焊接物理冶金热影响区课件.ppt

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1、第四章,焊接热影响区,1,t课件,2,t课件,第一节 概述（基本特点）,一、焊接热影响区的形成 在焊接过程中，在形成焊缝的同时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热影响区，可能成为整个接头的最薄弱环节。 焊接热过程特点（局部性、瞬时性、运动性）决定了热影响区热处理的特殊性： （1）加热、冷却速度极快使与扩散有关的过程很难充分进行 加热 P（非均匀）; 冷却B、 M（非平衡相） （2）温度场极不均匀不同位置经历了不同的热循环，距焊缝愈 近，峰值温度越高，冷却速度愈大。,3,t课件,图1-16 焊接热循环的参数,4,t课件,5,t课件,二、影响焊接热影响区的主要因素

2、,1、被焊接金属与合金系统的特点 例如: 被焊接金属在焊接加热和冷却过程中有无固态相变，有相变的材料其热影响区较复杂，反之较简单。 2、焊前母材的原始状态 例如: 材料焊前冷作硬化或热处理强化，焊后热影响区出现软化；易淬火材料焊前退火，焊后出现淬火的硬化区。 3、焊接方法和工艺参数 焊接方法（热源能量密度）和工艺参数（线能量、板厚）影响加热速度、高温停留时间、冷却速度等。,6,t课件,图41 不同焊接工艺下钢材单道焊时热影响区的热循环曲线,1 CO2气体保护焊（板厚=1.5mm） 2埋弧焊（板厚=8mm）3埋弧焊（板厚=15mm） 4电渣焊（板厚=100mm）,7,t课件,第二节 固态无相变材

3、料的焊接热影响区特点,无固态相变材料包括： 纯金属：Al Mg Cu Ni Mo W 等 单相固溶合金： Al - Mg Cu - Ni 等热影响区组织和性能特点与母材原始状态有关： 1. 焊前母材为冷轧（冷作硬化）状态 组织：过热区（粗晶）， 再结晶区（等轴晶） 性能：过热区脆化，再结晶区软化 2. 焊前母材为热轧或冷轧后退火状态 组织：过热区（粗晶） 性能：过热区脆化 主要焊接性问题：接头过热区脆化,8,t课件,图42 固态无相变金属和合金的焊接热影响区特点,I 过热区 II 再结晶区,9,t课件,10,t课件,11,t课件,图43 X形坡口纯镍焊接热影响区过热组织,a) 焊接接头示意图b

4、) 二次过热区（a中1区）组织c) 一次过热区（a中1区）组织,12,t课件,图45 冷轧纯铜焊接热影响区组织,a）过热区组织 b）再结晶区组织 c）冷轧状态的母材组织,13,t课件,图44 热轧纯铜焊接热影响区组织,a）过热区组织 b）热轧状态的母材组织,14,t课件,第三节 固态有相变材料的焊接热影响区特点,一、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 只有晶体结构变化，无化学成分变化引起的第二相析出，例如： Fe、 Ti 、Mn、 Co 纯金属及单相合金。1、冷轧状态 纯金属：过热区、 重结晶区、 再结晶区 单相合金：过热区、 重结晶区、不完全重结晶区、 再结晶区2、热轧或冷

5、轧退火状态 纯金属：过热区、 重结晶区 单相合金：过热区、 重结晶区、不完全重结晶区,15,t课件,16,t课件,17,t课件,图46 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特点,I过热区 II重结晶区 II不完全重结晶区 再结晶区 IV母材,18,t课件,图47 工业纯钛TA2等离子弧焊时的 热影响区组织特点,a）过热区组织b）重结晶区组织c）母材组织,19,t课件,二、有同素异构转变的多相合金的焊接热影响区特点,有晶体结构变化，也有化学成分变化引起的第二相析出。以Fe-C合金为例，焊接热影响区的组织和性能特点与材料的淬火倾向有关。1.不易淬火钢焊接热影响区特点（低碳钢）（1）过

6、热区（粗晶区）温度：1100-1490, 组织：粗大魏氏组织，性能: 脆化（2）重结晶区（正火区或细晶区）温度：Ac3 - 1100, 组织：晶粒细化，性能: 力学性能高（3）不完全重结晶区（不完全正火区或部分相变区）温度： Ac1 - Ac3, 组织：组织不均匀，性能: 低于重结晶区（4）再结晶区（冷作硬化）温度： 500 - Ac3, 组织：等轴晶，性能: 软化,20,t课件,21,t课件,图48 低碳钢的焊接热影响区特点,I过热区；II重结晶区（即正火区）；III不完全重结晶区IV再结晶区； V母材（冷轧状态）,22,t课件,图419 不同类型钢材的焊接热影响区划分示意图,I过热区；II

7、正火区；III不完全重结晶区；IV淬火区；V不完全淬火区；VI回火区,23,t课件,图49 Q235A钢焊接热影响区的组织特点,过热区组织；b) 重结晶区（正火区）组织；c) 不完全重结晶区（不完全正火区）组织；d) 母材组织,24,t课件,25,t课件,26,t课件,27,t课件,28,t课件,29,t课件,图410 焊接方法对过热区高温停留时间和晶粒大小的影响,1焊条电弧焊（板厚10mm）；2埋弧焊（板厚1525mm）；3电渣焊（板厚100200mm）,30,t课件,图411 等温和连续加热时珠光体转变为奥氏体的示意图,T1：珠光体转变为奥氏体的开始温度T2：珠光体转变为奥氏体的结束温度T

8、3：碳化物溶解完了的温度T4：均匀化的加热速度vH1、vH2、vH3：不同的加热速度,31,t课件,图412 Q235A钢焊接热影响区的组织,a) 过热区组织；b) 重结晶区组织；c) 不完全重结晶区组织；d) 母材组织,32,t课件,图413 20钢焊接热影响区组织,a) 过热区组织；b) 重结晶区c) 不完全重结晶区组织d) 母材组织,33,t课件,图414 低碳钢焊接接头各区的V形缺口夏比冲击值的分布示意图,I过热区；II正火区（重结晶区）；III不完全重结晶区；IV脆化区,34,t课件,2. 易淬火钢焊接热影响区特点（低合金高强钢）,易淬火钢：热轧钢、正火钢、低碳调质钢、中碳调质钢、

9、高碳钢等（在焊接条件下）。易淬火钢的实质是奥氏体稳定，奥氏体连续冷却曲线CCT右移，淬透性提高（淬硬性）。 合金元素奥氏体稳定性淬透性（易淬火） 加热温度奥氏体稳定性淬透性（易淬火） 加热速度奥氏体稳定性淬透性 奥氏体晶粒尺寸奥氏体稳定性淬透性 冷却速度易淬火,35,t课件,表2-1 几种热轧和正火钢的成分和性能,36,t课件,37,t课件,38,t课件,39,t课件,40,t课件,41,t课件,图415 不同奥氏体化温度的CCT图,(钢材w (C) 0.17%和w (Mn) 1.34%),a) 900奥氏体化（炉中缓慢连续加热）,b) 1300奥氏体化（炉中缓慢连续加热）,42,t课件,图4

10、16 模拟焊接条件下不同加热速度时的CCT图,实线升温速度910/s，由Ac3加热到1350的时间40s虚线升温速度150/s，由Ac3加热到1350的时间4.5s,（45钢，Tmax =1350）,43,t课件,图417 加热速度对45钢临界点的影响,Ac1k珠光体转变为奥氏体的开始温度Ac1j珠光体转变为奥氏体的结束温度,vH加热速度（/s）；D奥氏体晶粒尺寸（mm）,44,t课件,图48 低碳钢的焊接热影响区特点,I过热区；II重结晶区（即正火区）；III不完全重结晶区IV再结晶区； V母材（冷轧状态）,45,t课件,图419 不同类型钢材的焊接热影响区划分示意图,I过热区；II正火区；

11、III不完全重结晶区；IV淬火区；V不完全淬火区；VI回火区,46,t课件,（1）淬火区 温度： Ac3 -1490 组织：不均匀组织（M、 B、 P、 F） 距焊缝越近、冷却速度越大，越易形成 M 性能: 接头脆化,47,t课件,图418 不同钢材焊接热影响区中硬度和马氏体数量的分布,（CTS试样，热输入1340J/cm，过热区的冷却速度28/s）,48,t课件,49,t课件,50,t课件,图420 490MPa级高强钢的模拟焊接热影响区CCT曲线和t8/5对组织与硬度的影响,a) CCT曲线 b) t8/5对组织与硬度的影响,51,t课件,图421 16Mn钢气电立焊热影响区组织,a) 过

12、热区组织； b) 正火区组织； c) 不完全重结晶区组织,52,t课件,图422 16Mn钢焊条电弧焊的角焊缝热影响区组织,a) 过热区组织； b) 正火区组织； c) 不完全重结晶区组织； d) 母材组织,53,t课件,图423 12Cr2MoWVTiB钢氩弧焊时的热影响区组织,a) 过热区组织；b) 正火区组织；c) 不完全重结晶区组织；d) 母材组织,细小的马氏体+少量粒贝,粗大的马氏体,铁素体+马氏体+粒贝+少量铁素体碳化物型混合组织,铁素体碳化物型混合物,54,t课件,图424 抗拉强度为784MPa级高强度钢焊接热影响区各取的冲击韧度,55,t课件,图425 HQ70钢模拟焊接热影

13、响区 过热区的金相组织,a) t8/5 = 8s; b) t8/5 = 90s; c) t8/5 = 120s;,56,t课件,图426 HQ70钢模拟焊接热影响区过热区中M-A组元扫描电镜照片,a) t8/5=8s; b) t8/5=8s;,57,t课件,图427 784MPa级高强钢模拟焊接热影响区过热区中M-A组元与t8/5之间的关系,58,t课件,图428784MPa级高强钢模拟焊接热影响区过热区中M-A组元的透射电镜照片（t8/5=240s）,a) M-A组元的全貌b) M-A组元中的板条马氏体c) M-A组元中的孪晶马氏体,59,t课件,图429 M-A组元的数量与VTrs之间的关

14、系,（图中的数字为t8/5/s）,60,t课件,图430 贝氏体的组织形态,BU上贝；BL下贝,61,t课件,图431 片状下贝氏体的组织形态,62,t课件,图432 板条马氏体的组织形态,板条马氏体的光学金相照片板条马氏体的透射电镜照片,63,t课件,图433 片状马氏体的组织形态,片状马氏体的光学金相照片片状马氏体的透射电镜照片,64,t课件,图419 不同类型钢材的焊接热影响区划分示意图,I过热区；II正火区；III不完全重结晶区；IV淬火区；V不完全淬火区；VI回火区,65,t课件,（2）不完全淬火区,温度： Ac1 - Ac3 （750-900 ） 组织： M + F 混合组织 性能

15、: 接头脆化（3）回火区（母材处于淬火+回火状态） 温度： 回火温度- Ac1 组织： 碳化物析出、长大 性能: 硬度降低（软化）,66,t课件,图436 Q345钢水下半自动焊时的不完全淬火区组织,67,t课件,图437 焊前母材热处理状态对焊接热影响区中硬度或抗拉强度的影响,68,t课件,图439 Ni9%钢多道焊时实际热影 响区中的组织遗传现象,多道焊热影响区示意图a图中AB区放大后的晶粒特点,69,t课件,图438 Ni9%钢模拟焊接热影响区中的组织遗传现象,a) 峰值温度1350的模拟焊接热影响区组织b) 峰值温度1350的模拟焊接热影响区的晶粒特点c) 经1350 +900两次热循

16、环后的晶粒特点d) 照片c上的晶界局部放大,70,t课件,三、无同素异构转变的多相合金的焊接热影响区特点,1. 不能时效强化的多相合金的焊接热影响区特点 Al-Mg、 Al-Mn等（1）母材为退火状态（固溶体-Al, 第二相 Mg2Al3） 只存在固溶区,温度：T2-Tc, 组织：单相固溶体-Al 如果加热速度非常快，固溶区组织：固溶体+少量第二 相。（2）母材为固溶状态 固溶区 温度：T2-Tc, 组织：单相固溶体 第二相析出区 温度：T1-T2, 组织：固溶体+第二相,71,t课件,72,t课件,图440 无同素异构转变的多相合金的焊接热影响区特点,73,t课件,图441 5A03铝合金钨

17、极氩弧焊时热影响区的组织变化,a) 带有局部晶界熔化的固溶区；b) 退火状态下的母材，在(Al)固溶体上分布有Mg2Si及杂质,74,t课件,2. 时效强化的多相合金的焊接热影响区特点,Al Cu 合金时效过程： 退火态（+）固溶态（ ）GP区 （CuAl2） （CuAl2） 聚集长大（1）焊态下 热影响区组织：固溶区（）+ 过时效区（+ ） 热影响区性能：低于时效强化的母材，固溶区硬度最低（2）焊后时效处理 热影响区组织：固溶区（+ GP或 ）+ 过时效区（+ ） 热影响区性能：过时效区性能最低，可通过固溶处理+时效 恢复过时效区性能,75,t课件,76,t课件,图440 无同素异构转变的多

18、相合金的焊接热影响区特点,77,t课件,图442 Al-Cu合金的时效过程示意图,A退火状态；B固溶状态；C时效状态；D过时效状态,78,t课件,图443 2A12铝合金在不同温度下时效的强度变化曲线,79,t课件,图444 时效铝合金焊接热影响区硬度变化特点,I）固溶区；II）过时效区；III）时效母材,1焊态下的热影响区硬度变化特点；2焊后又经过时效的热影响区硬度变化特点,80,t课件,图445 2A12CZ铝合金手工钨极 氩弧焊热影响区的组织变化,a) 靠近溶合线的固溶区；b) 过时效区c) 母材（淬火+自然时效）,81,t课件,图446 Al-Zn-Mg合金焊接热影响区透射电镜照片,a

19、) 峰值温度530；b) 峰值温度400c) 峰值温度240; d) 母材,82,t课件,图447 用08MoV焊条12AlMoV钢溶合线附近热影响区内的粗大铁素体脱碳层,83,t课件,图448 用08MoV焊条改进后的12AlMoV钢时熔合线附近的组织,84,t课件,图449 在Q235A钢板上用Cr28Ni11带极进行埋弧堆焊时的热影响区脱碳层组织,85,t课件,图450 Q235A钢与Cr25Ni13奥氏体焊缝的异种钢接头经600， 300h后的组织特点及分布情况,86,t课件,图451 Q235A钢和Cr25Ni13焊缝的异种钢接头中脱碳层 宽度（B1）与加热温度和加热时间的关系,a)

20、 脱碳层宽度与加热温度之间的关系；b) 脱碳层宽度与加热时间之间的关系,87,t课件,图452 异种钢焊接时，奥氏体高合金钢焊缝中碳化物形成元素 与其含碳量之比（Me/C）对700、100h加热后熔合线附近 碳钢（Q235A、w（C）=0.17%）中脱碳层宽度的影响,88,t课件,图434 模拟不同焊接热输入条件下，Q420钢中含Ti量对奥氏体晶粒度的影响,Aw (Ti)=0%; Bw (Ti)=0.015%； Cw (Ti)=0.028%,89,t课件,图435 Q420钢中Ti对过热区晶粒大小的影响,a) w (Ti) = 0%的A钢； b) w (Ti) = 0.028%的C钢,90,t课件,