1、.第五章第五章 焊接热影响区焊接热影响区 的组织和性能的组织和性能.焊接热影响区焊接热影响区 熔焊时在集中热源的作用下，焊缝两侧的母材上发生熔焊时在集中热源的作用下，焊缝两侧的母材上发生组织和性能变化的区域。叫组织和性能变化的区域。叫焊接热影响区焊接热影响区，或，或近缝区近缝区。焊接接头焊接接头(joint)焊缝区焊缝区(WM)热影响区热影响区(HAZHAZ)低碳钢的低碳钢的WM和和HAZ一般不出现问题，但是，随着高一般不出现问题，但是，随着高强钢、高合金钢以及特种钢的应用，在某些情况下，强钢、高合金钢以及特种钢的应用，在某些情况下，HAZ易脆化，可能成为焊接接头的薄弱地带，对其研究非常必易脆
2、化，可能成为焊接接头的薄弱地带，对其研究非常必要。要。本章主要根据本章主要根据低合金高强钢低合金高强钢焊接过程中，由于快速不焊接过程中，由于快速不均匀加热和冷却引起热影响区组织和性能的变化而进行讨均匀加热和冷却引起热影响区组织和性能的变化而进行讨论。论。.第一节第一节 焊接热循环焊接热循环一、焊接热循环一、焊接热循环 1.定义：定义：在焊接热源作用下，焊件上在焊接热源作用下，焊件上某一点某一点的温度随时间的变化规律。的温度随时间的变化规律。图图5-1 2.规律：规律：焊件上任意点的温度经历由低到高、又由高到低的加热和冷却过程；焊件上任意点的温度经历由低到高、又由高到低的加热和冷却过程；距离热源
3、移动轴线位置不同的各点，所经历的热循环是不同的。距离热源移动轴线位置不同的各点，所经历的热循环是不同的。焊接方法不同，热循环曲线的形状也不同。焊接方法不同，热循环曲线的形状也不同。如图如图5-2 3.特点：特点：加热速度快；加热速度快；加热温度高；加热温度高；高温停留时间短；高温停留时间短；冷却速度快；冷却速度快；局部加热。局部加热。焊接是一个不均匀加热和冷却过程焊接是一个不均匀加热和冷却过程结果导致：结果导致：焊接热影响区的组织和性能不均匀焊接热影响区的组织和性能不均匀 接头中产生复杂的应力和应变接头中产生复杂的应力和应变.图图5-1.图图5-2.4.表征焊接热循环的主要参数表征焊接热循环的
4、主要参数:（1）加热速度）加热速度H 加热速度加热速度H快，奥氏体化温度升高，奥氏体中的碳化物溶解不充分，快，奥氏体化温度升高，奥氏体中的碳化物溶解不充分，奥氏体均质化程度低，稳定性差奥氏体均质化程度低，稳定性差.（2）峰值温度）峰值温度 Tm 焊缝两侧各点的焊缝两侧各点的Tm不同，冷却过程中发生的相变不同，组织性能不同不同，冷却过程中发生的相变不同，组织性能不同.（3）高温停留时间）高温停留时间 t H 在相变温度在相变温度Ac3以上停留的时间。以上停留的时间。一般指一般指11001200以上的停留时间。以上的停留时间。t H越长，越有利于奥氏体的均质化，同时带来严重的晶粒长大越长，越有利于
5、奥氏体的均质化，同时带来严重的晶粒长大.把高温停留时间把高温停留时间tH分为加热过程的停留时间分为加热过程的停留时间t和冷却过程的停留时间和冷却过程的停留时间t.即即：t H=t+t 奥氏体不仅在加热过程中长大，而且冷却过程中也在长大奥氏体不仅在加热过程中长大，而且冷却过程中也在长大 奥氏体长大的热惯性奥氏体长大的热惯性.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停留时间停留时间tH 冷却速度冷却速度c(或冷却时间或冷却时间t8/5)相相变变组组织织晶晶粒粒大大小小.（4）冷却速度）冷却速度 c 冷却速度是决定焊接冷却速度是决定焊接HAZ组织和性能的主要参数。组织
6、和性能的主要参数。i.i.某一温度下的冷却速度某一温度下的冷却速度（瞬时冷速瞬时冷速）c 低碳、低合金钢低碳、低合金钢熔合线熔合线附近在冷却过程中，冷到附近在冷却过程中，冷到540左右的瞬时冷速。左右的瞬时冷速。因焊接冷速快，瞬时冷速测定困难，常用如下冷速：因焊接冷速快，瞬时冷速测定困难，常用如下冷速：ii.一定温度范围内的平均冷速一定温度范围内的平均冷速 为为便于研究，常采用便于研究，常采用“某一温度范围内某一温度范围内”的冷却时间的冷却时间”来表示平均冷来表示平均冷速。速。即在某温度范围内，冷却所持续的时间。即在某温度范围内，冷却所持续的时间。如如 t8/5，t8/3,t100 等。等。t
7、8/5熔合线附近的金属从熔合线附近的金属从800冷却到冷却到500所持续的时间。所持续的时间。t8/3熔合线附近的金属从熔合线附近的金属从800冷却到冷却到300所持续的时间。所持续的时间。t100熔合线附近的金属从熔合线附近的金属从Tm冷却到冷却到100所持续的时间。所持续的时间。注：注：冷裂倾向较大的钢种用冷裂倾向较大的钢种用t8/3 和和t100 表示冷速；表示冷速；冷裂倾向较小的钢种，如低碳钢、低合金钢用冷裂倾向较小的钢种，如低碳钢、低合金钢用t8/5 表示冷速。表示冷速。c.5.热循环参数的计算热循环参数的计算点热源（厚板）点热源（厚板）线热源（薄板）线热源（薄板）峰值温度峰值温度m
8、高温停留高温停留时间时间 tH冷却速度冷却速度冷却时间冷却时间)TT(2Et0HH20H2)TT(c2)E(tH20mRcE234.0TTycE242.0TT0mE)TT(220CC230)E()TT(c2CC0058T8001T50012Et2020258T8001T5001c4)E(t.上述热循环参数的计算公式繁琐。为方便起见，应用上述上述热循环参数的计算公式繁琐。为方便起见，应用上述公式可以建立不同条件下的图解法公式可以建立不同条件下的图解法线算图线算图。用此，可方便地求得不同焊接方法下的用此，可方便地求得不同焊接方法下的t8/5，t8/3 和和 t100。线算图线算图应用演示.6.6.
9、影响焊接热循环的因素影响焊接热循环的因素 焊件尺寸形状焊件尺寸形状 在在E一定的条件下：一定的条件下：a.a.薄板，随板宽增大，冷速增大；薄板，随板宽增大，冷速增大；b.b.厚板，随随板厚增大，冷速增大。厚板，随随板厚增大，冷速增大。接头形式接头形式 不同接头形式的导热有差异，冷速不同。不同接头形式的导热有差异，冷速不同。相同板厚的丁字接头冷速要比相同板厚的丁字接头冷速要比V字接头大约字接头大约1.5倍。倍。焊道长度焊道长度 接头形式、焊接参数一定时，焊道越短，冷速越大。接头形式、焊接参数一定时，焊道越短，冷速越大。当焊道长度当焊道长度40mm时，冷速明显增大。时，冷速明显增大。弧坑处冷速约为
10、焊缝冷速的弧坑处冷速约为焊缝冷速的2倍；甚至倍；甚至 比引弧断大比引弧断大20。焊接线能量焊接线能量 随随E增大，增大，Tm、tH增大增大，c增大。增大。a.焊接方法不同，冷速不同：在焊接方法不同，冷速不同：在E一定时，一定时，埋弧焊埋弧焊 气电焊气电焊手弧焊手弧焊 b.同一焊法同一焊法，c 也可能不同：也可能不同：直流反接直流反接 1m）。）。在焊接后一层时，前一焊层已冷至较低的温度（在焊接后一层时，前一焊层已冷至较低的温度（100200或或M MS S点以下）点以下）图图5-4。长段多层焊适于淬硬倾向小的钢种的焊接。长段多层焊适于淬硬倾向小的钢种的焊接。淬硬倾向较大的钢种，不适于长段多层焊
11、。淬硬倾向较大的钢种，不适于长段多层焊。淬硬倾向大钢种焊接时，层间温度较低，熔合线附近易出现淬硬淬硬倾向大钢种焊接时，层间温度较低，熔合线附近易出现淬硬组织而产生裂纹。必须采用相应的工艺措施，如焊前预热，控制层组织而产生裂纹。必须采用相应的工艺措施，如焊前预热，控制层间温度，缓慢冷却等。间温度，缓慢冷却等。（1）长段多层焊焊接热循环）长段多层焊焊接热循环动画演示动画演示.图图5-4.（2）短段多层焊焊接热循环）短段多层焊焊接热循环 短段多层焊，指每道焊缝较短（约短段多层焊，指每道焊缝较短（约50400mm）。）。未等前层焊缝冷却到较低温度就进行下道焊接。未等前层焊缝冷却到较低温度就进行下道焊接
12、。近缝区近缝区1点和点和4点所经历的焊接热循环是比较理想的：点所经历的焊接热循环是比较理想的：1点在点在Ac3以上停留时间较短，避免了晶粒长大；以上停留时间较短，避免了晶粒长大；减缓了减缓了Ac3以下的冷速，防止淬硬组织。以下的冷速，防止淬硬组织。4点是在预热的基础上开始焊接的，如焊缝的长度控制合适，点是在预热的基础上开始焊接的，如焊缝的长度控制合适，Ac3以上以上 停留的时间仍可很短，使晶粒不易长大。停留的时间仍可很短，使晶粒不易长大。为预防表面层产生淬硬组织，可增为预防表面层产生淬硬组织，可增退火焊道退火焊道，以增长奥氏体分解，以增长奥氏体分解 时间。时间。短段多层焊对焊缝和热影响区组织都
13、具有一定的改善作用，适于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 焊接晶粒易长而又易于淬硬的钢种。焊接晶粒易长而又易于淬硬的钢种。.图图5-5动画演示动画演示.第二节第二节 焊接热循环条件下的金属焊接热循环条件下的金属组织转变特点组织转变特点一、焊接过程金属组织转变的特点一、焊接过程金属组织转变的特点 焊接条件下的组织转变语热处理条件下的组织转变基本原理是一致的。氮焊焊接条件下的组织转变语热处理条件下的组织转变基本原理是一致的。氮焊 接本身的特殊性，决定了焊接过程组织转变的特殊性。接本身的特殊性，决定了焊接过程组织转变的特殊性。1.焊接过程的特点焊接过程的特点（1）加热温度高）
14、加热温度高：热处理热处理 TmaxTmaxAc3+100Ac3+100200200；低碳钢焊缝边界；低碳钢焊缝边界13501350。（2）加热速度快）加热速度快：是热处理的几十到几百倍。是热处理的几十到几百倍。（3）高温停留时间短）高温停留时间短：Ac3以上停留时间：手弧焊约以上停留时间：手弧焊约420秒；埋弧焊约秒；埋弧焊约30100秒。秒。（4）自然条件下连续冷却）自然条件下连续冷却：个别需焊后保温或热处理。个别需焊后保温或热处理。（5）局部加热）局部加热：加热区随热源移动；组织转变在应力作用下进行；转变过程不均匀。加热区随热源移动；组织转变在应力作用下进行；转变过程不均匀。根据焊接热循环
15、特点，建立焊接条件下金属学理论，研究金属的相变机理和组织根据焊接热循环特点，建立焊接条件下金属学理论，研究金属的相变机理和组织 性能变化规律非常必要。性能变化规律非常必要。.2.焊接加热过程金属组织转变特点焊接加热过程金属组织转变特点 焊接加热速度很快，各种金属的相变温度与等温转变相比发生很大变化：焊接加热速度很快，各种金属的相变温度与等温转变相比发生很大变化：加热速度越快，被焊金属的相变点加热速度越快，被焊金属的相变点Ac1Ac1和和Ac3Ac3 越高，而且越高，而且Ac1Ac1与与Ac3Ac3 温温 度差越大；度差越大；钢中含有较多的碳化物形成元素时，钢中含有较多的碳化物形成元素时，更明显
16、；更明显；加热速度快，高温停留时间短，奥氏体均质化程度差。加热速度快，高温停留时间短，奥氏体均质化程度差。原因原因:焊接加热速度很快焊接加热速度很快 来不及完成由珠光体和铁素体向奥氏体转变（扩散性重结晶过程）所来不及完成由珠光体和铁素体向奥氏体转变（扩散性重结晶过程）所 需的孕育期，引起相变温度提高。需的孕育期，引起相变温度提高。含有碳化物形成元素（含有碳化物形成元素（Cr、W、Mo、V、Ti、Nb）的钢，奥氏体的转变）的钢，奥氏体的转变 过程更加缓慢。过程更加缓慢。a).碳化物形成元素扩散速度小，碳化物形成元素扩散速度小，b).其本身还阻碍碳的扩散。其本身还阻碍碳的扩散。加热速度对已形成的奥
17、氏体进行均质化过程也具有重要的影响。由于加热速度对已形成的奥氏体进行均质化过程也具有重要的影响。由于 奥氏体的均质化过程是属于扩散过程，因此加热速度快和相变以上停奥氏体的均质化过程是属于扩散过程，因此加热速度快和相变以上停 留时间短，都不利于扩散过程的进行，从而均质化的程度很差。留时间短，都不利于扩散过程的进行，从而均质化的程度很差。.图图5-63.焊接焊接冷却过程冷却过程组织转变的特点组织转变的特点 由于焊接热影响区所经历的热过程与热处理条件下有明显不同，因此冷却过程的组织由于焊接热影响区所经历的热过程与热处理条件下有明显不同，因此冷却过程的组织转变会有很大差异，其冷却过程中组织的转变也有特
18、点。焊接和热处理时，加热及冷转变会有很大差异，其冷却过程中组织的转变也有特点。焊接和热处理时，加热及冷却过程。却过程。熔合线附近是焊接接头的薄弱地带，主要研究该区的冷却组织转变。熔合线附近是焊接接头的薄弱地带，主要研究该区的冷却组织转变。.（1）碳素钢）碳素钢 例如例如45钢钢：45钢在焊接条件下比热处理条件下的钢在焊接条件下比热处理条件下的CCT曲线稍向曲线稍向右移右移。说明在相同冷却速度条件下，焊接时比热处理时的说明在相同冷却速度条件下，焊接时比热处理时的淬硬倾向淬硬倾向大。大。原因：原因：45钢接头中熔合线附近粗晶区的组织粗化，奥氏体稳定性钢接头中熔合线附近粗晶区的组织粗化，奥氏体稳定性
19、升高，淬硬倾向比热处理条件下要大。升高，淬硬倾向比热处理条件下要大。图图5-7示示.图图 5-7 45钢连续冷却的钢连续冷却的CCT图图F-铁素体铁素体 P-珠光体珠光体 Z-中间组织中间组织(包括贝氏体包括贝氏体)A-奥氏体奥氏体 M-马氏体马氏体实线实线-焊接焊接(Tm=1350,t=4.5s)虚线虚线-热处理（热处理（Tm=1050,TB=3min).（2）合金钢）合金钢 例如例如40Cr钢钢：40Cr 钢在焊接条件下的钢在焊接条件下的CCT曲线比热处理条件下的曲线比热处理条件下的CCT曲线向曲线向左移左移，即，在同样冷却速度条件下焊接时比热处理时的，即，在同样冷却速度条件下焊接时比热处
20、理时的淬硬倾向小淬硬倾向小。原因：原因：40Cr 在热处理条件下，可以有充分的时间使碳化物合金在热处理条件下，可以有充分的时间使碳化物合金元素向奥氏体内部溶解。而在焊接条件下，由于加热速度快，元素向奥氏体内部溶解。而在焊接条件下，由于加热速度快，高温停留时间短，所以这些合金元素不能充分地溶解在奥氏高温停留时间短，所以这些合金元素不能充分地溶解在奥氏体中，奥氏体稳定性降低，钢的淬硬倾向降低。体中，奥氏体稳定性降低，钢的淬硬倾向降低。图图5-8示示.图图5-8.二、焊接条件下二、焊接条件下CCTCCT图的建立及应用图的建立及应用 焊接焊接CCT图的应用图的应用 焊接焊接CCT图（图（continu
21、ous cooling transformation diagram)在新钢种投产之前就测定出其在新钢种投产之前就测定出其CCT图，查出在一定焊接图，查出在一定焊接 工工 艺条件下艺条件下HAZ的组织和性能，作为选择焊接的组织和性能，作为选择焊接E、T0和制定焊和制定焊 接工艺的依据；接工艺的依据；根据根据CCT图，只要知道熔合线附近的图，只要知道熔合线附近的t8/5就可方便地查出就可方便地查出 其相应的组织和硬度。即预先判断出钢种在焊接条件下的其相应的组织和硬度。即预先判断出钢种在焊接条件下的 接头性能，由此预测钢的淬硬倾向及产生冷裂纹的可能性。接头性能，由此预测钢的淬硬倾向及产生冷裂纹的可
22、能性。举例：举例：（1）16Mn钢的钢的CCT图及组织和硬度的变化。图及组织和硬度的变化。（2）调质高强钢（调质高强钢（14MnMoNbB）的）的CCT图。图。图图5-9示。示。动画演示动画演示动画演示动画演示2动画演示动画演示1.图图5-9.2.2.焊接焊接CCTCCT图的建立图的建立 过去应用对热处理过去应用对热处理TTT曲线的数据进行计算和加工处理的方法来制定焊曲线的数据进行计算和加工处理的方法来制定焊接用接用CCT曲线。曲线。目前测定目前测定CCT曲线的方法有两种：曲线的方法有两种：焊接热模拟法焊接热模拟法（多用）（多用）和就地实测法和就地实测法。（1）焊接热模拟法）焊接热模拟法 利用
23、焊接热模拟试验装置与各种相变测定仪配合测定利用焊接热模拟试验装置与各种相变测定仪配合测定CCT曲线。曲线。加热方式：加热方式：电阻加热；高频感应加热电阻加热；高频感应加热 模拟方法：模拟方法：将待测钢材制作成具有一定尺寸要求的试件，放入热模拟将待测钢材制作成具有一定尺寸要求的试件，放入热模拟 装置中加热，当达到装置中加热，当达到Tm时，将试样置于不同冷却条件的介时，将试样置于不同冷却条件的介 质中冷却，如喷氮气、氦气等。与此同时，用温度测定、质中冷却，如喷氮气、氦气等。与此同时，用温度测定、记录装置测出记录装置测出T-t 曲线，并用相变测定仪测出相变点。曲线，并用相变测定仪测出相变点。相变测定
24、方法：相变测定方法：a.热膨胀法：利用试件相变时比容发生变化来测定相变点。热膨胀法：利用试件相变时比容发生变化来测定相变点。b.热分析法：利用金属相变时的热效应（相变潜热）测定相变点。热分析法：利用金属相变时的热效应（相变潜热）测定相变点。c.磁分析法：根据相变时金属磁性的改变测定相变点。磁分析法：根据相变时金属磁性的改变测定相变点。（2）就地实测法：）就地实测法：在实际焊缝熔合线附近直接测定相变信息的方法。常用在实际焊缝熔合线附近直接测定相变信息的方法。常用插销法插销法。该法的热循环与实际焊件完全相同；考虑了该法的热循环与实际焊件完全相同；考虑了HAZ存在的温度梯存在的温度梯 度；考虑了由温
25、度梯度引起的应力影响。度；考虑了由温度梯度引起的应力影响。.3.影响影响CCT图的因素图的因素（1）母材化学成分的影响）母材化学成分的影响 焊接条件下的焊接条件下的CCT曲线的形状，从根本上来说取决于母材的成分。曲线的形状，从根本上来说取决于母材的成分。除钴之外，所有固溶于奥氏体的合金元素都使除钴之外，所有固溶于奥氏体的合金元素都使CCT曲线向右移，即增加曲线向右移，即增加 淬硬倾向，并降低淬硬倾向，并降低Ms点，其中以点，其中以碳碳的影响为最大。的影响为最大。（2）冷却速度的影响）冷却速度的影响 a.冷速增大，冷速增大，Fe-C相图相图向左下方向左下方移动，移动，0.40.8C成分范围可形成
26、成分范围可形成 伪共析组织；伪共析组织；b.当钢中含有碳化物或氮化物形成元素时，因其在焊接条件下并未溶当钢中含有碳化物或氮化物形成元素时，因其在焊接条件下并未溶 于奥氏体中，而使得奥氏体的稳定性降低，于奥氏体中，而使得奥氏体的稳定性降低，CCT曲线曲线左移左移；c.冷却速度增加：冷却速度增加：Ms有所上升有所上升；马氏体形态会有所改变：马氏体形态会有所改变：M条条 M片片 原因原因：冷却速度增大，马氏体滑移抗力增大，不均匀切变以孪晶冷却速度增大，马氏体滑移抗力增大，不均匀切变以孪晶 方式进行。方式进行。.（3）峰值温度的影响）峰值温度的影响 峰值温度升高：峰值温度升高：a.使过冷奥氏体的稳定性
27、加大使过冷奥氏体的稳定性加大;b.促使奥氏体晶粒粗化。促使奥氏体晶粒粗化。两方面共同作用的结果使奥氏体稳定性增高，两方面共同作用的结果使奥氏体稳定性增高，CCT曲线右移。曲线右移。例如，例如，16Mn钢钢CCT图的影响图的影响如图如图5-10所示。所示。图图5-10.（4）晶粒粗化的影响）晶粒粗化的影响 在焊接条件下，奥氏体晶粒不但在加热过程中长大，而且在冷却过程在焊接条件下，奥氏体晶粒不但在加热过程中长大，而且在冷却过程 中也长大，即所谓晶粒长大的中也长大，即所谓晶粒长大的“热惯性热惯性”。晶粒粗化对奥氏体的分解转变及转变产物的形态有很大影响。晶粒越晶粒粗化对奥氏体的分解转变及转变产物的形态
28、有很大影响。晶粒越 粗大，晶界的总面积越小，也就减小了形核的机会，不利于奥氏体的转变。粗大，晶界的总面积越小，也就减小了形核的机会，不利于奥氏体的转变。CCT曲线曲线右移右移。（5）应力应变的影响）应力应变的影响 焊接过程不可避免地产生应力。焊接过程不可避免地产生应力。a.拉伸应力作用明显地降低奥氏体的稳定性，拉伸应力作用明显地降低奥氏体的稳定性，CCT曲线曲线左移左移。应力和应变都会增加奥氏体的内能，从而加速扩散过程，有利扩散应力和应变都会增加奥氏体的内能，从而加速扩散过程，有利扩散 型相变的进行。型相变的进行。b.应力应变影响由奥氏体向马氏体的转变：拉应力、切应力可促进马应力应变影响由奥氏
29、体向马氏体的转变：拉应力、切应力可促进马 氏体转变（体积增大），氏体转变（体积增大），Ms升高和马氏体转变量增加；压应力则会升高和马氏体转变量增加；压应力则会 阻碍马氏体转变。阻碍马氏体转变。.第三节第三节 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能 HAZHAZ各点经历不同的热循环，出现不同的组织和性能。整个焊各点经历不同的热循环，出现不同的组织和性能。整个焊接接HAZHAZ的组织和性能是不均匀的。的组织和性能是不均匀的。为了分析焊接过程中钢的组织转变，把钢划分为易淬钢和不易为了分析焊接过程中钢的组织转变，把钢划分为易淬钢和不易淬钢。淬钢。附：附：钢种脆硬倾向的判据钢种脆硬倾向的判据碳
30、当量碳当量 ：CE0.42%、Pcm 0.23：不易淬钢不易淬钢 如如 20钢、钢、A3钢、钢、12Mn、15MnTi、09Mn2Si、15MnV等。等。CE0.42%、Pcm 0.23：易淬钢易淬钢 如如 14MnMoNbB14MnMoNbB、18MnMoNb18MnMoNb、14MnMoV14MnMoV、30CrMnSi30CrMnSi、40Cr40Cr、HY80HY80美美、HY120HY120、wel-ten80wel-ten80日日、wel-ten60wel-ten60等。等。.低碳钢碳当量计算式：低碳钢碳当量计算式：适于适于C 0.18的低合金钢。的低合金钢。适于适于C0.18的低
31、合金钢。的低合金钢。不易淬钢：不易淬钢：低碳钢、一些低合金钢；低碳钢、一些低合金钢；易淬钢：易淬钢：热轧钢（正火态，热轧钢（正火态，F+P）；）；调质钢（回火态，调质钢（回火态，S）BVMoNiCuCrMnSiCPcm510156020301565CuNiMVCrMCCnOE.一、焊接热影响区的组织分布一、焊接热影响区的组织分布 焊接焊接HAZHAZ组织和性能的分析依据组织和性能的分析依据Fe-C相图。相图。1.不易淬火钢焊接不易淬火钢焊接HAZ可分为：可分为：（1）熔合区）熔合区 TST1100 TS 奥氏体晶粒发生严重的长大现象，常温组织为奥氏体晶粒发生严重的长大现象，常温组织为粗大的铁素
32、体和珠光体粗大的铁素体和珠光体。此区的韧性很低，通常要降低此区的韧性很低，通常要降低20%30%。拘束大件易产生脆化或裂纹。拘束大件易产生脆化或裂纹。过热区的大小与焊接方法、焊接线能量和母材的板厚等有关：过热区的大小与焊接方法、焊接线能量和母材的板厚等有关：气焊和电渣焊时比较宽；气焊和电渣焊时比较宽；手弧焊和埋弧自动焊时较窄；手弧焊和埋弧自动焊时较窄；真空电子束、激光焊接时几乎不存在。真空电子束、激光焊接时几乎不存在。母材中含有母材中含有V、Nb、Ti、Mo等碳化物形成元素时，晶粒粗化程度降低。等碳化物形成元素时，晶粒粗化程度降低。.（3）相变重结晶区）相变重结晶区（正火区）（正火区）T=A3
33、1100 焊接母材被加热到焊接母材被加热到Ac3以上，将发生重结晶（即铁素体和珠光体以上，将发生重结晶（即铁素体和珠光体 全部转变为奥氏体），然后在空气中冷却就会得到全部转变为奥氏体），然后在空气中冷却就会得到均匀细小的珠光体均匀细小的珠光体 和铁素体和铁素体，相当于热处理时的正火组织。，相当于热处理时的正火组织。（4）不完全重结晶区）不完全重结晶区（不完全正火区）（不完全正火区）T=Ac1Ac3 处于处于Ac1Ac3范围内只有一部分组织发生了相变重结晶过程，另一范围内只有一部分组织发生了相变重结晶过程，另一 部分是始终未能溶于奥氏体的铁素体，成为粗大的铁素体。所以此区部分是始终未能溶于奥氏体
34、的铁素体，成为粗大的铁素体。所以此区 由由粗大的铁素体和细小的珠光体粗大的铁素体和细小的珠光体组成的不均匀组织。组成的不均匀组织。（5）亚热影响区）亚热影响区 T Ac1300 组织无变化，但性能可能发生变化的区域。组织无变化，但性能可能发生变化的区域。焊前加工变形或具有应变的钢种，在焊前加工变形或具有应变的钢种，在T Ac3 T1100，粗大粗大 M(B)T=A31100 细小细小 M(B)（2）不完全淬火区）不完全淬火区 T=Ac1Ac3 F快快M (B、S、P)B.B.母材为调质态母材为调质态 除了除了A中的中的（1）、（）、（2）区之外，还存在：区之外，还存在：（3）回火区（软化区）回
35、火区（软化区）TT回回AC1 回火组织中的铁索体基体上存在着回火组织中的铁索体基体上存在着Fe3C型碳化物，型碳化物，若若TT回回时，组织无变化；时，组织无变化；但当但当TT回回AC1时时，合金元素和碳原子发生扩散，使碳化物颗粒增大，铁素，合金元素和碳原子发生扩散，使碳化物颗粒增大，铁素 体基体因贫合金元素和碳而变软。体基体因贫合金元素和碳而变软。.几点说明：几点说明：a.不易淬钢的不易淬钢的HAZ一般为一般为AF+P，但若母材成分和施工条件有异，将，但若母材成分和施工条件有异，将 发生不同转变：发生不同转变：钢中存在钢中存在S、C偏析，偏析，HAZ会出现不应有的脆硬组织，甚至裂纹；会出现不应
36、有的脆硬组织，甚至裂纹；低碳钢在不完全重结晶区也会出现脆硬组织。低碳钢在不完全重结晶区也会出现脆硬组织。因快速加热至因快速加热至Ac1Ac3时时，P A（0.8C），），快速冷却时快速冷却时C来不及扩散，来不及扩散，AMT 最终组织为最终组织为F快快M 或或M-A组元。组元。b.易淬钢一般发生易淬钢一般发生AM转变，但若冷速慢，碳和合金元素含量低时，转变，但若冷速慢，碳和合金元素含量低时，也会出现也会出现F、P组织。组织。.二、焊接热影响区的性能二、焊接热影响区的性能 焊接热影响区的组织分布是不均匀的，其性能分布也不均匀。焊接热影响区的组织分布是不均匀的，其性能分布也不均匀。一般焊接结构主要考
37、虑一般焊接结构主要考虑HAZ的硬化、脆化、韧化、软化及综合的硬化、脆化、韧化、软化及综合力学性能力学性能 问题，抗疲劳性和抗腐蚀性等。应根据具体使用要求决定。问题，抗疲劳性和抗腐蚀性等。应根据具体使用要求决定。以上性能在一般试验条件下，只是反映焊缝和以上性能在一般试验条件下，只是反映焊缝和HAZ的平均性能，的平均性能，难以反映热影响区某个部位（区域）的实际性能。难以反映热影响区某个部位（区域）的实际性能。.1 1、焊接热影响区的硬度、焊接热影响区的硬度母材的淬硬倾向（内因）母材的淬硬倾向（内因）HAZ的冷却速度（外因）的冷却速度（外因）HAZ的硬度的硬度 高低取决于高低取决于化学成分化学成分焊
38、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 8/5.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。而增大。合金元素的影响与其所处的形态有关。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溶于奥氏体时提高淬硬性(和和淬透性淬透性)；而形成不溶碳化物、氮化
39、物时，则可成为非马氏体相变形；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。核的核心，促进细化晶粒，使淬硬性下降。碳当量是反映钢中化学成分对硬化程度的影响碳当量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，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。碳的相当含量。.常用常用HAZHAZ的的H Hmaxmax来间接判断来间接判断HAZHAZ的性能：的性能：a.Ca.CE E、t t8/58/5与与H Hmaxmax的关系：的关系：Hmax1274
40、Pcm45 Hmax559 CE+100 Hmax140+1089Pcm-8.2 t8/5 随随Pcm、CE的增大或的增大或t8/5的减小，的减小，Hmax升高。升高。可见：可见：Hmax是反映钢种焊接性能的重要指标之一，是反映钢种焊接性能的重要指标之一，比碳当量更为准确。比碳当量更为准确。强度级别越高的钢种，相应的最大硬度允许值越大。强度级别越高的钢种，相应的最大硬度允许值越大。见见P195表表4-15.图图5-12.b.b.焊接焊接HAZHAZ中中HmaxHmax的计算：的计算：国产低合金高强钢国产低合金高强钢Hmax计算式：计算式：当当t8/5M100时，时，Hmax52.0147.0P
41、cm-81 lg t8/5 注：注：M100指指HAZ组织全部转变为组织全部转变为M时的时的t8/5，此时冷速已达，此时冷速已达 饱和值，只与含碳量有关，而与冷速无关。饱和值，只与含碳量有关，而与冷速无关。.c.HAZ c.HAZ硬度分布：硬度分布：低碳低合金钢低碳低合金钢HAZ硬度分布硬度分布 低碳低合金钢低碳低合金钢HAZ硬度分布如硬度分布如图图5-13示。示。焊接焊接HAZ的熔合区附近硬度最高，距熔合区越远，硬度逐渐接近的熔合区附近硬度最高，距熔合区越远，硬度逐渐接近 母材。母材。Hmax没有在熔合线上，而是在偏向没有在熔合线上，而是在偏向HAZ约约0.05mm处。处。原因：原因：HAZ
42、中，中，Tm1100区，晶粒粗大，快速冷却时硬度升高；区，晶粒粗大，快速冷却时硬度升高；熔合区中，熔合区中，C由固态母材向液态熔池扩散，结果使焊缝因含由固态母材向液态熔池扩散，结果使焊缝因含C量升量升 高而硬度增大，母材则因含高而硬度增大，母材则因含C量减小而硬度降低。量减小而硬度降低。焊接接头焊接接头HAZ硬度测定方法硬度测定方法硬度测定方法图硬度测定方法图.图图5-13.调质钢调质钢HAZHAZ的硬度分布的硬度分布 调质钢调质钢HAZ硬度分布与硬度分布与 基本相同，但在基本相同，但在 Tm600700有一硬度下有一硬度下降区降区软化区。软化区。图图5-14.经过调质处理的高强钢和具有沉淀强
43、化及弥散强化的合金，经焊接之后在经过调质处理的高强钢和具有沉淀强化及弥散强化的合金，经焊接之后在HAZHAZ会产生不同程度的软化或失强，这将影响焊接结构的力学性能和承载能力。会产生不同程度的软化或失强，这将影响焊接结构的力学性能和承载能力。i.调质钢调质钢HAZ的软化程度与母材焊前的热处理状态有关。的软化程度与母材焊前的热处理状态有关。母材焊前回火温度越低母材焊前回火温度越低(即强化程度越大即强化程度越大)，则焊后的软化程度越严重，则焊后的软化程度越严重，如如图图5-15所示。所示。ii.HAZ中软化最明显的部位大都在中软化最明显的部位大都在A1A3之间，一般在之间，一般在 T=Acl附近失强
44、最大。附近失强最大。这与此温度内不完全淬火过程密切相关。这与此温度内不完全淬火过程密切相关。焊接加热过程中，焊接加热过程中，A未达平衡，未达平衡，Fe3C、K未能充分溶解；冷却时未能充分溶解；冷却时A发生分发生分 解，使强度、硬度降低。解，使强度、硬度降低。iii.不同的焊接方法和焊接线能量主要影响软化区的宽度。不同的焊接方法和焊接线能量主要影响软化区的宽度。E增大、软化区宽度增大，强度和硬度降低。增大、软化区宽度增大，强度和硬度降低。有人认为，接头中的软化区为以狭层，并处于强体之间，其塑性变形受到有人认为，接头中的软化区为以狭层，并处于强体之间，其塑性变形受到相邻两强体的拘束，受力时将会产生
45、应变强化的效应。因此对接头性能不构成相邻两强体的拘束，受力时将会产生应变强化的效应。因此对接头性能不构成影响。影响。.图图5-15.图图5-16.2.热影响区的强度和塑性热影响区的强度和塑性 （1）焊接）焊接HAZ强度强度 低碳钢：低碳钢：低合金高强钢：低合金高强钢：HAZ强度分布与硬度分布曲线相似，只是坐标不同而已。强度分布与硬度分布曲线相似，只是坐标不同而已。（2）HAZ塑性塑性 塑性分布曲线与强度分布曲线相似，但走向恰恰相反。塑性分布曲线与强度分布曲线相似，但走向恰恰相反。HVb35.0HVb31.0强度塑性1.3.热影响区的韧性热影响区的韧性 韧性是材料在塑性应变和断裂过程中吸收能量的
46、能力，它是强度和韧性是材料在塑性应变和断裂过程中吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合体现。塑性的综合体现。以碳锰钢为例，说明以碳锰钢为例，说明HAZ不同部位的韧性分布如不同部位的韧性分布如图图5-17示。示。由图可见：由图可见：HAZ韧性降低（脆化）有韧性降低（脆化）有2个部位：个部位：过热区（粗晶区）和过热区（粗晶区）和400600的时效脆化区；的时效脆化区；900左右细晶区韧性最高左右细晶区韧性最高。HAZ脆化有多种类型，如粗晶脆化、脆化有多种类型，如粗晶脆化、析出脆化、组织脆化、析出脆化、组织脆化、热应变时效脆化、氢脆和石墨脆化等。热应变时效脆化、氢脆和石墨脆化等。.图图5-17.(1)
47、(1)粗晶脆化粗晶脆化 焊接过程中由于受热的影响程度不同，在焊接过程中由于受热的影响程度不同，在HAZ靠近熔合线附近和过热靠近熔合线附近和过热区将发生严重的晶粒粗化。区将发生严重的晶粒粗化。晶粒直径晶粒直径d与脆性转变温度与脆性转变温度VTrs关系如关系如图图5-18所示。所示。晶粒越粗大，则脆性转变温度越高，脆性增加。晶粒越粗大，则脆性转变温度越高，脆性增加。HAZ的粗晶脆化与一般单纯晶粒长大所造成的脆化不同，它是在化学的粗晶脆化与一般单纯晶粒长大所造成的脆化不同，它是在化学成分、组织状态不均匀的非平衡态条件下形成的，故而脆化的程度更为严重。成分、组织状态不均匀的非平衡态条件下形成的，故而脆
48、化的程度更为严重。VTrs21lnd-4004080456 7 8 9图图5-18 晶粒直径晶粒直径d对对VTrs的影响的影响.a.a.高强钢的粗晶区可能有两种元素引起的脆化：高强钢的粗晶区可能有两种元素引起的脆化：i.晶粒粗大导致的脆化晶粒粗大导致的脆化(不易淬钢不易淬钢)晶粒长大是晶粒相互吞并和晶界迁移的过程。晶粒长大是晶粒相互吞并和晶界迁移的过程。若钢中含有若钢中含有C、N化合物形成元素化合物形成元素(Ti、Nb、Mo、V、W、Cr)，可阻碍晶粒长大。可阻碍晶粒长大。例如：例如：18Cr2WV在在1400时晶粒才明显长大；时晶粒才明显长大；45钢和钢和23Mn钢在钢在1000时就显著长大
49、。时就显著长大。粗晶致使韧性降低的程度：粗晶致使韧性降低的程度：手弧焊约手弧焊约5，埋弧焊约，埋弧焊约30。ii.脆硬组织导致的脆化脆硬组织导致的脆化(易淬钢）易淬钢）MT、BG、组织遗传等。、组织遗传等。.b.b.预防粗晶脆化的措施预防粗晶脆化的措施 i.选择晶粒不易长大的钢种作为母材选择晶粒不易长大的钢种作为母材 多元微合金元素强化母材，希望得到多元微合金元素强化母材，希望得到BL和和MD组织组织；微量合金元素获得弥散强化的细晶粒钢。微量合金元素获得弥散强化的细晶粒钢。采用合理的焊接工艺采用合理的焊接工艺 焊前焊前T0=150300预热，适当降低焊接线能量，用以增大冷预热，适当降低焊接线能
50、量，用以增大冷却速度。却速度。焊后热处理：焊后热处理：正火处理，细化组织；正火处理，细化组织；ii.调质处理，改变组织形态。调质处理，改变组织形态。.（2 2）组织脆化）组织脆化 钢种和冷却条件不同，可能出现不同的脆硬组织，常用低合金高强钢钢种和冷却条件不同，可能出现不同的脆硬组织，常用低合金高强钢HAZ脆化脆化主要是由于主要是由于M-A组元组元 BG 脆化、脆化、BU、W、组织遗传等。、组织遗传等。a.M-Aa.M-A组元脆化组元脆化 某些低合金高强钢的焊接某些低合金高强钢的焊接HAZ和和WM中，在一定冷却速度条件下，中，在一定冷却速度条件下，处于中温处于中温BU 转变区间，先析出含碳量很低
