船舶大合拢焊缝性能与热影响区相组成之间的关系1.远洋船舶大合拢垂直焊缝性能要求依据CCS《材料与焊接规范2019》，性能指标分别为：届服强度抗拉c，≥365MPa，强度为c=490~620MPa，伸长率时>21%，-20C时冲击功大于等于34J。根据相关标准要求，硬度值HV10≤350，试验结果合格，焊缝力学性能试验取样示意图如图1所示。（I）弯曲试验。根据中国船级社《材料与焊接规范》的要求进行侧弯试验。每次评定4个试样，试样规格：10mm×25mm×260mm，弯心直径d=4t，弯心角为180°。(2)硬度试验。采用维氏硬度计测试粗晶区硬度，载荷为49N。每个评定进行一组硬度试验。(3)拉伸试验与冲击试验。拉伸试验每次评定三个试样：冲击试验每次评定进行3个位置的冲击，每个位置3个试样，进行-20℃C的“V”形缺口Charpy冲击试验。宏观横向家观纸向模间冲击绒向试样拉神按伸试样拉伸试样拉神图1焊缝力学性能试验取样示意图1
1 船舶大合拢焊缝性能与热 影响区相组成之间的关系 1. 远洋船舶大合拢垂直焊缝性能要求 依据CCS《材料与焊接规范2019》，性能指标分别为：屈服强度抗拉σ r ≥365 MPa，强度为σ t ＝490~620 MPa，伸长率时δ≥21%，-20℃时冲击功大于等于34J。根据相关标准要求，硬度值 HV10≤350，试验结果合格, 焊缝力学性能试验取样示意图如图1所示。 (1) 弯曲试验。根据中国船级社《材料与焊接规范》的要求进行侧弯试验。每次评定４个 试样，试样规格：10 mm×25 mm ×260 mm，弯心直径d＝４t，弯心角为180°。 (2) 硬度试验。采用维氏硬度计测试粗晶区硬度, 载荷为49 N。每个评定进行一组硬度试验。 (3) 拉伸试验与冲击试验。拉伸试验每次评定三个试样；冲击试验每次评定进行3个位置的 冲击，每个位置３个试样，进行-20℃的“V”形缺口Charpy冲击试验。 图1 焊缝力学性能试验取样示意图
2.组织决定性能相组成分析原理如下：图2为船用DH36钢的连续冷却转变曲线（CCT曲线），图3为其对应的不同冷却速度下的粗晶区的相组成及体积分数。由图2可以看出，当粗晶区的冷却速度小于1C/s时，焊接后粗晶区由铁素体(F)和珠光体(P)两相组成，在此冷却速度区间内F的体积分数随着冷却速度的增加而降低，P的体积分数随着冷却速度的增加而增加：当冷却速度大于1C/s时，粗晶区内的贝氏体(B)体积分数急剧增加，而P的量急剧减少到基本消失：当冷却速度进一步增加到大于60C/s时，粗晶区出现马氏体（M)并且M的含量随着冷却速度的增加而增加。图3中的冷却速度与铁素体(Ferrite)、珠光体(Pearlite)、贝氏体(Bainite)、马氏体(Martensite)体积分数(VF,VolumeFraction）的定量关系如式(1)、式(2)所示：当0<≤60℃/s时Vate = -1.552.o +2.1088)2VFainite = 1- VFerrite-VFpearliteVFMartensite=0当60<c≤100/s时[vFrmite = -1. 5520. 0m + 2. 108VFerarlite = 0VFainite = -0.0063180+ 1.167VF = 1-VFirite- VEainite:4900A3:824.6800A1:704.3C0.700a二+MM(转变90%)M(转变50%M（转变开始）A站：400开3000.0-101001000100010000020406080100时间(s)冷却速度(C/s)图2DH36钢的CCT曲线图3不同冷却速度下近继区的相组组成2
2 相组成分析原理如下：图2为船用DH36钢的连续冷却转变曲线（CCT曲线），图3为其 对应的不同冷却速度下的粗晶区的相组成及体积分数。由图2可以看出，当粗晶区的冷却速 度小于1 ℃/s时，焊接后粗晶区由铁素体(F)和珠光体(P)两相组成，在此冷却速度区间内F的 体积分数随着冷却速度的增加而降低，P的体积分数随着冷却速度的增加而增加；当冷却速 度大于1 ℃/s时，粗晶区内的贝氏体(B)体积分数急剧增加，而P的量急剧减少到基本消失；当 冷却速度进一步增加到大于60 ℃/s时，粗晶区出现马氏体(M),并且M的含量随着冷却速度的 增加而增加。 图3中的冷却速度与铁素体(Ferrite)、珠光体(Pearlite)、贝氏体(Bainite)、马氏体 (Martensite)体积分数(VF,Volume Fraction) 的定量关系如式(1)、式(2)所示： 当0＜ωc≤60℃/s时 2 2 0.04767 errite (( 0.4388) 0.2736) (( 1.387) 1.388) Pearlite Bainite errite Pearlite Martensite -1.552 2.108 0.08306 0.5221 1- - 0 c c F c F VF VF e e VF VF VF VF 2. 组织决定性能 当60＜ωc≤100℃/s时 F c c F VF VF VF VF VF VF 0.04767 errite Pearlite Bainite Martensite errite Bainite -1.552 2.108 0 -0.006318 1.167 1- - 图2 DH36钢的CCT曲线 图3 不同冷却速度下近缝区的相组组成
热影响区连续冷却转变曲线(CCT曲线）分析方法热影响区CCT图分析方法CCT曲线指的是过冷奥氏体连续转变温度曲线。它反映了在连续冷却条件下过冷奥氏体的转变规律，是分析转变产物组织与性能的依据，也是制订热处理工艺的重要参考资料。CCT曲线反映的是过冷奥氏体的冷却时组织转变的规律，针对DH36而言，研究其冷却时组织的变化规律对以（后的焊接工作有指导性的作用。焊缝的组织决定性能，而我们在焊接过程中只能够观察到最终成型的组织，而对于焊缝在冷却过程中进行了怎样的组织变化一无所知。但是如果我们将焊缝区域冷却时的温度记录下来，用它冷却时的温度来进行CCT曲线的实验，可以得出焊缝金属冷却时的组织变化，帮助我们更好的分析焊缝组织[16。我们也可以根据绘制要的组织结构，使焊缝有良好的力学性能的CT曲线来书果2当租晶区且晶区由铁素体（F）和珠光体（P）两相组成，在此冷却速度度的增加而降低，P的体积分数随着冷却速度的增加而增加：，粗晶区内的贝氏体（B）体积分数急剧增加，而P的量冷2SiL:急剧减少到基本消失；当冷却速度进一步增加到大于60°C/s时，粗晶区出现马氏体（M），并且M的含量随着冷却速度的增加而增加。小的t8/s时间（高的冷却速度）对应的粗晶区的相组成大部分为贝氏体和马氏体组织。马氏体和贝氏体较铁素体和珠光体有更高的硬度和强度，所以低的ts/s时间粗晶区的硬度较高。但是，当粗晶区的硬度过高时，其韧性将下降，在焊接工艺设计过程中要综合考虑其热影响区的硬度和韧性。1
1 热影响区连续冷却转变曲线 (CCT曲线)分析方法 热影响区CCT图分析方法 CCT曲线指的是过冷奥氏体连续转变温度曲线。它反映了在连续冷却条件下过冷奥氏体 的转变规律，是分析转变产物组织与性能的依据，也是制订热处理工艺的重要参考资料。 CCT曲线反映的是过冷奥氏体的冷却时组织转变的规律，针对DH36而言，研究其冷却时 组织的变化规律对以后的焊接工作有指导性的作用。焊缝的组织决定性能，而我们在焊接过程 中只能够观察到最终成型的组织，而对于焊缝在冷却过程中进行了怎样的组织变化一无所知。 但是如果我们将焊缝区域冷却时的温度记录下来，用它冷却时的温度来进行CCT曲线的实验， 可以得出焊缝金属冷却时的组织变化，帮助我们更好的分析焊缝组织[16]。我们也可以根据绘制 的CCT曲线来控制冷却速度，得到我们想要的组织结构，使焊缝有良好的力学性能。 当粗晶区的冷却速度小于1℃/s时，焊接后粗晶区由铁素体（F）和珠光体（P）两相组成， 在此冷却速度区间内F的体积分数随着冷却速度的增加而降低，P的体积分数随着冷却速度的 增加而增加；当冷却速度大于1℃/s时，粗晶区内的贝氏体（B）体积分数急剧增加，而P的量 急剧减少到基本消失；当冷却速度进一步增加到大于60℃/s时，粗晶区出现马氏体（M）,并且 M的含量随着冷却速度的增加而增加。 小的t 8/5时间（高的冷却速度）对应的粗晶区的相组成大部分为贝氏体和马氏体组织。马 氏体和贝氏体较铁素体和珠光体有更高的硬度和强度，所以低的t 8/5时间粗晶区的硬度较高。 但是，当粗晶区的硬度过高时，其韧性将下降，在焊接工艺设计过程中要综合考虑其热影响 区的硬度和韧性
焊缝性能与热循环关键参数之间的关系to/s指热影响区在800℃--500℃之间的时间长度。当tg/5较小时，粗晶区以硬度较高的板条状的贝氏体组织为主；随着ts/5增大，板条状贝氏体组织显著减少，分散的岛状组织数量增多会逐渐出现硬度较小的晶界铁素体，随着t/s继续增大，晶界铁素体更加粗大化，但岛状组织数量减少，但尺寸相差不大。因此焊接粗晶区的硬度均随着t8/s的增加而下降，其规律如下图所示。200K195(AH)18578175E0ee170800°℃-500°C冷邦时间(s)焊接粗晶区硬度与ts/5之间的关系对上述数据进行多项式拟合后，可得到硬度与ts/s之间的数学关系：H = -1.76tg/5°+ 0. 001297tg/52 0.3367tg/s + 204.11
1 焊缝性能与热循环关键参 数之间的关系 t 8/5指热影响区在800℃-500℃之间的时间长度。当t8/5较小时，粗晶区以硬度较高的板 条状的贝氏体组织为主；随着t8/5增大，板条状贝氏体组织显著减少,分散的岛状组织数量增多, 会逐渐出现硬度较小的晶界铁素体；随着t8/5继续增大，晶界铁素体更加粗大化，但岛状组织 数量减少，但尺寸相差不大。因此焊接粗晶区的硬度均随着t8/5的增加而下降，其规律如下图 所示。 0 50 100 150 200 250 300 170 175 180 185 190 195 200 800℃-500℃冷却时间 (s) 硬度 (HV) 焊接粗晶区硬度与t8/5之间的关系 对上述数据进行多项式拟合后，可得到硬度与t 8/5之间的数学关系： -1.76 0.001297 0.3367 8 / 5 204.1 2 8 / 5 3 H t8 / 5 t t
tsrs计算方法如下ou250(s)40.00S-3:0082001007硬度(HV)对上述数据进行多项式拟合后，可得：ts/s=PHS + P,H+P,H + PH +PH + Pe式中，Pl=-9.913epz=0.0947;p=-36.17;p4=6906;Ps=-6.591epe=2.515e2
2 t 8/5计算方法如下 170 175 180 185 190 195 200 0 50 100 150 200 250 300 硬度 (HV) 800℃-500℃冷却时间 (s) 5 6 2 4 3 3 4 2 5 t8 / 5 p1H p H p H p H p H p 对上述数据进行多项式拟合后，可得：
热循环关键参数（线能量、t8/5及冷却速度)设计原理(1)依据1g/s与冲击吸收功、18/s与接头硬度的关系，选择1ss2019n100175CEHE000eSSos17030010016120250100200250150800°C-500C冷却时间（(s)800℃-500℃停留时间（(s)冲击吸收功与关系硬度与t8/5关系（2）根据选取t8/5，根据经验公式计算焊接所需的线能量首先按照公式（1）来计算E：[(500-.)1) -(-.)E1= 48Acpt8/5/((1)一1
1 热循环关键参数(线能量、t8/5及冷 却速度)设计原理 (1) 依据t 8/5与冲击吸收功、t 8/5与接头硬度的关系，选择t 8/5 0 50 100 150 200 250 300 50 100 150 200 250 300 800 -500 ℃ ℃冷却时间 (s) 冲 击 吸 收 功 (J ) 0 50 100 150 200 250 300 170 175 180 185 190 195 200 800℃-500℃停留时间 (s) 硬度 (HV) （2）根据选取t8/5，根据经验公式计算焊接所需的线能量 首先按照公式（1）来计算E： 𝐸ଵ = 4𝛿 𝜋𝜆𝑐𝜌𝑡଼/ହ ଵ ହି்బ ଶ − ଵ ଼ି்బ ଶ ൗ （1） 冲击吸收功与t 8/5关系 硬度与t8/5关系
再采用公式（2）计算E：E2= 4n/te/[(0) -(0-)(2)式中E.--焊接线能量（J/cm)：>--导热系数[W(cm.)];cp---容积比热容[J/(cm3C)];---板厚（cm）；T.---初始温度（℃）。入、cp等热物理常数是随着温度而变化的，反复试验证明，当入=0.29//(cm·S℃C)，cp=6.7)/(cm3，C)计算时可得到较为正确的结果。将所计算得到的E,和E2分别代入临界板厚公式（3）：[ ](3)8r=1取K=E如果8r1>8、r2>8时，取K=E2如果81<8、8r2<8时，188rl当8182时，取K=E2 Eil + Ei18r28r1l则E在[K-10,K+10]范围内取值。当焊件厚度在8mm与25mm之间时，熔合线处冷却速度与焊接线能量E之间的关系为2元(T -T)Q=-K3AK=f(c)2E6=mcp(T-T)ε为无量纲系数，其范围[0,5]，K与ε的关系如下图所示：拟合之后的关系为：0.29182E-0.4351)K =f(e) = 1.164e-(—0.3132e-(0.65521.22+8.53 1013 (21)因此先求出ε、K，代入上式，即可求出中厚板的冷却速度wcK与ε的关系2
2 再采用公式（2）计算E： 𝐸ଶ = 4𝜋𝜆𝑡଼/ହ ଵ ହି்బ − ଵ ଼ି்బ ൗ （2） 式中 𝐸-焊接线能量（J/c𝑚)； λ-导热系数[W/(cm ∙℃)]; cρ-容积比热容[J/(cmଷ ∙℃)]; δ-板厚（cm）； T-初始温度（℃）。 λ、cρ等热物理常数是随着温度而变化的，反复试验证明，当λ = 0.29J/(cm ∙ 𝑆 ∙ ℃), cρ = 6.7J/(cmଷ ∙ ℃)计算时可得到较为正确的结果。 将所计算得到的𝐸ଵ和𝐸ଶ分别代入临界板厚公式（3）： 𝛿 = ா ଶఘ ଵ ହି்బ − ଵ ଼ି்బ （3） 如果𝛿ଵ > 𝛿、𝛿ଶ > 𝛿时， 取𝐾 = 𝐸ଵ 如果𝛿ଵ < 𝛿、𝛿ଶ < 𝛿时， 取𝐾 = 𝐸ଶ 当𝛿ଵ < 𝛿 < 𝛿ଶ时， 取K= ఋିఋೝభ ఋೝమିఋೝభ 𝐸ଶ − 𝐸ଵ + 𝐸ଵ 则E在[𝐾 − 10,𝐾 + 10]范围内取值。 当焊件厚度在8mm与25mm之间时，熔合线处冷却速度ω 与焊接线能量𝐸之间的关系为： 2 0 0 2 ( ) = ( ) 2 ( ) c c T T K E K f E c T T 为无量纲系数，其范围[0,5]，K与的关系如下图所示： 因此先求出、 K，代入上式，即可求出中厚板的冷却 速度ω 。 拟合之后的关系为： 𝐾 = 𝑓 𝜀 = 1.164𝑒ି ఌି.ଶଽଵ଼ ଵ.ଶଶ మ − 0.3132𝑒ି ఌି.ସଷହଵ .ହହଶ మ + 8.553 × 10ଵଷ𝑒ି ఌିଵସଷ ଶସସ.଼ మ K与的关系
（3）由焊接线能量E→熔合区冷却速度wc@。是影响焊接热影响区组织与性能的主要因素。在热循环曲线上，每一温度下的瞬时冷却速度都不相同，各点的冷却速度可用该点切线的斜率表示。试验证明，焊缝和熔合线附近的冷却速度几乎相同，一般只需计算焊缝在540℃C时的冷却速度即可。当板厚小于8mm时，熔合线处冷却速度wc与焊接线能量E之间的关系为dT-_2pT -2cp(T -)Q=dt(E / 8)2(a/vo)"当焊件厚度大于25mm时，熔合线处冷却速度w.与E之间的关系为dT(-=-2元／(T-=-2元个一0=dtEqlv式中，E..-焊接线能量/cm];T...-瞬时温度[℃]·To----焊件初始温度[℃)];q----单位时间输入热量[/s];V----焊接速度[cm/s]入-..-导热系数[W/(cm℃)]cp----容积比热容[/(cm3.℃)]:.-.--板厚（cm）;To..初始温度（℃）3
3 （3）由焊接线能量𝑬 →熔合区冷却速度𝛚𝒄 ω 是影响焊接热影响区组织与性能的主要因素。在热循环曲线上，每一温度下的瞬时 冷却速度都不相同，各点的冷却速度可用该点切线的斜率表示。试验证明，焊缝和熔合线附 近的冷却速度几乎相同，一般只需计算焊缝在540℃时的冷却速度即可。 当板厚小于8mm时，熔合线处冷却速度ω与焊接线能量𝐸之间的关系为： 2 3 c 0 2 3 c 0 ( / ) 2 ( ) ( ) 2 ( ) E c T T q v c T T dt dT c 当焊件厚度大于25mm时，熔合线处冷却速度ω与𝐸之间的关系为： E T T q v T T dt dT c c c 2 0 2 0 ( ) 2 ( ) 2 式中，𝐸-焊接线能量[J/c𝑚]； 𝑇 -瞬时温度[℃)]; 𝑇-焊件初始温度[℃)]; 𝑞-单位时间输入热量[J/s]; 𝑣-焊接速度[cm/s]; λ-导热系数[W/(cm ∙℃)]; cρ-容积比热容[J/(cmଷ ∙℃)]; δ-板厚（cm）； T-初始温度（℃）
热循环关键参数与焊接工艺之间的关系焊接工艺参数与焊接线能量的关系当焊丝熔化速度与焊接速度之间处于平衡状态时，焊接速度等于单位时间熔化金属的填充体积和坡口截面积之比，即：P=/s在不考虑飞溅损失时，可认为焊丝熔化速度和坡口截面积之比为%而焊丝的熔化速度与焊接电流成正比：vm=k,IEU焊接线能量为：E=L-Us因此，k,以上公式中：V一焊接速度（cm/s）：V一单位时间焊丝熔化金属体积（cm3/s）：m一焊丝的熔化速度（cm/s）：S-坡口截面积（cm2）：I-焊接电流（A）：U-电弧电压（V）：E-焊接线能量（J/cm）：k-焊丝的熔化系数（cm3/A-s），大小取决于焊丝的电阻率、直径、伸出长度等，当这些参数不变时，其值为常数。1
1 热循环关键参数与焊接 工艺之间的关系 焊接工艺参数与焊接线能量的关系 当焊丝熔化速度与焊接速度之间处于平衡状态时，焊接速度等于单位时间熔化金属的填充 体积和坡口截面积之比,即: v V S 在不考虑飞溅损失时,可认为焊丝熔化速度和坡口截面积之比为: mv v S 而焊丝的熔化速度与焊接电流成正比: m t v k I 焊接线能量为： IU E v 因此， 1 t E US k 以上公式中： v一焊接速度（cm/s）； V一单位时间焊丝熔化金属体积（cm3/s）； vm—焊丝的熔化速度（cm3/s）； S-坡口截面积（cm2）； I-焊接电流（A）； U-电弧电压（V）； E-焊接线能量（J/cm）； kt-焊丝的熔化系数（cm3/A·s），大小取决于焊丝的电阻率、直径、伸出长度等，当这些参数 不变时，其值为常数
焊接参数（焊接电流、焊接电压及焊接速度）设计原理焊接电流、焊接电压及焊接速度设定a.焊接电流选择垂直自动焊时，由于电流密度大，电源超过一般CO,焊短路过渡的临界电流值，熔滴显示滴状过渡形式。其特点是飞溅小，电弧燃烧稳定，且熔敷速度大，因此必须选用合适的电流。过大过小的焊接电流都会影响焊接过程的稳定性和焊道的成形良好。经验焊接参数如下表所示焊接电流及焊接电压经验参数表板厚（mm)电流(A)电压(V)12-14290-35029-3516-2032-3721-2533-45320-40026-3334-42b.电压设计原理焊接电压与电弧长度有关，一般而言，电弧长度越长，焊接电压越大。电弧电压的选用值须与焊接电流相匹配，在其它规范参数不变的情况下，电弧电压增大，焊缝宽度增加，过高的电弧电压会出现焊缝咬边：电压较小时，会导致焊接过程中飞溅严重。但过低的电弧电压会使电弧燃烧不稳定。因此在保证焊接过程稳定和焊缝成形良好的情况下，应尽量降低电弧电压对防止气孔和减少合金元素的烧损都是有利的。电压设定方法：有两种焊接方法，一种是焊速匹配焊接，另一种是焊速不匹配焊接，当焊速不匹配时，焊接一段时间之后焊接将失败。1
1 焊接参数(焊接电流、焊接电 压及焊接速度)设计原理 焊接电流、焊接电压及焊接速度设定 a. 焊接电流选择 垂直自动焊时，由于电流密度大，电源超过一般CO2焊短路过渡的临界电流值，熔滴显示滴状过渡形式。其特点 是飞溅小，电弧燃烧稳定，且熔敷速度大，因此必须选用合适的电流。过大过小的焊接电流都会影响焊接过程的稳 定性和焊道的成形良好。经验焊接参数如下表所示 焊接电流及焊接电压经验参数表 板厚(mm) 电流(A) 电压(V) 12-14 290-350 29-35 16-20 320-400 32-37 21-25 33-45 26-33 34-42 b.电压设计原理 焊接电压与电弧长度有关，一般而言，电弧长度越长，焊接电压越大。电弧电压的选用值须与焊接电流相匹配，在 其它规范参数不变的情况下，电弧电压增大，焊缝宽度增加，过高的电弧电压会出现焊缝咬边；电压较小时，会导致 焊接过程中飞溅严重。但过低的电弧电压会使电弧燃烧不稳定。因此在保证焊接过程稳定和焊缝成形良好的情况下， 应尽量降低电弧电压对防止气孔和减少合金元素的烧损都是有利的。 电压设定方法：有两种焊接方法，一种是焊速匹配焊接，另一种是焊速不匹配焊接，当焊速不匹配时，焊接一段 时间之后焊接将失败