焊接熱影響區(qū)組織和性能變化

1、焊接熱影響區(qū)組織和性能變化 焊接熱影響區(qū)的定義：熔焊時在焊接熱源的作用下，焊縫周圍的母材發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域稱為“熱影響區(qū)”(Heat Affected Zone，HAZ)，或稱為“近縫區(qū)”(Near Weld Zone)。焊接熱影響區(qū)概述2 材料因受焊接熱影響（但未熔化）而發(fā)生金相組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域。3焊接過程中，在形成焊縫的同時，不可避免地使其附近的母材經(jīng)受了一次特殊的熱處理，形成組織和性能及不均勻的熱影響區(qū)。熱影響區(qū)一些部位的組織和性能很差，成為整個接頭的薄弱地帶。HAZ經(jīng)受了一次特殊的熱處理。一些部位的組織和性能變壞（如過熱區(qū)），成為整個焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)，對焊接質(zhì)量起著控制

2、作用。很多焊接結(jié)構(gòu)的破壞事故都與焊接熱影響區(qū)的性能惡化有關(guān)。重視和研究焊接熱影響區(qū)的組織和性能變化。5取決于材料本身的特性和工藝條件，主要冶金和工藝因素：1）被焊金屬與合金系統(tǒng)的特點無相變的金屬和合金：非常簡單有相變的材料：很復(fù)雜2）焊前母材的原始狀態(tài)焊前為冷作硬化或熱處理態(tài)：退火軟化易淬火材料焊前為退火態(tài)：淬火的硬化區(qū)影響焊接熱影響區(qū)組織和性能的主要因素63）焊接工藝方法和工藝參數(shù)熱源特點與焊接工藝參數(shù)密切相關(guān)：溫度場分布和焊接熱循環(huán)的特點。影響到焊接熱影響區(qū)特殊熱處理的各項參數(shù)：升溫速度、高溫停留時間和冷卻速度等。影響焊接熱影響區(qū)組織和性能的主要因素78一、焊接熱循環(huán)距焊縫不同距離各點的焊

3、接熱循環(huán)1. 定義：焊接過程中，熱源沿焊件移動時，焊件上某點的溫度由低而高，達(dá)到最大值后，又由高而低的變化稱為焊接熱循環(huán)。92. 焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)焊接熱循環(huán)的參數(shù)加熱速度VH加熱的最高溫度（Tm）在相變以上的停留時間(tH)冷卻速度(VC)和冷卻時間(t8/5、t8/3、t100)10t8/5：800500的冷卻時間。 t8/3：800300的冷卻時間。 t100：從峰值溫度Tm冷至100的冷卻時間。111. 焊接熱循環(huán)的特點1）加熱的溫度高 熱處理AC3以上100-200，例如45號鋼AC3：770 焊接近縫區(qū)：接近熔點，鋼的熔點1350 2）加熱的速度快比熱處理快幾十倍甚至上百倍。3）

4、高溫停留時間短手工電弧焊：4-20S，埋弧焊：20-40S4）局部加熱二、焊接熱熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變特點12加熱速度快，相變溫度升高 VHAc1， Ac3奧氏體化過程是一個擴散重結(jié)晶過程，需要有孕育期。鋼中含有碳化物形成元素時影響更顯著。形成的碳化物阻礙碳的擴散碳化物本身擴散速度低2. 焊接加熱過程奧氏體化的特點13奧氏體均質(zhì)化程度低高溫停留時間短，不利于擴散過程進(jìn)行，從而均質(zhì)化程度低。近縫區(qū)奧氏體晶粒嚴(yán)重長大當(dāng)加熱溫度在1100以上時，奧氏體晶粒嚴(yán)重長大。加熱過程形成的奧氏體晶粒度和均勻化程度，對冷卻時的相變過程和相變產(chǎn)物有很大影響。143. 焊接時冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變特點（1）奧氏體化溫度高

5、，加熱與冷卻速度快（2）奧氏體的穩(wěn)定性越大，淬硬傾向越大不含碳化物合金元素（如45鋼）：近縫區(qū)組織粗化，淬硬傾向比熱處理條件下要大含碳化物合金元素（如40Cr鋼）：碳化物不能充分溶解，奧氏體穩(wěn)定性下降，淬硬傾向比熱處理條件下要小15（一）焊接熱影響區(qū)的組織分布1. 低碳鋼及不易淬火的低合金鋼HAZ組織分布如Q235、16Mn、15MnV等，可分為如下四個區(qū)：熔合區(qū)（半熔化區(qū)）TLTS，化學(xué)成分與組織不均勻分布，過熱嚴(yán)重，塑性差，對焊接接頭的強度、韌性都有很大的影響。是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。Fe-C合金：在固態(tài)下合金中除了有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變外，還有成分變化和第二相析出，即共析轉(zhuǎn)變和Fe3c的析出。三、

6、焊接熱影響區(qū)的組織與性能變化16過熱區(qū)（粗晶區(qū)）溫度： TS - 1100 現(xiàn)象：加熱溫度高，在固相線附近，一些難熔質(zhì)點如碳化物和氮化物等溶入奧氏體，奧氏體晶粒粗大。組織：粗大的奧氏體在較慢的冷卻速度下形成過熱組織魏氏組織。性能：韌性很低。措施：嚴(yán)重時采用焊后正火處理（如電渣焊）。17相變重結(jié)晶區(qū)（正火區(qū)）溫度： 1100 - Ac3 現(xiàn)象：母材完全奧氏體化，加熱和冷卻過程中經(jīng)受了兩次重結(jié)晶相變，使晶粒得到顯著的細(xì)化。組織：相當(dāng)于低碳鋼正火處理后的組織（細(xì)小的PF）。性能：較好的綜合性能。18不完全重結(jié)晶區(qū)（不完全正火區(qū)）溫度： Ac3 Ac1現(xiàn)象：加熱溫度Ac3到Ac1之間，金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不

7、發(fā)生變化,只有部分金屬經(jīng)受了重結(jié)晶相變。組織：原始的鐵素體晶粒（粗大）和細(xì)晶粒的混合區(qū)。性能：性能不好19Q235A鋼焊接熱影響區(qū)的組織特點過熱區(qū)重結(jié)晶區(qū)不完全重結(jié)晶區(qū)母材202. 易淬火鋼HAZ組織分布（1）焊前是正火或退火狀態(tài) 焊前BM為F+P（S、B）完全淬火區(qū)（完全奧氏體化）Ac3 以上，室溫組織為M。不完全淬火區(qū)（部分奧氏體化）Ac1 Ac3，室溫組織為MF。在快速加熱條件下F很少溶入A，而P、B、S等轉(zhuǎn)變?yōu)锳；隨后快冷，形成M+粗大F。焊接淬硬傾向較大的鋼種，如18MnMoNb、45、30CrMnSi等，熱影響區(qū)的組織分布與母材焊前的熱處理狀態(tài)有關(guān)。21（2）焊前為調(diào)質(zhì)狀態(tài) BM回

8、火組織完全淬火區(qū)不完全淬火區(qū)回火區(qū)Ac1Tt，Tt為焊前調(diào)質(zhì)時的回火溫度，低于此溫度，組織不變；高于此溫度，出現(xiàn)軟化。22（二）焊接熱影響區(qū)的性能變化HAZ的硬化HAZ的脆化HAZ的軟化231. HAZ的硬化HAZ硬度分布不均勻，在熔合區(qū)附近具有最大硬度Hmax。不同的組織形態(tài)硬度不同同一組織，也有不同的硬度硬度主要決定于材料的化學(xué)成分和冷卻條件24（1）碳當(dāng)量Carbon Equivalent （Ceq或CE）定義：把鋼中合金元素（包括碳）按其對淬硬（包括冷裂、脆化等）的影響折合成碳的相當(dāng)含量。它反映了化學(xué)成分對硬化程度的影響25適合于C0.18%的鋼種式1）主要適用于中等強度的非調(diào)質(zhì)低合金

9、鋼（b400700MPa）式2）主要適用于強度級別較高的低合金高強鋼（b=5001000MPa）1）2）26主要適用于C0.17%， b=400900MPa的低合金高強鋼。應(yīng)用碳當(dāng)量公式時應(yīng)注意：碳當(dāng)量公式純屬經(jīng)驗公式，當(dāng)實驗條件、方法不同時，碳當(dāng)量公式也不同。一定要注意各公式的適應(yīng)范圍。27（2）碳當(dāng)量Ceq及冷卻時間t8/5與HAZ最高硬度Hmax的關(guān)系CeqHmax經(jīng)驗公式，Hmax=1274Pcm+45 Hmax=559CE（IIW）+100（HV）28Ceq一定， t8/5 Hmax。Hmax間接反映了HAZ的淬硬傾向，而Hmax測量方便，故可用Hmax來評價鋼材的冷裂傾向292.

10、HAZ的脆化脆化：是指HAZ在焊接熱循環(huán)作用下所產(chǎn)生的塑性、韌性下降的現(xiàn)象。通常用缺口沖擊值和脆性轉(zhuǎn)變溫度判斷脆化現(xiàn)象。脆性轉(zhuǎn)變溫度VTrs：隨著溫度的降低，金屬由延性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變，通常把發(fā)生轉(zhuǎn)變的那個臨界溫度稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度。顯然VTrs脆性。30從左圖可以看出，碳錳鋼HAZ的脆化區(qū)有兩個：粗晶區(qū)（1500）時效脆化區(qū)（400600）HAZ脆化：粗晶脆化、析出脆化、組織脆化、熱應(yīng)變時效脆化、氫脆化及石墨脆化。31（1）粗晶脆化（主要出現(xiàn)在過熱區(qū)）晶粒d VTrs鋼中含C、N化物形成d加熱溫度T，加熱時間tdE（焊接線能量）d32（2）組織脆化是由于HAZ中出現(xiàn)脆硬組織造成的。根據(jù)脆性組

11、織不同，又可分為：MA組元脆化析出脆化331）MA組元脆化MA組元脆化原因：高碳奧氏體易于形成高碳馬氏體MA組元存在時，成為了潛在的裂源，并起到吸氫和應(yīng)力集中的作用。342）析出脆化（沉淀相脆化）定義：某些金屬或合金，在時效或回火過程中，從過飽和的固溶體中沿晶界析出碳化物、氮化物、金屬間化合物及其他亞穩(wěn)定的中間相等，使金屬或合金的強度、硬度上升，韌性下降的現(xiàn)象。機理：析出相出現(xiàn)后，形成“柯氏氣團(tuán)”，阻礙位錯運動，使強度、硬度上升，產(chǎn)生脆化。HAZ的熔合部位（包括粗晶區(qū)）在化學(xué)成分和組織上的不均勻性比焊接區(qū)的其他部位更為嚴(yán)重，極易產(chǎn)生析出脆化。特點：時效性35（3）HAZ的熱應(yīng)變時效脆化(Hot Strain Embrittlement) 焊接構(gòu)件在室溫下受到延性預(yù)應(yīng)變，會產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，可使鋼材的硬度和強度升高，同時降低延性變形的能力；在高溫下（尤其是200400）的預(yù)應(yīng)變，還會產(chǎn)生比室溫下更為嚴(yán)重的脆化。這種現(xiàn)象稱為熱應(yīng)變時效脆化（HSE）。1）靜應(yīng)變時效脆化 在室溫下或低溫下受到預(yù)應(yīng)變后產(chǎn)生的時效脆化現(xiàn)象。2）動應(yīng)變時效脆化 在較高溫度下（特別是200400）的預(yù)應(yīng)變所產(chǎn)生的時效脆化現(xiàn)象，又稱為“藍(lán)脆”。363. 調(diào)質(zhì)鋼焊接HAZ的軟化焊前經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的高強鋼和具有沉淀硬化和彌散強化的合金，經(jīng)焊接之后，其HAZ產(chǎn)生不同程度的軟化或失強。調(diào)質(zhì)鋼焊接時HAZ