热影响区

二、焊接热循环的形式
（一）长段多层焊焊接热循环 1. 长段多层焊：每道焊缝的长度较长（一般1m以上），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），其特点是相邻各层之间有依 次热处理的作用 ，不适用于淬硬倾向较大的钢种 2.焊接热循环的变化如图4－17所示。
软化的原因： 焊接具有热处理强化的合金（如Al)时，主要问题 之一就是HAZ软化，降低了焊接接头的力学性能
（二）短段多层焊焊接热循环
1.短段多层焊：每道焊缝长度较短（约为 50～ 400mm），未等前层焊缝冷却到较 低温度（如 Ms点）就开始焊接下一道焊 缝，其特点是后焊一层对先焊层具有缓冷 作用，可以防止焊接接头产生淬硬组织， 适于焊接晶粒易长大而又易于淬硬的钢种 2.短段多层焊的热循环如图 4－18所示
（三）焊接热影响区的韧化
1. 通过母材的合金化方式和组织状态提高 HAZ的韧性 2.采用焊后热处理来改善HAZ的韧性 3.控制焊接线能量
（四）调质钢焊接HAZ的软化问题
1.调质钢焊接时HAZ的软化
软化的原因： 焊接加热温度超过工件原始调质温 度。 软化或失强最大的部位是在峰值温度为Acl附近
2.热处理强化合金焊接HAZ的软化
• 由图4－21、图4－22和表4－9可以看出，45 钢在焊接条件下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。 • 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，也就是在 同样冷却速度下焊接时比热处理时的淬硬倾 向小。
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
（三）在相变温度以上的停留时间（t H）
高温停留时间t H为焊接加热和冷却过程中 在相变温度以上的停留时间，分为加热过程 的停留时间 t′和冷却过程的停留时间 t′′ t H ＝ t′＋t′′ t H 越长，越有利于奥氏体的均质化过程， 但t H 越长，奥氏体晶粒越容易长大；特别是 在温度较高时（如1100℃以上)，即使停留时 不长，也会产生严重的晶粒长大。
3.峰值温度的影响 （峰值温度越高）
a.使过冷奥氏体的稳定性加大 b.促使奥氏体晶粒粗化 c.奥氏体的稳定性增大 ，淬硬倾向增大
4.晶粒粗化的影响
晶粒越粗大，晶界的总面积越少，减少了形 核的机会，不利于奥氏体的转变
5.应力应变的影响
a.有拉伸应力存在时会明显地降低奥氏体的 稳定性，使CCT曲线明显地向左上方偏移 b.应力和应变都会增加奥氏体的内能，加速 扩散过程，有利扩散型相变的进行 c.应力应变影响到马氏体转变，拉伸应力可 促进马氏体转变，即Ms升高和马氏体转变 量增加。切应力也能促进马氏体转变，正 压应力则会阻碍马氏体转变
c.对于国产低合金钢，作为粗略估算，可采用下面
的公式 ： Hmax(HV10)=140+1089Pcm-8.2t8/5
（2）铃木公式 引根据日本的低合金高强钢，研究不同冷却 时间t 8／5对H max的影响，建立了如下的公式：
（二）焊接热影响区脆化
1．组织脆化
（1）M－A组元脆化 a. M－A组元：某些低合金钢的焊接HAZ处于中温 上贝氏体的转变区间，先析出含碳很低的铁素 体，并且逐渐扩大，而使碳大部分集富到被铁素 体包围的岛状残余奥氏体中去。当连续冷却到 400～ 350℃时，残余奥氏体的碳浓度可达 0． 5 ％～0． 8％，随后这些高碳奥氏体可转变为高碳 马氏体与残余奥氏体的混合物 ，这种组织即M－ A组元 b. M－A组元是焊接低合金高强钢时在中等冷却速 度条件下形成的，出现在焊缝、HA
第一节
焊接热循环
• 焊接热循环的概念 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
一、焊接热循环的主ຫໍສະໝຸດ 参数（一）加热速度（ω H）
ω H= d T / d t ωH 不充分 T相变 A均质化和碳化物溶解越
（二）加热的最高温度（Tm）
（四）冷却速度（ω c）和冷却时间 （t 8／5、t 8／3、t 100等）
1. 冷却速度是一个不易准确描述的变化量，在工程实 际应用中常用冷却时间t 8／5、 t 8／3或t 100来表述焊接 冷却过程 2. t 8／5、t 8／3为焊接冷却过程中温度从800~500 ℃或 800~300 ℃的冷却时间 3. t 100为焊后冷却到100 ℃所花时间
3.遗传脆化
（1）厚板结构多层焊时，第一焊道的 HAZ粗晶区 位于第二焊道的正火区（相变重结晶区）保留 粗晶组织和结晶学的位向关系，这种现象称为 “组织遗传” （2）组织遗传而引起的脆化称为“遗传脆化” （3）遗传组织脆化条件 a. 有淬硬倾向的调质钢中 b.原始组织为非平衡组织 c.快速加热或冷却 d.晶界上出现细小等轴晶
第二节 焊接热循环条件下的金 属组织转变特点
一、HAZ热循环的特点（五点）：
1.加热温度高 2.加热速度快 3.高温停留时间短 4.焊接时，一般都是在自然条件下连续冷却，个别情 况下才进行焊后保温或焊后热处理 5.局部加热
二、焊接对加热过程组织转变的特点
1. 加热速度越快，被焊金属的相变点 A cl和 A c3的温度越高，而且 A cl和 A c3之间的 温差越大，如图 4－19和表 4－8所示。含 有碳化物合金元素（Cr、W、Mo、V、 Ti、Nb等）的钢，加热速度对相变温度 的影响更大 2.奥氏体均质化程度较低
3.原因：
（1）碳化物合金元素（如 Cr、 Mo、 V、 Ti、 Nb等）只有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） （2）热处理条件下，有充分的时间使碳化物合金元素 向奥氏体内部溶解 （3）焊接条件下，加热速度快，高温停留时间短，合 金元素不能充分地溶解在奥氏中，降低了淬硬倾 向 （4）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，近缝区组织粗化，淬硬倾向比热处理条件下 要大
三、焊接时冷却过程组织转变的特点
1.组织转变过程中热循环特点 ωc大、Tm高、t H短 2.焊接过程组织转变特点：对于一般的低碳钢，焊接 时淬硬倾向比热处理时要大;对于合金钢，焊接时比 热处理的淬硬倾向要小 3. 在焊接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
2.过热区 a.温度范围处在固相线以下1100℃左右，金属 处于过热状态，奥氏体晶粒发生严重长大现 象，冷却之后得到粗大的组织 b.在气焊和电渣焊条件下常出现魏氏组织（见 图4－30） c.韧性很低，常在过热粗晶区产生脆化或裂纹
3.相变重结晶区（正火区）
a.母材金属加热到Ac3以上的部位，发生重结 晶（即铁素体和珠光体全部转变为奥氏 体），在空气中冷却就会得到均匀而细小 的珠光体和铁素体 b.塑性和韧性都比较好，所处的温度范围约 在A3～1000℃之间
第 四 章
焊接热影响区 的组织和性能
天津大学 王惜宝
本章主要根据低合金高强钢焊接过程中， 由于快速不均匀加热和冷却影起热影响区 组织性能的变化，进行系统地讨论
基本概念：
1.热影响区 （Heat Affected Zone，简
称 HAZ） ：熔焊时在集中热源的作 用下，焊缝两侧发生组织和性能变 化的区域 2.焊接接头:由两个主要部分所组成， 焊缝和焊接热影响区 • 示意 图4-1
1．完全淬火区
a.处于Ac3以上的区域 b.钢的淬硬倾向较大，焊后得到淬火组织（马 氏体） c.靠近焊缝附近（相当于低碳钢的过热 区），晶粒严重长大，得到粗大的马氏体， 相当于正火区的部位得到细小的马氏体
2.不完全淬火区
a.母材被加热到Acl～Ac3温度之间的热影响 区 b.原铁素体保持不变，有不同程度的长大， 形成马氏体-铁素体的组织
4.粗晶脆化
（1）焊接过程中由于受热的影响程度不同， 在HAZ靠近熔合线附近和过热区将发生 严重的晶粒粒化 （2）晶粒越粗，脆性转变温度越高，脆性增 加 （3）淬硬倾向较小的钢，粗晶脆化主要是晶 粒长大所致，而易淬火钢，主要是产生 脆性组织所造成（如孪晶马氏体、非平 衡态的粒状贝氏体，以及组织遗传等）
b.国际焊接学会推荐的CEПW和日 本焊接协会的Ceq（WES）公式
2.随钢种碳当量（Pcm、CE（IIW））的增加， 硬度也随之增加，即淬硬倾向增加 3.t8/5越大，淬硬倾向越小 图4-39 4.硬度分布图 图4-40
5．焊接HAZ最高硬度的计算公式
（1）国产钢硬度计算公式 HAZ的最大硬度H max与P cm和t 8／5的关系建立 的硬度计算公式 ： a.当t 8/5<τM100时 H max=292+812C b.当 t 8／5＞τM100时 H max ＝ 52.0＋ 147.0Pcm- 81lg t 8／5
3.回火区（低于Acl以下的区域）
a .母材在焊前是调质状态 b. 焊前调质时的回火温度为Tt ，低于此温度 的部位，其组织性能不发生变化，热影响 区高于此温度的部位，组织性能将发生变 化，出现软化现象
4.母材
• 以低碳钢为例，可以把热影响区各部分所经 受的焊接热循环，对照铁碳合金状态图的组 织转变归纳如图 4－34所示 • 焊接热影响区的划分方法新的建议，具体划 分方案如图4－35所示
• 以低碳钢为例 ，热影响区各部分的组 织特征归纳如表 4－11所示 • 焊接热影响区各部位的名称及其所包 括的范围如表4－12所示
二、焊接热影响区（HAZ）的性能
（一）焊接热影响区的硬化 1.淬硬：成分对淬硬倾向的影响 （1）碳当量 （表4-14）
a.简称Ceq或CE，反映钢中化学成分对硬化程度的影 响，把钢中合金元素（包括碳）按其对淬硬（包括冷 裂、脆化等）的影响程度折合成碳的相当含量
5.氢脆 6.石墨脆化
在400~600°C加热时间较长，不常出现 如：钼铬钢焊接时HAZ淬火区，由于M游离 出石墨，发生脆化
7.时效脆化
（1）静应变时效（Static Strain Aging） 钢中存在碳、氮自由间隙原子时才会产 生这种现象 （2）动应变时效（Dynamic Strain Aging） 200～400℃温度范围，多发生在低碳钢 的Ar1以下HAZ，多道焊则发生在熔合区
（2）高碳马氏体脆化 （3）魏氏组织脆化 （4）上贝氏体脆化 （5）遗传组织脆化
2.析出脆化
（1）在时效或回火过程中，从非稳态固溶体 中沿晶界析出碳化物、氮化物 、金属间 化合物及其他亚稳定的中间相等，对于 一般低合金钢来讲主要是析出碳（氮） 化物 （2）新相的析出，使金属或合金的强度、硬 度和脆性提高
4.不完全重结晶区
a.处于Ac l～Ac3之间范围内的热影响区处于 b. Ac l～Ac3范围内只有一部分组织发生了相 变重结晶过程，成为晶粒细小的铁素体和 珠光体，另一部分始终未能溶入奥氏体的 铁素体，成为粗大的铁素体 c.晶粒大小不一，组织不均匀，力学性能不 均匀
5.母材
处于A1以下
（二）易淬火钢
三、焊接条件下CCT图及其应用
1.图4－23是16Mn钢的CCT图及组织和硬度的 变化图 2.在焊接条件下熔合区附近（Tm=1300～ 1350℃）t8／5冷却时间，可以在图上查出相 应的组织和硬度
3.影响CCT图的因素
（1）母材化学成分的影响 除钴之外，所有固溶于奥氏体的合金元素 都使S曲线向右移，即增加淬硬倾向，并降 低Ms点，其中以碳的影响为最大 （2）冷却速度的影响 a.随着冷却速度的增高，对于Fe－C合金， A1、A3、A cm均移向更低的温度，共析成分 由 C0．83％转为 C0. 4％～ 0.8％ 。 b.马氏体增大滑移的抗力，不均匀切变就会 以孪晶方式进行，马氏体就由条状变为片状
第三节 焊接热影响区的组织和性能
一、焊接热影响区的组织分布
（一）低碳钢和某些低合金钢（不易淬火钢）的HAZ 可分为四个区（如图4－29所示）
1.熔合区 a.焊缝与母材相邻的部位（温度处于固液相线 之间） b.范围很窄，在化学成分上和组织性能上都 有较大的不均匀性，对焊接接头的强度、 韧性都有很大的影响