焊接熱影響區(HAZ)與焊縫不同,焊縫可以通過化學成分的調整、再分配及適當的焊接工藝來保證性能的要求,而熱影響區性能不可能通過化學成分來調整,它是在熱循環作用下才產生的組織分布不均勻性問題。對于一般焊接結構來講,主要考慮熱影響區的硬化、脆化、韌化、軟化,以及綜合的力學性能、抗腐蝕性能和疲勞性能等,這要根據焊接結構的具體使用要求來決定。

01焊接熱影響區的硬化

焊接熱影響區的硬度主要決定于被焊鋼種的化學成分和冷卻條件,其實質是反應不同金相組織的性能。由于硬度試驗比較方便,因此,常用熱影響區(一般在熔合區)的最高硬度Hmax判斷熱影響區的性能,它可以間接預測熱影響區的韌性、脆性和抗裂性等。近年來,尾巴HAZ的Hmax作為評定焊接性的重要標志。應當指出,即使同一組織,也有不同的硬度。這與鋼的含碳量、合金成分及冷卻條件有關。

02焊接熱影響區的脆化

焊接熱影響區的脆化常常是引起焊接接頭開裂和脆性破壞的主要原因。目前其脆化的形式有粗晶脆化、析出脆化、組織轉變脆化、熱應變時效脆化、氫脆以及石墨脆化等。

① 粗晶脆化。在熱循環的作用下,焊接接頭的熔合線附近和過熱區將發生晶粒粗化。晶粒粗大嚴重影響組織的脆性。一般來講,晶粒越粗,則脆性轉變溫度越高。② 析出脆化。在時效或回火過程中,其過飽和固溶體中將析出碳化物、氮化物、金屬間化合物及其他亞穩定的中間相等。由于這些新相的析出,使金屬或合金的強度、硬度和脆性提高,這種現象稱為析出脆化。

③ 組織脆化。焊接HAZ中由于出現脆硬組織而產生的脆化稱為組織脆化。對于常用的低碳低合金高強鋼,焊接HAZ的組織脆化主要是M-A組元、上貝氏體、粗大的魏氏組織等造成的。但對含碳量較高的鋼(一般≥0.2%),則組織脆化主要是由高碳馬氏體引起的。

④ HAZ的熱應變時效脆化。在制造過程中要對焊接結構進行加工,如下料、剪切、冷變成型、氣割、焊接和其他熱加工等。由這些加工引起的局部應變、塑性變形對焊接HAZ脆化有很大的影響,由此而引起的脆化稱為熱應變時效脆化。應變時效脆化大體上可分為靜應變時效脆化和動應變時效脆化兩類。通常說的“藍脆性"就屬于動應變時效現象。

03焊接HAZ的韌化

焊接HAZ在組織和性能上是一個非均勻體,特別是熔合區和粗晶區易產生脆化,是整個焊接接頭的薄弱地帶。因此,應采取措施提高焊接HAZ的韌性。根據研究,HAZ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化體系。這樣,在焊接的冷卻條件下,使HAZ分布有彌散強化質點,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,應盡量控制晶界偏析。

② 韌化處理。對于一些重要的結構,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雜的結構,即使要采用局部熱處理也是困難的。合理制定焊接工藝,正確地選擇焊接線能量和預熱、后熱溫度是提高焊接韌性的有效措施。

此外,還有許多能提高HAZ韌性的途徑。如細晶粒鋼采用控制工藝,進一步細化鐵素體的晶粒,也會提高材質的韌性。冶金精煉技術可使鋼中的雜質(S、P、O、N等)含量極低。這些措施使得鋼材的人行道為提高,從而也提高了焊接HAZ的韌性。

04焊接HAZ的軟化

對于焊前經冷作硬化或熱處理強化的金屬或合金,在焊接熱影響區一般均會產生不同程度的矢強現象,最典型的是經過調制處理的高強鋼和具有沉淀強化及彌散強化的合金,焊后在熱影響區產生的軟化或矢強。

焊接調質鋼時,HAZ的軟化程度與母材焊前熱處理狀態有關。母材焊接前調質處理的回火溫度越低,即強化程度越大,則焊后的軟化程度越嚴重。大量實驗研究表明,不同焊接方法和不同焊接線能量時,HAZ中軟化明顯的部位,是溫度處于A1-A3之間的區段。