焊接熱影響區連續冷卻曲線的測定及應用

周華偉

SHCCT曲線是表征某鋼種焊接熱影響區在連續冷卻條件下各種相變的起止溫度與時間以及室溫組織的硬度與冷卻速度之間關系的曲線族圖，是分析焊接熱影響區的組織性能，評定鋼種可焊性的重要工具。冶金行業在新鋼種大量投產之前，必須先建立該鋼種的SHCCT圖。

1 確定參數及方案

1.1 焊接熱模擬參數

（1）加熱速度、峰值溫度及過熱時間

加熱速度 實際焊接時發現熱區母材通常在很短時間內即可加熱到1 300℃以上，所以一般應選擇在短時間加熱到峰值溫度[1]。

峰值溫度Tmax低合金鋼母材熱影響區溫度一般為1300～1350℃。不同成份的低合金鋼，選取的峰值溫度也不同，但需要保證模擬熱循環后的奧氏體晶粒度與實際接頭過熱區一致，試驗中還需要考慮試驗機加熱的過沖溫度。當冷卻速度一定時Tmax越高，奧氏體晶粒愈粗大，過熱時間越長晶粒也愈大。此外，試驗條件下只是簡單熱過程的模擬，而實際焊接施工除受焊接熱循環作用之外，還會受到應力、應變、溫度梯度等因素的影響[2]。因此模擬結果與實際相比組織晶粒粗大。

過熱時間 大量實測焊接熱循環曲線表明，峰值溫度的停留時間極短，一般僅零點幾秒就會迅速冷卻下來。因此應保持恰當的過熱時間ts，保證模擬組織與實際接頭組織一致。

T8/5是指從800℃降至500℃的冷卻時間，是制定SHCCT曲線的重要參數，由于低合金鋼的奧氏體化溫度為800～900℃，且相變區域為800～500℃，選擇不同的T8/5會獲得不同的組織。因此應根據獲得的組織及比例進行SHCCT曲線的繪制。

1.2 確定臨界冷卻速度

一般多用韜坦道夫公式等經驗公式計算T8/5[2]、[3]以得到F（鐵素體）、P（珠光體）、B（貝氏體）轉變的臨界冷卻時間。即先估算出某低合金鋼各相的臨界冷卻時間（見圖1），再根據其轉變開始溫度（設置誤差50℃），最終確定試驗材料F、P、B轉變的臨界冷速范圍。

1.3 SHCCT曲線的試驗方案

綜上所述，低合金鋼的SHCCT曲線測定方案為：用很短的時間加熱至峰值溫度Tmax，停留時間為ts，然后快速冷至800～850℃，再分別以選擇的T8/5（不同冷卻速度） 冷卻到室溫。并對熱循環后的試樣進行組織和硬度分析。

圖1 預估后的各相臨界冷卻時間

2 熱模擬試驗及SHCCT曲線繪制

（1） 熱模擬試驗

按熱模擬實驗方案進行熱循環試驗，具體試驗過程為：準備→電偶絲點焊→裝卡→設定試驗參數→進行試驗。

Gleeble熱模擬試驗每次分析一個試樣，進行一次熱循環。在熱模擬試驗的冷卻過程中試樣會發生相變，并在膨脹量-溫度的記錄紙上出現拐點，根據拐點所對應的溫度可確定其初始連續冷卻轉變曲線，但并不能確定具體相的類型及比例，需要進一步通過組織和硬度分析確認。

（2）組織及硬度分析

通過金相組織觀察校正相變點、確定相變類型，并利用金相顯微鏡采用計點法測出各組織相對含量[6]。這一方面是繪制SHCCT曲線圖的需要，另一方面通過顯微鏡在不同組織區域上測量硬度值并進行比較，可以幫助鑒別、確定組織類型。

對某低合金鋼進行熱模擬，當冷速為0.05℃/s時，組織為先共析鐵素體 (F)、粒狀貝氏體 (GB)和少量黑珠狀的變態珠光體 (P)；冷速為1℃/s時，組織為鐵素體和粒狀貝氏體；冷速為5℃/s時，組織主要為鐵素體和粒狀貝氏體，并開始出現少量板條貝氏體 (LB)；冷速為15℃/s時，組織主要為鐵素體和板條貝氏體，開始出現馬氏體 (M)及少量殘余奧氏體 (Ar)；冷速為40℃/s和110℃/s時，組織主要為馬氏體和殘余奧氏體（見圖2）。所以通過組織和硬度分析能完整的確定此種低合金鋼在不同冷速下獲得的相的種類，對SHCCT曲線的繪制具有重要意義。

圖2 部分冷速下的室溫組織

（3） SHCCT曲線修正

根據金相組織及硬度分析對初始SHCCT曲線進行修正，獲得最終SHCCT曲線。

3 SHCCT曲線的應用

實際焊接生產中，焊接熱影響區出現的裂紋、淬硬等問題大多與焊接冷卻時產生的組織轉變有很大關系，因此SHCCT曲線在實際生產中有廣泛的用途。

（1） 能夠預測HAZ組織

通過測量實際冷卻時間T8/5或者冷速，并與獲得的SHCCT曲線上標明的相區或臨界冷卻速度進行比較，可以判斷在該冷速下的組織及其硬化傾向。

研究證明，SHCCT圖所給出的數據對手工電弧焊、埋弧電弧焊、CO2氣體保護焊等各種焊接方法都適用，T8/5可以通過計算獲得，也可以通過實測得到[5]。

（2）評定鋼種抗裂性

用臨界冷卻時間評定鋼的抗冷裂 若焊后熱影響區過熱區的T8/5小于臨界冷卻時間Cf（從Ac3冷卻到500℃開始出現鐵素體組織的臨界冷卻時間）就有出現冷裂紋的危險。

用臨界組織含量判斷冷裂傾向 用低氫焊條焊接的各種低合金高強度鋼，熱影響區的過熱區若具有以下的組織比例可避免產生根部裂紋：對于σb=600 MPa的鋼，鐵素體和中間組織含量要大于40%；對于σb=700 MPa的鋼，中間組織含量要大于25%；對于σb=800 MPa的鋼，中間組織含量要大于10%[5]。

此外，也可用臨界硬度值作為冷裂傾向的判據，還可以用SHCCT曲線分析熱影響區的韌性。

（3）合理制定焊接工藝

從SHCCT曲線中可以得到保證焊接熱影響區組織和性能的冷卻時間或冷速范圍，進而確定合理的焊接規范、預熱、緩冷、后熱及焊后熱處理等工藝措施使實際母材熱影響區冷卻速度或冷卻時間達到理想標準。

4 模擬試驗與實焊差異分析

（1） 受力狀態不同

模擬試驗中只考慮熱的作用，并沒有考慮實際焊接中應力作用，而應力不同會導致相變點發生變化。

（2） 晶粒大小不同

為了模擬實際焊接熱影響區組織，模擬試驗的峰值溫度比實際溫度要高，所以模擬試樣的晶粒比實際焊接組織的晶粒粗大，晶粒度偏小。

（3）化學成分的差異

模擬試驗試樣在隔離的體系中加熱、冷卻和應力應變，不像焊接接頭那樣有元素的相互擴散及相鄰部位的應力作用。因此在化學成分及組織狀態上與實際情況會有所差異。

（4）組織均勻性的差異

模擬試樣的加熱方式有兩種：一是感應加熱，二是電阻加熱，前者受集膚效應的影響試件表面溫度高于心部溫度，而后者因表面散熱可能導致試件表面溫度低于心部，所以模擬試件的金相組織有時不夠均勻，力學性能的試驗結果可能有偏差。

因此，實際操作時，應針對上述因素進行修正，尤其是對于峰值溫度高于1 300℃的試樣。通常的方法是將模擬的最高加熱溫度適當降低，或提高加熱速度，或施加一定的拘束應力。

奧氏體晶粒長大過程與加熱速度，特別是900℃以上的加熱速度有關，提高加熱速度也可減小奧氏體的晶粒尺寸。因此采用電阻式加熱的物理模擬試驗機可以實現比感應加熱式模擬機高得多的加熱速度。應當注意雖然降低峰值溫度或提高加熱速度可以得到與實際HAZ相同或者相近的晶粒尺寸，但是也會因碳（氮） 化物等固溶不充分，奧氏體晶粒度成分不均勻而影響冷卻過程中的相變組織。因此，在考慮晶粒度時，應盡可能使峰值溫度接近實際焊接HAZ的溫度[4]。

奧氏體晶粒尺寸及冷卻速度均影響最終的接頭組織。因此，在考慮HAZ熱模擬精度時，應綜合以上幾種因素的影響，并根據具體的材料種類和接頭尺寸與形狀及其它主要因素，制定切實可行的試驗方案。

5 結語

（1） SHCCT曲線中某條曲線是模擬焊件焊接熱影響區上某一點在熱源作用下所經歷的受熱過程。主要參數是：加熱速度、峰值溫度、高溫停留時間及冷卻速度。加熱速度影響熱區的組織和性能，峰值溫度、高溫停留時間影響熱區晶粒大小、相變組織及化合物的溶解，而冷卻速度（T8/5）是最重要的參數之一，是焊接熱影響區組織和性能的決定性因素。

（2） 由于熱循環試驗曲線中只有相變拐點，對于模擬后的具體組織分析需要通過金相或掃描電鏡分析、硬度分析來確定具體相及相比例，并最終形成完整SHCCT曲線。

[1]呂德林，李硯珠等人.焊接熱影響區連續冷卻轉變過程的研究-焊接CCT圖.焊接學報.1982年9月第3卷第3期.

[2]顧玉喜.焊接連續冷卻轉變圖及應用 [M].北京:機械工業出版社,1990,20-26.

[3]李友,楊成鋼,李強.P460NL1鋼SH-CCT圖的測定 [J].機械設計與制造,2001,(6).

[4]牛濟泰.材料和熱加工領域的物理模擬技術。國防工業出版社，第二章30-31.

[5]王嘉麟，霍地，薛國良.10MnNbVR低溫壓力容器鋼的SHCCT圖的測繪。東北大學學報，1994，總第89期，175-179.