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第二章焊接热影响区的组织和性能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第二章焊接热影响区的组织焊接热影响区：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”(HeatAffectedzone,简称HAZ)或称“近缝区”(NearWeldZone)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。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)或冷却时间（t8/5、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，则相变温度但随之提高，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。（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)。（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)。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和从峰值温度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。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,同时相邻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”（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。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。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’)。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特点：2.加热速度快；几十倍甚至几百倍1.加热温度高热处理加热温度都不超过Ac3以上100～200℃4.自然条件下连续冷却3.高温停留时间短手弧，4~20秒；埋弧，30~100秒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。加热速度越快，Ac1和Ac3的温度越高，而且Ac1和Ac3的温差越大。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。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.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。钢种冷却速度组织（%）铁素体马氏体珠光体及中间组织45钢41830605(10)1(3)1(1)0(00（0）90（27）92（69）98（98）95（90）9（70）7（30）2（2）40Cr41422361（0）0（0）0（0）0（0）75（95）90（98）95（100）100（100）24（5）10（2）5（0）0（0）表4-9焊接及热处理条件下的组织百分比表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。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。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.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.3.CCT图的应用:通过CCT图可得到在不同的冷却速度下的组织,即估计组织及预测性能.三.焊接条件下CCT图的建立及其应用图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)晶粒粗化(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。（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。•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。(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。（四）晶粒粗化的影响•焊接条件下，近缝区由于强烈地过热而使晶粒发生严重长大，这不仅影响焊接接头的性能，同时也增大了产生裂纹的危险性。•根据几种钢在焊接热循环条件下晶粒长大动力学的研究可知，峰值温度附近晶粒长大的速度最快，当温度开始下降时，晶粒长大的趋势并不减弱，一直冷却到1100℃以下略有下降，达到一定尺寸之后就不再继续长大。•由此可知，在焊接条件下，奥氏体晶粒不但在加热过程中长大，而且在冷却过程也在长大，即所谓晶粒长大的“热惯性”•晶粒粗化对奥氏体的分解转变及转变产物的形态有很大的影响。晶粒越粗大，晶界的总面积越少，也就减少了形核的机会，也就不利于奥氏体的转变。（