第四章 熔合区和焊接热影响区

•
对于一般钢材来讲，钢中合金元素及杂质在
液相中的溶解度总是大于固相中的溶解度。因此，
在熔池凝固过程中，随着固相的增加，溶质原子
必然要大量地堆积在固相前沿的液相中。这样，
在固-液交界的地方溶质的浓度将发生突变，如图
4-3所示。图中实线表示固-液并存时溶质浓度的
变化，虚线表示熔池完全凝固以后的情况，这说
1400~170 0
40~50
250~30 0
1400~170 0
45钢
AC1
730 770 775 790
840
45 60
110
AC3 770 820 835 860
950
65 90
180
40Cr
AC1
740 735 750 770
840
15 35
105
AC3 780 775 800 850
940
熔焊原理
图4-5 Q345（16Mn）钢热影响区CCT图
（wC=0.16% wSi=0.35% wMn=1.35% wS=0.026% wP=0.014%）
熔焊原理
奥氏体形成温度TA越高、在该温度下的保温时 间τA越长，过冷奥氏体越稳定。
奥氏体化温度TA对CCT图的影响（炉中缓慢加热）
熔焊原理
25 75
165
23Mn AC1
735 750 770 785
830
35 50
95
AC3 830 810 850 890
940
40 80
130
30CrMn AC1 740 740 775 825
920
35 85
180
Si AC3 820 790 835 890
980
45 100
190
18Cr2W AC1 710 800 860 930 1000 60 130
熔焊原理
焊接接头的熔合区
图4-2 熔合区晶粒熔化情况
熔焊原理
• 焊接熔合区的主要特征是存在着严重的化 学不均匀性和物理不均匀性，这是成为焊 接接头中的薄弱地带的主要原因。
图4-3 固液界面溶质浓度的分布
图4-4
上行数据的条件：E=11.76kJ/cm
下行数据的条件：E=23.94kJ/cm
熔焊原理
有明显的偏析；而硫、磷扩散能力弱的元
素，凝固后浓度变化很小，保留了较严重
的偏析，熔合区硫的分布如图4-4所示。
熔焊原理
第二节 焊接热影响区（HAZ）：
焊接热影响区的形成
焊接过程中，在形成焊缝的同时不可避免地使其附近的母材经受 了一次特殊的热处理，形成了一个组织和性能极不均匀的焊接热 影响区。 在焊接热循环的作用下，焊缝两侧处于固态的母材发生组织和性能 变化的区域。
这是因为碳化物形成元素的扩散速度很小(比碳 小1000～10000倍)，同时它们本身还阻碍碳的 扩散，因而大大地减慢了奥氏体转变过程。
熔焊原理
加热速度对相变点Ac1和Ac3及其温差的影响
平衡状 态
加热速度ωH/（℃·S-1）
AC1与AC3的温差/℃
钢 种 相变点
/℃
6~8
40~50
250~30 0
熔焊原理
ωH ： 1—1400℃/s；2—270℃/s； 3—35℃/s； 4—7.5℃/s)
焊接快速加热对Ac1、Ac3和晶粒长大的影响
熔焊原理
3.焊接冷却时热影响区的组织转变特点
以45钢、40Cr为例，比较焊接条件下和热处理 条件下，在相同的冷却速度下组织转变的差异。
焊接和热处理时加热及冷却过程的示意图
明了在凝固过程中堆积在固相前沿的液相中溶质，
来不及扩散到液相中心，而将不均匀的分布状态
保留到凝固以后。
熔焊原理
•
熔合区的化学不均匀性，与熔池溶质
原子的性质有关。扩散能力较强的元素还
有可能在浓度梯度的推动下由焊缝向母材
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扩散，使化学不均匀性有所缓和。如同一
种钢在焊接时，碳的扩散能力强，在凝固
后仍可以扩散而趋于均匀，完全凝固后没
1.CCT图的建立：采用焊接热模拟试验装置来 建立某种钢的CCT图。
熔焊原理
两点结论：
1、焊接热循环的特点，决定了在研究热影 响区金属连续冷却转变时应该用焊接条件 下特定的连续冷却转变曲线。 （焊接条件下的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 ）
2、焊接加热特点对过冷奥氏体稳定性的影 响因钢的化学成分不同而异。
熔焊原理
焊接CCT图
焊接接头示意图 1-焊缝；2-熔合区；3-热影响区；4-母材
熔焊原理
熔焊原理
熔焊原理
焊接热影响区组织转变的特点
1.焊接热影响区热循环的特点
与热处理相比，其基本原理相同，又具有焊 接本身的特点（特殊性）： ① 加热温度高 在熔合线附近温度可达l350～l400℃ ② 加热速度快 加热速度比热处理时快几十倍甚至几百倍 ③ 高温停留时间短 在Ac3以上保温的时间很短(一般手
200
V
AC3
810 860 930 1020
1120
70
160
260
熔焊原理
２）加热速度对Ａ均质化影响
A均质化过程属于扩散过程，而焊接加 热速度快、相变以上停留时间短，都不利 于扩散,因而匀质化程度差。 ３）近缝区的晶粒长大
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, 产生热裂纹,冷裂纹。
熔焊原理
第四章 焊接热影响区
• 第一节 焊接熔合区 • 第二节 焊接热影响区
熔焊原理
第一节 焊接熔合区
• 熔合区是焊接接头中焊缝与母材交界的过 渡区。在焊接接头横截面低倍组织图中可 以看到焊缝的轮廓线，如图4-1所示，这就 是通常所说的熔合线。而在显微镜下可以 发现，这个所谓的熔合线实际上是具有一 定宽度的、熔化不均匀的半熔化区。
对45钢来说，TA提高使钢中的C全部溶入奥氏体， 组织很均匀且明显粗化，从而使A分解时的成核 率降低，孕育期加长，所以曲线右移。
而在40Cr钢中，由于含有碳化物形成元素Cr， 在快速加热高温停留时间短时，碳化铬来不及 分解仍保留在A中。这样使奥氏体中溶解的碳化 铬减少，而使其稳定性下降，同时保留下来的 碳化铬质点还可成为新相得晶核，提高了A的分 解时的成核率，其结果是缩短了孕育期，CCT 图曲线左移。
工电弧焊约为4～20s，埋弧焊时30～l00s)
④ 自然冷却 （个别情况下进行焊后保温缓冷） ⑤ 局部加热
熔焊原理
2.焊接加热时热影响区的组织转变特点
１）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。当钢中含有较多 的碳化物形成元素(Cr、W、Mo、V、Ti、Nb 等)时，这一影响更为明显。