第四章焊接熱影響區的組織

和性能1主要內容第一節焊接熱循環第二節焊接熱循環條件下的金屬組織轉變特點第三節焊接熱影響區的組織和性能2本章主要根據低合金高強鋼焊接過程中，由于快速不均勻加熱和冷卻引起熱影響區組織性能的變化，進行系統地討論3基本概念：1.熱影響區（HeatAffectedZone，簡稱HAZ）：熔焊時在集中熱源的作用下，焊縫兩側發生組織和性能變化的區域2.焊接接頭:由兩個主要部分所組成，焊縫和焊接熱影響區，示意圖如圖4-14

焊接結構制造的問題：早期，主要采用低碳鋼，主要集中注意力解決焊縫中存在的問題。只要焊縫不出現問題，熱影響區也不會出現問題。后來，高強鋼、不銹鋼、耐熱鋼等，焊接質量不僅決定于焊縫，同時也決定于熱影響區，有時有些金屬焊接熱影響區存在的問題比焊縫更復雜。以低合金高強鋼焊接為例，隨鋼種強度級別的提高，熱影響區的脆化和裂紋傾向越嚴重。圖4-2，抗拉強度為800MPa的鋼種，焊接熱影響區在不同溫度下的斷裂韌性和可能出現的裂紋。可見，在某些情況下焊接熱影響區可能成為焊接接頭的薄弱環節。應重視熱影響區的問題。5第一節焊接熱循環焊接熱循環的概念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，達到最高值后，又由高而低隨時間的變化稱為焊接熱循環。如圖4-3。6焊接熱循環是描述焊接過程中熱源對被焊金屬的熱作用。距離焊縫不同距離的各點，所經歷的熱循環是不同的，如圖4-3。另外，由于焊接方法不同，熱循環曲線的形狀也發生較大的變化，圖4-4。由上可見，焊接是一個不均勻加熱和冷卻的過程。也可以說是一種特殊的熱處理，從而使熱影響區造成不均勻的組織和性能。同時，也會產生復雜的應力與應變，給焊接結構的安全穩定性帶來許多復雜的問題。7一、焊接熱循環的主要參數（一）加熱速度（ωH）ωH=dT/dtωH

↑→T相變↑→A均質化和碳化物溶解越不充分，必然影響到焊接HAZ冷卻后的組織和性能。加熱速度與許多因素相關：焊接方法、焊接線能量、板厚及幾何尺寸、被焊金屬的熱物理性能等。8（二）加熱的最高溫度（Tm）金屬的組織和性能除受化學成分的影響外，主要與加熱的最高溫度、冷卻速度有關。低碳鋼和低合金鋼焊接時，在熔合線附近的過熱區，由于溫度高（1300～1350℃），晶粒發生嚴重長大，從而使韌性嚴重下降。9（三）在相變溫度以上的停留時間（tH）在相變溫度以上的停留時間tH為焊接加熱和冷卻過程中在相變溫度以上的停留時間，分為加熱過程的停留時間t′和冷卻過程的停留時間t′′tH＝t′＋t′′tH越長，越有利于奧氏體的均質化過程，但tH太長時，奧氏體晶粒越容易長大；特別是在溫度較高時（如1100℃以上)，即使停留時不長，也會產生嚴重的晶粒長大。10（四）冷卻速度(ωc)和冷卻時間(t8/5、t8/3、t100等）冷卻速度是決定焊接HAZ組織性能的主要參數，如同熱處理時的冷卻速度一樣。焊接時的冷卻過程在不同階段是不同的。1.冷卻速度是一個不易準確描述的變化量，在工程實際應用中常用一定溫度范圍內的平均冷卻速度，或者是冷至某一瞬時溫度的冷卻速度來表示。如對低合金鋼的焊接，熔合線附近冷卻過程中約450℃的瞬時冷卻速度。2.用冷卻時間t8/5、t8/3或t100來表述焊接冷卻過程。t8/5、t8/3為焊接冷卻過程中溫度從800℃冷卻到500℃或從800℃冷卻到300℃的冷卻時間3.t100為焊后冷卻到100℃所用的時間11二、多層焊焊接熱循環的特點（一）長段多層焊焊接熱循環1.長段多層焊：每道焊縫的長度較長（一般1m以上），焊完第一層再焊第二層時，第一層已基本冷至較低的溫度（一般在100～200℃以下），其特點是相鄰各層之間有依次熱處理的作用，不適用于淬硬傾向較大的鋼種。2.因為這些鋼在焊接第一層以后，焊接第二層的過程中，第一層的近縫區或焊縫由于淬硬傾向大而有產生裂紋的可能。應注意焊前預熱、層間溫度控制，焊后緩冷等工藝措施配合。3.焊接熱循環的變化如圖4-17所示。1213（二）短段多層焊焊接熱循環1.短段多層焊：每道焊縫長度較短（約為50～400mm），未等前層焊縫冷卻到較低溫度（如MS點）就開始焊接下一道焊縫了，其特點是后焊層對先焊層具有緩冷作用，可以防止焊接接頭產生淬硬組織，適于焊接晶粒易長大而又易于淬硬的鋼種2.短段多層焊的熱循環如圖4-18所示3.操作工藝十分繁瑣，生產率低，只有在特殊情況下才采用。1415第二節焊接熱循環條件下的

金屬組織轉變特點一、HAZ熱循環的特點（五點）：1.加熱溫度高：超過Ac3以上100~200℃2.加熱速度快：熱源強烈集中，加熱速度比熱處理快幾十至幾百倍。3.高溫停留時間短：在Ac3以上保溫的時間很短（一般手工焊約為4~20s，埋弧焊時30~100s），而熱處理的可以根據需要任意控制保溫時間。4.一般都是在自然條件下連續冷卻，個別情況下才進行焊后保溫或焊后熱處理。而熱處理可以根據需要控制冷卻速度，或是在冷卻過程中的不同階段進行保溫。5.局部加熱：組織轉變是在應力作用下進行的，并且這種轉變的過程是不均勻的。16二、焊接時加熱過程組織轉變的特點1.相變溫度提高：加熱速度越快，被焊金屬的相變點Acl和Ac3的溫度越高，而且Acl和Ac3之間的溫差越大，如圖4-19和表4-8所示。含有碳化物合金元素（Cr、W、Mo、V、Ti、Nb等）的鋼，加熱速度對相變溫度的影響更大。根據金屬學的原理，加熱時由珠光體、鐵素體轉變為奧氏體的過程是擴散性重結晶過程，需要有孕育期。在快速加熱的條件下，來不及完成擴散過程所需的孕育期，必然會引起相變溫度提高。對于含碳化物合金元素的鋼，由于碳化物的擴散速度小，且阻礙碳的擴散，因此大大減慢了奧氏體的轉變過程。2.奧氏體均質化程度較低（不利于擴散過程）：由于奧氏體的均質化過程是屬于擴散過程，因此加熱速度快和相變溫度以上停留時間短，都不利于擴散過程的進行。171819三、焊接時冷卻過程組織轉變的特點1.組織轉變過程中熱循環的特點冷卻速度ωc大、加熱的最高溫度Tm高、在相變溫度以上的停留時間tH短202.焊接過程組織轉變特點（P179）：對于一般的低碳鋼，焊接時淬硬傾向比熱處理時要大（不存在C化物溶解、奧氏體穩定、組織易粗化）；對于合金鋼，焊接時比熱處理的淬硬傾向要小（C化物未充分溶解，奧氏體不穩定，易發生其他非馬氏體類型的組織轉變）3.在焊接和熱處理條件下連續冷卻的組織轉變圖（即CCT圖），如圖4-21和圖4-22所示21222324由圖4-21、圖4-22和表4-9可以看出，45鋼在焊接條件下比在熱處理條件下的CCT曲線稍向右移（主要考慮MS點附近）。說明在相同冷卻速度條件下，焊接時比熱處理時的淬硬傾向大。相反，40Cr鋼在焊接條件下的CCT曲線比熱處理條件下的CCT曲線向左移動，也就是在同樣冷卻速度下焊接時比熱處理時的淬硬傾向小。25原因：（1）碳化物合金元素（如Cr、Mo、V、Ti、Nb等）只有充分溶解在奧氏體的內部，才會增加奧氏體的穩定性（即增加淬硬傾向）。（2）熱處理條件下，有充分的時間使碳化物合金元素向奧氏體內部溶解。（3）焊接條件下，加熱速度快，高溫停留時間短，合金元素不能充分地溶解在奧氏中，降低了淬硬傾向。（4）不含碳化物合金元素的鋼（如45鋼），一方面不存在碳化物的溶解過程，另一方面在焊接條件下，近縫區組織粗化，淬硬傾向比熱處理條件下要大。26三、焊接條件下的CCT圖及其應用1.圖4-23是16Mn鋼的CCT圖及組織和硬度的變化圖2.根據在焊接條件下熔合區附近（Tm=1300～1350℃）t8/5冷卻時間，可以在圖上查出相應的組織和硬度272829303.影響CCT圖的因素（1）母材化學成分的影響：影響CCT圖的形態除鈷之外，所有固溶于奧氏體的合金元素都使S曲線向右移，加大過冷奧氏體的穩定性，即增加淬硬傾向，并降低Ms點，其中以碳的影響為最大（2）冷卻速度的影響a.隨著冷卻速度的增大，對于Fe-C合金，A1、A3、Acm均移向更低的溫度，共析成分由C0.77％轉為C

0.4％～0.7％。也就是說在快速冷卻的條件下，C

0.4％的鋼就可以得到全部珠光體的組織（偽共析組織）。b.冷卻速度增大時，Ms有所上升，并且會改變馬氏體的形態。因為增大冷卻速度使馬氏體增大滑移的抗力，不均勻切變就會以孿晶方式進行，馬氏體就由條狀變為片狀。31（3）峰值溫度的影響峰值溫度越高：影響焊接CCT圖的形態。a.使過冷奧氏體的穩定性加大b.促使奧氏體晶粒粗化c.奧氏體的穩定性增大，淬硬傾向增大（4）晶粒粗化的影響焊接條件下，近縫區由于強烈地過熱而使晶粒發生嚴重的長大，這不僅影響焊接接頭的性能，同時也增大了產生裂紋的危險性。晶粒越粗大，晶界的總面積越少，減少了形核的機會，不利于奧氏體的轉變。從而對奧氏體的分解轉變及轉變產物的形態有很大的影響。32（5）應力應變的影響a.有拉伸應力存在時會明顯地降低奧氏體的穩定性，使CCT曲線明顯地向左上方偏移。b.應力和應變都會增加奧氏體的內能，加速擴散過程，有利于擴散型相變的進行c.應力應變影響到馬氏體轉變，拉伸應力可促進馬氏體轉變，即MS升高和馬氏體轉變量增加。切應力也能促進馬氏體轉變，正壓應力則會阻礙馬氏體轉變。33第三節焊接熱影響區的組織和性能一、焊接熱影響區的組織分布（一）低碳鋼和某些低合金鋼此類屬不易淬火鋼，HAZ可分為四個區（如圖4-29所示）1.熔合區a.焊縫與母材相鄰的部位，又稱為半熔化區（溫度處于固—液相線之間）b.范圍很窄，在化學成分上和組織性能上都有較大的不均勻性，對焊接接頭的強度、韌性都有很大的影響。在許多情況下是產生裂紋和脆性破壞的發源地。34焊接時母材熱影響區上各點距焊縫的遠近不同，所以各點所經歷的焊接熱循環不同，這就會出現不同的組織，因而也就具有不同的性能。整個焊接熱影響區的組織和性能是不均勻的。2.過熱區a.溫度范圍處在固相線以下1100℃左右，金屬處于過熱狀態，奧氏體晶粒發生嚴重長大現象，冷卻之后得到粗大的組織b.在氣焊和電渣焊條件下常出現魏氏組織（見圖4－30）c.韌性很低，常在過熱粗晶區產生脆化或裂紋353.相變重結晶區（正火區）a.母材金屬加熱到Ac3以上的部位，發生重結晶（即鐵素體和珠光體全部轉變為奧氏體），在空氣中冷卻就會得到均勻而細小的珠光體和鐵素體b.塑性和韌性都比較好，所處的溫度范圍約在A3～1000℃之間364.不完全重結晶區a.處于Acl～Ac3之間范圍內的熱影響區b.處于Acl～Ac3范圍內只有一部分組織發生了相變重結晶過程，成為晶粒細小的鐵素體和珠光體，另一部分始終未能溶入奧氏體的鐵素體，成為粗大的鐵素體c.晶粒大小不一，組織不均勻，力學性能不均勻5.母材處于Ac1以下：母材事先受冷加工變形或由于焊接應力而產生的應變，在以下將發生再結晶過程和應變時效過程，在金相組織上看不出明顯的變化。具有時效應變敏感性強的鋼種，處于Acl～300℃左右的熱影響區將發生脆化現象，表現出較強的缺口敏感性。但在金相組織上并無明顯變化。3738熱影響區的大小的影響因素：焊接方法、板厚、線能量、施工工藝等39Q235A鋼焊接熱影響區的組織特點過熱區重結晶區不完全重結晶區母材40（二）易淬火鋼1．完全淬火區a.處于Ac3以上的區域b.鋼的淬硬傾向較大，焊后得到淬火組織（馬氏體）c.靠近焊縫附近（相當于低碳鋼的過熱區），晶粒嚴重長大，得到粗大的馬氏體；稍遠處相當于低碳鋼的正火區的部位得到細小的馬氏體2.不完全淬火區a.母材被加熱到Acl～Ac3溫度之間的熱影響區b.原鐵素體保持不變，但是有不同程度的長大，形成馬氏體-鐵素體的混合組織413.回火區（低于Acl以下的區域）a.母材在焊前是調質狀態b.焊前調質時的回火溫度為Tt，低于此溫度的部位，其組織性能不發生變化，高于此溫度的部位，組織性能將發生變化，出現軟化現象4.母材42以低碳鋼為例，可以把熱影響區各部分所經受的焊接熱循環，對照鐵碳合金狀態圖的組織轉變歸納如圖4-34所示焊接熱影響區的劃分方法新的建議，具體劃分方案如圖4-35所示4344以低碳鋼為例，熱影響區各部分的組織特征歸納如表4-11所示45焊接熱影響區各部位的名稱及其所包括的范圍如表4-12所示46二、焊接熱影響區（HAZ）的性能（一）焊接熱影響區的硬化1.淬硬：成分對淬硬傾向的影響（1）碳當量（表4-14）a.簡稱Ceq或CE，反映鋼中化學成分對硬化程度的影響，把鋼中的合金元素（包括碳）按其對淬硬（包括冷裂、脆化等）的影響程度折合成碳的相當含量47國際焊接學會推薦的CEПW和日本焊接協會的Ceq(WES)公式、Pcm公式48492.隨鋼種碳當量（Pcm、CEIIW）的增加，硬度也隨之增加，即淬硬傾向增加如圖4-36、4-37503.t8/5越大，淬硬傾向越小

如圖4-39514.HAZ硬度分布

如圖4-40熔合區附件硬度最高距熔合區越遠，硬度逐漸接近母材525．焊接HAZ最高硬度的計算公式（1）國產鋼硬度計算公式HAZ的最大硬度Hmax與Pcm和t8/5的關系建立的硬度計算公式：a.當t8/5<τM100Hmax=292+812Cb.當t8/5＞τM100時Hmax＝52.0＋147.0Pcm-81lgt8/5C.國產低合金鋼，粗略估算，可采用下面的公式：Hmax(HV10)=140Pcm-8.2t8/553（2）鈴木公式根據日本的低合金高強鋼，研究不同冷卻時間t8/5對Hmax的影響，建立了如下的公式：式中54（二）焊接熱影響區的脆化1．組織脆化（1）M－A組元脆化a.M－A組元：某些低合金鋼的焊接HAZ處于中溫上貝氏體的轉變區間，先析出含碳很低的鐵素體，并且逐漸擴大，而使碳大部分集富到被鐵素體包圍的島狀殘余奧氏體中去。當連續冷卻到400～350℃時，殘余奧氏體的碳濃度可達0.5％～0.8％，隨后，這些高碳奧氏體可轉變為高碳馬氏體與殘余奧氏體的混合物，這種組織即M－A組元b.M－A組元是焊接低合金高強鋼時在中等冷卻速度條件下形成的，常出現在焊縫和HAZ上55（2）高碳馬氏體脆化（3）魏氏組織脆化（4）上貝氏體脆化（5）遺傳組織脆化562.析出脆化（1）在時效或回火過程中，從非穩態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定的中間相等，對于一般低合金鋼來講主要是析出碳（氮）化物（2）新相的析出，使金屬或合金的強度、硬度和脆性提高573.遺傳脆化（1）厚板結構多層焊時，第一層焊道的HAZ粗晶區位于第二層焊道的正火區（相變重結晶區），此時將保留第一層焊道的粗晶組織和結晶學的位向關系，這種現象稱為“組織遺傳”。即，第一層焊道的正火區并不會出現正火細晶區。（2