焊接裂紋04996ppt課件VIP

第四節(jié)焊接冶金缺陷焊接裂紋(weldingcracks),一概述,二焊接熱裂紋(hotcracking),三焊接冷裂紋(coldcracking),四再熱裂紋(stressreliefcracking),五層狀撕裂(lamellartear),六應(yīng)力腐蝕裂紋(stresscorrosioncracking),七焊接裂紋綜合分析和判斷,焊接裂紋,重點(diǎn)內(nèi)容,1、裂紋的分類及一般特征2、結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理3、焊接冷裂紋的形成機(jī)理，特征、影響因素，及其防治措施4、焊接裂紋綜合分析及判斷5、各種裂紋斷口形貌特征,4-1概述,一、危害性焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋輕者需要返修，浪費(fèi)人力、物力、時(shí)間，重者造成焊接結(jié)構(gòu)報(bào)廢，無法修補(bǔ)。更嚴(yán)重者造成事故、人身傷亡。如1969年有一艘5萬噸的礦石運(yùn)輸船在太平洋上航行時(shí)，斷裂成兩段而沉沒，USA二戰(zhàn)制造4694艘艦船，970艘出現(xiàn)1442處裂紋，8艘腰斷；59年我國萬噸級巨龍?zhí)柺缀街型緮嗔?據(jù)統(tǒng)計(jì)，40%強(qiáng)的船舶斷裂事故是由焊接裂紋引起的。比利時(shí)1938-1940年焊接50座橋，斷裂10座，在壓力容器破壞事故中，也有很多都是由于焊接裂紋造成。上海寶山鋼鐵股份有限公司能源部一臺650m3氮?dú)馇蚬?07MnCrMoVR)，在原施工單位安裝過程中焊縫和熱影響區(qū)出現(xiàn)裂紋，并且已經(jīng)擴(kuò)展，被上海市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)所判定為報(bào)廢球罐。因此，研究解決焊接裂紋已成為當(dāng)前焊接技術(shù)人員的主要課題。,二.分類:,1、按裂紋分布的走向分,縱向裂紋,2、按裂紋發(fā)生部位分,橫向裂紋縱向裂紋星形（弧形裂紋）,焊縫金屬中裂紋熱影響區(qū)中裂紋焊縫熱影響區(qū)貫穿裂紋,3、按產(chǎn)生本質(zhì)分類,1）、熱裂紋（高溫裂紋）產(chǎn)生：熱裂紋(高溫裂紋)高溫下產(chǎn)生存在部位：主要發(fā)生在焊縫中，有時(shí)也存在于熱影響區(qū),特征：宏觀看,沿焊縫的軸向成縱向分布（連續(xù)或繼續(xù)）也可看到焊縫橫向裂紋，因在高溫下形成，裂口均有較明顯的氧化色彩，表面無光澤，微觀看，沿晶粒邊界（包括亞晶界）分布，所以又稱晶間裂紋，屬于沿晶斷裂性質(zhì),1)、熱裂紋分類,結(jié)晶裂紋：在凝固的過程-結(jié)晶過程中產(chǎn)生高溫液化裂紋：在高溫下產(chǎn)生,鋼材或多層焊的層間金屬含有低熔點(diǎn)化合物經(jīng)重新熔化，在收縮應(yīng)力作用下,沿奧氏體晶間發(fā)生開裂多邊化裂紋：產(chǎn)生溫度低于固相線溫度,存在晶格缺陷(位錯(cuò)和空位),物理化學(xué)的不均勻性,在應(yīng)力作用下,缺陷聚集形成多邊化邊界,使強(qiáng)度塑性下降,沿多邊化邊界開裂,多發(fā)生在純金屬或單相奧氏體合金焊縫中。,HAZ液化裂紋,晶間裂紋,多邊化裂紋,2）、再熱裂紋（消除應(yīng)力處理裂紋）,由于重新加熱（熱處理）過程中產(chǎn)生稱再熱裂紋消除應(yīng)力處理裂紋。,3）、冷裂紋,產(chǎn)生溫度：溫度區(qū)間在+100-75之間存在部位:多在熱影響區(qū),但也有發(fā)生在焊縫。特征（斷口）：宏觀斷口具有發(fā)亮的金屬光澤的脆性斷裂特征。微觀看：晶間斷裂，但也可穿晶（晶內(nèi)）斷裂，也可晶間和穿晶混合斷裂。,(a)穿晶開裂(b)沿晶開裂高鉻合金鑄鐵堆焊層中的冷裂紋(2000年5月),冷裂紋分類：,延遲裂紋：特點(diǎn)不在焊后立即出現(xiàn)，有一段孕育期產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象稱延遲裂紋。淬硬脆化裂紋（淬火裂紋）：淬硬傾向大的組織易產(chǎn)生這種裂紋（與氫含量關(guān)系不大）。低塑性脆化裂紋：在比較低的溫度下，由于收縮應(yīng)變超過了材料本身的塑性儲備產(chǎn)生的裂紋稱低塑性脆化裂紋。,延遲裂紋,4）、層狀撕裂：,由于軋制母材內(nèi)部存在有分層的夾雜物(特別是硫化物夾雜物）和焊接時(shí)產(chǎn)生的垂直軋制方向的應(yīng)力，使熱影響區(qū)附近地方產(chǎn)生呈“臺階”狀的層狀斷裂并有穿晶發(fā)展。,5）、應(yīng)力腐蝕裂紋：,金屬材料在某些特定介質(zhì)和拉應(yīng)力共同作用下所產(chǎn)生的延遲破裂現(xiàn)象，稱應(yīng)力腐蝕裂紋。,裂紋分類、特征歸納表,三、熱裂紋與冷裂紋的基本特點(diǎn),4-2焊接熱裂紋,一、結(jié)晶裂紋1、產(chǎn)生機(jī)理1）產(chǎn)生部位：結(jié)晶裂紋大部分都沿焊縫樹枝狀結(jié)晶的交界處發(fā)生和發(fā)展的，常見沿焊縫中心長度方向開裂即縱向裂紋，有時(shí)焊縫內(nèi)部兩個(gè)樹枝狀晶體之間。對于低碳鋼、奧氏體不銹鋼、鋁合金、結(jié)晶裂紋主要發(fā)生在焊縫上；某些高強(qiáng)鋼，含雜質(zhì)較多的鋼種，除發(fā)生在焊縫之外，還出現(xiàn)在近縫區(qū)上。,結(jié)晶裂紋,2）、熔池各階段產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向,在焊縫金屬凝固結(jié)晶的后期，低熔點(diǎn)共晶物被排擠在晶界，形成一種所謂的“液態(tài)薄膜”，在焊接拉應(yīng)力作用下，就可能在這薄弱地帶開裂，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。產(chǎn)生結(jié)晶裂紋原因：液態(tài)薄膜拉伸應(yīng)力液態(tài)薄膜根本原因拉伸應(yīng)力必要條件,固液階段：這一區(qū)也稱為“脆性溫度區(qū)”即圖上a、b之間的溫度范圍,固相階段：也叫完全凝固階段,以低碳鋼焊接為例可把熔池的結(jié)晶分為以下三個(gè)階段,液固階段：（1區(qū)）,TB稱為脆性溫度區(qū)，在比區(qū)間易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，雜質(zhì)較少的金屬,TB小產(chǎn)生裂紋的可能性也小，雜質(zhì)多的金屬TB大，產(chǎn)生裂紋的傾向也大,1區(qū),3）產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件,如圖縱座標(biāo)表示溫度，橫坐標(biāo)表示由拉伸應(yīng)力所產(chǎn)生的變形（e）和金屬的塑性（P），脆性溫度區(qū)的范圍用TB表示上限是固液溫度開始下限固相線附近，或低于固相線一段溫度。,在脆性溫度區(qū)內(nèi)焊縫的塑性用P表示,是溫度的函數(shù)，,當(dāng)在某一瞬時(shí)溫度時(shí)有一個(gè)最小的塑性值（Pmin)（出現(xiàn)液態(tài)薄膜時(shí)）受拉伸應(yīng)力所產(chǎn)生的變形用e表示，也是溫度的函數(shù).,按曲線（3）變化時(shí)，e超過了焊縫塑性的最低值,es0，不產(chǎn)生熱裂紋,當(dāng)按曲線2變化時(shí),此時(shí)由拉伸應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變,恰好等于焊縫的最低塑性值,即處于臨界狀態(tài),塑性儲備量es=0,在脆性溫度區(qū)焊縫所承受的拉伸應(yīng)力所產(chǎn)生的變形大于焊縫金屬所具有的塑性時(shí)產(chǎn)生裂紋,即高溫階段晶間塑性變形能力不足以承受當(dāng)時(shí)所發(fā)生塑性應(yīng)變量。,產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件,脆性溫度區(qū)（TB）內(nèi)金屬的塑性，TB內(nèi)金屬的塑性越小，越易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。,結(jié)論：,脆性溫度區(qū)間大小,TB大，拉應(yīng)力作用時(shí)間長，產(chǎn)生裂紋可能性大，決定于焊縫化學(xué)成分，雜質(zhì)性質(zhì)與分布，晶粒大小。,TB內(nèi)隨溫度降低變形的增長率（拉伸應(yīng)力的增長率）。在TB內(nèi)，隨溫度下降，變形的增長率越大，越容易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。變形的增長率主要取決于金屬的熱脹系數(shù)，焊接接頭的剛度，焊縫位置，焊接規(guī)范大小，溫度場分布等因素。,二、影響焊接結(jié)晶裂紋的因素,1）、冶金因素結(jié)晶溫度區(qū)間：合金狀態(tài)圖脆性溫度區(qū)的大小隨著該合金的整個(gè)結(jié)晶溫度區(qū)間的增加而增加,如圖S點(diǎn)、結(jié)晶區(qū)間最大、裂紋傾向最大、共晶點(diǎn)、裂紋傾向最小。實(shí)線為平衡條件結(jié)晶，虛線不平衡結(jié)晶,合金元素a)、S、P增加結(jié)晶裂紋傾向,i)S、P增加結(jié)晶溫度區(qū)間,脆性溫度區(qū)間TB裂紋,ii)S、P產(chǎn)生低溫共晶,使結(jié)晶過程中極易形成液態(tài)薄膜,因而顯著增大裂紋傾向,iii)P、S引起成分偏析.實(shí)驗(yàn)可知P、S偏析系數(shù)越大,偏析的程度越嚴(yán)重.偏析可能在鋼的局部地方形成低熔點(diǎn)共晶，產(chǎn)生裂紋。,b)、Ci)、C0.16%，C結(jié)晶溫度區(qū)間,裂紋，加劇P有害作用，裂i)、C0.51%時(shí)，初生相為，S、P在相中溶解度低，析出S、P集富在晶界上，裂紋,Mn具有脫S作用，置換FeS為MnS,并能改變FeS的分布形態(tài)，由薄膜狀變?yōu)榍驙罘植?，抗裂，所以：要求C0.1%時(shí)，Mn/S22;C為0.11%-0.125時(shí)，Mn/S30；C為0.126-0.155時(shí)，Mn/S59；,含碳量C0.16%P對形成結(jié)晶裂紋的作用超過了S，Mn無意義,c)、Mn,注意：,d)、Si硅是相形成元素，利于消除結(jié)晶裂紋,相中S、P溶解度大緣故，Si0.4%易形成低熔點(diǎn)的硅酸鹽夾雜使裂,對硫的親合力大，形成高熔點(diǎn)的硫化物(TiS或ZrS熔點(diǎn)為接近2100)，對消除結(jié)晶裂紋有良好的作用。存在的問題是與氧的親和力更大。,e)、鈦(Ti)鋯(Zr)和稀土元素,f)、O,O降低S的有害作用，氧、硫、鐵能形成Fe-FeS-FeO三元共晶，使FeS由薄膜變成球狀，裂紋,日本JWS推薦的臨界應(yīng)變增長率CST,CST=(-19.2C-97.2S-0.8Cu-1.0Ni+3.9Mn+65.7Nb-618.5B+7.0)*10-4,當(dāng)時(shí)，可以防止裂紋,熱裂敏感系數(shù)HCS公式,當(dāng)HCS時(shí)，發(fā)生斷裂，晶間斷裂,T=,稱金屬的等強(qiáng)溫度,若焊縫所受拉伸應(yīng)力為隨溫度變化始終不超過，則不會產(chǎn)生結(jié)晶裂紋產(chǎn)生結(jié)晶裂紋,產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件是冶金因素和力共同作用，二者缺一不可,II,II,I,II,II,I,II,II,I,加熱到某一溫度時(shí)，焊縫I承受壓應(yīng)力，近縫區(qū)II承受拉應(yīng)力,假定三部分可自由變形，冷卻到某一溫度時(shí)，焊縫I和近縫區(qū)II的變形,實(shí)際冷卻到某一溫度時(shí)，焊縫I和近縫區(qū)II的變形，I承受拉應(yīng)力，II承受壓應(yīng)力,焊縫從高溫冷卻到低溫時(shí)的變形,三、防止結(jié)晶裂紋的措施,1）、冶金方面控制焊縫中有害雜質(zhì)的含量，限制S、P、C含量S、P0.03-0.04焊絲C0.12%(低碳鋼)焊接高合金鋼，焊絲超低碳焊絲改善焊縫的一次結(jié)晶細(xì)化晶粒，加入Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al,2)、工藝方面（減少拉應(yīng)力）,(1)焊接工藝及規(guī)范：如提高預(yù)熱溫度和增加線能量可以減小焊縫金屬的變形率；（2）接頭型式：接頭形式不同，剛性不同，散熱條件不同，結(jié)晶裂紋傾向不同,接頭形式對裂紋傾向的影響,（3）妥善安排焊接次序焊次序,四、近縫區(qū)液化裂紋,1、產(chǎn)生部位及材料通常產(chǎn)生在母材的熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，也可產(chǎn)生在多層焊縫的焊層之間液化裂紋屬于晶間開裂性質(zhì)，裂紋斷口呈典型的晶間開裂特征。2、產(chǎn)生原因1）、近縫區(qū)晶界處存在低熔點(diǎn)雜質(zhì)2）、近縫區(qū)存在晶間液膜(低熔點(diǎn)共晶體),液化裂紋,3、影響因素,1）、化學(xué)成分2）、工藝因素,4、防止措施,1）、控制S、P等雜質(zhì)含量如采用電渣精煉的方法，去除合金中的雜質(zhì)。2）、焊接工藝上，采用小線能量，避免近縫區(qū)晶粒粗化,五、多邊化裂紋,1、形成條件（形成機(jī)理）多邊化現(xiàn)象，焊縫金屬中存在很多高密度的位錯(cuò)在高溫和應(yīng)力的共同作用下，位錯(cuò)極易運(yùn)動(dòng)，在不同平面上運(yùn)動(dòng)的刃型位錯(cuò)遇到障礙時(shí)可能發(fā)生攀移，由原來的水平組合變成后來的垂直組合，即形成“位錯(cuò)壁”就是多邊化現(xiàn)象。,2、特點(diǎn),1）、發(fā)生部位與材料發(fā)生在焊縫中，常見于單相奧氏鋼或純金屬的焊縫金屬裂紋走向：以任意方向貫穿樹枝狀結(jié)晶2）、常常伴隨有再結(jié)晶晶粒出現(xiàn)在裂紋附近，多邊化裂紋總是遲于再結(jié)晶3）、裂紋多發(fā)生在重復(fù)受熱金屬中