焊缝及其热影响区的组织和性能
热影响区的组织与性能
焊接热影响区的性能
软化
热影响区软化是指焊后其强度、硬度低 于焊前母材的现象。
软化主要出现在：焊前经过调质处理的 钢；具有沉淀强化的钢；弥散强化合金。
焊接热影响区的性能
调质钢焊接时热影响区软化
钢经过淬火处理后，在回火过程中随回 火温度提高，强度与硬度逐渐下降。
焊接条件下，如热影响区的加热温度超 过了焊前回火温度，相当于提高了回火 温度，强度必然比焊前低。
不同位置的最高加热温度不同 加热温度高
热处理：AC3以上100-200℃，如45号钢AC3：770 ℃； 焊接近缝区：接近熔点，钢的熔点1350 ℃左右。 加热速度快 比热处理快几十倍甚至上百倍。
高温停留时间短 手工电弧焊：4-20S；
埋弧焊：20-40S。
自然条件下连续冷却
焊接热循环条件下
焊接热循环条件下
加热时组织转变特点
影响冷却时的组织转变
焊接热循环条件下
冷却时的组织转变特点
组织转变向低温推移 马氏体转变临界冷速发生变化
焊接条件下
连续组织转变与CCT图
CCT图是连续冷却转变曲线的简称，可以比 较方便的预测焊接热影响区的组织和性能。
CCT图绘制时，将奥氏体化试件以各种冷却 速度连续冷却到室温、测定冷却过程中过冷 奥氏体转变的开始点(温度和时间)与终了点。 把测到的数据描绘在温度—时间坐标平面上， 最后将分别连结各个开始点与终了点．就得 到CCT图。
CCT图的应用
焊接热影响区的组织特征
焊接热影响区上距焊缝远近不同的部位 组织不同
不同的钢材，焊接热影响区的组织也不 同
焊接热影响区的组成
低碳钢
过热区 相变重结晶区 不完全重结晶 区 再结晶区
(完整版)焊接热影响区的组织和性能
图4-37 Hmax与CE的关系
钢种HT50～HT100 板厚25～50mm， E＝17KJ/cm，t8/5＝6.5s
图4-38 Hmax与t8/5及Pcm的关系 钢材：18MnMoNb 板厚16～36mm
t8/5（s)
(2) 析出脆化
图4-47 析出物的间距λ与位错运动及脆性的关系
（三）调质钢HAZ软化
1.调质钢HAZ软化
图4-48 调质钢HAZ的硬度分布 A－焊前淬火＋低温回火 B－焊前淬火＋高温回火 C－焊前退火
图4-49
图4-50
2.热处理强化合金焊接HAZ软化
Thanks
国产低合金钢公式
（二）焊接热影响区脆化
1. 粗晶脆化
晶粒长大影响因素：
化学成分、组织状态、加热温度、时间
碳化物形成元素：Ti、Nb、Mo、V、W
lg( D 4
D04 )
2 lg E
l
0.129
/E 1.587
10 3
92.64
焊接HAZ晶粒尺寸与焊接线能量的关系
图4-41 碳锰钢HAZ的脆化分布
24 16 15 20
5
A(C) 0.75 0.25tgh[20(C 0.12)]
（4-24)
适用于 C含量0.034～0.254％范围内的钢 A（C)－碳的适应系数
2. 碳当量及冷却时间t8/5与HAZ最高硬度Hmax的关系
Hmax＝1274Pcm＋45
Hmax＝559CE＋100
图4-36 Hmax与Pcm的关系
埋弧自动焊 电渣焊
氧乙炔气焊 真空电子束焊
各区的平均尺寸（mm）
第五章 焊接热影响区的组织和性能
第五章焊接热影响区的组织和性能焊接分为三大类：熔化焊、压力焊和钎焊。
其中熔化焊是最常见最广泛的焊接方法。
而本书讨论的焊接冶金主要是以熔化焊为基础进行讨论的。
所谓熔化焊是采用一种高温热源使两种同质或非同质的材料利用原子间或分子间的分散与聚合而形成一个整体的过程。
这个热源贯穿于焊接过程的始终:一部分热量用于加热焊件和母材，一部分用于热损失（飞溅、周围介质等）。
用于加热母材和焊材的热功率称为有效功率，其实这部分热量：一部分用于熔化金属形成焊缝，另一部分用于热传导而流失于母材形成HAZ （包含熔合线）。
HAZ：熔焊时在集中热源的作用下，焊缝两侧发生组织和性能变化的区域。
焊接接头：焊缝和和热影响区p161 图4-1焊接热影响区示意图前面讨论焊缝的合金化，焊缝金属的脱S、脱O、脱P、H及晶粒的细化等，均是如何控制焊缝的质量，主要是焊缝区的问题。
由于早些年代里，制造焊接结构所采用的钢种是低碳钢，焊缝是至关重要的环节。
HAZ一般不会出现什么问题，但随着科学技术和生产规模的发展，各种高温、耐压、耐蚀、低温容器、深水潜艇、宇航设备以及核电站锅炉、管道等不断建造，各种高强钢、高合金钢以及某些特种材料（Al合金、钛合金、镍基合金、复合材料和陶瓷等）也得到广泛的应用，这种情况下，焊接的质量不仅仅取决于焊缝，同时取决于HAZ，有时HAZ存在的问题比起焊缝更为复杂。
如：如今大型水电站，尤其高水头电站（包括抽水蓄能电站）的建造要求提供流量大、承压高的输水压力管道，如果采用普通钢材，必须增加管壁的厚度，无疑给压力钢管的制造、运输和安装带来极大的困难。
随之发展起来的适用于压力钢管的焊接结构用高强钢，如700MPa，800Mpa级钢具有很高的屈服强度和抗拉强度，同普通钢相比，可以大大减少压力钢管壁的厚度，克服了普通钢的局限性，（WEL—TEN80 WCF—62（80））它具有良好的低温冲击韧性也为钢管的可靠运行提供了保证，但它焊接时，易出现HAZ软化（投影）或产生裂纹。
四、焊接热影响区(2010)
1 熔合区（半熔化区）
焊缝与母材相邻的部位，是液－ 固相结合的部位。化学成分、组织、 性能非常不均匀，是产生裂纹、脆性 破坏的发源地。
t8/5：焊缝从800℃冷却到500℃所用的时间；
t8/3：焊缝从800℃冷却到300℃所用的时间；
t100：焊缝从Tm冷却到100℃所用的时间。
影响焊接热影响区的冷却速度的因素（1）
（1）被焊金属的热物理性质： 金属的导热系数越大，冷却速 度就越快。 （2）钢板的厚度： 钢板的尺寸越大、越厚，冷 却速度就越快（图5－66）。但板厚 超过25mm后，冷却速度趋于一 定值。
焊接热影响区的最新划分方法（图4－35）
表 4— 12 部位(名称) 完全混合区
焊缝及热影响区新的划分及建议 所包括的范围(定义) 现在通用的划分 填充金属与母材金属完全均匀混合形 成化学成分均一的焊缝金属 焊缝金属 焊缝金属的外侧部分，母材金属与填 充金属不完全混合的地方 明显的完全熔化边界 熔合区 焊缝边界的外侧母材部分，晶粒边界 有不同程度的熔化(0％~100％) 固相母材发生组织变化的区域 热影响区
（3）钢板的初始温度对HAZ冷却速度的影响
初始温度越高，冷却速度越慢（图5－67）。
预热对减缓600℃以下的冷 却速度特别显著，是控制淬硬 组织、避免产生冷裂纹的重要 手段。
（4）焊接规范对HAZ冷却速度的影响 HAZ的冷却速度受焊接电流、电弧 电压、焊接速度等的影响，冷却速度随 着焊接线能量的增加而降低（图5－68）。 焊接接头的形状对冷却速度也有影 响。角焊缝、 T 字接头的冷却速度比对 接焊缝的冷却速度要快得多。 调整焊接线能量、预热、缓冷等措 施都可以降低焊缝的冷却速度。
改善焊接热影响区的组织和性能
任务4.1 掌握熔合区的特征
4.1.3任务实施
熔合区的主要特征如下。 1.化学不均匀性 通过了解熔合区的形成可以知道，熔合区的范围非常小，加热和冷却都
比较溶质元素不能充分扩散，会呈现出严重的化学不均匀性。 一般来说，钢中的合金元素及杂质在固相中的溶解度都小于在液相中的
项目四 改善焊接热影响区的组织和性 能
1 任务4. 1 掌握熔合区的特征 2 任务4. 2 分析焊接热影响区的组织 3 任务4. 3 改善焊接热影响区的性能
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任务4.1 掌握熔合区的特征
4.1.1任务描述
熔合区是焊缝和母材的交界处，通过了解熔合区的形成过程，分析熔合 区的特征，明确熔合区是焊接接头中薄弱的环节之一。
℃ -200 ℃ 。而在焊接时，近缝区熔合线附近可接近金属的熔点，对于 低碳钢和低合金钢来讲，一般都在1 350℃左右。 (2)加热的速度快。一般热处理条件下，为了保证工件整体受热均匀，加 热速度比较缓慢。而焊接时，热源就集中在熔池周围，故加热的速度比 热处理时要快得多，往往超过几十倍甚至几百倍。表4-1给出了不同焊 接方法的加热速度。
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任务4. 2 分析焊接热影响区的组织
(3)局部加热。热处理时工件是在放在炉中整体均匀加热的。而焊接时是 局部集中加热，并且随热源的移动，被加热的范围也随之移动。正是这 种局部集中加热和热源移动，造成加热速度快，冷却速度也快;还造成了 热影响复杂的应力状态。
(4)高温停留时间短。在热处理条件下，可以根据工件要求和工艺需要对 保温时间任意控制。焊接时在Ac3以上保温的时间很短，一般焊条电弧 焊为4~20s，埋焊时为30~100 s。
4.1.2相关知识
一、熔合区的概念 焊缝与母材之间不是一条简单的熔合线，而是由一个区域构成，这个区
焊缝融合区热影响区
焊缝融合区热影响区
焊缝融合区和热影响区是焊接过程中两个重要的区域，它们对焊接接头的性能和质量有着至关重要的影响。
1.融合区：是指焊缝与母材交接的过渡区域，即熔化的金属凝固成铸态组织，而未熔
化的金属因加热温度过高而成为过热粗晶的区域。
在低碳钢焊接接头中，融合区强度、塑形和韧性下降，此处接头断面变化，易引起应力集中。
因此，融合区在很大程度上决定了焊接接头的性能。
2.热影响区：是指焊接过程中，母材因受热的影响（但未熔化）而发生金相组织和力
学性能变化的区域。
热影响区可分为过热区、正火区和部分相变区等。
其中，过热区由于晶粒粗大，塑性、韧性差，易产生裂纹和脆断；正火区受热后重结晶时由于冷却速度相对较快，晶粒可细化，性能较好；部分相变区的晶粒大小不均匀，性能因而也不均匀。
热影响区中熔合线区和过热区的性能总要比母材焊接前为差。
加上焊接热影响区还要承受较大的焊接残余应力，因此热影响区易产生焊接裂纹，有些情况下还易形成与介质有关的应力腐蚀裂纹。
为了改善热影响区的状态，可以采取焊前预热、焊后保温或焊后消除应力退火等措施。
这些措施有助于减少焊接残余应力，改善热影响区的组织和性能，从而提高焊接接头的整体质量。
总的来说，焊缝融合区和热影响区是焊接过程中需要特别关注的区域，它们的性能和质量直接影响到整个焊接接头的性能和质量。
因此，在焊接过程中需要采取适当的措施来控制这两个区域的组织和性能变化，以确保焊接接头的整体质量和使用性能。
焊缝及其热影响区的组织与性能
弧焊约为4～20s，埋弧焊时30～l00s) ； 在自然条件下连续冷却（个别情况下进行焊后保温缓
冷）；
840
45
60
110
AC3
770 820 835 860
950
65
90
180
40Cr
AC1
740 735 750 770
840
15
35
105
AC3
780 775 800 850
940
25
75
165
23Mn
AC1
735 750 770 785
830
35
50
95
AC3
830 810 850 890
940
粗晶脆化
组织转变脆化
析出脆化
热应变时效脆化
氢脆以及石墨脆化
第七章 焊缝及其热影响区的组织与性能
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粗晶脆化
在热循环的作用下，熔合线附近和过热区将发生
晶粒粗化。粗化程度受钢种的化学成分、组织状
态、加热温度和时间的影响。如：钢中含有碳、 氮化物形成元素，就会阻碍晶界迁移，防止晶粒 长大。例如18CrWV钢，晶粒显著长大温度可达 1140℃之高，而不含碳化物元素的23Mn和45号钢， 超过1000℃晶粒就显著长大。
Tm
T0
0.234E
cR2
0.242E TmT0 cy
由两式可以看出，当焊接线能量E（ 单位长度上的焊
接热输入量，E = IU/v ) 一定，焊件上某点离开热源轴心
焊接热影响区名词解释
焊接热影响区名词解释
焊接热影响区是指焊缝两侧处于固态的母材受到焊接热循环作用后，发生组织和性能变化的区域。
该区域受到高温和高压的作用，会使母材的晶粒粗化，组织和性能发生变化，从而导致整个焊接接头的薄弱地带。
焊接热影响区的宽度和深度会根据母材的材质、焊接工艺和冷却速度等因素而有所不同。
焊接热影响区的组织和性能变化会影响焊接接头的力学性能、塑性和韧性等性能。
如果焊接热影响区的性能不符合要求，可能会出现裂纹等质量问题。
因此，在焊接过程中，需要控制焊接热影响区的宽窄和深度，以保证焊接接头的质量和性能。
焊接热影响区的研究和探讨是焊接领域的重要课题之一。
随着焊接技术的不断发展，人们对焊接热影响区的研究也越来越深入，包括焊接热影响区的组织演变、性能变化、影响因素等方面的问题。
通过对焊接热影响区的研究和探讨，可以更好地掌握焊接技术，提高焊接接头的质量和性能，为工业发展做出贡献。
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材料成形原理-焊接
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平均成长速度与焊接速度有关;
柱状晶的最大成长速度不可能超过焊速;
焊接熔池的实际凝固过程并不是连续的。 柱状晶成长速度的变化并不是十分有规律， 有不规则的波动现象。
焊接物理冶金过程
凝固结晶、固态相变
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材料成形原理-焊接
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焊接接头示意图
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熔化焊的本质:在焊接条件下的小熔池熔炼和冷凝， 金属熔化和结晶的冶金过程。
焊接接头（welded joint）的组成： 母材（base metal） 热影响区（heat affect zone） 熔合线（bond line） 焊缝（weld） 熔化焊的冶金特点： 1）反应区的温度高于一般的冶炼温度 2）熔池小冷却速度快，液态金属高温停留时间短 3）冶金条件差
材料成形原理-焊接
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1-3焊接热影响区的组织与性能
1、焊接热循环(weld thermal cycle) 焊接热循环：焊接加热过程中，焊缝金属附近某
点的温度由低到高，再由高到低的过程。 时由间加th，热冷速却度速V度h，V最C或高冷温却度时θm间，t相c四变个以参上数高组温成停。留 2、焊接热影响区的组织转变特点
2）温差引起的表面张力的变化，强迫金属发生 对流；
3）温差引起的液态金属密度变化造成的对流； 熔池中的化学冶金反应以及生成的气泡和熔
渣的上浮；
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有利作用： 1）使母材和焊条金属的成分充分混合， 帮助形成成分和组织均匀的焊缝； 2）加速了金属和气体及熔渣的反应速度， 有利于有害气体和非金属夹杂物的逸出； 3）避免焊接缺陷的产生，提高焊接质量；
加压：冷焊 加压/加热：锻焊、电阻焊、摩擦焊、超声波焊、 爆炸焊
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从冶金角度
液相焊接：基材和填充材料熔化－液相互 溶－材料间原子结合。
固相焊接：压力使连接表面紧密接触－ 表面之间充分扩散－实现原子结合。
固－液相焊接：待接表面不接触，通过 两者之间的毛细间隙中的液相金属在固液界 面扩散，实现原子结合。 （钎焊）
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3）凝固速度
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晶粒成长的平均线速度是变化的: cosθ=0, θ=90°,Vc=0, 说明在熔合区上晶粒开始
成长的瞬间，成长的方向垂直于熔合区， 晶粒成 长的平均线速度等于零。
cosθ=1, θ=0°,Vc=Vw, 说明晶粒成长到接触X轴 时，晶粒成长的平均线速度等于焊接速度。
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在焊接加热及冷却条件下热影响 区的组织转变特点
(1)由于金属的相变需要一段孕育扩散时间，在快速 加热和冷却条件下，这一孕育过程来不及完成，因 而相变点将发生较大变化，出现较大的“过热度” 及“过冷度”(Ac1、Ac3升高，Ar1、Ar2降低)，另外， 转变组织的均质化程度也进行得很不充分； (2)由于近缝区温度很高，所以高温下晶粒长大 比较 严重； (3)由于冷却速度快，热影响区的淬火倾向将增大。
焊缝凝固速度快
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(3)凝固金属的组织形态
柱状晶+少量等轴晶
柱状晶内：平面晶、胞状晶、树枝状晶 等轴晶内：树枝晶
与熔池凝固过程密切相关。 浓度梯度、成分过冷
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结晶形态主要决定于合金中的溶质的浓度 C0、结晶速度R和液相中温度梯度G的综 合作用。其关系如图所示。
C
等轴晶
0
％
树枝晶
胞状树枝晶 胞状晶
平面晶
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G/R1/2
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焊缝凝固特点 焊缝组织
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2、焊缝金属的组织
（1）低碳钢焊缝金属的室温组织 a、先共析铁素体 b、针状铁素体 c、
珠光体 （2）低合金钢焊缝金属的显微组织
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2、焊接方法的分类
（1）熔化焊 (fusion welding) （2）固态焊 (solid state welding)/压力焊 （3）钎焊 (brazing, soldering)
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a、先共析铁素体 b、针状铁素体 c、 珠光体
d、马氏体 f、贝氏体
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3、焊缝金属性能的控制
（1）焊缝合金化与变质处理
（2）工艺措施（振动结晶、焊后热处理）
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焊缝组织的强 韧性 熔合区的特性 同种钢的熔合区
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第九章 焊缝及其热影响区的 组织和性能
History Review
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公元前，已出现焊接工艺，铸焊、扩散 钎焊（秦始皇陵铜车马等）。
19世纪，现代焊接技术得以发展（C弧、 金属弧、电阻热）。
20世纪，金属电弧用于金属结构生产， 发明厚药皮焊条。
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4）熔池界面的导热条件好 母材导热
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熔池中的流体动力学状态及其对焊缝质量的 影响
熔池中的金属是强烈运动着的：
1）热源产生的机械力的搅拌作用（如熔滴落下 的冲击力、电弧气流的吹力；电磁力、离子的轰 击力以及熔池金属蒸发所产生的反作用力等）；
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1-1 焊接及其冶金特点
1、焊接（welding)的实质
借助加热或加压，或者同时实施加热和加压以实 现材料之间的原子结合。
加热：电弧 电弧焊 等离子焊 化学热 氧－乙炔焊 电子束 电子束焊 光束（包括激光束）光束焊 激光焊
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预热温度T0的影响
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2、焊接热循环的主要特征参数
加热速度H 峰值温度Tp
高温（相变温度）停留时间tH 某一温度Tc瞬时冷却速度C（800-500） 某一温度区间的冷却时间tA
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焊接热影响区
在焊接热源作用下，焊缝两侧发生组织成份性能变化的 区域叫“热影响区”.又叫“近缝区”。
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焊接热影响(HeatAffected Zone,简 称HAZ)
材料因受焊接 热影响（但未熔化） 而发生金相组织和 力学性能变化的区 域。
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3、熔化焊焊接接头的形成 及其冶金过程
焊接接头
焊接热过程 + 焊接化学冶金
+ 焊接物理冶金
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焊接热过程
焊接加热的特点：热作用集中性(局部熔化)、热作
用的瞬时性(热源移动) 温度场、热循环
焊接化学冶金过程
熔焊时，液态金属、熔渣及气相之间进行一系列的化学 冶金反应。
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焊道
保护气体
导电嘴 溶滴 熔池
焊丝 电弧
母材
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1-2 焊缝金属的组织与性能
1、焊接熔池的凝固
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3、焊接热影响区的组织与性能变化 低碳钢和不易淬火钢
（1）熔合区 （2）过热区（1100℃以上） （3）相变重结晶区（正火区）（850~1100℃ ） （4）不完全重结晶区(部分相变区)（700~850 ℃) 易淬火钢 （1）完全淬火区 （2）不完全淬火区） HAZ的性能变化
熔合线部位的问题
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(2)熔池凝固的特点
1）联生结晶 （交互结晶、外延结 晶）
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2)焊缝凝固: 择优生长
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柱状晶指向焊缝中心
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HAZ的硬化 HAZ的软化
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热影响区的组织与性能
1.熔合区 2.过热区 3.正火区 4.不完全重结晶区 5.母材 6.淬火区 7.部分淬火区 8.软化区