hmax＝52.0＋147.0Pcm-81lgt8/5C.国产低合金钢，粗略估算，可采用下面的公式：Hmax(HV10)=140Pcm-8.2t8/553（2）铃木公式根据日本的低合金高强钢，研究不同冷却时间t8/5对Hmax的影响，建立了如下的公式：式中54（二）焊接热影响区的脆化1．组织脆化（1）M－A组元脆化a.M－A组元：某些低合金钢的焊接HAZ处于中温上贝氏体的转变区间，先析出含碳很低的铁素体，并且逐渐扩大，而使碳大部分集富到被铁素体包围的岛状残余奥氏体中去。当连续冷却到400～350℃时，残余奥氏体的碳浓度可达0.5％～0.8％，随后，这些高碳奥氏体可转变为高碳马氏体与残余奥氏体的混合物，这种组织即M－A组元b.M－A组元是焊接低合金高强钢时在中等冷却速度条件下形成的，常出现在焊缝和HAZ上55（2）高碳马氏体脆化（3）魏氏组织脆化（4）上贝氏体脆化（5）遗传组织脆化562.析出脆化（1）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、金属间化合物及其他亚稳定的中间相等，对于一般低合金钢来讲主要是析出碳（氮）化物（2）新相的析出，使金属或合金的强度、硬度和脆性提高573.遗传脆化（1）厚板结构多层焊时，第一层焊道的HAZ粗晶区位于第二层焊道的正火区（相变重结晶区），此时将保留第一层焊道的粗晶组织和结晶学的位向关系，这种现象称为“组织遗传”。即，第一层焊道的正火区并不会出现正火细晶区。（2