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1、焊接冶金学基本原理第6章 焊接热影响区目录焊接热循环焊接热循环条件下的金属组织转变特点焊接热影响区的组织和性能6.16.26.3焊接热、力模拟技术6.4引言焊接过程中母材因受焊接热的影响(但未熔化),而发生金相组织和力学性能变化的区域称为热影响区(HeatAffectedZone,HAZ)。焊缝、热影响区和母材构成焊接接头。图6-1所示为焊接接头的宏观组织和热影响区示意图。由于距焊缝远近不同的各部位所经历的焊接热过程不同,其组织性能差异就较大。焊接热影响区是焊接接头的薄弱环节。6.1焊接热循环焊接热循环是在焊接热源的作用下,焊
2、件上某点的温度T随时间t变化的过程。这是一个升温,然后降温的过程。焊接热循环曲线如图6-2所示的T-t曲线,可用函数T=f(t)表示。焊接热循环与热处理的热过程相比,具有加热速度快、加热的峰值温度高、在某一温度的保温时间又非常短的重要特征。焊接热循环是表征焊接热源对母材金属的热作用和焊接热影响区组织性能的重要数据。6.1焊接热循环图6-2焊接热循环曲线示意图及参数6.1焊接热循环1.焊接热循环的主要参数1.加热速度(ωH)焊接时的加热速度比热处理条件下快得多,它直接影响奥氏体的均质化和碳化物的溶解过程。因此,也会影响冷却时的组
3、织转变和性能。加热速度的影响因素主要有焊接方法、焊接热输入,以及母材的板厚、几何尺寸、热物理性质等。低合金钢几种常用焊接方法的加热速度有关数据参见表6-1。表6-1中所列的加热速度是900℃时的加热速度,这是由于实际焊接过程中,随着电弧的移动及热量向焊件内的传导,每瞬时的加热速度并不完全相同,一般比较关注的是接近和高于相变点的加热速度。6.1焊接热循环1.焊接热循环的主要参数2.加热的最高温度(Tm)加热的最高温度又称峰值温度,是热循环的重要参数之一。加热的最高温度对于焊接热影响区金属的晶粒长大、相变组织以及碳氮化合物溶解等有
4、很大影响,同时也决定着焊件产生内应力的大小和接头中塑性变形区的范围。焊接时焊缝两侧热影响区加热的最高温度不同,冷却速度不同,就会有不同的组织和性能。例如在熔合区附近的过热段,由于温度高,晶粒发生严重的长大,从而使韧性下降。低碳钢和低合金钢熔合区的温度可达1300~1350℃。6.1焊接热循环1.焊接热循环的主要参数4.冷却速度(ωc)和冷却时间(t8/5、t8/3、t100)冷却速度是决定热影响区组织性能的主要参数。应当指出,焊接的冷却过程在不同阶段的冷却速度是不同的,某一温度下的瞬时冷却速度可用热循环曲线上该点切线的斜率表示
5、。对于低合金钢,在连续冷却条件下,由于在540℃左右组织转变最快,因此,常用熔合线附近540℃的瞬时冷却速度作为冷却过程的评价指标(见图6-2中的C点)。为了方便,也可采用一定温度范围内的平均冷却速度。6.1焊接热循环1.焊接热循环的主要参数3.高温停留时间(tH)高温停留时间对于扩散均质化及晶粒的长大、相的溶解或析出影响很大,对于某些活泼金属,高温停留时间还将影响焊接接头对周围气体介质的吸收或相互作用的程度。对于低合金高强钢,高温停留时间越长,越有利于奥氏体的均质化过程,但温度太高时(如1100℃以上),即使停留时间不长,也
6、会引起奥氏体晶粒的严重长大。6.1焊接热循环2.焊接热循环主要参数的测试与计算热像法的技术关键有二:一是如何将所获得的图像进行温度定标;二是将计算机输出的图像进行伪着色处理,使得每种颜色代表一个温度区间。采用该方法可以获得直观、清晰的温度场彩色图像,它不仅可以定性分析各种焊接条件下温度场的不同模式,而且还可以定量地获得各点温度值及其热循环。热像法测定焊接热循环是很有前途的测温方法。但由于所需测量设备比较昂贵,在处理温度场速度等方面还存在一些问题,目前大量使用的仍是热电偶测量法。6.1焊接热循环2.焊接热循环主要参数的测试与计算
7、1.最高温度Tm(峰值温度)的计算根据焊接传热理论,焊件上某点的温度T随时间t的变化可用式(6-1)和式(6-2)表示。厚大焊件(点热源):薄板(线热源):6.1焊接热循环2.焊接热循环主要参数的测试与计算当时,即可求得最高温度Tm:点热源:线热源:由式(6-3)和式(6-4)可以看出,焊接热输入E越大,加热的最高温度越高;计算点离热源运行轴线的距离越远,加热的最高温度越低;焊接厚板时,加热的最高温度与板厚无关,而焊接薄板时,加热的最高温度与板厚成反比。6.1焊接热循环2.焊接热循环主要参数的测试与计算以上是根据传热学理论,结
8、合焊接条件推导出的焊接热循环曲线最高温度Tm的数学式。由于焊接传热理论的一些假设条件与焊接的实际情况有较大的差异,故在准确性方面还有不足之处。如果考虑金属的熔点,根据焊接传热理论的推导,可建立如下经验公式:6.1焊接热循环2.焊接热循环主要参数的测试与计算最高温度计算公式可有
