焊接热影响区的组织和性能
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表4-9是45钢和40Cr钢在焊接和热处理时同样 冷却速度条件下的组织百分比。由图 4-21、图422和表4-9可以看出,45钢在焊接条件比在热处理 条件下的CCT曲线稍向右移(主要考虑Ms附近)。 说明在相同冷却速度条件下,焊接时比热处理时 的淬硬倾向大。如冷却速度为30℃/s,焊接时可 得到92%马氏体,而热处理时只得到69%马氏体。
(lěngquè)时间( t8/5 、t8/3 、 t100 )
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(一) 加热(jiā rè)速度(ωH )
焊接条件下的加热速度比热处理条件下 要快的多,并随加热速度的提高,则相变 温度但随之提高,同时奥氏体的均质化和 碳化物的溶解也越不充分。因此,必然会 影响到焊接HAZ冷却后的组织与性能。
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(一)长段多层焊焊接(hànjiē) 热循环
所谓长段多层焊,即每道焊缝的长度 较长(一般1m以上),这样在焊完第一层再 焊第二层时,第一层已基本冷至较低的温 度(一般在100~200℃以下),其焊接热循 环的变化如图4-17所示。由图4-17可以看 出,相邻各层之间有依次(yīcì)热处理的作 用,为防止最后一层淬硬,可多加一层 “退火焊道”,从而使焊接质量有所改善。
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2.加热(jiā rè)速度对A均质化影响
加热速度不但对相变点有影响,对A均质化也 有影响.因为A均质化属扩散过程。在快速加 热条件下,来不及完成扩散过程。 3.近缝区的晶粒长大 在焊接(hànjiē)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(hànjiē)接头 塑性,韧性,产生热裂纹,冷裂纹.
相反,40Cr钢在焊接条件下的CCT曲线比热处理 条件下的CCT曲线向左移动,也就是(jiùshì)在同 样冷却速度下焊接时比热处理时的淬硬倾向小。 例如,焊接条件下当冷却速度为36℃/s时,可得 到l00%的马氏体,而热处理条件下只要22℃/s 即可得到l00%马氏体。
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根据金属学原理可以知道,碳化物合金元 素(如Cr、Mo、V、Ti、Nb等)只有它们充分溶 解在奥氏体的内部,才会增加奥氏体的稳定性 (即增加淬硬倾向)。很显然在热处理条件下, 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, 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,因此降低了淬硬倾向。至 于(zhìyú)不含碳化物合金元素的钢(如45钢), 一方面不存在碳化物的溶解过程,另一方面在 焊接条件下,由于近缝区组织粗化,故淬硬倾 向比热处理条件下要大。
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影响(yǐngxiǎng)CCT图的因素有
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Hale Waihona Puke (四)冷却速度(sùdù)(ωc)和冷却时间(t8/5、 t8/3、t100)
冷却速度是决定焊接HAZ组织(zǔzhī)性 能的主要参数,如同热处理时的冷却速度一 样。应当指出,焊接时的冷却过程在不同阶 段是不同的。这里所讨论的是指一定温度范 围内的平均冷却速度,或者是冷至某一瞬时 温度Tc的冷却速度。对于低合金钢的焊接来 讲,有重要影响的是熔合线附近冷却过程中 约540℃的瞬时冷却速度(见图4-5的C点)。
(Heat Affected zone,简称HAZ) 或称“近缝区”(Near Weld Zone) 焊接接头 是由两个主要部分组成,即焊缝和焊接热影响区, 如图4-1所示。
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第一节 焊接(hànjiē)热循环
焊接热循环:焊接过程中热源沿焊件移动时, 焊件上某点温度由低而高,达到最高值后, 又由高而低随时间的变化称为焊接热循环。 它是描述(miáo shù)焊接过程中热源对被焊 金属的热作用。距焊缝不同距离的各点,所 经历的热循环是不同的,如图4-3所示。另外, 由于焊接方法不同,热循环曲线的形状也发 生较大的变化。
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近年来许多国家为便于分析研究,常采用 某一温度(wēndù)范围内的冷却时间来讨论热 影响区组织性能的变化,如800~500℃的冷 却时间t8/5 ,800 ~ 300℃的冷却时间t8/3和 从峰值温度(wēndù)Tm冷至100℃的冷却时间 t100 等,这要根据不同金属材料所存在的问 题来决定。
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二.焊接时冷却过程组织(zǔzhī)转变 特点
研究焊热影响区的熔合线附近的情况,这 一区域(qūyù)是焊接接头的薄弱地带。
以45钢、40Cr为例,比较焊接条件 和热处理条件这两种不同热过程 (guòchéng)组织转变的差异.
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焊接(hànjiē)和热处理时,加热及冷却过程 如图4-20所示。其中两种情况的冷却曲线1、2、 3…彼此具有各自相同的冷却速度。
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焊接热循环是焊接接头经受热作用的里程, 研究它对于了解应力变形、接头组织和力学性 能等都是十分(shífēn)重要的,是提高焊接质 量的重要途径。
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二.多层焊热循环的特点(tèdiǎn)
在实际焊接中,厚板多采用多层焊接,因 此,有必要了解多层焊热循环作用特点。在 单层焊时,因为受到焊缝截面积的限制,不能 在更大的范围内调整功率和焊速,所以焊接 热循环的调整也受到限制。多层焊比单层 焊具有更优越的地方,它是由许多单层热循 环联合在一起的综合作用,同时相邻焊层之 间彼此(bǐcǐ)具有热处理性质.从提高焊接质 量而言,多层焊往往易达到要求。在实际生 产中,根据要求不同,多层焊分为“长段 多层焊”和“短段多层焊”
焊接(hànjiē)热影响区的 组织和性能
2021/11/10
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第二章 焊接热影响区的组织
第一节 焊接(hànjiē)热循 环 第二节 焊接热循环条件(tiáojiàn)下的 金属
组织转变特点
第三节 热影响区组织(zǔzhī)和性 能
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焊接热影响区:熔焊(rónɡ hàn)时在集中 热源的作用下,焊缝两侧发生组织和性能变化的 区域称为“热影响区”
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三.焊接条件(tiáojiàn)下CCT图的建立 及其应用
T图的建立:采用焊热热模拟试验装置来 建立某种钢的CCT图.
2.意义:在新钢种(gāngzhǒng)投产之前,可预 先估计热影响区的组织性能,或作为制定工 艺,焊接线能量的依据.
T图的应用: 通过CCT图可得到在不同的 冷却速度下的组织,即估计组织及预测性能.
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(二)短段多层焊焊接(hànjiē) 热循环
所谓短段多层焊,就是每道焊缝(hàn fénɡ)长度较短(约为50~ 400mm),在这种 情况下,未等前层焊缝(hàn fénɡ)冷却到较 低温度(如Ms点)就开始焊接下一道焊缝 (hàn fénɡ)。短段多层焊的热循环如图4-18 所示。
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图4-3 距焊缝不同(bù tónɡ)距离各点的热循环
(低碳钢,板厚20mm,手弧焊)
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图4-4 不同(bù tónɡ)焊接方法的焊接热循环
1—手弧焊 2—埋弧焊 3—电渣焊
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一、焊接(hànjiē)热循环的主要 参数
• 1.加热速度( WH ) • 2.加热的最高温度( Tm ) • 3.在相变温度以上的停留时间(tH) • 4.冷却(lěngquè)速度(Wc)或冷却
表4-9 焊接及热处理条件(tiáojiàn)下的组 织百分比
组 织 (%)
冷却速度
铁素体
4
5(10)
18
1(3)
30
1(1)
60
0(0
马氏体
0(0) 90(27) 92(69) 98(98)
珠光体及中间组 织
95(90) 9(70) 7(30) 2(2)
4
1(0)
75(95)
14
0(0)
90(98)
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应当指出,对于一些淬硬倾向较大的钢 种,不适于长段多层焊接。因为(yīn wèi)这 些钢在焊第一层以后,焊接第二层之前, 近缝区或焊缝由于淬硬倾向较大而有产生 裂纹的可能。所以焊接这种钢时,应特别 注意与其他工艺措施的配合,如焊前预热、 层间温度控制,以及后热缓冷等。
100~200℃
2.加热(jiā rè)速度快;几十倍甚至几 3.高百温倍停留时间短 手弧,4~20秒;
埋弧,30~100秒
4.自然条件下连续冷却
5.局部加热
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一、焊接时加热过程(guòchéng)组织 转变特点
1.加热(jiā rè)速度对相变点的影响
焊接时的加热速度很快,各种金属的相变温度 发生(fāshēng)了很大的变化。加热速度越快 ,Ac1和Ac3的温度越高,而且Ac1和Ac3的温差 越大。 焊接时,由于采用的焊接方法不同,规范不同,加 热速度可在很大的范围内变化。
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由此可见,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 (hànjiē)晶粒易长大而又易于淬硬的钢种。
但是,短段多层焊的操作工艺十分繁琐, 生产率低,只有在特殊情况下才采用。
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第二节 焊接热循环条件下的 金属组织(zǔzhī)转变特
点
特点 1.加热温度高 (tèdiǎn):热处理加热温度都不超过Ac3以上
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(三)在相变温度(wēndù)以上的停留时间(th)
在相变温度Th以上停留的时间越长,越 有利于奥氏体的均质化过程,但温度太高 时(如1100℃以上)即使停留时不长,也会产 生严重的晶粒长大。为便于(biànyú)分析研 究,把高温停留时间th分为加热过程的停留 时间t’和冷却过程的停留时间t’’,即th =t’十t’’(参见图4-5)。
根据上述的实验条件、采用专用的焊接 (hànjiē)热模拟试验机和快速相变仪,得到了 两种钢在焊接(hànjiē)和热处理条件下连续冷 却的组织转变图(即CCT图),如图4 -21和图4 22所示。
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钢种 45钢 40Cr
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图4-23是16Mn钢的CCT图及组织和硬度的变化。 由图4-23可以看出(kàn chū),只要知道在焊接条件 下熔合区附近(Tm=1300~1350℃)t8/5冷却时间,就 可以在此图上查出相应的组织和硬度。这样就可以预先 判断出在这种焊接条件下的接头性能,也可以预测此钢 种的淬硬倾向及产生冷裂纹的可能性。同时也可以作为 调节焊接工艺参数和改进工艺(预热、后热及焊后热处 理等)的依据。 因此,建立焊接条件下的CCT图和t8/5与组织硬度的 分布图对于焊接性分析和提高焊接接头的质量具有十分 重要的意义
加热速度与许多因素有关,例如不同 (bù tónɡ)的焊接方法、焊接线能量、板厚 及几何尺寸,以及被焊金属的热物理性质 等。低合金钢几种常用的焊接方法的加热 速度、冷却速度等有关数据见表4-l所示。
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(二)加热(jiā rè)的最高温度 (Tm)
金属的组织和性能除化学成分的影响 (yǐngxiǎng)之外,主要与加热的最高温度Tm 和冷却速度ωc有关。例如低碳钢和低合金 钢焊接时,在熔合线附近的过热区,由于 温度高(1300~1350℃),晶粒发生严重长 大,从而使韧性严重下降。
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由图4-18看出,近缝区1点和4点所经历 的焊接热循环是比较理想的。对于1点来讲, 一方面使该点在Ac3以上(yǐshàng)停留时间 较短,避免了晶粒长大;另一方面减缓了 Ac3 以下的冷却速度,从而防止淬硬组织产 生。对于4点来讲,预热基础上开始焊接的, 如焊缝的长度控制合适,那么Ac3以上 (yǐshàng)停留时间仍可较短,使晶粒不易 长大。为防止最后一层产生脆硬组织,可 多一层退火焊道,以便增长奥氏体的分解 时间(由tB增至tB’)。