焊接热循环对焊接接头组织与性能的影响分析
金属成型5.焊接热影响区的组织和性能
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二、焊接热循环的参数及特征
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三、焊接热循环参数的计算
数值模拟——是指用一组控制方程来描述一个过程的基本参数 是指用一组控制方程来描述一个过程的基本参数 数值模拟 变化关系； 利用数值方法求解，以获得该过程定量的结果。 变化关系； 利用数值方法求解，以获得该过程定量的结果。 根据焊接传热理论建立了许多描述焊接传热过程的数学 模型(包括焊接热循环参数) 模型(包括焊接热循环参数)。 随着计算机的发展和普及，计算机的容量日益增大， 随着计算机的发展和普及，计算机的容量日益增大，计 算速度也越来越快， 算速度也越来越快，过去难以用分析方法求解的非线性问题现 在可以在计算机上用数值方法迎刃而解。 在可以在计算机上用数值方法迎刃而解。 主要介绍焊接热源高速运动时厚板和薄板的热循 环参数的计算（推导过程略）： 环参数的计算（推导过程略）： 峰值温度Ｔm的计算 相变温度以上的停留时间t 相变温度以上的停留时间tH 的计算 冷却速度ω 冷却速度ωC和冷却时间的计算
3、相变温度以上的停留时间tH 相变温度以上的停留时间t
t H越大，越有利于奥氏体均质化，但 越大，越有利于奥氏体均质化， 晶粒长大越严重。 晶粒长大越严重。 t H ＝t‘＋t’’ t‘＋ t‘－加热过程停留时间， t‘－加热过程停留时间， t’’ －冷却过程的停留时间
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二、焊接热循环的参数及特征
相邻焊层之间彼此具有热处理的作用： 相邻焊层之间彼此具有热处理的作用：
多层焊时，对后一焊道面言，前一焊道具有预热作用， 多层焊时，对后一焊道面言，前一焊道具有预热作用，层间温度相当与预热 预热作用 温度；对前一焊道来说，后一焊道起后热作用，产生一定热处理效果。 热处理效果 温度；对前一焊道来说，后一焊道起后热作用，产生一定热处理效果。
焊接热影响区讲解
T
E
r02
e 4at
2 t
T
E / 2( ct)1/ 2
e
y0 4at
上二式未考虑初始温度和表面散热的影响。
当 T 0 可求得最高温度 Tm： t
点热源 线热源
0.234E
Tm cr02
0.242E / Tm cy0
相变温度以上停留时间tH的计算
根据理论与实验求得的时间停留时间tH：
冷却速度（ωc）和冷却时间（t8/5、t8/3、t100）
冷却速度是决定焊接HAZ组织性能的主要参数。
焊接热循环是焊接接头经受热作用的里程，研究 它对于应力变形、接头组织和力学性能等是十分重要 的，是提高焊接质量的重要途径。
ห้องสมุดไป่ตู้ 焊接热循环参数的数值模拟
峰值温度Tm（最高温度）的计算
厚大焊件（点热源） 薄板（线热源）
厚大焊件（点热源） T E
2 t
薄板（线热源）
T
E / 2( ct)1/ 2
厚大焊件
c
2
(Tc
T0 )2 E
薄板
c
2 c
(Tc T0)3
(E / )2
如焊件厚度在8～25mm，确定冷却速度应上式进行修 正：
c
K
2 (Tc T0)2
E
K f ( )
E
c(Tc T0)
冷却时间的计算
1 500
T0
2
1 800
T0
2
cr
E
2c
1 500 T0
1 800 T0
理论经验公式
三维传热
t8 / 5
(0.67
5104T0)E
1 500
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
热处理对9Ni_钢焊接接头组织和性能的影响
收稿日期：2023-10-21基金项目：泉州市“揭榜挂帅”科技重大项目（2022GZ8）；福建省自然科学基金面上项目（2021J01530）作者简介：彭清和（1987-），男，湖南祁东人，讲师，硕士。
热处理对9Ni 钢焊接接头组织和性能的影响彭清和，颜文煅，张颜艳，林志灿（闽南理工学院光电与机电工程学院，福建石狮362700）摘要：针对运输船用9Ni 钢，明晰9Ni 钢焊接接头在低温下的塑韧性恶化机理。
经手工电弧焊加工后，研究热处理工艺对9Ni 钢焊接接头组织和性能的影响规律。
结果表明：经调质（QT ）热处理后，接头热影响区逆转奥氏体一般分散在晶界周围，马氏体板条界上也有析出的趋势，但和晶界分布相比其含量极少；相比QT 热处理，经过两相区（QLT ）工艺后接头热影响区的逆转奥氏体数量增加许多，弥散分布在各种晶界处且晶粒更加细小；熔合区的组织更加细小，更加弥散，板条马氏体更明显，方向性更好，主要是L 阶段有一定的细化晶粒作用；接头焊缝的冲击吸收能量增加更多，QLT 可以让焊缝低温韧性提升更多；两种热处理工艺下冲击断口都为典型的韧窝型断口。
关键词：热处理；焊接接头；组织；性能中图分类号：TG156；TG406文献标识码：A文章编号：1673-1603（2024）02-0091-06DOI ：10.13888/ki.jsie （ns ）.2024.02.014第20卷第2期2024年4月Vol.20No.2Apr.2024沈阳工程学院学报（自然科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering （Natural Science ）9Ni 钢的综合性能优良，在各种温度下塑韧性均较好，不仅可用于制造液化天然气（liquefied nat ‐ural gas ，简称LNG ）储罐，还可以用于制造运输船和大型压力设备［1-2］。
然而，9Ni 钢在一些超低温环境下，其塑韧性有待提高，热处理工艺对焊接接头的塑韧性有重要影响［3］，明晰不同热处理工艺对焊接接头塑韧性演化的影响机制，对提升9Ni 钢在超低温环境下的服役性能意义重大。
焊接接头的组织和性能
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以上就是低合金高强钢焊缝金属可能存在 的几种组织。概括而言，我们希望得到较 多的针状细晶铁素体，不希望得到侧板条 铁素体，先共析铁素体，如果合金成分能 显著增加奥氏体稳定性，降低其分解温度， 这一愿望即可实现。试验表明Mn含量0.8～ 1.0%、Si0.1～0.25%，而Mn/ Si=3～6时，即 可得到细晶铁素体和针状铁素体。我们还 希望得到的贝氏体为下贝氏体，而不希望 产生上贝氏体或粒状贝氏体，以及孪晶高 碳马氏体，其办法是控制
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冷却速度；使在600～450℃区间(贝氏体转变的 高温段)停留时间尽量短，以尽量减少形成粒 状贝氏体和上贝氏体的机会(可控制t8-5来实 现)、降低含C量，使一且发生马氏体转变时
能形成板条状位错型马氏体，它的存在有利 而无害。有资料表明，焊缝含有微量Ti、B有
利形成针状铁素体，而抑制先共析铁素体的 形成，Ti与B同时加入最佳，因为Ti优先和氧 反应对B不被氧化起到保护作用。B凝聚在A
学性能。
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2、焊缝金属的显微组织与性能
低碳钢是亚共析钢，在焊接熔池冷却凝固 的一次结晶完成后，在一定温度下将发生 二次结晶即固态相变，这时的组织应该是 铁素体加少量珠光体。其组织质量分数的 不同和性能的不同取决于冷却速度，即冷 却速度越大，铁素体含量越少，
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珠光体越高，硬度强度也随之增高，且组织 细小。反之则组织变粗，铁素体越多珠光体 越少、硬度强度降低。需要注意的是铁素体 的形态，在不同冷却速度下也是不同的。且 对性能有影响。
低温压力容器、锅炉专业用低合金高强度钢 标准。
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1、低合金高强度钢的焊缝合金化
我们以焊条电弧焊为例来讨论。其实从焊条标
焊接接头的热影响区显微组织评估
焊接接头的热影响区显微组织评估焊接是一种常见的金属连接方法，它通过热源加热工件并施加压力，使得工件发生熔化并形成连接。
然而，在焊接过程中，热源会导致焊接接头的热影响区发生显微组织变化，这对焊接接头的性能和可靠性产生了重要影响。
因此，我们需要对焊接接头的热影响区进行显微组织评估，以便了解其微观结构的变化和可能的影响。
一. 热影响区的特点和形成机制热影响区（Heat Affected Zone，简称HAZ）是指焊接过程中未熔化但受到热输入影响的区域。
在焊接过程中，焊接接头的周围会受到高温导致的热循环和快速冷却的影响，从而导致HAZ中的晶粒尺寸和组织结构发生变化。
HAZ的特点主要包括晶粒长大、晶界角变大、硬度升高和变脆。
这些变化是由于材料在焊接过程中经历了不同的温度区域，从高温区到亚临界温度区再到室温，导致晶粒重新析出并长大，晶界能量降低。
二. HAZ显微组织评估的方法和工具为了评估焊接接头的HAZ显微组织，我们可以使用显微组织观察和显微硬度测试。
显微组织观察可以通过光学显微镜、扫描电子显微镜等工具来实现，可以观察晶粒的尺寸、析出相的形态等。
而显微硬度测试可以通过硬度计来实施，以测量HAZ区域的硬度变化。
三. HAZ显微组织的评估和分析HAZ显微组织的评估和分析主要包括晶粒尺寸、析出相和晶界角等方面。
通过显微组织观察，我们可以观察到HAZ中晶粒尺寸的变化情况。
通常情况下，晶粒尺寸会明显增大，这是由于焊接过程中的热循环和快速冷却造成的。
此外，焊接过程中还可能会发生析出相的形成，这取决于材料的化学成分和焊接参数等因素。
通过显微组织观察，我们可以判断HAZ中是否存在析出相，以及析出相的形态和分布状况。
晶界角是HAZ显微组织评估中的另一个重要指标。
焊接过程中，由于晶粒生长和晶界能量的降低，晶界角会增大。
晶界角的增大会降低材料的韧性，使其变脆，从而对焊接接头的可靠性产生不良影响。
四. HAZ显微组织评估的意义和应用HAZ显微组织评估的意义在于帮助我们了解焊接接头的微观结构变化和可能的影响。
焊接过程中的热影响区分析
焊接过程中的热影响区分析引言焊接是一种常见的金属加工方式，通过加热金属材料使其熔化，然后再把两个或多个熔化的金属材料连接在一起，形成一个整体。
然而，在焊接过程中，由于高温作用，会产生热影响区（Heat Affected Zone，简称HAZ）。
热影响区是指在焊接过程中，金属材料周围发生一系列物理和化学变化的区域。
本文将对焊接过程中的热影响区进行深入分析。
热影响区的形成原因热影响区的形成主要源于焊接过程中的热循环效应。
焊接时，电弧产生的高温使接头局部区域迅速升温，达到金属熔点以上，形成熔池。
然后，在焊接过程中，熔池冷却速度较快，周围金属迅速传导热量，使熔池边缘的金属区域温度升高，但未达到熔点。
这种温度超过了金属的相变温度、晶粒长大温度、回火温度等临界温度，导致了热影响区的形成。
热影响区的特点热影响区具有以下几个特点：1.显微结构变化：热影响区的显微组织通常发生变化，包括晶粒的尺寸增大、晶格参数和晶格结构的变化、相的重新分布等。
2.显微硬度变化：由于显微组织的变化，热影响区的硬度往往会发生变化。
通常情况下，热影响区的硬度会增加，但也有些材料在热影响区内出现软化的情况。
3.可延性变化：热影响区内的细微变化也会影响材料的力学性能，例如强度、韧性和可延性等。
通常情况下，热影响区的可延性会降低，这可能导致材料在焊接部位易出现开裂或断裂等问题。
4.残余应力产生：热影响区的温度变化还会导致残余应力的产生。
尤其是在焊接大尺寸工件或焊接时产生较大热输入的情况下，残余应力可能对材料造成重大影响，引发变形、裂纹和失效等问题。
热影响区的测试和评估方法为了更好地了解和评估热影响区的性质，需要进行一系列的测试和评估。
以下是常见的热影响区测试和评估方法：1.显微组织观察：使用金相显微镜对焊接接头进行金相组织观察，以研究热影响区的相变和晶粒结构变化。
2.显微硬度测试：通过硬度测试仪测量热影响区的硬度，以了解材料的硬度变化情况。
3.斯卡伯测试：通过斯卡伯试验，可以评估热影响区的开裂敏感性，并确定焊接接头的应力腐蚀性能。
焊接接头组织和性能的控制
第七章 焊接接头组织和性能的控制1.焊接热循环对被焊金属近缝区的组织、性能有什么影响？怎样利用热循环和其他工艺措施改善HAZ 的组织性能？答：（1）在热循环作用下，近缝区的组织分布是不均匀的，融合去和过热去出现了严重的晶粒粗化，是整个接头的薄弱地带，而行能也是不均匀的，主要是淬硬、韧化和脆化，及综合力学性能，抗腐蚀性能，抗疲劳性能等。
（2）焊接热循环对组织的影响主要考虑四个因素：加热速度、加热的最高温度，在相等温度以上的停留时间，冷却速度和冷却时间，研究它是研究焊接质量的主要途径，而在工艺措施上，常可采用长段的多层焊合短道多层焊，尤其是短道多层焊对热影响区的组织有以定的改善作用，适于焊接晶粒易长而易淬硬的钢种。
2. 冷却时间100t t 8385、、t 的各自应用对象，为什么不常用某温度下（如540℃）的冷却速度？答：对于一般碳钢和低合金钢常采用相变温度范围800~500℃冷却时间（85t ）对冷裂纹倾向较大的钢种，常采用800~300℃的冷却时间83t ，各冷却时间的选定要根据不同金属材料做存在的问题来决定为了方便研究常用某一温度范围内的冷却时间来讨论热影响组织性能的变化，而某个温度下 比如540℃则为一个时刻即冷却至540℃时瞬时冷却速度 和组织性能。
故不常用某以温度下的冷却速度，对于一般低合金钢来讲，主要研究热影响区溶合线附近冷却过程中540℃时瞬时冷却速度3. 低合金钢焊接时，HAZ 粗晶区奥氏体的均质化程度对冷却时变相有何影响？ 答：奥氏体的均质化过程为扩散过程，因此焊接时焊接速度快和相变以上停留时间短都不利于扩散过程的进行，从而均质化过程差而 影响到冷却时间的组织相变，低合金钢在焊接条件下的CCT 曲线比热处理条件下的曲线向做移动，也就是在同样冷却速度下焊接时比热处理的淬硬倾向小，例如冷却速度为36s C / 时可得到100%的马氏体，在焊接时由于家人速度快，高温停留时间短使合金元素不能充分溶解在奥氏体内，奥氏体均质化过成差，使相变组织差。
第三章 焊接接头的组织和性能
1.1 焊接热影响区的组织转变特点
由于热影响区受热的瞬时性，即升温速度快、高温停留时 间短及冷却速度很快，使得扩散有关的过程都难以进行，进而 影响到组织庄边的过程及其进行的程度，由此出现了与等温过 程和热处理过程的组织转变明显不同的特点。
• 1.焊接加热过程的组织转变特点
(1) 组织转变向高温推移 由于焊接加热速度快，导致钢铁材料的相变温度Ac1和Ac3升高。 这就是说，焊接过程中的组织转变不同于平衡状态的组织转变，转 变过程已向高温推移。 焊接加热过程中组织转变向高温推移是由奥氏体化过程的性质 决定的。由铁素体或珠光体向奥氏体转变的过程是扩散重结晶过程， 需要有孕育期。在快速加热的条件下，来不及完成扩散过程所需的 孕育期，势必造成相变温度的提高。当钢中含有了碳化物形成元素 时，由于它们的扩散速度慢，而且本身还阻止碳的扩散，因而明显 减慢了奥氏体化的过程，促使转变温度升的更高。
硬度 HV
（1）最高硬度
图 3-33 所出了易淬 火和不易淬火两类钢 种焊接热影响区的硬 度分布情况。从右图 可以看出，无论是易 淬火钢和不易淬火钢， 其焊接热影响区的硬 度分布都是不均匀的， 而且在熔合线附近的 过热区中出现了比母 材还高的最高硬度 Hmax ，这正是过热区 发生淬硬及晶粒严重 粗化造成的结果。
一般而言，对组织其主要作用的冷
却时间是从某一特定温度冷却到另一种 特定温度所经历的时间。对于低合金钢 来说，这个特定的冷却时间往往选定相 变温度范围内的冷却时间，即从800 ℃ 冷却到500 ℃所经历的时间t8/5。采用解 析和作图方法可确定t8/5 与焊接参数的 关系。
图3-27给出了焊条电弧焊是t8/5 与工 艺参数关系的线算图， 可以确定给定的 焊接工艺参数下的t8/5 ，也可以按照t8/5 的要求来确定所需的焊接工艺参数。 例
熔焊原理：焊接接头的组织与性能
熔焊原理：焊接接头的组织与性能
层状偏析的存在，说明焊缝的凝固速度在作周期性变化，但造成这种变化的 原因，目前尚未完全认识清楚。层状偏析对焊缝质量的影响目前研究的也不够充 分。现已发现，层状偏析不仅可能使焊缝金属的力学性能不均匀，有时还会沿层 状线产生裂纹或气孔等缺陷。
三、焊缝金属的固态相变 熔池凝固后得到的组织通常叫做一次组织，对大多数钢来说是高温奥氏体。 在凝固后的继续冷却过程中，高温奥氏体还要发生固态相变，又称为二次结晶， 得到的组织称为二次组织。焊缝经过固态相变得到的二次组织即为室温组织。二 次组织是在一次组织的基础上转变而成，二者承前启后，对焊缝金属的性能都有 着决定性的作用。 1．低碳钢焊缝的固态相变 低碳钢焊缝的二次组织主要是铁素体十少量的珠光体，这是因为其含碳量很 低所致。一般情况下，铁素体首先沿原奥氏体柱状晶晶界析出，可以勾画出凝固 组织的轮廓。当焊缝在高温停留时间较长而冷速又较高时，铁索体也可从奥氏体 晶粒内部沿一定方向析出，以长短不一的针状或片状直接插入珠光体晶粒之中， 而形成所谓魏式组织。而在冷却速度特别大时，低碳钢焊缝中也可能出现马氏体 组织。
熔焊原理：焊接接头的组织与性能
1．焊缝金属的变质处理 液体金属中加人少量合金元素使结晶过程发生明显变化，从而使晶粒细化的方 法叫做变质处理。 2．振动结晶 振动结晶是通过不同途径使熔池产生一定频率的振动，打乱柱状晶的方向并 对熔池产生强烈的搅拌作用，从而使晶粒细化并促进气体排出。常用的振动方法 有机械振动、超声振动和电磁振动等。
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焊接热循环对焊接接头组织与性能的影响分
析
焊接是一种常见的金属连接方法，通过加热和冷却来使金属材料相互结合。
焊
接热循环是指焊接过程中金属材料所经历的加热和冷却的循环过程。
这个循环过程对焊接接头的组织和性能有着重要的影响。
首先，焊接热循环会对焊接接头的组织结构产生影响。
焊接过程中，焊接接头
会经历高温和低温的循环，这会导致金属材料的晶粒尺寸发生变化。
在高温下，晶粒会长大，而在低温下则会细化。
这种晶粒尺寸的变化会影响焊接接头的力学性能。
晶粒细化可以提高焊接接头的强度和韧性，而晶粒粗化则会降低其力学性能。
因此，焊接热循环对焊接接头的晶粒尺寸有着直接的影响。
其次，焊接热循环还会对焊接接头的残余应力产生影响。
焊接过程中，金属材
料会经历热胀冷缩的过程，从而产生残余应力。
这些残余应力可能会导致焊接接头产生变形、裂纹等缺陷。
焊接热循环的循环次数和温度变化幅度都会对残余应力产生影响。
循环次数越多、温度变化幅度越大，残余应力就越大。
因此，在焊接过程中需要合理控制焊接热循环，以减小残余应力对焊接接头的影响。
此外，焊接热循环还会对焊接接头的晶体结构产生影响。
焊接过程中，金属材
料的晶体结构可能会发生相变。
相变会改变金属材料的晶体结构和性质，从而影响焊接接头的性能。
例如，某些金属在焊接过程中可能发生固溶体析出现象，导致焊接接头的硬度发生变化。
此外，相变还可能导致焊接接头的晶体结构发生变化，从而影响其力学性能。
因此，在焊接过程中需要考虑焊接热循环对晶体结构的影响，以保证焊接接头的性能。
最后，焊接热循环还会对焊接接头的耐腐蚀性能产生影响。
焊接过程中，金属
材料会经历高温和低温的循环，这可能会导致焊接接头的耐腐蚀性能发生变化。
例如，某些金属在高温下容易发生氧化反应，从而降低其耐腐蚀性能。
此外，焊接热
循环还可能导致焊接接头的组织结构发生变化，从而影响其耐腐蚀性能。
因此，在焊接过程中需要注意焊接热循环对焊接接头的耐腐蚀性能的影响。
综上所述，焊接热循环对焊接接头的组织和性能有着重要的影响。
它会影响焊接接头的晶粒尺寸、残余应力、晶体结构和耐腐蚀性能。
因此，在焊接过程中需要合理控制焊接热循环，以保证焊接接头的质量和性能。
同时，还需要进一步研究焊接热循环对焊接接头的影响机制，以指导焊接工艺的优化和改进。
只有这样，才能更好地应用焊接技术，提高焊接接头的质量和性能。