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1、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,2,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)。,焊接热影响区概述,3,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。,5,HAZ经受了一次特
2、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。,6,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,7,3）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
3、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主要因素,8,9,一、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。,10,2. 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),11,t8/5：800500的冷却时间。 t8/3：800300的冷却时间。 t100：从峰值温度Tm冷至100的冷却时间。,12,1. 焊接热循环的特点,
4、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：20-40S 4）局部加热,二、焊接热热影响区的组织转变特点,13,加热速度快，相变温度升高 VHAc1， 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,14,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
5、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。,15,3. 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,16,（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
6、） TLTS，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，即共析转变和Fe3c的析出。,三、焊接热影响区的组织与性能变化,17,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）。,18,相变重结晶区（正火区） 温度： 1100 - Ac3 现象：母材完全
7、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PF）。 性能：较好的综合性能。,19,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,20,21,2. 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MF。 在快速加热条
8、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。,22,（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 Ac1Tt，Tt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。,23,（二）焊接热影响区的性能变化,HAZ的硬化 HAZ的脆化 HAZ的软化,24,1. 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
9、,25,（1）碳当量Carbon Equivalent （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,26,适合于C0.18%的钢种 式1）主要适用于中等强度的非调质低合金钢（b400700MPa） 式2）主要适用于强度级别较高的低合金高强钢（b=5001000MPa）,1）,2）,27,主要适用于C0.17%， b=400900MPa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。,28,（2）碳当量Ceq及冷
10、却时间t8/5与HAZ最高硬度Hmax的关系 CeqHmax 经验公式，Hmax=1274Pcm+45 Hmax=559CE（IIW）+100（HV）,29,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,30,2. 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。,31,从左图可以看出，碳锰钢HAZ的脆化区有
11、两个： 粗晶区（1500） 时效脆化区（400600）,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。,32,（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td E（焊接线能量）d,33,（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： MA组元脆化 析出脆化,34,1）MA组元脆化 MA组元脆化原因： 高碳奥氏体易于形成高碳马氏体 MA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。,35,2）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
12、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,36,（3）HAZ的热应变时效脆化(Hot Strain Embrittlement) 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度升高，同时降低延性变形的能力；在高温下（尤其是200400）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
13、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200400）的预应变所产生的时效脆化现象，又称为“蓝脆”。,37,3. 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,38,（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,39,本 章 结 束,
