對于一般焊接結構來講,主要考慮熱影響區(qū)的硬化、脆化、韌化、軟化,以及綜合的力學性能、抗腐蝕性能和疲勞性能等。這些性能指標都與焊接結構的具體使用要求相關,需要根據(jù)使用要求來確定。
焊接熱影響區(qū)的硬化
焊接熱影響區(qū)(HAZ)的硬度主要是由被焊鋼種的化學成分和冷卻條件決定的。這是因為不同金相組織的性能會在焊接過程中產(chǎn)生不同影響。由于硬度試驗相對簡單,因此常用熱影響區(qū)(一般在熔合區(qū))的最高硬度Hmax來判斷熱影響區(qū)的性能。Hmax可以間接預測熱影響區(qū)的韌性、脆性和抗裂性等性能。
近年來,HAZ的Hmax已經(jīng)被廣泛應用于評定焊接性的重要標志。然而,需要注意的是,即使同一組織,也可能存在不同的硬度。這是因為鋼的含碳量、合金成分及冷卻條件都會對硬度產(chǎn)生影響。
因此,在焊接設計和制造中,需要充分考慮HAZ的硬度特性,并根據(jù)具體的使用要求和焊接工藝來選擇適合的焊接材料和工藝。
焊接熱影響區(qū)的脆化
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。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(huán)的作用下,焊接接頭的熔合線附近和過熱區(qū)將發(fā)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(wěn)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(xiàn)象稱為析出脆化。
③ 組織脆化。
焊接HAZ中由于出現(xiàn)脆硬組織而產(chǎn)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(xiàn)象。
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(qū)和粗晶區(qū)易產(chǎn)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(jù)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。
焊接HAZ的軟化
對于焊前經(jīng)冷作硬化或熱處理強化的金屬或合金,在焊接熱影響區(qū)(HAZ)中,通常會出現(xiàn)不同程度的矢強現(xiàn)象。這種情況最常見于經(jīng)過調制處理的高強鋼和具有沉淀強化及彌散強化的合金。在焊接后,HAZ中可能會出現(xiàn)軟化或矢強。
在焊接調質鋼時,HAZ中的軟化程度與母材焊前熱處理狀態(tài)有關。如果母材焊接前進行了調質處理,并且回火溫度越低,即強化程度越大,那么焊后的軟化程度也將越嚴重。
實驗結果表明,不同焊接方法和不同焊接線能量時,HAZ中軟化最明顯的部位是溫度處于A1-A3之間的區(qū)段。這意味著在焊接過程中,溫度在這個范圍內的HAZ區(qū)將最容易軟化。