金属熔焊原理第四章熔合区和焊接热影响区课件.ppt

熔焊原理第四章第四章 焊接热影响区焊接热影响区 第一节 焊接熔合区第二节 焊接热影响区熔焊原理第一节第一节 焊接熔合区焊接熔合区熔合区是焊接接头中焊缝与母材交界的过渡区在焊接接头横截面低倍组织图中可以看到焊缝的轮廓线，如图4-1所示，这就是通常所说的熔合线而在显微镜下可以发现，这个所谓的熔合线实际上是具有一定宽度的、熔化不均匀的半熔化区熔焊原理图4-1 焊接接头的熔合区图4-2 熔合区晶粒熔化情况熔焊原理焊接熔合区的主要特征是存在着严重的化学不均匀性和物理不均匀性，这是成为焊接接头中的薄弱地带的主要原因图4-3 固液界面溶质浓度的分布 图4-4 熔合区中硫的分布 上行数据的条件：E=11.76kJ/cm 下行数据的条件：E=23.94kJ/cm熔焊原理 对于一般钢材来讲，钢中合金元素及杂质在液相中的溶解度总是大于固相中的溶解度因此，在熔池凝固过程中，随着固相的增加，溶质原子必然要大量地堆积在固相前沿的液相中这样，在固-液交界的地方溶质的浓度将发生突变，如图4-3所示图中实线表示固-液并存时溶质浓度的变化，虚线表示熔池完全凝固以后的情况，这说明了在凝固过程中堆积在固相前沿的液相中溶质，来不及扩散到液相中心，而将不均匀的分布状态保留到凝固以后。

熔焊原理 熔合区的化学不均匀性，与熔池溶质原子的性质有关扩散能力较强的元素还有可能在浓度梯度的推动下由焊缝向母材扩散，使化学不均匀性有所缓和如同一种钢在焊接时，碳的扩散能力强，在凝固后仍可以扩散而趋于均匀，完全凝固后没有明显的偏析；而硫、磷扩散能力弱的元素，凝固后浓度变化很小，保留了较严重的偏析，熔合区硫的分布如图4-4所示熔焊原理第二节第二节 焊接热影响区（焊接热影响区（HAZ）：）：焊接接头示意图1-焊缝；2-熔合区；3-热影响区；4-母材在焊接热循环的作用下，焊缝两侧处于固态的母材发生组织和性能变化的区域焊接过程中，在形成焊缝的同时不可避免地使其附近的母材经受了一次特殊的热处理，形成了一个组织和性能极不均匀的焊接热影响区焊接热影响区的形成 熔焊原理熔焊原理熔焊原理 焊接热影响区组织转变的特点焊接热影响区组织转变的特点 1.焊接热影响区热循环的特点焊接热影响区热循环的特点 与热处理相比，其基本原理相同，又具有焊接本身的特点（特殊性）：加热温度高 在熔合线附近温度可达在熔合线附近温度可达l350l400 加热速度快 加热速度比热处理时快几十倍甚至几百倍加热速度比热处理时快几十倍甚至几百倍 高温停留时间短 在在Ac3以上保温的时间很短以上保温的时间很短(一般手一般手工电弧焊约为工电弧焊约为420s，埋弧焊时，埋弧焊时30l00s)自然冷却（个别情况下进行焊后保温缓冷）（个别情况下进行焊后保温缓冷）局部加热熔焊原理2.焊接加热时热影响区的组织转变特点焊接加热时热影响区的组织转变特点）加热速度对相变点的影响）加热速度对相变点的影响焊接过程的快速加热，将使各种金属的相变温度比起等温转变时大有提高。

当钢中含有较多的碳化物形成元素(Cr、W、Mo、V、Ti、Nb等)时，这一影响更为明显这是因为碳化物形成元素的扩散速度很小(比碳小100010000倍)，同时它们本身还阻碍碳的扩散，因而大大地减慢了奥氏体转变过程熔焊原理钢钢种种 相相变变点点平衡状平衡状态态加加热热速度速度H H/（SS-1-1）AC1与与AC3的温差的温差/68 40502503001400170040502503001400170045钢钢AC17307707757908404560110AC3770820835860950659018040CrAC17407357507708401535105AC3780775800850940257516523MnAC1735750770785830355095AC3830810850890940408013030CrMnSiAC17407407758259203585180AC38207908358909804510019018Cr2WVAC1710800860930100060130200AC38108609301020112070160260加热速度对相变点加热速度对相变点Ac1和和Ac3及其温差的影响及其温差的影响熔焊原理）加热速度对均质化影响）加热速度对均质化影响 A均质化过程属于扩散过程，而焊接加热速度快、相变以上停留时间短，都不利于扩散,因而匀质化程度差。

近缝区的晶粒长大）近缝区的晶粒长大 在焊接条件下,近缝区由于强烈过热使晶粒发生严重长大,影响焊接接头塑性、韧性,产生热裂纹,冷裂纹熔焊原理H：11400/s；2270/s；335/s；47.5/s)焊接快速加热对Ac1、Ac3和晶粒长大的影响熔焊原理3.焊接冷却时热影响区的组织转变特点焊接冷却时热影响区的组织转变特点 以45钢、40Cr为例，比较焊接条件下和热处理条件下，在相同的冷却速度下组织转变的差异焊接和热处理时加热及冷却过程的示意图熔焊原理图4-5 Q345（16Mn）钢热影响区CCT图（wC=0.16%wSi=0.35%wMn=1.35%wS=0.026%wP=0.014%）熔焊原理奥氏体形成温度TA越高、在该温度下的保温时间A越长，过冷奥氏体越稳定奥氏体化温度TA对CCT图的影响（炉中缓慢加热）熔焊原理对45钢来说，TA提高使钢中的C全部溶入奥氏体，组织很均匀且明显粗化，从而使A分解时的成核率降低，孕育期加长，所以曲线右移而在40Cr钢中，由于含有碳化物形成元素Cr，在快速加热高温停留时间短时，碳化铬来不及分解仍保留在A中这样使奥氏体中溶解的碳化铬减少，而使其稳定性下降，同时保留下来的碳化铬质点还可成为新相得晶核，提高了A的分解时的成核率，其结果是缩短了孕育期，CCT图曲线左移。

熔焊原理两点结论：1、焊接热循环的特点，决定了在研究热影响区金属连续冷却转变时应该用焊接条件下特定的连续冷却转变曲线焊接条件下的组织转变不仅与等温转变焊接条件下的组织转变不仅与等温转变不同，也与热处理条件下的连续冷却组织不同，也与热处理条件下的连续冷却组织转变不同转变不同）2、焊接加热特点对过冷奥氏体稳定性的影响因钢的化学成分不同而异熔焊原理1.CCT图的建立：采用焊接热模拟试验装置来建立某种钢的CCT图2.意义意义：在大量钢种出现之前,可预先估计热影响区的组织性能,或作为制定工艺,焊接线能量的依据3.CCT图的应用：通过CCT图可得到在不同的冷却速度下的组织,即估计组织焊接焊接CCT图图熔焊原理熔焊原理图图4-6 熔焊原理焊接热影响区的组织接头不同部位，经历的焊接热循环不同，便有不同的组织特点焊接结构钢根据热处理特性不同分为两类：淬火钢,不易淬火钢,分别讲述淬火钢和不易淬火钢的组织分布1.1.不易淬火钢：不易淬火钢：如低碳钢,某些不易淬硬的低合金钢,如16Mn、15MoV、15MnTi等熔焊原理2-过热区；过热区；3-相变重结晶区；相变重结晶区；4-不完全重结晶区；不完全重结晶区；5-母材；母材；6-完全淬火区完全淬火区；7-不完全淬火区不完全淬火区；8-回火软化区回火软化区焊接热影响区的组织分布特征不易不易淬火钢淬火钢易淬易淬火钢火钢熔焊原理不易淬火钢焊接热影响区的组织分布不易淬火钢焊接热影响区的组织分布熔焊原理熔合区熔合区：又称半熔化区，是焊缝与母材的交界区。

又称半熔化区，是焊缝与母材的交界区加热温度加热温度：14901530（固、液相线之间）（固、液相线之间）组织组织：（未熔化但因过热而长大的）粗晶组织和（部分（未熔化但因过热而长大的）粗晶组织和（部分新凝固的）铸态组织新凝固的）铸态组织特点特点：该区很窄，组织不均匀，强度下降，塑性很差，该区很窄，组织不均匀，强度下降，塑性很差，是裂纹及局部脆断的发源地是裂纹及局部脆断的发源地熔焊原理过热区过热区：紧靠熔合区紧靠熔合区加热温度加热温度：11001490（1100固相线）固相线）组织组织：粗大的过热组织粗大的过热组织特点特点：宽度为宽度为13mm，塑性和韧性下降；，塑性和韧性下降；焊接刚度大的结构时，该区易产生裂纹；焊接刚度大的结构时，该区易产生裂纹；低碳钢的过热区主要是魏氏组织低碳钢的过热区主要是魏氏组织熔焊原理相变重结晶区相变重结晶区(正火区正火区)：紧靠着过热区紧靠着过热区加热温度加热温度：8501100 （AC3至至1100）组织组织：均匀细小的铁素体和珠光体组织（近似于正火均匀细小的铁素体和珠光体组织（近似于正火组织）组织）特点特点：宽度约宽度约1.24.0mm，力学性能优于母材力学性能优于母材。

熔焊原理不完全重结晶区不完全重结晶区：加热温度加热温度：Ac1Ac3之间之间组织组织：F+P(F粗、细不均粗、细不均)特点特点：部分组织发生相变，晶粒大小不一，组织不均部分组织发生相变，晶粒大小不一，组织不均匀，力学性能差匀，力学性能差熔焊原理时效脆化区（亚热影响区）时效脆化区（亚热影响区）：加热温度加热温度：Ac1300 组织组织：在显微镜下观察不到组织上的变化在显微镜下观察不到组织上的变化特点特点：由于热应力及脆化物析出，经时效而产生脆化由于热应力及脆化物析出，经时效而产生脆化现象熔焊原理部位加热温度范围组织特征及性能焊缝1500铸造组织柱状树枝晶熔合区及过热区14001250晶粒粗大，可能出现魏氏组织与不均匀晶粒合并，塑性差12501100粗晶与不均匀晶粒合并，塑性差相变重结晶1100900晶粒细化，力学性能良好不完全重结晶900730粗大铁素体和细小的珠光体，铁素体力学性能不均匀时效脆化区(亚热影响区)730300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母材300室温没有受到热影响的母材部分低碳钢热影响区的组织分布特征及性能熔焊原理16Mn钢焊接热影响区焊缝金属母材熔合区过热区不完全重结晶区相变重结晶区熔焊原理2.2.易淬火钢易淬火钢 此类钢热影响区的组织分布与母材焊前热处理有关。

退火,正火,调质(淬火+高回火)1)完全淬火区 2)不完全淬火区 3)如母材焊前是调质状态，除存在完全淬火区和不完全淬火区外，还存在一个回火软化区熔焊原理1 1）完全淬火区）完全淬火区焊接时处于Ac3以上的区域，与不易淬火钢的过热区、正火区对应在紧靠焊缝相当于低碳钢过热区的部位，得到粗大的马氏体，而相当于正火区的部位则得到细小的马氏体熔焊原理2 2）不完全淬火区）不完全淬火区母材被加热到Ac1Ac3温度之间的热影响区，相当于不易淬火钢的不完全重结晶区在快速加热条件下，铁素体很少溶入奥氏体，而珠光体、贝氏体、索氏体等转变为奥氏体在随后快冷时，奥氏体转变为马氏体，原铁素体保持不变，并有不同程度的长大，最后形成马氏体加铁素体的混合组织如含碳量和合金元素含量不高或冷却速度较小时，奥氏体也可能转变成索氏体或珠光体熔焊原理3 3）回火软化区）回火软化区如母材焊前是调质状态，焊接热影响区的组织分不除存在完全淬火区和不完全淬火区外，还存在一个回火软化区在回火区内组织和性能发生变化的程度决定于焊前调质的回火温度t：热循环温度低于t 的部位，其组织性能不发生变化，而高于t 的部位，将发生软化现象熔焊原理3.3.注意问题注意问题 1)熔合区熔合区，热影响区中过热区过热区晶粒严重长大，是焊接接头的薄弱地带。

2)低碳钢的不完全重结晶区,在急冷急热的条件下,会表现出高碳钢的行为3)成分偏析严重，C、P、S高时易产生淬硬组织、裂纹熔焊原理 问题的严重性：焊缝可以通过化学成分的问题的严重性：焊缝可以通过化学成分的调整再配合适当的焊接工艺来保证性能的要求，调整再配合适当的焊接工艺来保证性能的要求，而热影响区性能只能通过而热影响区性能只能通过控制焊接热循环作用控制焊接热循环作用来改善焊接热影响区的硬化焊接热影响区的硬化焊接热影响区的脆化焊接热影响区的脆化焊接热影响区的软化焊接热影响区的软化焊接热影响区的性能控制焊接热影响区的性能控制四四 焊接热影响区的性能焊接热影响区的性。