焊接冶金模拟
理论：热影响区发生了什么
概述
听说焊接裂纹往往不是出现在熔化部分，而是在它旁边。为什么？
因为没有熔化但被强烈加热的部分，即热影响区（HAZ）的组织发生了变化。钢在约900℃以上变为奥氏体，随后的冷却速度决定最终组织：缓慢冷却得到软的铁素体和珠光体，快速冷却得到硬的贝氏体或马氏体。焊接时热影响区在短时间内升到高温，又被周围冷的母材迅速吸热而急冷，容易生成马氏体。硬的马氏体、从焊缝金属进入的氢和拉伸残余应力三者叠加，会在焊后数小时到数天开裂（冷裂纹、延迟裂纹）。焊接冶金模拟由热分析得到的温度历程预测热影响区的组织和硬度，用于确定预热和热输入条件。
碳当量
元素符号为质量%。CE（IIW）多用于一般钢，Pcm（伊藤·别所）多用于低碳高强钢。两者越大，热影响区越容易变硬。
把裂纹写成公式的日本研究
Pcm是1960年代伊藤庆典和别所清根据斜Y形坡口拘束裂纹试验结果导出的公式，被广泛用于预测低碳高强钢的焊接裂纹。日本很早就在造船和桥梁中大量焊接高强钢，因此焊接裂纹研究和预热温度确定方法的体系化发展较快，由此产生的公式和试验方法也被纳入国际标准。
算例
成分为示例质量百分比：省略元素取0，C-Mn钢Si为0.35%，Cr-Mo钢Si为0.25%。Pcm仅用于比较公式，并非推荐用于高碳Cr-Mo钢。预热、后热和硬度允许值必须结合材质、厚度、氢含量、拘束、适用标准及工艺评定确定。
例1：两种钢的碳当量
| 钢（成分为示例） | C | Mn | Cr | Mo | CE (IIW) | Pcm |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 结构用C-Mn钢 | 0.16 | 1.40 | — | — | 0.39 | 0.24 |
| Cr-Mo钢（相当于4140） | 0.40 | 0.85 | 1.00 | 0.20 | 0.78 | 0.51 |
不能由这些碳当量唯一确定预热温度或后热要求。不要把低碳Pcm关联式外推到高碳钢，应参照材质及工艺对应的标准和工艺评定。
将冷却时间t8/5与焊接CCT数据对照
它是从800℃冷却到500℃的时间。应将热历程与焊接CCT数据比较以评价组织和硬度，单凭t8/5不能确定相比例，还需钢种、峰值温度及再加热条件。
把CCT图套用到热分析的温度历程上，整个热影响区都成了马氏体。真的会那么硬吗？
应确认CCT图的类型以及各处最高温度的差别。材料手册中的普通CCT图，是在炉中缓慢加热、充分奥氏体化的条件下测得的。焊接热影响区加热只有几秒，最高温度也因位置而异。紧靠熔合线（1,300℃以上）处晶粒粗化、淬透性提高；而稍远处最高温度只有800〜900℃左右，奥氏体化不完全，马氏体要少得多。需要使用以短时加热、不同最高温度测得的焊接用CCT图（焊接CCT图），按最高温度分区判定。另外，多层焊中后续焊道的热会使前一道的热影响区回火、硬度下降，因此按焊道追踪温度历程也很重要。
实务流程
- 由成分计算碳当量，按标准确定预热温度的初步方案。
- 用按熔深形状校准过的热分析，求出热影响区各点的最高温度和t8/5。
- 用焊接CCT图或相变模型预测组织比例和硬度。
- 改变预热、热输入和道间温度，按所适用材质及工艺标准评价硬度与韧性。
- 用试件的硬度分布和剖面组织验证预测。
“硬度峰值在熔合线外侧”
在焊缝剖面上测硬度，最硬的往往不是焊缝金属也不是母材，而是紧靠熔合线外侧的粗晶区。这里最高温度高、晶粒长大、淬透性提高，又被快速冷却。仿真若能再现这个硬度峰值的位置和高度，就可以判断热源和相变模型大体正确。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 使用普通CCT图 | 高估硬度 | 焊接CCT图 |
| 不按最高温度分区 | 组织分布错误 | 按最高温度判定 |
| 忽略回火 | 高估多层焊硬度 | 按焊道追踪 |
| 只凭碳当量定预热 | 厚板高拘束时开裂 | 同时考虑板厚、氢和拘束 |
| 热源未经调整 | 热影响区宽度不准 | 按宏观照片调整 |
我想了解相关内容。
相关页面参考焊接残余应力分析、电弧焊接模拟、点焊模拟和增材制造微观组织模拟。
常见问题
焊接冶金模拟预测什么？
预测焊接热如何改变母材组织，即热影响区（HAZ）的组织（铁素体、贝氏体、马氏体的比例）、硬度和晶粒粗化。由热分析求出各点的温度历程，再对照连续冷却转变（CCT）关系或相变模型计算组织和硬度。
碳当量是什么？
它是由合金成分比较淬透性和焊接硬化倾向的指标。示例IIW值为C-Mn钢0.393、Cr-Mo钢0.782。是否预热及其温度还取决于厚度、氢含量、拘束和工艺。
冷却时间t8/5如何影响组织？
它是从800℃冷却到500℃的时间。应将热历程与焊接CCT数据比较以评价组织和硬度，单凭t8/5不能确定相比例，还需钢种、峰值温度及再加热条件。
参考资料与检验范围
所列数值是基于文中假设的教学参考计算。资料用于理论和设置参考，不证明已在各软件中复现这些数值。工程决策须按实际条件验证。