第三節焊接熱影響區的組織與性能·焊接熱循環·焊接熱影響區的組織轉變特點焊接熱影響區的組織與性能變化1焊接熱影響區概述焊接熱影響區的定義：熔焊時在焊接熱源的作用下，焊縫周圍的母材發生組織和性能變化的區域

稱為“熱影響區”(Heat

Affected

Zone,HAZ),

或

稱為“近縫區”(Near

Weld

Zone)。焰合區未受形官區時效需化區不完全結品區相變重結晶區過燕粗晶區熱影響區焊接熱影響區的示意圖1111焊2鞋heat

affected

zone

—

0,78

%C→2,06材料因受焊接熱影響(但未熔化)而發生金相組

織和力學性能變化的區域。pentecticummeltE

1147γ+Fe3CTemperatures;400℃

600℃

1000℃

1200℃

1600℃fine-granedregionpartial

austenitichomogeneous

meltpartal

meltK→

cutectoid1536℃

A1

BγOrecrystallizeGBM3S×焊接過程中，在形成

焊縫的同時，不可避

免地使其附近的母材

經受了一次特殊的熱

處理，形成組織和性

能及不均勻的熱影響區。熱影響區一些部位的

組織和性能很差，成

為整個接頭的薄弱地

帶。t/s。HAZ經受了一次特殊的熱處理。。一些部位的組織和性能變壞(如過熱區),成為整個焊接接頭的薄弱環節，對焊接質量起著控制作用。很多焊接結構的破壞事故都與焊接熱影響區的

性能惡化有關。重視和研究焊接熱影響區的組織和性能變化。5影響焊接熱影響區組織和性能的主要因素取決于材料本身的特性和工藝條件，主要冶金和

工藝因素：1)被焊金屬與合金系統的特點無相變的金屬和合金：非常簡單有相變的材料：很復雜2)焊前母材的原始狀態·

焊前為冷作硬化或熱處理態：退火軟化。易淬火材料焊前為退火態：淬火的硬化區63)焊接工藝方法和工藝參數熱源特點與焊接工藝參數密切相關：溫度場分布和

焊接熱循環的特點。影響到焊接熱影響區特殊熱處理的各項參數：升溫

速度、高溫停留時間和冷

卻速度等。!/s不同焊接工藝下鋼材單道焊時熱影響區的熱循環曲線1-CO?氣體保護焊(板厚=1.5mm)2一埋弧焊(板厚=8mm)3一埋弧焊(板厚=15mm)4-

電渣焊(板厚×100mm)影響焊接熱影響區組織和性能的主要因素7表2

采用不同工藝焊接低碳鋼和低合金鋼時熱形響區過熱區的熱循環參數(1)焊接方法線能量(kJ/cm)亮溫(AC,

以上)停留時間(s)下死溫度時的冷卻速度(C/s)過熱區寬度(mm)900℃

550℃電學束焊CO,保護焊理弧焊電渣焊4.67.5

12.1

12.6

20.9

41.9

92.1

502.4

1046.71.5。1.8/p>

51.21.463

』3

56

心T

;1820353

13

0231061

10.7·17,

55上.00.40.252心

75

Z8

55

心-

12?

(-185tfs1.定義：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，

達到最大值后，又

由高而低的變化稱

為焊接熱循環。距焊縫不同距離各點的焊接熱循環一、焊接熱循環92.

焊接熱循環的主要參數~

加熱速度Vn加熱的最高溫度

(Tm)在相變以上的停留時間(?)冷卻速度(Vo)和冷卻時間

(tss

、tss

、tion)焊接熱循環的參數10twst

800～500℃的冷卻時間。tws:800～300℃

的冷卻時間。tm:

從峰值溫度Tm

冷至100℃

的冷卻時間。11二、焊接熱熱影響區的組織轉變特點1.

焊接熱循環的特點1)加熱的溫度高熱處理AC?以上100-200℃,例如45號鋼AC?:770

℃焊接近縫區：接近熔點，鋼的熔點1350

℃2)加熱的速度快比熱處理快幾十倍甚至上百倍。3)高溫停留時間短手工電弧焊：4-20S,

埋弧焊：20-40S4)局部加熱12★加熱速度快，相變溫度升高Vn↑→Ac1,Ac3

個>奧氏體化過程是一個擴散重

結晶過程，需要有孕育期。>鋼中含有碳化物形成元素時

影響更顯著。形成的碳化物阻礙碳的

擴散碳化物本身擴散速度低14m130-1200-11a0-k

180k900日800-700|481

2461824100t(a)a)1a0-p120m-1000800FF

7eol

5.1245102461024620021(3)b)2.焊接加熱過程奧氏體化的特點圖4-

19

焊接快述加熱對An、Acg

和品粒長大的影響)45鋼(ogs

1-1480C42-2X0℃/3-35℃/4-7.5

b)Cr{a1-1600℃:

2-300C/s3-1S0C/s4-42C/a

5-7.2℃/)

d一指檢的平均直徑A一費氏體P一珠光體

F—鐵察體

K-

能化物Ar?Ae?13(℃))奧氏體均質化程度低高溫停留時間短，不利于擴散過程進行，從而均質化程度低。近縫區奧氏體晶粒嚴重長大當加熱溫度在1100℃以上時，奧氏體晶粒嚴

重長大。>加熱過程形成的奧氏體晶粒度和均勻化程度

對冷卻時的相變過程和相變產物有很大影響。143.焊接時冷卻過程中的組織轉變特點(1)奧氏體化溫度高，加熱與冷卻速度快(

2)奧氏體的穩定性越大，淬硬傾向越大不含碳化物合金元素(如45鋼):近縫區組

織

粗化，淬硬傾向比熱處理條件下要大含碳化物合金元素(如40Cr鋼

)

:

碳

化

物

不能

充分溶解，奧氏體穩定性下降，淬硬傾向比熱

處理條件下要小15Fe-C合金：在固態下合金中除了有同素異構轉變外，還有成分變化和第二相析出，即共

析轉變和Fe?C的析出。(一)焊接熱影響區的組織分布1.低碳鋼及不易淬火的低合金鋼HAZ

組織分布如Q235、16Mn、15MnV

等，可分為如下四個區：熔合區(半熔化區)T?

~Ts,

化學成分與組織不均勻

分布，過熱嚴重，塑性差，對焊

接接頭的強度、韌性都有很大的

影響。是焊接接頭的薄弱環節。三

、焊接熱影響區的

組織與性能

變化圖

4

-

2

9

焊接熱

影

響區的

分

布

特

征1

—

熔

合

區

2

一

過

熱

區3

—

相變量結晶區4

一

不完

全

重

結晶區

5

—

母

材6

—

淬

火區

7

—

部

分

淬火區

8

—

回

火

區1不易淬火鋼易淬火鋼(退火)易淬火鋼(淬火)2

3146

76

7|

8S

(mm)55516過熱區I

(粗晶區)溫度：

Ts-1100

℃現象：加熱溫度高，在固相線附近，

一些難熔質點如碳化物和氮化物等溶

入奧氏體，奧氏體晶粒粗大。組織：粗大的奧氏體在較慢的冷卻速

度下形成過熱組織—魏氏組織。×性能：韌性很低。措施：嚴重時采用焊后正火處理(如

電渣焊)。1

-

過

熱區Ⅱ

-

重結晶區(即正火區)Ⅲ

-

不完全重結晶區

IV-再結晶區V

一

母材(冷軋狀態)17相變重結晶區Ⅱ(正火區)溫度：1100

℃-Ac現象：母材完全奧氏體化，加熱和冷卻過程中經受了兩次重結晶相變，使晶粒得到顯著的細化。組織：相當于低碳鋼正火處理后的組織(細小的P+F)。×性能：較好的綜合性能。1

一

過熱區

Ⅱ

-

重

結

晶

區(

即

正

火

區

)Ⅲ

-

不完全重結晶區IV-再結晶區

V

一

母材(冷軋狀態)18>不完全重結晶區Ⅲ(不完全正

火區)☆溫度：

Ac?

~Ac?×現象：加熱溫度Ac?到Ac?之

間，金屬的內部結構不發生

變化，只有部分金屬經受了

重結晶相變。☆組織：原始的鐵素體晶粒(

粗大)和細晶粒的混合區。×性能：性能不好1

-

過熱區

Ⅱ

-

重

結

晶

區(

即

正

火

區

)Ⅲ

-

不完全重結晶區

IV-再結晶區

V

一

母材(冷軋狀態)19)這熱區組織b)

重結晶區組織()不完全重結品區組織)母材組紙Q235A

鋼焊接熱影響區的組織特點20不完全重結

晶區重結晶區過熱區母材(1)焊前是正火或退火狀態焊前BM

為F+P(S

、B)完全淬火區(完全奧氏體化)Ac?

以上，室溫組織為M。不完全淬火區(部分奧氏體化)Ac?~Ac?,室溫組織為M+F。在快速加熱條件下F很少溶入A,

而P、B、S

等轉變為A;

隨后快

冷，形成M+

粗大F。2.

易淬火鋼HAZ組織分布焊接淬硬傾向較大的鋼種，如18MnMoNb、45、30CrMnSi等，熱影響區的組織分布與母材焊前的熱處理狀態有關。圖4-

29

焊接熱影響區的分布特征1

一熔合區2

—

過熱區

3—相變量結晶區

4一不完全重結晶區

5—母材

6

—

淬火區7

—

部分淬火區

8—回火區不易淬火鋼易淬火鋼(退火)易淬火鋼(淬火礦5?

5|?|

8

52

366(2)焊前為調質狀態

BM回火組織完全淬火區不完全淬火區回火區Ac?

~T,T,

為焊

前調質時的回火溫

度，低于此溫度，

組織不變；高于此

溫度，出現軟化。S

(mm)圖4-29

焊接熱影響區的分布特征1—熔合區2一過熱區

3—相變量結晶區

4一不完全重結晶區

5—母材

6—淬火區7—部分淬火區

8—回火區不易

淬火鋼易淬火鋼(退火)易淬火鋼(淬火)1

2

3

46

76

7|

855522HAZ

的

硬

化HAZ的

脆

化HAZ

的

軟

化(二)焊接熱影響區的性能變化231.HAZ

的硬化⑩

HAZ

硬度分布不均勻，在

熔合區附近具有最大硬度

Hm。⑩

不同的組織形態硬度不同⑩同一組織，也有不同的硬

度⑩

硬度主要決定于材料的化

學成分和冷卻條件距離焊縫中心距離

(mm)圖4-40

低合金鋼焊接HAZ

硬度分布(3

(C=0.20%,Mn=1.38%,Si=0.23%,δ=20mm,E=15kl/cm)500|400300200100!

8B'4

6

8焊縫章青度粗細混配風鑿晶粒區B6HV硬度(載荷1k*)4

2

02500400教狀珠光體區700℃B30020090102面吊粒區臣24B(1)碳當量Carbon

Equivalent(C。或CE)定義：把鋼中合金元素(包括碳)按其對淬硬(包

括冷裂、脆化等)的影響折合成碳的相當含量。

它反映了化學成分對硬化程度的影響251)2)適合于C≥0.18%的鋼種式1)主要適用于中等強度的非調質低合金鋼

(c,=400～

700MPa式2)主要適用于強度級別較高的低合金高強鋼

(c,=500~

1000MPa)26主

要適用于C≤0.17%,

g,=400～900MPa的低合金高強鋼。應用碳當量公式時應注意：碳當量公式純屬經驗公式，當實驗條件、方法不同時，

碳當量公式也不同。>一定要注意各公式的適應范圍。(2)碳當量C。及冷卻時間tws與HAZ

最高硬度Hm

的關系Ceq↑→Hmax↑經驗公式，

Hma=

1274Pcm+45Hma=559CE

(nw)

+100(HV)28Ceq一定，tssl→Hmaxt。Hy

間接反映了HAZ

的淬硬傾向，而Hm

a

測量方便，故可用H

來評價鋼材的冷

裂傾向圖4-39

H

與

tss

的關系板厚20man,成分：C=0.12%,Mn=1.4%,S=0.48%,Cu=0.15%800~500℃冷卻時間(s)29HV2.HAZ

的脆化脆化：是指HAZ

在焊接熱循環作用下所產生的塑性、韌性下降的現象。通常用缺口沖擊值和

脆性轉變溫度判斷脆化現象。脆性轉變溫度VT,。:隨著溫度的降低，金屬由

延性斷裂向脆性斷裂轉變，通常把發生轉變的

那個臨界溫度稱為脆性轉變溫度。顯然VT,↑→

脆性↑。30從左圖可以看出，碳錳鋼HAZ的脆化區有兩個：粗晶區(1500℃)時效脆化區(400℃~

600℃)BA2

脆化：

粗晶脆化、析

出脆化、組織脆化、熱應

變時效脆化、氫脆化及石

墨脆化。距離圖4-41

碳錳鋼

HAZ的脆化分布310.006熱影響區1500℃400～600℃100～20℃轉變沮度母材焊縫750℃(1)粗晶脆化(主要出現在過熱區)晶粒d1→VT1鋼中含C、N化物形成

→d加熱溫度T1,

加熱時間個

→d

個一E

(焊接線能量)↑

→dη8060|4020-20-40圖4-43

品粒直徑

d

對

VT,的影響[33]5

6

7lad÷(mm,04PQ60VT-s(℃)Q80932(2)組織脆化是由于HAZ中出現脆硬組織造成的。根據

脆性組織不同，又可分為：>M-A

組元脆化>析出脆化331)M—A

組元脆化M—A組元脆化原因：高碳奧氏體易于形成高碳馬氏體M-A

組元存在時，成為了潛在的裂源，并起到吸氫和應力集中的作用。342)析出脆化(沉淀相脆化)>定義：某些金屬或合金，在時效或回火過程中，

從過飽和的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，使金

屬或合金的強度、硬度上升，韌性下降的現象。機理：析出相出現后，形成“柯氏氣團”,阻礙

位錯運動，使強度、硬度上升，產生脆化。>HAZ的熔合部位(包括粗晶區)在化學成分和組織

上的不均勻性比焊接區的其他部位更為嚴重，極

易產生析出脆化。>特點：時效性35(3)HAZ

的熱應變