Ten strefa wpływu ciepła spawania To obszar, w którym lity metal bazowy po obu stronach spoiny ulega widocznym zmianom struktury i właściwości pod wpływem cyklu cieplnego spawania, nazywany strefą wpływu ciepła. Złącze spawane to proces spawania składający się z trzech części: spoiny, strefy wtopienia i strefy wpływu ciepła.

1. Definicja

Pod działaniem strefa wpływu ciepła spawania spawanie, obszar, w którym struktura i właściwości zmieniają się w określonym zakresie w pobliżu obu stron spoiny, nazywa się „strefa wpływu ciepła spawania„, lub „strefa bliskiego spawania” (Near Weld Zone). ). Złącze spawane składa się głównie z dwóch części: spoiny i strefy cienia gorącego, pomiędzy którymi znajduje się strefa przejściowa, zwana strefą wtopienia. Dlatego, aby zapewnić jakość połączeń spawanych, konieczne jest, aby struktura i właściwości spoiny oraz strefa wpływu ciepła spełniały jednocześnie wymagania. Wraz z ciągłym stosowaniem różnych stali o wysokiej wytrzymałości, stali nierdzewnych, stali żaroodpornych i niektórych materiałów specjalnych w produkcji, problemy występujące w strefie wpływu ciepła spawania stają się bardziej złożone i stają się słabym punktem połączeń spawanych. Dlatego naukowcy w wielu krajach poświęcili dużą uwagę strefie wpływu ciepła spawania.

Zakres strefy HAZ zmienia się w zależności od ilości ciepła wprowadzanego w procesie spawania, przewodności cieplnej materiału oraz szybkości chłodzenia. Większa ilość ciepła wprowadzanego lub wolniejsze tempo chłodzenia zazwyczaj skutkują większą strefą HAZ.

2. Dystrybucja tkankowa

Zgodnie z strefa wpływu ciepła spawania Stale spawalnicze dzieli się na dwie kategorie: stal o małej tendencji do hartowania, taką jak stal niskowęglowa i niektóre stale niskostopowe, nazywaną stalą hartującą się na twardo; stal o tendencji do hartowania. Stale o większej grubości, takie jak stal średniowęglowa, stal stopowa hartowana i odpuszczana o niskiej i średniej zawartości węgla, nazywane są stalami łatwo hartującymi się. Ze względu na różną tendencję do hartowania, struktura strefy wpływu ciepła w spawaniu obu rodzajów stali również jest różna.

3. Wydajność

Rozkład mikrostruktury strefy wpływu ciepła podczas spawania jest nierównomierny, a zatem również parametry spawania są nierównomierne. Strefa wpływu ciepła podczas spawania różni się od spoiny, a spoina może spełnić wymagania dotyczące parametrów spawania poprzez dostosowanie składu chemicznego i zastosowanie odpowiedniego procesu spawania. Parametry strefy wpływu ciepła nie mogą być modyfikowane składem chemicznym, a problem nierównomierności występuje pod wpływem cykli cieplnych podczas spawania. W przypadku konstrukcji spawanych, brane są pod uwagę przede wszystkim utwardzanie, kruchość, odpuszczanie i mięknienie strefy wpływu ciepła, a także kompleksowe właściwości mechaniczne, odporność na korozję i właściwości zmęczeniowe, które są określane zgodnie ze specyficznymi wymaganiami użytkowymi konstrukcji spawanej.

Hartowanie

Twardość strefy wpływu ciepła podczas spawania zależy głównie od składu chemicznego i warunków chłodzenia spawanej stali, a jej istotą jest odzwierciedlenie właściwości różnych struktur metalograficznych. Ponieważ badanie twardości jest wygodniejsze, najwyższa twardość HMAX strefy wpływu ciepła jest często stosowana do oceny właściwości strefy wpływu ciepła, co może pośrednio przewidywać udarność, kruchość i odporność na pękanie strefy wpływu ciepła. W projekcie HMAX strefy wpływu ciepła został wykorzystany jako ważny wskaźnik oceny spawalności. Należy zauważyć, że nawet ta sama struktura ma różną twardość, która jest związana z zawartością węgla w stali i składem stopu. Na przykład twardość martenzytu wysokowęglowego może osiągnąć 600 HV, podczas gdy twardość martenzytu niskowęglowego wynosi tylko 350-390 HV.

Kruchość

Kruchość spawanej strefy wpływu ciepła jest często główną przyczyną pękania i kruchego uszkodzenia złączy spawanych. Kruchość i udarność mierzą zdolność materiału do przeciwstawiania się pękaniu pod wpływem obciążeń udarowych i są kompleksowym odzwierciedleniem wytrzymałości i plastyczności materiału. Im wyższa kruchość materiału, tym niższa jego udarność i gorsza odporność na obciążenia udarowe. Ponieważ rozkład mikrostruktury w strefie wpływu ciepła nie jest równomierny, a nawet w niektórych częściach wytrzymałość jest znacznie niższa niż wytrzymałość metalu podstawowego, występuje poważna kruchość, przez co strefa wpływu ciepła staje się słabym punktem całego złącza. Dlatego bada się kruchość spawanej strefy wpływu ciepła, a zjawisko kruchości obejmuje głównie mechanizmy kruchości, takie jak kruchość gruboziarnista, kruchość mikrostrukturalna i kruchość wynikająca ze starzenia cieplnego, aby poprawić jego udarność i właściwości mechaniczne całego złącza. 

Zahartowany

Strefa wpływu ciepła podczas spawania, a zwłaszcza strefa wtopienia i strefa gruboziarnista, stanowią słabe punkty całego złącza spawanego. Dlatego należy podjąć działania mające na celu poprawę wytrzymałości strefy wpływu ciepła podczas spawania. Jednakże, wytrzymałości strefy wpływu ciepła podczas spawania nie można regulować ani poprawiać poprzez dodawanie śladowych pierwiastków stopowych, takich jak w spoinie. Jest ona nieodłączną cechą samego materiału, dlatego można ją poprawić jedynie w pewnym zakresie poprzez poprawę wytrzymałości samego materiału i zastosowanie pewnych środków technologicznych. Zgodnie z badaniami, hartowanie strefy wpływu ciepła podczas spawania można osiągnąć poprzez zastosowanie dwóch następujących środków.

Złagodzić

Metale lub stopy wzmacniane przez obróbkę plastyczną na zimno lub cieplną zazwyczaj wykazują różny stopień utraty wytrzymałości w strefie wpływu ciepła podczas spawania. Zmiękczenie lub utrata wytrzymałości w strefie wpływu ciepła. Zmiękczenie metali lub stopów wzmacnianych przez obróbkę plastyczną na zimno jest spowodowane rekrystalizacją. Zmiękczenie lub utrata wytrzymałości w strefie wpływu ciepła ma stosunkowo niewielki wpływ na właściwości mechaniczne złączy spawanych, ale nie jest łatwe do kontrolowania.

4. Wpływ na właściwości materiału

●Wytrzymałość i twardość: Strefa HAZ może charakteryzować się różnym poziomem twardości i wytrzymałości w porównaniu z metalem bazowym. Zazwyczaj obszary bliższe spoiny charakteryzują się wyższymi temperaturami i mogą stać się twardsze i bardziej kruche, szczególnie w przypadku stali wysokowęglowych.

●Wytrzymałość: Wytrzymałość strefy HAZ może zostać zmniejszona dzięki tworzeniu twardszych i bardziej kruchych mikrostruktur. Jest to szczególnie istotne w zastosowaniach, w których istotna jest odporność na uderzenia.

●Odporność na korozję: W przypadku niektórych materiałów, np. niektórych stali nierdzewnych, ciepło może powodować zmiany wpływające na odporność na korozję, np. wytrącanie się węglików na granicach ziaren.

5. Znaczenie i kontrola

Integralność strukturalna: 

Zrozumienie i kontrolowanie strefa wpływu ciepła spawania ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia integralności strukturalnej elementów spawanych, zwłaszcza w krytycznych zastosowaniach, takich jak przemysł lotniczy i kosmiczny, motoryzacyjny oraz inżynieria konstrukcyjna.

Optymalizacja Parametry spawania: 

①Ciepło doprowadzone: Obniżenie ciepła doprowadzonego poprzez regulację napięcia, prądu i prędkości spawania może pomóc zmniejszyć rozmiar strefy HAZ. Niższe ciepło doprowadzone skutkuje szybszym chłodzeniem i krótszym czasem na niekorzystne zmiany mikrostrukturalne.

②Temperatura międzywarstwowa: Kontrola temperatury międzywarstwowej (temperatury pomiędzy każdą warstwą spoiny) może mieć wpływ na mikrostrukturę strefy HAZ, poprawiając takie właściwości, jak wytrzymałość.

Podgrzewanie wstępne i obróbka cieplna po spawaniu (PWHT):

①Podgrzewanie wstępne: Podgrzanie materiału przed spawaniem może zmniejszyć szybkość chłodzenia, minimalizując ryzyko tworzenia się niepożądanych mikrostruktur, takich jak martenzyt w stali. Pomaga to również w redukcji naprężeń szczątkowych.

②PWHT: Zastosowanie ciepła po spawaniu może pomóc w odpuszczeniu twardych mikrostruktur powstałych w strefie wpływu ciepła, zwiększając w ten sposób wytrzymałość i redukując naprężenia szczątkowe.

Demo wideo