熱影響區(qū)

對單次焊接熱循環(huán)，根據(jù)距離熔合線距離的不同可以將HAZ劃分為粗晶奧氏體區(qū)（CGHAZ）、細(xì)晶奧氏體區(qū)（GRHAZ）、中間臨界區(qū)（ICHAZ）和亞臨界區(qū)（SCHAZ）。如圖1所示，其中粗晶奧氏體區(qū)和中間臨界區(qū)應(yīng)值得關(guān)注。對于多道焊接，中間臨界粗晶區(qū)(ICGHAZ)和亞臨界粗晶區(qū)(SCCGHAZ)也應(yīng)該值得關(guān)注。

在實(shí)際焊接接頭中，焊接熱影響區(qū)HAZ只是一個較小范圍的局部區(qū)域，一般寬度只有幾個毫米。又由于HAZ的顯微組織存在梯度性，可分為組織特征極不相同的許多很小的區(qū)域，使得經(jīng)歷某一特定熱循環(huán)的每個區(qū)域更小，這樣造成準(zhǔn)確地測定每個小區(qū)域的性能幾乎是不可能的，只能是HAZ整體性能的反應(yīng)。研究焊接熱影響區(qū)組織與性能的主要方法有兩種:

（1）直接法:即直接對焊接接頭進(jìn)行金相腐蝕，按照標(biāo)準(zhǔn)對焊接接頭劃線，直接進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)和組織分析。

（2）熱模擬法:即用計算機(jī)模擬和控制焊接熱過程，對試樣進(jìn)行和實(shí)際焊接時相同的或相近的熱循環(huán)，從而在一個相當(dāng)大的區(qū)域(大約3~7mm)獲得與實(shí)際粗晶區(qū)相同的或近似的組織狀態(tài)，因而可以制備足夠尺寸的試樣，對其進(jìn)行性能和組織的測試。

亞共析鋼和過共析鋼加熱到A3和Acm以上獲得單相奧氏體。通常把加熱時的實(shí)際臨界溫度標(biāo)以字母“c”，如Ac1、Ac3、Accm；把冷卻時的實(shí)際臨界溫度標(biāo)以字母“r”，如Ar1、Ar3、Arcm等。其物理意義分別為：Ac1：加熱時珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度；Ar1：冷卻時奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的溫度；Ac3：加熱時先共析鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度；Ar3：冷卻時奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的開始溫度；Accm：加熱時二次滲碳體全部溶入奧氏體的終了溫度。

熱影響區(qū)完全淬火區(qū)

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，因此統(tǒng)稱為完全淬火區(qū)。

熱影響區(qū)不完全淬火區(qū)

母材被加熱到AC1～ AC3溫度之間的熱影響區(qū)，在快速加熱條件下，鐵素體很少溶入奧氏體，而珠光體、貝氏體、索氏體等轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在隨后快冷時，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。原鐵素體保持不變，并有不同程度的長大，最后形成馬氏體-鐵素體的組織，故稱不完全淬火區(qū)。如含碳量和合金元素含量不高或冷卻速度較小時，也可能出現(xiàn)索氏體和體素體。

如果母材在焊前是調(diào)質(zhì)狀態(tài)，那么焊接熱影響區(qū)的組織，除在上述的完全淬火和不完全淬火區(qū)之外，還可能發(fā)生不同程度的回火處理，稱為回火區(qū)（低于AC1 以下的區(qū)域）。

總括以上，金屬在焊接熱循環(huán)的作用下，熱影響區(qū)的組織分布是不均勻的。熔合區(qū)和過熱區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的晶粒粗化，是整個焊接接頭的薄弱地帶。對于含碳高、合金元素較多、淬硬傾向較大的鋼種，還出現(xiàn)淬火組織馬氏體，降低塑性和韌性，因而易于產(chǎn)生裂紋。

在焊接快速加熱和連續(xù)冷卻的條件下，相轉(zhuǎn)變屬于非平衡轉(zhuǎn)變，焊接熱影響區(qū)常見的組織有鐵素體、珠光體、魏氏組織、上貝氏體、下貝氏體、粒狀貝氏體、低碳馬氏體、高碳馬氏體及 M-A 組元等。

在一定條件下，熱影響區(qū)出現(xiàn)哪幾種組織主要與母材的化學(xué)成分和焊接工藝條件有關(guān)，母材的化學(xué)成分是決定熱影響區(qū)組織的主要因素。

管線鋼焊接HAZ是一個連續(xù)變化的梯度組織區(qū)域，這一組織分布特征必然影響到它的性能分布的變化。

圖2為一種X80管線鋼手工電弧焊焊接接頭的硬度分布曲線，顯而易見，近鄰焊縫的粗晶區(qū)具有較高的硬度值。低碳鋼焊接HAZ的強(qiáng)、塑性分布曲線也如圖2。與其它區(qū)域相比，粗晶區(qū)具有較高的強(qiáng)度水平，而塑性指標(biāo)

焊接熱影響區(qū)的組織分布是不均勻的，因而在性能上也不均勻。焊接熱影響區(qū)與焊縫不同，焊縫可以通過化學(xué)成分的調(diào)整再配合適當(dāng)?shù)暮附庸に噥肀ＷC性能的要求。而熱影響區(qū)性能不可能進(jìn)行成分上的調(diào)整，它是在焊接熱循環(huán)作用下才產(chǎn)生的不均勻性問題。對于一般焊接結(jié)構(gòu)來講，主要考慮熱影響區(qū)的硬化、脆化、韌化、軟化，以及綜合的力學(xué)性能、耐蝕性能和疲勞性能等，這要根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)的具體使用要求來決定。

焊接熱影響區(qū)硬化

焊接熱影響區(qū)的硬度主要取決于被焊鋼種的化學(xué)成分和冷卻條件，其實(shí)質(zhì)是反映不同金相組織的性能。由于硬度試驗(yàn)比較方便，因此，常用熱影響區(qū)的最高硬度H_MAX來判斷熱影響區(qū)的性能，它可以間接預(yù)測熱影響區(qū)的韌性、脆性和抗裂性等。工程中已把熱影響區(qū)的H_MAX作為評定焊接性的重要指標(biāo)。應(yīng)當(dāng)指出，即使同一組織也有不同的硬度，這與鋼的含碳量以及合金成分有關(guān)。例如高碳馬氏體的硬度可達(dá)600HV，而低碳馬氏體只有350～390HV。

焊接熱影響區(qū)脆化

焊接熱影響區(qū)的脆化常常是引起焊接接頭開裂和脆性破壞的主要原因。脆性和韌性是衡量材料在沖擊載荷作用下抵抗斷裂的能力，是材料強(qiáng)度和塑性的綜合體現(xiàn)。材料的脆性越高，意味著材料的韌性越低，抵抗沖擊載荷的能力越差。由于熱影響區(qū)上微觀組織分布是不均勻的，甚至在某些部位出現(xiàn)其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于母材的情況，亦即發(fā)生了嚴(yán)重的脆化，因而使焊接熱影響區(qū)成為整個接頭的一個薄弱部位。因此，研究焊接熱影響區(qū)的脆化問題，了解和認(rèn)識脆化現(xiàn)象主要涉及粗晶脆化、組織脆化以及熱應(yīng)變時效脆化等脆化機(jī)制，從而提高其韌性以改善整個接頭的力學(xué)性能。

焊接熱影響區(qū)韌化

焊接熱影響區(qū)特別是熔合區(qū)和粗晶區(qū)是整個焊接接頭的薄弱地帶，因此，應(yīng)采取措施提高焊接熱影響區(qū)的韌性。但焊接熱影響區(qū)的韌性不可能像焊縫那樣利用添加微量合金元素的方法加以調(diào)整和改善，它是材質(zhì)本身所固有的，故只能通過提高材質(zhì)本身的韌性和某些工藝措施在一定范圍內(nèi)加以改善。根據(jù)研究，焊接熱影響區(qū)的韌化可采用以下兩方面的措施。

（1）控制組織。對低合金鋼，應(yīng)控制含碳量，使合金元素的體系為低碳微量多種合金元素的強(qiáng)化體系。這樣，在焊接的冷卻條件下，使焊接熱影響區(qū)分布彌散強(qiáng)化質(zhì)點(diǎn)，在組織上能獲得低碳馬氏體、下貝氏體和針狀鐵素體等韌性較好的組織。另外，應(yīng)盡量控制晶界偏析。

（2）韌化處理。提高焊接熱影響區(qū)韌性的工藝途徑有很多，對于一些重要的結(jié)構(gòu)，常采用焊后熱處理來改善接頭的性能。但是對一些大型而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，即使采用局部熱處理也是困難的。

合理制定焊接工藝，正確選擇焊接線能量和預(yù)熱、后熱溫度是提高焊接熱影響區(qū)韌性的有效措施。

此外，還有許多能提高焊接熱影響區(qū)韌性的途徑，如近年來發(fā)展起來的細(xì)晶粒鋼（利用微量元素彌散強(qiáng)化、固熔強(qiáng)化、控制析出相的尺寸及形態(tài)等），采用控軋工藝，進(jìn)一步細(xì)化鐵素體的晶粒，也會提高材質(zhì)的韌性。

焊接熱影響區(qū)軟化

冷作強(qiáng)化或熱處理強(qiáng)化的金屬或合金，在焊接熱影響區(qū)一般均會產(chǎn)生不同程度的失強(qiáng)現(xiàn)象，最典型的是經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的高強(qiáng)鋼和具有沉淀強(qiáng)化及彌散強(qiáng)化的合金，焊后在熱影響區(qū)產(chǎn)生的軟化或失強(qiáng)。冷作強(qiáng)化金屬或合金的軟化，則是由再結(jié)晶引起的。熱影響區(qū)軟化或失強(qiáng)對焊接接頭力學(xué)性能的影響相對較小，但卻不易控制。

（1）調(diào)質(zhì)鋼焊接時焊接熱影響區(qū)的軟化。焊接調(diào)質(zhì)鋼時，焊接熱影響區(qū)的軟化程度與母材焊前的熱處理狀態(tài)有關(guān)。母材焊前調(diào)質(zhì)處理的回火溫度越低（即強(qiáng)化程度越大），則焊后的軟化程度越嚴(yán)重。應(yīng)指出，在焊接接頭中，軟化區(qū)只是很窄的一層，并處在強(qiáng)體之間（即硬夾軟），它的塑性變形受到相鄰強(qiáng)體的拘束，受力時將會產(chǎn)生應(yīng)變強(qiáng)化的效應(yīng)。

（2）熱處理強(qiáng)化合金焊接熱影響區(qū)的軟化。強(qiáng)化合金（如鎳合金、鋁合金和鈦合金等）在焊接熱影響區(qū)會出現(xiàn)強(qiáng)度下降的現(xiàn)象，即“過時效軟化”。2100433B