1、焊接接頭的組織和性能焊接接頭的組織和性能1 焊接熱影響區 焊接熱影響區是焊接接頭的重要組成部分，是焊縫兩側未經過熔化但組織和性能發生變化的區域。由于焊接熱影響區不同部位所受熱作用的不一致性，造成其內部組織和性能的分布極不均勻，以致可能使其成為焊接接頭的最薄弱環節。因此，研究熱影響區在焊接熱循環作用下組織和性能的變化規律，對于解決焊接問題、提高焊接質量具有十分重要的意義。1.1 焊接熱影響區的組織轉變特點 1.焊接加熱過程的組織轉變特點焊接加熱過程的組織轉變特點(1) 組織轉變向高溫推移 由于焊接加熱速度快，導致鋼鐵材料的相變溫度Ac1和Ac3升高。這就是說，焊接過程中的組織轉變不同于平衡狀態的

2、組織轉變，轉變過程已向高溫推移。 焊接加熱過程中組織轉變向高溫推移是由奧氏體化過程的性質決定的。由鐵素體或珠光體向奧氏體轉變的過程是擴散重結晶過程，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，勢必造成相變溫度的提高。當鋼中含有了碳化物形成元素時，由于它們的擴散速度慢，而且本身還阻止碳的擴散，因而明顯減慢了奧氏體化的過程，促使轉變溫度升的更高。 由于熱影響區受熱的瞬時性，即升溫速度快、高溫停留時間短及冷卻速度很快，使得擴散有關的過程都難以進行，進而影響到組織莊邊的過程及其進行的程度，由此出現了與等溫過程和熱處理過程的組織轉變明顯不同的特點。(2) 奧氏體均質化程度降低、部分

3、晶粒嚴重長大 奧氏體均質化過程也是擴散過程，由于焊接加熱速度快，高溫停留時間短，不利于擴散過程的進行，因而使奧氏體均質化程度降低。同時，熔合線附近的熱影響區峰值溫度很高（Tm=13001350 ），接近與焊縫金屬的熔點，因而造成晶粒過熱而嚴重長大。2.焊接冷卻過程的組織轉變特點焊接冷卻過程的組織轉變特點(1) 組織轉變向低溫推移、可形成非平衡組織 在奧氏體均質化程度相同的情況下，隨著焊接冷卻速度的加快，鋼鐵材料的相變溫度Ac1、Ac3以及Acm均降低。也就是說，焊接冷卻過程中組織轉變也不同于平衡狀態的組織轉變，已向低溫推移。在快冷的條件下，共析成分也發生變化，有時候甚至會得到非平衡狀態的偽共析

4、組織。 這種組轉變特點也因為奧氏體向鐵素體或珠光體的轉變是由擴散過程控制的結果。(2) 馬氏體轉變臨界冷速發生變化 在焊接熱循環的作用下，熔合線附近的晶粒因過熱而粗化，增加了奧氏體的穩定性，使淬硬傾向增大；另一方面，鋼中的碳化物由于加熱速度快、高溫停留時間短而不能充分溶解在奧氏體中，降低了奧氏體的穩定性，使淬硬傾向降低。3.熱影響區組織的確定方法熱影響區組織的確定方法 由于焊接加熱的高溫性、瞬時性以及冷卻的快速性，使焊接條件下的組織轉變不僅與等溫轉變不同，而且與熱處理條件下的連續冷卻轉變也不同。因此，必須采用焊接CCT圖來分析和確定焊接熱影響區的組織和性能。 因焊接熱循環參數不同會導致奧氏體均

5、質化程度以及晶粒粗化程度的不同，因而焊接CCT曲線的形成也會發生變化。一般而言，熱循環的峰值溫度提高，奧氏體晶粒粗化，晶界總面積減小，形核機會減小，奧氏體的穩定性增強，因而淬硬傾向增大，CCT曲線右移，如圖右圖3-26a圖所示； 加熱速度越快，高溫停留時間越短，碳化物在奧氏體中的溶解越不充分，奧氏體的穩定性減弱，因而淬硬傾向降低，CCT曲線左移，如圖b所示。所以我們一般在分析焊接熱影響區的組織和性能時，盡量選擇與實際相近的CCT圖分析。圖3-26熱循環參數對CCT曲線的影響a) 的影響b) 的影響 焊接CCT圖描述的是組織隨冷卻時間的變化，而冷卻時間是由焊接工藝參數（焊接熱輸入及預熱溫度等）決

6、定的。因此，在應用焊接CCT圖時，需要通過冷卻時間這個媒介，建立起組織和焊接工藝參數的聯系，從而進行組織預測或制定焊接工藝。具體應用包括如下三個方面： （1）預測給定工藝條件下的接頭的組織和性能 （2）根據接頭組織和性能的要求制定相應的焊接工 藝 （3）判斷鋼種的淬硬傾向及產生冷裂紋的可能性。圖3-27焊條電弧焊的t8/5線算圖 一般而言，對組織其主要作用的冷卻時間是從某一特定溫度冷卻到另一種特定溫度所經歷的時間。對于低合金鋼來說，這個特定的冷卻時間往往選定相變溫度范圍內的冷卻時間，即從800 冷卻到500 所經歷的時間t8/5。采用解析和作圖方法可確定t8/5 與焊接參數的關系。 圖3-27

7、給出了焊條電弧焊是t8/5 與工藝參數關系的線算圖， 可以確定給定的焊接工藝參數下的t8/5 ，也可以按照t8/5 的要求來確定所需的焊接工藝參數。 例如：在板厚為10mm、熱輸入18000J/cm連接直線（1）與室溫下的t8/5 線交于A點，再根據A點和To=200 連接直線（2）與預熱溫度下的t8/5 線交于B點，B點的數值就是所求的t8/5 ，即t8/5 =36s。 1.2焊接熱影響區的組織特征 焊接熱影響區上距焊縫遠近不同的部位所經歷的焊接熱循環不同，因而不同部位就會產生不同的組織并且具有不同的性質，于是整個焊接熱影響區呈現出分布不均的組織和性能。同時，因不同的鋼材，即使所經歷的焊接熱

8、循環相同，其熱影響區組織和性能的分布也會不同。因此為了便于分析焊接熱影響區的組織變化規律，可將鋼材按照淬硬傾向分為不易淬火和易淬火兩大類型。表3-4焊接方法對焊接熱影響區各區尺寸的影響焊接方法各區平均寬度/mm熱影響區總寬/mm過熱區完全重結晶區不完全重結晶區焊條電弧焊2230152522306085埋弧自動焊0812081707102340電渣焊182057232530氧乙炔焊214227電子束焊0050751.不易淬火鋼熱影響區的組織分布不易淬火鋼熱影響區的組織分布 不易淬火鋼包括常用的低碳鋼和某些低合金鋼，其焊接熱影響區各區的尺寸如表3-4所示。 一般而言，由表可見，氣焊和電渣焊時晶粒粗

9、大、過熱區較寬，焊條電弧焊和埋弧焊是晶粒粗大并不嚴重、過熱區較窄，而激光束和電子束焊時幾乎沒有過熱區。圖3-29冷軋態不易淬火鋼焊接熱影響區的組織分布及其溫度區間過熱區完全重結晶區不完全重結晶區再結晶區母材 冷軋態母材的焊接熱影響區主要過熱區、完全重結晶區、不完全重結晶區以及再結晶區組成，如右圖3-29所示。當母材為熱軋態時，熱影響區中沒有再結晶區。(1) 過熱區過熱區又稱粗晶區，其緊鄰熔合區，峰值溫度范圍從晶粒急劇長大的溫度一直到固相線的溫度。 對普通低碳鋼而言，過熱區溫度約為1100-1490 。由于加熱溫度很高，金屬處于過熱狀態，特別是在固相線附近，一些難溶的碳化物和氮化物質點也都溶入奧

10、氏體，因此奧氏體晶粒發生嚴重長大，冷卻后主要得到粗大的鐵素體和珠光體，甚至在熱輸入大或高溫停留時間長時，出現魏氏組織。因此該區的組織特征是晶粒特征是晶粒粗大的鐵素體和珠光體，甚至形成魏氏組織，如圖30-30a所示。圖3-30Q235A鋼焊接熱影響區及母材的組織特征a) 過熱區b) 完全重結晶區c) 不完全重結晶區d) 母材過熱區的組織特性： 過熱區的組織特征決定了該區的脆性大，韌性低，甚至產生裂紋，因而是焊接接頭的薄弱環節。但需強調，過熱區的組織及過熱區的大小與焊接方法和焊接熱輸入密切相關。 (2) 完全重結晶區 完全重結晶區又稱正火區或細晶區，其峰值溫度范圍從Ac3一直到晶粒急劇長大的溫度。

11、 對普通低碳鋼而言，該溫度區約為9001100 。該區金屬在加熱過程中全部經歷了有鐵素體和珠光體到奧氏體的相變重結晶，而冷卻過程又經歷了由奧氏體到鐵素體和珠光體的相變重結晶。正是該兩次相變重結晶的作用，是晶粒得到了顯著的細化，大小均勻化。所以，這給區的組織特征是晶粒細而均勻的鐵素體和珠光體，如上圖3-30b所示。 組織特性：這種組織相當于熱處理時的正火組織，由于其晶粒細小、均勻，因而完全重結晶區的塑性和韌性都比較好，具有良好的力學性能，甚至優于母材本身。(3) 不完全重結晶區 不完全重結晶區又稱部分相變區或不完全正火區，其峰值溫度介于Ac1Ac3 之間。 對普通低碳鋼而言，該溫度區約為7509

12、00。該金屬只有一小部分經歷了兩 次相變重結晶，從而形成細小的鐵素體和珠光體。另一部分始終未能發生重結晶的原始鐵素體，其晶粒較為粗大。該區為大小不一的鐵素體和細小的珠光體，如圖3-30c圖。 組織特性：該區晶粒大小不一、分布不均勻，使得該區的力學性能也不均勻，其沖擊韌性低于完全重結晶。 (4)再結晶區 焊前經過冷作硬化的鋼板，在峰值溫度介于500Ac1之間的熱影響區中會出現一個明顯的再結晶區，其組織特征為等軸晶粒。 再結晶與重結晶的區別： 1、 再結晶溫度低于重結晶的相變溫度。 2、重結晶時 ，晶粒的晶體結構要發生變化，即從一種晶體結構轉變成另一種晶體結構；而再結晶時，沒有晶粒內部晶體結構的變

13、化，只有晶粒外形發生變化，由冷作變形后拉長的晶粒變為再軸晶粒。 低碳鋼再結晶區的組織為等軸鐵素體晶粒，它很明顯不同于母材冷作變形后的拉長晶粒，所以再結晶區的強度和硬度都低于母材，但塑性和韌性都得到了改善。2.易淬火鋼熱影響區的組織分布易淬火鋼熱影響區的組織分布圖3-31不同類型鋼材焊接熱影響區的組織分布過熱區完全重結晶區不完全重結晶區完全淬火區不完全淬火區回火區 易淬火鋼包括低碳調制鋼、中碳鋼和中碳調質鋼等，其焊接熱影響區的組成分布與母材焊前的熱處理狀態有關，如右圖3-31所示。當母材為調質狀態時：熱影響區由完全淬火區、不完全淬火區和回火區組成。當母材為退火或正火狀態時，熱影響區只由完全淬火區

14、和不完全崔獲取組成。(1) 完全淬火區 完全淬火區是指焊接熱影響區中峰值溫度達到Ac3以上的區域，它包括了相當于不易淬火鋼的過熱區和正火區兩部分。 由于該區內所有金屬在加熱過程中都經歷了奧氏體化，因而在焊接快冷后將形成淬火組織。其中，相當于過熱區的部分，由于晶粒嚴重長大以及奧氏體均質化程度高而增大了淬火傾向，容易形成粗大的馬氏體，如圖3-32a圖。而相當于正火區的部分，因淬火傾向降低而能形成細小的馬氏體，如圖b所示。除此之外，因熱輸入和冷卻速度的不同，還可能得到少量的貝氏體。所以，在完全淬火區的組織特征就是：粗細不同的馬氏體與少量貝氏體的混合類型。(2) 不完全淬火區 不完全淬火區是指焊接熱影

15、響區中峰值溫度處于Ac1Ac3之間的區域，它相當于不易淬火鋼的不完全重結晶區。該區的組織特征是馬氏體、鐵素體以及中間體構成的混合組織，如圖3-32c圖所示。 在這種混合組織中，因馬氏體是由含碳量較高的奧氏體轉變而來的，所以它屬于高碳馬氏體，脆而硬。因此，不完全淬火區的脆性也較大，韌性也較低，僅此于完全淬火區的過熱區。 (3) 回火區 焊前處于調質狀態的母材，熱影響區中除了具有以上兩個特征區外，還明顯存在一個回火區，其峰值溫度低于Ac1但高于原來調質處理的回火溫度。1.3焊接熱影響區的性能1.焊接熱影響區的性能分布(1) 硬度的分布焊接熱影響區的硬度實質是焊接影響區微觀組織的反映，是評價鋼種淬硬

16、傾向的重要指標。表3-5低合金鋼焊接熱影響區中過熱區微觀組織對硬度的影響微觀組織的體積分數(%)硬度HV鐵素體珠光體貝氏體馬氏體107830212107029298001981384000100393 在焊接熱循環的作用下，焊接熱影響去去的組織分布不均勻的，因而它的性能分布也必然不均勻。尤其是熱影響區的某些部位，因組織和性能的差異變化，成為整個焊接接頭的最薄弱部位。在焊接過程中我們的初衷都是熱影響區越小越好，例如激光焊接的，熱量集中，熱影響區小。（1）最高硬度圖3-33不同鋼種焊接熱影響區的硬度分布a) 不易淬火的20Mn鋼b) 易淬火的調質鋼 圖3-33所出了易淬火和不易淬火兩類鋼種焊接熱影

17、響區的硬度分布情況。從右圖可以看出，無論是易淬火鋼和不易淬火鋼，其焊接熱影響區的硬度分布都是不均勻的，而且在熔合線附近的過熱區中出現了比母材 還 高 的 最 高 硬 度Hmax，這正是過熱區發生淬硬及晶粒嚴重粗化造成的結果。 2) 最低硬度。表3-6不同強度級別的鋼種所允許的最高硬度日本鋼種相當于國產鋼種強度/MPa最高硬度HV調質非調質正火HW36Q345(16Mn)353520637390HW40Q390(15MnV)392559676400HW45Q420(15MnVN)441588706410380HW5014MnMoV490608725420390HW5618MnMoNb549668

18、804420HW6312Ni3CrMoV617706843435HW7014MnMoNbB686784931450HW8014Ni2CrMoMnVCuB7848621030470HW9014Ni2CrMoMnVCuN8829611127480(2) 力學性能的分布 焊接熱影響區最基本的力學性能就是強度和塑性，由于熱影響區上微觀組織的分布是不均勻的，因而強度和塑性的分布也是不均勻的，甚至在某些部位出現遠低于被焊母材的情況，從而使焊接熱影響區成為整個接頭的一個薄弱環節。 （a）不易淬火鋼熱影響區的力學性能。 可以看出，HAZ的力學性能不但分布不均勻，而且強度和塑性的變化方向相反。提高綜合力學性能的

19、方法：采用能量集中熱源，降低熱輸入，采取適當預熱措施，從而減小HAZ的寬度及晶粒粗化程度，降低冷卻速度的影響。圖3-34Q345(16Mn)鋼焊接熱影響區的力學性能a) 各區力學性能的分布b) 冷卻速度對過熱區性能的影響（b）易淬火鋼熱影響區的力學性能。圖3-3530CrMnSiA鋼焊接熱影響區的強度分布 如圖3-35所示：焊接熱影響區中抗拉強度的變化范圍大，特別是在峰值溫度接近與Ac1的回火內，達到了最低的數值，亦即發生了明顯了軟化現象。 母材化學成分、焊接方法及焊接工藝參數對易淬火鋼HAZ的軟化程度及軟化寬度均有影響。焊接熱源能量密度越小，焊接熱輸入越大，軟化區的寬度越大，軟化程度也就越大

20、。因此，一般我們可以通過采用能量密度高的焊接方法和盡量降低焊接熱輸入的方法來降低焊接HAZ軟化程度。2.焊接熱影響區的脆化圖3-36碳錳鋼焊接熱影響區的韌性分布過熱區完全重結晶區不完全重結晶區藍脆區 焊接熱影響區的脆化是指脆性升高或韌性降低的現象。脆性和韌性是衡量材料在沖擊載荷作用下抵抗破斷的能力，是材料強度和塑性的綜合體現。材料的脆性越高，意味著其韌性越低，抵抗沖擊破斷的能力越差。 圖3-36所給出了碳錳鋼焊接熱影響區的韌性分布，可明顯看出，完全重結晶區的韌性高于母材，而過熱區和藍脆區的韌性均低于母材。 (1) 粗晶脆化粗晶脆化是指焊接熱影響區因晶粒粗大而發生韌性降低的現象。(2) 組織脆化

21、組織脆化是指焊接熱影響區因形成脆硬組織而引起韌性降低的現象，具體包括： a. 片狀馬氏體脆化。 b. M-A組元脆化。 (3) 時效脆化 時效脆化是指焊接熱影響區在Ac1以下的一定溫度范圍內經一定時間的時效后，因出現碳、氮原子的聚集或析出碳、氮的化合物沉淀相而發生的脆化現象，其具體包括： a.熱應變時效脆化。 b.相析出時效脆化。表3-7低合金鋼中常見的沉淀相類型尺寸/nm析出部位析出難易TiN10相內難NbC、TiC、BC100晶界及亞結構易NbC、TiC100形變誘發晶界易NbC、TiC、V(CN)10/相界易NbC、TiC、V(CN)10相內難 對于低微合金化的低碳鋼來講，可能出現的碳化

22、物和氮化物沉淀相及其析出難易程度如表3-7所示。一般而言，熱影響區中的C和N的過飽和程度越大，析出相時效脆化越明顯。但應指出，當沉淀相一彌散而細小的質點分布于晶內時，它們并不增加脆性，反而對韌性有利；只有當沉淀相分布于晶界并發生聚集或以膜狀分布時，才會成脆化的源頭。2 熔合區 熔合區是介于焊縫與熱影響區之間的相當窄小的過渡區，是由部分熔化的母材和部分未熔化的母材所組成的區域。其化學成分、微觀組織和力學性能極不均勻，常常是熱裂紋、冷裂紋及脆性相的發源地，從而成為焊接接頭的最薄弱環節。2.1熔合區的邊界1.熔合區的理論邊界：就是與液相線溫度和固相線溫度相對應的兩條位置線。 與液相線溫度相對應的位置

23、線稱為理論熔化線（TML）；與固相線溫度相對應的位置線稱為理論不熔化線（TNL).2.熔合區的實際邊界：實際熔化線（PML);另外一條稱為熔合區 的實際邊界線。圖3-39熔合區的邊界示意圖a) 理論邊界b) 實際邊界1焊縫2熔合區3熱影響區TML理論熔化線TNL理論不熔化線PML實際熔化線PNL實際不熔化線熔合區的邊界熔合區的邊界是指焊接接頭橫截面上熔合區與焊縫和熱影響區的分界。2.2熔合區形成機理圖3-40用于說明液相形成機理的共晶合金相圖熔合區 的形成過程包括：焊接加熱條件下固、液兩相的形成過程及他們在焊接冷卻條件下的轉變過程。實際上熔合區中液相的形成往往伴隨低熔共晶轉變的發生，圖3-40

24、為某共晶型合金液相形成機理圖。 1.液相的形成方式(1) +AxBy共晶的直接熔化對于成分為C1的合金來講，在其原始的相晶界處可能含有+AxBy離異共晶；而成分為C2的合金，其主要組成物為相和+AxBy共晶。(2) 與AxBy發生共晶反應而熔化無論是成分為C1的合金，還是成分為C2的合金，其內一般都含有大量的相和一定量的AxBy中間相。(3) 相的直接熔化對于成分為C1的合金來講，當焊前處于固溶加淬火的狀態時，其內既沒有AxBy中間相，也沒有+AxBy共晶。 (4) 偏析引起的直接熔化在一些合金材料中，由于雜質的存在以及選擇結晶的結果，導致化學成分在宏觀和微觀上的不均勻分布。 2.熔合區的組織

25、轉變 (1) 成分略高于相最大溶解度的合金 對于成分略高于相最大溶解度的合金(如成分為C2的合金)來講，其焊前的組織組成物包括相、+AxBy共晶以及少量的AxBy中間相，焊接加熱時在熔合區的不同部位既會出現+AxBy共晶的直接熔化，也會出現與AxBy進行共晶反應而發生的熔化，同時伴隨相在液相中的溶解，冷卻后在不同部位得到新的相和+AxBy共晶，如圖3-41所示。 (2) 成分略低于相最大溶解度的合金 對于成分略低于相最大溶解度的合金(如成分為C1的合金)來講，其熔合區中液相的形成方式以及焊后的組織與母材焊前所處的狀態有關。圖3-42淬火加時效的Al-4.5Cu鋁合金熔合區的微觀組織a) 低倍放大b) 高倍放大2.3熔合區特征 1.幾何尺寸小 熔合區的幾何尺寸與被焊材料的液、固相線溫度范圍、熱物理性質及焊接熱源的類型有關，如下式所示： D=(TL-TS)/G 式中：D熔合區的寬度； TL母材的液相線溫度； TS母材的固相線溫度； G熔合區的溫度梯度。 由上式可以看出：從母材液、固相線的溫度范圍來考慮，該范圍越小，熔化區的寬度越小；從溫度梯度來考慮，母材導熱性越差，焊接熱源的能量密度越高，溫度梯度就越大，因而熔合區的寬度就越小。 2.成分不均勻 熔合區化學成分的不均勻與焊接熔池的結晶過程有關，根據結晶過程的固-液界面理論可知，固-液界面處溶質（即合金元素或