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熱源能量的分布即熱量的傳播和分布很大程度上與這些參數(shù)相關(guān)，然而由于熱量的分布是呈現(xiàn)梯度的，從而造成焊縫周圍的材料會(huì)受到影響，即所謂的“熱影響區(qū)”（HAZ）。熱影響區(qū)的形成原理非常簡單，在焊縫周圍的材料受到了熱源的影響，而溫度低于材料的熔點(diǎn)，但其溫度足以讓周圍材料的顯微組織發(fā)生變化。顯微組織的變化可導(dǎo)致機(jī)械性能的變化，如可能會(huì)出現(xiàn)硬度增加和屈服強(qiáng)度降低。同時(shí)由于顯微組織的發(fā)生變化，熱影響區(qū)更容易出現(xiàn)開裂和腐蝕情況，所以熱影響區(qū)通常是構(gòu)件最薄弱的結(jié)構(gòu)點(diǎn)。因此，了解熱影響區(qū)和減少焊接所產(chǎn)生的不良熱效應(yīng)是至關(guān)重要。

焊縫和熱影響區(qū)的典型尺寸通常為數(shù)百微米至幾毫米。為了研究由于焊接過程引起的局部材料變化，儀器化壓痕測試方法是首選，因?yàn)樗鼈兲峁┝撕线m的位移分辨率。例如，安東帕微觀組合測試儀（MCT³）可以獲取焊縫或熱影響區(qū)等等不同區(qū)域的硬度、彈性模量等力學(xué)性能。磨損量和摩擦性能可以很容易地通過摩擦磨損分析儀來測量，該分析儀測量摩擦系數(shù)并可用于估計(jì)磨損率。

微觀組合測試儀MCT³

本文將展示焊縫及其鄰近局部區(qū)域的機(jī)械性能的表征手段的實(shí)際例子，同時(shí)也將總結(jié)所用表征手段對于焊接工藝好壞的評定和意義。

焊縫橫截面的硬度分布情況

圖1： 焊縫及其熱影響區(qū)的橫截面的視圖和相對應(yīng)位置上的硬度變化情況

如圖1所示，使用Anton-Paar微觀組合測試儀MCT³對采用弧焊工藝對球墨鑄鐵進(jìn)行焊接后所產(chǎn)生的熱影響區(qū)進(jìn)行表征。簡單來說，就是在焊縫截面上沿著從母材到焊縫的方向采用MCT³對材料進(jìn)行壓痕測試。壓痕試驗(yàn)主要在兩個(gè)位置上進(jìn)行：焊縫區(qū)域橫截面和焊縫頂面。使用的最大載荷為5 N，加載和卸載速率選擇為30 N/min，在最大載荷下保載1 sec。具體是沿著從未受影響的母材穿過HAZ到焊芯進(jìn)行壓痕測試，單個(gè)壓痕的間距為0.25 mm。壓痕測試的大致位置和相應(yīng)硬度分布如圖1所示，結(jié)果清楚地表明了焊縫附近硬度的變化情況。靠近焊縫–在HAZ中–硬度在過渡區(qū)降低之前顯著增加，在遠(yuǎn)離焊縫的未受影響母材中穩(wěn)定在~3 GPa。在焊縫的上表面上發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果（過渡區(qū)和熱影響區(qū)的硬度增加），這證實(shí)了在橫截面上獲得的結(jié)果。

該應(yīng)用案例展示的是儀器化壓痕測試方法對于測量焊接工藝產(chǎn)生的熱影響區(qū)HAZ的材料性能變化的意義所在，用圖1中所示的方法可以直觀的獲取相應(yīng)位置的力學(xué)性能變化情況。從而，有助于科研人員及焊接工作者去估算HAZ的區(qū)域尺寸以及所檢測出的焊縫及其周圍局部區(qū)域的力學(xué)性能是否達(dá)標(biāo)，更為如何優(yōu)化焊接工藝參數(shù)提供一份助力。

堆焊工藝下焊縫的摩擦學(xué)性能研究

堆焊是將硬質(zhì)金屬焊接在母材上的一種工藝，旨在提高母材的耐磨性，是一個(gè)很廣泛的焊接應(yīng)用。它用于磨機(jī)錘、擠壓螺釘、高性能軸承和土方設(shè)備。它也可用于壓水反應(yīng)堆的閥座和泵。與其他部件摩擦接觸的此類堆焊焊縫的磨損和摩擦學(xué)性能對于實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。以下示例顯示了對球墨鑄鐵進(jìn)行的摩擦學(xué)試驗(yàn)，其中鑄鐵的堆焊層采用等離子轉(zhuǎn)移電弧工藝焊接。

圖2： 熱影響區(qū)和母材的摩擦系數(shù)變化情況

由于焊接工藝也屬于快速凝固的一種冷卻方式，從而得到了3mm厚度的熱影響區(qū)且發(fā)現(xiàn)該HAZ的微觀結(jié)構(gòu)中存在滲碳體結(jié)構(gòu)，而且硬度明顯高于鑄鐵。總共進(jìn)行了兩次摩擦試驗(yàn)：一次在母材上，另一次在焊接材料的熱影響區(qū)內(nèi)。在線性往復(fù)模式下均進(jìn)行共5000次循環(huán)的摩擦學(xué)表征試驗(yàn)，而且在最大固定載荷為1 N情況下的最大線速度為1.6 cm/s，選取的摩擦副為直徑為6 mm的100Cr6鋼球。摩擦試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示：焊接層的熱影響區(qū)（HAZ）的摩擦系數(shù)（~0.8）高于母材（~0.5）。

圖3： 采用表面輪廓儀測量并記錄母材和熱影響區(qū)的磨損軌跡輪廓

圖3展示的是運(yùn)用表面輪廓儀采集并記錄母材和熱影響區(qū)在摩擦學(xué)試驗(yàn)后磨損軌跡的輪廓。通過比較圖3的結(jié)果表明，熱影響區(qū)的磨損遠(yuǎn)高于母材；母材的耐磨性高于熱硬化區(qū)的耐磨性。圖2和圖3的表明，焊接工藝對焊接層熱硬化區(qū)的摩擦系數(shù)和耐磨性產(chǎn)生了負(fù)面影響，盡管同一層的硬度有所增加。該問題的解決方案可以是改變焊接參數(shù)以提高熱硬化區(qū)的耐磨性，或者減小其尺寸以最小化其對零件耐磨性的負(fù)面影響。