金属成型5.焊接热影响区的组织和性能

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二、焊接热循环的参数及特征
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三、焊接热循环参数的计算
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 是指用一组控制方程来描述一个过程的基本参数 数值模拟 变化关系； 利用数值方法求解，以获得该过程定量的结果。 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) 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， 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， 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。 在可以在计算机上用数值方法迎刃而解。 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）： 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t 相变温度以上的停留时间tH 的计算 冷却速度ω 冷却速度ωC和冷却时间的计算
3、相变温度以上的停留时间tH 相变温度以上的停留时间t
t H越大，越有利于奥氏体均质化，但 越大，越有利于奥氏体均质化， 晶粒长大越严重。 晶粒长大越严重。 t H ＝t‘＋t’’ t‘＋ t‘－加热过程停留时间， t‘－加热过程停留时间， t’’ －冷却过程的停留时间
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二、焊接热循环的参数及特征
相邻焊层之间彼此具有热处理的作用： 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， 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 预热作用 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。 热处理效果 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。
材料成形原理（焊接部分） 材料成形原理（焊接部分）
5 焊接热影响区的组织和性能
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5.1 焊接热循环
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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 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 熔焊时在高温热源的作用下， 性能变化的区域称为 热影响区” 称为“ Zone，简称HAZ） 性能变化的区域称为“热影响区” （Heat Affected Zone，简称HAZ） 或称“近缝区” Zone）。 或称“近缝区”（Near Weld Zone）。 焊接接头 = 焊缝 + 热影响区 熔合区+ 或： 焊接接头 = 焊缝 + 熔合区+热影响区 早期：母材主要是低碳钢， 一般不会出现什么问题， 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 一般不会出现什么问题 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。 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， 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， 钛等有色金属的合金等），这些材料大多对加热敏感， ），这些材料大多对加热敏感 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。 的组织与性能将发生较大的变化， 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 的组织与性能将发生较大的变化 严重的缺陷。 严重的缺陷。 随着钢材强度、结构的尺寸与板厚不断增加， 脆化倾向增大， 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 脆化倾向增大 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。 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。
四、多层焊焊接热循环的特点
1、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～ 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 就是每次焊缝的长度较长( )， 第二层时，第一层已基本冷却到较低的温度( 100～200℃ 第二层时，第一层已基本冷却到较低的温度(约100～200℃)。 由图可知，相邻 由图可知， 各层之间有依次 热处理的作用， 热处理的作用， 为防止最后一层 淬火， 淬火，可多加一 层退火焊道。 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 适于焊接淬硬倾向大的钢种。焊接这种钢时， 意与其他工艺措施的配合，如预热和层间温度的控制等。 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， 进行长段多层焊时，如果第一层和最后一层不产生淬火组 则其他各层将不会产生淬火组织。 织，则其他各层将不会产生淬火组织。
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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 ——在焊接热源的作用下 过程称为焊接热循环。 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， 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。 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： 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 感性不同， 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。 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。 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。 响区组织与性能。
Байду номын сангаас
冷却速度ωc随着线能量E和初始温度 0的提高而降低， 冷却速度 随着线能量 和初始温度T 的提高而降低， 和初始温度 冷却时间随着线能量E和初始温度 的提高而延长。 和初始温度T 冷却时间随着线能量 和初始温度 0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 母材的热物理性质、焊件的形状、尺寸、接头型式、 会影响焊接热循环参数， 会影响焊接热循环参数，
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四、多层焊焊接热循环的特点
2、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 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 50～ )， 却到较低温度（ Ms点 就开始了下一层的焊接。 却到较低温度（如Ms点）就开始了下一层的焊接。 由图可知，焊件近缝区 点和 点和4点所经 由图可知，焊件近缝区1点和 点所经 历的焊接热循环是比较理想的。 历的焊接热循环是比较理想的。 1点：一方面使该点在 点 一方面使该点在Ac3以上停留时 以上停留时 间较短，避免了晶粒长大， 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， 由于层间的热作用，减缓了冷却速度， 从而防止产淬火组织。 从而防止产淬火组织。 4点：它是在预热基础上开始焊接的， 点 它是在预热基础上开始焊接的， 只要焊缝长度控制合适， 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。 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， 为了防止最后一层产生淬火组织，可 另加一层退火焊遵， 另加一层退火焊遵，以增加奥氏体的 分解时间。 分解时间。
焊接生产中常采用多层焊接， 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： 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： 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， 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 焊接热循环的调整也受到了限制。 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。 的综合作用，多层焊比起单层焊具有更大的调节范围。
4、冷却速度ωc和冷却时间（t8/5、t8/3、t100) 冷却速度ωc和冷却时间 和冷却时间（
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， 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， 800～500℃ 800～300℃ 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。 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， 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 冷却时间来代替冷却速度，以此作为研究焊接接头的组织、 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。 及抗裂性的重要参数。 t8/5 －800~500℃时冷却时间 800~500℃ t8/3 －800~300℃时冷却时间 800~300℃ t100－Tm~100℃的冷却时间 Tm~100℃ 碳钢及低合金钢： 800～500℃ 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： 淬硬倾向比较大的钢种：采用冷却时间 t8/3 或冷却时间 t100。
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三、焊接热循环参数的计算
峰 值 温 度 Ｔ 的 测 量
m
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三、焊接热循环参数的计算
相变温度以上的停留时间t 相变温度以上的停留时间tH 的计算
点热源（厚板） 点热源（厚板）
E tH = 2πλ (TH − T0 )
线热源（薄板） 线热源（薄板）
(E δ )2 tH = 2πλcρ(TH − T0 )2
由公式可以看出： 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 延长， 脆化的可能性增大。 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 预热温度），也会在一定程度上延长高温 ）， 停留时间 tH。
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三、焊接热循环参数的计算
冷却速度： 冷却速度： 厚板
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三、焊接热循环参数的计算
为了方便， 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 t8/5的图解法 手弧焊、 的图解法。 t8/5线算法如图所示 线算法如图所示。 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。
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四、多层焊焊接热循环的特点
多层焊主要考虑焊道层数 层间温度： 多层焊主要考虑焊道层数和层间温度： 焊道层数和
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 多层焊时， 层间温度 多层焊时 为层间温度。 为层间温度。
多层焊可分为“长段多层焊” 短段多层焊” 多层焊可分为“长段多层焊”和“短段多层焊”。
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二、焊接热循环的参数及特征
1、加热速度ωH 加热速度ω
ωH越快，相变温度提高，均质化和碳化物在奥氏体的溶解也越 越快，相变温度提高， 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。 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。
2、加热的最高温度Tm 加热的最高温度T
峰值温度过高，将使晶粒严重长大， 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， 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， 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。 形成较大的焊接残余应力或变形。
(TC − T0 ) 2 ω C = 2πλ E
薄板
(TC − T0 ) 3 ω C = 2πλcρ (E δ ) 2
冷却时间： 冷却时间： 厚板
E 1 1 t8 5 = − 2πλ 500− T0 800− T0
t8 5
薄板
(E δ ) 2 1 1 = − 2 4πλcρ (500 − T0 ) (800 − T0 )2
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三、焊接热循环参数的计算
峰值温度Ｔm的计算 点热源（厚板）： 点热源（厚板）：
0 . 234 E Tm = T0 + cρ R 2
线热源（薄板）： 线热源（薄板）：
0.242 E δ Tm = T0 + cρy
由两式可以看出： 由两式可以看出： 焊件上某点离开热源轴心距离越远， 越低； 焊件上某点离开热源轴心距离越远，最高温度Ｔm越低； 距离越远 焊件上某一定点，随着线能量 的提高， 增高， 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。 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。 峰值温度的高低还受预热温度与焊件热物理性质的影响。