焊接冶金学及金属材料焊接-课件模块三

焊接冶金学及金属

材料焊接主编吴金杰（第二版）课题一

焊接温度场的控制课题二

焊接热影响区的组织与性能控制模块三焊接热影响区组织与性能控制定义：

1.热影响区（HeatAffectedZone，简称HAZ）所谓焊接热影响区就是靠近焊缝的母材在焊接热源的作用下，发生金相组织和力学性能变化的区域，有时也称此区为近缝区。2.焊接接头:由两个主要部分所组成，焊缝和焊接热影响区（见示意图）课题一

焊接温度场的控制

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焊接热影响区示意图熔合区课题一

焊接温度场的控制一、焊接热循环的基本概念课题一

焊接温度场的控制焊接过程中，热源沿焊件移动，焊件上某点（坐标x、y、z）温度T随时间t由低到高，达到最大值后，又由高到低的变化过程，叫做该点的焊接热循环（见图），其数学表达式为：

Ｔ（ｘ、ｙ、ｚ）＝f（ｔ）

焊接热循环TC-C点瞬时温度TH-相变温度课题一

焊接温度场的控制低碳钢手弧焊距焊缝不同距离各点的焊接热循环二、焊接热循环的基本参数表征焊接热循环的参数主要有加热速度、加热的峰值温度、相变温度以上的停留时间和冷却速度或冷却时间。（一）加热速度（ωH）工件上某点的加热速度可用数学表达式表达如下：

ωH

T相变

A均质化和碳化物溶解越不充分ωH=

课题一

焊接温度场的控制（二）加热的峰值温度（Tm）加热的峰值温度Tm，也就是热影响区某点在焊接热循环中所经历的最高温度。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。（三）相变温度以上的停留时间（tH)为了便于分析研究，有时把高温停留时间分为加热过的停留时间t′和冷却过程的停留时间t″，即tH＝t′+t″。

tH

越长，越有利于奥氏体的均质化过程，但tH

越长，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。课题一

焊接温度场的控制（四）冷却速度（ωc）和冷却时间（tc）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冷却时间t8／5、t8／3或t100来表述焊接冷却过程2.t8／5、t8／3为焊接冷却过程中温度从800～500℃或800～300℃的冷却时间。3.t100为焊后冷却到100℃所用时间。课题一

焊接温度场的控制三、多层焊接热循环的特点及控制比起单层焊接来，多层焊接在工艺上不受焊缝截面尺寸限制，可以在更大范围内调整线能量和其它工艺参数。在相邻焊层之间，彼此遭受预热或后热之类的热处理，从而使焊接接头某点所经历的热循环以及金属的组织和性能所发生的变化不尽相同于单层焊接。多层焊可分为“长段多层焊”和“短段多层焊”。（一）长段多层焊所谓长段多层焊，就是每道焊缝的长度较长，例如手弧焊时在1m以上。

课题一

焊接温度场的控制长段多层焊接热循环a)焊接各层时，近缝区1、2、3点的热循环b)各层焊缝断面示意图课题一

焊接温度场的控制（二）短段多层焊所谓短段多层焊，就是每层（或每道）焊缝长度较短，例如手弧焊时约为50～400mm。短段多层焊接热循环a)点1的热循环b)点4的热循环课题一

焊接温度场的控制四、焊接温度场的特征焊接时，工件上焊接区内任何地点的温度将随着时间t和该点的位置（坐标x、y、z）的不同而变化。其中，某点温度随时间的变化T(x、y、z）=f(ｔ)就是焊接热循环。而在某个瞬间（ｔ=定值k）工件上各点的温度分布，则称作焊接温度场。在研究温度场时则通常用等温线或等温面来表示。所谓等温线或等温面，就是温度相等各点的连线或连面。在作图或数学解析取坐标系时，通常是以原点O为热源所处位置，X轴为热源移动方向，Y轴为宽度方向，Z轴为厚度方向（如图）。课题一

焊接温度场的控制温度场示例a)焊件上的坐标轴b)XOY面的等温线和最高温度点曲线（虚线）c)沿X轴的温度分布曲线d)沿Y轴的温度分布曲线

准稳定温度场的特征是：取以热源为坐标原点的移动坐标系，该坐标系中各点的温度与时间无关，只决定于该点所处的位置。由此可见，准稳定温度场中的温度分布，实质上相应于热饱和状态下某瞬时固定坐标系中的非稳定温度场温度分布。课题一

焊接温度场的控制（一）工件的尺寸形状和热源的种类特征（二）焊接规范（三）金属热物理性质

五、影响温度场的因素一、焊接热循环条件下金属的组织转变特点（一）焊接加热过程的相变特点焊接时的快速加热、高温停留时间短暂等特点，将使相图中的临界转变点提高，使毗邻熔合线的近缝区晶粒可能显著长大，同时使奥氏体的化学成分不均匀性和组织不均匀性倾向增大。

（二）焊接冷却过程的相变特点

1.铁素体、珠光体区的转变特点如果焊接工艺不当，这个地段将出现魏氏组织铁素体，金属性能将更为下降。魏氏组织是在高温下形成的，转变时碳和合金元素均有扩散能力。在魏氏组织形成过程中，先析出的铁素体中的碳将向两侧的奥氏体母相中扩散，从而使奥氏体中碳的浓度不断增高，最终转变为珠光体。

回目录课题二焊接热影响区的组织与性能控制

2、马氏体区的转变特点溶入奥氏体中的不同合金元素对MS点有不同的影响。钴和铝提高MS点，硅和硼基本上不影响MS点，其它绝大多数合金元素均不同程度地降低MS点。合金元素对MS点的影响还与钢的含碳量有关。含碳量越高，合金元素的影响越强烈。

3、贝氏体的转变特点焊接热循环的影响主要体现在冷却速度上。冷却速度太大，主要将发生马氏体和下贝氏体转变；冷却速度太小，则富碳奥氏体以及M-A组元也会分解，主要生成贝氏体。课题二焊接热影响区的组织与性能控制

二、焊接热影响区的组织（一）淬硬倾向较小的钢种（1）熔合区随着焊缝和母材中合金元素的增加，其化学成分和组织性能上的不均匀性随之增加，很可能引起力学性能如塑性、韧性以至强度的下降。（2）过热区（粗晶粒区）处于过热状态，奥氏体晶粒易于发生严重的长大现象，从而在冷却后获得晶粒粗大的、甚至出现魏氏组织的所谓过热组织。（3）相变重结晶区（细晶粒区）塑性和韧性等力学性能都比较好，通常是焊接接头中最不容易产生缺陷的地区。

课题二焊接热影响区的组织与性能控制（4）不完全重结晶区（不完全相变区）金属组织不均匀，晶粒大小不一，力学性能也不太高。（5）再结晶区母材在经过冷加工导致塑性变形时，将发生晶粒破碎，等轴晶变成非等轴晶等过程。从而使强度升高，塑性、韧性下降。当这样的母材经受焊接，其热影响区的某一地段所经历的峰值温度处于再结晶开始温度（对于低碳钢约为450～500℃）至Ac1之间时，金属将因受热再结晶而使遭受破坏的晶粒生长成为新的等轴晶，力学性能得到恢复。

课题二焊接热影响区的组织与性能控制（6）蓝脆区蓝脆区所经历的峰值温度约为200～500℃，因此时强度略有升高，塑性韧性下降（尤以200～300℃）为甚，金属表面呈现蓝色得名。（二）淬硬倾向较大的钢种（1）熔合区由于这里的冷却速度大，对于淬硬倾向较大的钢种还需要考虑到所发生的马氏体转变或淬硬组织的生成等情况。（2）过度淬火区（过热区）过热区所经历的峰值温度处在固相线与奥氏体晶粒迅速长大的温度之间，因此金属处于过热状态，奥氏体晶粒易发生严重的长大想象。课题二焊接热影响区的组织与性能控制焊接冷却之后很可能得到粗大的马氏体组织，相应与热处理淬火时加热温度过高的情况，从而得名过度淬火区。粗大的马氏体组织塑性及韧性很差，易于产生冷裂纹。在焊接条件下，过度淬火区经常是这类钢种焊接接头的裂源和脆性破坏等的区域。（3）正常淬火区正常淬火区所经历的峰值温度，是在奥氏体晶粒迅速长大温度与临界相变点Ac3温度之间，相当于前述钢种的正火区部分。所不同的是焊接冷却之后得到的不是普通的正火组织，而是相当于热处理时的正常淬火组织，如细小的马氏体等，因而得名正常淬火区。一般而言，细小的低碳钢马氏体有一定的韧性，高碳马氏体则是另一个问题，易于产生焊接缺陷。课题二焊接热影响区的组织与性能控制（4）不完全淬火区不完全淬火区所经历的峰值温度在Ac1～Ac3之间。在加热时金属中原先的珠光体、托氏体、贝氏体之类转变为奥氏体，同时存在一部分未溶入奥氏体的铁素体。在随后的快速冷却过程中，奥氏体转变为马氏体，原铁素体保持不变并有所长大，从而在最后得到马氏体或其它较硬相+铁素体的混合组织。这种组织很不均匀，可能会出现软点。课题二焊接热影响区的组织与性能控制（5）回火区回火区所经历的峰值温度低于相变点Ac1，因此在焊接过程中相当于经受了不同程度的各种热处理回火。至于其组织和性能，则与母材的焊前热处理状态有关。如果母材焊前处于完全退火状态，那么除经受过冷加工可有再结晶回复外，基本上不再受焊接热过程影响，硬度大体应与焊前一致，也就是与母材一致。如果母材焊前处于完全淬火状态，则回火区中距离焊缝越近的点，也就是所经历的峰值温度越高的点，受到的回火作用应当越大，硬度越低。如果母材焊前处于调质状态，回火区中组织性能的变化与否应与母材焊前调质状态的回火温度有关。凡焊接时所经历峰值温度低于回火温度的地段，其组织与性能将基本不发生变化。而高于此温度的区域则进一步经受回火作用，使强度、硬度低于母材。可见，在焊接调质钢时回火区有可能出现软化现象。课题二焊接热影响区的组织与性能控制例子：16Mn钢的焊接热影响区组织见书中图。12CrMoWVTiB氩弧焊热影响区组织见图。

课题二焊接热影响区的组织与性能控制12Cr2MoWVTiB钢焊接热影响区组织a)过热区b)正常淬火区c)不正常淬火区三、焊接热影响区的性能（一）热影响区力学性能的一般情况以各部分所经历的焊接热循环峰值温度为横坐标，以力学性能参数为纵坐标的坐标系曲线来表示。低碳低合金钢热影响区常规力学性能是随区域而变化的。课题二焊接热影响区的组织与性能控制

课题二焊接热影响区的组织与性能控制低合金钢热影响区力学性能变化（二）焊接热影响区的硬度在焊接热影响区的诸力学性能中，作焊接性能分析时很重视其硬度分布，尤其是热影响区的最高硬度。一定钢种的硬度大小，一般地表明了该钢材的组织状态和性能情况。例如，随着硬度的升高，通常表明钢中硬组织的比例或淬硬程度的升高。随之强度上升，塑性下降，裂纹倾向增大，焊接性变差。因此，热影响区的硬度分布以及最高硬度，常用来作为确定焊接性能的一个重要参考指标。一般最高硬度都出现在过热区的靠近熔合线处。课题二焊接热影响区的组织与性能控制不同强度的低合金钢接头硬度分布课题二焊接热影响区的组织与性能控制调质钢焊接热影响区硬度分布A-焊前淬火+低温回火B-焊前淬火+高温回火C-焊前退火1—淬火区2—部分淬火区3—回火区课题二焊接热影响区的组织与性能控制热影响区的最高硬度既可以可由实验确定，也可以根据焊接条件由该钢种的相应SHCCT图或组织图大致得知。此外还有许多估算Hmax的方法或经验公式。这些公式，尽管只是粗略的，其结果与实际可能有一定的出入。但是由于其简单易行，在估定钢材的焊接性，拟定其制作工艺方案时，很有参考价值。（三）焊接热影响区的韧性和脆性金属的脆化可由其脆性转变温度Tcr表征。碳-锰钢焊接接头的脆化分布倾向见下图。课题二焊接热影响区的组织与性能控制碳-锰钢焊接接头的脆性转变温度分布课题二焊接热影响区的组织与性能控制由图可见，从焊缝开始存在两个脆化区：其一在邻接熔合线的粗晶粒过热区，即粗晶脆化区。另一个在峰值温度较低的600～400℃地段，即时效脆化区，而峰值温度为900℃附近的细