斜Y型坡口焊接裂紋實驗

1、LNPU-小鐵研式抗裂試驗及斷口分析蔣應(yīng)田L(fēng)NPU、實驗?zāi)康?、 通過實驗，使學(xué)生了解評價金屬材 料可焊性的常用實驗方法。2、認識冷裂紋產(chǎn)生的三個條件。3、了解焊接冷裂紋斷口的典型形貌。乜寧石儂化工大學(xué)LNPU二、實驗裝置及實驗材料1、材料試板（材質(zhì)為被測材料）12塊焊條0）4.0 （焊條強度級別與試板等強度）2、設(shè)備焊機（直流焊機）1臺氣割設(shè)備1套砂輪切片機1臺放大鏡、秒表、手錘等各1個腐蝕液若干注寧石溝化工方學(xué)LNPU三、實驗原理1、冷裂紋的測試方法簡介焊接冷裂紋傾向的測定方法很多，常用的有：最高硬度法、斜y 坡口對接裂紋試驗法（“小鐵研式”抗裂實驗）、剛性拘束裂紋 試驗（RRC試驗）、拉

2、伸拘束試驗（TRC）、插銷試驗等。按照接頭拘束類型可把抗裂試驗分為自拘束抗裂試驗和外拘束性 抗裂試驗兩大類.自拘束抗裂試驗主要評價材料（焊材）抗熱、冷裂紋性能，確定 焊接規(guī)范（不開裂時）及熱處理情況（包括預(yù)熱、后熱）。這種試 驗只是定性地進行.象小鐵研試驗、窗口試驗等.外拘束性試驗適用于定量評定材料的裂紋傾向，以及可以比較深 入地進行有關(guān)理論研究工作，像插銷試驗法等.也寧石溝化工尤學(xué)”一焊接冷裂紋的產(chǎn)生及危害冷裂紋是焊后冷卻較低溫度卜產(chǎn)生的。時低 合金鋼、中碳鋼佝言，大約在鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變 溫度Ms附近。它是由于拘束應(yīng)力、淬硬組織和 擴散氫的共同作用下產(chǎn)生的。冷裂紋主要發(fā)生在低合金鋼、中合金鋼、

3、中 碳和高碳鋼的熱影響區(qū)，個別情況卜，如焊接 超高強度鋼或某些鈦介金時，冷裂紋也出現(xiàn)在 焊縫上。危害：接頭性能變壞，產(chǎn)生脆性斷裂。也寧石河化工大學(xué)"二3、冷裂紋的種類延遲裂紋主要特點是：不在焊后立即出現(xiàn),具有延遲現(xiàn)象。主要取決于鋼 中的淬硬傾向，焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)合熔敷金屬中的擴散氫含量淬硬Mt化裂紋主要特點:焊后立即開裂，不受擴散氧的影響，只在拘束應(yīng)力的 作用下產(chǎn)生。產(chǎn)生原因：由于冷卻時馬氏體相變而產(chǎn)生的脆性造成的.主饕取 決于鋼的淬硬性和拘束條件,一般采用較高的預(yù)熱溫度和使用高 韌性的焊條基本上可以防止這種裂溫.(3瓶塑性脆化裂紋由于某些塑性較低材料,焊后冷至低溫時,由于收縮力引

4、起的應(yīng) 變超過了材料本身所具有的塑性儲餐或材質(zhì)變脆而產(chǎn)生的裂紋， 成為低塑性脆化裂紋如，球果鑄鐵補焊時，不采取措施而產(chǎn)生 白口開裂的現(xiàn)象W寧石滄,化工大學(xué)4了延遲冷裂紋的產(chǎn)生機理分 析在三種冷裂紋中，延遲裂紋的危害性最大，最具有普 遍性。因此，這里主要介紹這中裂紋的產(chǎn)生情況。有 關(guān)研究證明：鋼材的淬硬傾向，焊接接頭含氫量及其 分布，以及接頭所承受的拘束應(yīng)力狀態(tài)是高強鋼焊接 時產(chǎn)生冷裂紋的三大主要因素。這三個因素在一定條 件下是互相聯(lián)系和相互促進的。旦寧石儂化工大型下面就三大因素簡單介紹一下。鋼材的淬硬傾向,主要決定于化學(xué)成分、板厚.焊接工藝和冷 卻條件等.鋼淬硬后開裂主要有以下的兩個方面原因.

5、形成脆硬的馬氏體組織馬氏體的脆便是因碳飽和固溶在aFe種.使晶格發(fā)生較大的畸 變而難以變形（滑移），這樣斷裂時將消耗較低的（很少）能量.因此,馬氏體的存在時利于裂紋的形成和擴展.淬硬會形成更多的晶格缺陷碳在aFe中過飽和固溶，導(dǎo)致嚴(yán)重的晶格畸變.形成大量的晶 格缺陷,主要是空位和位錯.在不平衡條件下，位錯和空位發(fā)生 移動和聚集,在達到一定濃度后便形成裂紋源高強鋼的淬硬幀向以熱影響區(qū)最高硬度L作為評定指標(biāo)若,_（8 +依（”兒）,兒*.=%g + “冷"%產(chǎn)285166s50=20.251035也寧后溝化工大學(xué)a/更一 r擴散氫的作用嬉感究證明. 量的聚集開始于號后的60秒（室溫下板厚

6、20）的冷至100150P,在焊后12小時達到黑大值（在有缺口效應(yīng)的部位）,然后逐漸耗散.氫聚集的理度隨鋼種的化學(xué)成分不同而不同.在較高的拘束條件下 R221700N/MM）氫聚集系數(shù)N（N/q.C-聚集氫濃度.。一初始氫濃度）第Pc.（硬當(dāng)量）的變化如下£ PgR.20%N=1.7：8P-R. 25%H=3. 3；"g = cxpr 黃PN 30%N=6.2'高強鋼爆后冷卻至loot附近時擴散氫在某些部位應(yīng)力應(yīng)變大區(qū)域）發(fā)生聚 集而起到起裂作用.因此.把I00C時的殘余擴股氫E稱為有效氫含量式中H°T 固時餌縫的處時含氧量焊酶的平均厚度M一翅的熬擴散因子

7、一般手工電孤焊時, ,則用回歸方程法可求的M如下,M = 0（7）4=（工皿）皿適用范 B8 115G=49.5630$%;15.5九.25sLNPU對于一般低合金鋼,焊后延遲裂紋的出現(xiàn)往往在熱影響區(qū),這與焊縫及 熱影響區(qū)組織變化和氧的擴散過程有關(guān)由于一般低合金鋼焊縫金屬的含碳量低于熱影響區(qū)，在冷卻時會在較高 的溫度就發(fā)生相變.即由奧氏體分解為鐵素體、紫光體、貝氏體以及低 碳馬氏體等.在分解同時,原先溶解在焊縫的很多氧會極力進行擴散和 逸出,當(dāng)然,原子氫將會從焊縫向熱影響區(qū)擴散.當(dāng)焊縫由奧氏體轉(zhuǎn)變 為鐵素體、珠光體等組織時,氫的溶解度會突然下降.而氫在鐵索體、 珠光體中的擴散速度很快,因此氫會

8、被很快地趕到未轉(zhuǎn)變的奧氏體組織 中去擴散（熱影響區(qū)），而在熱影響區(qū)（奧氏體中）擴散速度慢，不能 很快地把氧擴散到距熔合線較遠的母材中去，因此在熔合線附近形成了 富氫地帶。當(dāng)滯后相變的熱影響區(qū)由奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時（因焊縫相 變超前于熱影響區(qū)相變）,氫便以過飽和狀態(tài)殘留在馬氏體中,促使這 個地區(qū)進一步脆化.如果這個部位有跳口效應(yīng)（應(yīng)力集中.應(yīng)變集中）， 并且氫的濃度足夠高時，就可能產(chǎn)生根部裂紋或郊趾裂紋.若氫的濃度 更高,可使馬氏體更加脆化，也可能產(chǎn)生餌道下裂紋.當(dāng)焊接某些超高強度鋼時,會由于焊縫成分復(fù)雜，導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)相 變先于焊縫,這樣,氧會相反地從熱影響區(qū)向焊縫擴散，那么延遲裂紋 就可能

9、在焊縫上產(chǎn)生.LNPU（3）焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)在焊接時，主要存在以下幾種應(yīng)力不均勻加熱及冷卻過程中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力：金屬相變時產(chǎn)生的組織應(yīng)力 相變產(chǎn)生體積膨脹.會減輕殘余拉伸 應(yīng)力,有利于降低冷裂傾向結(jié)構(gòu)自身拘束條件所造成的應(yīng)力拘束應(yīng)力的大小決定于受拘束的程度,用拘束度R來衰示R的定義，單位長度焊縫，在根部間隙產(chǎn)生單位長度的彈性位移所需要的力E8R L平板對接：式中E-母材金屬的彈性模量I束距離6T厚由上式知：改變拘束距離L和板厚b可以調(diào)節(jié)拘束度R的大小當(dāng)R值達 到一定值時就產(chǎn)生裂紋,這是的R值稱為臨界拘束度R“烏寧石油化工大孕LNPUT牖穌版K(RRC)制仲RqN/(wnmii)m HT50

10、HT60 HTSQ0.35。37“38U68O.2IIO.2U 0,34311400-14000 law-now WW-9400 7000-7600烏寧石油化工大孕LNPU焊接接頭拘束應(yīng)力可采用拘束度來預(yù)測，但并不能完全所反映, 這主要受鋼種類型所限制,兩者之間的關(guān)系可用下式表達式中m拘束應(yīng)力轉(zhuǎn)換系數(shù)，與鋼的線膨脹系數(shù)，力學(xué)焰點，比 熱容以及接頭的坡口角度等有關(guān).式中a 線脹系數(shù)（lO VDTm-力學(xué)熔點（匕）T。一環(huán)境溫度（C）H熱培（J/g）2。一坡口角度J比熱熔（J/（g .C）低合金鋼，手工電弧焊時m=（35）X10 2注寧石石化工大學(xué)LNPU概括以上，高強度鋼焊接時產(chǎn)生冷裂紋的機理在

11、于鋼中產(chǎn)生淬硬之后受氫的侵襲和誘發(fā)，使之脆化，在拘束應(yīng)力的作用下產(chǎn)生了裂紋當(dāng)然，產(chǎn)生冷裂紋的力學(xué)行為并不是一般的平均拘束應(yīng)力，而是在某一敏感 部位（如有缺口、內(nèi)部缺陷等應(yīng)力集中點）達到比平 均應(yīng)力更大的應(yīng)力場才導(dǎo)致開裂。而氫的作用也不是 熔敷金屬中的平均含量，而是冷至150100C時的 殘余擴散氫發(fā)生聚集而造成臨界狀態(tài)的氫量（有效 氫）鋼的淬硬性也不是單純化學(xué)成分所能表達 P5（碳當(dāng)量），而是采用硬度或脆化度較合理。這反映 了化學(xué)成分和組織形態(tài)的共同影響。注寧石石化工大學(xué)LNP 4、冷裂紋的斜y形坡口試驗法此法主要評定碳鋼和低合金鋼焊接熱影響區(qū)對冷裂紋的敏感性.具體實驗方法是：首先用被炸材料加

12、工成如圖所式的試樣，坡口才用機械切削加工. 然后把兩端各60mm范圍內(nèi)先用煤縫固定，焊接時要注意防止角 變形和未焊透.固定焊縫為雙面焊接，要保證填滿.試驗焊縫采用手弧焊或自動送進焊條電弧焊，但要注意餌接時引 孤.熄弧方式并應(yīng)離開拘束焊縫23mm.如圖2所式.試驗焊 縫可在各種不同溫度下施焊,焊后靜止24h再檢測和解刨.焊接 工藝參數(shù)為：焊條直徑4mm,焊接電流170±10A,電弧電壓 24±2V,焊接速度i50±i0mm/min.檢測裂紋可用肉眼和放 大鏡來觀察焊接接頭的表面和斷面上是否存在裂紋，并用下述方 法分別計算出表面裂紋率，試樣上裂紋長度計算的示意圖見圖2

13、.吃寧石溝化工大學(xué)LNPU吃寧石溝化工大學(xué)LNPUS2幺的惇然方式旦寧石溝化工六型LNPU表面裂紋率:中q_表面裂紋率（力）Z 1廠表面裂紋長度之和（mm）L試驗焊縫長度”出*皿根部裂紋率：試樣先經(jīng)著色檢站，然后拉 斷或彎斷式中G根部裂紋率（%）cr = xioo% 根部裂紋長度之和（皿）斷面裂紋率：深度。Cs=xlOO%ZH在試驗焊縫上切下46塊試片，檢查5個斷面上的裂紋旦寧石溝化工大學(xué)LNPU式中Cs斷面裂紋率（。/。）E Hs5個斷面上裂紋深度之和£ H-5個斷面焊縫最小厚度之合 （mm） o如果保持焊接規(guī)范不變而采用不同的預(yù) 熱溫度進行試驗時，可以測的防止冷裂 紋的臨界預(yù)熱溫

14、度，以此作為冷裂紋敏 感性的指標(biāo)之一。旦寧石溝化工大學(xué)L1輜V坡口對接裂紋試驗的特點：接頭拘束度大，根部尖角又有應(yīng)力集中, 因此認為試驗中表面裂紋率小于20%, 則用于生產(chǎn)就是安全的。斜y坡口對接裂紋試驗一般用于評價打底 焊縫及其熱影響區(qū)冷裂紋傾向。而對廣 焊縫金屬則用直角坡口對接裂紋試驗o 其實驗方法及程序同斜y坡口。L" 1、冷裂紋端口分析冷裂紋端口形態(tài)比較復(fù)雜。它隨金屬材 料的性能、強度、含氧量的多少，拘束 條件和焊接工藝變化。開裂的途徑既芍 穿晶，也有沿晶，以及兩種的混合。一 般低合金高強鋼焊接熱影響區(qū)的冷裂紋， 斷口形態(tài)主要由準(zhǔn)解理(Quasi-cleavage fract

15、ure)沿晶(Intergranular fracture) 和少量韌窩(Dimple Rupture)。W?二口訕牝工土學(xué):，L1VPU冷裂紋一般具有延遲的特征,因此冷裂紋的斷裂過程也是分階段進行的. 大致可分為三個階段，即啟裂(起裂)擴展(放射區(qū))和暈后斷裂(剪 切唇)當(dāng)然.材料的成分(P.E)和含氧量將對冷裂斷口形態(tài)有很大影響對啟裂區(qū)斷口形態(tài)的影響用插銷試驗法對三種不同的Pg鋼即i8MnMoNb(Pcm=03359哨,15MnV(A)鋼=0.3240%) ,14MnMoNb3鋼(Ptfn=0.2635<)研究比較后當(dāng)隨著鋼種P0n增大，啟裂區(qū)IG增多，QC減少.Pe對擴展區(qū)形態(tài)的影

16、啕隨著Pon增大，擴展區(qū)中IC比例增加，在Pe較小時,還可能以初富 (DR)為主.Pern對終地區(qū)的形態(tài)影響對低合金鋼,冷裂的終端區(qū)一般都以DR為主.隨著Pj的減少.DR 更為細化.也寧石溝化工大學(xué)4)音裁量對斷口形態(tài)的影響隨著含氫量的增加，斷口形貌將由韌窩向準(zhǔn)解理和 沿晶發(fā)展。因此，隨著鋼種化學(xué)成分和熔敷金屬中的 含氫量不同，斷口形貌也發(fā)生了變化，其變化情況如 下圖所示*一、試件制備1, 將一定厚度的試樣鋼板按圖1尺寸下料， 并按圖要求加工坡口。2、組對試件焊接拘束焊縫，組對好試件，按 圖二尺寸留好間隙，并用石筆劃好分界線。3、 焊滿固定焊縫，均用J422含條，從中間 向兩邊焊，幾層不限，焊

17、滿為止.但要注意要 焊透,不能存在夾渣、未焊透以及角變形.LNPU 一試驗步驟Pcm試驗步驟1,調(diào)整焊接規(guī)范：4焊條，電流,調(diào)整焊接規(guī) 范：焊條，焊條 電流170*0A,電壓+ 244焊速150土0mm/min,并先在廢鋼板上試 ±，焊速七焊以便掌握焊速.焊以便掌握焊速.2,焊接試驗焊道，分別用烘干好的，焊 接試驗焊道，分別用烘干好的J502或J507焊或焊以規(guī)定焊速施焊一道.條,以規(guī)定 焊速施焊一道.試件焊后，在室溫放置24H后,檢查裂縫情況.3,試件焊后，在室溫放置 后檢查裂縫情況.具體計算情況見前面.遼寧石油化工大學(xué)LNPU 一試驗結(jié)果即分析1,記錄下試驗日期，時間，環(huán)境溫度和濕度；試件，記錄 下試驗日期，時間，環(huán)境溫度和濕度；鋼號及化學(xué)成分，試件狀態(tài),試件厚度及其軋制方