1 1第十章第十章 焊接热影响区的组织与性能焊接热影响区的组织与性能熔焊熔焊时在高温热源作用下，靠近焊缝两侧时在高温热源作用下，靠近焊缝两侧一定范围内发生组织和性能变化的区域称一定范围内发生组织和性能变化的区域称为为“焊接热影响区焊接热影响区” 。 图图10-1 焊接接头示意图焊接接头示意图1-焊缝；焊缝；2-熔合区；熔合区；3-热影响区；热影响区；4-母材母材2 2第一节第一节 焊接热循环焊接热循环第二节第二节 焊接热循环下的金属组织转变特点焊接热循环下的金属组织转变特点第三节第三节 焊接热影响区的组织与性能焊接热影响区的组织与性能3 3第一节第一节 焊接热循环焊接热循环一、研究焊接热循环的意义一、研究焊接热循环的意义二、焊接热循环的参数及特征二、焊接热循环的参数及特征三、焊接热循环参数的计算三、焊接热循环参数的计算4 4一、研究焊接热循环的意义一、研究焊接热循环的意义焊件上距热源远近不同的位置，所受到热循环的加热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参数不同，从而会发生不同的组织与性能变化。，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； 用工艺手段改善焊接热循环；用工艺手段改善焊接热循环； 预测焊接应力分布及改善热影响区组织与性能。预测焊接应力分布及改善热影响区组织与性能。5 5二、焊接热循环的参数及特征 加热速度加热速度H 最高加热温度最高加热温度m 相变温度以上相变温度以上 的停留时间的停留时间tH 冷却速度冷却速度c (或冷却时间或冷却时间t8 / 5) 晶粒晶粒大小大小相变相变组织组织6 6三、焊接热循环参数的计算 峰值温度峰值温度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tH 的计算的计算 冷却速度冷却速度C和冷却时间的计算和冷却时间的计算 7 7点热源（厚板）点热源（厚板） 线热源（薄板）线热源（薄板） 点热源（厚板）点热源（厚板） 线热源（薄板）线热源（薄板） 8 8冷却速度：冷却速度： 厚板厚板 薄板薄板冷却时间：冷却时间： 厚板厚板 薄板薄板 9 9第二节 焊接热循环条件下的金属组织转变特点 焊接过程的特殊性焊接过程的特殊性 焊接加热过程的组织转变焊接加热过程的组织转变 焊接时冷却过程的组织转变焊接时冷却过程的组织转变 1010一、焊接过程的特殊性 五个特点（以低合金钢为例）：五个特点（以低合金钢为例）：加热温度高加热温度高 在熔合线附近温度可达在熔合线附近温度可达l350l400；加热速度快加热速度快 加热速度比热处理时快几十倍甚至几百倍；加热速度比热处理时快几十倍甚至几百倍；高温停留时间短高温停留时间短 在在AC3以上保温的时间很短以上保温的时间很短(一般手工电一般手工电弧焊约为弧焊约为420s，埋弧焊时，埋弧焊时30l00s) ；在自然条件下连续冷却在自然条件下连续冷却（个别情况下进行焊后保温缓冷）；（个别情况下进行焊后保温缓冷）；有热应力作用状态下进行的组织转变有热应力作用状态下进行的组织转变。1111二、焊接加热过程的组织转变二、焊接加热过程的组织转变焊接过程的快速加热，将使各种金属的相变温度比焊接过程的快速加热，将使各种金属的相变温度比起起等温转变等温转变时大有提高。时大有提高。1212 图图10-4 焊接快速加热对焊接快速加热对Ac1、Ac3和晶粒长大的影响（和晶粒长大的影响（CCT图图）d晶粒的平均直径；晶粒的平均直径；A奥氏体；奥氏体；P珠光体；珠光体；F铁素体；铁素体；K碳化物碳化物45钢钢40CrH ： 11400/s；2270/s； 335/s； 47.5/s)H ：11600/s；2300/s； 442/s； 57.2/s1313钢种种相相变点点平衡状平衡状态加加热速度速度H H/ /（SS-1-1）AC1与与AC3的温差的温差/684050 250300 14001700 4050 250300 1400170045钢AC17307707757908404560110AC3770820835860950659018040CrAC17407357507708401535105AC3780775800850940257516523MnAC1735750770785830355095AC3830810850890940408013030CrMnSiAC17407407758259203585180AC38207908358909804510019018Cr2WVAC1710800860930100060130200AC38108609301020112070160260表表10-1 加热速度对相变点加热速度对相变点Ac1和和Ac3及其温差的影响及其温差的影响1414三、焊接冷却过程中的组织转变 焊接条件下的组织焊接条件下的组织转变不仅与等温转转变不仅与等温转变不同，也与热处变不同，也与热处理条件下的连续冷理条件下的连续冷却组织转变不同却组织转变不同 。随冷却速度增大，随冷却速度增大，平衡状态图上各相平衡状态图上各相变点和温度线均发变点和温度线均发生偏移。生偏移。 共析成分成为一个成分范围共析成分成为一个成分范围 1515第三节 焊接热影响区的组织与性能 焊接热影响区的组织分布 焊接热影响区的性能1616不易淬火钢焊接热影响区的组织分布不易淬火钢焊接热影响区的组织分布熔合区熔合区： 又称半熔化区，是焊缝与又称半熔化区，是焊缝与母材的交界区。母材的交界区。加热温度加热温度：14901530（固、液相线之间）（固、液相线之间）组织组织：（未熔化但因过热而：（未熔化但因过热而长大的）粗晶组织和（部分新长大的）粗晶组织和（部分新凝固的）铸态组织。凝固的）铸态组织。特点特点：该区很窄，组织不均：该区很窄，组织不均匀，强度下降，塑性很差，是匀，强度下降，塑性很差，是裂纹及局部脆断的发源地。裂纹及局部脆断的发源地。过热区过热区：紧靠熔合区紧靠熔合区加热温度加热温度： 11001490（1100固相线）固相线）组织组织： 粗大的过热组织。粗大的过热组织。特点特点： 宽度为宽度为13mm，塑性和，塑性和韧性下降。韧性下降。相变重结晶区相变重结晶区(正火区正火区)： 紧靠着过热区紧靠着过热区加热温度加热温度： 8501100 （AC3至至1100）组织组织： 均匀细小的铁素体和珠光均匀细小的铁素体和珠光体组织（近似于正火组织）体组织（近似于正火组织）特点特点： 宽度约宽度约1.24.0mm，力，力学性能优于母材。学性能优于母材。不完全重结晶区不完全重结晶区：加热温度加热温度： AC1AC3之间之间组织组织： F+P (F粗、细不均粗、细不均)特点特点： 部分组织发生相变，部分组织发生相变，晶粒不均匀，力学性晶粒不均匀，力学性能差。能差。一、焊接热影响区的组织分布17171-熔合区；熔合区；2-过热区；过热区；3-相变重结晶区；相变重结晶区；4-不完全重结晶区；不完全重结晶区；5-母材；母材；6-完全淬火区完全淬火区；7-不完全淬火区不完全淬火区；8-回火软化区回火软化区焊接热影响区的组织分布特征不易不易淬火钢淬火钢易淬易淬火钢火钢18181、 完全淬火区焊接时处于焊接时处于Ac3以上的区域，与不易淬火钢的过热以上的区域，与不易淬火钢的过热区、正火区对应。加热时铁素体、珠光体全部转变区、正火区对应。加热时铁素体、珠光体全部转变为奥氏体，冷却时很容易得到淬火组织。在紧靠焊为奥氏体，冷却时很容易得到淬火组织。在紧靠焊缝相当于低碳钢缝相当于低碳钢过热区的部位，得到粗大的马氏体，过热区的部位，得到粗大的马氏体，而相当于正火区的部位则得到细小的马氏体而相当于正火区的部位则得到细小的马氏体。当焊。当焊件母材的淬透性不是太高时，还会出现贝氏体、索件母材的淬透性不是太高时，还会出现贝氏体、索氏体等正火组织与马氏体共存的混合组织。氏体等正火组织与马氏体共存的混合组织。19192、 不完全淬火区 母材被加热到母材被加热到Ac1Ac3温度之间的热影响区，相温度之间的热影响区，相当于不易淬火钢的不完全重结晶区。在快速加热条当于不易淬火钢的不完全重结晶区。在快速加热条件下，铁素体很少溶入奥氏体，而珠光体、贝氏体、件下，铁素体很少溶入奥氏体，而珠光体、贝氏体、索氏体等转变为奥氏体。在随后快冷时，奥氏体转索氏体等转变为奥氏体。在随后快冷时，奥氏体转变为马氏体，原铁素体保持不变，并有不同程度的变为马氏体，原铁素体保持不变，并有不同程度的长大，最后形成马氏体加铁素体的混合组织。如含长大，最后形成马氏体加铁素体的混合组织。如含碳量和合金元素含量不高或冷却速度较小时，奥氏碳量和合金元素含量不高或冷却速度较小时，奥氏体也可能转变成索氏体或珠光体。体也可能转变成索氏体或珠光体。20203、回火软化区如母材焊前是如母材焊前是调质状态调质状态，焊接热影响区的组织分布除存在，焊接热影响区的组织分布除存在完全淬火区和不完全淬火区外，还存在一个完全淬火区和不完全淬火区外，还存在一个回火软化区回火软化区。在回火区内组织和性能发生变化的程度决定于在回火区内组织和性能发生变化的程度决定于焊前调质的焊前调质的回火温度回火温度t ：热循环温度低于：热循环温度低于t 的部位，其组织性能不的部位，其组织性能不发生变化，而发生变化，而高于高于t 的部位，将发生软化现象的部位，将发生软化现象；若若焊前为淬火态焊前为淬火态，则，则可获得不同的回火组织可获得不同的回火组织。紧靠。紧靠Ac1的部的部位，相当于瞬时高温回火，得到回火索氏体；离焊缝较远位，相当于瞬时高温回火，得到回火索氏体；离焊缝较远的区域，获得回火马氏体。的区域，获得回火马氏体。2121二、 焊接热影响区的性能 焊接热影响区的硬化焊接热影响区的硬化焊接热影响区的脆化焊接热影响区的脆化焊接热影响区的软化焊接热影响区的软化焊接热影响区的性能控制焊接热影响区的性能控制22221、焊接热影响区的硬化、焊接热影响区的硬化 HAZ的硬度的硬度 高低取决于高低取决于母材的淬硬倾向母材的淬硬倾向（内因）（内因）HAZ的冷却速度的冷却速度（外因）（外因）化学成分化学成分焊接规范焊接规范焊接热影响区的焊接热影响区的最高硬度最高硬度Hmax： Hmax（HV10）= 140 + 1089 Pcm- 8.2 t 8 / 52323材料淬硬倾向的评价指标材料淬硬倾向的评价指标 碳当量碳当量钢中含碳量显著影响奥氏体的稳定性，对淬硬倾向影响最大。钢中含碳量显著影响奥氏体的稳定性，对淬硬倾向影响最大。含碳量越高，越容易得到马氏体组织，且马氏体的硬度随含含碳量越高，越容易得到马氏体组织，且马氏体的硬度随含碳量的增高而增大。碳量的增高而增大。合金元素的影响与其所处的形态有关。溶于奥氏体时提高淬合金元素的影响与其所处的形态有关。溶于奥氏体时提高淬硬性硬性(和淬透性和淬透性)；而形成不溶碳化物、氮化物时，则可成为；而形成不溶碳化物、氮化物时，则可成为非马氏体相变形核的核心，促进细化晶粒，使淬硬性下降。非马氏体相变形核的核心，促进细化晶粒，使淬硬性下降。碳当量（碳当量（Carbon Equivalent）是反映钢中化学成分对硬化）是反映钢中化学成分对硬化程度的影响，它是把钢中合金元素（包括碳）按其对淬硬程度的影响，它是把钢中合金元素（包括碳）按其对淬硬（包括冷裂、脆化等）的影响程度折合成碳的相当含量。（包括冷裂、脆化等）的影响程度折合成碳的相当含量。 2424国际焊接学会推荐的国际焊接学会推荐的CE(IIW)，用于，用于中等强度的非调质低中等强度的非调质低合金钢合金钢（ b400700MPa）：）：20世纪世纪60年代以后，发展了年代以后，发展了低碳微量多合金元素的低低碳微量多合金元素的低合金高强钢合金高强钢。日本的伊藤等人采用形坡口对接裂纹。日本的伊藤等人采用形坡口对接裂纹试验对试验对200多个低合金钢进行研究，建立了多个低合金钢进行研究，建立了Pcm公式：公式：2525焊接热影响区焊接热影响区 Hmax 与与 t8/5 的关系的关系板厚板厚20mm，成分：，成分：C=0.12%，Mn=1.4%，Si=0.48%，Cu=0.15%26262、焊接热影响区的脆化 粗晶脆化粗晶脆化 组织转变脆化组织转变脆化 析出脆化析出脆化 热应变时效脆化热应变时效脆化 氢脆以及石墨脆化氢脆以及石墨脆化 不同材料的焊接热影响区及不同材料的焊接热影响区及热影响区热影响区的不同部位都会的不同部位都会发生程度不同的材料脆化。发生程度不同的材料脆化。2727粗晶脆化粗晶脆化在热循环的作用下，熔合线附近和过热区将发生在热循环的作用下，熔合线附近和过热区将发生晶粒粗化晶粒粗化。粗化程度受钢种的。粗化程度受钢种的化学成分、组织状化学成分、组织状态、加热温度和时间态、加热温度和时间的影响。如：的影响。如：钢中含有碳、氮钢中含有碳、氮化物形成元素，就会阻碍晶界迁移，防止晶粒长大化物形成元素，就会阻碍晶界迁移，防止晶粒长大。例如例如18CrWV钢，晶粒显著长大温度可达钢，晶粒显著长大温度可达1140之之高，而不含碳化物元素的高，而不含碳化物元素的23Mn和和45号钢，超过号钢，超过1000晶粒就显著长大。晶粒就显著长大。 2828晶粒粗大严重影响组晶粒粗大严重影响组织的脆性，尤其是低织的脆性，尤其是低温脆性。一般来讲，温脆性。一般来讲，晶粒越粗，则脆性转晶粒越粗，则脆性转变温度越高。变温度越高。 晶粒直径晶粒直径d对脆性转变温度对脆性转变温度VTrs的影响的影响2929组织转变脆化焊接焊接HAZHAZ中中由于出现脆硬组织而产生的脆化由于出现脆硬组织而产生的脆化称之组织脆化称之组织脆化。对于常用的低碳低合金高强钢，焊接对于常用的低碳低合金高强钢，焊接HAZ的组织的组织脆化主要是脆化主要是M-A组元组元、上贝氏体、粗大的、上贝氏体、粗大的魏氏组织魏氏组织等所造成。但对含碳量较高的钢（一般等所造成。但对含碳量较高的钢（一般0.2），则组织脆化主要是，则组织脆化主要是高碳马氏体高碳马氏体。3030M - A 组元M-A组元组元是焊接高强钢时在一定冷却速度下形成的。它是焊接高强钢时在一定冷却速度下形成的。它不仅出不仅出现在热影响区，也出现在焊缝中现在热影响区，也出现在焊缝中。粗大的奥氏体冷却过程中先形成铁素体，粗大的奥氏体冷却过程中先形成铁素体，而使残余奥氏体的而使残余奥氏体的碳浓度增高碳浓度增高，随后这种高碳奥氏体可转变为高碳马氏体与残，随后这种高碳奥氏体可转变为高碳马氏体与残余奥氏体的混合物，即余奥氏体的混合物，即M-A组元。组元。 M-A组元分布在组元分布在粗大铁素体基底上的组织称为粗大铁素体基底上的组织称为粒状贝氏体粒状贝氏体。M-A组元组元只在生成上贝氏体的冷却条件下才能观察到，只在生成上贝氏体的冷却条件下才能观察到，冷速太冷速太快和太慢都不能产生快和太慢都不能产生M-A组元组元。 焊缝和焊缝和HAZ有有M-A组元存在时，会组元存在时，会降低接头韧性降低接头韧性。3131析出脆化析出脆化由于焊接过程的快速加热与冷却，其由于焊接过程的快速加热与冷却，其热影响区组热影响区组织处于非平衡态织处于非平衡态。在。在时效或回火时效或回火过程过程中，中，其过饱其过饱和固溶体中将和固溶体中将析出碳化物析出碳化物、氮化物氮化物、金属间化合金属间化合物物及其它亚稳定的中间相等，使材料的强度、硬及其它亚稳定的中间相等，使材料的强度、硬度和脆性提高，这种现象称为析出脆化。度和脆性提高，这种现象称为析出脆化。 析出脆化的机理目前认为是由于析出物出现以后，析出脆化的机理目前认为是由于析出物出现以后，阻碍了位错运动阻碍了位错运动，使塑性变形难以进行。若析出物，使塑性变形难以进行。若析出物以以弥散的细颗粒弥散的细颗粒分布于晶内或晶界，将有利于改善分布于晶内或晶界，将有利于改善韧性。韧性。但以但以块状块状或沿晶界以或沿晶界以薄膜状薄膜状分布的析出物分布的析出物会会造成材料脆化。造成材料脆化。例：例：G102（12Gr2MoWVTiB）接头）接头 在在800加热不加热不同时间之后，同时间之后， HAZ 碳元素分布状况的面扫描结果碳元素分布状况的面扫描结果。3232热应变时效脆化热应变时效脆化在制造过程中要对焊接结构进行一系列冷、热加工，如在制造过程中要对焊接结构进行一系列冷、热加工，如下料、剪切、弯曲成型、气割等。若加工引起的局部应下料、剪切、弯曲成型、气割等。若加工引起的局部应变、塑性变形的部位在随后又经历焊接热循环作用（处变、塑性变形的部位在随后又经历焊接热循环作用（处于于HAZ 内）便会引起材料脆化，称为热应变时效脆化。内）便会引起材料脆化，称为热应变时效脆化。 冷成形冷成形 静应变时效脆化静应变时效脆化热成形热成形 动应变时效脆化动应变时效脆化（特别是在特别是在200400的预应变的预应变 ）HAZ焊缝焊缝封头封头产生应变时效脆化的原因产生应变时效脆化的原因, 主要是由于应变引起位错增殖，主要是由于应变引起位错增殖，焊接热循环时，碳、氮原子析集到这些位错的周围形成焊接热循环时，碳、氮原子析集到这些位错的周围形成所谓所谓Cottrell气团，对位错产生钉扎和阻塞作用而使材料气团，对位错产生钉扎和阻塞作用而使材料脆化。脆化。 明显产生热应变时效脆化的部明显产生热应变时效脆化的部位是位是HAZ的熔合区和的熔合区和Ar1以下的以下的亚临界亚临界HAZ（200600） 33333、焊接热影响区的软化经冷作强化的金属经冷作强化的金属经热处理强化的金属经热处理强化的金属再结晶软化再结晶软化过时效软化过时效软化焊接热循焊接热循环作用环作用3434图图10-10 调质钢焊接调质钢焊接HAZ的硬度分布的硬度分布焊前淬火焊前淬火+低温回火；低温回火；B焊前淬火焊前淬火+高温回火；高温回火；C焊前退火焊前退火 1淬火区；淬火区；2部分淬火；部分淬火；3回火区回火区3535图图10-11 LD2铝合金铝合金HAZ的软化现象的软化现象( (HR为表面洛氏硬度为表面洛氏硬度) () (自动自动TIG焊焊) )36364、焊接热影响区的性能控制、焊接热影响区的性能控制控制焊接工艺过程控制焊接工艺过程改善母材的焊接性能改善母材的焊接性能3737 针对不同母材焊接热影响区的性能变化分针对不同母材焊接热影响区的性能变化分析，合理制定焊接工艺，包括：析，合理制定焊接工艺，包括： 选择焊接线能量选择焊接线能量 预热与缓冷预热与缓冷 焊后热处理（正火、调质、去应力退火）焊后热处理（正火、调质、去应力退火）控制焊接控制焊接热循环热循环控制控制HAZ组织组织3838 采用采用低碳微合金化钢低碳微合金化钢：利用微量元素弥散强化、：利用微量元素弥散强化、固溶强化，提高固溶强化，提高材料的热稳定性材料的热稳定性（控制析出相的尺（控制析出相的尺寸及母材晶粒尺寸）。寸及母材晶粒尺寸）。 采用采用控轧工艺控轧工艺得到得到细晶粒钢细晶粒钢。 近年来在国际上大力发展了冶金精炼技术，使钢近年来在国际上大力发展了冶金精炼技术，使钢中的杂质含量极低中的杂质含量极低 ( O、N 、H、S、P 等杂质元素等杂质元素总和小于总和小于50PPM ) ，得到，得到高纯净钢高纯净钢，使钢材的韧，使钢材的韧性大为提高，也提高了焊接热影响区的韧性。性大为提高，也提高了焊接热影响区的韧性。3939图图10-8 低碳调质钢焊条电弧焊完全淬火区组织低碳调质钢焊条电弧焊完全淬火区组织 400a) 过热区过热区(粗大马氏体粗大马氏体) b) 细晶区细晶区(细小马氏体细小马氏体)4040800 / 800h800 / 1452h800 / 12h焊焊 态态G102G102G102G1024141Fe-C相图中的3个恒温转变在在1495发生的包晶转变：发生的包晶转变：LB HYJ转变产物是奥氏体转变产物是奥氏体在在1148发生的共晶转变：发生的共晶转变：Lc E+Fe3C，转变产物是奥氏，转变产物是奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体；体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体；在在727发生共析转变：发生共析转变： s P+Fe3C，转变产物是铁素体与渗，转变产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体。碳体的机械混合物，称为珠光体。共析转变温度称为共析转变温度称为Al温度温度奥氏体奥氏体铁素体转变温度称为铁素体转变温度称为A3温度温度4242X60管线钢管线钢HAZ在不同冷速下组织在不同冷速下组织4343HAZ脆化4444HAZ硬度分布454545464640Cr474748484949本章结本章结束束5050