焊接热影响区的组织和性能变化

第三节焊接热影响区的组织与性能·焊接热循环·焊接热影响区的组织转变特点焊接热影响区的组织与性能变化1焊接热影响区概述焊接热影响区的定义：熔焊时在焊接热源的作用下，焊缝周围的母材发生组织和性能变化的区域

称为“热影响区”(Heat

Affected

Zone,HAZ),

或

称为“近缝区”(Near

Weld

Zone)。焰合区未受形官区时效需化区不完全结品区相变重结晶区过燕粗晶区热影响区焊接热影响区的示意图1111焊2鞋heat

affected

zone

—

0,78

%C→2,06材料因受焊接热影响(但未熔化)而发生金相组

织和力学性能变化的区域。pentecticummeltE

1147γ+Fe3CTemperatures;400℃

600℃

1000℃

1200℃

1600℃fine-granedregionpartial

austenitichomogeneous

meltpartal

meltK→

cutectoid1536℃

A1

BγOrecrystallizeGBM3S×焊接过程中，在形成

焊缝的同时，不可避

免地使其附近的母材

经受了一次特殊的热

处理，形成组织和性

能及不均匀的热影响区。热影响区一些部位的

组织和性能很差，成

为整个接头的薄弱地

带。t/s。HAZ经受了一次特殊的热处理。。一些部位的组织和性能变坏(如过热区),成为整个焊接接头的薄弱环节，对焊接质量起着控制作用。很多焊接结构的破坏事故都与焊接热影响区的

性能恶化有关。重视和研究焊接热影响区的组织和性能变化。5影响焊接热影响区组织和性能的主要因素取决于材料本身的特性和工艺条件，主要冶金和

工艺因素：1)被焊金属与合金系统的特点无相变的金属和合金：非常简单有相变的材料：很复杂2)焊前母材的原始状态·

焊前为冷作硬化或热处理态：退火软化。易淬火材料焊前为退火态：淬火的硬化区63)焊接工艺方法和工艺参数热源特点与焊接工艺参数密切相关：温度场分布和

焊接热循环的特点。影响到焊接热影响区特殊热处理的各项参数：升温

速度、高温停留时间和冷

却速度等。!/s不同焊接工艺下钢材单道焊时热影响区的热循环曲线1-CO₂气体保护焊(板厚=1.5mm)2一埋弧焊(板厚=8mm)3一埋弧焊(板厚=15mm)4-

电渣焊(板厚×100mm)影响焊接热影响区组织和性能的主要因素7表2

采用不同工艺焊接低碳钢和低合金钢时热形响区过热区的热循环参数(1)焊接方法线能量(kJ/cm)亮温(AC,

以上)停留时间(s)下死温度时的冷却速度(C/s)过热区宽度(mm)900℃

550℃电学束焊CO,保护焊理弧焊电渣焊4.67.5

12.1

12.6

20.9

41.9

92.1

502.4

1046.71.5。1.8/p>

51.21.463

』3

56

心T

;1820353

13

0231061

10.7·17,

55上.00.40.252心

75

Z8

55

心-

12?

(-185tfs1.定义：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，

达到最大值后，又

由高而低的变化称

为焊接热循环。距焊缝不同距离各点的焊接热循环一、焊接热循环92.

焊接热循环的主要参数~

加热速度Vn加热的最高温度

(Tm)在相变以上的停留时间(₁)冷却速度(Vo)和冷却时间

(tss

、tss

、tion)焊接热循环的参数10twst

800～500℃的冷却时间。tws:800～300℃

的冷却时间。tm:

从峰值温度Tm

冷至100℃

的冷却时间。11二、焊接热热影响区的组织转变特点1.

焊接热循环的特点1)加热的温度高热处理AC₃以上100-200℃,例如45号钢AC₃:770

℃焊接近缝区：接近熔点，钢的熔点1350

℃2)加热的速度快比热处理快几十倍甚至上百倍。3)高温停留时间短手工电弧焊：4-20S,

埋弧焊：20-40S4)局部加热12★加热速度快，相变温度升高Vn↑→Ac1,Ac3

个>奥氏体化过程是一个扩散重

结晶过程，需要有孕育期。>钢中含有碳化物形成元素时

影响更显著。形成的碳化物阻碍碳的

扩散碳化物本身扩散速度低14m130-1200-11a0-k

180k900日800-700|481

2461824100t(a)a)1a0-p120m-1000800FF

7eol

5.1245102461024620021(3)b)2.焊接加热过程奥氏体化的特点图4-

19

焊接快述加热对An、Acg

和品粒长大的影响)45钢(ogs

1-1480C42-2X0℃/3-35℃/4-7.5

b)Cr{a1-1600℃:

2-300C/s3-1S0C/s4-42C/a

5-7.2℃/)

d一指检的平均直径A一费氏体P一珠光体

F—铁察体

K-

能化物Ar₃Ae₂13(℃))奥氏体均质化程度低高温停留时间短，不利于扩散过程进行，从而均质化程度低。近缝区奥氏体晶粒严重长大当加热温度在1100℃以上时，奥氏体晶粒严

重长大。>加热过程形成的奥氏体晶粒度和均匀化程度

对冷却时的相变过程和相变产物有很大影响。143.焊接时冷却过程中的组织转变特点(1)奥氏体化温度高，加热与冷却速度快(

2)奥氏体的稳定性越大，淬硬倾向越大不含碳化物合金元素(如45钢):近缝区组

织

粗化，淬硬倾向比热处理条件下要大含碳化物合金元素(如40Cr钢

)

:

碳

化

物

不能

充分溶解，奥氏体稳定性下降，淬硬倾向比热

处理条件下要小15Fe-C合金：在固态下合金中除了有同素异构转变外，还有成分变化和第二相析出，即共

析转变和Fe₃C的析出。(一)焊接热影响区的组织分布1.低碳钢及不易淬火的低合金钢HAZ

组织分布如Q235、16Mn、15MnV

等，可分为如下四个区：熔合区(半熔化区)T₁

~Ts,

化学成分与组织不均匀

分布，过热严重，塑性差，对焊

接接头的强度、韧性都有很大的

影响。是焊接接头的薄弱环节。三

、焊接热影响区的

组织与性能

变化图

4

-

2

9

焊接热

影

响区的

分

布

特

征1

—

熔

合

区

2

一

过

热

区3

—

相变量结晶区4

一

不完

全

重

结晶区

5

—

母

材6

—

淬

火区

7

—

部

分

淬火区

8

—

回

火

区1不易淬火钢易淬火钢(退火)易淬火钢(淬火)2

3146

76

7|

8S

(mm)55516过热区I

(粗晶区)温度：

Ts-1100

℃现象：加热温度高，在固相线附近，

一些难熔质点如碳化物和氮化物等溶

入奥氏体，奥氏体晶粒粗大。组织：粗大的奥氏体在较慢的冷却速

度下形成过热组织—魏氏组织。×性能：韧性很低。措施：严重时采用焊后正火处理(如

电渣焊)。1

-

过

热区Ⅱ

-

重结晶区(即正火区)Ⅲ

-

不完全重结晶区

IV-再结晶区V

一

母材(冷轧状态)17相变重结晶区Ⅱ(正火区)温度：1100

℃-Ac现象：母材完全奥氏体化，加热和冷却过程中经受了两次重结晶相变，使晶粒得到显著的细化。组织：相当于低碳钢正火处理后的组织(细小的P+F)。×性能：较好的综合性能。1

一

过热区

Ⅱ

-

重

结

晶

区(

即

正

火

区

)Ⅲ

-

不完全重结晶区IV-再结晶区

V

一

母材(冷轧状态)18>不完全重结晶区Ⅲ(不完全正

火区)☆温度：

Ac₃

~Ac₁×现象：加热温度Ac₃到Ac₁之

间，金属的内部结构不发生

变化，只有部分金属经受了

重结晶相变。☆组织：原始的铁素体晶粒(

粗大)和细晶粒的混合区。×性能：性能不好1

-

过热区

Ⅱ

-

重

结

晶

区(

即

正

火

区

)Ⅲ

-

不完全重结晶区

IV-再结晶区

V

一

母材(冷轧状态)19)这热区组织b)

重结晶区组织()不完全重结品区组织)母材组纸Q235A

钢焊接热影响区的组织特点20不完全重结

晶区重结晶区过热区母材(1)焊前是正火或退火状态焊前BM

为F+P(S

、B)完全淬火区(完全奥氏体化)Ac₃

以上，室温组织为M。不完全淬火区(部分奥氏体化)Ac₁~Ac₃,室温组织为M+F。在快速加热条件下F很少溶入A,

而P、B、S

等转变为A;

随后快

冷，形成M+

粗大F。2.

易淬火钢HAZ组织分布焊接淬硬倾向较大的钢种，如18MnMoNb、45、30CrMnSi等，热影响区的组织分布与母材焊前的热处理状态有关。图4-

29

焊接热影响区的分布特征1

一熔合区2

—

过热区

3—相变量结晶区

4一不完全重结晶区

5—母材

6

—

淬火区7

—

部分淬火区

8—回火区不易淬火钢易淬火钢(退火)易淬火钢(淬火矿5?

5|?|

8

52

366(2)焊前为调质状态

BM回火组织完全淬火区不完全淬火区回火区Ac₁

~T,T,

为焊

前调质时的回火温

度，低于此温度，

组织不变；高于此

温度，出现软化。S

(mm)图4-29

焊接热影响区的分布特征1—熔合区2一过热区

3—相变量结晶区

4一不完全重结晶区

5—母材

6—淬火区7—部分淬火区

8—回火区不易

淬火钢易淬火钢(退火)易淬火钢(淬火)1

2

3

46

76

7|

855522HAZ

的

硬

化HAZ的

脆

化HAZ

的

软

化(二)焊接热影响区的性能变化231.HAZ

的硬化⑩

HAZ

硬度分布不均匀，在

熔合区附近具有最大硬度

Hm。⑩

不同的组织形态硬度不同⑩同一组织，也有不同的硬

度⑩

硬度主要决定于材料的化

学成分和冷却条件距离焊缝中心距离

(mm)图4-40

低合金钢焊接HAZ

硬度分布(3

(C=0.20%,Mn=1.38%,Si=0.23%,δ=20mm,E=15kl/cm)500|400300200100!

8B'4

6

8焊缝章青度粗细混配风凿晶粒区B6HV硬度(载荷1k*)4

2

02500400教状珠光体区700℃B30020090102面吊粒区臣24B(1)碳当量Carbon

Equivalent(C。或CE)定义：把钢中合金元素(包括碳)按其对淬硬(包

括冷裂、脆化等)的影响折合成碳的相当含量。

它反映了化学成分对硬化程度的影响251)2)适合于C≥0.18%的钢种式1)主要适用于中等强度的非调质低合金钢

(c,=400～

700MPa式2)主要适用于强度级别较高的低合金高强钢

(c,=500~

1000MPa)26主

要适用于C≤0.17%,

g,=400～900MPa的低合金高强钢。应用碳当量公式时应注意：碳当量公式纯属经验公式，当实验条件、方法不同时，

碳当量公式也不同。>一定要注意各公式的适应范围。(2)碳当量C。及冷却时间tws与HAZ

最高硬度Hm

的关系Ceq↑→Hmax↑经验公式，

Hma=

1274Pcm+45Hma=559CE

(nw)

+100(HV)28Ceq一定，tssl→Hmaxt。Hy

间接反映了HAZ

的淬硬倾向，而Hm

a

测量方便，故可用H

来评价钢材的冷

裂倾向图4-39

H

与

tss

的关系板厚20man,成分：C=0.12%,Mn=1.4%,S=0.48%,Cu=0.15%800~500℃冷却时间(s)29HV2.HAZ

的脆化脆化：是指HAZ

在焊接热循环作用下所产生的塑性、韧性下降的现象。通常用缺口冲击值和

脆性转变温度判断脆化现象。脆性转变温度VT,。:随着温度的降低，金属由

延性断裂向脆性断裂转变，通常把发生转变的

那个临界温度称为脆性转变温度。显然VT,↑→

脆性↑。30从左图可以看出，碳锰钢HAZ的脆化区有两个：粗晶区(1500℃)时效脆化区(400℃~

600℃)BA2

脆化：

粗晶脆化、析

出脆化、组织脆化、热应

变时效脆化、氢脆化及石

墨脆化。距离图4-41

碳锰钢

HAZ的脆化分布310.006热影响区1500℃400～600℃100～20℃转变沮度母材焊缝750℃(1)粗晶脆化(主要出现在过热区)晶粒d1→VT1钢中含C、N化物形成

→d加热温度T1,

加热时间个

→d

个一E

(焊接线能量)↑

→dη8060|4020-20-40图4-43

品粒直径

d

对

VT,的影响[33]5

6

7lad÷(mm,04PQ60VT-s(℃)Q80932(2)组织脆化是由于HAZ中出现脆硬组织造成的。根据

脆性组织不同，又可分为：>M-A

组元脆化>析出脆化331)M—A

组元脆化M—A组元脆化原因：高碳奥氏体易于形成高碳马氏体M-A

组元存在时，成为了潜在的裂源，并起到吸氢和应力集中的作用。342)析出脆化(沉淀相脆化)>定义：某些金属或合金，在时效或回火过程中，

从过饱和的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，使金

属或合金的强度、硬度上升，韧性下降的现象。机理：析出相出现后，形成“柯氏气团”,阻碍

位错运动，使强度、硬度上升，产生脆化。>HAZ的熔合部位(包括粗晶区)在化学成分和组织

上的不均匀性比焊接区的其他部位更为严重，极

易产生析出脆化。>特点：时效性35(3)HAZ

的热应变