金属成型5.焊接热影响区的组织和性能

1材料成形原理（焊接部分）5焊接热影响区的组织和性能25.1焊接热循环3热影响区——熔焊时在高温热源的作用下，焊缝两侧母材上发生组织和性能变化的区域称为“热影响区”（HeatAffectedZone，简称HAZ）或称“近缝区”（NearWeldZone）。焊接接头=焊缝+热影响区或：焊接接头=焊缝+熔合区+热影响区早期：母材主要是低碳钢，HAZ一般不会出现什么问题，焊接质量取决于焊缝质量，人们的主要精力用于解决焊缝中可能出现的问题。现在：母材材料的品种不断扩大（如低合金高强度钢、高合金特殊钢，铝、铜、钛等有色金属的合金等），这些材料大多对加热敏感，有些化学性质还相当活泼。HAZ的组织与性能将发生较大的变化，甚至会产生严重的缺陷。随着钢材强度、结构的尺寸与板厚不断增加，HAZ脆化倾向增大，产生焊接缺陷的可能性增加，焊缝质量不再是决定焊接质量的唯一要素。4一、研究焊接热循环的意义焊接热循环——在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程称为焊接热循环。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，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：①找出最佳的焊接热循环不同的金属材料对焊接热循环的敏感性不同，对焊接热循环作适当调整，找出适合某种金属的最佳热循环，从而保证最佳的焊接质量。②用工艺手段改善焊接热循环如：预热、后热、控制线能量等。③预测焊接应力分布及改善热影响区组织与性能。5二、焊接热循环的参数及特征2、加热的最高温度Tm峰值温度过高，将使晶粒严重长大，甚至产生过热的魏氏体组织，造成晶粒脆化；同时还影响到焊接接头的应力应变，形成较大的焊接残余应力或变形。3、相变温度以上的停留时间tHtH越大，越有利于奥氏体均质化，但晶粒长大越严重。tH＝t‘＋t’’t‘－加热过程停留时间，t’’－冷却过程的停留时间1、加热速度ωHωH越快，相变温度提高，均质化和碳化物在奥氏体的溶解也越不充分。必然影响在冷却过程中热影响区的组织转变及其性能。6二、焊接热循环的参数及特征4、冷却速度ωc和冷却时间（t8/5、t8/3、t100)冷却速度冷却速度，特别是在固态相变温度范围内冷却速度，即800～500℃及800～300℃时的冷却速度是焊接热循环中极其重要的参数，它将决定焊接接头的组织、性能及接头质量。准确地测量瞬时冷却速度有一定地困难，多采用一定温度范内的冷却时间来代替冷却速度，以此作为研究焊接接头的组织、性能及抗裂性的重要参数。t8/5－800~500℃时冷却时间t8/3－800~300℃时冷却时间t100－Tm~100℃的冷却时间碳钢及低合金钢：固态相变温度范围的800～500℃冷却时间t8/5；淬硬倾向比较大的钢种：采用冷却时间t8/3或冷却时间t100。7二、焊接热循环的参数及特征8三、焊接热循环参数的计算主要介绍焊接热源高速运动时厚板和薄板的热循环参数的计算（推导过程略）：峰值温度Ｔm的计算相变温度以上的停留时间tH的计算冷却速度ωC和冷却时间的计算数值模拟——是指用一组控制方程来描述一个过程的基本参数变化关系；利用数值方法求解，以获得该过程定量的结果。根据焊接传热理论建立了许多描述焊接传热过程的数学模型(包括焊接热循环参数)。随着计算机的发展和普及，计算机的容量日益增大，计算速度也越来越快，过去难以用分析方法求解的非线性问题现在可以在计算机上用数值方法迎刃而解。920mRcE234.0TTycE242.0TT0m点热源（厚板）：线热源（薄板）：由两式可以看出：焊件上某点离开热源轴心距离越远，最高温度Ｔm越低；焊件上某一定点，随着线能量E的提高，其Ｔm增高，焊接热影响区的宽度增大。峰值温度的高低还受预热温度与焊件热物理性质的影响。三、焊接热循环参数的计算峰值温度Ｔm的计算10三、焊接热循环参数的计算峰值温度Ｔm的测量11)TT(2Et0HH20H2)TT(c2)E(tH点热源（厚板）线热源（薄板）由公式可以看出：提高线能量E，高温停留时间tH延长，也就是说发生粗晶脆化的可能性增大。提高初始温度T0（预热温度），也会在一定程度上延长高温停留时间tH。三、焊接热循环参数的计算相变温度以上的停留时间tH的计算12冷却时间：厚板薄板E)TT(220CC230)E()TT(c2CC0058T8001T50012Et2020258T8001T5001c4)E(t冷却速度ωc随着线能量E和初始温度T0的提高而降低，冷却时间随着线能量E和初始温度T0的提高而延长。母材的热物理性质、焊件的形状、尺寸、接头型式、焊道的长度及层数都会影响焊接热循环参数，三、焊接热循环参数的计算冷却速度：厚板薄板13为了方便，在理论计算的基础上建立了不同条件下从线算图上直接获取t8/5或t8/5的图解法。手弧焊、CO2气体保护焊和埋弧焊时的t8/5线算法如图所示。三、焊接热循环参数的计算14四、多层焊焊接热循环的特点焊接生产中常采用多层焊接，研究多层焊接热循环的传热特点具有更为普遍意义。从提高焊接质量来看，多层往往具有很大的优越性：热循环参数调节范围大：单层焊时，因为受到焊缝截面积的限制，不能在更大的范围内调节功率和焊速，焊接热循环的调整也受到了限制。多层焊是许多单层热循环联合在一起的综合作用，多层焊比起单层焊具有更大的调节范围。相邻焊层之间彼此具有热处理的作用：多层焊时，对后一焊道面言，前一焊道具有预热作用，层间温度相当与预热温度；对前一焊道来说，后一焊道起后热作用，产生一定热处理效果。多层焊主要考虑焊道层数和层间温度：层间温度——多层焊时，开始焊接后一焊层时前一层焊道所具有的最低温度即为层间温度。多层焊可分为“长段多层焊”和“短段多层焊”。151、长段多层焊接热循环长段多层焊——就是每次焊缝的长度较长(1.0～1.5m)，当焊完第一层再焊第二层时，第一层已基本冷却到较低的温度(约100～200℃)。四、多层焊焊接热循环的特点由图可知，相邻各层之间有依次热处理的作用，为防止最后一层淬火，可多加一层退火焊道。不适于焊接淬硬倾向大的钢种。焊接这种钢时，应特别注意与其他工艺措施的配合，如预热和层间温度的控制等。进行长段多层焊时，如果第一层和最后一层不产生淬火组织，则其他各层将不会产生淬火组织。162、短段多层焊接热循环短段多层焊——就是每层的焊缝长度较短(约50～400mm)，还未等前一层焊缝冷却到较低温度（如Ms点）就开始了下一层的焊接。四、多层焊焊接热循环的特点由图可知，焊件近缝区1点和4点所经历的焊接热循环是比较理想的。1点：一方面使该点在Ac3以上停留时间较短，避免了晶粒长大，另一方面由于层间的热作用，减缓了冷却速度，从而防止产淬火组织。4点：它是在预热基础上开始焊接的，只要焊缝长度控制合适，Ac3以上停留时间仍可很短，晶粒不会长大。为了防止最后一层产生淬火组织，可另加一层退火焊遵，以增加奥氏体的分解时间。短段多层焊对于晶粒易长大而又易淬火钢种的热影响区和焊缝具有改善作用。但短段多层焊的操作十分繁琐，生产率低，因此除非在特殊的情况下才采用。175.2焊接热循环条件下的金属组织转变特点18一、焊接过程的特殊性与热处理条件相比，焊接热循环的特点：①加热温度高热处理：Ac3以上100~200℃焊接：近缝区熔合区接近熔点（低碳钢、低合金钢为1350℃）②加热速度快热处理：随热处理炉缓慢升温（几度~几十度/S）焊接：采用的热源强烈集中，比热处理快几十到几百倍（手弧焊：200~1000℃/s）③高温停留时间短热处理：保温时间可任意控制焊接：Ac3以上停留时间短（手弧焊4~20s，埋弧焊30~100s）④自然条件下冷却热处理：冷却速度可控制焊接：为自然条件下冷却⑤加热的局部性和移动性热处理：炉中整体加热焊接：局部集中加热，热源在移动19二、焊接时加热过程组织转变的特点由于焊接热影响区升温速度快、高温停留时间短及冷却速度快，使得与扩散有关的过程都难于进行，从而影响到组织转变的过程及其进行的程度，由此出现了与等温过程和热处理过程的组织转变明显不同的特点。1、组织转变向高温推移加热速度越快，实际相变温度Ac1、Ac3越高，且Ac1和Ac3的温差越大。见图、表珠光体和铁素体转变为奥氏体的过程是扩散重结晶过程，需孕育期。快速加热时，低温时来不及完成的扩散过程，会在更高温度下进行，从而导致相变温度升高。随钢中碳化物形成元素（如Cr、W、Mo、V、Ti、Nb）增多，Ac1、Ac3的增高越显著。碳化物合金元素的扩散速度小（比碳小1000到10000倍）、同时它们还阻碍碳的扩散。导致相变温度进一步升高。2、奥氏体均质化程度降低、部分晶粒严重长大加热速度越快，相变以上停留时间越短，对已形成的奥氏体的均质化过程越不利，均质化程度越差。见图，45钢奥氏体晶粒开始长大温度低，高温区晶粒粗大；40Cr奥氏体晶粒开始长大温度高，高温区晶粒小。20焊接快速加热对Ac1、Ac3和晶粒长大的影响d—晶粒的平均直径；A—奥氏体；P—珠光体；F—铁素体；K—碳化物45钢40CrωH：1—1400℃/s；2—270℃/s；3—35℃/s；4—7.5℃/s)ωH：1—1600℃/s；2—300℃/s；4—42℃/s；5—7.2℃/s21钢种相变点平衡状态加热速度ωH/（℃·S-1）AC1与AC3的温差/℃/℃6~840~50250~3001400~170040~50250~3001400~170045钢AC17307707757908404560110AC3770820835860950659018040CrAC17407357507708401535105AC3780775800850940257516523MnAC1735750770785830355095AC3830810850890940408013030CrMnSiAC17407407758259203585180AC38207908358909804510019018Cr2WVAC1710800860930100060130200AC38108609301020112070160260加热速度对相变点Ac1和Ac3及其温差的影响22三、焊接时冷却过程组织转变的特点1、组织转变向低温推移、可形成非平衡组织在奥氏体均质化程度相同的情况下，随着焊接冷却速度的加快，钢铁材料的相变温度Ac1、Ac3以及Am均降低。在快冷条件下，共析成分也发生变化，甚至得到非平衡状态的伪共析组织。这种组织转变特点也是因为奥氏体向铁素体或珠光体的转变是由扩散过程控制的结果。但应指出，由于奥氏体均质化程度受到焊接加热过程的影响，因而加热过程也会对冷却过程的组织转变产生影响，对此必须给予充分注意。否则，在分析具体问题时，可能得出不准确的结论。共析成分成为一个成分范围23三、焊接时冷却过程组织转变的特点2、马氏体转变临界冷速发生变化例：45钢、40Cr钢焊接和热处理比较。图4-2145钢、图4-2240Cr钢45钢在Ms附近，焊接曲线右移，即同样冷却速度条件下，焊接比热处理淬硬倾向大。40Cr在Ms附近，焊接曲线左移，即同样冷却速度下，热处理比焊接淬硬倾向大。原因：在焊接热循环的作用下：一方面，熔合线附近晶粒因过热而粗化，增加了奥氏体的稳定性，使淬硬倾向增大；另一方面，钢中的碳化物合金元素(如Cr、W、Mo、V、Ti、Nb)只有充分溶解在奥氏体的内部，才能增加奥氏体的稳定性(即增加淬硬倾向)。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的内部溶解。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体中，因此降低了奥氏体的稳定性，使淬硬倾向降低。正是由于这两方面的共同作用，使冷却过程中马氏体转变临界冷速发生变化，亦促使焊接连续冷却组织转变图(焊接CCT图)上Ms点附近的曲线右移或左移。24四、连续冷却组织转变图的应用CCT图的建立：采用焊接热模拟试验装置来建