金属焊接热影响区的组织和性能教程

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1、1 材料成形原理（焊接部分）材料成形原理（焊接部分） 5 5 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能 2 5.15.1 焊接热循环焊接热循环 3 热影响区热影响区熔焊时在高温热源的作用下，焊缝两侧母材上发生熔焊时在高温热源的作用下，焊缝两侧母材上发生组织和组织和 性能变化的区域性能变化的区域称为称为“ “热影响区热影响区” ” （Heat Affected ZoneHeat Affected Zone，简称，简称HAZHAZ）或）或 称称“ “近缝区近缝区” ”（Near Weld ZoneNear Weld Zone）。）。 焊接接头焊接接头 = = 焊缝焊缝 + + 热影响区热影

2、响区 或：或： 焊接接头焊接接头 = = 焊缝焊缝 + + 熔合区熔合区+ +热影响区热影响区 早期：母材主要是低碳钢，HAZ一般不会出现什么问题，焊接质量取决 于焊缝质量，人们的主要精力用于解决焊缝中可能出现的问题。 现在：母材材料的品种不断扩大（如低合金高强度钢、高合金特殊钢， 铝、铜、钛等有色金属的合金等），这些材料大多对加热敏感，有些化 学性质还相当活泼。HAZ的组织与性能将发生较大的变化，甚至会产生 严重的缺陷。 随着钢材强度、结构的尺寸与板厚不断增加，HAZ脆化倾向增大，产生 焊接缺陷的可能性增加，焊缝质量不再是决定焊接质量的唯一要素。 4 一、研究焊接热循环的意义一、研究焊接热循

3、环的意义 焊接热循环在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化 过程称为焊接热循环。 焊件上距热源远近不同的位置，所受到热循环的加热参数不同，从 而会发生不同的组织与性能变化。 研究焊接热循环的意义为：研究焊接热循环的意义为： 找出最佳的焊接热循环找出最佳的焊接热循环 不同的金属材料对焊接热循环的敏不同的金属材料对焊接热循环的敏 感性不同，对焊接热循环作适当调感性不同，对焊接热循环作适当调 整，找出适合某种金属的最佳热循整，找出适合某种金属的最佳热循 环，从而保证最佳的焊接质量。环，从而保证最佳的焊接质量。 用工艺手段改善焊接热循环用工艺手段改善焊接热循环 如：预热、后热、控制线能量等。

4、如：预热、后热、控制线能量等。 预测焊接应力分布及改善热影预测焊接应力分布及改善热影 响区组织与性能。响区组织与性能。 5 二、焊接热循环的参数及特征二、焊接热循环的参数及特征 2 2、加热的最高温度、加热的最高温度T Tm m 峰值温度过高，将使晶粒严重长大，峰值温度过高，将使晶粒严重长大， 甚至产生过热的魏氏体组织，造成晶粒脆甚至产生过热的魏氏体组织，造成晶粒脆 化；同时还影响到焊接接头的应力应变，化；同时还影响到焊接接头的应力应变， 形成较大的焊接残余应力或变形。形成较大的焊接残余应力或变形。 3 3、相变温度以上的停留时间、相变温度以上的停留时间t t H H t t H H越大，越有

5、利于奥氏体均质化，但晶 越大，越有利于奥氏体均质化，但晶 粒长大越严重。粒长大越严重。 t t HH t tt t t t加热过程停留时间，加热过程停留时间， t t 冷却过程的停留时间冷却过程的停留时间 1 1、加热速度、加热速度 H H H越快，相变温度提高，均质化和碳化物在奥氏体的溶解也越 不充分。必然影响在冷却过程中热影响区的组织转变及其性能。 6 二、焊接热循环的参数及特征二、焊接热循环的参数及特征 4 4、冷却速度、冷却速度cc和冷却时间（和冷却时间（t t8/5 8/5、 、t t8/3 8/3、 、t t100 100 ) ) 冷却速度冷却速度，特别是在固态相变温度范围内冷却速

6、度，冷却速度冷却速度，特别是在固态相变温度范围内冷却速度， 即即 800800500500 及及800800300300 时的冷却速度是焊接热循环中极其重要时的冷却速度是焊接热循环中极其重要 的参数，它将决定焊接接头的组织、性能及接头质量。的参数，它将决定焊接接头的组织、性能及接头质量。 准确地测量瞬时冷却速度有一定地困难，多采用一定温度范内准确地测量瞬时冷却速度有一定地困难，多采用一定温度范内 的的冷却时间来代替冷却速度冷却时间来代替冷却速度，以此作为研究焊接接头的组织、性能，以此作为研究焊接接头的组织、性能 及抗裂性的重要参数。及抗裂性的重要参数。 t t 8/58/5 800500800

7、500时冷却时间时冷却时间 t t 8/3 8/3 800300800300时冷却时间时冷却时间 t t 100100 Tm100Tm100的冷却时间的冷却时间 碳钢及低合金钢：碳钢及低合金钢：固态相变温度范围的固态相变温度范围的 800800500500 冷却时间冷却时间 t t8/5 8/5 ； ； 淬硬倾向比较大的钢种：淬硬倾向比较大的钢种：采用冷却时间采用冷却时间 t t8/3 8/3 或冷却时间 或冷却时间 t t100 100。 。 7 二、焊接热循环的参数及特征二、焊接热循环的参数及特征 8 三、焊接热循环参数的计算三、焊接热循环参数的计算 主要介绍焊接热源高速运动时厚板和薄板的

8、热循主要介绍焊接热源高速运动时厚板和薄板的热循 环参数的计算（推导过程略）：环参数的计算（推导过程略）： 峰值温度峰值温度m m的计算 的计算 相变温度以上的停留时间相变温度以上的停留时间t t H H 的计算的计算 冷却速度冷却速度 C C 和冷却时间的计算和冷却时间的计算 数值模拟是指用一组控制方程来描述一个过程的基本参数 变化关系； 利用数值方法求解，以获得该过程定量的结果。 根据焊接传热理论建立了许多描述焊接传热过程的数学 模型(包括焊接热循环参数)。 随着计算机的发展和普及，计算机的容量日益增大，计 算速度也越来越快，过去难以用分析方法求解的非线性问题现 在可以在计算机上用数值方法迎

9、刃而解。 9 点热源（厚板）： 线热源（薄板）： 由两式可以看出： 焊件上某点离开热源轴心距离越远，最高温度m越低； 焊件上某一定点，随着线能量E 的提高，其m增高，焊接热影响区的 宽度增大。 峰值温度的高低还受预热温度与焊件热物理性质的影响。 三、焊接热循环参数的计算三、焊接热循环参数的计算 峰值温度峰值温度m m的计算 的计算 10 三、焊接热循环参数的计算三、焊接热循环参数的计算 峰值温度峰值温度m m的测量 的测量 11 点热源（厚板） 线热源（薄板） 由公式可以看出： 提高线能量 E，高温停留时间 tH 延长，也就是说发生粗晶 脆化的可能性增大。 提高初始温度 T0（预热温度），也会

10、在一定程度上延长高温 停留时间 tH。 三、焊接热循环参数的计算三、焊接热循环参数的计算 相变温度以上的停留时间相变温度以上的停留时间t t H H 的计算的计算 12 冷却时间：冷却时间： 厚板厚板 薄板薄板 冷却速度c随着线能量E和初始温度T0的提高而降低， 冷却时间随着线能量E和初始温度T0的提高而延长。 母材的热物理性质、焊件的形状、尺寸、接头型式、焊道的长度及层数都 会影响焊接热循环参数， 三、焊接热循环参数的计算三、焊接热循环参数的计算 冷却速度：冷却速度： 厚板厚板 薄板薄板 13 为了方便，在理论计算的基础上建立了不同条件下从线算图上直接获取为了方便，在理论计算的基础上建立了不

11、同条件下从线算图上直接获取 t8/5t8/5 或或 t8/5t8/5的图解法。手弧焊、的图解法。手弧焊、 COCO 2 2 气体保护焊和埋弧焊时的气体保护焊和埋弧焊时的 t8/5t8/5线算法如图所示。线算法如图所示。 三、焊接热循环参数的计算三、焊接热循环参数的计算 14 四、多层焊焊接热循环的特点四、多层焊焊接热循环的特点 焊接生产中常采用多层焊接，研究多层焊接热循环的传热特点具有更焊接生产中常采用多层焊接，研究多层焊接热循环的传热特点具有更 为普遍意义。为普遍意义。从提高焊接质量来看，多层往往具有很大的优越性：从提高焊接质量来看，多层往往具有很大的优越性： 热循环参数调节范围大：热循环参

12、数调节范围大： 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节功率和焊 速，焊接热循环的调整也受到了限制。多层焊是许多单层热循环联合在一起 的综合作用，多层焊比起单层焊具有更大的调节范围。 相邻焊层之间彼此具有热处理的作用：相邻焊层之间彼此具有热处理的作用： 多层焊时，对后一焊道面言，前一焊道具有预热作用，层间温度相当与预热 温度；对前一焊道来说，后一焊道起后热作用，产生一定热处理效果。 多层焊主要考虑多层焊主要考虑焊道层数焊道层数和和层间温度层间温度： 层间温度多层焊时，开始焊接后一焊层时前一层焊道所具有的最低温度即 为层间温度。 多层焊可分为多层焊可分为“ “长段多层焊长段多层

13、焊” ”和和“ “短段多层焊短段多层焊” ”。 15 1 1、长段多层焊接热循环、长段多层焊接热循环 长段多层焊长段多层焊就是每次焊缝的长度较长就是每次焊缝的长度较长( 1.0( 1.01.5m )1.5m )，当焊完第一层再焊，当焊完第一层再焊 第二层时，第一层已基本冷却到较低的温度第二层时，第一层已基本冷却到较低的温度( (约约100100200200) )。 四、多层焊焊接热循环的特点四、多层焊焊接热循环的特点 由图可知，相邻由图可知，相邻 各层之间有依次各层之间有依次 热处理的作用，热处理的作用， 为防止最后一层为防止最后一层 淬火，可多加一淬火，可多加一 层退火焊道。层退火焊道。 不

14、不适于焊接淬硬倾向大的钢种适于焊接淬硬倾向大的钢种。焊接这种钢时，应特别注。焊接这种钢时，应特别注 意与其他工艺措施的配合，如预热和层间温度的控制等。意与其他工艺措施的配合，如预热和层间温度的控制等。 进行长段多层焊时，如果第一层和最后一层不产生淬火组进行长段多层焊时，如果第一层和最后一层不产生淬火组 织，则其他各层将不会产生淬火组织。织，则其他各层将不会产生淬火组织。 16 2 2、短段多层焊接热循环短段多层焊接热循环 短段多层焊短段多层焊就是每层的焊缝长度较短就是每层的焊缝长度较短 ( (约约 5050400mm )400mm )，还未等前一层焊缝冷却，还未等前一层焊缝冷却 到较低温度（如

15、到较低温度（如MsMs点）就开始了下一层的焊接。点）就开始了下一层的焊接。 四、多层焊焊接热循环的特点四、多层焊焊接热循环的特点 由图可知，焊件近缝区1点和4点所经 历的焊接热循环是比较理想的。 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 由于层间的热作用，减缓了冷却速度 ，从而防止产淬火组织。 4点：它是在预热基础上开始焊接的， 只要焊缝长度控制合适， Ac3 以上停 留时间仍可很短，晶粒不会长大。 为了防止最后一层产生淬火组织，可 另加一层退火焊遵，以增加奥氏体的 分解时间。 短段多层焊对于晶粒易长大而又易淬火 钢种的热影响区和焊缝具有改善作用。 但短段多层焊的操作十分繁琐，生产率 低，因此除非在特殊的情况下才采用。 17 5.25.2 焊接热循环条件下的金属组织转变特点焊接热循环条件下的金属组织转变特点 18 一、焊接过程的特殊性一、焊接过程的特殊性 与热处理条件相比，焊接热循环的特点：与热处理条件相比，焊接热循环的特点： 加热温度高加热温度高 q热处理：Ac3以上100200 q焊 接：近缝区熔合区接近熔点（低碳钢、低合金钢为1350） 加热速度快加热速度快 q热处理：随热处理炉缓慢升温（几度几十度/S） q焊 接：采用的热源强烈集中，比热处理快几十到几百倍（手弧焊： 200