xy-焊接冶金缺陷

1、德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 第五單元第五單元 焊接冶金缺陷焊接冶金缺陷 機(jī)械工程系 肖瑩瑩 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 Radiographic examination (RT) 本單元主要內(nèi)容 5.1 焊縫中的氣孔 5.2 焊縫中的夾雜 5.3 焊接裂紋 5.4 習(xí)題課 5.1 焊縫中的氣孔 1、氣孔的特征與分類 2、氣孔的形成機(jī)理 3、氣孔的防止措施 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 5.1 焊縫中的氣孔 1、氣孔的危害： (1) 削弱焊縫的有效工件斷面 (2) 帶來應(yīng)力集中 (3) 顯著降低焊縫金屬的強(qiáng)度和韌性 (4) 不利于接頭的動(dòng)載力學(xué)性能 (5) 引起裂紋 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理

2、 5.1 焊縫中的氣孔 2、氣孔形成的根本原因 高溫時(shí)液態(tài)金屬溶解了較多的氣體(H、N)以及在冶 金反應(yīng)過程中生成的氣體(CO、H2O)在凝固過程 來不及逸出而造成。 3、氣孔分布特征 有的分布在表面，有的分布在焊縫內(nèi)部，有的單個(gè) 分布，有的成堆密集分布，有的貫穿整個(gè)焊縫斷 面，有的彌散分布著焊縫內(nèi)部。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 5.1 焊縫中的氣孔 4、氣孔的分類 按氣體來源分： (1) (1) 析出性氣孔(H(H氣孔、NN氣孔) ) (2) (2) 反應(yīng)性氣孔(CO(CO氣孔) ) (3) (3) 侵入性氣孔( (鑄造氣孔) ) 按氣體種類分： (1) H(1) H氣孔 (2) N(

3、2) N氣孔 (3) CO(3) CO氣孔 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 5.1 焊縫中的氣孔 (1)、析出性氣孔 液態(tài)金屬在冷卻凝固過程中，因氣體溶解度下降， 析出的氣體來不及逸出而產(chǎn)生的氣孔稱為析出性 氣孔，主要是氫氣孔和氮?dú)饪住?多數(shù)出現(xiàn)在焊縫表面，焊接鋁、鎂合金時(shí)，析 出性氣孔( (如氫氣孔) )也會(huì)出現(xiàn)在焊縫內(nèi)部。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 1) 氫氣孔 特征：多出現(xiàn)在焊縫表面，斷面形狀多為螺釘狀，從焊縫表面 看呈圓喇叭口形，氣孔的四周有光滑內(nèi)壁。有個(gè)別殘存在內(nèi)部， 以小圓球狀存在。 成因：焊接過程中熔池金屬吸收大量氫，在冷卻和結(jié)晶過程中， 氫的溶解度急劇下降，熔池冷卻速度快

4、，來不及逸出，殘存在 內(nèi)部，使焊縫中形成具有喇叭口形的表面氣孔。 2) 氮?dú)饪?特征：一般成堆出現(xiàn)，形似蜂窩。 成因：主要是保護(hù)效果不好，空氣中的N被熔池金屬吸收，熔 池金屬凝固過程中來不及逸出而形成氣孔。 5.1 焊縫中的氣孔 (2)、反應(yīng)性氣孔 液態(tài)金屬內(nèi)部或與鑄型之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的 氣孔，稱為反應(yīng)性氣孔，如CO氣孔。 成因：液態(tài)金屬內(nèi)部合金元素之間或與非金屬夾雜 物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)造成的。 特征：蜂窩狀氣孔，呈梨形或團(tuán)球形均勻分布。碳 鋼焊縫內(nèi)因冶金反應(yīng)生成的CO氣孔，則沿焊縫結(jié) 晶方向呈條蟲狀分布。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 CO氣孔 特征：焊縫內(nèi)部沿結(jié)晶方向呈條蟲狀，表面光滑

5、。 成因：高溫冶金反應(yīng)生成CO，CO不溶于液態(tài)金屬，在 高溫時(shí)，CO以氣泡的形式猛烈地逸出，但熔池結(jié)晶時(shí)， ，CO不易逸出，此反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，促使結(jié)晶速度 加快，CO形成氣泡不能逸出，沿結(jié)晶方向形成條蟲狀 的內(nèi)氣孔。 5.1 焊縫中的氣孔 (3)、侵入性氣孔 鑄造氣孔，鑄型和型芯等在液態(tài)金屬高溫作用下產(chǎn) 生的氣體，侵入金屬內(nèi)部所形成的氣孔。 特征：數(shù)量較少、體積較大、孔壁光滑、表面有氧 化色，常出現(xiàn)在鑄件表層或近表層。形狀多呈梨 形、橢圓形或圓形，梨尖一般指向氣體侵入的方 向。侵入的氣體一般是水蒸氣、一氧化碳、二氧 化碳、氫、氮和碳?xì)浠衔锏取?德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 5.1 焊縫中的

6、氣孔 5、氣孔的形成過程 (1) (1) 金屬中氣體的析出 擴(kuò)散逸出 實(shí)際生產(chǎn)條件下實(shí)現(xiàn)困難 與金屬內(nèi)的某元素形成化合物 熔渣 以氣泡形式從液態(tài)金屬中逸出 (2) (2) 氣孔的形成過程 生核長(zhǎng)大上浮逸出： 1) 1) 浮出：無氣孔 ; 2) ; 2) 浮不出：氣孔 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 5.1 焊縫中的氣孔 (1) (1) 氣泡的生核 具備條件： 液態(tài)金屬中有過飽和的氣體 基本條件 要消耗一定的能量 在實(shí)際生產(chǎn)條件下，液態(tài)金屬內(nèi)部通常存在大量的現(xiàn) 成表面(如未熔的固相質(zhì)點(diǎn)，熔渣和枝晶的表面) 氣泡生核降低了能量條件，創(chuàng)造了有利條件。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 5.1 焊縫中的

7、氣孔 (1) (1) 氣泡的生核 氣泡依附于現(xiàn)成表面生核所需的能量E為： 最大處就是氣泡最可能生核之地。 相鄰枝晶間的凹陷部位 最大，是氣泡最易生 核之地。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 cos11 A A AVPPE lhp A A ， p E A A A A 5.1 焊縫中的氣孔 (2) (2) 氣泡的長(zhǎng)大 氣體向氣泡內(nèi)不斷析出造成氣泡生核后繼續(xù)長(zhǎng)大。 氣體向氣泡內(nèi)析出的熱力學(xué)條件： 氣體自金屬中的析出壓力大于氣泡內(nèi)該氣體 的分壓。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 氣泡形成初期，r很小，附加壓Pc則很大，氣泡難很 長(zhǎng)大。焊接時(shí)，由于熔池內(nèi)存在著很多現(xiàn)成表面，如柱 狀晶粒和液態(tài)金屬相接觸的

8、地方形成，這些地方由于界 面張力的作用，氣泡不成圓形，而是橢圓形，可以有較 大的曲率半徑r，降低了附加壓力，有利于氣泡的長(zhǎng)大。 (3) 氣泡上浮 氣泡核脫離表面主要與氣泡-液體金屬現(xiàn)成表面界面 張力及接觸角(潤濕角)有關(guān): 當(dāng)90, 氣泡長(zhǎng)大過程中有細(xì)頸出現(xiàn), 當(dāng)氣泡脫離現(xiàn)成表面 時(shí), 會(huì)殘留一個(gè)透鏡狀的氣泡核, 作為新的氣泡核心。形成細(xì) 頸過程需要時(shí)間, 若結(jié)晶速度氣泡脫離現(xiàn)成表面的速度, 形 成氣孔。 5.1 焊縫中的氣孔 5.1 焊縫中的氣孔 (3) (3) 氣泡上浮 結(jié)晶速度較小時(shí), , 氣泡有充分時(shí)間逸出, , 氣泡易上浮 , , 無氣孔; ; 結(jié)晶速度大時(shí), , 氣泡上浮時(shí)間短,

9、, 可能 殘余在焊縫內(nèi)部，形成氣孔。 氣泡上浮速度 ： 當(dāng)r， v，氣泡易浮出 液體金屬密度越大，v，不易形成氣孔 影響最大，T， ，v，易上??； T，v，易形成氣孔 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 2 21 9 2 gr v 5.1 焊縫中的氣孔 2、氣孔的形成機(jī)理 (1) (1) 析出性氣孔的形成機(jī)理 結(jié)晶前沿，特別是枝晶間的氣體溶質(zhì)聚集區(qū)中，氣體 含量將超過其飽和含量，被枝晶封閉的液相內(nèi)則具 有更大的過飽和含量和析出壓力，而液-固界面處 氣體的含量最高，并且存在其他溶質(zhì)的偏析及非金 屬夾雜物，當(dāng)枝晶間產(chǎn)生收縮時(shí)，該處極易析出氣 泡，且氣泡很難排除，從而保留下來形成氣孔。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院

10、 金屬熔焊原理 5.1 焊縫中的氣孔 (2) 反應(yīng)性氣孔的形成機(jī)理 液態(tài)熔池金屬與熔渣相互作用產(chǎn)生的氣孔稱為渣氣 孔，這類氣孔多數(shù)是由反應(yīng)生成的CO氣孔。 熔池金屬凝固過程中，若凝固前沿液相區(qū)內(nèi)存在有 FeO的低熔點(diǎn)氧化夾雜物，則其中的FeO可與液 相中富集的碳發(fā)生反應(yīng)： (FeO)+CFe+CO 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 焊接銅、鎳時(shí)，液態(tài)金屬中溶解的O和H，如果相遇 就會(huì)產(chǎn)生H2O氣泡，凝固前若來不及析出，就會(huì)產(chǎn)生氣 孔。 5.1 焊縫中的氣孔 1、冶金方面 u熔渣的氧化性 u藥皮或焊劑的冶 金反應(yīng) u保護(hù)氣的氣氛 u水分、鐵銹等 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 2、焊接工藝 u焊接

11、工藝參數(shù) u電流類型和極性 u焊接操作 影響氣孔形成的因素很多，有時(shí)是多種因素共同作 用的結(jié)果，但主要的是冶金和工藝兩方面： 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 Radiographic examination (RT) 本單元主要內(nèi)容 5.1 焊縫中的氣孔 5.2 焊縫中的夾雜 5.3 焊接裂紋 5.4 習(xí)題課 5.2 焊縫中的夾雜 1、夾雜的種類及危害 1）氧化物夾雜 2)硫化物夾雜 3）氮化物夾雜 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 5.2 焊縫中的夾雜 2、控制夾雜措施 1) 控制來源 2) 正確選用焊材 3）采用合理的焊接工藝 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 Radiographic e

12、xamination (RT) 本單元主要內(nèi)容 5.1 焊縫中的氣孔 5.2 焊縫中的夾雜 5.3 焊接裂紋 5.4 習(xí)題課 5.3 焊接裂紋 1、裂紋的危害 在應(yīng)力與致脆因素的共同作用下, 使材料的原子結(jié)合 遭到破壞, 在形成新界面時(shí)產(chǎn)生的縫隙稱為裂紋。 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 ，在壓力容器破壞事故中，有很多都是由于焊接裂 紋造成。因此，解決研究焊接裂紋已成為當(dāng)前主要 課題。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 5.3 焊接裂紋 2

13、、裂紋的種類 各種不同類型的裂紋 焊縫中縱向裂紋，焊縫上橫向裂紋， 熱影響區(qū)縱向裂紋，熱影響區(qū)橫向裂紋， 火口（弧坑）裂紋，焊道下裂紋， 焊縫內(nèi)部晶間裂紋，焊趾裂紋， 熱影響區(qū)焊縫貫穿裂紋，焊縫根部裂紋 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 5.3 焊接裂紋 a-縱向裂紋，b-橫向裂紋，c-星形裂紋 1-焊縫中縱向裂紋，2-焊縫上橫向裂紋，3-熔合區(qū)裂紋，4-焊縫根部裂 紋，5-HAZ根部裂紋，6-焊趾縱向裂紋(延遲裂紋)，7-焊趾縱向裂紋 (液化裂紋、再熱裂紋)，8-焊道下裂紋(延遲裂紋、液化裂紋、再熱裂 紋)，9-層狀撕裂，10-弧坑裂紋(火口裂紋) 焊接裂紋的宏觀形態(tài)及其分布 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院

14、 金屬熔焊原理 5.3 焊接裂紋 2、裂紋的分類 (1)、 按裂紋分布的走向分: 橫向裂紋 縱向裂紋 星形（弧形裂紋） (2)、按裂紋發(fā)生部位分: 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 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 縱向裂紋 5.3 焊接裂紋 (3)(3)、 按產(chǎn)生本質(zhì)分: : 熱裂紋 (hot cracking)(hot cracking) 冷裂紋 (cold cracking)(cold cracking) 再熱裂紋 (stress relief cracking) (stress relief cracking) 層狀撕裂 (lamellar tear)(lamella

15、r tear) 應(yīng)力腐蝕裂紋 (stress corrosion cracking) (stress corrosion cracking) 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 5.3 焊接裂紋 3、熱裂紋概述 產(chǎn)生：金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)時(shí)所產(chǎn)生的 開裂現(xiàn)象 部位：主要出現(xiàn)在焊縫上，也可出現(xiàn)在近縫區(qū) 特征：宏觀上, 沿焊縫成縱向分布(連續(xù)或繼續(xù))， 也有橫向分布；裂口均有較明顯的氧化色彩，表 面無光澤，但金屬內(nèi)部的熱裂紋因與外界隔絕， 其氧化程度不如表面裂紋明顯。微觀上，沿晶粒 邊界(包括亞晶界)分布，屬于沿晶開裂性質(zhì)。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 5.3 焊接裂紋 分類： 與液膜有關(guān)

16、： (1) 凝固裂紋 (結(jié)晶裂紋) (2) 液化裂紋 與液膜無關(guān)： (3) 高溫失延裂紋 (多邊化裂紋) 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 5.3 焊接裂紋 (1)(1)、凝固裂紋 金屬凝固結(jié)晶的末期，在固相線附近，因晶間殘存 液膜在應(yīng)力作用所造成的晶間開裂 特征：最常見的熱裂紋形式，其斷口具有沿晶間液 膜分離的特征，裂紋表面無金屬光澤。 主要發(fā)生在含雜質(zhì)較多的碳鋼、低合金鋼焊縫中( (含 S S、P P、C C、SiSi偏高) )和單相奧氏體鋼、鎳基合金 以及某些鋁合金焊縫中。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 5.3 焊接裂紋 (2)(2)、液化裂紋 焊接時(shí)近縫區(qū)或焊縫層間金屬由于過熱，晶間可

17、 能出現(xiàn)液化現(xiàn)象，在拉力作用下由于晶間液膜分 離而導(dǎo)致開裂 特征：在其斷口上局部有樹枝狀突起。 主要發(fā)生在含CrCr、NiNi的高強(qiáng)鋼、奧氏體鋼以及某 些鎳基合金的近縫區(qū)或多層焊層間部位，母材和 焊絲中S S、P P、C C、SiSi含量偏高時(shí)，液化裂紋傾向 嚴(yán)重。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 5.3 焊接裂紋 (3)(3)、高溫失延裂紋( (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)性質(zhì)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。 特征：與液膜無關(guān)，斷口粗糙不光滑，顯示出柱 狀晶明顯的方向性。 主要發(fā)生在純

18、金屬或單相奧氏體合金的焊縫中或 近縫區(qū)。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 5.3 焊接裂紋 4、熱裂紋形成機(jī)理 (1) 成因 焊接過程中遇到的熱裂紋主要是結(jié)晶裂紋。 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(zhǎng)度方向開裂即縱 向裂紋，有時(shí)焊縫內(nèi)部?jī)蓚€(gè)樹枝狀晶體之間。 對(duì)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)生在焊縫之處，還出現(xiàn)在近縫區(qū)上。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 5.3 焊接裂紋 焊縫結(jié)晶過程中晶界是個(gè)薄弱地帶：先結(jié)晶的金 屬較純，后結(jié)晶的金屬含雜質(zhì)較多，形成低熔點(diǎn) 的共晶化合物排擠在柱狀晶交遇的中心

19、部位(晶界 )，形成“液態(tài)薄膜”。此時(shí)因收縮而受到拉伸應(yīng) 力，焊縫中晶界處的液態(tài)薄膜成為薄弱地帶。在 拉伸應(yīng)力的作用就可能在這個(gè)薄弱地帶開裂形成 結(jié)晶裂紋。 產(chǎn)生原因：焊縫中存在液態(tài)薄膜和焊縫凝固過程 中受到拉伸應(yīng)力共同作用的結(jié)果。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 液態(tài)薄膜是必要條件(內(nèi)因) 拉伸應(yīng)力是充分條件 (外因) 5.3 焊接裂紋 (2) (2) 凝固階段對(duì)結(jié)晶 裂紋產(chǎn)生的作用 低碳鋼焊縫熔池結(jié)晶 分三個(gè)階段： (1) (1) 液- -固階段 (2) (2) 固- -液階段 (3)(3)完全凝固階段 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 5.3 焊接裂紋 (1) (1) 液- -固階段 溫度

20、較高、晶核數(shù)量少，相鄰晶粒間不接觸，液態(tài) 金屬可在晶粒間自由流動(dòng)，拉伸應(yīng)力作用下被拉 開的縫隙可能被流動(dòng)的液態(tài)金屬能夠及時(shí)填滿 不發(fā)生裂紋。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 (2) 固-液階段（發(fā)生凝固裂紋的敏感階段） 溫度較低，固相為主，枝晶骨架以長(zhǎng)成；晶間殘留少 量液體尤其是低熔共晶，流動(dòng)困難，拉伸應(yīng)力作用產(chǎn) 生的微小縫隙無法填充由于液態(tài)薄膜抗變形阻力 小，形變將集中于液膜所在的晶間，此時(shí)若存在足夠 大的拉伸應(yīng)力，則在晶體發(fā)生塑性變形之前，液膜所 在晶界就會(huì)優(yōu)先開裂，形成凝固裂紋。脆性溫度 區(qū) (3) 完全凝固階段 熔池金屬完全凝固后形成的焊縫收到拉伸應(yīng)力時(shí)表現(xiàn) 出較好的強(qiáng)度和塑性很難發(fā)生

21、裂紋 特別注意：對(duì)于某些金屬在焊縫完全凝固后，仍有一 段溫度內(nèi)塑性很低，也會(huì)產(chǎn)生裂紋高溫低塑性裂 紋。 5.3 焊接裂紋 (3) 結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的條件 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 T 1 L T 1 H T S T , )(T min 1 )(Tf )(2 CST 3 B T O S T 3 3 =f(T)應(yīng)力變形 =(T)焊縫金屬塑性 TL液相線 TS固相線 TB脆性溫度區(qū)間 THTB上限 TSTB下限 焊接時(shí)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件 5.3 焊接裂紋 拉伸應(yīng)力所產(chǎn)生的變形隨溫度T按曲線(1)變化，產(chǎn)生了1 的變形量，但焊縫仍有1的塑性儲(chǔ)備量，即1 0，不 產(chǎn)生熱裂紋。 拉伸應(yīng)力所產(chǎn)生的變形隨溫

22、度T按曲線(2)變化，產(chǎn)生變形 量恰好等于焊縫的最低塑性值min，即處于臨界狀態(tài)。 拉伸應(yīng)力所產(chǎn)生的變形隨溫度T按曲線(1)變化，產(chǎn)生了3 的變形量， 超過了焊縫塑性的最低值min ，即 30， 產(chǎn)生裂紋。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 5.3 焊接裂紋 產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件：焊縫在脆性溫度區(qū)間內(nèi)所承 受的拉伸應(yīng)變大于焊縫金屬所具有的塑性，或焊 縫金屬在脆性溫度區(qū)間內(nèi)的塑性儲(chǔ)備量( () )小于 零，取決于三方面： 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 （1） 脆性溫度區(qū)TB的大小 TB越大，收縮應(yīng)力的作用時(shí)間就越長(zhǎng)，產(chǎn)生的應(yīng)變量 越大，形成熱裂紋的傾向越大。TB主要取決于焊縫化 學(xué)成分、低熔共晶的

23、性質(zhì)及分布、晶粒的大小及方向 性。 （2） TB內(nèi)金屬的塑性 TB一定時(shí)，TB內(nèi)金屬的塑性min越低，產(chǎn)生熱裂紋的 傾向越大，與焊縫化學(xué)成分、偏析程度、經(jīng)歷大小及 應(yīng)變速率有關(guān)。 （3） TB內(nèi)的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率 /t越大，越容易產(chǎn)生裂紋， /t主要與焊縫金 屬的熱脹系數(shù)、接頭的剛度、焊縫位置、線能量的大 小以及溫度場(chǎng)分布。 5.3 焊接裂紋 產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的力學(xué)條件：在焊接時(shí)脆性溫度區(qū)內(nèi) 金屬的強(qiáng)度小于在脆性溫度區(qū)內(nèi)金屬所承受的拉 伸應(yīng)力，即：mT0：g0，若發(fā)生斷裂則為晶間斷裂，結(jié)晶裂紋 屬于晶間斷裂。 0: 產(chǎn)生晶間裂紋。 5.3 焊接裂紋 焊接結(jié)晶裂紋的影響因素： 1) 1) 冶金因素 合金狀

24、態(tài)圖類型和結(jié)晶溫度區(qū)間 化學(xué)成分 結(jié)晶組織形態(tài) 2) 2) 工藝因素 工藝條件 結(jié)構(gòu)形式 拘束狀態(tài) 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 5.3 焊接裂紋 防止結(jié)晶裂紋的措施 1)1)、冶金方面的措施 控制焊縫中S S、P P、C C等有害雜質(zhì)的含量 uS S、P0.03-0.04P0.03-0.04 u用于低碳鋼和低合金鋼的焊絲：C0.12%C0.12% u高合金鋼焊接：S S、P0.03%P0.03%，嚴(yán)格控制焊絲中 的C C含量，焊絲超低碳焊絲 u對(duì)于一些重要的焊接結(jié)構(gòu)，采用堿性焊條和焊劑 可有效控制有害雜質(zhì)，防止結(jié)晶裂紋或降低傾向 。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 5.3 焊接裂紋 改善焊

25、縫結(jié)晶：向焊縫中加入細(xì)化晶粒的元素 u在碳鋼、合金鋼焊縫中加入Mo、V、Ti、Nb、 Zr、B、Al、Re等合金元素，以細(xì)化晶粒、減少 非金屬夾雜、改善夾雜物的形態(tài)和分布 。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 u焊接18-8型不銹鋼時(shí)，通過調(diào)整母材或焊接材料的 成分，使焊縫金屬獲得+的雙相組織(相5%，體 積分?jǐn)?shù))，提高其抗裂性和抗腐蝕性能。 u對(duì)于某些熱裂傾向較大的材料(如高強(qiáng)鋁合金)，可有 意增多焊縫中易熔共晶的數(shù)量，使之具有愈合裂紋的 作用。但會(huì)降低接頭性能，故應(yīng)適當(dāng)控制。 5.3 焊接裂紋 2)、工藝方面改善焊接的應(yīng)力狀態(tài) 熱輸入E，預(yù)熱溫度T0應(yīng)變速率/t降低 熱裂傾向。 德州職業(yè)技術(shù)

26、學(xué)院 金屬熔焊原理 適當(dāng)增加成形系數(shù)，使低熔點(diǎn)共晶聚集在焊縫上部， 與焊縫收縮應(yīng)力成一定角度，有利于防止凝固裂紋的 產(chǎn)生。 厚板采用多層焊，但要控制各層熔深；接頭處盡量 避免應(yīng)力集中( (錯(cuò)邊、咬邊、未焊透等) ) 。 合理安排焊接次序，盡量降低接頭的剛度或拘束度， 盡可能使大多數(shù)焊縫在較小剛度條件下焊接，以改善 焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)。 5.3 焊接裂紋 4、近縫區(qū)液化裂紋 沿奧氏體晶界開裂的微裂紋，尺 寸很小，一般在0.5mm以下 ，個(gè)別可達(dá)1mm ，屬于晶間 開裂性質(zhì)，裂紋斷口呈典型的 晶間開裂特征。 通常產(chǎn)生在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)， 也可產(chǎn)生在多層焊縫的焊層之 間。 常成為冷裂紋、再熱裂紋、脆

27、性 破壞和疲勞斷裂的發(fā)源地。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 5.3 焊接裂紋 近縫區(qū)液化裂紋產(chǎn)生機(jī)理：一般認(rèn)為是由于熱影響 區(qū)或多層焊間奧氏體晶界上的低熔點(diǎn)共晶，在焊 接高溫下發(fā)生重新熔化，使金屬的塑性和強(qiáng)度急 劇下降，在拉伸應(yīng)力作用下沿奧氏體晶界開裂而 形成的。 此外，在不平衡加熱和冷卻條件下，由于金屬間化 合物分解和元素的擴(kuò)散，造成局部地區(qū)共晶量偏 高而發(fā)生局部晶間液化，也會(huì)產(chǎn)生液化裂紋。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 液化裂紋也出現(xiàn)在脆性溫度區(qū)間：加熱過程中金屬塑性 在T1范圍內(nèi)陡降。 高溫時(shí)熱塑性在很窄的溫度范圍內(nèi)發(fā)生陡降，并在隨后 的冷卻過程中熱塑性也在很窄的范圍內(nèi)回升材料具有

28、良好的抗液化裂紋能力； 溫度升高時(shí)，熱塑性在很寬的溫度范圍內(nèi)下降，冷卻時(shí) 塑性也在較寬的范圍內(nèi)回升材料的抗液化裂紋能力差； 起源于熔合線或結(jié)晶裂紋：在熔合線附近的未混合區(qū)和 部分熔化區(qū)，由于熔化和結(jié)晶導(dǎo)致化學(xué)成分重新分布， 母材中原有的雜質(zhì)將富集到部分熔化區(qū)的晶界上，若母 材的雜質(zhì)較多，就會(huì)形成裂紋；裂紋啟裂后可沿?zé)嵊绊?區(qū)晶間的低熔相擴(kuò)展，成為近縫區(qū)的液化裂紋。 5.3 焊接裂紋 (2)、影響因素 1)1)、化學(xué)成分 液化裂紋主要出現(xiàn)在合金元素較多的高強(qiáng)鋼、不銹 鋼、和耐熱合金的焊接件中：B B、NiNi、CrCr對(duì)液化 裂紋都比較敏感。 2)2)、工藝因素 焊接熱輸入越大，晶界低熔相熔化越

29、嚴(yán)重，晶界處 于液態(tài)的時(shí)間就越長(zhǎng)，液化裂紋傾向越大。 焊縫的斷面呈明顯的倒草帽形，則在熔合線的凹陷 處母材過熱嚴(yán)重，易于產(chǎn)生液化裂紋。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 (3)、防止措施 防止途徑與結(jié)晶裂紋類似：冶金和工藝兩方面 1) 盡可能降低母材中S、P、Si、B等低熔共晶元素的 含量。 2) 焊接工藝上，采用小線能量，避免近縫區(qū)晶粒粗化 5.3 焊接裂紋 5、多邊化裂紋(高溫低塑性裂紋) (1)(1)、形成條件（形成機(jī)理） 焊接冷卻過程中，在固相線以下的高溫階段，金屬 仍處于不斷增長(zhǎng)的收縮應(yīng)力作用之下，此時(shí)金屬 的變形方式主要是晶界滑動(dòng)變形。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 晶界滑動(dòng)變形主

30、要依靠位錯(cuò)和空位移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，也稱 晶界擴(kuò)散變形。 溫度越高，位錯(cuò)或空位的密度越大，越有利于晶界的 擴(kuò)散變形。晶界擴(kuò)散變形的發(fā)展遇到障礙時(shí)，會(huì)在障 礙附近形成較大的應(yīng)變集中，引起楔劈作用而導(dǎo)致裂 紋形核(楔型開裂) 。 空穴開裂理論則認(rèn)為，在高溫和低應(yīng)力下，晶界滑動(dòng) 和晶界遷移同時(shí)發(fā)生，兩者共同作用可形成晶界臺(tái)階， 進(jìn)而形成空穴并發(fā)展成微裂紋。 晶界中過飽和的空位擴(kuò)散凝聚，也可能是形成微裂的 原因，此時(shí)晶界中若存在雜質(zhì)偏析，則有利于降低空 穴的表面能，促使微裂紋更易于形成。 5.3 焊接裂紋 (2)、特點(diǎn) 1)1)、發(fā)生部位與材料 多發(fā)生在單相奧氏鋼或純金屬的焊縫金屬，裂紋以 任意方向貫穿樹枝狀

31、結(jié)晶。 2)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)3)、裂紋多發(fā)生在重復(fù)受熱金屬中( (多層焊) )。 4)4)、斷口呈現(xiàn)出高溫低塑性斷裂的特征。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 5.3 焊接裂紋 (3) 影響因素 多邊化裂紋的影響因素主要是合金成分、應(yīng)力狀態(tài) 和溫度。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 1) 合金成分的影響 多邊化需要激活能越高，晶格缺陷的移動(dòng)和聚集越慢， 形成多邊化的時(shí)間越長(zhǎng)。 在焊縫中加入一些提高多邊化過程激活能的元素(Mo、 W、Ti、Ta)，可有效阻止多邊化過程。 高溫相存在能阻礙位錯(cuò)移動(dòng)，阻止二次邊界的形成 雙相金屬具有良好的抗多

32、邊化裂紋能力。 2) 2) 應(yīng)力狀態(tài) 有應(yīng)力存在，增加了原子的活動(dòng)性，使多邊化過程加 速。 3) 3) 溫度 形成多邊化過程的溫度越高，所需的時(shí)間越短，增加 裂紋傾向。 5.3 焊接裂紋 1、冷裂紋 產(chǎn)生：金屬經(jīng)焊接或鑄造成形后冷卻到較低溫度時(shí) 產(chǎn)生的裂紋，有時(shí)在焊后或加工后立即出現(xiàn)，有 時(shí)則要經(jīng)過一段時(shí)間才出現(xiàn)。 溫度：MsMs點(diǎn)附近或200200300300以下溫度區(qū)間 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 部位：多起源于具有缺口效應(yīng)、易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部 位，或物理化學(xué)不均勻的氫聚集的局部地帶，常出現(xiàn) 在一些厚大焊件、高碳鋼、中碳鋼、低合金、中合金 高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼的焊接熱影響區(qū)，鈦合金出現(xiàn)在焊

33、 縫上。 特征：從宏觀上看，冷裂紋斷口具有發(fā)亮的金屬光澤， 呈脆性斷裂特征；從微觀上看，有的呈晶間斷裂（即 沿晶斷裂），有的為穿晶斷裂，而更常見的是沿晶與 穿晶共存的斷口形態(tài)。有氫作用時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的氫致 準(zhǔn)解理斷口，淬硬傾向越大，沿晶斷裂特征越趨明顯。 5.3 焊接裂紋 2、冷裂紋分類 (1) 延遲裂紋， (2) 淬硬脆化裂紋， (3)低塑性脆化裂紋 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 (1) 延遲裂紋（氫致裂紋） 產(chǎn)生：在氫、鋼材淬硬組織和拘束應(yīng)力的共同作用下 產(chǎn)生，其形成溫度一般在Ms以下200至室溫范圍， 由于氫的作用而具有明顯的延遲特征。 特征：存在著潛伏期(幾小時(shí)、幾天甚至更長(zhǎng))、緩慢

34、擴(kuò)展期和突然開裂三個(gè)接續(xù)的過程。由于能量的釋放， ?？陕牭捷^清晰的開裂聲音。 (2) 淬硬脆化裂紋（淬火裂紋） 產(chǎn)生：某些淬硬傾向大的鋼種，熱加工后冷卻到Ms 至室溫時(shí)，因發(fā)生馬氏體相變而脆化，在拘束應(yīng)力作 用下產(chǎn)生開裂。 特征：其產(chǎn)生與氫的關(guān)系不大，基本無延遲現(xiàn)象，成 形加工后常立即出現(xiàn)。 (3) 低塑性脆化裂紋 產(chǎn)生：某些低塑性材料(如鑄鐵和硬質(zhì)合金等)焊后冷 卻到低溫時(shí)，由于收縮應(yīng)變超過了材料本身所具有的 塑性儲(chǔ)備或材料變脆而產(chǎn)生的裂紋 。 特征：無延遲現(xiàn)象。 5.3 焊接裂紋 3、焊接生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的冷裂紋主要是延遲裂紋 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 (1) 焊道下裂紋 裂紋產(chǎn)生于焊

35、道之下的熱影響區(qū)內(nèi)，距熔合線 約0.10.2mm，該部位常有粗大的馬氏體組織。裂紋 走向大致與熔合線平行，一般不顯露于焊縫表面。焊 道下裂紋是最典型的氫致裂紋。 (2) 焊趾裂紋 裂紋起源于焊縫與母材交界的焊趾處，并有明 顯應(yīng)力集中的部位（如咬肉處）。裂紋從表面出發(fā)， 向厚度的縱深方向發(fā)展，止于近縫區(qū)粗晶部分的邊緣， 一般沿縱向發(fā)展。 (3) 焊根裂紋 裂紋起源于應(yīng)力集中的焊接坡口根部，有的沿 熱影響區(qū)發(fā)展，有的則轉(zhuǎn)入焊縫內(nèi)部。 5.3 焊接裂紋 4、延遲裂紋的主要影響因素及開裂機(jī)理 生產(chǎn)實(shí)踐和理論研究表明： (1) (1) 鋼材的淬硬傾向 (2) (2) 氫的含量與分布 (3) (3) 拘束

36、應(yīng)力狀態(tài) 導(dǎo)致高強(qiáng)度鋼產(chǎn)生冷裂紋的主要原因。 宏觀上：冷裂紋主要由這三因素造成的； 微觀上：氫的微觀行為、接頭的微觀力學(xué)行為等問 題的研究還需要深入。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 5.3 焊接裂紋 (1)、鋼種的淬硬傾向 焊接接頭的淬硬傾向主要決定于鋼種的化學(xué)成分，其 次是焊接工藝，結(jié)構(gòu)板厚及冷卻條件。 鋼的淬硬傾向越大，越容易產(chǎn)生冷裂紋。 主要原因?yàn)?： 1)、形成脆硬的馬氏體 2)、淬硬產(chǎn)生晶格缺陷 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬熔焊原理 焊接上常用HAZ的最高硬度Hmax作為評(píng)定某些高強(qiáng) 鋼的淬硬傾向， 5.3 焊接裂紋 (2)、氫的作用 氫在延遲裂紋的形成中起著重要作用，它決定了裂紋 形成過程中的延遲特點(diǎn)及斷口的形態(tài)特征。氫具有 延遲作用，由氫引起的延