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1、第 四 章,焊接热影响区的组织和性能,天津大学 王惜宝,本章主要根据低合金高强钢焊接过程中，由于快速不均匀加热和冷却影起热影响区组织性能的变化，进行系统地讨论,基本概念：,1.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 2.焊接接头:由两个主要部分所组成，焊缝和焊接热影响区 示意 图4-1,第一节 焊接热循环,焊接热循环的概念 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,一、焊接热循环的主要参数（一）加热速度（H）H=d T/d t H T相变 A均质化和
2、碳化物溶解越 不充分（二）加热的最高温度（Tm）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（13001350），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（t H）高温停留时间t H为焊接加热和冷却过程中 在相变温度以上的停留时间，分为加热过程 的停留时间 t和冷却过程的停留时间 t t H tt t H 越长，越有利于奥氏体的均质化过程，但t H 越长，奥氏体晶粒越容易长大；特别是在温度较高时（如1100以上)，即使停留时不长，也会产生严重的晶粒长大。,（四）冷却速度（c）和冷却时间（t 85、t 83、t 100等）,1.冷却速度是一个不易准确描
3、述的变化量，在工程实际应用中常用冷却时间t 85、t 83或t 100来表述焊接冷却过程2.t 85、t 83为焊接冷却过程中温度从800500 或800300 的冷却时间3.t 100为焊后冷却到100 所花时间,（一）长段多层焊焊接热循环 1.长段多层焊：每道焊缝的长度较长（一般1m以上），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100200以下），其特点是相邻各层之间有依次热处理的作用，不适用于淬硬倾向较大的钢种 2.焊接热循环的变化如图417所示。,二、焊接热循环的形式,（二）短段多层焊焊接热循环 1.短段多层焊：每道焊缝长度较短（约为 50 400mm），未等前层焊
4、缝冷却到较 低温度（如 Ms点）就开始焊接下一道焊 缝，其特点是后焊一层对先焊层具有缓冷 作用，可以防止焊接接头产生淬硬组织，适于焊接晶粒易长大而又易于淬硬的钢种 2.短段多层焊的热循环如图 418所示,第二节 焊接热循环条件下的金属组织转变特点,一、HAZ热循环的特点（五点）：1.加热温度高 2.加热速度快 3.高温停留时间短 4.焊接时，一般都是在自然条件下连续冷却，个别情况下才进行焊后保温或焊后热处理5.局部加热,1.加热速度越快，被焊金属的相变点 A cl和 A c3的温度越高，而且 A cl和 A c3之间的 温差越大，如图 419和表 48所示。含 有碳化物合金元素（Cr、W、Mo
5、、V、Ti、Nb等）的钢，加热速度对相变温度 的影响更大 2.奥氏体均质化程度较低,二、焊接对加热过程组织转变的特点,三、焊接时冷却过程组织转变的特点,1.组织转变过程中热循环特点 c大、Tm高、t H短 2.焊接过程组织转变特点：对于一般的低碳钢，焊接时淬硬倾向比热处理时要大;对于合金钢，焊接时比热处理的淬硬倾向要小3.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421和图4-22所示,由图421、图422和表49可以看出，45钢在焊接条件下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。相反，40Cr钢在焊接
6、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。,3.原因：（1）碳化物合金元素（如 Cr、Mo、V、Ti、Nb等）只有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）（2）热处理条件下，有充分的时间使碳化物合金元素 向奥氏体内部溶解（3）焊接条件下，加热速度快，高温停留时间短，合 金元素不能充分地溶解在奥氏中，降低了淬硬倾 向（4）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，近缝区组织粗化，淬硬倾向比热处理条件下 要大,三、焊接条件下CCT图及其应用,1.图423是16
7、Mn钢的CCT图及组织和硬度的变化图2.在焊接条件下熔合区附近（Tm=13001350）t85冷却时间，可以在图上查出相应的组织和硬度,3.影响CCT图的因素（1）母材化学成分的影响 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，即增加淬硬倾向，并降 低Ms点，其中以碳的影响为最大（2）冷却速度的影响 a.随着冷却速度的增高，对于FeC合金，A1、A3、A cm均移向更低的温度，共析成分 由 C083转为 C0.4 0.8。b.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,3.峰值温度的影响（峰值温度越高）a.使过冷奥氏体的稳定性加大 b.促使奥氏体晶
8、粒粗化 c.奥氏体的稳定性增大，淬硬倾向增大 4.晶粒粗化的影响 晶粒越粗大，晶界的总面积越少，减少了形核的机会，不利于奥氏体的转变,5.应力应变的影响 a.有拉伸应力存在时会明显地降低奥氏体的 稳定性，使CCT曲线明显地向左上方偏移 b.应力和应变都会增加奥氏体的内能，加速 扩散过程，有利扩散型相变的进行 c.应力应变影响到马氏体转变，拉伸应力可 促进马氏体转变，即Ms升高和马氏体转变 量增加。切应力也能促进马氏体转变，正 压应力则会阻碍马氏体转变,第三节 焊接热影响区的组织和性能,一、焊接热影响区的组织分布（一）低碳钢和某些低合金钢（不易淬火钢）的HAZ可分为四个区（如图429所示）1.熔
9、合区 a.焊缝与母材相邻的部位（温度处于固液相线 之间）b.范围很窄，在化学成分上和组织性能上都 有较大的不均匀性，对焊接接头的强度、韧性都有很大的影响,2.过热区a.温度范围处在固相线以下1100左右，金属处于过热状态，奥氏体晶粒发生严重长大现象，冷却之后得到粗大的组织 b.在气焊和电渣焊条件下常出现魏氏组织（见图430）c.韧性很低，常在过热粗晶区产生脆化或裂纹,3.相变重结晶区（正火区）a.母材金属加热到Ac3以上的部位，发生重结 晶（即铁素体和珠光体全部转变为奥氏 体），在空气中冷却就会得到均匀而细小 的珠光体和铁素体 b.塑性和韧性都比较好，所处的温度范围约 在A31000之间,4.
10、不完全重结晶区 a.处于Ac lAc3之间范围内的热影响区处于 b.Ac lAc3范围内只有一部分组织发生了相 变重结晶过程，成为晶粒细小的铁素体和 珠光体，另一部分始终未能溶入奥氏体的 铁素体，成为粗大的铁素体 c.晶粒大小不一，组织不均匀，力学性能不 均匀 5.母材 处于A1以下,（二）易淬火钢1完全淬火区 a.处于Ac3以上的区域 b.钢的淬硬倾向较大，焊后得到淬火组织（马 氏体）c.靠近焊缝附近（相当于低碳钢的过热 区），晶粒严重长大，得到粗大的马氏体，相当于正火区的部位得到细小的马氏体,2.不完全淬火区 a.母材被加热到AclAc3温度之间的热影响 区 b.原铁素体保持不变，有不同程
11、度的长大，形成马氏体-铁素体的组织,3.回火区（低于Acl以下的区域）a.母材在焊前是调质状态 b.焊前调质时的回火温度为Tt，低于此温度 的部位，其组织性能不发生变化，热影响 区高于此温度的部位，组织性能将发生变 化，出现软化现象 4.母材,以低碳钢为例，可以把热影响区各部分所经受的焊接热循环，对照铁碳合金状态图的组织转变归纳如图 434所示 焊接热影响区的划分方法新的建议，具体划分方案如图435所示,以低碳钢为例，热影响区各部分的组织特征归纳如表 411所示 焊接热影响区各部位的名称及其所包括的范围如表412所示,二、焊接热影响区（HAZ）的性能,（一）焊接热影响区的硬化 1.淬硬：成分对
12、淬硬倾向的影响（1）碳当量（表4-14）a.简称Ceq或CE，反映钢中化学成分对硬化程度的影响，把钢中合金元素（包括碳）按其对淬硬（包括冷裂、脆化等）的影响程度折合成碳的相当含量,b.国际焊接学会推荐的CEW和日本焊接协会的Ceq（WES）公式,2.随钢种碳当量（Pcm、CE（IIW）的增加，硬度也随之增加，即淬硬倾向增加 3.t8/5越大，淬硬倾向越小 图4-39 4.硬度分布图 图4-40,5焊接HAZ最高硬度的计算公式（1）国产钢硬度计算公式 HAZ的最大硬度H max与P cm和t 85的关系建立 的硬度计算公式：a.当t 8/5M100时 H max=292+812C b.当 t 8
13、5M100时 H max 52.0 147.0Pcm-81lg t 85 c.对于国产低合金钢，作为粗略估算，可采用下面 的公式：Hmax(HV10)=140+1089Pcm-8.2t8/5,（2）铃木公式 引根据日本的低合金高强钢，研究不同冷却时间t 85对H max的影响，建立了如下的公式：,（二）焊接热影响区脆化 1组织脆化（1）MA组元脆化 a.MA组元：某些低合金钢的焊接HAZ处于中温 上贝氏体的转变区间，先析出含碳很低的铁素 体，并且逐渐扩大，而使碳大部分集富到被铁素 体包围的岛状残余奥氏体中去。当连续冷却到 400 350时，残余奥氏体的碳浓度可达 0 5 0 8，随后这些高碳奥
14、氏体可转变为高碳 马氏体与残余奥氏体的混合物，这种组织即M A组元 b.MA组元是焊接低合金高强钢时在中等冷却速 度条件下形成的，出现在焊缝、HA,（2）高碳马氏体脆化（3）魏氏组织脆化（4）上贝氏体脆化（5）遗传组织脆化,2.析出脆化（1）在时效或回火过程中，从非稳态固溶体 中沿晶界析出碳化物、氮化物、金属间 化合物及其他亚稳定的中间相等，对于 一般低合金钢来讲主要是析出碳（氮）化物（2）新相的析出，使金属或合金的强度、硬 度和脆性提高,3.遗传脆化（1）厚板结构多层焊时，第一焊道的 HAZ粗晶区 位于第二焊道的正火区（相变重结晶区）保留 粗晶组织和结晶学的位向关系，这种现象称为“组织遗传”
15、（2）组织遗传而引起的脆化称为“遗传脆化”（3）遗传组织脆化条件 a.有淬硬倾向的调质钢中 b.原始组织为非平衡组织 c.快速加热或冷却 d.晶界上出现细小等轴晶,4.粗晶脆化（1）焊接过程中由于受热的影响程度不同，在HAZ靠近熔合线附近和过热区将发生 严重的晶粒粒化（2）晶粒越粗，脆性转变温度越高，脆性增 加（3）淬硬倾向较小的钢，粗晶脆化主要是晶 粒长大所致，而易淬火钢，主要是产生 脆性组织所造成（如孪晶马氏体、非平 衡态的粒状贝氏体，以及组织遗传等）,5.氢脆6.石墨脆化 在400600C加热时间较长，不常出现 如：钼铬钢焊接时HAZ淬火区，由于M游离出石墨，发生脆化,7.时效脆化（1）
16、静应变时效（Static Strain Aging）钢中存在碳、氮自由间隙原子时才会产 生这种现象（2）动应变时效（Dynamic Strain Aging）200400温度范围，多发生在低碳钢 的Ar1以下HAZ，多道焊则发生在熔合区,（三）焊接热影响区的韧化 1.通过母材的合金化方式和组织状态提高 HAZ的韧性 2.采用焊后热处理来改善HAZ的韧性 3.控制焊接线能量,（四）调质钢焊接HAZ的软化问题 1.调质钢焊接时HAZ的软化 软化的原因：焊接加热温度超过工件原始调质温 度。软化或失强最大的部位是在峰值温度为Acl附近 2.热处理强化合金焊接HAZ的软化 软化的原因：焊接具有热处理强化的合金（如Al)时，主要问题 之一就是HAZ软化，降低了焊接接头的力学性能,
