实验四 合金结构钢焊接热影响区淬硬倾向的模拟试验评定

1. 实验四 合金结构钢焊接热影响区淬硬倾向的模拟试验评定 YSU-DSI JIONT LAB YanShan University 王玉辉

2. 一、实验目的 • 1、了解相同峰值温度条件下，不同t8/5对淬硬倾向的影响。 • 2、了解Gleeble焊接热模拟试样在长度方向的硬度分布特征。

3. 二、试验原理及方法 • 1. 焊接热影响区最高硬度模拟试验的相似原理 • 在低合金高强钢焊后冷却过程中，在热影响区中可能出现低塑性的脆硬组织，在焊缝扩散氢含量较高和接头拘束度较大时易产生氢致冷裂纹，一般可采用组织的硬度值来表征其脆硬倾向。 • 材料的碳当量是决定热影响区淬硬倾向的主要因素。碳当量越高，材料淬硬倾向越大。焊接时热影响区过热区在800－500℃区间的冷却时间（一般用t8/5表示）是另一个重要参数。该冷却速度越大，则热影响区的淬硬程度越高。焊接方法、板厚、接头形式、焊接规范、预热温度决定了t8/5的大小。    焊接接头中，热影响区的硬度值最高。一般用热影响区的最高硬度来衡量淬硬程度的高低。不同强度级别的结构钢热影响区有不同的最高硬度允许值。国际焊接学会（IIW）提出的钢的焊接冷裂纹倾向的临界硬度（HV）值为350。根部裂纹开裂的临界硬度（HV）值为330。 • 焊接热影响区最高硬度的测量一般应按国标GB－4675.5-84规定的试验方法来进行。采用平焊位置在试板表面堆焊一道焊道。经至少12小时的放置后，采用机械方法垂直切割焊缝的中部，并在此断面上取硬度测量的试样。检测面经研磨、腐蚀后，显示焊缝及熔合线，如图1所示，在熔合线底部切线上，每隔0.5mm进行载荷为10Kg的维氏硬度的测定，切点及两侧的各7个点作为硬度的测定点。熔合线底部切线上的温度分布（见图1）是：切点附近温度高，随着与该点距离的增加，温度逐渐下降。该切线上的硬度分布一般也呈现类似的分布规律。

4. 采用Gleeble-3500热模拟试验机可以在一定尺寸的小试样上再现与图1中实际焊接热影响区熔合线底部切线上各点相似的热循环过程，并使模拟试样中心区域的温度与切点附近的温度一致，从而在沿模拟试样的轴向上获得与该切线上相近似的硬度分布。这就是焊接热影响区最高硬度模拟试验的基理。在进行焊接热模拟试验时，不同t8/5条件下的系列焊接热循环曲线可通过系统配置的HAZ软件包来产生。常用的计算方法包括F(s,d)Table实验数学模型及Hannerz、Rosenthal、Rykalin-2D和Rykalin-3D等焊接传热学经典公式。在焊接热模拟试验过程中，先将热电偶焊在试样长度方向的中心点上，并按预先设置的焊接热循环曲线将试样进行加热和冷却，动态实时记录在热电偶附近的温度变化过程。由于试样是采用电阻热进行加热，并通过试样两端的夹具的热传导来进行散热，因而在试样上的温度分布情况（见图2）是：沿试样的径向，试样表面与心部的温度差别很小，可以近似地视为“等温面”；沿试样的轴向，试样中心点的温度最高，向两端部温度逐渐降低。试样长度方向的热传导与温度分布情况与图1中实际焊接热影响区熔合线底部切线相似。试样经模拟试验及经一段时间放置后，沿长度方向，每隔1mm进行载荷为10Kg的维氏硬度的测定（采用其它形式的硬度测试时，需将测试结果转换为维氏硬度值），中心点及两侧的各3个点作为硬度的测定点最高硬度值。采用类似实验方法，可以确定不同t8/5条件下焊接影响区的最高硬度值。采用Gleeble-3500热模拟试验机可以在一定尺寸的小试样上再现与图1中实际焊接热影响区熔合线底部切线上各点相似的热循环过程，并使模拟试样中心区域的温度与切点附近的温度一致，从而在沿模拟试样的轴向上获得与该切线上相近似的硬度分布。这就是焊接热影响区最高硬度模拟试验的基理。在进行焊接热模拟试验时，不同t8/5条件下的系列焊接热循环曲线可通过系统配置的HAZ软件包来产生。常用的计算方法包括F(s,d)Table实验数学模型及Hannerz、Rosenthal、Rykalin-2D和Rykalin-3D等焊接传热学经典公式。在焊接热模拟试验过程中，先将热电偶焊在试样长度方向的中心点上，并按预先设置的焊接热循环曲线将试样进行加热和冷却，动态实时记录在热电偶附近的温度变化过程。由于试样是采用电阻热进行加热，并通过试样两端的夹具的热传导来进行散热，因而在试样上的温度分布情况（见图2）是：沿试样的径向，试样表面与心部的温度差别很小，可以近似地视为“等温面”；沿试样的轴向，试样中心点的温度最高，向两端部温度逐渐降低。试样长度方向的热传导与温度分布情况与图1中实际焊接热影响区熔合线底部切线相似。试样经模拟试验及经一段时间放置后，沿长度方向，每隔1mm进行载荷为10Kg的维氏硬度的测定（采用其它形式的硬度测试时，需将测试结果转换为维氏硬度值），中心点及两侧的各3个点作为硬度的测定点最高硬度值。采用类似实验方法，可以确定不同t8/5条件下焊接影响区的最高硬度值。

5. 2.数据和试样的处理方法 • 采用Origin或Excel软件分别进行试验数据的处理。一是将试样长度方向上各测试点与中心点的距离作为横座标，硬度值作为纵座标，绘出相应的硬度分布曲线。二是将不同的t8/5作为横座标，相应的最高硬度值作为纵座标，绘出焊接热影响区最高硬度值随t8/5变化的曲线。 • 另外，将所测得的焊接热影响区最高硬度值与国际焊接学会（IIW）提出的钢的焊接冷裂纹倾向的临界硬度（HV）值和根部裂纹开裂的临界硬度（HV）值相比较，评价试验材料焊接冷裂纹的倾向。

6. 铜夹具 硬度测定线 热电偶 温度分布 温度分布 图1.实际HAZ硬度测试线及温度分布示意图 图2. 模拟HAZ硬度测试线及温度分布示意图

7. 三、实验仪器及材料 • 1.试验材料：低碳贝氏体钢； • 2.10mm×10mm铜夹具：1对； • 3.TYPE-K型热电偶:1对； • 4.试样：10×10×80mm； • 5.无水乙醇：少许； • 6.工具：若干。

8. 四、实验步骤 • 1.CAI课件演示与讲解 • 焊接热模拟试验原理、焊接热循环计算。 • 2.Gleeble3500热力动态模拟试验机介绍 • 工作室操作、HAZ软件包、GSL编程工具。 • 3.热模拟试验 • 试样安装、程序编制、程序运行、试验后取出试样等。 • 4.硬度测试 • 沿长度方向，每隔1mm进行硬度的测定，中心点及两侧的各3个点作为硬度的测定点，从中确定最高硬度值。

9. 五、分析整理实验数据，写出实验报告 • 六、思考题(任选两题) • 1、焊接热影响区最高硬度的影响因素有哪些？ • 2、产生焊接冷裂纹的主要因素有哪些？ • 3、随t8/5减小，焊接热影响区的硬度值如何变化？为什么？