改善焊接热影响区的组织和性能
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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
钢种HT50～HT100 板厚25～50mm， E＝17KJ/cm，t8/5＝6.5s
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）
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)
一、焊接热影响区的组织分布 距焊缝中心不同距离的热影响 区经历了不同的热循环，因而出现 不同的组织。 对于不易淬火的低碳钢和低合 金钢焊缝，焊接热影响区按组织变 化可分为四个区（图4－29）。
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。
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。
2.30 焊接热影响区的组织和性能 PPT.pptx
成参差不齐的分界面
组织：组织性能不均，母材一侧晶
粒大
性能：性能不均，对接头的强度、 图2 焊接热影响区的分布特征
韧性影响大，是裂纹、脆
1—熔合区 2—过热区 3—相变量结晶 区 4—不完全重结晶区 5—母材 6—
性破坏发源地
淬火区7—部分淬火区 8—回火区
2、过热区（粗晶区）
温度：1100℃（晶粒开始急剧长大的温度）
4、不完全重结晶区（不完全正火 区）
温度：Ac1~Ac3之间（700~850 ℃）
特征：一部分组织发生了相变重结 晶过程，形成晶粒细小的铁
素体+珠光体，另一部分未 相变的铁素体长大成为粗大
铁素体。 组织：组织不均，原始的铁素体晶粒和细晶粒的混合区 性能：力 Nhomakorabea性能差。
图5 焊接热影响区的分布特征 1—熔合区 2—过热区 3—相变量结晶 区 4—不完全重结晶区 5—母材 6— 淬火区7—部分淬火区 8—回火区
一、焊接热影响区的组织和性能
1.概念：在焊接过程中，母材因受热影响（但未熔化）而 发生金相组织和力学性能变化的区域。
2.热影响区的组织分布 ： 1).正火区 2).过热区 3).再结晶区 4).不完全重结晶区
对于低碳钢,一些淬硬倾向不大的钢(16Mn.15MnTi等)除过 热区外其它各区组织基本相同. 低碳钢过热区主要是魏氏组织W
一、焊接热影响区的组织和性能
图1 焊接热影响区的温度分布与状态图的关系 a）热影响区的组织分布 b)铁碳状态图 c）热循环 （图中Tm—峰值温度 TG—晶粒长大温度）
（一）不易淬火钢的热影响区组织
根据热影响区组织特征分四个区：
1、熔合区（半熔化区）
温度：固液相线之间，范围很窄
5焊接热影响区的组织和性能
5焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区（Heat Affected Zone, HAZ）是指在焊接过程中，未被完全熔化但受到高温加热的区域。
在焊接过程中，高温会引起HAZ的组织和性能发生变化，这可能会对焊接接头的性能和可靠性产生重要影响。
本文将讨论HAZ的组织和性能的变化，并重点介绍几个重要的影响因素。
首先，HAZ的组织变化是由高温引起的。
在焊接过程中，焊接电弧和熔化池的高温作用下，HAZ的温度会迅速升高，达到几百摄氏度甚至更高的温度。
高温会导致HAZ中的晶粒长大、晶格变形和相结构改变。
通常情况下，HAZ中的晶粒比母材中的晶粒要大，且晶格常常发生变形。
晶粒尺寸的增加和晶格变形会导致材料硬度的提高，并可能降低材料的韧性。
其次，HAZ的性能变化是由组织变化引起的。
HAZ中的晶粒长大和晶格变形会导致材料的硬度提高，但与此同时，硬度的增加也会导致韧性的降低。
在一些情况下，HAZ还可能出现脆性相的形成，这会极大地降低焊接接头的可靠性。
此外，HAZ还可能出现裂纹和变形等缺陷，这也会对焊接接头的性能产生严重影响。
因此，在焊接接头设计和制造过程中，必须对HAZ的组织和性能进行充分考虑，以确保焊接接头的质量和可靠性。
HAZ的组织和性能变化受多种因素影响，以下列举几个重要因素：1.焊接热输入：焊接热输入是指在单位长度或单位面积上输送到工件中的热量。
热输入的大小与焊接电压、电流和焊接速度等参数有关。
过高或过低的热输入都会导致HAZ中的晶粒长大和晶格变形，从而影响HAZ的性能。
2.材料的化学成分和微观结构：不同材料的化学成分和微观结构会对HAZ的组织和性能产生重要影响。
一些合金元素的存在可以改变晶粒的生长速率和晶格的变形行为。
此外，材料的粗晶相和弥散相等局部微观结构也会对HAZ的性能产生重要影响。
3.冷却速率：冷却速率是指焊接过程中HAZ冷却的速度。
冷却速率的快慢会影响晶粒生长和晶格变形行为。
通常情况下，快速冷却会导致HAZ 中的晶粒更细小，且硬度更高。
熔焊原理-焊接热影响区的组织和性能
钢时形成，残余A增碳后在焊接冷却时易形成孪晶M，在界面 上产生显微裂纹沿M-A组元的边界扩展。→低、中温回火 析出脆化：析出产物(主要是碳、氮化物)引起 →位错理论 遗传脆化：常见于有脆硬倾向大的调质钢，在快速加热或 冷却的非平衡组织中产生。
4.2 焊接热影响区的组织和性能
• 热应变时效脆化HSE
（1）控制焊接工艺 （焊前预热、焊后热处理、焊接热输入）
（2）选用高韧性母材 （低碳微量多元素强化的钢种）
焊前预热：
• 降低焊后冷却速度，对于易淬火钢，减少HAZ淬硬程度， 防止产生焊接裂纹。 • 减少HAZ的温度差别，在较宽范围内得到较均匀的温度分 布而减少因温度差别引起的焊接应力。
焊后热处理：
4.2 焊接热影响区的组织和性能
• 粗晶脆化 产生原因：靠近熔合线附近和过热区，晶粒粗化 影响因素：母材的化学成分、组织状态、加热温度 和时间、 焊接线能量等。 防止措施：合金化、合理选择焊接线能量等。
4.2 焊接热影响区的组织和性能
• 组织脆化
产生原因：HAZ中出现脆硬组织如M-A组元、上贝氏 体、粗大的魏氏组织，以及“组织遗传”而造成。 M-A组元脆化：在中等的冷却速度条件下焊接低合金高强
完全淬火区－不完全淬火区
母材焊前为调质状态：
完全淬火区－不完全淬火区－回火区
易淬火钢焊接热影响区的分布特征
4.2 焊接热影响区的组织和性能
2 焊接热影响区的性能
硬化 Hardening 脆化 Embrittling 韧化 Toughing 软化 Softening
4.2 焊接热影响区的组织和性能
熔L焊O原G理O
4.2 焊接热影响区的组织和性能
4.2 焊接热影响区的组织和性能
4.2 焊接热影响区的组织和性能
• 热应变时效脆化HSE
（1）控制焊接工艺 （焊前预热、焊后热处理、焊接热输入）
（2）选用高韧性母材 （低碳微量多元素强化的钢种）
焊前预热：
• 降低焊后冷却速度，对于易淬火钢，减少HAZ淬硬程度， 防止产生焊接裂纹。 • 减少HAZ的温度差别，在较宽范围内得到较均匀的温度分 布而减少因温度差别引起的焊接应力。
焊后热处理：
4.2 焊接热影响区的组织和性能
• 粗晶脆化 产生原因：靠近熔合线附近和过热区，晶粒粗化 影响因素：母材的化学成分、组织状态、加热温度 和时间、 焊接线能量等。 防止措施：合金化、合理选择焊接线能量等。
4.2 焊接热影响区的组织和性能
• 组织脆化
产生原因：HAZ中出现脆硬组织如M-A组元、上贝氏 体、粗大的魏氏组织，以及“组织遗传”而造成。 M-A组元脆化：在中等的冷却速度条件下焊接低合金高强
完全淬火区－不完全淬火区
母材焊前为调质状态：
完全淬火区－不完全淬火区－回火区
易淬火钢焊接热影响区的分布特征
4.2 焊接热影响区的组织和性能
2 焊接热影响区的性能
硬化 Hardening 脆化 Embrittling 韧化 Toughing 软化 Softening
4.2 焊接热影响区的组织和性能
熔L焊O原G理O
4.2 焊接热影响区的组织和性能
4.2 焊接热影响区的组织和性能
焊接原理焊接热影响区组织和性能
8
3.注意问题
1).热影响区中熔合区,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.
9
二.焊接热影响区的性能
(一)HAZ的硬化 硬度
为了方便起见,常常用硬度的变化来判定 热影响区的性能变化,硬度高的区域,强度 也高,塑性.韧性下降,测定热影响区的硬 度分布可以间接来估计热影响区的强度, 塑性和裂纹倾向影响硬度的因素。
5பைடு நூலகம்
熔合区 焊缝金属 母材
16Mn钢焊接热 影响区
过热 区
不完全重结晶区
6
7
2.易淬火钢
此类钢热影响区的组织分布与母材焊前热 处理有关焊前热处理.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).对于调质处理的钢(母材焊前处于调质状 态)回火区以下,发生不同程度的回火处理 ─回火区.组织性能变化取决于焊前调质 状态的温度.
焊接热影响区组织和性能
1
2
3
焊接热影响区的组织和性能
一.焊接热影响区的组织分布
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.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
4
热影响区的组织分布
1).熔合区 2).过热区 3).相变重结晶区 4).不完全重结晶区 对于低碳钢,一些淬硬倾向不大的钢 (16Mn.15MnTi等)除过热区外其它各 区组织基本相同. 低碳钢过热区主要是魏氏组织W
10
(二)焊接热影响区的脆化 1)粗晶脆化
3.注意问题
1).热影响区中熔合区,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.
9
二.焊接热影响区的性能
(一)HAZ的硬化 硬度
为了方便起见,常常用硬度的变化来判定 热影响区的性能变化,硬度高的区域,强度 也高,塑性.韧性下降,测定热影响区的硬 度分布可以间接来估计热影响区的强度, 塑性和裂纹倾向影响硬度的因素。
5பைடு நூலகம்
熔合区 焊缝金属 母材
16Mn钢焊接热 影响区
过热 区
不完全重结晶区
6
7
2.易淬火钢
此类钢热影响区的组织分布与母材焊前热 处理有关焊前热处理.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).对于调质处理的钢(母材焊前处于调质状 态)回火区以下,发生不同程度的回火处理 ─回火区.组织性能变化取决于焊前调质 状态的温度.
焊接热影响区组织和性能
1
2
3
焊接热影响区的组织和性能
一.焊接热影响区的组织分布
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.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
4
热影响区的组织分布
1).熔合区 2).过热区 3).相变重结晶区 4).不完全重结晶区 对于低碳钢,一些淬硬倾向不大的钢 (16Mn.15MnTi等)除过热区外其它各 区组织基本相同. 低碳钢过热区主要是魏氏组织W
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(二)焊接热影响区的脆化 1)粗晶脆化
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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
域称为熔合区。过去人们一直认为熔合区是热影响区的组成部分，随着 研究的深入，人们发现熔合区的组织和性能与热影响区有诸多不同之处， 故将熔合区作为焊接接头的一个组成部分。GB/T 3375-1994对熔合区 的定义是“焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域”。
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任务4. 2 分析焊接热影响区的组织
四、焊接热影响区连续冷却转变图 和焊缝组织图(焊缝金属CCT图)类似，焊接热影响区连续冷却转变图(焊
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任务4.1 掌握熔合区的特征
这种物理不均匀性对接头的性能会产生重大的影响，使金属的抗裂能力 降低，聚集的空位可能会成为焊接接头中延时裂纹的裂源。
Hale Waihona Puke 3.残余应力大 熔合区残余应力大是由熔合区在焊接接头中所处的位置决定的。如前所
述，在焊接中，熔合区两侧分别是焊缝和热影响区，它们之间的分界就 是熔合区的边界。一方面，这三个区域的线膨胀系数不同，因而产生的 热应力不同，在熔合区的两个边界上将产生应力集中;另一方面熔合区本 身较窄，又存在着严重的物理不均匀性和化学不均匀性，更加重了应力 集中的程度，最终在熔合区内形成了较大的残余应力。在异种钢焊接时， 焊缝和母材成分差距较大，这个现象显得尤为突出，应引起高度重视。
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任务4. 2 分析焊接热影响区的组织
焊接时加热的速度很快，在到达相变温度时来不及完成孕育过程，这就 需要在更高的相变温度和较宽的温度范围来完成转变过程。
加热速度对相变温度的影响见表4-2。 当钢中含有较多的碳化物形成元素(Cr, W, Mo, V, Ti, Nb等)时，Ac1和
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任务4. 2 分析焊接热影响区的组织
三、冷却过程中焊接热影响区组织转变的特点 焊接热影响区加热时的组织转变特点对冷却时的转变有明显的影响。也
就是说，对于同一材料，在焊接和热处理条件下，冷却速度一致，得到 的室温组织并不一样。表4 -3列出了45钢和40 Cr钢在相同的冷却速度下， 焊接热影响区和热处理的组织分布。 由于熔合线附近的焊接热影响区是整个焊接接头的薄弱地带，所以以此 区的冷却过程的组织转变作为主要研究对象。这里将焊接条件下和热处 理条件下组织转变进行比较，来说明在这两种不同热过程条件下组织转 变的差异。如图4-5所示为焊接和热处理的热循环曲线，图中TM为金属 熔点，标号相同的曲线冷却速度相同，二者的主要差别是加热速度、峰 值温度和高温停留时间不同。
二、加热过程中焊接热影响区组织转变的特点 1.滞后现象严重 由金属学的原理可知:在平衡状态下，亚共析钢的室温组织为F+P，加热 温度超过A1时，发生珠光体向奥氏体转变，即(α+ Fe3C->γ），温度继
续升高，余下的铁素体和合金元素会不断向奥氏体中溶入，温度到A3后， 溶解过程结束形成单一的奥氏体组织，温度继续升高，奥氏体开始均质 化。这种珠光体向奥氏体转变属于扩散型相变，需要有一定的孕育期才 能完成上述过程。
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任务4. 2 分析焊接热影响区的组织
图4 -6、图4 -7分别是45钢、40 Cr钢在焊接和热处理条件下得到的连续 冷却转变曲线(简称CCT图)。 由金属学的原理可知:除Co外，所有固溶在钢中的合金元素只有充分溶
解在奥氏体的内部，才能增加奥氏体的稳定性，增加淬硬倾向，否则会 降低奥氏体的稳定性。对于45钢，焊接条件下峰值温度高，碳能充分溶 入在奥氏体中，同时近缝区附近的晶粒因过热而粗化，增加了奥氏体的 稳定性;对于40Cr钢，含有碳化物合金元素，在热处理条件下，可以有 充分的时间使碳化物合金元素向奥氏体的内部溶解，而在焊接条件下由 于加热速度快、高温停留时间短，所以这些合金元素不能充分地溶解在 奥氏体中，从而降低了奥氏体的稳定性。
学性能变化的区域称为焊接热影响区。在焊接热源作用下，形成焊缝的 同时，热量必然向周围母材传递，使焊缝周围的母材金属经历了一次特 殊的加热、冷却过程，组织会发生不同程度的改变，力学性能也随之变 化，从而形成了焊接热影响区。
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任务4. 2 分析焊接热影响区的组织
和一般条件下的普通热处理相比，焊接热影响区热循环有以下特点: (1)加热的温度高。一般热处理条件下，加热温度都不超过Ac3以上100
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任务4.1 掌握熔合区的特征
未混合区在实际熔合线焊缝一侧，该区的晶粒是完全熔化的，只是未能 与熔化的填充金属相互混合。这是因为在焊缝金属熔池边缘，金属处于 液态的停留时间最短，温度也较低，液体金属的流动性差，受到的各种 机械力引起的搅拌作用很弱，造成熔化的母材金属和填充金属基本不能 混合。未混合区的产生及范围与焊缝的化学成分密切相关。焊缝成分与 母材相差越大，未混合区越明显，如珠光体钢与奥氏体不锈钢焊接时， 选用的是奥氏体钢焊条，在珠光体钢一侧熔合线的焊缝附近存在一个明 显的未混合区;焊接低碳钢和某些低合金钢时，母材与焊缝的成分差别不 大，未混合区极小，可忽略不计;不加填充材料的气焊、TIC焊，就不存 在未混合区，熔合区只由半熔化区组成。
(5)自然条件下连续冷却。在热处理时，可以根据需要来控制冷却速度或 在冷却过程中不同阶段进行保温。在焊接时一般都是在自然条件下连续 冷却，个别情况下才根据需要进行焊后保温或焊后热处理。
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任务4. 2 分析焊接热影响区的组织
综上所述，在焊接条件下，热影响区的热循环有自身的特点，因此在热 影响区的组织转变必然与热处理时的规律不同。由此可见，不能完全根 据金属学热处理的理论去解决焊接接头的组织和性能问题.
是由于母材坡口表面复杂的熔化状态形成的。一方面是由于电弧力和熔 滴过渡的周期性造成传递到母材表面的热量是不均匀的，熔化也出现不 均匀现象;另一方面，母材表面晶粒的取向各不相同而造成熔化程度不同， 其中晶粒取向与导热方向一致的晶粒熔化快。如图4-2所示，阴影部分 代表已熔化的部分，其中1, 3, 5晶粒取向有利于导热而熔化较多，2, 4 晶粒不利于导热而熔化较少，从而形成了液固两相共存的半熔化区。
聚集或重新分布，就是所谓的物理不均匀性。在熔合区，加热温度高， 冷却速度快，空位密度高。这是因为在焊接加热过程中，原子的振动加 强，键结合力减弱，原子容易离开静态的平衡位置而使空位密度增大， 加热的温度越高，空位的密度越大。在冷却过程中，空位密度应该降低， 但由于熔合区冷却速度很快，空位来不及迁移而处于过饱和状态。
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任务4.1 掌握熔合区的特征
在异种材料焊接或同种材料焊接但采用不同填充材料时，这种成分不均 匀现象可能会更加明显。因此，化学成分不均匀是熔合区最大的特征， 从而引起熔合区组织和性能的不均匀，甚至导致焊接缺欠的产生。
2.物理不均匀性 在不平衡的加热和冷却条件下，熔合区会发生空位及位错等结晶缺陷的
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任务4.1 掌握熔合区的特征
4.1.4分析与总结
熔合区是由半熔化区和未混合区组成的，半熔化区是焊缝边界液固两相 共存的区域，未混合区由焊缝边界焊缝以内完全熔化的母材组成。
熔合区存在严重的物理和化学不均匀性，在一般条件下，熔合区通常会 成为整个接头的薄弱环节，对接头质量起到决定性作用，很多焊接结构 失效的起源往往就在熔合区。
3.部分晶粒严重长大 这是晶粒长大的一个自发过程。奥氏体过程完成之后，晶粒开始长大，
但长大速度缓慢，当达到某一温度时，奥氏体晶粒迅速长大。对于一般 的低碳钢和低合金钢的热影响区来说，这一温度大约是1 100 ℃ 。由此 可见，熔合线附近的热影响区峰值温度很高(Tmax=1 300℃~1 350 ℃ )， 接近于焊缝金属的熔点，会造成晶粒过热而严重长大，必然使这一区域 的力学性能下降。
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任务4.1 掌握熔合区的特征
熔合区的范围非常窄，在正常电弧条件下，低碳钢和低合金钢的宽度为 0. 133~0. 50 mm，奥氏体不锈钢的宽度为0. 06~0. 12 mm。
二、熔合区的组成 熔合区是由半熔化区和未混合区组成，如图4-1所示。 半熔化区的特征是焊缝与母材未熔化晶粒相互渗透交错存在，半熔化区
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
域称为熔合区。过去人们一直认为熔合区是热影响区的组成部分，随着 研究的深入，人们发现熔合区的组织和性能与热影响区有诸多不同之处， 故将熔合区作为焊接接头的一个组成部分。GB/T 3375-1994对熔合区 的定义是“焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域”。
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任务4. 2 分析焊接热影响区的组织
四、焊接热影响区连续冷却转变图 和焊缝组织图(焊缝金属CCT图)类似，焊接热影响区连续冷却转变图(焊
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任务4.1 掌握熔合区的特征
这种物理不均匀性对接头的性能会产生重大的影响，使金属的抗裂能力 降低，聚集的空位可能会成为焊接接头中延时裂纹的裂源。
Hale Waihona Puke 3.残余应力大 熔合区残余应力大是由熔合区在焊接接头中所处的位置决定的。如前所
述，在焊接中，熔合区两侧分别是焊缝和热影响区，它们之间的分界就 是熔合区的边界。一方面，这三个区域的线膨胀系数不同，因而产生的 热应力不同，在熔合区的两个边界上将产生应力集中;另一方面熔合区本 身较窄，又存在着严重的物理不均匀性和化学不均匀性，更加重了应力 集中的程度，最终在熔合区内形成了较大的残余应力。在异种钢焊接时， 焊缝和母材成分差距较大，这个现象显得尤为突出，应引起高度重视。
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任务4. 2 分析焊接热影响区的组织
焊接时加热的速度很快，在到达相变温度时来不及完成孕育过程，这就 需要在更高的相变温度和较宽的温度范围来完成转变过程。
加热速度对相变温度的影响见表4-2。 当钢中含有较多的碳化物形成元素(Cr, W, Mo, V, Ti, Nb等)时，Ac1和
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任务4. 2 分析焊接热影响区的组织
三、冷却过程中焊接热影响区组织转变的特点 焊接热影响区加热时的组织转变特点对冷却时的转变有明显的影响。也
就是说，对于同一材料，在焊接和热处理条件下，冷却速度一致，得到 的室温组织并不一样。表4 -3列出了45钢和40 Cr钢在相同的冷却速度下， 焊接热影响区和热处理的组织分布。 由于熔合线附近的焊接热影响区是整个焊接接头的薄弱地带，所以以此 区的冷却过程的组织转变作为主要研究对象。这里将焊接条件下和热处 理条件下组织转变进行比较，来说明在这两种不同热过程条件下组织转 变的差异。如图4-5所示为焊接和热处理的热循环曲线，图中TM为金属 熔点，标号相同的曲线冷却速度相同，二者的主要差别是加热速度、峰 值温度和高温停留时间不同。
二、加热过程中焊接热影响区组织转变的特点 1.滞后现象严重 由金属学的原理可知:在平衡状态下，亚共析钢的室温组织为F+P，加热 温度超过A1时，发生珠光体向奥氏体转变，即(α+ Fe3C->γ），温度继
续升高，余下的铁素体和合金元素会不断向奥氏体中溶入，温度到A3后， 溶解过程结束形成单一的奥氏体组织，温度继续升高，奥氏体开始均质 化。这种珠光体向奥氏体转变属于扩散型相变，需要有一定的孕育期才 能完成上述过程。
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任务4. 2 分析焊接热影响区的组织
图4 -6、图4 -7分别是45钢、40 Cr钢在焊接和热处理条件下得到的连续 冷却转变曲线(简称CCT图)。 由金属学的原理可知:除Co外，所有固溶在钢中的合金元素只有充分溶
解在奥氏体的内部，才能增加奥氏体的稳定性，增加淬硬倾向，否则会 降低奥氏体的稳定性。对于45钢，焊接条件下峰值温度高，碳能充分溶 入在奥氏体中，同时近缝区附近的晶粒因过热而粗化，增加了奥氏体的 稳定性;对于40Cr钢，含有碳化物合金元素，在热处理条件下，可以有 充分的时间使碳化物合金元素向奥氏体的内部溶解，而在焊接条件下由 于加热速度快、高温停留时间短，所以这些合金元素不能充分地溶解在 奥氏体中，从而降低了奥氏体的稳定性。
学性能变化的区域称为焊接热影响区。在焊接热源作用下，形成焊缝的 同时，热量必然向周围母材传递，使焊缝周围的母材金属经历了一次特 殊的加热、冷却过程，组织会发生不同程度的改变，力学性能也随之变 化，从而形成了焊接热影响区。
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和一般条件下的普通热处理相比，焊接热影响区热循环有以下特点: (1)加热的温度高。一般热处理条件下，加热温度都不超过Ac3以上100
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任务4.1 掌握熔合区的特征
未混合区在实际熔合线焊缝一侧，该区的晶粒是完全熔化的，只是未能 与熔化的填充金属相互混合。这是因为在焊缝金属熔池边缘，金属处于 液态的停留时间最短，温度也较低，液体金属的流动性差，受到的各种 机械力引起的搅拌作用很弱，造成熔化的母材金属和填充金属基本不能 混合。未混合区的产生及范围与焊缝的化学成分密切相关。焊缝成分与 母材相差越大，未混合区越明显，如珠光体钢与奥氏体不锈钢焊接时， 选用的是奥氏体钢焊条，在珠光体钢一侧熔合线的焊缝附近存在一个明 显的未混合区;焊接低碳钢和某些低合金钢时，母材与焊缝的成分差别不 大，未混合区极小，可忽略不计;不加填充材料的气焊、TIC焊，就不存 在未混合区，熔合区只由半熔化区组成。
(5)自然条件下连续冷却。在热处理时，可以根据需要来控制冷却速度或 在冷却过程中不同阶段进行保温。在焊接时一般都是在自然条件下连续 冷却，个别情况下才根据需要进行焊后保温或焊后热处理。
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任务4. 2 分析焊接热影响区的组织
综上所述，在焊接条件下，热影响区的热循环有自身的特点，因此在热 影响区的组织转变必然与热处理时的规律不同。由此可见，不能完全根 据金属学热处理的理论去解决焊接接头的组织和性能问题.
是由于母材坡口表面复杂的熔化状态形成的。一方面是由于电弧力和熔 滴过渡的周期性造成传递到母材表面的热量是不均匀的，熔化也出现不 均匀现象;另一方面，母材表面晶粒的取向各不相同而造成熔化程度不同， 其中晶粒取向与导热方向一致的晶粒熔化快。如图4-2所示，阴影部分 代表已熔化的部分，其中1, 3, 5晶粒取向有利于导热而熔化较多，2, 4 晶粒不利于导热而熔化较少，从而形成了液固两相共存的半熔化区。
聚集或重新分布，就是所谓的物理不均匀性。在熔合区，加热温度高， 冷却速度快，空位密度高。这是因为在焊接加热过程中，原子的振动加 强，键结合力减弱，原子容易离开静态的平衡位置而使空位密度增大， 加热的温度越高，空位的密度越大。在冷却过程中，空位密度应该降低， 但由于熔合区冷却速度很快，空位来不及迁移而处于过饱和状态。
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任务4.1 掌握熔合区的特征
在异种材料焊接或同种材料焊接但采用不同填充材料时，这种成分不均 匀现象可能会更加明显。因此，化学成分不均匀是熔合区最大的特征， 从而引起熔合区组织和性能的不均匀，甚至导致焊接缺欠的产生。
2.物理不均匀性 在不平衡的加热和冷却条件下，熔合区会发生空位及位错等结晶缺陷的
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任务4.1 掌握熔合区的特征
4.1.4分析与总结
熔合区是由半熔化区和未混合区组成的，半熔化区是焊缝边界液固两相 共存的区域，未混合区由焊缝边界焊缝以内完全熔化的母材组成。
熔合区存在严重的物理和化学不均匀性，在一般条件下，熔合区通常会 成为整个接头的薄弱环节，对接头质量起到决定性作用，很多焊接结构 失效的起源往往就在熔合区。
3.部分晶粒严重长大 这是晶粒长大的一个自发过程。奥氏体过程完成之后，晶粒开始长大，
但长大速度缓慢，当达到某一温度时，奥氏体晶粒迅速长大。对于一般 的低碳钢和低合金钢的热影响区来说，这一温度大约是1 100 ℃ 。由此 可见，熔合线附近的热影响区峰值温度很高(Tmax=1 300℃~1 350 ℃ )， 接近于焊缝金属的熔点，会造成晶粒过热而严重长大，必然使这一区域 的力学性能下降。
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任务4.1 掌握熔合区的特征
熔合区的范围非常窄，在正常电弧条件下，低碳钢和低合金钢的宽度为 0. 133~0. 50 mm，奥氏体不锈钢的宽度为0. 06~0. 12 mm。
二、熔合区的组成 熔合区是由半熔化区和未混合区组成，如图4-1所示。 半熔化区的特征是焊缝与母材未熔化晶粒相互渗透交错存在，半熔化区