改善焊接热影响区的组织和性能

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任务4.1 掌握熔合区的特征
4.1.3任务实施
熔合区的主要特征如下。 1.化学不均匀性 通过了解熔合区的形成可以知道，熔合区的范围非常小，加热和冷却都
比较溶质元素不能充分扩散，会呈现出严重的化学不均匀性。 一般来说，钢中的合金元素及杂质在固相中的溶解度都小于在液相中的
项目四 改善焊接热影响区的组织和性 能
1 任务4. 1 掌握熔合区的特征 2 任务4. 2 分析焊接热影响区的组织 3 任务4. 3 改善焊接热影响区的性能
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任务4.1 掌握熔合区的特征
4.1.1任务描述
熔合区是焊缝和母材的交界处，通过了解熔合区的形成过程，分析熔合 区的特征，明确熔合区是焊接接头中薄弱的环节之一。
℃ -200 ℃ 。而在焊接时，近缝区熔合线附近可接近金属的熔点，对于 低碳钢和低合金钢来讲，一般都在1 350℃左右。 (2)加热的速度快。一般热处理条件下，为了保证工件整体受热均匀，加 热速度比较缓慢。而焊接时，热源就集中在熔池周围，故加热的速度比 热处理时要快得多，往往超过几十倍甚至几百倍。表4-1给出了不同焊 接方法的加热速度。
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任务4. 2 分析焊接热影响区的组织
(3)局部加热。热处理时工件是在放在炉中整体均匀加热的。而焊接时是 局部集中加热，并且随热源的移动，被加热的范围也随之移动。正是这 种局部集中加热和热源移动，造成加热速度快，冷却速度也快;还造成了 热影响复杂的应力状态。
(4)高温停留时间短。在热处理条件下，可以根据工件要求和工艺需要对 保温时间任意控制。焊接时在Ac3以上保温的时间很短，一般焊条电弧 焊为4~20s，埋焊时为30~100 s。
4.1.2相关知识
一、熔合区的概念 焊缝与母材之间不是一条简单的熔合线，而是由一个区域构成，这个区
域称为熔合区。过去人们一直认为熔合区是热影响区的组成部分，随着 研究的深入，人们发现熔合区的组织和性能与热影响区有诸多不同之处， 故将熔合区作为焊接接头的一个组成部分。GB/T 3375-1994对熔合区 的定义是“焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域”。
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任务4. 2 分析焊接热影响区的组织
四、焊接热影响区连续冷却转变图 和焊缝组织图(焊缝金属CCT图)类似，焊接热影响区连续冷却转变图(焊
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任务4.1 掌握熔合区的特征
这种物理不均匀性对接头的性能会产生重大的影响，使金属的抗裂能力 降低，聚集的空位可能会成为焊接接头中延时裂纹的裂源。
Hale Waihona Puke 3.残余应力大 熔合区残余应力大是由熔合区在焊接接头中所处的位置决定的。如前所
述，在焊接中，熔合区两侧分别是焊缝和热影响区，它们之间的分界就 是熔合区的边界。一方面，这三个区域的线膨胀系数不同，因而产生的 热应力不同，在熔合区的两个边界上将产生应力集中;另一方面熔合区本 身较窄，又存在着严重的物理不均匀性和化学不均匀性，更加重了应力 集中的程度，最终在熔合区内形成了较大的残余应力。在异种钢焊接时， 焊缝和母材成分差距较大，这个现象显得尤为突出，应引起高度重视。
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任务4. 2 分析焊接热影响区的组织
焊接时加热的速度很快，在到达相变温度时来不及完成孕育过程，这就 需要在更高的相变温度和较宽的温度范围来完成转变过程。
加热速度对相变温度的影响见表4-2。 当钢中含有较多的碳化物形成元素(Cr, W, Mo, V, Ti, Nb等)时，Ac1和
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任务4. 2 分析焊接热影响区的组织
三、冷却过程中焊接热影响区组织转变的特点 焊接热影响区加热时的组织转变特点对冷却时的转变有明显的影响。也
就是说，对于同一材料，在焊接和热处理条件下，冷却速度一致，得到 的室温组织并不一样。表4 -3列出了45钢和40 Cr钢在相同的冷却速度下， 焊接热影响区和热处理的组织分布。 由于熔合线附近的焊接热影响区是整个焊接接头的薄弱地带，所以以此 区的冷却过程的组织转变作为主要研究对象。这里将焊接条件下和热处 理条件下组织转变进行比较，来说明在这两种不同热过程条件下组织转 变的差异。如图4-5所示为焊接和热处理的热循环曲线，图中TM为金属 熔点，标号相同的曲线冷却速度相同，二者的主要差别是加热速度、峰 值温度和高温停留时间不同。
二、加热过程中焊接热影响区组织转变的特点 1.滞后现象严重 由金属学的原理可知:在平衡状态下，亚共析钢的室温组织为F+P，加热 温度超过A1时，发生珠光体向奥氏体转变，即(α+ Fe3C->γ），温度继
续升高，余下的铁素体和合金元素会不断向奥氏体中溶入，温度到A3后， 溶解过程结束形成单一的奥氏体组织，温度继续升高，奥氏体开始均质 化。这种珠光体向奥氏体转变属于扩散型相变，需要有一定的孕育期才 能完成上述过程。
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任务4. 2 分析焊接热影响区的组织
图4 -6、图4 -7分别是45钢、40 Cr钢在焊接和热处理条件下得到的连续 冷却转变曲线(简称CCT图)。 由金属学的原理可知:除Co外，所有固溶在钢中的合金元素只有充分溶
解在奥氏体的内部，才能增加奥氏体的稳定性，增加淬硬倾向，否则会 降低奥氏体的稳定性。对于45钢，焊接条件下峰值温度高，碳能充分溶 入在奥氏体中，同时近缝区附近的晶粒因过热而粗化，增加了奥氏体的 稳定性;对于40Cr钢，含有碳化物合金元素，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的内部溶解，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，从而降低了奥氏体的稳定性。
学性能变化的区域称为焊接热影响区。在焊接热源作用下，形成焊缝的 同时，热量必然向周围母材传递，使焊缝周围的母材金属经历了一次特 殊的加热、冷却过程，组织会发生不同程度的改变，力学性能也随之变 化，从而形成了焊接热影响区。
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任务4. 2 分析焊接热影响区的组织
和一般条件下的普通热处理相比，焊接热影响区热循环有以下特点: (1)加热的温度高。一般热处理条件下，加热温度都不超过Ac3以上100
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任务4.1 掌握熔合区的特征
未混合区在实际熔合线焊缝一侧，该区的晶粒是完全熔化的，只是未能 与熔化的填充金属相互混合。这是因为在焊缝金属熔池边缘，金属处于 液态的停留时间最短，温度也较低，液体金属的流动性差，受到的各种 机械力引起的搅拌作用很弱，造成熔化的母材金属和填充金属基本不能 混合。未混合区的产生及范围与焊缝的化学成分密切相关。焊缝成分与 母材相差越大，未混合区越明显，如珠光体钢与奥氏体不锈钢焊接时， 选用的是奥氏体钢焊条，在珠光体钢一侧熔合线的焊缝附近存在一个明 显的未混合区;焊接低碳钢和某些低合金钢时，母材与焊缝的成分差别不 大，未混合区极小，可忽略不计;不加填充材料的气焊、TIC焊，就不存 在未混合区，熔合区只由半熔化区组成。
(5)自然条件下连续冷却。在热处理时，可以根据需要来控制冷却速度或 在冷却过程中不同阶段进行保温。在焊接时一般都是在自然条件下连续 冷却，个别情况下才根据需要进行焊后保温或焊后热处理。
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任务4. 2 分析焊接热影响区的组织
综上所述，在焊接条件下，热影响区的热循环有自身的特点，因此在热 影响区的组织转变必然与热处理时的规律不同。由此可见，不能完全根 据金属学热处理的理论去解决焊接接头的组织和性能问题.
是由于母材坡口表面复杂的熔化状态形成的。一方面是由于电弧力和熔 滴过渡的周期性造成传递到母材表面的热量是不均匀的，熔化也出现不 均匀现象;另一方面，母材表面晶粒的取向各不相同而造成熔化程度不同， 其中晶粒取向与导热方向一致的晶粒熔化快。如图4-2所示，阴影部分 代表已熔化的部分，其中1, 3, 5晶粒取向有利于导热而熔化较多，2, 4 晶粒不利于导热而熔化较少，从而形成了液固两相共存的半熔化区。
聚集或重新分布，就是所谓的物理不均匀性。在熔合区，加热温度高， 冷却速度快，空位密度高。这是因为在焊接加热过程中，原子的振动加 强，键结合力减弱，原子容易离开静态的平衡位置而使空位密度增大， 加热的温度越高，空位的密度越大。在冷却过程中，空位密度应该降低， 但由于熔合区冷却速度很快，空位来不及迁移而处于过饱和状态。
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任务4.1 掌握熔合区的特征
在异种材料焊接或同种材料焊接但采用不同填充材料时，这种成分不均 匀现象可能会更加明显。因此，化学成分不均匀是熔合区最大的特征， 从而引起熔合区组织和性能的不均匀，甚至导致焊接缺欠的产生。
2.物理不均匀性 在不平衡的加热和冷却条件下，熔合区会发生空位及位错等结晶缺陷的
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任务4.1 掌握熔合区的特征
4.1.4分析与总结
熔合区是由半熔化区和未混合区组成的，半熔化区是焊缝边界液固两相 共存的区域，未混合区由焊缝边界焊缝以内完全熔化的母材组成。
熔合区存在严重的物理和化学不均匀性，在一般条件下，熔合区通常会 成为整个接头的薄弱环节，对接头质量起到决定性作用，很多焊接结构 失效的起源往往就在熔合区。
3.部分晶粒严重长大 这是晶粒长大的一个自发过程。奥氏体过程完成之后，晶粒开始长大，
但长大速度缓慢，当达到某一温度时，奥氏体晶粒迅速长大。对于一般 的低碳钢和低合金钢的热影响区来说，这一温度大约是1 100 ℃ 。由此 可见，熔合线附近的热影响区峰值温度很高(Tmax=1 300℃~1 350 ℃ )， 接近于焊缝金属的熔点，会造成晶粒过热而严重长大，必然使这一区域 的力学性能下降。
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任务4.1 掌握熔合区的特征
熔合区的范围非常窄，在正常电弧条件下，低碳钢和低合金钢的宽度为 0. 133~0. 50 mm，奥氏体不锈钢的宽度为0. 06~0. 12 mm。
二、熔合区的组成 熔合区是由半熔化区和未混合区组成，如图4-1所示。 半熔化区的特征是焊缝与母材未熔化晶粒相互渗透交错存在，半熔化区
溶解度。因此，在熔池凝固过程开始时，高温析出的固相比较纯，造成 周围的液相中溶质原子含量比较高，随着固相的不断增加，必然有大量 溶质原子堆积在固相前沿。特别是开始凝固时，这种堆积更加明显。
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任务4.1 掌握熔合区的特征
这样在固液交界的地方将发生溶质原子的浓度突变，而熔合区不会像焊 缝中心那样，有充分的时间进行扩散，随着快速凝固，堆积的大量溶质 原子滞留在固液交界处，形成成分突变，如图4-3所示。
AC3升高得更显著，滞后现象更加严重。这是因为钢中的碳化物形成元 素时，它们的扩散速度慢(比碳小1000~10000倍)，而且这些元素还会阻 止碳的扩散，因而大大地减慢了奥氏体的转变过程，促使转变温度升得 更高。 2.奥氏体均质化程度降低
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任务4. 2 分析焊接热影响区的组织
奥氏体均质化程度也是扩散过程，由于焊接加热速度快，高温停留时间 短，不利于扩散过程的进行，因而使奥氏体均质化程度降低，这一过程 必然影响冷却时的组织转变，如果加热时奥氏体均质化程度很差，即使 在冷却时高温停留时间再长，也不会达到很高的均质化程度。
由不平衡凝固过程所造成的这种化学不均匀性程度，与溶质原子的性质 有关。在钢中，越易偏析的元素造成的化学不均匀性越明显，如硫、磷、 碳。在凝固后的冷却过程中，化学不均匀性会有所缓和，如图4一3的虚 线部分。缓和的程度与元素的扩散能力有关。碳的扩散能力强，在凝固 后仍可扩散而趋于均匀，完全冷却后没有明显的偏析;而硫、磷等扩散能 力弱，凝固后浓度变化很小，会呈现出较为严重的不均匀性。如图4 -4 所示为熔合区中硫的分布。
异种钢焊接时，焊接接头应力分布复杂。
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任务4. 2 分析焊接热影响区的组织
4. 2. 1任务描述
通过了解焊接热影响区的形成，焊接热影响区热循环的特点，加热和冷 却时组织转变的特点，分析焊接热影响区的组织变化，为改善热影响区 的力学性能打下基础。
4.2.2相关知识
一、焊接热影响区热循环的特点 在焊接或切割过程中，母材因受热作用(但未熔化)而发生金相组织和力