第一章第一章 材料成型热过程材料成型热过程 第第3 3讲讲1材料成型热过程上讲回顾上讲回顾v温度场的影响因素温度场的影响因素v焊接热循环的意义焊接热循环的意义v焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数2材料成型热过程 1.3.4 1.3.4 临界板厚的意义临界板厚的意义v引进引进“临界板厚临界板厚”的概念是确的概念是确定选用定选用“厚板厚板”还是还是“薄板薄板”公式。公式。v由图由图1-121-12的实验结果可知，的实验结果可知，板板厚厚h h对对t t8/58/5的影响最为明显。但的影响最为明显。但在线能量及板宽一定的条件下，在线能量及板宽一定的条件下，h h增大到某一数值以后，增大到某一数值以后，t t8/58/5就就不再发生变化而保持恒定。不再发生变化而保持恒定。 t t8/58/5与与h h无关，应该属于无关，应该属于“半无半无限大限大”物体的情况。物体的情况。vh h对对c c的影响情况也完全类似。的影响情况也完全类似。 图图1-12 1-12 焊件尺寸的影响（长度一定）焊件尺寸的影响（长度一定） 3材料成型热过程v因此，如设对冷却速度或冷却时间不发生影响的板因此，如设对冷却速度或冷却时间不发生影响的板厚为临界板厚为临界板厚厚为临界板厚为临界板厚h hc c ，则可求得，则可求得h hc c为：为： (1-31)(1-31) 或或 (1-32)(1-32) 4材料成型热过程v实验证明，由实验证明，由800800冷却到冷却到500500的平均冷却速度的平均冷却速度 与与600600时的瞬时冷却速度是相当的。时的瞬时冷却速度是相当的。v实际计算时，可对比实际板厚实际计算时，可对比实际板厚h h与临界板厚与临界板厚h hc c：若：若 ，可以认为属于三维导热，可以认为属于三维导热“厚板厚板”情况，若情况，若 ，则可认为属于二维导热，则可认为属于二维导热“薄板薄板”情况。情况。 5材料成型热过程v但计算实例证明，但计算实例证明， h(0.60.9)h h(0.60.9)hc c时，按二维导热时，按二维导热计算或按三维导热计算，均与实际有所出入，即用计算或按三维导热计算，均与实际有所出入，即用“厚板厚板”公式所得到的冷却速度值嫌高；用公式所得到的冷却速度值嫌高；用“薄板薄板”式所得的冷却速度值又嫌低。式所得的冷却速度值又嫌低。v为了处理这一矛盾，认为可随机区分取为了处理这一矛盾，认为可随机区分取h/hh/hc c=0.75=0.75为为判据。若判据。若h h0.75h0.75hc c，应采用，应采用“厚板厚板”公式；若公式；若h h0.75h0.75hc c ，可采用，可采用“薄板薄板” ” 公式。这样处理，在计公式。这样处理，在计算冷却速度时，最大误差不会超过算冷却速度时，最大误差不会超过1515。 v注意：注意：“厚厚”与与“薄薄”在传热学中并非绝对的概念。在传热学中并非绝对的概念。6材料成型热过程v由于由于h hc c为为E E、T T0 0与与cc的函数，因此，的函数，因此，E E或或T T0 0的不同可的不同可以使二维导热成为三维导热或者相反，而以使二维导热成为三维导热或者相反，而cc和和的取值是也影响到传热计算的结果。的取值是也影响到传热计算的结果。v实验证明：实验证明： 计算时取计算时取=0.29J/(cms)=0.29J/(cms)，c=6.7J/(cm3)c=6.7J/(cm3)， 计算结果比较更接近实测计算结果比较更接近实测数值。数值。 7材料成型热过程 1.3.5 1.3.5 影响焊接热循环的因素影响焊接热循环的因素v影响焊接热循环的因素有：影响焊接热循环的因素有： 材质（材质（、cc） 接头尺寸形状（接头尺寸形状（及坡口形式等）及坡口形式等） 焊接工艺条件（焊接工艺条件（E E、T T0 0及其它施焊方及其它施焊方式等）。式等）。8材料成型热过程 一、焊接线能量的影响一、焊接线能量的影响v线能量提高时，加热的峰值温度、高温停留时间线能量提高时，加热的峰值温度、高温停留时间和冷却时间增大，冷却速度随之降低，和冷却时间增大，冷却速度随之降低，如图如图1-131-13所示。所示。图图1-13 1-13 焊缝边界与线能量焊缝边界与线能量E E的关系的关系 9材料成型热过程v焊接方法不同，线能量影响的程度也不一样焊接方法不同，线能量影响的程度也不一样： 当线能量相同时，埋弧焊时冷却速度最当线能量相同时，埋弧焊时冷却速度最慢，手弧焊时冷却速度最快，而氩弧焊和慢，手弧焊时冷却速度最快，而氩弧焊和COCO2 2+O+O2 2保保护焊时，两者的冷却速度基本相同，且均比埋弧焊护焊时，两者的冷却速度基本相同，且均比埋弧焊时的冷却速度要快一些。时的冷却速度要快一些。v原因：原因： 尽管焊接线能量相同，但不同的焊接方尽管焊接线能量相同，但不同的焊接方法所选定的焊接电流和焊接速度数值可能相差很大，法所选定的焊接电流和焊接速度数值可能相差很大，结果是焊缝尺寸形状及熔深将明显不同，因而也就结果是焊缝尺寸形状及熔深将明显不同，因而也就影响到焊件上的热传播过程。影响到焊件上的热传播过程。10材料成型热过程v实际上，实际上，在用同样焊接方法时，即使焊接线能量相在用同样焊接方法时，即使焊接线能量相同，但电源种类或极性不同时，冷却速度也会有一同，但电源种类或极性不同时，冷却速度也会有一定的差别。定的差别。直流反接比交流时冷却速度要小一些。直流反接比交流时冷却速度要小一些。v图图1-141-14反映了板厚反映了板厚13mm13mm的焊接试件热影响区的峰值的焊接试件热影响区的峰值温度分布与温度分布与E E和和T T0 0的关系。可见，如果的关系。可见，如果T T0 0相同，相同，E E增增加将使图中曲线变得平缓，从而使热影响区加宽。加将使图中曲线变得平缓，从而使热影响区加宽。 图图1-14 1-14 峰值温度分布与峰值温度分布与E E和和T0T0的关系的关系 11材料成型热过程 二、预热温度的影响二、预热温度的影响 v从实测结果从实测结果( (图图1-15)1-15)可见，可见，T T0 0的影响效果完全类似的影响效果完全类似E E，提高，提高T T0 0会使会使HAZHAZ宽度增大；但与线能量相反，提高宽度增大；但与线能量相反，提高T T0 0可以显著降低冷却速度，而不会明显影响在峰值可以显著降低冷却速度，而不会明显影响在峰值温度附近停留的时间。温度附近停留的时间。 图图1-15 1-15 焊缝边界附近焊接热循环特性与焊缝边界附近焊接热循环特性与E E及及T0T0的关系的关系 12材料成型热过程 三、接头形式的影响三、接头形式的影响 v接头形式不同，导热情况就有差异，因而对焊接接头形式不同，导热情况就有差异，因而对焊接热循环特性也有影响，图热循环特性也有影响，图1-161-16为不同接头形式对为不同接头形式对冷却速度的影响。冷却速度的影响。v从图中可以看出，从图中可以看出，在相同板厚的情况下，丁字接在相同板厚的情况下，丁字接头的冷却速度要比头的冷却速度要比V V形坡口对接接头的冷却速度大形坡口对接接头的冷却速度大1.51.5倍。倍。 图图1-16 1-16 接头形式对接头形式对t t8/58/5的影响的影响 13材料成型热过程 四、焊道长度的影响四、焊道长度的影响 v在同样接头形式和焊接条件下，焊道越短其冷却速在同样接头形式和焊接条件下，焊道越短其冷却速度越大度越大，如图，如图1-171-17所示。所示。v从图中可以看出，当焊道长度短于从图中可以看出，当焊道长度短于40mm40mm时，随着焊时，随着焊道长度变短，其冷却速度急剧增大；并且弧坑的冷道长度变短，其冷却速度急剧增大；并且弧坑的冷却速度最大，约为焊缝中部的却速度最大，约为焊缝中部的2 2倍，甚至还要比引弧倍，甚至还要比引弧端大端大2020左右。左右。 图图1-17 1-17 焊道长度对焊道长度对cc的影响的影响 14材料成型热过程 五、五、 焊接冷却条件的影响焊接冷却条件的影响 v焊接时周围环境及冷却条件，如冬季野外施工，不焊接时周围环境及冷却条件，如冬季野外施工，不仅影响到焊件的初始温度，也会影响到焊接过程中仅影响到焊件的初始温度，也会影响到焊接过程中的传热条件，的传热条件，例如图例如图1-181-18所示为试板焊接时，放在所示为试板焊接时，放在钢板上和放在石棉板上进行时，其冷却速度明显不钢板上和放在石棉板上进行时，其冷却速度明显不同；而焊后冷却到某一温度时，再用石棉覆盖在试同；而焊后冷却到某一温度时，再用石棉覆盖在试板上，其冷却曲线立即拐向，冷却速度明显降低。板上，其冷却曲线立即拐向，冷却速度明显降低。 图图1-18 1-18 试板冷却条件对冷却过程的影响试板冷却条件对冷却过程的影响 11钢板垫板钢板垫板 2 2石棉垫板石棉垫板 3 3覆盖石棉覆盖石棉 15材料成型热过程 1.3.6 1.3.6 多层焊的热循环多层焊的热循环v多层焊热循环实际上是单层焊热循环的交替综合作多层焊热循环实际上是单层焊热循环的交替综合作用。用。v在多道焊中开始焊接后一道焊缝时，在多道焊中开始焊接后一道焊缝时，前一道焊缝所前一道焊缝所具有的最低温度（或称具有的最低温度（或称层间温度层间温度），对于后一道焊），对于后一道焊缝而言，相当于预热温度；后一道焊缝对于前一道缝而言，相当于预热温度；后一道焊缝对于前一道焊缝，相当于在焊接热循环条件下的后热处理焊缝，相当于在焊接热循环条件下的后热处理。v在实际生产中，根据情况不同，有在实际生产中，根据情况不同，有长段多层焊和短长段多层焊和短段多层焊段多层焊两种情况。两种情况。 16材料成型热过程 一、长段多层焊接热循环一、长段多层焊接热循环 v长段多层焊：长段多层焊： 就是每道焊缝的长度较长，一般在就是每道焊缝的长度较长，一般在1m1m以上，这样在焊完第一层再焊第二层时，第一层以上，这样在焊完第一层再焊第二层时，第一层已基本上冷却到较低的温度，一般多在已基本上冷却到较低的温度，一般多在100100200200以下，或以下，或MsMs以下。以下。v长段多层焊热循环曲线如图长段多层焊热循环曲线如图1-191-19所示，从图中可所示，从图中可以看出，以看出，后一道焊缝对前一道焊缝有热处理作用。后一道焊缝对前一道焊缝有热处理作用。v注意：注意：对于一些淬硬倾向较大的钢种，在采用长对于一些淬硬倾向较大的钢种，在采用长段多层焊时，由于层间温度较低，焊缝近缝区容段多层焊时，由于层间温度较低，焊缝近缝区容易出现淬硬组织而产生裂纹。易出现淬硬组织而产生裂纹。因此，因此，必须采取相必须采取相应的工艺措施，如焊前预热、层间度控制、缓冷应的工艺措施，如焊前预热、层间度控制、缓冷等等，来加以预防。等等，来加以预防。 17材料成型热过程图图1-19 1-19 长段多层焊焊接热循环长段多层焊焊接热循环a a） 焊接各点时，近缝区焊接各点时，近缝区1 1，2 2，3 3，点的热循环，点的热循环 b b）各层焊缝截面示意图）各层焊缝截面示意图 18材料成型热过程 二、短段多层焊接热循环二、短段多层焊接热循环 v短段多层焊：短段多层焊： 是指每层焊道长度较短，为是指每层焊道长度较短，为4040400mm400mm，在这种情况下，未等前一层焊缝冷却到较，在这种情况下，未等前一层焊缝冷却到较低的温度低的温度( (如如MsMs点点) )以前就开始焊接下一层，也就以前就开始焊接下一层，也就是它的层间温度温度可以保持在是它的层间温度温度可以保持在MsMs点以上。点以上。 图图1-20 1-20 短段多层焊接热循环短段多层焊接热循环a a） 1 1点的热循环点的热循环 b b） 4 4点的热循环点的热循环 19材料成型热过程v短段多层焊的热循环曲线如图短段多层焊的热循环曲线如图1-20 a1-20 a所示。从图中所示。从图中可以看出，近缝区可以看出，近缝区1 1点和点和4 4点所经历的焊接热循环是点所经历的焊接热循环是比较理想的。比较理想的。v对于对于1 1点：点： 一方面使该点在一方面使该点在A Ac3c3以上停留时间较短，以上停留时间较短，避免了晶粒长大，另一方面减缓了避免了晶粒长大，另一方面减缓了A Ac3c3以下的冷却速以下的冷却速度，从而可以防止淬硬组织的产生。度，从而可以防止淬硬组织的产生。v对于对于4 4点：点： 它是在预热的基础上开始焊接的，如果焊它是在预热的基础上开始焊接的，如果焊缝长度控制合适，那么在缝长度控制合适，那么在A Ac3c3以上停留的时间仍可很以上停留的时间仍可很短，使晶粒不易长大。为了防止最后一道焊缝产生短，使晶粒不易长大。为了防止最后一道焊缝产生淬硬组织，生产上常多焊一层退火焊道，以便延长淬硬组织，生产上常多焊一层退火焊道，以便延长奥氏体分解的时间，如图奥氏体分解的时间，如图1-20b1-20b所示由所示由T TB B延长至延长至T TB B 。 20材料成型热过程v由此可见，短段多层焊对焊缝和热影响区组织都具由此可见，短段多层焊对焊缝和热影响区组织都具有一定的改善作用，适于焊接晶粒易长大而又易于有一定的改善作用，适于焊接晶粒易长大而又易于淬硬的钢种。淬硬的钢种。 但是，短段多层焊的操作工艺十分繁但是，短段多层焊的操作工艺十分繁琐，生产率低，只有在特殊情况下才采用。琐，生产率低，只有在特殊情况下才采用。 21材料成型热过程 1.4 1.4 焊接热影响区焊接热影响区v焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区三部分组成。焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区三部分组成。v热影响区：热影响区： 是指在焊接热源的作用下，焊缝两侧处是指在焊接热源的作用下，焊缝两侧处于固态的母材金相组织和力学性能变化的区域，简于固态的母材金相组织和力学性能变化的区域，简称称HAZHAZ（Heat Affected ZoneHeat Affected Zone）。）。v由于焊接时母材热影响区上各点距焊缝的远近不同，由于焊接时母材热影响区上各点距焊缝的远近不同，各点所经历的焊接热循环不同，因此，各点所经历的焊接热循环不同，因此，整个焊接热整个焊接热影响区的组织和性能分布是不均匀的。影响区的组织和性能分布是不均匀的。 22材料成型热过程 1.4.1 1.4.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织分布分布 1 1、不易淬火钢的组织分布、不易淬火钢的组织分布v不易淬火钢是指在焊后空冷条不易淬火钢是指在焊后空冷条件下不易形成马氏体钢的钢种，件下不易形成马氏体钢的钢种，如低碳钢、如低碳钢、16Mn16Mn、15MnV15MnV、15MnTi15MnTi等。等。v对于这类钢种，按照热影响区对于这类钢种，按照热影响区中不同部位加热的最高温度及中不同部位加热的最高温度及组织特征的不同，可分为以下组织特征的不同，可分为以下三个区域，如图三个区域，如图1-211-21所示。所示。 图图1-21 1-21 焊接热影响区构成示意图焊接热影响区构成示意图11过热区过热区 ；22正火区；正火区；33不完全重结晶区；不完全重结晶区；44淬火区；淬火区；55不完全淬火区；不完全淬火区；66回火区回火区 23材料成型热过程 （1 1） 过热区过热区v加热温度在固相线以下到晶粒开始急剧长大的温度加热温度在固相线以下到晶粒开始急剧长大的温度( (一般指一般指1100)1100)范围内的区域叫过热区。范围内的区域叫过热区。v由于该区加热温度高，奥氏体晶粒严重长大，冷却由于该区加热温度高，奥氏体晶粒严重长大，冷却后也会得到粗大的过热组织，所以，又叫后也会得到粗大的过热组织，所以，又叫粗晶区粗晶区。v该区焊后晶粒度一般为该区焊后晶粒度一般为1 12 2级，韧性很低，通常冲级，韧性很低，通常冲击韧度要降低击韧度要降低20203030。因此，。因此，在焊接刚度较大在焊接刚度较大的结构时，常在过热区产生脆化或裂纹的结构时，常在过热区产生脆化或裂纹。v过热区与熔合区一样，都是焊接接头的薄弱环节。过热区与熔合区一样，都是焊接接头的薄弱环节。 24材料成型热过程 （2 2） 相变重结晶区相变重结晶区( (正火区正火区) )v该区的加热温度是在该区的加热温度是在A Ac3c3以上到晶粒开始急剧长大的以上到晶粒开始急剧长大的温度范围内。温度范围内。由于该区的加热温度超过了由于该区的加热温度超过了A Ac3c3，所以，所以，铁素体和珠光体己全部转变为奥氏体。铁素体和珠光体己全部转变为奥氏体。 又由于加热又由于加热温度较低温度较低( (一般低于一般低于1100)1100)，奥氏体晶粒未显著长，奥氏体晶粒未显著长大，因此在空气中冷却以后会得到均匀而细小的铁大，因此在空气中冷却以后会得到均匀而细小的铁素体和珠光体，相当于热处理时的正火组织，所以素体和珠光体，相当于热处理时的正火组织，所以该区又叫正火区。该区又叫正火区。v此区的综合力学性能一般比母材还好，是热影响区此区的综合力学性能一般比母材还好，是热影响区中组织性能最好的区域。中组织性能最好的区域。 25材料成型热过程 （3 3） 不完全重结晶区不完全重结晶区v该区的加热温度处于该区的加热温度处于A Ac1c1AAc3c3之间之间，因此在加热过程，因此在加热过程中，原来的珠光体全部转变为细小的奥氏体，而中，原来的珠光体全部转变为细小的奥氏体，而铁素体仅部分溶入奥氏体，剩余部分继续长大，铁素体仅部分溶入奥氏体，剩余部分继续长大，成为粗大的铁素体。冷却时奥氏体转变为细小的成为粗大的铁素体。冷却时奥氏体转变为细小的铁素体和珠光体，粗大的铁素依然保留下来。铁素体和珠光体，粗大的铁素依然保留下来。v此区的特点是组织不均匀，晶粒大小不一，因此此区的特点是组织不均匀，晶粒大小不一，因此力学性能也不均匀。力学性能也不均匀。v以上三个区域是低碳钢，低合金钢焊接热影响区以上三个区域是低碳钢，低合金钢焊接热影响区的主要组织特征。的主要组织特征。26材料成型热过程v但如果母材焊前经过冷加工变形，则在加热温度处但如果母材焊前经过冷加工变形，则在加热温度处于于A Ac1c1450450的范围内就会发生再结晶过程，结果的范围内就会发生再结晶过程，结果使加工硬化消失，强度下降，塑性、韧性提高。使加工硬化消失，强度下降，塑性、韧性提高。v对于有时效敏感性的钢种，加热温度在对于有时效敏感性的钢种，加热温度在A Ac1c1300300的范围内，会发生应变时效过程，引起该区的脆化，的范围内，会发生应变时效过程，引起该区的脆化，表现出较强的缺口敏感性，但在金相组织上并无明表现出较强的缺口敏感性，但在金相组织上并无明显变化。显变化。 27材料成型热过程 2 2、易淬火钢的组织特征、易淬火钢的组织特征v易淬火钢是指在焊后空冷条件下容易形成马氏体钢易淬火钢是指在焊后空冷条件下容易形成马氏体钢的钢种，如低碳调质高强钢的钢种，如低碳调质高强钢( (如如18MnMoNb)18MnMoNb)、中碳钢、中碳钢( (如如4545钢钢) )和中碳调质高强钢和中碳调质高强钢( (如如30CrMnSi) 30CrMnSi) 等。等。这类这类钢焊接热影响区的组织分布与母材焊前的热处理状钢焊接热影响区的组织分布与母材焊前的热处理状态有关。态有关。 v 如果母材焊前是正火或退火状态，则焊后热影响区如果母材焊前是正火或退火状态，则焊后热影响区的组织分布可分为：的组织分布可分为： 28材料成型热过程 （1 1） 完全淬火区完全淬火区v该区的加热温度处于固相线到该区的加热温度处于固相线到A Ac3c3之间。之间。由于这类钢由于这类钢的淬硬倾向较大，故的淬硬倾向较大，故焊后将得到淬火组织焊后将得到淬火组织( (马氏体马氏体) )。在靠近焊缝附近在靠近焊缝附近( (相当于低碳钢的过热区相当于低碳钢的过热区) )，由于晶，由于晶粒严重长大，故得到粗大的马氏体，而相当于正火粒严重长大，故得到粗大的马氏体，而相当于正火区的部位得到细小的马氏体。区的部位得到细小的马氏体。v根据冷却速度和线能量的不同，还可能出现贝氏体，根据冷却速度和线能量的不同，还可能出现贝氏体，从而形成了与马氏体共存的混合组织。从而形成了与马氏体共存的混合组织。v这个区在组织特征上都是属同一类型这个区在组织特征上都是属同一类型( (马氏体马氏体) )，只，只是粗细不同，因此统称为完全淬火区。是粗细不同，因此统称为完全淬火区。 29材料成型热过程 （2 2） 不完全淬火区不完全淬火区 v该区的加热温度在该区的加热温度在A Ac1c1A Ac3c3之间，相当于不完全重结之间，相当于不完全重结晶区。晶区。在快速加热条件下，铁素体很少溶入奥氏体，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、索氏体等转变为奥氏体。在随而珠光体、贝氏体、索氏体等转变为奥氏体。在随后快冷时，奥氏体转变为马氏体。原铁素体保持不后快冷时，奥氏体转变为马氏体。原铁素体保持不变，并有不同程度的长大，最后形成马氏体变，并有不同程度的长大，最后形成马氏体- -铁素体铁素体的组织，故称不完全淬火区。的组织，故称不完全淬火区。v如含碳量和合金元素含量不高或冷却速度较小时，如含碳量和合金元素含量不高或冷却速度较小时，也可能出现索氏体和珠光体。也可能出现索氏体和珠光体。 30材料成型热过程v如果母材在焊前是调质状态，那么焊接热影响区的如果母材在焊前是调质状态，那么焊接热影响区的组织，除在上述的完全淬火区和不完全淬火区之外，组织，除在上述的完全淬火区和不完全淬火区之外，还可能发生不同程度的回火处理，称为回火区还可能发生不同程度的回火处理，称为回火区( (低于低于AcAc1 1以下的区域以下的区域) )。v在回火区内组织和性能发生的变化程度决定于焊前在回火区内组织和性能发生的变化程度决定于焊前调质状态的回火温度。调质状态的回火温度。31材料成型热过程v例如，焊前调质时的回火温度为例如，焊前调质时的回火温度为T Tt t，那么低于，那么低于T Tt t温温度的部位，其组织性能不发生变化；而热影响区高度的部位，其组织性能不发生变化；而热影响区高于于T Tt t温度的部位，组织性能将发生变化，出现软化温度的部位，组织性能将发生变化，出现软化现象。现象。v由此看来，热影响区的组织和性能不仅与母材的化由此看来，热影响区的组织和性能不仅与母材的化学成分有关，同时也与焊前的热处理状态有关。学成分有关，同时也与焊前的热处理状态有关。 32材料成型热过程本讲小结本讲小结v影响焊接热循环的因素影响焊接热循环的因素v多层焊的热循环多层焊的热循环v焊接热影响区的组织分布焊接热影响区的组织分布33材料成型热过程