焊接热影响区的组织和性能

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。
（二）短段多层焊焊接热循环
所谓短段多层焊，就是每道焊缝长度较 短(约为50～ 400mm)，在这种情况下，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。短段多层焊的热循环 如图4-18所示。
（一）长段多层焊焊接热循环
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。
（二）加热的最高温度（Tm）
金属的组织和性能除化学成分的 影响之外,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。
（三）在相变温度以上的停留时间（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。
研究焊热影响区的熔合线附近的情况 ,这一区域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 组织转变的差异.
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焊接和热处理时，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。 根据上述的实验条件、采用专用的焊接 热模拟试验机和快速相变仪，得到了两种 钢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。
近年来许多国家为便于分析研 究，常采用某一温度范围内的冷却 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 蜂值温度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。
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 十分重要的，是提高焊接质量的重 要途径。
三.焊接条件下CCT图的建立及其应用
1.CCT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. CCT图的应用及意义:在新钢种投产之前, 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.
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，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
焊接热影响区的组 织和性能
焊接热影响区的组织
第一节 焊接热循环
第二节 焊接热循环条件下的金属
组织转变特点 第三节 热影响区组织和性能
重点内容:
1)焊接热循环的主要参数、意义
2)快速加热,连续冷却的金属组织转变特点 3)CCT图的应用 4)热影响区的划分方法 5)不易淬硬钢及淬硬钢的焊接热影响区分 布和组织转变
（四）冷却速度(ωc)和冷却时间(t8/5、t8/3、t100)
冷却速度是决定焊接HAZ组织性能的主 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)。
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4-22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。 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。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。
２.加热速度对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.
二.焊接时冷却过程组织转变特点
图4-3 距焊缝不同距离各点的热循环 （低碳钢，板厚20mm,手弧焊）
图4-4 不同焊接方法的焊接热循环
1—手弧焊 2—埋弧焊 3—电渣焊
一、焊接热循环的主要参数
• 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.冷却速度(Wc)和冷却时间（ t8/5 、
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’)。
3.高温停留时间短 手弧焊：4~20秒；埋弧焊：30~100秒 4.自然条件下连续冷却
5.局部加热
一、焊接时加热过程组织转变特点
１.加热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了很大的变化。 1）加热速度越快，Ac1和Ac3的温度越高，而且Ac1和Ac3的温差越大 。（珠光体、铁素体转变为奥氏体的过程是扩散性重结晶过程， 需要孕育期，快速加热，来不及完成扩散过程所需的孕育期，必 然会引起相变温度提高） 2）含有较多碳化物形成元素时，随加热速度的提高，相变点有更 为显著的提高。（因为碳化物形成元素的扩散速度小，约为碳的 1000~10000倍；同时，它们本身阻碍碳的扩散，所以大大地减慢了 奥氏体的转变过程） 此外，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。
t8/3 、t100 ）
（一） 加热速度(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 变温度也随之提高，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。 加热速度与许多因素有关，例如不同的 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。
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 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。
第二节 焊接热循环条件下的金属组织转变特点
焊接特点： 1.加热温度高 热处理加热温度都不超过Ac3以上 100～200℃ 2.加热速度快；几十倍甚至几百倍
二.多层焊热循环的特点
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,同时相临焊层之 间彼此具有热处理性质.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”
（二）冷却速度的影响
高温形成的奥氏体，因冷却速度不同，可得到不同的转变产 物。冷却速度对相变的影响，随着冷却速度的增高，对于Fe-C合 金来讲，A1、A3 、 Acm均移向更低的温度。同时共析成分也由 C0．83%转为C0．4％～0．8％，也就是说在快速冷却条件下， C0．4％的钢就可以得到全部为珠光体的组织(伪共析组织)。 在焊接条件下，加热和冷却都比较快，对相变必然会有较大 的影响。因此，CCT图形有变动，有时为了改善焊接热影响区的 组织，适当调整焊接线能量和采用预热及后热等措施，以降低冷 却速度。 应当指出．当钢中含有碳化物或氮化物形成元素时，只有它 们固溶于奥氏体之后，才能增加奥氏体的稳定性。焊接时，加热 速度很快，碳化物或氮化物并未溶解于奥氏体中，因而在快速冷 却条件下，反而会降低奥氏体的稳定性，使奥氏体提前转变 （ CCT 曲线左移）。 最新的研究表明，冷却速度增大时，Ms有所上升，并且会改 变马氏体的形态。因为增大冷却速度使马氏体滑移的抗力增大， 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。
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(三）峰值温度的影响
峰值温度越高，一方面使过冷奥氏体的稳定性 加大，另一方面也会促使奥氏体晶粒粗化，这两 方面的作用都会影响CCT图的形态。峰值温度不 同对16Mn钢CCT图的影响如图4-25所示。由图可 看出，加热温度高的 CCT图(Tm＝1300℃)比加热 温度低的CCT图(Tm＝ 900℃)要向右移，说明奥氏 体的稳定性增大。但是在焊接条件下，由于加热 速度快．高温停留时间短，比起炉中缓慢加热时 的影响要小些。
影响CCT图的因素有
(一)母材化学成分 (二)冷却速度 (三)峰值温度 (四)晶粒度 (五)应力应变
（一）母材化学成分的影响
焊接条件下的CCT曲线的形状(实际上是代表钢 种的淬硬倾向)，从根本上来说取决于母材的成分， 这一点与热处理条件下的CCT图是一致的。 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，即增加淬便倾向，并降低Ms点， 其中以碳的影响为最大。由金属学原理可知，由 于成分不同，在同一冷却速度下，则得到不同的 组织，因而硬度也不同。
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 能变化的区域称为“热影响区” 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。
第一节 焊接热循环
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