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1、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 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 HeatAffectedZone HAZ 或称为 近缝区 NearWeldZone 焊接热影响区概述 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 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 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
2、 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 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 影响焊接热影响区组织和性能的主要因素 3 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 影响焊接热影响区组织和性能的
3、主要因素 一 焊接热循环 距焊缝不同距离各点的焊接热循环 1 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 2 焊接热循环的主要参数 焊接热循环的参数 加热速度VH加热的最高温度 Tm 在相变以上的停留时间 tH 冷却速度 VC 和冷却时间 t8 5 t8 3 t100 t8 5 800 500 的冷却时间 t8 3 800 300 的冷却时间 t100 从峰值温度Tm冷至100 的冷却时间 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
4、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 二 焊接热热影响区的组织转变特点 加热速度快 相变温度升高VH Ac1 Ac3 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 2 焊接加热过程奥氏体化的特点 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 3 焊接时冷却过
5、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 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 TL 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 Fe 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
6、共析转变和Fe3c的析出 三 焊接热影响区的组织与性能变化 过热区 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 相变重结晶区 正火区 温度 1100 Ac3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 不完全重结晶区 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
7、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 2 易淬火钢HAZ组织分布 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 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 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 Tt Tt为焊前调质时的回火温度 低于
8、此温度 组织不变 高于此温度 出现软化 二 焊接热影响区的性能变化 HAZ的硬化HAZ的脆化HAZ的软化 1 HAZ的硬化HAZ硬度分布不均匀 在熔合区附近具有最大硬度Hmax 不同的组织形态硬度不同同一组织 也有不同的硬度硬度主要决定于材料的化学成分和冷却条件 1 碳当量CarbonEquivalent Ceq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 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 b 400 700MPa 式2 主要适用于强度级别较高的低合金高强钢 b 500 1000
9、MPa 1 2 主要适用于C 0 17 b 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Ceq及冷却时间t8 5与HAZ最高硬度Hmax的关系Ceq Hmax 经验公式 Hmax 1274Pcm 45Hmax 559CE IIW 100 HV Ceq一定 t8 5 Hmax Hmax间接反映了HAZ的淬硬倾向 而Hmax测量方便 故可用Hmax来评价钢材的冷裂倾向 2 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
10、判断脆化现象 脆性转变温度VTrs 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VTrs 脆性 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 HAZ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 1 粗晶脆化 主要出现在过热区 晶粒d VTrs 钢中含C N化物形成 d 加热温度T 加热时间t d E 焊接线能量 d 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 1 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
11、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 2 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 3 HAZ的热应变时效脆化 HotStrainEmbrittlement 焊接构件在室温下受到延性预应变 会产生加工硬化现象 可使钢材的硬度和强
12、度升高 同时降低延性变形的能力 在高温下 尤其是200 400 的预应变 还会产生比室温下更为严重的脆化 这种现象称为热应变时效脆化 HSE 1 静应变时效脆化在室温下或低温下受到预应变后产生的时效脆化现象 2 动应变时效脆化在较高温度下 特别是200 400 的预应变所产生的时效脆化现象 又称为 蓝脆 3 调质钢焊接HAZ的软化 焊前经调质处理的高强钢和具有沉淀硬化和弥散强化的合金 经焊接之后 其HAZ产生不同程度的软化或失强 调质钢焊接时HAZ的软化 三 HAZ的韧化 1 调整低合金钢的成分与HAZ组织状态对低合金高强钢 采用低碳微量合金化强化 弥散强化 韧性好 HAZ组织最好为针状F 下贝 低碳M 严格控制钢中S P O等杂质的含量 控制钢中硫化物 磷化物及硅酸盐夹杂的数量 大小及分布形态 2 合理制定焊接工艺选择合适的焊接线能量E t8 5 不宜过大 晶粒粗化 和过小 淬硬组织 焊前预热 焊后热处理 本章结束
