材料成型熱過程

材料成型熱過程331第1頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月332上講回顧溫度場的影響因素焊接熱循環(huán)的意義焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)第2頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月333

1.3.4臨界板厚的意義引進(jìn)“臨界板厚”的概念是確定選用“厚板”還是“薄板”公式。由圖1-12的實驗結(jié)果可知，板厚h對t8/5的影響最為明顯。但在線能量及板寬一定的條件下，h增大到某一數(shù)值以后，t8/5就不再發(fā)生變化而保持恒定。t8/5與h無關(guān)，應(yīng)該屬于“半無限大”物體的情況。h對ωc的影響情況也完全類似。

圖1-12焊件尺寸的影響（長度一定）

第3頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月334因此，如設(shè)對冷卻速度或冷卻時間不發(fā)生影響的板厚為臨界板厚為臨界板厚hc，則可求得hc為：

(1-31)或(1-32)

第4頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月335實驗證明，由800℃冷卻到500℃的平均冷卻速度與600℃時的瞬時冷卻速度是相當(dāng)?shù)?。實際計算時，可對比實際板厚h與臨界板厚hc：若，可以認(rèn)為屬于三維導(dǎo)熱“厚板”情況，若，則可認(rèn)為屬于二維導(dǎo)熱“薄板”情況。

第5頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月336但計算實例證明，h≈(0.6~0.9)hc時，按二維導(dǎo)熱計算或按三維導(dǎo)熱計算，均與實際有所出入，即用“厚板”公式所得到的冷卻速度值嫌高；用“薄板”式所得的冷卻速度值又嫌低。為了處理這一矛盾，認(rèn)為可隨機(jī)區(qū)分取h/hc=0.75為判據(jù)。若h＞0.75hc，應(yīng)采用“厚板”公式；若h＜0.75hc，可采用“薄板”公式。這樣處理，在計算冷卻速度時，最大誤差不會超過15％。

注意：“厚”與“薄”在傳熱學(xué)中并非絕對的概念。第6頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月337由于hc為E、T0與cρ的函數(shù)，因此，E或T0的不同可以使二維導(dǎo)熱成為三維導(dǎo)熱或者相反，而cρ和λ的取值是也影響到傳熱計算的結(jié)果。實驗證明：計算時取λ=0.29J/(cm·s·℃)，cρ=6.7J/(cm3·℃)，計算結(jié)果比較更接近實測數(shù)值。

第7頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3381.3.5影響焊接熱循環(huán)的因素影響焊接熱循環(huán)的因素有：⑴材質(zhì)（λ、cρ）⑵接頭尺寸形狀（δ及坡口形式等）⑶焊接工藝條件（E、T0及其它施焊方式等）。第8頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月339一、焊接線能量的影響線能量提高時，加熱的峰值溫度、高溫停留時間和冷卻時間增大，冷卻速度隨之降低，如圖1-13所示。圖1-13焊縫邊界與線能量E的關(guān)系

第9頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3310焊接方法不同，線能量影響的程度也不一樣：當(dāng)線能量相同時，埋弧焊時冷卻速度最慢，手弧焊時冷卻速度最快，而氬弧焊和CO2+O2保護(hù)焊時，兩者的冷卻速度基本相同，且均比埋弧焊時的冷卻速度要快一些。原因：盡管焊接線能量相同，但不同的焊接方法所選定的焊接電流和焊接速度數(shù)值可能相差很大，結(jié)果是焊縫尺寸形狀及熔深將明顯不同，因而也就影響到焊件上的熱傳播過程。第10頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3311實際上，在用同樣焊接方法時，即使焊接線能量相同，但電源種類或極性不同時，冷卻速度也會有一定的差別。直流反接比交流時冷卻速度要小一些。圖1-14反映了板厚13mm的焊接試件熱影響區(qū)的峰值溫度分布與E和T0的關(guān)系?？梢姡绻鸗0相同，E增加將使圖中曲線變得平緩，從而使熱影響區(qū)加寬。

圖1-14峰值溫度分布與E和T0的關(guān)系

第11頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3312二、預(yù)熱溫度的影響從實測結(jié)果(圖1-15)可見，T0的影響效果完全類似E，提高T0會使HAZ寬度增大；但與線能量相反，提高T0可以顯著降低冷卻速度，而不會明顯影響在峰值溫度附近停留的時間。

圖1-15焊縫邊界附近焊接熱循環(huán)特性與E及T0的關(guān)系

第12頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3313三、接頭形式的影響接頭形式不同，導(dǎo)熱情況就有差異，因而對焊接熱循環(huán)特性也有影響，圖1-16為不同接頭形式對冷卻速度的影響。從圖中可以看出，在相同板厚的情況下，丁字接頭的冷卻速度要比V形坡口對接接頭的冷卻速度大1.5倍。

圖1-16接頭形式對t8/5的影響

第13頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3314四、焊道長度的影響

在同樣接頭形式和焊接條件下，焊道越短其冷卻速度越大，如圖1-17所示。從圖中可以看出，當(dāng)焊道長度短于40mm時，隨著焊道長度變短，其冷卻速度急劇增大；并且弧坑的冷卻速度最大，約為焊縫中部的2倍，甚至還要比引弧端大20％左右。

圖1-17焊道長度對ωc的影響

第14頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3315五、焊接冷卻條件的影響焊接時周圍環(huán)境及冷卻條件，如冬季野外施工，不僅影響到焊件的初始溫度，也會影響到焊接過程中的傳熱條件，例如圖1-18所示為試板焊接時，放在鋼板上和放在石棉板上進(jìn)行時，其冷卻速度明顯不同；而焊后冷卻到某一溫度時，再用石棉覆蓋在試板上，其冷卻曲線立即拐向，冷卻速度明顯降低。

圖1-18試板冷卻條件對冷卻過程的影響

1—鋼板墊板2—石棉墊板3—覆蓋石棉

第15頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月33161.3.6多層焊的熱循環(huán)多層焊熱循環(huán)實際上是單層焊熱循環(huán)的交替綜合作用。在多道焊中開始焊接后一道焊縫時，前一道焊縫所具有的最低溫度（或稱層間溫度），對于后一道焊縫而言，相當(dāng)于預(yù)熱溫度；后一道焊縫對于前一道焊縫，相當(dāng)于在焊接熱循環(huán)條件下的后熱處理。在實際生產(chǎn)中，根據(jù)情況不同，有長段多層焊和短段多層焊兩種情況。

第16頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3317一、長段多層焊接熱循環(huán)長段多層焊：就是每道焊縫的長度較長，一般在1m以上，這樣在焊完第一層再焊第二層時，第一層已基本上冷卻到較低的溫度，一般多在100～200℃以下，或Ms以下。長段多層焊熱循環(huán)曲線如圖1-19所示，從圖中可以看出，后一道焊縫對前一道焊縫有熱處理作用。注意：對于一些淬硬傾向較大的鋼種，在采用長段多層焊時，由于層間溫度較低，焊縫近縫區(qū)容易出現(xiàn)淬硬組織而產(chǎn)生裂紋。因此，必須采取相應(yīng)的工藝措施，如焊前預(yù)熱、層間度控制、緩冷等等，來加以預(yù)防。

第17頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3318圖1-19長段多層焊焊接熱循環(huán)a）焊接各點(diǎn)時，近縫區(qū)1，2，3，點(diǎn)的熱循環(huán)b）各層焊縫截面示意圖

第18頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3319二、短段多層焊接熱循環(huán)

短段多層焊：是指每層焊道長度較短，為40～400mm，在這種情況下，未等前一層焊縫冷卻到較低的溫度(如Ms點(diǎn))以前就開始焊接下一層，也就是它的層間溫度溫度可以保持在Ms點(diǎn)以上。

圖1-20短段多層焊接熱循環(huán)a）1點(diǎn)的熱循環(huán)b）4點(diǎn)的熱循環(huán)

第19頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3320短段多層焊的熱循環(huán)曲線如圖1-20a所示。從圖中可以看出，近縫區(qū)1點(diǎn)和4點(diǎn)所經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)是比較理想的。對于1點(diǎn)：一方面使該點(diǎn)在Ac3以上停留時間較短，避免了晶粒長大，另一方面減緩了Ac3以下的冷卻速度，從而可以防止淬硬組織的產(chǎn)生。對于4點(diǎn)：它是在預(yù)熱的基礎(chǔ)上開始焊接的，如果焊縫長度控制合適，那么在Ac3以上停留的時間仍可很短，使晶粒不易長大。為了防止最后一道焊縫產(chǎn)生淬硬組織，生產(chǎn)上常多焊一層退火焊道，以便延長奧氏體分解的時間，如圖1-20b所示由TB延長至TB

′。

第20頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3321由此可見，短段多層焊對焊縫和熱影響區(qū)組織都具有一定的改善作用，適于焊接晶粒易長大而又易于淬硬的鋼種。但是，短段多層焊的操作工藝十分繁瑣，生產(chǎn)率低，只有在特殊情況下才采用。第21頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月33221.4焊接熱影響區(qū)焊接接頭由焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)三部分組成。熱影響區(qū)：是指在焊接熱源的作用下，焊縫兩側(cè)處于固態(tài)的母材金相組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域，簡稱HAZ（HeatAffectedZone）。由于焊接時母材熱影響區(qū)上各點(diǎn)距焊縫的遠(yuǎn)近不同，各點(diǎn)所經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)不同，因此，整個焊接熱影響區(qū)的組織和性能分布是不均勻的。

第22頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月33231.4.1焊接熱影響區(qū)的組織分布1、不易淬火鋼的組織分布不易淬火鋼是指在焊后空冷條件下不易形成馬氏體鋼的鋼種，如低碳鋼、16Mn、15MnV、15MnTi等。對于這類鋼種，按照熱影響區(qū)中不同部位加熱的最高溫度及組織特征的不同，可分為以下三個區(qū)域，如圖1-21所示。圖1-21焊接熱影響區(qū)構(gòu)成示意圖1—過熱區(qū)；2—正火區(qū)；3—不完全重結(jié)晶區(qū)；4—淬火區(qū)；5—不完全淬火區(qū)；6—回火區(qū)

第23頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3324（1）過熱區(qū)加熱溫度在固相線以下到晶粒開始急劇長大的溫度(一般指1100℃)范圍內(nèi)的區(qū)域叫過熱區(qū)。由于該區(qū)加熱溫度高，奧氏體晶粒嚴(yán)重長大，冷卻后也會得到粗大的過熱組織，所以，又叫粗晶區(qū)。該區(qū)焊后晶粒度一般為1～2級，韌性很低，通常沖擊韌度要降低20％～30％。因此，在焊接剛度較大的結(jié)構(gòu)時，常在過熱區(qū)產(chǎn)生脆化或裂紋。過熱區(qū)與熔合區(qū)一樣，都是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

第24頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3325（2）相變重結(jié)晶區(qū)(正火區(qū))該區(qū)的加熱溫度是在Ac3以上到晶粒開始急劇長大的溫度范圍內(nèi)。由于該區(qū)的加熱溫度超過了Ac3，所以，鐵素體和珠光體己全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。又由于加熱溫度較低(一般低于1100℃)，奧氏體晶粒未顯著長大，因此在空氣中冷卻以后會得到均勻而細(xì)小的鐵素體和珠光體，相當(dāng)于熱處理時的正火組織，所以該區(qū)又叫正火區(qū)。此區(qū)的綜合力學(xué)性能一般比母材還好，是熱影響區(qū)中組織性能最好的區(qū)域。

第25頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3326（3）不完全重結(jié)晶區(qū)該區(qū)的加熱溫度處于Ac1~Ac3之間，因此在加熱過程中，原來的珠光體全部轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的奧氏體，而鐵素體僅部分溶入奧氏體，剩余部分繼續(xù)長大，成為粗大的鐵素體。冷卻時奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的鐵素體和珠光體，粗大的鐵素依然保留下來。此區(qū)的特點(diǎn)是組織不均勻，晶粒大小不一，因此力學(xué)性能也不均勻。以上三個區(qū)域是低碳鋼，低合金鋼焊接熱影響區(qū)的主要組織特征。第26頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3327但如果母材焊前經(jīng)過冷加工變形，則在加熱溫度處于Ac1～450℃的范圍內(nèi)就會發(fā)生再結(jié)晶過程，結(jié)果使加工硬化消失，強(qiáng)度下降，塑性、韌性提高。對于有時效敏感性的鋼種，加熱溫度在Ac1～300℃的范圍內(nèi)，會發(fā)生應(yīng)變時效過程，引起該區(qū)的脆化，表現(xiàn)出較強(qiáng)的缺口敏感性，但在金相組織上并無明顯變化。

第27頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月33282、易淬火鋼的組織特征易淬火鋼是指在焊后空冷條件下容易形成馬氏體鋼的鋼種，如低碳調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼(如18MnMoNb)、中碳鋼(如45鋼)和中碳調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼(如30CrMnSi)等。這類鋼焊接熱影響區(qū)的組織分布與母材焊前的熱處理狀態(tài)有關(guān)。

如果母材焊前是正火或退火狀態(tài)，則焊后熱影響區(qū)的組織分布可分為：

第28頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3329（1）完全淬火區(qū)該區(qū)的加熱溫度處于固相線到Ac3之間。由于這類鋼的淬硬傾向較大，故焊后將得到淬火組織(馬氏體)。在靠近焊縫附近(相當(dāng)于低碳鋼的過熱區(qū))，由于晶粒嚴(yán)重長大，故得到粗大的馬氏體，而相當(dāng)于正火區(qū)的部位得到細(xì)小的馬氏體。根據(jù)冷卻速度和線能量的不同，還可能出現(xiàn)貝氏體，從而形成了與馬氏體共存的混合組織。這個區(qū)在組織特征上都是屬同一類型(馬氏體)，只是粗細(xì)不同，因此