材料成形基本原理第12章-焊接熱影響區(qū)的組織與性能課件

1、第十二章 焊接熱影響區(qū)的組織與性能熔焊時在高溫熱源作用下，靠近焊縫兩側一定范圍內發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域稱為“焊接熱影響區(qū)” 。 圖10-1 焊接接頭示意圖 1-焊縫；2-熔合區(qū)；3-熱影響區(qū)；4-母材第一節(jié) 焊接熱循環(huán)第二節(jié) 焊接熱循環(huán)下的金屬組織轉變特點第三節(jié) 焊接熱影響區(qū)的組織與性能第一節(jié) 焊接熱循環(huán)一、研究焊接熱循環(huán)的意義二、焊接熱循環(huán)的參數(shù)及特征三、焊接熱循環(huán)參數(shù)的計算一、研究焊接熱循環(huán)的意義 在焊接熱源的作用下，焊件上某點的溫度隨時間的變化過程稱為焊接熱循環(huán)。 焊接熱循環(huán)反映了熱源對焊件金屬的熱作用。焊件上距熱源遠近不同的位置，所受到熱循環(huán)的加熱參數(shù)不同，從而會發(fā)生不同的組織與性能

2、變化。 研究焊接熱循環(huán)的意義為： 找出最佳的焊接熱循環(huán)； 用工藝手段改善焊接熱循環(huán)； 預測焊接應力分布及改善熱影響區(qū)組織與性能。二、焊接熱循環(huán)的參數(shù)及特征 加熱速度H 最高加熱溫度m 相變溫度以上 的停留時間tH 晶粒大小相變組織 冷卻速度c (或冷卻時間t8 / 5)三、焊接熱循環(huán)參數(shù)的計算 主要介紹焊接熱源高速運動時厚板和薄板的熱循環(huán)參數(shù)的計算（推導過程略）： 峰值溫度m的計算 相變溫度以上的停留時間tH 的計算 冷卻速度C和冷卻時間的計算 點熱源（厚板） 線熱源（薄板） 由兩式可以看出，當焊接線能量E（ 單位長度上的焊接熱輸入量，E = IU/v ) 一定，焊件上某點離開熱源軸心距離越遠

3、，最高溫度m越低；而對焊件上某一定點，隨著線能量E 的提高，其m增高，焊接熱影響區(qū)的寬度增大。峰值溫度的高低還受預熱溫度與焊件熱物理性質的影響。 由公式可以看出，在其它條件不變的情況下，提高線能量 E，高溫停留時間 tH 延長，也就是說發(fā)生粗晶脆化的可能性增大。提高初始溫度 T0（預熱溫度），也會在一定程度上延長高溫停留時間 tH。點熱源（厚板） 線熱源（薄板） 冷卻速度： 厚板 薄板冷卻時間： 厚板 薄板 冷卻速度c隨著線能量E和初始溫度T0的提高而降低，冷卻時間隨著線能量E和初始溫度T0的提高而延長。母材的熱物理性質、焊件的形狀、尺寸、接頭型式、焊道的長度及層數(shù)都會影響焊接熱循環(huán)參數(shù)。 第

4、二節(jié) 焊接熱循環(huán)條件下的金屬組織轉變特點 與熱處理條件下的組織轉變相比，其基本原理相同，又具有與熱處理不同的特點。 焊接過程的特殊性 焊接加熱過程的組織轉變 焊接時冷卻過程的組織轉變 一、焊接過程的特殊性 五個特點（以低合金鋼的焊接為例）：加熱溫度高 在熔合線附近溫度可達l350l400加熱速度快 加熱速度比熱處理時快幾十倍甚至幾百倍高溫停留時間短 在AC3以上保溫的時間很短 (一般手弧焊為420s，埋弧焊時30l00s) 在自然條件下連續(xù)冷卻（有時進行焊后保溫緩冷）有熱應力作用狀態(tài)下進行的組織轉變。二、鋼焊接加熱過程的組織轉變焊接過程的快速加熱將使各種金屬的相變溫度比起等溫轉變時大有提高。當

5、鋼中含有較多的碳化物形成元素(Cr、W、Mo、V、Ti、Nb等)時，這一影響更為明顯。 這是因為碳化物形成元素的擴散速度很小(比碳小100010000倍)，同時它們本身還阻礙碳的擴散，因而大大地減慢了奧氏體轉變過程。 圖10-4 焊接快速加熱對Ac1、Ac3和晶粒長大的影響d晶粒的平均直徑；A奧氏體；P珠光體；F鐵素體；K碳化物4540CrH ： 11400/s；2270/s； 335/s； 47.5/s)H ：11600/s；2300/s； 442/s； 57.2/s鋼種相變點平衡態(tài)加熱速度H/（S-1）AC1與AC3的溫差/684050250300140017004050250300140

6、0170045鋼AC17307707757908404560110AC3770820835860950659018040CrAC17407357507708401535105AC3780775800850940257516523MnAC1735750770785830355095AC3830810850890940408013030CrMnSiAC17407407758259203585180AC38207908358909804510019018Cr2WVAC1710800860930100060130200AC38108609301020112070160260表10-1 加熱速度對相變點

7、Ac1和Ac3及其溫差的影響三、焊接冷卻過程中的組織轉變 焊接條件下的組織轉變不僅與等溫轉變不同，也與熱處理條件下的連續(xù)冷卻組織轉變不同 。隨冷卻速度增大，平衡狀態(tài)圖上各相變點和溫度線均發(fā)生偏移。共析成分成為一個成分范圍 人們通過焊接熱模擬試驗，研究各種材料熱影響區(qū)的組織轉變，建立了“模擬焊接熱影響區(qū)連續(xù)冷卻組織轉變圖SH-CCT” 技術資料數(shù)據(jù)庫，它可以方便地預測焊接熱影響區(qū)的組織和性能，同時也能作為選擇焊接線能量、預熱溫度和制定焊接工藝的依據(jù)。有關典型鋼種的CCT圖及組織的變化可參閱有關焊接手冊。第三節(jié) 焊接熱影響區(qū)的 組織與性能 焊接熱影響區(qū)的組織分布 焊接熱影響區(qū)的性能一、焊接熱影響區(qū)

8、的組織分布 接頭不同部位，經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)不同，便有不同的組織特點。按照熱循環(huán)過程特點，將接頭進行分區(qū)研究。不易淬火鋼焊接熱影響區(qū)的組織分布熔合區(qū)： 又稱半熔化區(qū)，是焊縫與母材的交界區(qū)。加熱溫度：14901530（固、液相線之間）組織：（未熔化但因過熱而長大的）粗晶組織和（部分新凝固的）鑄態(tài)組織。特點：該區(qū)很窄，組織不均勻，強度下降，塑性很差，是裂紋及局部脆斷的發(fā)源地。過熱區(qū)：緊靠熔合區(qū)加熱溫度： 11001490（1100固相線）組織： 粗大的過熱組織。特點： 寬度為13mm，塑性和韌性下降。相變重結晶區(qū)(正火區(qū))： 緊靠著過熱區(qū)加熱溫度： 8501100 （AC3至1100）組織： 均勻細

9、小的鐵素體和珠光體組織（近似于正火組織）特點： 寬度約1.24.0mm，力學性能優(yōu)于母材。不完全重結晶區(qū)：加熱溫度： AC1AC3之間組織： F+P (F粗、細不均)特點： 部分組織發(fā)生相變， 晶粒不均勻， 力學性能差。焊接熱影響區(qū)的組織分布特征1-熔合區(qū)；2-過熱區(qū)；3-相變重結晶區(qū)；4-不完全重結晶區(qū)；5-母材；6-完全淬火區(qū)；7-不完全淬火區(qū)；8-回火軟化區(qū)不易淬火鋼 易淬 火鋼1、 完全淬火區(qū)焊接時處于Ac3以上的區(qū)域，與不易淬火鋼的過熱區(qū)、正火區(qū)對應。加熱時鐵素體、珠光體全部轉變?yōu)閵W氏體，冷卻時很容易得到淬火組織。在緊靠焊縫相當于低碳鋼過熱區(qū)的部位，得到粗大的馬氏體，而相當于正火區(qū)的

10、部位則得到細小的馬氏體。當焊件母材的淬硬性不是太高時，還會出現(xiàn)貝氏體、索氏體等正火組織與馬氏體共存的混合組織。2、 不完全淬火區(qū) 母材被加熱到Ac1Ac3溫度之間的熱影響區(qū)，相當于不易淬火鋼的不完全重結晶區(qū)。在快速加熱條件下，鐵素體很少溶入奧氏體，而珠光體、貝氏體、索氏體等轉變?yōu)閵W氏體。在隨后快冷時，奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，原鐵素體保持不變，并有不同程度的長大，最后形成馬氏體加鐵素體的混合組織。如含碳量和合金元素含量不高或冷卻速度較小時，奧氏體也可能轉變成索氏體或珠光體。3、回火軟化區(qū)如母材焊前是調質狀態(tài)，焊接熱影響區(qū)的組織分布除存在完全淬火區(qū)和不完全淬火區(qū)外，還存在一個回火軟化區(qū)。在回火區(qū)內組織

11、和性能發(fā)生變化的程度決定于焊前調質的回火溫度t ：熱循環(huán)溫度低于t 的部位，其組織性能不發(fā)生變化，而高于t 的部位，將發(fā)生軟化現(xiàn)象；若焊前為淬火態(tài)，則可獲得不同的回火組織。緊靠Ac1的部位，相當于瞬時高溫回火，得到回火索氏體；離焊縫較遠的區(qū)域，獲得回火馬氏體。二、 焊接熱影響區(qū)的性能 焊縫可以通過化學成分的調整再配合適當?shù)暮附庸に噥肀ＷC性能的要求，而熱影響區(qū)性能惡化只能通過控制焊接熱循環(huán)作用來改善。焊接熱影響區(qū)的硬化焊接熱影響區(qū)的脆化焊接熱影響區(qū)的軟化焊接熱影響區(qū)的性能控制1、焊接熱影響區(qū)的硬化 HAZ 的硬度 高低取決于母材的淬硬傾向（內因）HAZ 的冷卻速度（外因）化學成分焊接規(guī)范焊接熱影

12、響區(qū)的最高硬度 Hmax： Hmax（HV10）= 140 + 1089 Pcm- 8.2 t 8 / 5材料淬硬傾向的評價指標 碳當量鋼中含碳量顯著影響奧氏體的穩(wěn)定性，對淬硬傾向影響最大。含碳量越高，越容易得到馬氏體組織，且馬氏體的硬度隨含碳量的增高而增大。合金元素的影響與其所處的形態(tài)有關。溶于奧氏體時提高淬硬性(和淬透性)；而形成不溶碳化物、氮化物時，則可成為非馬氏體相變形核的核心，促進細化晶粒，使淬硬性下降。碳當量（Carbon Equivalent）是反映鋼中化學成分對硬化程度的影響，它是把鋼中合金元素（包括碳）按其對淬硬（包括冷裂、脆化等）的影響程度折合成碳的相當含量。 國際焊接學會

13、推薦的CE(IIW)，用于中等強度的非調質低合金鋼（b400700MPa）：20世紀60年代以后，發(fā)展了低碳微量多合金元素的低合金高強鋼。日本的伊藤等人采用形坡口對接裂紋試驗對200多個低合金鋼進行研究，建立了Pcm公式：碳當量熱影響區(qū)的硬化（淬硬傾向）脆性和冷裂敏感性焊接熱影響區(qū) Hmax 與 t8/5 的關系板厚20mm，成分：C=0.12%，Mn=1.4%，Si=0.48%，Cu=0.15%2、焊接熱影響區(qū)的脆化 粗晶脆化 組織轉變脆化 析出脆化 熱應變時效脆化 氫脆以及石墨脆化 不同材料的焊接熱影響區(qū)及熱影響區(qū)的不同部位都會發(fā)生程度不同的材料脆化。粗 晶 脆 化在熱循環(huán)的作用下，熔合線

14、附近和過熱區(qū)將發(fā)生晶粒粗化。粗化程度受鋼種的化學成分、組織狀態(tài)、加熱溫度和時間的影響。如：鋼中含有碳、氮化物形成元素，就會阻礙晶界遷移，防止晶粒長大。例如18CrWV鋼，晶粒顯著長大溫度可達1140之高，而不含碳化物元素的23Mn和45號鋼，超過1000晶粒就顯著長大。 晶粒粗大嚴重影響組織的脆性，尤其是低溫脆性。一般來講，晶粒越粗，則脆性轉變溫度越高。 D-1/2(mm-1/2)晶粒直徑d 對脆性轉變溫度VTrs的影響組織轉變脆化焊接HAZ中由于出現(xiàn)脆硬組織而產(chǎn)生的脆化稱之組織脆化。對于常用的低碳低合金高強鋼，焊接HAZ的組織脆化主要是M-A組元、上貝氏體、粗大的魏氏組織等所造成。但對含碳量

15、較高的鋼（一般0.2），則組織脆化主要是高碳馬氏體。M - A 組元M-A組元是焊接高強鋼時在一定冷卻速度下形成的。它不僅出現(xiàn)在熱影響區(qū)，也出現(xiàn)在焊縫中。M-A組元形成原因：粗大的奧氏體冷卻過程中先形成鐵素體，而使殘余奧氏體的碳濃度增高，隨后這種高碳奧氏體可轉變?yōu)楦咛捡R氏體與殘余奧氏體的混合物，即M-A組元。 M-A組元分布在粗大鐵素體基底上的組織稱為粒狀貝氏體。M-A組元韌性低，因為殘余奧氏體增碳后，形成孿晶馬氏體夾雜于貝氏體鐵素體板條之間，并在界面上產(chǎn)生顯微裂紋沿M-A組元的邊界擴展。因此，有M-A組元存在時，成為潛在的裂紋源，并起到應力集中的作用。M-A組元只在生成上貝氏體的冷卻條件下才

16、能觀察到，冷速太快和太慢都不能產(chǎn)生M-A組元。 析 出 脆 化由于焊接過程的快速加熱與冷卻，其熱影響區(qū)組織處于非平衡態(tài)。在時效或回火過程中，其過飽和固溶體中將析出碳化物、氮化物、金屬間化合物及其它亞穩(wěn)定的中間相等，使材料的強度、硬度和脆性提高，這種現(xiàn)象稱為析出脆化。 析出脆化的機理目前認為是由于析出物出現(xiàn)以后，阻礙了位錯運動，使塑性變形難以進行。若析出物以彌散的細顆粒分布于晶內或晶界，將有利于改善韌性。但以塊狀或沿晶界以薄膜狀分布的析出物會造成材料脆化。12Gr2MoWVTiB 接頭 在800800h加熱后， HAZ 碳元素分布狀況的面掃描結果。熱應變時效脆化在制造過程中要對焊接結構進行一系列

17、冷、熱加工，如下料、剪切、彎曲成型、氣割等。若加工引起的局部應變、塑性變形的部位在隨后又經(jīng)歷焊接熱循環(huán)作用（處于HAZ 內）便會引起材料脆化，稱為熱應變時效脆化。 HAZ焊縫封頭產(chǎn)生應變時效脆化的原因, 主要是由于應變引起位錯增殖，焊接熱循環(huán)時，碳、氮原子析集到這些位錯的周圍形成所謂Cottrell氣團，對位錯產(chǎn)生釘扎和阻塞作用而使材料脆化。 明顯產(chǎn)生熱應變時效脆化的部位是HAZ的熔合區(qū)和Ar1以下的亞臨界HAZ（200600） 3、焊接熱影響區(qū)的軟化經(jīng)冷作強化的金屬經(jīng)熱處理強化的金屬再結晶軟化過時效軟化焊接熱循環(huán)作用調質鋼焊接HAZ的硬度分布A-焊前淬火+低溫回火；B焊前淬火+高溫回火；C焊前退火；1淬火區(qū)2部分淬火；3回火區(qū)圖10-11 LD2鋁合金HAZ的軟化現(xiàn)象(HR為表面洛氏硬度) (自動TIG焊)圖10-10 調質鋼焊接HAZ的硬度分布A焊前淬火+低溫回火；B焊前淬火+高溫回火；C焊前退火 1淬火區(qū)；2部分淬火；3回火區(qū)4、焊接熱影響區(qū)的性能控制控制焊接工藝過程改善母材的焊接性能 針對不同母材焊接熱影響區(qū)的性能變化分析，合理制定焊接工藝，包括： 選擇焊接線能量 預熱與緩冷 焊后熱處理（正火、調質、去應力退火）控制焊接熱循環(huán)控制HAZ組織 采用低碳微合金化鋼：利用微量元素彌散強化、固溶強化，提高材料的熱穩(wěn)定性（控制