[更新中]本篇是材料成形基本原理焊接部分的第三篇。本节内容较长，范围较广；篇幅所限，分为两期。
焊接接头：焊缝+熔合区+HAZ

  • 焊缝 焊后焊件中所形成的结合部分 Weld
  • HAZ Heat Affect Zone

焊接热影响区的组织与性能

12.1 焊接热循环

定义：在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程。焊件上距热源远近不同的位置，所经受的热循环不同。
离焊缝越近的点，加热速度越快，峰值温度越高，冷却速度越快。(加热速度远高于冷却速度）

热循环特征参数

  • 加热速度$\omega_H$
  • 最高加热温度$T_m$
  • 相变温度以上停留时间$t_H$
  • 冷却速度$\omega_c$（或冷却时间$T_{8/5}$（代表自$800^\circ C$冷却至$500^\circ C$所需的时间））

加热速度

加热速度提高，相变温度随之提高，奥氏体均质化和碳化物的溶解越不充分。

加热的最高温度

最高温度越高，晶粒长大越严重，HAZ的韧性越差。

相变温度以上停留时间

相变温度以上停留时间越长，越有利于奥氏体均质化过程。温度过高时及时停留时间不长，也会产生严重的晶粒长大。电渣焊>埋弧焊>焊条电弧焊

冷却速度和冷却时间

冷却速度是决定HAZ组织性能的主要参数。

定义：冷至某一温度$T_c$（低合金钢约为$540^\circ C$）的瞬时冷却速度。由于不易测量，常用温度区间的冷却时间来分析。常用：

  • $t_{8/5}$
  • $t_{8/3}$
  • $t_{100}$ 从峰值冷却到100摄氏度
    $t_{8/5}$用于一般碳钢和低合金钢；$t_{8/3}，t_{100}$用于冷裂倾向较大的钢种。

焊接热循环参数的影响因素

  • 焊接方法
  • 焊接热输入
  • 板厚
  • 预热温度
  • 母材的热物理性能
  1. 热输入E一定时，$E\uparrow\rightarrow T_m\uparrow$，$HAZ宽度\uparrow$。峰值温度高低还受预热温度、焊件热物理性质影响。
  2. $热输入\uparrow\rightarrow 高温停留时间t_H\uparrow\rightarrow晶粒粗化程度\uparrow\rightarrow 晶粒脆化倾向\uparrow$。提高预热温度，也会在一定程度上延长高温停留时间。（影响小，不考虑）
  3. $E\uparrow、T_0\uparrow\rightarrow\omega_c\downarrow、t_{8/5}\uparrow$
    生产中主要通过提高初始温度即预热来降低冷却速度，延长冷却时间，减少HAZ开裂危险。

  4. 母材的热物理性质、焊件的形状和尺寸、接头形式、焊道长度及层数都会影响焊接热循环参数。

    • 工件厚度增加时，冷却速度增大
    • 填角焊（T型接头）的冷却时间比表面堆焊短（相对冷却更快）
    • 高能束焊热输入小，冷却速度快
    • 焊接电流增大时，冷却速度减小
    • 焊接速度增加时，冷却速度增大

焊缝两侧各部位所经历的热循环不同，决定了其组织性能的非均匀性，特别是熔合区和粗晶区是焊接接头的薄弱环节。

多层焊热循环的特点

多层焊时需要考虑焊道层数和层间温度。
层间温度：开始焊接后一道焊层时前一层焊道所具有的最低温度。层间温度相当于单道焊的预热温度。
多层焊时，相邻焊层之间彼此具有热处理作用。前一道焊道对后一焊道有预热作用；后一焊道对前一焊道起后热作用。

多层多道焊时，焊缝金属的组织得到细化，焊缝金属的韧性提高。

分类：

  1. 长段多层焊（前一层已冷却到较低温度）。
    不适合于脆硬倾向较大的钢种
  2. 短段多层焊 对于焊缝和热影响区组织都有一定的改善作用，适合于焊接晶粒易长大且易产生淬硬组织的钢种。

12.2焊接热循环条件下的金属组织转变特点

特殊性：

  • 加热温度高
  • 加热速度快
  • 高温停留时间短
  • 自然条件下连续冷却
  • 加热的局部性和不均匀性
  • 在热应力作用状态下进行组织转变

焊接加热过程的组织转变

  1. 焊接快速加热使金属的相变温度提高。原因：转变为A需要孕育期。在快速加热条件下，来不及完成扩散过程所需孕育期。当钢中含有较多碳化物形成元素（$Cr、W、Mo、V、Ti、Nb$等）时，影响更为明显。原因：碳化物形成元素的扩散速度很小，同时它们本身还阻碍碳的扩散，因而大大减慢了奥氏体转变过程。
  2. 快速加热对A均质化过程不利。加热速度快和相变温度以上停留时间短，不利于扩散过程的进行，均质化的程度很差。
  3. 近缝区晶粒长大。近缝区由于强烈过热使晶粒发生严重长大，影响焊接接头塑性和韧性，增大热裂纹、冷裂纹倾向。

焊接冷却过程中的组织转变

焊接过程属于非平衡热力学过程。随冷却速度增大，平衡状态图上各相变点和温度线均发生偏移。

  • 随冷却速度增大，平衡状态图上各相变点均向更低温度移动。
  • 共析成分由一个点变成了一个成分范围。快冷条件下，质量分数小于0.77%的钢也可获得全部P。
  • 当冷速增加到一定程度时，P转变将被抑制，发生B或M转变。

当钢中含有碳化物或氮化物形成元素时，只有它们固溶于奥氏体之后，才能增加奥氏体的稳定性。焊接时，加热速度很快，碳化物或氮化物并未完全溶解于奥氏体，因此在快速冷却条件下，反而会降低奥氏体的稳定性，使奥氏体提前转变。

相同冷速下，45钢焊接时的淬硬倾向比热处理大，40Cr钢焊接时淬硬倾向小。为什么？
答：
1. 由碳化物合金元素只有充分溶解在奥氏体内部，才会增加奥氏体的稳定性，即增加淬硬倾向。
2. 热处理条件下，有充分时间使碳化物合金元素向奥氏体内部溶解；而在焊接条件下，加热速度快，高温停留时间短，合金元素不能充分溶解，故40Cr淬硬倾向降低。
3. 不含碳化物合金元素的45钢，不存在碳化物的溶解过程，焊接条件下近缝区组织粗化，故淬硬性比热处理条件下要大。

12.3 焊接热影响的组织与性能

不易淬火钢：

  1. 熔合区（半熔化区）
  2. 过热区（粗晶区）
  3. 相变重结晶区（正火区或细晶区）
  4. 不完全重结晶区

易淬火钢

  1. 完全淬火区
  2. 不完全淬火区
  3. 回火软化区

焊接热影响区的组织分布

熔合区

温度：$1100^\circ C~固相线(1490^\circ C)$
宽度很窄（几个晶粒），成分、组织和性能不均匀，强度下降，塑性很差，是裂纹及局部催短的发源地（HAZ薄弱部位）。

相变重结晶区

温度：$AC_3(850^\circ C)~1100^\circ C$
组织为均匀细小的铁素体和珠光体（近似于正火组织），塑性和韧性均较好，是HAZ中组织性能最佳的区域。

不完全重结晶区

温度：$AC_1~AC_3$
组织为F+P，F粗细不均；仅部分组织发生相变重结晶，组织和力学性能不均匀。

完全淬火区

温度：$AC_3$以上
加热时铁素体、珠光体全部转变为奥氏体，冷却时很容易得到淬火组织(M)。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。当母材的淬硬性不太高时，还会出现贝氏体、索氏体等正火组织，形成与马氏体共存的混合组织。

不完全淬火区

温度：$AC_1~AC_3$
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。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。

回火软化区

母材焊前为调质状态时，还存在一个回火软化区/回火区内的组织和性能决定于焊前调质的回火温度$T_t$:热循环温度低于$T_t$的部位，其组织性能不发生变化；而高于的部位，将发生软化现象；

若焊前为淬火态，则可获得不同的回火组织。紧靠$AC_1$的部位，相当于瞬时高温回火，得到回火索氏体；离焊缝较远的区域，获得回火马氏体。

焊接热影响区的组织成分是不均匀的，熔合区和过热区是整个焊接接头的薄弱地带。

焊接热影响区的性能

硬化

HAZ的硬度高低取决于：母材的化学成分、HAZ的冷却速度
化学成分的影响:

  • 含碳量显著影响奥氏体稳定性，对淬硬性影响最大。含碳量越高，越容易获得马氏体组织，且马氏体硬度越高。

  • 合金元素的影响与其所处形态有关。

    • 溶于奥氏体时提高淬硬性与淬透性
    • 形成不溶碳化物、氮化物时，可称为非马氏体相变形核的核心，促进细化精力，降低淬硬性。

碳当量反应了钢中化学成分对硬化程度的影响。碳当量越高，淬硬倾向越大。

冷却条件的影响：

  • 延长冷却时间$t_{8/5}$可以降低HAZ的硬化性，同时也会增大高温持续时间$t_H$，使晶粒粗化，且易使第二相固溶，奥氏体中碳的均匀化程度增高，所有这些又会促使硬化性增大。

  • 在同样冷速条件下，晶粒越粗大越易获得M组织。为了减小硬化倾向，应尽可能降低$t_H$值，以减小晶粒粗化。为此，必须减小热输入，并适当降低预热温度。同时又必须保证适当缓慢的冷却条件。

    焊接热影响区的脆化

    粗晶脆化

    晶粒粗化程度受钢种的化学成分、组织状态、加热温度和时间等因素的影响。

  • 钢中含有碳、氮化物形成元素$(Ti、Mo、V、W、Cr等)$时，可阻碍晶界迁移，防止晶粒长大。
  • 焊接热输入越大，晶粒尺寸越大。

一般来讲，晶粒越粗,则脆性转变温度越高,亦即脆性增加。晶粒粗大严重影响组织的脆性，尤其是低温脆性。HAZ的粗晶脆化比单纯晶粒长大造成的脆化更为严重，它常常与组织脆化交混在一起，是两种脆化的叠加。

对于淬硬倾向较小的钢，粗晶脆化主要是晶粒长大所致。控制：适当降低焊接热输入和提高冷却速度
对于易淬火钢，主要是产生脆性组织（如孪晶M等）所致。控制：适当提高焊接热输入和降低冷速

组织脆化

焊接HAZ中由于出现脆硬组织而产生的脆化称之组织脆化。
对于常用的低碳低合金高强钢，焊接HAZ的组织脆化主要是M-A组元、上贝氏体、粗大的魏氏组织等所造成。对含碳量较高的钢（一般$w_c\geq0.2％$），组织脆化主要是高碳马氏体。

M-A组元脆化

M-A 组元是高碳M和残余A的混合物。它是焊接高强钢时在一定冷却速度下形成的，既可出现在焊缝，也可出现在热影响区。