第10章 焊接热影响区

焊接热影响区概述焊接热影响区的形成凡是通过局部加热来达到连接金属的焊接方法，不论是熔焊或固态焊接（如 电阻对焊、摩擦焊），由于其加热的瞬时性和局部性使焊缝附近的母材都经受了 一种特殊热循环的作用。其特点为升温速度快，冷却速度快。例如在板厚为 20mm 的低碳钢上用 16kJ/cm 热输入进行手工电弧堆焊时，由室温加热到峰值温度为 1100C所需时间仅4s左右，冷却到200C仅需lmin左右。因此，凡是与扩散有 关的过程都很难充分进行。焊接加热的另一特点为热场分布不均匀，紧靠焊缝的 高温区内接近于熔点，远离焊缝的低温区内接近于室温。而且，峰值温度愈高的 部位，加热速度愈快，冷却速度愈大。因此，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；使一些部位的组织和性能变得很坏（如过热区），成为整 个焊接接头中的最薄弱环节，对焊接质量起着控制作用。很多焊接结构的破坏事 故都与其焊接热影响区的性能恶化有关。影响焊接热影响区组织和性能的主要因素由于焊接热影响区是焊缝附近母材受到焊接热循环作用后形成的一个组织和 性能不同于母材的特殊热处理区，因此它取决于材料本身的特性和工艺条件两个 方面。影响其组织和性能的主要冶金和工艺因素为：被焊金属与合金系统的特点这是决定各种材料法律界热影响区形成特点的根本因素，因为焊接热影响区 的组织变化和性能变化首先取决于母材本身在不同加热和冷却条件下的物理冶 金特点。例如对加热和冷却时无相变的金属和合金来说，其焊接热影响区非常简 单。反之，有相变材料的焊接热影响区就很复杂。焊前母材的原始状态材料焊前的原始状态也会影响到焊接热影响区的组织变化和性能变化。例如 材料焊前处于冷作硬化状态或热处理强化状态，则焊后热影响区内会出现淬火的 硬化区。焊接工艺方法和工艺参数如前所述，焊接热影响区是由于焊接时的热作用引起的，因此它与焊接时所 采用的热源特点和焊接工艺参数密切相关。它们决定了焊接时的温度场分布以及 热循环曲线的特点，直接影响到焊接热影响区内特殊热处理的各项参数，如升温 速度、高温停留时间和冷却速度等。固态有相变材料的焊接热影响区组织和性能变化特点：工业用金属材料大多数是有固态相变的。通常的热处理，就是利用这种材料 固态下的相变来改善其组织和性能；但在焊接条件下，由于其热循环的特殊性， 往往会使热影响区内加热到相变点以上的材料发生不利的组织变化，并导致其性 能的恶化。有同素异构转变的纯金属和单相合金的焊接热影响区组织和性能变化特点Fe、Mn、Ti 和 Co 等都属有同素异构转变的纯金属。以这些金属为基体形成 一系列有同素异构转变的合金。其中单相合金的组织转变类似于纯金属，有同素 异构转变的纯金属和单相合金的焊接热影响区特点是除了过热区和再结晶区外， 还有一个由同素异构转变引起的重结晶区。该区位于过热区和再结晶区之间。其 组织特征为重结晶相变引起的晶粒细化，即相当于钢材正火处理后的细晶粒组织有同素异构转变的多相合金的焊接热影响区组织和性能变化特点这类合金焊接热影响区的变化比较复杂。以应用最广的钢材（Fe-C合金）为 例。在固态下合金中除了有同素异构转变外，还有成分变化和第二相析出，即共 析转变和 Fe C 的析出。为了便于分析焊接热影响区组织变化的规律，可将钢材3大致分成不易淬火和易淬火两种基本类型来进行讨论。不易淬火钢的焊接热影响区组织性能变化特点可分为：过热区（又称粗晶区） 该区紧邻焊缝，它的温度范围包括了从晶粒急剧长大 的温度开始一直到固相线温度，对普通的低碳钢来说，大约在11001490C之 间，由于加热温度很高，特别是在固相线附近处，一些难熔质点（如碳化物和氮 化物等）也都溶入奥氏体，因此奥氏体晶粒长得非常粗大。这种粗大的奥氏体在 较快的冷却速度下形成一种特殊的过热组织魏氏组织。魏氏体组织是由结晶 位向相近的铁素体片形成的粗大组织单元，严重地降低了热影响区的韧性。重结晶区（又称正火区或细晶区）该区加热到的峰值温度范围在 Ac 到晶粒3开始急剧长大以前的温度区间对普通的低碳钢来说，大约在9001100C之间， 该区的组织特征是由于在加热和冷却过程中经受了两次重结晶相变的作用，使晶 粒得到显著的细化。对于不易淬火钢来说，该区冷却下来后的组织为均匀而细小 的铁素体和珠光体，相当于低碳钢正火处理后的细晶粒组织。因此，该区具有较 高的综合力学性能，甚至还优于母材的性能。不完全重结晶区（又称不完全正火区或部分相变区） 该区加热的峰值温度在Ac到Ac之间，普通低碳钢约为750900C。该区特点为，只有部分金属经受 13了重结晶相变，剩余部分为未经重结晶的原始铁素体晶粒。因此，它是一个粗晶 粒和细晶粒的混合区。不易淬火钢该区的组织为在未经重结晶的粗大铁素体之间 分布有经重结晶后的细小铁素体和粒状珠光体的群体。形成这种组织的原因是由 于焊接的升温速度太快，当加热到 Ac Ac 之间时，实际上只有珠光体转变为奥 13 氏体，铁素体基本上还没有能够来得及发生转变。再结晶区 再结晶区与重结晶不同，其发生温度低于相变点，重结晶时金属的 内部晶体结构要发生变化，而再结晶时只有晶粒外形的变化，并没有内部晶体结 构的变化，从外形上看，由冷作变形后的拉长的纤维状晶粒变为再结晶后的等轴 晶粒。易淬火钢的焊接热影响区组织和性能的变化特点 由于焊接时的冷却速度很 大，因此一些通常认为淬火倾向并不大的钢材，在焊接条件下也会形成淬火组织。根据加热的峰值温度和冷却下来后的组织特征，一般可将易淬火钢的焊接热 影响区分为三大部分：淬火区、不完全淬火区和回火区等。淬火区 从理论上讲，焊接热影响区中凡是加热到Ac以上，达到了完全奥氏 3体化的区域都应属于淬火区。因此，它包括了相当于低碳钢焊接热影响区的过热 区和正火区（重结晶区）两部分。不完全淬火区 相当于不易淬火钢材旱焊接热影响区内的不完全重结晶区回火区 焊接热影响区内是否存在这一区域以及这一区域的范围与焊前母材 所处的状态有着密切的关系。如果焊前母材的原始组织已经是铁素体珠光体， 则在低于 Ac 的区域内加热时根本不会再发生任何组织变化。1