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1、西北工业大学 材料学院,熊江涛,材料成形原理-焊接原理,材料成形原理-焊接原理 1,第一部分 焊接原理概述,参考文献崔忠圻。金属学与热处理（铸造、焊接专业用）。机械工业出版社1989年11月（预备知识）。邹家生。材料连接原理与工艺。哈尔滨工业大学出版社，2005年2月（重点参考）Robert W,Messler Jr.Joining of Materials and Structures-Joining of Materials and Structures.Elsevier ButterworthHeinemann 200 Wheeler Road,Burlington,MA 01803,U
2、SA.Linacre House,Jordan Hill,Oxford OX2 8DP,UK冯端，等。金属物理学（第一至第四卷）。科学出版设，1987年11月（拓展提高）,材料成形原理-焊接原理 2,第一章 序论,1.1 连接与人类历史,自石器时代至今天连接始终是人类制造业中最为重要的工艺过程之一,材料成形原理-焊接原理（序论）3,在通常意义上，连接是指将零、部件组合成一个（连续）整体的工艺过程，其所获得的整体具备各被连接零、部件没有的功能或复合功能。连接所关心的核心问题是那些具备固有微观结构与宏观性能的被连接材料在连接过程中的演变，以及所构建连接结构的组织与力学特征。,材料成形原理-焊接原理
3、（序论）4,1.2 连接的定义、目的及基本分类,1.2.1 连接的定义,Figure 1.1 Welding,using a variety of fusion welding,predominantly consumable electrode processes,is used almost exclusively in ship construction.Roll product(e.g.,plate and beams),forgings,and castings are all welded to provide structural integrity,structural eff
4、iciency,and leak tightness.In most shipyards parts are joined to create large pre-fabricated modules,which are then joined to produce the ship,here the aircraft carrier Reagan.,大型结构,材料成形原理-焊接原理（序论）5,Figure 1.2 Modern manufacturing often benefits when labor-intensive,quality-critical assembly is auto
5、mated,as exemplified in the automobile industry by robotic welding.(Courtesy of DaimlerChrysler AG,Stuttgart,Germany,with permission.),中型结构,材料成形原理-焊接原理（序论）6,Figure 1.3 Welding is also used for microjoining for a variety of applications and industries.Here,very thin kovar sheets are spot-fillet welde
6、d by laser-beam welding to produce the minute lap joints shown.(Courtesy of Sandia National Laboratories,Albuquerque,NM,with permission.),微小结构,材料成形原理-焊接原理（序论）7,Figure 1.4 Typical large welded structures at a petrochemical plant.Note the bolted thick-section pipes,valves,and fittings at the left and
7、right of the welded towers,as shown in a close-up in Figure 2.3.(Courtesy of Marathon Ashland Petroleum LLC,Findlay,OH,with permission.),金属材料,材料成形原理-焊接原理（序论）8,Figure 1.5 Typical use of manual iron soldering in industry.(Courtesy of the IBM Corporation,Poughkeepsie,NY,with permission.),Figure 1.6 An
8、example of a friction-welded ceramic assembly.(Courtesy of the Edison Welding Institute,Columbus,OH,with permission.),陶瓷+金属,材料成形原理-焊接原理（序论）9,Figure 1.7 The use of thermal bonding,as well as adhesive bonding,is commonplace in the assembly of thermoplastic monolithic and reinforced composites used in
9、military aircraft.(Courtesy of Northrop Grumman Corporation,with permission.),复合材料,材料成形原理-焊接原理（序论）10,Figure 1.8 In an analog to welding,a laser beam can be used to reattach a detached retina,with the heat of the laser causing joining by coagulating protein.(Courtesy of Julia A.Haller,M.D.,The Johns
10、Hopkins Hospital,Baltimore,MD,with permission.),生物材料,材料成形原理-焊接原理（序论）11,Figure 1.9 Huge offshore drilling platforms,serving as self-sufficient cities at sea,use welding extensively in their land-based construction,on-site erection,and above and below water repair.(Courtesy of Materials&Welding Techno
11、logy,Houston,TX,with permission.)VA,with permission.),Figure 1.10 Underwater arc welding is necessary for both construction and repair.Here,a diver is shown arc-repair welding an obviously overgrown steel structure.(Courtesy of Daves Diving&Offshore,in memory of Chris Mourtinson,Morgan City,LA,with
12、permissionof David Gilbert.),海,材料成形原理-焊接原理（序论）12,Figure 1.11 Welding is used to construct overland pipelines in all kinds of climates,including frozen tundra or scorching deserts,as shown here.(Courtesy of Bechtel Corporation,San Francisco,CA,with permission.),陆,材料成形原理-焊接原理（序论）13,Figure 1.12 As huma
13、ns venture farther and stay longer in outer space,joining by specially adapted conventional processes as well as yet-to-be-developed processes will be a necessity.Here,an astronaut assembles new parts onto a portion of the InternationalOrbiting Space Station.(Courtesy of the National Aeronautics and
14、 Space Administration,Washington,DC,with permission.),天,材料成形原理-焊接原理（序论）14,材料成形原理-焊接原理（序论）15,1.2.2 连接的目的,（1）功能：获得单一工艺方法（例铸造、锻压、粉末冶金、机加）无法获得的大尺寸或复杂结构构件；制备具有多功能耦合的多种材料复合体。,（2）可制造性：利用已有构件和材料达到整体结构构造的有效性；获得单一工艺方法无法获得的大尺寸或复杂结构构件将适合的材料用于适合的位置，优化选择；充分利用材料，尽量减少材料的消耗。,（3）成本,（4）美学,重要性,1.2.3 连接的基本分类,连接（Joining）
15、,机械连接（Mechanical Fasteners,Riveting）,粘接（Adhesive Bonding and Cementing）,焊接（Welding,Braze,solder and diffusion bonding）,机械力（弹、塑性畸变）强度低、非密封,范德华力、氢键强度低、密封,金属键，共价键，离子键强度高、密封,材料成形原理-焊接原理（序论）16,1.3 材料焊接成型的物理本质,1.3.1 焊接基本方法,材料成形原理-焊接原理（序论）17,焊接方法分类,熔焊,压焊,钎焊,电弧焊,气焊,铝热焊,电渣焊,电子束焊,激光焊,电阻点（缝）焊,熔化极,手工电弧焊,氩弧焊(MIG
16、),埋弧焊(SAW),CO2焊,螺柱焊,非熔化极,钨极氩弧焊(TIG),等离子弧焊(PAW),原子氢焊,摩擦焊,扩散焊,爆炸焊,超声波焊,冷压焊,电阻焊、闪光对焊,材料成形原理-焊接原理（序论）18,Figure 1.13 气体保护钨极电弧焊（Gas-Tungsten Arc Welding;GTAW）。示意图(Reprinted from Joining of Advanced Materials,Robert W.Messler,Jr.,Fig.6.9,page 202,Butterworth-Heinemann,Stoneham,MA,1993),材料成形原理-焊接原理（序论）19,Fi
17、gure 1.14 气体保护熔化极电弧焊（gas-metal arc welding;GMAW）示意图。(Reprinted from Joining of Advanced Materials,Robert W.Messler,Jr.,Fig.6.16,page 208,Butterworth-Heinemann,Stoneham,MA,1993),材料成形原理-焊接原理（序论）20,Figure 1.15 手工电弧焊（shielded metal arc welding;SMAW）示意图。(Reprinted from Joining of Advanced Materials,Rober
18、t W.Messler,Jr.,Fig.6.18,page 211,Butterworth-Heinemann,Stoneham,MA,1993),材料成形原理-焊接原理（序论）21,Figure 1.16 药芯焊丝电弧焊（flux-cored arc welding;FCAW）示意图。(Reprinted from Joining of Advanced Materials,Robert W.Messler,Jr.,Fig.6.19,page 213,Butterworth-Heinemann,Stoneham,MA,1993),材料成形原理-焊接原理（序论）22,Figure 1.17 埋
19、弧焊（submerged arc welding;SAW）示意图。(Reprinted from Joining of Advanced Materials,Robert W.Messler,Jr.,Fig.6.20,page 213,Butterworth-Heinemann,Stoneham,MA,1993),材料成形原理-焊接原理（序论）23,Figure 1.18 电渣焊（electroslag welding;ESW）示意图。(Reprinted from Joining of Advanced Materials,Robert W.Messler,Jr.,Figs.6.21 and
20、 6.22,page 215,Butterworth-Heinemann,Stoneham,MA,1993),材料成形原理-焊接原理（序论）24,Figure 1.19 电阻点焊（resistance spot welding;RSW）示意图。(Reprinted from Joining of Advanced Materials,Robert W.Messler,Jr.,Fig.6.24,page 218,Butterworth-Heinemann,Stoneham,MA,1993),材料成形原理-焊接原理（序论）25,Figure 1.20(a)爆炸焊示意图（explosion weld
21、ing;EXW）；(b)爆炸焊典型形貌。（Reprinted from Joining of Advanced Materials,Robert W.Messler,Jr.,Fig.6.28,page 224,Butterworth-Heinemann,Stoneham,MA,1993）,材料成形原理-焊接原理（序论）26,Figure 1.21(a)摩擦焊（friction welding;FRW）示意图；(b)典型摩擦焊接头。(Reprinted from Joining of Advanced Materials,Robert W.Messler,Jr.,Fig.6.29,page 22
22、5,Butterworth-Heinemann,Stoneham,MA,1993),材料成形原理-焊接原理（序论）27,1.3 材料焊接成型的物理本质,1.3.2 焊接的定义,两种或两种以上的材料，在添加或不添加填充材料的条件下，通过加热、加压，或二者并用的外场形式，并借助物质迁移过程，消除接触表面、形成永久性、致密、高强接头的物理化学过程。,材料成形原理-焊接原理（序论）28,1.3.3 不同焊接方法所需外场（温度、压力）,图1-22 不同焊接方法作用温度、压力及过程持续时间的对比,材料成形原理-焊接原理（序论）29,1.3.4 焊接的物理本质,图1-24 固-固硬球结构模型,材料成形原理-
23、焊接原理（序论）30,则两原子间的相吸力为,图1-2 原子间作用力与距离关系1斥力；2引力；3合力,材料成形原理-焊接原理（序论）31,莱纳德-琼斯势,Lennard-Jones,按求极限法则可得到与最大净作用力对应的原子间距为,标准的莱纳德-琼斯势，m=6，n=12，An、Am的数据可以根据点阵参数和升华能的数据导出,作用本质,加热,形成L/L、L/S界面,对接触接头进行局部，借助熔化、液相融合过程消除L/L界面；借助凝固过程消除L/S界面,加热/加压,形成S/S界面,借助热激活、畸变能激活，促进S/S接触界面的塑性变形、原子互扩散与成键消除S/S界面,材料成形原理-焊接原理（序论）32,形
24、成体积意义上的具有力学不均匀的焊接接头,图1-25 焊接接头示意图：1.焊缝；2.熔合区；3.热影响区；4.未变化的母材,材料成形原理-焊接原理（序论）33,图1-26 钎焊接头示意图:1扩散区；2界面区；3钎缝中心区,-TiAl钎焊接头微观结构及成份分布（Ti5 wt.%Cu15 wt.%Ni钎料）,材料成形原理-焊接原理（序论）34,局部加热的超高温度场,组织的不均匀性,力学性能不均匀性,残余热应力分布,连接材料的氧化倾向,特有缺陷的产生,材料成形原理-焊接原理（序论）35,以熔焊为代表,整体加热的高温度场,接头组织的特殊性,以钎焊、扩散(也有局部加热的情况)焊为代表,残余热应力分布,连接
25、材料的氧化倾向,特有缺陷的产生,1.3.5 不同焊接方法所涉及的基本原理,1.3.6 课程安排,熔焊的基本原理（14课时）钎焊的基本原理（3课时）扩散焊的基本原理（3课时）,材料成形原理-焊接原理（序论）36,第二部分 熔焊基本原理,材料成形原理-焊接原理（熔焊基本原理）37,焊接热过程事实上成为材料焊接成型的原理基础,2 熔焊热过程及其数值模拟,2.1 焊接传热的基本规律,图2-1 熔化焊过程示意图,2.1.1 焊接热循环,材料成形原理-焊接原理（熔焊基本原理-热过程）38,图2-2 低合金钢堆焊接头的焊接热循环,材料成形原理-焊接原理（熔焊基本原理-热过程）39,2.1.2 焊接热模拟,焊
26、接热模拟是焊接热影响区中某点所经历的焊接热循环在标准尺寸范围内再现的技术,焊接热循环：焊件上某点（x0,y0,z0）的温度随时间变化的规律，可以通过通式：,材料成形原理-焊接原理（熔焊基本原理-热过程）40,2.1.3 焊接等温线和温度梯度,图2-3 温度场中的等温线和温度梯度,等温线:t0时刻焊件上的温度分布，可以通过：,描述等温线的法线方向的温度梯度最大,材料成形原理-焊接原理（熔焊基本原理-热过程）41,T=f(x,y,z,t)描述的是四维空间的分度分布，即焊接温度场T=f(x0,y0,z0,t)和T=f(x,y,z,t0)仅适用于不同的边界与初始条件，其基础是傅立叶定律：,2.1.4
27、焊接传热微分方程式,傅立叶定律：,（微分形式）,（比热流形式）,材料成形原理-焊接原理（熔焊基本原理-热过程）42,2-1,2-2,2-3,z,x,y,Qz+dz,Qz,Qx+dx,Qx,Qy,Qy+dy,图2-4 小立方体中热能的积累,材料成形原理-焊接原理（熔焊基本原理-热过程）43,传入dxdydz的热量为：x方向：y方向：z方向：,传出dxdydz的热量：x方向：y方向：z方向：,Dxdydz中积累的热量的热量：,x方向：,y方向：,z方向：,材料成形原理-焊接原理（熔焊基本原理-热过程）44,2-4,从能量守恒出发dQ 为,材料成形原理-焊接原理（熔焊基本原理-热过程）45,2-5,
28、联立有,即,材料成形原理-焊接原理（熔焊基本原理-热过程）46,2-6,2-7,图2-5 焊件及传热形式,a)无限大物件 点热源 三向传热 三维温度场b)无限大薄板 线热源 二向传热 二维温度场c)无限长细杆 面热源 单向传热 一维温度场,材料成形原理-焊接原理（熔焊基本原理-热过程）47,2.2 焊接热过程的数值模拟,2.2.1 焊接温度场的数值模拟,厚大件,薄板,细长杆,材料成形原理-焊接原理（熔焊基本原理-热过程）48,2-8,2-9,2-10,1）影响因素是热源的种类，焊接规范，焊件的形态和材料的热物理性能等。2）加热/加压的s/s界面焊接温度场可以用细长杆描述。3）基于傅立叶的解析模
29、型是点状固定热源的焊接温度场，这与大多数工程情况不符。,T=f(x,y,z,t)数值模拟的边界条件：,VH36m/n时，即假定VH方向的，可以用薄板的模拟 厚大件的，可以细长杆的模拟薄板的；考虑环境温度T0对T=f(x,y,z,t)的影响；以材料的熔点TM来等效焊件所能达到的最高温度Tm。,材料成形原理-焊接原理（熔焊基本原理-热过程）49,连续移动热源T=f(x,y,z,t),厚大件：,薄板：,材料成形原理-焊接原理（熔焊基本原理-热过程）50,2-11,2-12,记住,E为焊接线能量（J/m）：,q为焊接热源的有效热能（J）；VH为焊接速度（m/s）,2.2.2 焊接热循环的数值模拟,图2
30、-6 焊接热循环的特征,材料成形原理-焊接原理（熔焊基本原理-热过程）51,通过式2-11与2-12，令T/t=0时，可求得Tmax,厚大件：,薄板：,（1）Tmax的计算,材料成形原理-焊接原理（熔焊基本原理-热过程）52,2-13,2-14,厚大件：,薄板：,（2）在TH温度停留时间tH的计算,材料成形原理-焊接原理（熔焊基本原理-热过程）53,2-15,2-16,以焊缝中心点代替焊缝边界点，可得,厚大件：,薄板：,（3）c与t8/5的计算,利用式2-11与2-12，且令r0=0，y0=0，则瞬时冷却速度c=为,材料成形原理-焊接原理（熔焊基本原理-热过程）54,2-17,2-18,厚大件
31、：,薄板：,2-19,2-20,利用式2-17与2-18，可得：,（4）临界板厚,在计算焊接热循环参数时，首先要确定是选用厚板公式还是选用薄板公式。为此引入临界板厚的概念。实验结果证明，当线能量E一定时，板厚增加到一定厚度后对c和t8/5的影响不大。因此可将c和t8/5不发生影响的板厚称为临界板厚，以cr表示，令式2-17与2-18相等，或2-19与2-20相等，可求得,或,2-21,2-22,材料成形原理-焊接原理（熔焊基本原理-热过程）55,3.熔焊物理冶金,化学成分及其分布；焊接应力、应变等与焊接接头材料组织和性能的关系,3.1 焊接一次结晶相变及控制,图3-1 熔池凝固及焊缝的形成,3
32、.1.1 熔池凝固条件及特点,熔池凝固特殊性,温度梯度大（快热、冷、过热）,快冷、促进池边缘晶体的生长,柱状晶充分发展,柱状晶的弯曲,流动,丰富的周期性,液态金属混合、净化,熔池体积小（30cm3、100g）,移动热源（动态凝固）,液态金属对流强烈源,过热、抑制中心部位的非自发形核与晶体生长,熔化、凝固同时进行,图3-2 熔池的运动状态下结晶,3.1.2 焊接一次结晶相变特征,非自发形核；联生结晶；弯曲柱状晶,3.1.2.1 联生结晶（外延生长）的区域与生长方向,3.1.2.2 联生结晶对过热区晶粒的遗传性,1）微观：共格、晶体学方向,2）宏观：晶体尺寸,图3-3 18-8钢自动焊时的联生结晶
33、,过大的线能量导致粗大柱状晶,3.1.2.3 联生结晶晶体生长的选择性与弯曲性,图3-4 体心、面心立方晶体熔池中柱状晶的形成,1）最大散热方向的反方向，等温线（熔合线）的法线方向；,2）晶体的最优生长方向，最大散热放热（原子堆垛最松散的方向）。,图3-5 典型熔池形状,1）晶体生长线速度：R；2）焊接方向为x，速度：v；3）移动时间t；4）移动距离 x；5）A点到C点，晶粒的增长量 S+,x=v t；S+=R t,S+,x,=,R,v,t 0，比 S更快的0，故：R=vcos 式中，为晶体生方向与熔池移动方向的夹角,图3-7 焊接速度对结晶形态的影响a）焊接速度大 b）焊接速度小,角大，垂直
34、,角小，弯曲,薄弱区域,焊接热裂纹敏感性高的奥氏体钢、铝合金不宜采用高速焊,晶体生长的实际线速度：R=Rcos,3.1.3 焊接成分过冷及其对一次结晶形态的影响,设因分配系数K0=，在图4-1所示的L/S界面前沿形成一连续过冷区，则原始液相中降低的溶质质量应等于析出的一次结晶晶粒得到的溶质量，依质量守恒：,解此微分方程，得 到中 的的分布：,依拉乌尔定律，得 到中温度 的分布,当 0时，对（4-5）式求导，为L/S界面处的温度梯度GL:,即：,为焊接成分过冷的判据，GL，R和C0为三要素。,其物理模型如图3-8所示；成分过冷与一次结晶形态的关系如图3-9所示,图3-8 成分过冷形成的条件,（1
35、）平面晶的形成,（2）胞状晶的形成,母材,焊缝,结晶方向,No 1,(100),(100),No 2,晶粒,T,GL,温度,距固液界面的距离,a）,b）,晶粒,晶粒,r,No 1,No 2,(100),(100),焊缝,母材,结晶方向,液,距固液界面的距离,T,GL,温度,a）,b）,（3）胞状树枝晶的形成,（4）树枝晶的形成,a）,T,GL,温度,距固液界面的距离,b）,（5）等轴晶的形成,图3-9 成分过冷对一次结晶形态的影响等轴,实际焊缝一次结晶形态,图3-10 焊缝结晶形态的变化示意图,3.1.4 焊接化学不均匀性,3.1.4.1 区域偏析,偏析是由焊接一次结晶相变特征决定的焊缝中成分
36、分布的一种表现形式,图3-11 快速焊时焊缝的区域分析,气孔或杂质,拉应力,3.1.4.2 层状偏析,周期性的热输入,原因：,熔滴输入（MIG）,电弧频率（TIG）,结晶潜热的周期性释放,多层焊,结晶速度的周期性,慢：扩散多，减弱,快：扩散少，加剧,危害：,力学性能不均匀；,抗腐蚀性、断裂韧性降低；,图3-12 焊缝的层状偏析：a）焊条电弧焊 b）电子束焊,图3-13 层状偏析与气孔,3.1.4.3 焊缝熔合区的化学成分不均匀,熔合区位于焊缝和母材的交界处，处于半熔化状态，这种状态不仅引起化学不均匀性，还引起物理不均匀性，从而成为焊接接头的薄弱部位。（溶质再分配、）,原因：,原子在固、液相中的
37、溶解度不同（溶质再分配）；原子在固、液相中的扩散速度不同,尤其是小直径的非金属原子,-x,W1,x,WM(钢),BM(钢),x1,x2,ws（%）,图3-15 异种钢接头熔合区中碳的分布示意图WI实际熔合线 BM母材金属 WM焊缝金属x1增碳层宽度 x2脱碳层宽度,3.1.5 气孔与杂质,3.1.5.1 析出性气孔(H2与N2)的形成机理,与成分过冷的类似，L/S界面前沿液相中气体的含量CL与离 L/S界面处的距离x的关系为,对应模型如图4-16，可见 由于焊接一次结晶特征的缘故，L/S界面总会发生气体的饱和析出。,S,L,图3-16 稳定生长阶段界面前气体溶质分布,P-209；11-3式,3
38、.1.5.2 反应性气孔(CO2气孔)的形成机理,当脱氧不足时，FeO，并向晶界偏析，与该处富集的碳反应而生成CO气体。,氧化物夹杂主要是化学冶金反应时产生的，多以硅酸盐形式存在；氮化物夹杂以Fe4N形式分布于晶粒上或贯穿境界；FeS和MnS来自于脱硫的反应。,3.1.6 改善焊缝性能的措施（主要是细化晶粒）,晶粒的细化,提高焊缝金属机械性能,强度和韧性,抗晶间腐蚀,填加高熔点合金元素，增加非自发晶核的质点（B2076、Mo2623、V1910、Ti1668、Nb2477）,振动结晶（机械、超声、电磁搅拌）,优化焊接工艺：减小线能量、多层焊（锤击焊道）,3.2 焊接二次结晶相变及其控制,以激活
39、方式可将焊接固态相变分为两类。以加热为焊接外场的L/S界面焊接条件下，以热激活（以wc或t8/5表现）为主，而以机械激活（以焊接拘束应力表现）；以加热/加压为焊接外场的S/S界面条件下，以机械激活（以焊接压力表现）为主，而以热激活为辅。,HAZ区域相变的特殊性（与热处理比较）,加热温度高：13501400；,加热速度快：热处理的几十几百倍；,高温停留时间短：Ac3以上，手工电弧焊420s,Ac3以上，埋弧焊30100s,自然条件下连续冷却,加热的局部和移动性,应力状态下进行组织转变,3.2.1 L/S界面焊接的固态相变及控制,3.2.1.1 相变规律,1）母材材质对焊接加热过程组织转变的影响,
40、图3-17 焊接快速加热对AC1、AC3和晶粒长大的影响a）45钢（H：1-1400C/s；2-270C/s；3-35C/s；4-7.5C/s）b）40Cr（H：1-1600C/s；2-300C/s；3-42C/s；4-7.2C/s）d-晶粒的平均直径 A-奥氏体 P-珠光体 F-铁素体 K-碳化物,表3-1 加热速度对相变点Ac1和Ac3及其温度变化差值的影响,含碳化物形成元素（Cr、W、Mo、V、Ti、Nb 等）的钢，相变点AC1和AC3 上移严重，奥氏体开始长大的温度高，高温区晶粒长大倾向小，奥氏体均质化程度差；不含的，相变点AC1和AC3 上移相对较小，奥氏体开始长大的温度相对低，高温
41、区晶粒相对粗大，奥氏体均质化程度相对较高；,3.2.1.2 冷却速度wc对焊接冷却过程组织转变的影响,图3-18冷却速度对FeC平衡相图的影响Ar1珠光体开始形成温度 Bs贝氏体开始形成温度Ms马氏体开始形成温度 Ws魏氏体开始形成温度,H（%）,3.2.1.3 采用SH-CCT图控制焊接接头组织性能,平衡相变TTT（Temperature-Time-Transformation）：相变点：A1、A3,连续冷却相变CCT（Continous-Cooling-Transformation）焊缝连续冷却相变WM-CCT（Welding Metal-CCT）模拟焊接热影响区连续冷却相变SH-CCT（
42、Synthetic Heat affected zone-CCT）,非平衡相变：CCT；SH-CCT；WM-CCT,相变点：加热时AC1（AC1A1）AC3（AC3 A3）冷却时 AR1（AR1 A1）AR3（AR3 A3）,图3-19 16Mn钢的SH-CCT图,应用：根据焊接接头力学性能的设计指标（如：Hr），在SH-CCT图上确定接头相变组织百分比，在a)上对应确定t8/5，根据（2-22）和（2-23）式计算E和T0，从而为制订焊接工艺提供依据。针对焊接工艺采用的E和T0，根据（2-22）和（2-23）式计算t8/5，在CCT图b)上确定接头相变组织百分比，在c)上对应确定Hv，并与设
43、计指标的Hv比较后，对现行焊接工艺进行评定。,3.2.2 HAZ的组织和性能,图3-20 焊接热影响区的分布特征1熔合区；2过热区；3相变重结晶区；4不完全重结晶区5未变化的母材；6淬火区；7部分淬火区；8回火区,3.2.2.1 HAZ的组织分布,低碳钢、某些低合金钢,中碳钢、低、中碳调质合金钢,不易淬火钢的HAZ组织,1）熔合区（焊缝-母材间的半熔化区）：数个晶粒宽,明显的化学成分不均匀性,组织、性能的不均匀性,接头的强度韧性,裂纹、脆性破坏的发源地,易为接头最薄弱的区域,2）过热区（粗晶区）：Tm1100,温度过高,奥氏体晶粒严重粗化,易出现脆性魏氏体组织,塑、韧性较差,易为大刚度构建的催
44、化和裂纹区,3）相变重结晶区（正火区或细晶区）：1100Ac3,4）不完全重结晶区：Ac3 Ac1,铁素体珠光体,细小奥氏体,重结晶,细小铁素体珠光体,空冷,相当于塑、韧性较好正火组织,HAZ中最佳区域,部分铁素体珠光体,细小铁素体珠光体,转变,部分铁素体珠光体,粗大铁素体珠光体,保留,晶粒大小、组织不一,力学性能不均匀,不同材料稍有区别，视具体情况而定,易淬火钢的HAZ组织（与焊前是正火状态、或退火有关）,1）完全淬火区：Ac3以上的区域，对应于不易淬火钢的过热区与正火区,奥氏体,铁素体珠光体,全部转变,冷却,淬火组织,对应过热区的位置,转变,粗大马氏体,对应正火区的位置,转变,细小马氏体,
45、焊接用钢淬硬倾向减小，奥氏体不均匀性较大时，会出现贝氏体、索氏体等正火组织,p192，图10-8（a）,p192，图10-8（b）,2）不完全淬火区：Ac3Ac1，对应于不易淬火钢的不完全重结晶区,铁素体,珠光体贝氏体索氏体,奥氏体,保留性铁素体,很少转变为奥氏体,奥氏体,转变,转变,铁素体+马氏体,3）回火软化区：Ac3Ac1，对应于不易淬火钢的不完全重结晶区,情况1：焊前为调质回火状态（回火温度Tt）,Tt,不完全淬火区,组织不变区,回火软化区,情况2：焊前为淬火状态,不完全淬火区,瞬时高温回火,Ac1,Ac1,Ac1,回火索氏体,回火马氏体,Q235钢板埋弧自动焊热影响区各部位组织200
46、a）不完全结晶区 b）重结晶 c）过热区、熔合区、焊缝,图3-21 不易淬火钢HAZ金相组织,低碳调质药皮焊条电弧焊完全淬火区组织400a）过热区（粗大马氏体）b)细晶区（细小马氏体）,图3-22 易淬火钢HAZ金相组织,3.2.2.1 HAZ的性能,1）硬化（Hmax）受控于化学成分与冷却条件,由于硬度试验比较方便，因此，常用HAZ的Hmax间接预测HAZ的韧性、脆性和抗裂性，并建立了Hmax与碳当量Pcm和t8/5的关系，如，低合金钢的,熔合区附近，Hmax最高,化学成分的影响,冷却条件的影响,tH,晶粒粗化,马氏体转变趋势增强,奥氏体中的C均匀化程度增加,HAZ中的硬度增加,t8/5,缓
47、冷程度增加,HAZ中的硬度减小,减小tH、增加t8/5可一定程度的减小HAZ中的硬度,工艺上的方法？,200oC,600oC,Ac3,Ac1,3,2,1,硬度HV,图3-23 调质钢焊接HAZ的硬度分布A焊前淬火+低温回火 B焊前淬火+高温回火 C焊前退火1淬火区 2部分淬火 3回火区,2）脆化,粗晶脆化,脆性断裂应力f 与晶粒直径d的关系（N.J.Petch）,单晶屈服强度,常数,某些低合金高强钢：焊接线能量、冷却速度,下贝氏体、低碳马氏体,改善韧性、提高抗脆性,高碳低合金高强钢：焊接线能量、冷却速度,孪晶碳马氏体,降低抗脆性,析出脆化,快热快冷,非平衡组织,过饱和固溶体,碳、氮亚稳定中间相
48、的析出,强、硬、脆提高,脆化机理：析出脆硬相阻碍位错运动,析出相的形态与尺寸对脆化也有影响,组织脆化,常用的低碳低合金高强钢：源于M-A组元、上贝氏体、粗大魏氏体,高碳钢：源于高碳马氏体,M-A组元的形成：一定的冷却速度、高强钢的HAZ与焊缝区域,铁素体先析出,残余奥氏体富集碳,冷400-350,高碳马氏体残余奥氏体（M-A）,M-A组元的形成的工艺条件（冷却速度不大不小）,快冷得到片状（孪晶）马氏体、慢冷得到铁素体+渗碳体,M-A组元的形成的组织条件：高强钢中的奥氏体稳定性元素较少,M-A组元脆化机理：相边界的微裂纹,热应变实效脆化,静应变实效脆化：室温或低温下受到预应变后产生的时效现象，强
49、、硬上升；塑、韧下降。,动应变实效脆化：在较高温度（200400）下承受塑性变形所产生的时效现象。比如，“蓝脆性”,以脆性转变温度Tcr（纤维状断口占5%时对应的温度）为判据,图3-24 HAZ中的Tcr分布,脆化形式：,粗晶脆化，析出脆化，热应变时效脆化和组织脆化，其中混合组织M-A组元脆化集中反映了HAZ的脆化特点。M-A组元发生在奥氏体A的稳定性极高，而冷却速度不大不小的条件下,3）HAZ的韧化（防止脆化的措施）,控制组织,使合金元素的体系为低碳微量多种合金元素的强化体系，焊接冷却时，使HAZ分布有弥散强化质点，获得低碳M、B下和针状铁素体；细化晶粒。避免晶界偏析,韧化处理,焊后热处理；
50、正确地确定E，T0和后热温度,软化,软化是硬度降低（或失强）现象。调质钢的软化规律如图3-23所示。焊前调质处理的回火温度越低（即强化程度越大），则焊后的软化程度越大。通过固液/时效热处理强化的合金（如镍合金、铝合金和钛合金）HAZ的软化是一种“过时效软化”，即强化相的分解脱溶，因而与T和t有关。采用小的E进行多层焊，并得到较低的层间温度（如70C），则可防止软化。,4.液态金属与气相的相互作用,气体的来源,气体与金属相互作用机制,气体与接头质量的影响,气体的控制措施,焊接过程中的气体,在熔焊中，除了在真空条件下，液态金属与气体的相互作用难以避免，且具有形式多样（物理、化学）、温度高、时间短、
