焊接热模拟试验探究热影响区

焊接热影响区的组织性能对焊接接头的质量影响很大，因此对焊接热影响区中各个区段的组织性能进行研究是十分必要的。但由于热影响区中各个区段十分狭窄，很难取出相应的试件进行研究。而焊接接头的常规力学性能试验方法，只能反映热影响区的整体性能。为了解决上述问题，各国对焊接热模拟技术及其装置的研究比较重视，并取得了很大进展。

1.焊接热模拟试验的原理及应用

焊接热模拟试验方法是利用特定的装置在试样上造成与实际焊接时相同或近似的热循环，通过控制加热速度（ω_H）或加热时间（t′）、最高加热温度（T_m）、高温停留时间（t_H）、冷却速度（ω_C）或冷却时间（如t₈／5），使得试样的金相组织与所需研究的热影响区特定部位的组织相同或近似，但这一组织区域比实际焊接接头热影响区要放大很多倍。也就是说，在模拟试样上有一个相当大的范围获得这一特定部位的均匀组织，从而可以制备足够尺寸的试样，对其进行各种性能的定量测试。先进的焊接热模拟试验方法除了在试样上施加焊接热循环以外，还可在试样上模拟焊接时的应力或应变，研究热影响区中某一特定部位的各种性能。

图6-20 试样夹持装配示意图

Gleeble-1500型热模拟试验机试样的夹持示意如图6-20所示，热模拟后试样的冷却一是靠试样与夹具的接触传导冷却，二是使用喷水（或喷气）急冷装置冷却。与加热过程一样，接触传导时的冷速取决于试样的材质、尺寸、夹持试样的卡头材料以及夹持试样的自由跨度。热量由试样中心向卡头方向轴向传导，通常使用几倍于试样宽度的水冷铜卡头夹持试样可以获得较大的冷速，要获得极快的冷速需要采用喷水急冷装置。

采用热模拟试验机可以开展下述研究工作：

1）金属材料在特定热循环条件下相变行为的研究，特别是模拟焊接热影响区连续冷却转变图（SH-CCT图）的分析。

2）焊接热影响不同区段（特别是过热区）组织性能的模拟。(www.xing528.com)

3）定量研究冷裂纹、热裂纹、再热裂纹和层状撕裂的形成条件及机理。

4）模拟应力、应变对组织转变及裂纹形成的影响规律。

通过上述研究，可为焊接工作者确定最佳的焊接工艺及焊接参数，为保证焊接热影响区的质量提供可靠的技术数据。

2.焊接模拟试验方法的局限性

由于焊接热影响区是温度梯度急剧变化的一个狭窄区域，在该区内各点的组织性能连续变化而又彼此相互制约。而热模拟试样是加热温度、组织变化均匀的隔离体，因此，热模拟试样在加热和冷却过程中的动态行为和组织性能与实际热影响区存在如下差异：

1）经过对比研究发现，在热循环完全一致的条件下，模拟热影响区的奥氏体晶粒比实际热影响区的晶粒要大。造成这一现象的原因，除模拟最高温度的测定和控制误差以外，主要是由于实际热影响区的温度分布不均匀造成的。热影响区中某一点奥氏体晶粒的长大，是朝低温度区和高温度区扩展。但向低温区长大受到能量限制，向高温区长大又受到高温区晶粒长大的阻止，因此，实际热影响区某点奥氏体晶粒的长大受到温度梯度和组织梯度的障碍。而模拟试样中奥氏体是在均温区长大，不存在上述阻碍，所以其奥氏体晶粒度比实际热影响区中相应点的奥氏体晶粒度大。这说明若使模拟组织与热影响区中的实际组织一致，模拟最高温度应略低于热影响区中的实际最高温度。

2）由于热影响区中（特别是熔合区附近）的动态应力应变过程十分复杂，难以实测，应力应变的模拟为一假定曲线。事实证明，焊接热影响区的应力应变行为对组织转变及裂纹的形成都有重要影响。因此，如何模拟出实际的应力—应变曲线，仍为模拟工作者的研究目标之一。

目前焊接热模拟技术还存在一定的局限性，需改进提高。但不可否认焊接热模拟技术已成为材料焊接性研究的重要测试手段之一，特别是在测定新钢种模拟焊接热影响区连续冷却转变图（SH-CCT）方面，在研究焊接冷裂纹倾向、脆化倾向以及焊接接头力学性能方面，仍具有十分重要的作用。