焊接热影响区

根据钢的热处理特性，把焊接用钢分为两类，一类是淬火倾向很小的钢种，如低碳钢和某些低合金钢，称为不易淬火钢；另一类是淬硬倾向较大的钢种，如中碳钢，低、中碳调质合金钢等，称为易淬火钢。由于淬火倾向不同，这两类钢的焊接热影响区组织也不同。

不易淬火钢的组织分布

特点：焊接空冷条件下不易形成马氏体。如低碳钢，16Mn，15MnV和15MnTi等。

按加热温度和组织特征可划分为过热区、正火区、部分正火区和再结晶区四个区域。如图1所示。

1、过热区

温度在固相线至1100℃之间，宽度约1～3mm。焊接时，该区域内奥氏体晶粒严重长大，冷却后得到晶粒粗大的过热组织，塑性和韧度明显下降。

2、相变重结晶区

温度在1100℃～Ac3之间，宽度约1.2～4.0mm。焊后空冷使该区内的金属相当于进行了正火处理，故其组织为均匀而细小的铁素体和珠光体，力学性能优于母材。

3、不完全重结晶区

加热温度在Ac3～Ac1之间。焊接时，只有部分组织转变为奥氏体；冷却后获得细小的铁素体和珠光体，其余部分仍为原始组织，因此晶粒大小不均匀，力学性能也较差。

4、再结晶区

如果母材焊前经过冷加工变形，温度在Ac1～450℃之间，还有再结晶区 。该区域金属的力学性能变化不大，只是塑性有所增加。如果焊前未经冷塑性变形，则热影响区中就没有再结晶区。

易淬火钢的组织分布

特点：空冷下容易淬火形成马氏体。如18MnMoNb、30CrMnSi等。

1、完全淬火区

焊接时热影响区处于AC3以上的区域，由于这类钢的淬硬倾向较大，故焊后得到淬火组织（马氏体）。在靠近焊缝附近（相当于低碳钢的过热区），由于晶粒严重长大，故得到粗大的马氏体，而相当于正火区的部位得到细小的马氏体。根据冷却速度和线能量的不同，还可能出现贝氏体，从而形成了与马氏体共存的混合组织。这个区在组织特征上都是属同一类型（马氏体），只是粗细不同，因此统称为完全淬火区。

2、不完全淬火区

母材被加热到AC1～ AC3温度之间的热影响区，在快速加热条件下，铁素体很少溶入奥氏体，而珠光体、贝氏体、索氏体等转变为奥氏体。在随后快冷时，奥氏体转变为马氏体。原铁素体保持不变，并有不同程度的长大，最后形成马氏体-铁素体的组织，故称不完全淬火区。如含碳量和合金元素含量不高或冷却速度较小时，也可能出现索氏体和珠光体。

如果母材在焊前是调质状态，那么焊接热影区的组织，除在上述的完全淬火和不完全淬火区之外，还可能发生不同程度的回火处理，称为回火区（低于AC1 以下的区域）。

在焊接快速加热和连续冷却的条件下，相转变属于非平衡转变，焊接热影响区常见的组织有铁素体、珠光体、魏氏组织、上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体、低碳马氏体、高碳马氏体及 M-A 组元等。

在一定条件下，热影响区出现哪几种组织主要与母材的化学成分和焊接工艺条件有关，母材的化学成分是决定热影响区组织的主要因素。

熔焊时在高温热源的作用下，靠近焊缝两侧的一定范围内发生组织和性能变化的区域称为“热影响区”（Heat Affect Zone），或称“近缝区”（Near Weld Zone）。焊接接头主要是由焊缝和热影区两大部分组成，其间存在一个过渡区，称为熔合区。因此要保证焊接接头的质量，就必须使焊缝和热影响区的组织与性能同时都达到要求。随着各种高强钢、不锈钢、耐热钢以及一些特种材料（如铝合金、钛合金、镍合金、复合材料和陶瓷等）在生产中不断使用，焊接热影响区存在的问题显得更加复杂，已成为焊接接头的薄弱地带。因此，许多国家研究工作者对焊接热影响区很大的重视。

焊接热影响区的组织分布是不均匀的，因而在性能上也不均匀。焊接热影响区与焊缝不同，焊缝可以通过化学成分的调整再配合适当的焊接工艺来保证性能的要求。而热影响区性能不可能进行成分上的调整，它是在焊接热循环作用下才产生的不均匀性问题。对于一般焊接结构来讲，主要考虑热影响区的硬化、脆化、韧化、软化，以及综合的力学性能、耐蚀性能和疲劳性能等，这要根据焊接结构的具体使用要求来决定。

焊接热影响区硬化

焊接热影响区的硬度主要取决于被焊钢种的化学成分和冷却条件，其实质是反映不同金相组织的性能。由于硬度试验比较方便，因此，常用热影响区的最高硬度H_MAX来判断热影响区的性能，它可以间接预测热影响区的韧性、脆性和抗裂性等。工程中已把热影响区的H_MAX作为评定焊接性的重要指标。应当指出，即使同一组织也有不同的硬度，这与钢的含碳量以及合金成分有关。例如高碳马氏体的硬度可达600HV，而低碳马氏体只有350～390HV。

焊接热影响区脆化

焊接热影响区的脆化常常是引起焊接接头开裂和脆性破坏的主要原因。脆性和韧性是衡量材料在冲击载荷作用下抵抗断裂的能力，是材料强度和塑性的综合体现。材料的脆性越高，意味着材料的韧性越低，抵抗冲击载荷的能力越差。由于热影响区上微观组织分布是不均匀的，甚至在某些部位出现其强度远低于母材的情况，亦即发生了严重的脆化，因而使焊接热影响区成为整个接头的一个薄弱部位。因此，研究焊接热影响区的脆化问题，了解和认识脆化现象主要涉及粗晶脆化、组织脆化以及热应变时效脆化等脆化机制，从而提高其韧性以改善整个接头的力学性能。

焊接热影响区韧化

焊接热影响区特别是熔合区和粗晶区是整个焊接接头的薄弱地带，因此，应采取措施提高焊接热影响区的韧性。但焊接热影响区的韧性不可能像焊缝那样利用添加微量合金元素的方法加以调整和改善，它是材质本身所固有的，故只能通过提高材质本身的韧性和某些工艺措施在一定范围内加以改善。根据研究，焊接热影响区的韧化可采用以下两方面的措施。

（1）控制组织。对低合金钢，应控制含碳量，使合金元素的体系为低碳微量多种合金元素的强化体系。这样，在焊接的冷却条件下，使焊接热影响区分布弥散强化质点，在组织上能获得低碳马氏体、下贝氏体和针状铁素体等韧性较好的组织。另外，应尽量控制晶界偏析。

（2）韧化处理。提高焊接热影响区韧性的工艺途径有很多，对于一些重要的结构，常采用焊后热处理来改善接头的性能。但是对一些大型而复杂的结构，即使采用局部热处理也是困难的。

合理制定焊接工艺，正确选择焊接线能量和预热、后热温度是提高焊接热影响区韧性的有效措施。

此外，还有许多能提高焊接热影响区韧性的途径，如近年来发展起来的细晶粒钢（利用微量元素弥散强化、固熔强化、控制析出相的尺寸及形态等），采用控轧工艺，进一步细化铁素体的晶粒，也会提高材质的韧性。

焊接热影响区软化

冷作强化或热处理强化的金属或合金，在焊接热影响区一般均会产生不同程度的失强现象，最典型的是经过调质处理的高强钢和具有沉淀强化及弥散强化的合金，焊后在热影响区产生的软化或失强。冷作强化金属或合金的软化，则是由再结晶引起的。热影响区软化或失强对焊接接头力学性能的影响相对较小，但却不易控制。

（1）调质钢焊接时焊接热影响区的软化。焊接调质钢时，焊接热影响区的软化程度与母材焊前的热处理状态有关。母材焊前调质处理的回火温度越低（即强化程度越大），则焊后的软化程度越严重。应指出，在焊接接头中，软化区只是很窄的一层，并处在强体之间（即硬夹软），它的塑性变形受到相邻强体的拘束，受力时将会产生应变强化的效应。

（2）热处理强化合金焊接热影响区的软化。强化合金（如镍合金、铝合金和钛合金等）在焊接热影响区会出现强度下降的现象，即“过时效软化”。2100433B

焊接热影响区（HAZ）最高硬度

是评价钢种焊接性的重要指标之一，比碳当量更为准确。采用焊接热影响区最高硬度作为一个因子来评价金属焊接性（包括冷裂纹敏感性），不仅反映钢钟化学成分的作用，还反映了焊接工艺参数影响下形成的不同组织形态的作用。

因为硬度与强度有一定的对应关系，即强度高，对应的硬度也高。因此焊接热影响区最高硬度也反映了焊接热影响区的强度，而焊接热影响区的强度超高，会导致其塑性降低，从而易形成裂纹或裂纹易于扩展。另外，不同的组织形态的硬度值也不一样，在钢中，高碳马氏体（孪晶马氏体）的硬度值最高，且高碳马氏体的塑性、韧性最差，所以焊接热影响区最高硬度也可以间接反映接头的性能。

焊接热影响区的最高硬度值的数值越高，其对就的强度就越高，韧性、塑性就越差。除此之外，在如汽轮机转子等焊接件中，由于不能对工件进行破坏，因而性能检测的方法有限。而硬度作为一种便捷可靠地检测手段，优势显著。因些，重要结构中，对焊接热影响区最高硬度有一定的限制，并作为评价指标之一。2100433B

由于碳当量比S45C-S50C低，B20钢的焊接裂纹敏感性小，焊接热影响区得硬度和周围基体差距比焊接S45C-S50C小。