第講焊接裂紋

1、第2講焊接裂紋1、焊接時的溫度循環(huán)圖圖i 焊接溫度循環(huán)圖2、焊接接頭中的裂紋3、接頭中裂紋的物態(tài)和分布辨律圾硼緘葺多為緬晶讖篇能夠識別2焊縫由翻向裂綠：1多海遲裂洞 如4焊縫根部裂紋（延遲、熱應(yīng)力裂紋）3娉岳橫向裂紋（多為延遲裂紋）,4焊縫根部裂紋（延遲、熱應(yīng)力烈數(shù)）|兒5 HAZ根部裂紋（延遲裂紋）7焊趾縱向裂紋（液化、再熱裂紋）6耳趾縱向裂紋（延遲裂紋）8焊道下裂紋（延遲、液化、再熱裂紋）9片狀撕裂弧坑裂紋（縱向、橫向、星形）圖2 （焜隸灘球族婢紋一日 牙葩4、熱裂紋及林礴熱裂紋是產(chǎn)地叩高溫下產(chǎn)生的，鼻褪好盛卿施裂一J熱I裂冷裂結(jié)晶（凝固I）裂紋是在總縫結(jié)晶過程中，在固相線附近溫度，由于凝

2、固金屬的收縮，殘余凝液 再 層 淬 氫 時 析 脆 收 缺液體金屬不足而產(chǎn)生；主要產(chǎn)生在含雜質(zhì)較多的碳鋼、低合金鋼和單相奧氏體鋼焊縫中 *高溫液化裂紋是在焊接熱循環(huán)峰值溫度作用下，在近縫區(qū)或多層焊的層間部位低熔共晶被 重新熔化，在拉伸應(yīng)力作用下開裂；主要發(fā)生在銘鍥高強鋼、奧氏體鋼中，母材和焊絲中S、P、Si、C偏高時液化裂紋傾向嚴重* 多邊化裂紋是在焊縫或近縫區(qū)，在固相線稍下溫度的高溫區(qū)，剛凝固的金屬中存在品格缺陷（形成多邊化邊界），使強度和塑性很差，在很小的拉伸應(yīng)力下開裂；多發(fā)生在純金屬或單相奧氏體合金中。* 高溫低塑性裂紋是冷卻到一定高溫范圍時， 應(yīng)變與冶金元素交互作用引起塑性低落， 沿晶

3、界開裂。* 冉熱裂紋是在消除應(yīng)力熱處理或在服役過程中， 在熱影響區(qū)粗晶部位發(fā)生的；多發(fā)生在低 合金高強鋼、奧氏體鋼中4.1凝固裂紋（結(jié)晶裂紋）焊縫上凝固裂紋（結(jié)晶裂紋）的形成：在焊縫冷卻過程中，先結(jié)晶的 金屬較純，后結(jié)晶的金屬含雜質(zhì)較多，并富集在晶界，所 形成的共晶都具有較低熔點（如 FeS與Fe共晶溫度988 C）。在液相線和固相線之間凝 固區(qū)是一個非常關(guān)鍵的區(qū)域，此時在熔池中長大的柱狀晶要聯(lián)接在一起，結(jié)晶后期，已經(jīng) 長大的晶粒阻礙了尚存在的液態(tài)金屬的流動，低熔共晶物被排擠在柱狀晶交遇的中心部位， 形成“液態(tài)薄膜”，同時由于收縮受到了拉伸應(yīng)力，可能會在這個薄弱地帶開裂。碳鋼、低合金高強鋼和不

4、銹鋼中的 P、S、Si、Ni、B、Zr都能形成低熔點共晶。熔池結(jié)晶的階段：1）液固階段：少量晶核，相鄰晶粒之間有液態(tài)金屬自由流動，不會開裂；2）固液階段：周相彼此接觸，液態(tài)金屬少，流動困難，稍有拉伸應(yīng)力就可能產(chǎn)生裂紋；3）完全凝固階段：有較高的強度和塑性，即使有應(yīng)力也不易開裂。p-塑Ti y-流動性TL-液相線TS-固相線TB-脆性溫度區(qū) 圖3熱裂紋的形成 結(jié)晶裂紋的形態(tài)：結(jié)晶裂紋都是沿焊縫樹枝狀晶的交界處發(fā)生和發(fā)展，一般產(chǎn)生在焊縫中心位置，最常見的是沿焊縫中心縱向開裂，也有時發(fā)生在焊縫內(nèi)的兩個樹枝品之間。裂紋面上可以看到氧化色彩。斷口表面掃描電子圖像可以看到完整的、成束排列的樹枝晶，表面光滑

5、，是高溫下液焊接過程中的受熱使近縫區(qū)（粗晶區(qū)）被加熱到接近材料固相線附近的溫度。這樣會 使品界上的低熔點物質(zhì)熔化并以薄膜的形式分布在晶粒的表面上。在較高的收縮應(yīng)力的作 用下，會使這種已經(jīng)削弱了的晶粒之間的連接沿晶界造成開裂。焊縫上液化裂紋的形成：多層焊時，先焊的焊道受后焊焊道的熱作用（形成粗晶區(qū)），會受到與熱影響區(qū)的部 分區(qū)域相同的影響。因此在較高的峰值溫度作用下會使晶界上的低熔點共晶物熔化并在收 縮應(yīng)力的作用下造成開裂。在近縫區(qū)產(chǎn)生的液化裂紋，大致與熔合線平行多層焊焊縫中產(chǎn)生的液化裂紋，沿柱狀晶發(fā)展圖5液化裂紋走向液化裂紋的特點和產(chǎn)生部位：液化裂紋是奧氏體晶界開裂的微裂紋，尺寸很小 （0.5

6、mm以下），一般只有在金相磨片 上作顯微觀察才能發(fā)現(xiàn)，可能成為冷裂紋、再熱裂紋脆性破壞和疲勞斷裂的發(fā)源地。常出 現(xiàn)在焊縫熔合線的凹陷區(qū)和多層焊的層間過熱區(qū)（如圖4.3再熱裂紋有些含有沉淀強化元素的低合金高強鋼和高溫合金，在焊后熱處理時，因為雜質(zhì)（P、S、Sb、Sn等）在晶界析集而造成脆化，晶內(nèi)析出沉淀強化元素（Cr、Mo、V、Ti、Nb） 的碳氮化物而使晶內(nèi)強化，應(yīng)力松弛過程中，變形產(chǎn)生在粗晶區(qū)應(yīng)力集中部位的晶界，當 塑性不足時產(chǎn)生裂紋。圖7再熱裂紋形成再熱裂紋都是發(fā)生在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，呈晶間開裂，裂紋沿熔合線母材側(cè)粗晶晶界 擴展，遇到細品就停止擴展產(chǎn)生再熱裂紋有一個敏感溫度區(qū)間，奧氏體不銹

7、鋼約在700-900 ，低合金鋼約在500-700 。熱處理前，焊接區(qū)存在較大殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中。含有沉淀強化元素的材料才對再熱裂紋敏感。熱處理后在焊趾和焊根應(yīng)力集中部位產(chǎn)生再熱裂紋 再熱裂紋斷口形貌，沿晶斷裂特征圖 8 再熱裂紋產(chǎn)生部位和形貌特征5 、熱（結(jié)晶）裂紋的影響因素及防治措施5.1 一般的冶金因素從金屬學的角度看，冷卻時的凝固區(qū)間（結(jié)晶溫度區(qū)間）以及在固相線溫度上固態(tài)金屬和液態(tài)金屬的量的比值對熱裂紋的傾向起著很大作用，應(yīng)盡量減小液態(tài)金屬薄膜存在的區(qū)間。隨著合金元素的增加，結(jié)晶溫度區(qū)間增大，結(jié)晶裂紋傾向增加。S 和 P 在各類鋼中都會增加結(jié)晶裂紋傾向；含 C 量增加，結(jié)晶裂紋傾向增加

8、； Mn 有脫硫作用，可提高抗裂性； Si 在小于 0.4% 時，有利于消除結(jié)晶裂紋； Ti 能形成高熔點硫化物， 有利于消除結(jié)晶裂紋； Ni 在低合金鋼中易于與S 形成低熔共晶，會引起裂紋，但加入 Mn 、 Ti 后，可抑制 S 的有害作用。另外，凝固結(jié)晶組織形態(tài)也對結(jié)晶裂紋有影響，晶粒越粗大，柱狀晶方向越強，裂紋傾向越大。因此，控制焊縫中 S 、 P、 C 的含量，加入細化晶粒元素都是提高抗裂性的辦法。與低合金鋼相比，高合金鋼的特點根據(jù)其化學成份在結(jié)晶時既形成一次鐵素體也形成奧氏體。鐵素體相對奧氏體而言對硫具有較高的溶解能力并且其膨脹系數(shù)非常低。因此一次鐵素體（6鐵素體）相對奧氏體熱裂紋傾

9、向非常低。圖 9中合金2相對合金1具有較高的熱裂紋傾向。圖 9 72%Fe 的 Fe-Cr-Ni 相圖5.2 力學因素產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的充分條件是力的作用，亦即應(yīng)力作用。產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件必須是冶金因素和力學因素共同作用5.3 工藝因素 通過減小熱輸入，在焊縫中避免粗大的樹枝狀的組織，得到具有較小晶粒尺寸的無序 的細胞狀組織。 通過降低焊接速度使晶粒的端部并列長大擠壓在一起，以避免偏析的集中。降低焊接 速度會使晶粒端部成橢圓形結(jié)構(gòu)，因此使晶粒在焊接方向形成較為有利的排列。 寬的焊縫形狀相對窄而深的焊縫能夠防止晶粒長大時直接碰撞在一起，從而可以避免 偏析的集中。使用U華牖踢赧，不擺動和避免熔池過大一

10、般能夠防止熱裂紋。Q+-1焊拷速度高接速度和焊縫形狀對熱裂紋的影響5.4 設(shè)計和施焊的規(guī)程和標準可供使用，這些規(guī)程和標準中有許多在焊接速度低例，如 DIN8558等。接頭及坡口形式將影響接頭的受力狀態(tài)結(jié)晶條件，堆焊和熔深較淺的對接焊縫抗裂性 較高（圖11中a和b）,熔深較大的對接和角接、搭接、T型接頭抗裂性差（圖11中c、d、e、f）。圖11 接頭和坡口形式對熱裂紋的影響6、熱裂紋敏感性評定方法堆焊試驗（單道堆焊用于評定鍥基合金，多層堆焊用于評定不銹鋼焊條）Fisco試驗（用于評定低碳鋼、鋁合金、不銹鋼焊條焊縫）環(huán)形鑲塊裂紋試驗（用TIG焊法不加填充焊絲熔化母材評定母材）指形裂紋試驗（用MIG

11、或TIG焊法評定高合金、有色金屬）魚骨狀可變拘束裂紋試驗（用于評定鋁合金薄板及選用的焊絲材料）可變拘束裂紋試驗（用不加填充焊絲的 TIG焊評定母材）橫向可變拘束裂紋試驗（用不加填充焊絲的 TIG 焊評定母材低碳鋼、低合金高強鋼、 不銹鋼等）遞增應(yīng)變速率熱裂紋試驗在焊接過程模擬機上試驗（剛性拘束試驗和強迫應(yīng)變試驗）7、冷裂紋及其形成7.1 冷裂紋特征焊后冷卻過程中，在Ms 點附近或更低溫度區(qū)間產(chǎn)生，有時焊后馬上產(chǎn)生，這主要是由于接頭產(chǎn)生的淬硬組織；也有時延遲產(chǎn)生，焊后幾小時、幾天、或更長時間產(chǎn)生，這主要是由于氫的作用。多發(fā)生在具有缺口效應(yīng)的熱影響區(qū)或物理化學不均勻的氫聚集局部。根部、焊趾裂紋起源

12、于應(yīng)力集中部位，沿最大應(yīng)力方向，向熱影響區(qū)或焊縫發(fā)展；焊道下裂紋在粗大的馬氏體組織且含氫量較高的熱影響區(qū)形成， 走向與焊縫平行； 橫向裂紋走向垂直于焊縫邊界。具有沿晶和穿晶斷裂特點。根部裂紋和焊趾裂紋，向熱影響區(qū)擴展角焊縫根部裂紋，向焊縫擴展圖 12 冷裂紋產(chǎn)生的位置7.2 延遲裂紋的產(chǎn)生和影響因素在焊接過程中帶入到焊接接頭中的氫，焊縫產(chǎn)生的淬硬組織和焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)，是造成氫致延遲裂紋的三個主要因素。7.2.1 氫的作用焊接過程中，在高溫下焊縫中溶解了很多氫（如圖 13 ） ，電弧中氫分解并以原子或離子的形式進入到液態(tài)金屬中去。氫來自焊接材料中的水分、空氣中的濕氣、焊件表面的鐵銹及油污等。

13、焊縫中氫的吸入主要與氫的局部壓力和溫度有關(guān)，焊縫中氫的溶解能力可達每 100 克焊縫金屬 35ml 。 （如圖 14 ）圖 13 氫的分解和溶解圖 14 氫在不同溫度下的溶解度焊接冷卻時，由于焊縫金屬快速冷卻，氫的濃度高于溶解能力圖中相應(yīng)的濃度，大部 分氫重新結(jié)合成氫氣逸出焊縫。部分氫被強制地溶解在晶粒中，集中在晶界的空位和錯位中，重新結(jié)合成氫氣分子并具有較高氣體壓力，使焊縫金屬中的氫處于過飽和狀態(tài)，因而氫要極力擴散，這種擴散過程（包括氫的再結(jié)合）可能在幾分鐘到幾周內(nèi)完成，因此有延遲特點。氫在不同金屬組織中的溶解度和擴散系數(shù)不同，氫在奧氏體中的溶解度比在鐵素體中的溶解度大，且隨溫度升高而增大。

14、而氫的擴散速度剛好相反，在不同組織中擴散系數(shù)從大到小的順序為鐵素體和珠光體、索氏體、奧氏體。焊接一般的低合金鋼時，由于焊縫的含碳量低于母材，因此焊接冷卻時，焊縫首先發(fā)生相變，即由奧氏體分解為鐵素體、珠光體、貝氏體、及低碳馬氏體，氫的溶解度下降，在鐵素體、珠光體中快速擴散，越過熔合線到還沒發(fā)生分解的奧氏體熱影響區(qū)，由于氫在奧氏體中的擴散速度小，熔合線附近就成了富氫地帶，當滯后相變的熱影響區(qū)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時，氫便以過飽和狀態(tài)殘留在馬氏體中， 使馬氏體脆化， 如果有缺口效應(yīng)， 就可能產(chǎn)生根部裂紋或焊趾裂紋， 氫的濃度更高時，也可能產(chǎn)生焊道下裂紋。圖 15 氫的再結(jié)合和逸出 圖 16 焊接接頭中氫的擴

15、散焊縫中氫含量過高會使晶格變脆，材料的延伸率降低而屈服強度和抗拉強度保持不變（圖 17 ） 。這種脆性行為在進行除氫處理后才消失。魚眼狀白點是材料的一種局部斷裂，在微觀和宏觀顯微鏡下表現(xiàn)為亮的、近似圓形的中間為脆斷面（缺陷點、夾渣、氣孔） ，周圍為韌性斷裂的區(qū)域。白點是含氫的焊縫在焊接后進行塑性變形時產(chǎn)生的。圖 17 含氫試樣和經(jīng)消氫處理的試樣在進行拉伸試驗時的對比7.2.2 淬硬組織的影響馬氏體是碳在鐵素體中的過飽和固溶體，碳原子以間隙原子存在于晶格中，使鐵原子偏離平衡位置，晶格發(fā)生畸變，組織硬化，特別是焊接條件下，快速冷卻時，近縫區(qū)粗大的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮鸟R氏體，這種脆硬組織利于裂紋形成和

16、擴展。不同組織對裂紋敏感性增大順序為：鐵素體或珠光體、下貝氏體、低碳馬氏體、上貝氏體、高碳馬氏體。另外淬硬會形成更多的晶格缺陷（主要是空位和位錯） ，在應(yīng)力和熱的作用下，空位和位錯會發(fā)生移動和聚集，到一定程度會形成裂源。鋼種的淬硬傾向主要取決于化學成分、板厚、焊接工藝和冷卻條件等。碳當量越大，淬硬傾向越大，越易產(chǎn)生冷裂紋。7.2.3 應(yīng)力狀態(tài)的影響焊接條件下存在的應(yīng)力有：由于受熱不均勻產(chǎn)生的熱應(yīng)力、相變時產(chǎn)生的組織應(yīng)力、結(jié)構(gòu)拘束條件（剛度、焊縫位置、焊接順序、自重、負載等）造成的應(yīng)力，這些應(yīng)力綜合作用稱為拘束應(yīng)力，拘束應(yīng)力大小取決于拘束度，一般來講，板厚越大，拘束度越大。實際上， 產(chǎn)生冷裂紋的

17、力學行為不是平均的拘束應(yīng)力， 而是在某一敏感 （缺口、 內(nèi)部缺陷等）部位達到更大的應(yīng)力。8、冷裂紋的防止措施8.1 冶金方面母材上，一方面，采用低碳多元合金強化方式，達到提高強度、保證韌性的目的；另一方面采用精煉技術(shù)降低鋼中雜質(zhì)。焊材上，選用優(yōu)質(zhì)低氫焊接材料和低氫焊接方法，對于重要結(jié)構(gòu)，采用超低氫、高強高韌性焊接材料。在焊接某些淬硬傾向較大的鋼時，也有采用低匹配焊縫或采用塑性好的奧氏體焊縫，來提高抗裂性。烘干焊條、焊劑，清理焊絲和焊接區(qū)域，都是從控制氫來源上防止冷裂紋的產(chǎn)生。8.2 工藝方面工藝上包括焊接線能量、預(yù)熱溫度、焊后后熱、焊后熱處理等。線能量過大，會使近縫區(qū)晶粒粗大；線能量過小，會使

18、熱影響區(qū)淬硬，都會增大冷裂傾向。預(yù)熱可降低冷卻速度，能有效地防止冷裂紋。對于多層焊，還要保持層間溫度不低于預(yù)熱溫度。焊后后熱可使擴散氫充分逸出，是防止冷裂紋的有效措施。對合金元素多、淬硬傾向大、結(jié)構(gòu)拘束度大的構(gòu)件，需要進行焊后熱處理來降低殘余應(yīng)力、改善組織，防止延遲裂紋產(chǎn)生。有些重要結(jié)構(gòu)，還要進行消氫處理。9、冷裂紋敏感性評定方法9.1 間接評價方法碳當量法敏感成分和敏感指數(shù)法熱影響區(qū)最高硬度法9.2 直接試驗方法自拘束試驗（包括巴東對接裂紋試驗、受控熱流程度裂紋試驗、斜 Y 型坡口對接裂紋試驗亦即小鐵研式試驗、 Y 型坡口對接裂紋試驗、里海拘束裂紋試驗、窗形拘束對接裂紋試驗、雙T 型裂紋試驗

19、、十字接頭裂紋試驗、剛性框架十字接頭裂紋試驗等）外拘束試驗（包括插銷式試驗、拉伸拘束裂紋試驗、剛性拘束裂紋試驗等）9.3 焊接過程模擬機上氫致裂紋試驗插銷試驗是評定冷裂紋敏感性常用的方法，插銷上端的缺口處于焊縫的熱影響粗晶區(qū)位置，下端的螺紋旋在試驗機施加拉力的螺母中，用熱電偶測缺口處的焊接熱循環(huán)。如圖 18 ，在一定條件下進行焊接（焊道長100-150mm ，焊條直徑4mm ，焊接電流 160A ， 焊接電壓 24-16V ，焊接速度cm/min ） ， 當溫度降到 150 時施加拉力， 保持恒載到一定時間， 插銷在缺口處斷裂， 記下每一恒載值及斷裂時間。 施加的拉伸應(yīng)力越大， 斷裂時間越短；減小施加的拉伸應(yīng)力，則斷裂時間延長，當應(yīng)力降到某一數(shù)值時，剛好不 斷裂，這一值為臨界應(yīng)力，是衡量氫致裂紋敏感性的定量指標。根據(jù)所使