第三章 焊接接头的组织和性能

焊接接头的组织和性能1焊接热影响区•焊接热影响区是焊接接头的重要组成部分，是焊缝两侧未经过熔化但组织和性能发生变化的区域。由于焊接热影响区不同部位所受热作用的不一致性，造成其内部组织和性能的分布极不均匀，以致可能使其成为焊接接头的最薄弱环节。因此，研究热影响区在焊接热循环作用下组织和性能的变化规律，对于解决焊接问题、提高焊接质量具有十分重要的意义。1.1焊接热影响区的组织转变特点•1.焊接加热过程的组织转变特点(1)组织转变向高温推移由于焊接加热速度快，导致钢铁材料的相变温度Ac1和Ac3升高。这就是说，焊接过程中的组织转变不同于平衡状态的组织转变，转变过程已向高温推移。焊接加热过程中组织转变向高温推移是由奥氏体化过程的性质决定的。由铁素体或珠光体向奥氏体转变的过程是扩散重结晶过程，需要有孕育期。在快速加热的条件下，来不及完成扩散过程所需的孕育期，势必造成相变温度的提高。当钢中含有了碳化物形成元素时，由于它们的扩散速度慢，而且本身还阻止碳的扩散，因而明显减慢了奥氏体化的过程，促使转变温度升的更高。由于热影响区受热的瞬时性，即升温速度快、高温停留时间短及冷却速度很快，使得扩散有关的过程都难以进行，进而影响到组织庄边的过程及其进行的程度，由此出现了与等温过程和热处理过程的组织转变明显不同的特点。(2)奥氏体均质化程度降低、部分晶粒严重长大奥氏体均质化过程也是扩散过程，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。同时，熔合线附近的热影响区峰值温度很高（Tm=1300~1350℃），接近与焊缝金属的熔点，因而造成晶粒过热而严重长大。2.焊接冷却过程的组织转变特点(1)组织转变向低温推移、可形成非平衡组织在奥氏体均质化程度相同的情况下，随着焊接冷却速度的加快，钢铁材料的相变温度Ac1、Ac3以及Acm均降低。也就是说，焊接冷却过程中组织转变也不同于平衡状态的组织转变，已向低温推移。在快冷的条件下，共析成分也发生变化，有时候甚至会得到非平衡状态的伪共析组织。这种组转变特点也因为奥氏体向铁素体或珠光体的转变是由扩散过程控制的结果。(2)马氏体转变临界冷速发生变化在焊接热循环的作用下，熔合线附近的晶粒因过热而粗化，增加了奥氏体的稳定性，使淬硬倾向增大；另一方面，钢中的碳化物由于加热速度快、高温停留时间短而不能充分溶解在奥氏体中，降低了奥氏体的稳定性，使淬硬倾向降低。3.热影响区组织的确定方法由于焊接加热的高温性、瞬时性以及冷却的快速性，使焊接条件下的组织转变不仅与等温转变不同，而且与热处理条件下的连续冷却转变也不同。因此，必须采用焊接CCT图来分析和确定焊接热影响区的组织和性能。因焊接热循环参数不同会导致奥氏体均质化程度以及晶粒粗化程度的不同，因而焊接CCT曲线的形成也会发生变化。一般而言，热循环的峰值温度提高，奥氏体晶粒粗化，晶界总面积减小，形核机会减小，奥氏体的稳定性增强，因而淬硬倾向增大，CCT曲线右移，如图右图3-26a图所示；加热速度越快，高温停留时间越短，碳化物在奥氏体中的溶解越不充分，奥氏体的稳定性减弱，因而淬硬倾向降低，CCT曲线左移，如图b所示。所以我们一般在分析焊接热影响区的组织和性能时，尽量选择与实际相近的CCT图分析。图3-26热循环参数对CCT曲线的影响a)b)•焊接CCT图描述的是组织随冷却时间的变化，而冷却时间是由焊接工艺参数（焊接热输入及预热温度等）决定的。因此，在应用焊接CCT图时，需要通过冷却时间这个媒介，建立起组织和焊接工艺参数的联系，从而进行组织预测或制定焊接工艺。具体应用包括如下三个方面：（1）预测给定工艺条件下的接头的组织和性能（2）根据接头组织和性能的要求制定相应的焊接工艺（3）判断钢种的淬硬倾向及产生冷裂纹的可能性。图3-27焊条电弧焊的t8/5线算图一般而言，对组织其主要作用的冷却时间是从某一特定温度冷却到另一种特定温度所经历的时间。对于低合金钢来说，这个特定的冷却时间往往选定相变温度范围内的冷却时间，即从800℃冷却到500℃所经历的时间t8/5。采用解析和作图方法可确定t8/5与焊接参数的关系。图3-27给出了焊条电弧焊是t8/5与工艺参数关系的线算图，可以确定给定的焊接工艺参数下的t8/5，也可以按照t8/5的要求来确定所需的焊接工艺参数。例如：在板厚为10mm、热输入18000J/cm连接直线（1）与室温下的t8/5线交于A点，再根据A点和To=200℃连接直线（2）与预热温度下的t8/5线交于B点，B点的数值就是所求的t8/5，即t8/5=36s。1.2焊接热影响区的组织特征焊接热影响区上距焊缝远近不同的部位所经历的焊接热循环不同，因而不同部位就会产生不同的组织并且具有不同的性质，于是整个焊接热影响区呈现出分布不均的组织和性能。同时，因不同的钢材，即使所经历的焊接热循环相同，其热影响区组织和性能的分布也会不同。因此为了便于分析焊接热影响区的组织变化规律，可将钢材按照淬硬倾向分为不易淬火和易淬火两大类型。表3-4焊接方法对焊接热影响区各区尺寸的影响焊接方法各区平均宽度/mm热影响区总宽/mm过热区完全重结晶区不完全重结晶区焊条电弧焊2．2～3．01．5～2．52．2～3．06．0～8．5埋弧自动焊0．8～1．20．8～1．70．7～1．02．3～4．0电渣焊18～205～72～325～30氧乙炔焊214227电子束焊———0．05～0．751.不易淬火钢热影响区的组织分布不易淬火钢包括常用的低碳钢和某些低合金钢，其焊接热影响区各区的尺寸如表3-4所示。一般而言，由表可见，气焊和电渣焊时晶粒粗大、过热区较宽，焊条电弧焊和埋弧焊是晶粒粗大并不严重、过热区较窄，而激光束和电子束焊时几乎没有过热区。图3-29冷轧态不易淬火钢焊接热影响区的组织分布及其温度区间Ⅰ—过热区Ⅱ—完全重结晶区Ⅲ—不完全重结晶区Ⅳ—再结晶区Ⅴ—母材冷轧态母材的焊接热影响区主要过热区、完全重结晶区、不完全重结晶区以及再结晶区组成，如右图3-29所示。当母材为热轧态时，热影响区中没有再结晶区。(1)过热区过热区又称粗晶区，其紧邻熔合区，峰值温度范围从晶粒急剧长大的温度一直到固相线的温度。对普通低碳钢而言，过热区温度约为1100-1490℃。由于加热温度很高，金属处于过热状态，特别是在固相线附近，一些难溶的碳化物和氮化物质点也都溶入奥氏体，因此奥氏体晶粒发生严重长大，冷却后主要得到粗大的铁素体和珠光体，甚至在热输入大或高温停留时间长时，出现魏氏组织。因此该区的组织特征是晶粒特征是晶粒粗大的铁素体和珠光体，甚至形成魏氏组织，如图30-30a所示。图3-30Q235A钢焊接热影响区及母材的组织特征a)过热区b)完全重结晶区c)不完全重结晶区d)母材过热区的组织特性：过热区的组织特征决定了该区的脆性大，韧性低，甚至产生裂纹，因而是焊接接头的薄弱环节。但需强调，过热区的组织及过热区的大小与焊接方法和焊接热输入密切相关。(2)完全重结晶区完全重结晶区又称正火区或细晶区，其峰值温度范围从Ac3一直到晶粒急剧长大的温度。对普通低碳钢而言，该温度区约为900~1100℃。该区金属在加热过程中全部经历了有铁素体和珠光体到奥氏体的相变重结晶，而冷却过程又经历了由奥氏体到铁素体和珠光体的相变重结晶。正是该两次相变重结晶的作用，是晶粒得到了显著的细化，大小均匀化。所以，这给区的组织特征是晶粒细而均匀的铁素体和珠光体，如上图3-30b所示。组织特性：这种组织相当于热处理时的正火组织，由于其晶粒细小、均匀，因而完全重结晶区的塑性和韧性都比较好，具有良好的力学性能，甚至优于母材本身。(3)不完全重结晶区不完全重结晶区又称部分相变区或不完全正火区，其峰值温度介于Ac1～Ac3之间。对普通低碳钢而言，该温度区约为750~900℃。该金属只有一小部分经历了两次相变重结晶，从而形成细小的铁素体和珠光体。另一部分始终未能发生重结晶的原始铁素体，其晶粒较为粗大。该区为大小不一的铁素体和细小的珠光体，如图3-30c图。组织特性：该区晶粒大小不一、分布不均匀，使得该区的力学性能也不均匀，其冲击韧性低于完全重结晶。(4)再结晶区焊前经过冷作硬化的钢板，在峰值温度介于500℃～Ac1之间的热影响区中会出现一个明显的再结晶区，其组织特征为等轴晶粒。再结晶与重结晶的区别：1、再结晶温度低于重结晶的相变温度。2、重结晶时，晶粒的晶体结构要发生变化，即从一种晶体结构转变成另一种晶体结构；而再结晶时，没有晶粒内部晶体结构的变化，只有晶粒外形发生变化，由冷作变形后拉长的晶粒变为再轴晶粒。低碳钢再结晶区的组织为等轴铁素体晶粒，它很明显不同于母材冷作变形后的拉长晶粒，所以再结晶区的强度和硬度都低于母材，但塑性和韧性都得到了改善。2.易淬火钢热影响区的组织分布图3-31不同类型钢材焊接热影响区的组织分布Ⅰ—过热区Ⅱ—完全重结晶区Ⅲ—不完全重结晶区Ⅳ—完全淬火区Ⅴ—不完全淬火区Ⅵ—回火区易淬火钢包括低碳调制钢、中碳钢和中碳调质钢等，其焊接热影响区的组成分布与母材焊前的热处理状态有关，如右图3-31所示。当母材为调质状态时：热影响区由完全淬火区、不完全淬火区和回火区组成。当母材为退火或正火状态时，热影响区只由完全淬火区和不完全崔获取组成。(1)完全淬火区完全淬火区是指焊接热影响区中峰值温度达到Ac3以上的区域，它包括了相当于不易淬火钢的过热区和正火区两部分。由于该区内所有金属在加热过程中都经历了奥氏体化，因而在焊接快冷后将形成淬火组织。其中，相当于过热区的部分，由于晶粒严重长大以及奥氏体均质化程度高而增大了淬火倾向，容易形成粗大的马氏体，如图3-32a图。而相当于正火区的部分，因淬火倾向降低而能形成细小的马氏体，如图b所示。除此之外，因热输入和冷却速度的不同，还可能得到少量的贝氏体。所以，在完全淬火区的组织特征就是：粗细不同的马氏体与少量贝氏体的混合类型。(2)不完全淬火区不完全淬火区是指焊接热影响区中峰值温度处于Ac1～Ac3之间的区域，它相当于不易淬火钢的不完全重结晶区。该区的组织特征是马氏体、铁素体以及中间体构成的混合组织，如图3-32c图所示。在这种混合组织中，因马氏体是由含碳量较高的奥氏体转变而来的，所以它属于高碳马氏体，脆而硬。因此，不完全淬火区的脆性也较大，韧性也较低，仅此于完全淬火区的过热区。(3)回火区焊前处于调质状态的母材，热影响区中除了具有以上两个特征区外，还明显存在一个回火区，其峰值温度低于Ac1但高于原来调质处理的回火温度。1.3焊接热影响区的性能•1.焊接热影响区的性能分布(1)硬度的分布焊接热影响区的硬度实质是焊接影响区微观组织的反映，是评价钢种淬硬倾向的重要指标。表3-5低合金钢焊接热影响区中过热区微观组织对硬度的影响微观组织的体积分数(%)硬度HV铁素体珠光体贝氏体马氏体107830212107029298001981384000100393在焊接热循环的作用下，焊接热影响去去的组织分布不均匀的，因而它的性能分布也必然不均匀。尤其是热影响区的某些部位，因组织和性能的差异变化，成为整个焊接接头的最薄弱部位。在焊接过程中我们的初衷都是热影响区越小越好，例如激光焊接的，热量集中，热影响区小。（1）最高硬度图3-33不同钢种焊接热影响区的硬度分布a)不易淬火的20Mn钢b)易淬火的调质钢图3-33所出了易淬火和不易淬火两类钢种焊接热影响区的硬度分布情况。从右图可以看出，无论是易淬火钢和不易淬火钢，其焊接热影响区的硬度分布都是不均匀的，而且在熔合线附近的过热区中出现了比母材还高的最高硬度Hmax，这正是过热区发生淬硬及晶粒严重粗化造成的结果。•2)最低硬度。表3-6不同强度级别的钢种所允许的最高硬度日本钢种相当于国产钢种强度/MPa最高硬度HV调质非调质正火HW36Q345(16Mn)353520～637—390—HW40Q390(15MnV)392559～676—400—HW45Q420(15MnVN)441588～706—410380HW5014MnMoV490608～725—420390HW5618MnMoN