第10章-焊接热影响区的组织与性能.pdf

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刘洪喜材料科学与工程学院第十章刘洪喜材料科学与工程学院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熔焊时，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“焊接热影响区焊接热影响区”或或“近缝区近缝区”。

焊接接头主要是由焊缝和焊接接头主要是由焊缝和HAZ两部分组成，期间还存在一个过渡区两部分组成，期间还存在一个过渡区熔合区，熔合区，要保证焊接接头的质量，就必须使焊缝和热影响区组织与性能同时都达到要求焊接接头示意图要保证焊接接头的质量，就必须使焊缝和热影响区组织与性能同时都达到要求焊接接头示意图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HAZHAZ焊接接头和焊接热影响区焊接接头和焊接热影响区?

焊接热循环焊接热循环?

焊接热循环条件下的金属组织转变特点焊接热循环条件下的金属组织转变特点（重点）（重点）?

热影响区组织和性能热影响区组织和性能（难点）（难点）主要内容主要内容第一节第一节第一节第一节焊接热循环焊接热循环焊接热循环焊接热循环?

焊接热循环：

焊接热循环：

焊接热循环：

焊接热循环：

在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程?

焊接热循环反映了热源对焊件金属的热作用。

焊接热循环反映了热源对焊件金属的热作用。

焊接热循环反映了热源对焊件金属的热作用。

焊接热循环反映了热源对焊件金属的热作用。

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研究焊接热循环的意义研究焊接热循环的意义研究焊接热循环的意义找出最佳的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找出最佳的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HAZ的组织与性能的组织与性能?

相变温度以上的停留时间相变温度以上的停留时间相变温度以上的停留时间相变温度以上的停留时间ttHH：

tH越长，越有利于越长，越有利于A的均匀化过程，增加的均匀化过程，增加A的稳定性，但同时易使晶粒长大，引起接头脆化的稳定性，但同时易使晶粒长大，引起接头脆化?

冷却速度和冷却时间：

冷却速度和冷却时间：

冷却速度和冷却时间：

冷却速度和冷却时间：

对低合金钢来说，熔合线附近冷却到对低合金钢来说，熔合线附近冷却到540左右的瞬时冷却速度最重要。

此外还有左右的瞬时冷却速度最重要。

此外还有t8/5、t8/3和和t100?

加热速度加热速度加热速度加热速度HH：

较快的较快的H使相变过程进行得不充分从而影响接头的组织和性能。

使相变过程进行得不充分从而影响接头的组织和性能。

影响因素：

焊接方法、焊接工艺、焊材影响因素：

焊接方法、焊接工艺、焊材?

峰值温度（最高加热温度）峰值温度（最高加热温度）峰值温度（最高加热温度）峰值温度（最高加热温度）TTmaxmax：

焊接过程的高温使焊缝附近的金属发生晶粒长大和重结晶，从而改变母材的组织和性能焊接过程的高温使焊缝附近的金属发生晶粒长大和重结晶，从而改变母材的组织和性能焊接热循环的参数及特征焊接热循环的参数及特征焊接热循环的参数及特征焊接热循环的参数及特征主要参数主要参数1、加热速度、加热速度H2、最高加热温度、最高加热温度Tmax3、相变温度以上的停留时间、相变温度以上的停留时间tH4、冷却速度、冷却速度c（或冷却时间或冷却时间t8/5）晶粒大小晶粒大小相变组织相变组织焊接热循环的数值模拟焊接热循环的数值模拟

（一）峰值温度

（一）峰值温度Tmax的计算的计算?

峰值温度：

峰值温度：

当当E一定，焊件上某点距热源中心越远，峰值温度越低。

对焊件上某一定点，随着一定，焊件上某点距热源中心越远，峰值温度越低。

对焊件上某一定点，随着E的提高，的提高，Tmax增大，增大，HAZ宽度增大宽度增大（不锈钢大于低碳钢）（不锈钢大于低碳钢）。

Tmax受焊件热物理性能影响点热源（厚板）受焊件热物理性能影响点热源（厚板）20max234.0+=RcETT线热源（薄板）线热源（薄板）20max/242.0+=ycETT

（二）相变温度以上停留时间

（二）相变温度以上停留时间tH的计算的计算线热源（薄板）线热源（薄板）202）

（2）/（TTcEt=点热源（厚板）点热源（厚板））（20TTEt=?

相变温度以上停留时间：

相变温度以上停留时间：

其他条件不变时，提高其他条件不变时，提高E，高温停留时间，高温停留时间tH延长，晶粒粗化倾向增大；提高预热温度，也会延长高温停留时间（但实际生产中，可不予考虑）延长，晶粒粗化倾向增大；提高预热温度，也会延长高温停留时间（但实际生产中，可不予考虑）线热源（薄板）线热源（薄板）202）

（2）/（TTcEt=点热源（厚板）线热源（薄板）点热源（厚板）线热源（薄板）202）

（2）/（TTcEt=（三）瞬时冷却速度（三）瞬时冷却速度c和冷却时间和冷却时间tc的计算的计算点热源（厚板）线热源（薄板）点热源（厚板）线热源（薄板）ETTCC20）（2=230）/（）（2ETTcCC=0058800150012TTEt=2020258）800

（1）500（14）/（TTcEt?

冷却速度和冷却时间：

冷却速度和冷却时间：

冷却速度随冷却速度随E和和T0的提高而降低，冷却时间随的提高而降低，冷却时间随E和和T0的提高而延长。

的提高而延长。

实际生产中主要是通过提高实际生产中主要是通过提高T0以降低冷却速度，延长以降低冷却速度，延长t8/5来改善来改善HAZ的组织和性能的组织和性能。

母材热物理性质、形状尺寸、接头形式、焊缝长度和焊接层数都有影响母材热物理性质、形状尺寸、接头形式、焊缝长度和焊接层数都有影响第二节第二节第二节第二节热循环条件下金属组织转变热循环条件下金属组织转变热循环条件下金属组织转变热循环条件下金属组织转变与热处理条件下的组织转变相比，其基本原理相同，又具有与热处理不同的特点与热处理条件下的组织转变相比，其基本原理相同，又具有与热处理不同的特点?

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?

焊接冷却过程的组织转变焊接冷却过程的组织转变1、加热峰值温度高、加热峰值温度高：

热处理加热温度最高在：

热处理加热温度最高在Ac3以上以上1002002、加热速度快、加热速度快：

是热处理加热速度的几十倍甚至几百倍：

是热处理加热速度的几十倍甚至几百倍3、高温停留时间短且不易控制、高温停留时间短且不易控制：

一般手工电弧焊时在：

一般手工电弧焊时在Ac3以上保温的最大时间以上保温的最大时间20秒，埋弧自动焊时秒，埋弧自动焊时30100秒秒4、自然冷却、自然冷却：

热处理可根据要求控制冷却速度或在冷却过程中不同阶段进行保温；焊接时，自然条件下冷却，冷却速度快：

热处理可根据要求控制冷却速度或在冷却过程中不同阶段进行保温；焊接时，自然条件下冷却，冷却速度快5、局部加热和移动、局部加热和移动:

局部加热和热源移动，产生相变和应变局部加热和热源移动，产生相变和应变6、在应力状态下进行组织转变、在应力状态下进行组织转变一、焊接过程的特殊性一、焊接过程的特殊性二、焊接加热过程的组织转变二、焊接加热过程的组织转变?

加热速度对相变点的影响加热速度对相变点的影响：

焊接过程的快速加热，将使各种金属的相变温度比起等温转变时大有提高。

：

焊接过程的快速加热，将使各种金属的相变温度比起等温转变时大有提高。

加热速度越快，相变点加热速度越快，相变点Ac1和和Ac3提高幅度增大，且提高幅度增大，且Ac1和和Ac3之间间隔也增大之间间隔也增大。

当钢中含有较多碳化物形成元素当钢中含有较多碳化物形成元素（Cr、W、Mo、V、Ti、Nb等等）时，这一影响更为明显时，这一影响更为明显?

加热速度对加热速度对A均质化影响均质化影响：

加热速度不但对相变点有影响，对：

加热速度不但对相变点有影响，对A的形成过程和均质化均有影响（如下图）的形成过程和均质化均有影响（如下图）?

加热速度对近缝区晶粒的影响加热速度对近缝区晶粒的影响：

在焊接条件下，近缝区由于强烈过热使晶粒发生严重长大，影响焊接接头塑性，韧性，易产生热裂纹，冷裂纹：

在焊接条件下，近缝区由于强烈过热使晶粒发生严重长大，影响焊接接头塑性，韧性，易产生热裂纹，冷裂纹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H：

11400/s；2270/s；335/s；47.5/s）H：

11600/s；2300/s；3-150/s；442/s；57.2/s45钢钢40Cr不含强碳化物形成元素的不含强碳化物形成元素的45钢，钢，A晶粒开始长大温度低，高温区晶粒粗大；晶粒开始长大温度低，高温区晶粒粗大；40Cr钢因碳化物存在阻碍钢因碳化物存在阻碍A晶粒长大，晶粒长大，A开始长大温度要高开始长大温度要高A晶粒开始长大晶粒开始长大三、焊接冷却过程的组织转变三、焊接冷却过程的组织转变?

焊接过程属于非平衡热力学过程，其组织转变不仅与等温转变不同，也与热处理条件下的连续冷却组织转变不同，存在着焊接过程属于非平衡热力学过程，其组织转变不仅与等温转变不同，也与热处理条件下的连续冷却组织转变不同，存在着扩散型相变和非扩散型相变扩散型相变和非扩散型相变。

随着冷却速度增大，平衡状态图上各相变点和温度线均发生偏移（如右图）随着冷却速度增大，平衡状态图上各相变点和温度线均发生偏移（如右图）第三节第三节第三节第三节HAZHAZ的组织与性能分析的组织与性能分析的组织与性能分析的组织与性能分析一、焊接热影响区的组织分布一、焊接热影响区的组织分布?

焊接用钢焊接用钢根据热处理特性的不同分为两大类根据热处理特性的不同分为两大类：

淬火钢和不易淬火钢。

由于淬火倾向不同，两类钢：

淬火钢和不易淬火钢。

由于淬火倾向不同，两类钢HAZ的组织也不同。

下面分别讲述淬火钢和不易淬火钢的组织分布的组织也不同。

下面分别讲述淬火钢和不易淬火钢的组织分布?

不易淬火钢：

不易淬火钢：

淬火倾向很小，包括低碳钢，某些不易淬硬的低合金钢。

如淬火倾向很小，包括低碳钢，某些不易淬硬的低合金钢。

如16Mn、15MoV、15MnTi等等?

淬火钢：

淬火钢：

淬硬倾向较大的钢种。

包括中碳钢，低、中碳调质合金钢。

如淬硬倾向较大的钢种。

包括中碳钢，低、中碳调质合金钢。

如18MnMoNb、45钢、钢、30CrMnSi等等1-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不易不易淬火淬火钢钢易淬易淬火钢火钢对于低碳钢，一些淬硬倾向不大的钢对于低碳钢，一些淬硬倾向不大的钢（16Mn、15MnTi等等），除过热区外，其它各区组织基本相同。

低碳钢过热区主要是魏氏组织，除过热区外，其它各区组织基本相同。

低碳钢过热区主要是魏氏组织W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，是焊缝与母材的交界区：

又称半熔化区，是焊缝与母材的交界区加热温度加热温度：

14901530（即在固、液相线之间）（即在固、液相线之间）组织组织：

（未熔化但因过热而长大的）粗晶组织和（部分新凝固的）铸态组织：

（未熔化但因过热而长大的）粗晶组织和（部分新凝固的）铸态组织特点特点：

该区很窄（通常几个晶粒），组织和化学成分极不均匀，强度下降，塑性很差，：

该区很窄（通常几个晶粒），组织和化学成分极不均匀，强度下降，塑性很差，是裂纹及脆断的发源地是裂纹及脆断的发源地过热区（粗晶区）过热区（粗晶区）：

紧靠熔合区：

紧靠熔合区加热温度加热温度：

固相线以下到晶粒开始急剧长大温度：

固相线以下到晶粒开始急剧长大温度11001490（1100固相线）固相线）组织组织：

A严重粗化