四、焊接热影响区(2010)

一、焊接热影响区的组织分布 距焊缝中心不同距离的热影响 区经历了不同的热循环，因而出现 不同的组织。 对于不易淬火的低碳钢和低合 金钢焊缝，焊接热影响区按组织变 化可分为四个区（图4－29）。
1 熔合区（半熔化区）
焊缝与母材相邻的部位，是液－ 固相结合的部位。化学成分、组织、 性能非常不均匀，是产生裂纹、脆性 破坏的发源地。
t8/5：焊缝从800℃冷却到500℃所用的时间；
t8/3：焊缝从800℃冷却到300℃所用的时间；
t100：焊缝从Tm冷却到100℃所用的时间。
影响焊接热影响区的冷却速度的因素（1）
（1）被焊金属的热物理性质： 金属的导热系数越大，冷却速 度就越快。 （2）钢板的厚度： 钢板的尺寸越大、越厚，冷 却速度就越快（图5－66）。但板厚 超过25mm后，冷却速度趋于一 定值。
焊接热影响区的最新划分方法（图4－35）
表 4— 12 部位(名称) 完全混合区
焊缝及热影响区新的划分及建议 所包括的范围(定义) 现在通用的划分 填充金属与母材金属完全均匀混合形 成化学成分均一的焊缝金属 焊缝金属 焊缝金属的外侧部分，母材金属与填 充金属不完全混合的地方 明显的完全熔化边界 熔合区 焊缝边界的外侧母材部分，晶粒边界 有不同程度的熔化(0％~100％) 固相母材发生组织变化的区域 热影响区
（3）钢板的初始温度对HAZ冷却速度的影响
初始温度越高，冷却速度越慢（图5－67）。
预热对减缓600℃以下的冷 却速度特别显著，是控制淬硬 组织、避免产生冷裂纹的重要 手段。
（4）焊接规范对HAZ冷却速度的影响 HAZ的冷却速度受焊接电流、电弧 电压、焊接速度等的影响，冷却速度随 着焊接线能量的增加而降低（图5－68）。 焊接接头的形状对冷却速度也有影 响。角焊缝、 T 字接头的冷却速度比对 接焊缝的冷却速度要快得多。 调整焊接线能量、预热、缓冷等措 施都可以降低焊缝的冷却速度。
图4-19（45钢）
1-1600℃/s；2- 270 ℃/s ；3- 35 ℃/s
焊接时加热过程组织转变的特点（2） 由于P体和F体向A体转变属于扩散性重结晶，需要孕育期， 所以加热速度快也不利于A体均质化。 对于含有碳化物合金元素的钢（Cr、W、Mo、V等），快 速加热使碳化物来不及溶入A体中，造成成分不均匀。 A体的不均匀将影响到冷却过程的组织转变。
二、 冷却过程的组织转变CCT图（1） 由于焊接与热处理的热循环特点不同 （图 4－20） ，所以即 使在同样的冷却条件下获得的组织也不一样（表4－9）。
表 4-9 钢 种 45 钢 焊接及热处理条件下的组织百分比 冷却速度 (℃／s) 4 18 30 60 组 织 铁素体 马氏体 5 (10) l (3) l (1) 0 (0) 0 90 92 98 (0) (27) (69) (98) (％) 珠光体及 中间组织 95 (90) 9(70) 7 (30) 2 (2)
影响MW-CCT图的因素（1） 1 母材化学成分的影响 除钴外，所有合金元素都使S 曲线右移，即增加淬硬倾向。 2 冷却速度的影响 随着冷却速度的增加，A1线 下移，可形成伪共析组织。
影响MW-CCT图的因素（2）
3 峰值温度的影响 峰值温度越高，曲线右 移，奥氏体越稳定，但晶粒 越粗大。
最高加 热温度
（1） 碳当量 Ceq或CE（Carbon Equivalent）
把钢中合金元素，按其对淬硬的影响程度折合成碳的相 当含量。
碳当量是评定材料可焊性的重要指标之一。计算碳当量 常用的公式见表4－14。
表 4—14 常用的碳当量公式 C 1 l 1 1 1 1 S — 1/30 1/24 1/25 — 1/24 Mn 1/6 1/20 1/6 1/16 1/6 1/6 Cu 1/15 1/20 — 1/16 1/40 1/15 Ni 1/15 1/60 1/40 1/60 1/20 1/20 Cr 1/5 1/20 1/5 1/20 1/10 1/5 Mo 1/5 1/15 1/4 1/40 1/10 1/5 V 1/5 1/10 1/14 1/15 — 1/5 B — 5 — — — 5
焊接热循环的主要参数（2） 2 加热的最高温度（Tm）
Tm越高，晶粒越粗大，而且焊接冶 金反应速度越快。 3 相变温度以上停留的时间（tH）
tH包括加热时停留的时间t＇和冷却 时停留的时间t＇＇
tH ＝ t‘+ t’‘
热处理的 热循环
tH越长，越有利于奥氏体均质化。 但晶粒也越易长大。
焊接热循环的主要参数（3）
不易淬火钢的焊接热影响区 焊接热影响区的大小与焊接方法、焊接线能量、板的厚 度以及焊接工艺等有关（表4－10*）。
表 4—10 不同焊接方法热影响区的平均尺寸 各区的平均尺寸 (mm) 总 宽 (mm) 过 热 相变重结晶 不完全重结晶 0.8~1.2 0.8~1.7 0.7~1.0 2.3~4.0 2.2~3.0 1.5~2.5 2.2~3.0 6.0~8.5 18~20 5.0~7.0 2.0~3.0 25~30 21 4.0 2.0 27.0 — — — 0.05~0.75
一、 焊接时加热过程组织转变的特点（1） 由于焊接加热速度快，造成 AC1 和 AC3 线上移，偏离平衡位 置。加热速度越快，两线之间的距离越宽（图4－19，表4－8）。
表 4-8 加热速度对相变点 Ac1 与 Ac3 温差的影响 平衡状态 钢 种 相变点 Acl 45 钢 Ac3 AC1 与 AC3 温差 ／℃) 730 770 40 6~8 770 820 50 加热速度ω H(℃／s) 40~50 775 835 60 250~300 790 860 70 1400~1700 840 950 90
2
不完全淬火区（1）
加热温度在 Ac3 ～Ac1 之间的热影 响区， P 、 B 、 S （索氏体）等转变为 A体，但F体很少溶入 A体。在随后的 快速冷却后，转变的 M 体和未转变的 F体形成F+M共混组织（图4－33）。
不完全淬火区（2）
如果含碳量和合金含量不高或冷 却速度较小时，也可能出现S体和P体。 如果母材在焊前是调质状态，此 时焊接热影响区的组织和性能还取决 于焊前调质回火温度。高于回火温度 的部位将出现软化现象。
影响MW-CCT图的因素（3）
4 晶粒粗化影响 奥氏体晶粒不仅在加热时长大， 在高温冷却时也长大。
影响MW-CCT图的因素（4）
T （ ℃）
5 应力应变的影响 焊接时不可避免产生各种应 力和应变。有拉伸应力时会明显 降低奥氏体的稳定性，使CCT曲 线向左上方偏移。
第三节 焊接热影响区的组织和性能
2 短段多层焊
短段多层焊（50～400mm） 是在第一道焊缝仍处于高温时， 进行第二道焊接（图4－18）。 短段多层焊适于焊接晶粒易 长大而又易于淬硬的钢种，尤 其是用于铸铁补焊。
பைடு நூலகம்
第二节 焊接热影响区的组织转变 与热处理加热进行比较（图4－ 20） ，焊接（热影响区）加热具有： 加热温度高、加热速度快、高温停 留时间短、自然冷却和局部加热等 特点。 焊接加热特点必然造成焊接 区域的组织、性能等的不均匀性 和复杂化。
4 冷却速度（ω C）和冷却时间（t8/5、t8/3、t100） ω C是决定焊接HAZ组织和性能 的主要参数。 由于冷却速度的非线性，所以常 用在某一温度范围内的平均冷却速度， 如图4－5的C点速度。
热处理的 热循环
焊缝冷却速度和冷却时间
焊缝冷却速度（ ω C）也可以用焊缝在某一温度范围内的 冷却时间来表示，如
2 过热区 加热温度在固相线至1100℃的区 域。此区金属因过热造成晶粒粗大， 易生成魏氏组织（图4－30），韧性较差， 容易产生脆化或裂纹。
熔合区和过热区是焊接接头最薄 弱的部位。
3 相变重结晶区（正火区）
金属被加热到1100℃以下Ac3以上， 发生重结晶（F和P全部转变成A）， 冷却后获得细P和F体。
4
不完全重结晶区
加热温度在Ac3～Ac1之间，只 有部分组织发生相变重结晶。转变 的部分冷却后成为晶粒细小的F体和 P体；未转变的F体成为粗大F体。 所以该区组织不均匀，力学性能也 不均匀。
如果母材在焊接前进行过冷加工， 那么加热温度在Ac1～300℃区域还 会发生再结晶过程和应变时效过程。
16Mn钢埋弧自动焊的热影响区组织特征（图4－31）
焊接方法 手弧焊 埋弧自动焊 电渣焊 氧乙炔气焊 真空电子束焊
易淬钢的焊接热影响区的组织和性能
对于焊接淬硬倾向较大的钢，焊接 热影响区的组织与母材焊前热处理状态 有关。若母材焊前是正火或退火状态， 则焊接热影响区有完全淬火区、不完全 淬火区和回火区。
1 完全淬火区
若加热温度在 Ac3 以上，靠近熔合 区，因温度过高，冷后得到粗大M体。 如 果 加 热 温 度 在 正 火 区 （Ac3+50℃），可获得细小M体。根据 冷却速度和线能量的不同，可能出现贝 氏体或M + B。
热处理的 热循环
焊接热循环
不同的焊接方法，其焊接热循环的特点也不同（图4－4）。
一、 焊接热循环的主要参数（1）
焊接热循环的主要参数包括： 1 加热速度（ω H） 焊接加热速度比热处理加热速 度快得多（见表4－1）。 ω H 过快使相变温度提高，并 造成奥氏体均匀化和碳化物溶解都 不充分。
热处理的 热循环
焊接热影响区的组织
在焊接条件下，热影响区的复杂性远高于常规热处理，即 使是低碳钢，焊接热影响区的组织也比较复杂（看图4－34）。
部 位 加热温度范围 焊 缝 ＞1500 1400~1250 熔合区 1250~1100 及过热区 1100~900 相变重结晶 900~730 不完全重结晶 时效脆化区 (亚热影响区) 母 材 730~300 300~室温 组织特征及性能 铸造组织柱状树枝晶 晶粒粗大，可能出现魏氏组织，塑性不好 粗晶与不均匀晶粒合并，塑性差 晶粒细化，力学性能良好 粗大铁索体和细小的珠光体，铁素体力学性 能不均匀 由于热应力及脆化物析出，经时效而产生脆 化现象，在显微镜下观察不到组织上的变化 没有受到热影响的母材部分 位置 1 2 3 4 5