金屬熔焊原理第六章焊接缺陷及控制課件

1、本章重點(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、影響因素、防冶措施3、冷裂紋的形成機(jī)理、影響因素、防冶措施4、再熱裂紋、層狀撕裂的形成機(jī)理焊接缺陷： 焊接過程中，在焊接接頭中產(chǎn)生的金屬不連續(xù)、不均勻及其它不健全的現(xiàn)象。焊接性： 金屬是否具有適應(yīng)焊接加工（結(jié)合性能），以及在焊接加工以后是否能在使用條件下安全運(yùn)行的能力（使用性能）。 第一節(jié) 焊接缺陷的分類及危害咬邊：在沿著焊趾的母材部位燒熔形成的溝槽或凹陷，稱為咬邊。焊接電流太大，以及運(yùn)條速度不當(dāng)所造成。未焊透：焊接時，焊接接頭根部未完全熔透的現(xiàn)象，稱為未焊透。坡口角度過小、間隙過小或鈍邊過大；焊接電流太小；焊接速度過快；電弧電壓偏低

2、；焊（或焊絲）可焊性不好；清根不徹底。未熔合：熔焊時，焊道與母材之間或焊道與焊道之間，未完全熔化結(jié)合的部分，稱為未熔合。主要是焊接線能量太低，電弧偏吹，坡口側(cè)壁有銹垢及污物，層間清渣不徹底等。燒穿：焊接過程中，熔化金屬自坡口背面流出，形成穿孔的缺陷，稱為燒穿。焊接電流過大，焊接速度太慢，裝配間隙過大或鈍邊太薄等。焊瘤：焊接過程中，熔化金屬流淌到焊縫之外未熔化的母材上所形成的金屬瘤，稱為焊瘤。操作不熟練和運(yùn)條不當(dāng)，埋弧焊工藝參數(shù)選擇不合適等。氣孔：焊接時，熔池中的氣體在凝固時未能逸出而殘留在焊縫中所形成的空穴，稱為氣孔。 幾種缺陷示例焊接缺陷危害1 引起應(yīng)力集中2 造成脆性斷裂第二節(jié) 焊縫中的氣

3、孔一、氣孔的類型與分布 按氣孔形成的原因，可把氣孔的分類型分為兩大類： 表面氣孔 內(nèi)部氣孔。 表面氣孔主要是由于高溫下液態(tài)金屬溶解了過多的氣體（如氫和氮），熔池結(jié)晶時由于氣體溶解度突然下降，當(dāng)氣泡來不及逸出時便殘留在焊縫中形成氣孔，主要表現(xiàn)為氫氣孔，在對焊接區(qū)保護(hù)不好時也可能出現(xiàn)氮?dú)饪?。?nèi)部氣孔是由于熔池中的冶金反應(yīng)產(chǎn)生了較多的不溶于液態(tài)金屬的氣體（如CO、H2O）而形成的，多表現(xiàn)為CO氣孔。二、氣孔形成的機(jī)理1、氣泡的形核 氣泡的形核必須具備兩個條件：一是液體金屬中有過飽和的氣體；二是具有形核所需要的能量。由熱力學(xué)定律可知，過飽和狀態(tài)會引起系統(tǒng)自由能的升高，這是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，過飽和度越大

4、越不穩(wěn)定，氣體就越容易析出形成氣泡。 2、氣泡的長大（1） 氣泡長大的必要條件 氣泡長大的必要條件是其內(nèi)部壓力足以克服阻礙其長大的外部壓力，即： php0式中 ph 氣泡的內(nèi)部壓力（101kpa）； p0租礙氣泡長大的外部壓力（ 101kpa）。（2）氣泡的長大速度 上式僅是氣泡長大的理論條件，但在熔池中能否形成宏觀的氣體補(bǔ)充。若補(bǔ)充的氣體主要來自于周圍的液體，則氣泡長大的速度可用下式計算： Vg=DCl/rCg 式中 Vg氣泡的長大速度； D氣體的擴(kuò)散系數(shù)； Cl氣體在液體金屬中的過飽和度； r氣泡半徑； Cg單位體積氣泡中的氣體量。3、氣泡的上浮 在熔池中形成具有宏觀尺寸的氣泡后，能否滯留

5、于焊縫中形成氣孔，還取決于氣泡能否從液體熔池中浮出。氣泡上浮與否，則由氣泡浮出的速度與溶池在液態(tài)停留的時間兩個因素而定。4、氣孔的形成條件 形成氣孔的充要條件是氣泡上浮速度小于溶池結(jié)晶速度。夾雜物的種類 氧化物夾雜 氮化物夾雜 硫化物夾雜第三節(jié) 焊縫中的夾雜物 焊縫隙中的夾雜是由于焊接冶金反應(yīng)形成的防止形成夾雜物的措施1 正確選擇符合化學(xué)成分要求的母材和焊接材料2 正確地選擇焊條、焊劑與藥芯焊絲的渣系3 采用正確的焊接工藝： （1）選用合適的焊接工藝參數(shù)，保證熔渣上浮所需的時間。 （2）多層焊時，應(yīng)注意清除前層焊縫的熔渣。 （3）手工電弧焊時，應(yīng)注意焊條作適當(dāng)?shù)臄[動，以利于熔渣上浮。 （4）操

6、作時應(yīng)注意保護(hù)熔池，以防止空氣侵入液態(tài)金屬。一 焊接裂紋的分類及特征二 焊接熱裂紋 第四節(jié) 焊接裂紋三 焊接冷裂紋四 再熱裂紋 五 層狀撕裂六 應(yīng)力腐蝕裂紋 焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋輕者需要返修，浪費(fèi)人力、物力、時間，重者造成焊接結(jié)構(gòu)報廢，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，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。 焊接裂紋的危害越南橋梁坍塌造成大量人員傷亡1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂焊縫中縱向裂紋 焊縫中橫向裂紋 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

7、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 焊縫根部裂紋一、焊接裂紋的分類 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.按裂紋產(chǎn)生本質(zhì)分 1）熱裂紋產(chǎn)生溫度：高溫下存在部位：焊縫、熱影響區(qū)特征： 沿原奧氏體晶界開裂（均是沿晶開裂），其裂口均有明顯的氧化色彩。分類：結(jié)晶裂紋、液化裂紋和多邊化裂紋結(jié)晶裂紋 焊縫結(jié)晶過程中，在固相線附近溫度，由于凝固金屬的收縮，殘余液體金屬不足而產(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。液化裂紋 焊接熱循環(huán)峰值溫度作用下，在近縫區(qū)

8、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)生在鉻鎳高強(qiáng)鋼、奧氏體鋼種，母材和焊絲中S、P、Si、C偏高時液化裂紋傾向嚴(yán)重。多邊化裂紋 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晶格缺陷（形成多邊化邊界），使強(qiáng)度和塑性很差，在很小的拉伸應(yīng)力下開裂。多發(fā)生在純金屬或單項(xiàng)奧氏體合金中。熱裂紋分類：HAZ液化裂紋結(jié)晶裂紋多邊化裂紋2）冷裂紋產(chǎn)生溫度：大體在+100-100之間 較多發(fā)生在Ms點(diǎn)附近存在部位:多在熱影響區(qū)，少量在焊縫。特征（斷口）： 冷裂紋最易發(fā)生在有一定淬硬傾向的鋼種接頭中（中、高碳鋼，高強(qiáng)鋼等）；宏觀斷口具有發(fā)亮的金屬光澤的脆性斷裂特征。微觀看

9、：沿晶開裂，但也有穿晶（晶內(nèi)）開裂，也可沿晶和穿晶混合開裂。冷裂紋分類： 延遲裂紋、淬硬脆化裂紋和低塑性脆化裂紋延遲裂紋 在淬硬組織、氫和拘束應(yīng)力的共同作用下而產(chǎn)生的具有延遲特征的裂紋。主要產(chǎn)生在含沉淀強(qiáng)化元素的高強(qiáng)鋼、珠光體鋼、奧氏體鋼、鎳基合金等鋼種。淬硬脆化（淬火）裂紋 由淬硬組織，在焊接應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂紋。淬硬傾向大的組織易產(chǎn)生這種裂紋（與氫含量關(guān)系部大）。如含碳的NiCrMo鋼、馬氏體不銹鋼、工具鋼。低塑性脆化裂紋 在較低溫度下，由于被焊材料的收縮應(yīng)變，超過了材料本身的塑性儲備而產(chǎn)生的裂紋。多發(fā)生在鑄鐵、堆焊硬質(zhì)合金。冷裂紋分類：冷裂紋延遲裂紋3）再熱裂紋（消除應(yīng)力裂紋） 由于重新

10、加熱（消除應(yīng)力熱處理）過程中產(chǎn)生稱再熱裂紋消除應(yīng)力裂紋。產(chǎn)生溫度：600700回火處理產(chǎn)生部位：熱影響區(qū)的粗晶區(qū)特征：沿晶開裂再熱裂紋 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。產(chǎn)生溫度：約400以下產(chǎn)生部位：熱影響區(qū)附近裂紋形狀：平行于軋制方向的階梯型層狀撕裂 5）應(yīng)力腐蝕裂紋（SCC）： 焊接構(gòu)件在腐蝕介質(zhì)和拉伸應(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。 本節(jié)結(jié)束二 、 焊接熱裂紋 一、焊縫中的結(jié)晶裂紋 特征、產(chǎn)生機(jī)理、影響因素、 防止措施二、熱影響區(qū)液化裂紋

11、 特征、防止措施 一、焊縫中的結(jié)晶裂紋 1. 結(jié)晶（凝固）裂紋的形成機(jī)理 焊縫金屬在凝固過程中，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(diǎn)（如FeS與Fe共晶溫度988）。在結(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”，同時由于收縮而受到了拉伸應(yīng)力，可能會在這個薄弱地帶開裂，形成結(jié)晶裂紋。1）產(chǎn)生部位：結(jié)晶裂紋都是沿焊縫樹枝狀晶的交界處發(fā)生和發(fā)展的。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，有時也發(fā)生在焊縫內(nèi)部的兩個樹枝狀晶體之間。結(jié)晶裂紋2）熔池各階段產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向 簡單

12、的說，結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生就在于焊縫中存在液態(tài)薄膜和在焊縫凝固過程中受到拉伸應(yīng)力共同作用的結(jié)果。 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)力必要條件以低碳鋼焊接為例可把熔池的結(jié)晶分為以下三個階段 液固階段： 不會產(chǎn)生裂紋固液階段： 這一區(qū)也稱為“脆性溫度區(qū)”即圖上a、b之間的溫度范圍完全凝固階段 很難產(chǎn)生裂紋在脆性溫度區(qū),焊縫承受的拉伸應(yīng)力所產(chǎn)生的變形大于焊縫金屬所具有的塑性時產(chǎn)生裂紋。 也就是，高溫階段晶間塑性變形能力不足以承受當(dāng)時所發(fā)生塑性應(yīng)變量。3）產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件：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。脆性溫度區(qū)（TB）大小 TB大，拉應(yīng)力作用時間

13、長，產(chǎn)生裂紋可能性大。TB內(nèi)的應(yīng)變增長率（拉伸應(yīng)力的增長率） 臨應(yīng)變率CST越大,則表示材料的熱裂紋敏感性越小,越不易產(chǎn)生裂紋。焊縫是否產(chǎn)生結(jié)晶裂紋主要決定于以下三個方面：2.焊接結(jié)晶裂紋的影響因素1）冶金因素 結(jié)晶溫度區(qū)間（合金狀態(tài)圖）：合金狀態(tài)圖脆性溫度區(qū)的大小隨著該合金的整個結(jié)晶溫度區(qū)間的增加而增加 裂紋傾向隨結(jié)晶區(qū)間（即脆性溫度區(qū)）的變化而變化。合金元素 a) S、PS、P增加結(jié)晶溫度區(qū)間，脆性溫度區(qū)間TB裂紋 S、P產(chǎn)生低熔點(diǎn)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。P、S引起成分偏析。P、S偏析系數(shù)K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

14、紋。 鋼錠中元素的偏析度Ke元素SPCWVMoSiCrMnNiKe200150605540402020155返回b）C初生相 S、P在先共析(晶)相中溶解度低，析出S、P富集在晶界上，裂紋 Mn具有脫S作用： 還可使薄膜狀FeS改變成球狀分布，抗裂 c）MnC0.1% C結(jié)晶溫度區(qū)間,裂紋0.51% 初生相FeS + Mn = (MnS) + Fed）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，消除結(jié)晶裂紋有良好的作用。e）Ti、鋯(Zr)和稀土元素 一定含量O能降低S的有害作用，形成Fe-F

15、eS-FeO三元共晶，使FeS由薄膜變成球狀，裂紋 f）Ni低熔點(diǎn)共晶：NiS + Ni (644 )Ni會引起結(jié)晶裂紋 g）O 總之，合金元素對結(jié)晶裂紋的影響是重要的，但也是復(fù)雜的。其中C、S、P對結(jié)晶裂紋影響最大，其次是Cu、Ni、Si、Cr等。凝固組織的形態(tài)晶粒大小：晶粒粗大，裂紋的傾向 初生相： 相裂， 裂 在焊縫及母材中加入一些細(xì)化晶粒的合金元素（Ti、Mo、V、Nb、Al和稀土等），一可破壞液態(tài)薄膜的連續(xù)性，二可打亂柱狀晶的方向。例如 雜質(zhì)的低熔點(diǎn)共晶所造成的液態(tài)薄膜是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的重要因素，若將晶界的液態(tài)薄膜改變?yōu)榍驙畹男螒B(tài)，抗裂性2）力的因素 產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的充分條件=ssm在脆

16、性溫度區(qū)內(nèi)金屬的強(qiáng)度在脆性溫度內(nèi)金屬所承受的拉伸應(yīng)力金屬的強(qiáng)度決定于 晶內(nèi)強(qiáng)度 晶間強(qiáng)度sG 晶內(nèi)強(qiáng)度 晶間強(qiáng)度sGT， sGT ， =sG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)晶裂紋的充分條件當(dāng)TT0時，則 ，此時如發(fā)生斷裂必然是晶間斷裂。sG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3、防止結(jié)晶裂紋的措施1）冶金措施 控制焊縫中有害雜質(zhì)的含量 限制S、P、C含量S、P0.030.04 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 變質(zhì)處理：加入Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al 既可防止結(jié)晶裂

17、紋，還可細(xì)化晶粒，改善力學(xué)性能 調(diào)整熔渣的酸堿度（正確選擇焊條） 熔渣的堿度越高，熔池中脫硫、脫氧約完全，從而不易形成低熔點(diǎn)化合物，降低結(jié)晶裂紋傾向。2）工藝措施=B/H要求：1 e0 產(chǎn)生裂紋 e 過熱區(qū)局部晶界的實(shí)際塑性變形量 e0過熱區(qū)局部晶界的塑性變形能力，即不產(chǎn)生再熱裂紋的臨界應(yīng)變量 e實(shí)際塑性應(yīng)變：接頭的殘余應(yīng)力經(jīng)再加熱產(chǎn)生應(yīng)力松馳而引起。與接頭的拘束度殘余應(yīng)力，應(yīng)力集中有關(guān)。 2）再熱裂紋產(chǎn)生機(jī)理 晶界雜質(zhì)析集弱化說 晶界析集P、S、 硼化物沿晶析集二次沉淀理論晶內(nèi)沉淀強(qiáng)化 具有沉淀強(qiáng)化的元素 焊接高溫時過a熱區(qū)合金元素全部溶入A中，A長大.焊后冷卻速度快，合金元素以過飽和形式溶

18、入在F中，滲碳體，一般出現(xiàn)在位錯、空位、缺陷等處。焊后再加熱時（500700）3.影響因素 化學(xué)成分對再熱裂紋的影響 晶粒度對再熱裂紋的影響 焊接接頭不同部位和不同組織對再熱裂紋的影響 1) 冶金因素 2）工藝措施 預(yù)熱及后熱 預(yù)熱裂200450，后熱可降低預(yù)熱溫度 線能量的作用 E適當(dāng)增加，減少過熱區(qū)硬度，裂紋減小 低強(qiáng)焊縫應(yīng)用 減少近縫區(qū)塑變的集中程度，有利于降低再熱裂紋產(chǎn)生傾向 降低殘余應(yīng)力和避免應(yīng)力集中 五、層狀撕裂 1）產(chǎn)生的部位和形狀 宏觀形狀：在外觀上具有階梯狀的形式，由基本上平行于軋制方向表面的平臺與大體上垂直于平臺的剪切壁所組成。 微觀形狀：掃描電鏡觀察低倍下：斷口表面呈典型

19、的木紋狀，是層層平臺在不同高度分布的結(jié)果 部位：母材或熱影響區(qū) 1.特征及危害性 2）產(chǎn)生在厚板結(jié)構(gòu)中十字接頭,丁字接頭,角接頭，平臺局部地區(qū)有硅酸鹽或氧化物夾雜物 2.形成機(jī)理及影響因素 1）層狀撕裂的形成過程 厚板結(jié)構(gòu)中焊接時剛性拘束條件下，產(chǎn)生較大的Z向應(yīng)力和應(yīng)變，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到超過材料的形變能力之后，夾雜物與金屬基體之間弱結(jié)合面發(fā)生脫離，形成顯微裂紋，裂紋尖端的缺口效應(yīng)造成應(yīng)力、應(yīng)變的集中，迫使裂紋沿自身所處的平面擴(kuò)展，把同一平面而相鄰的一群夾雜物連成一平，形成所謂的“平面”。 2）與此同時相鄰近的兩個平臺之間的裂紋尖端處，在應(yīng)力應(yīng)變影響下在剪切應(yīng)力作用下發(fā)生剪切斷裂，形成“剪切壁“，這些平臺和剪切壁在一起，構(gòu)成層狀撕裂所持有的階梯形狀。2.影響因素 1）非金屬夾雜物的種類2）焊接Z向應(yīng)力 3）母材性能 熱影響區(qū)產(chǎn)生淬硬組織、塑性下降; 加熱150350出現(xiàn)應(yīng)變時效，塑性、韌性下降4）氫的作用 氫集聚發(fā)生在夾雜物和基體界面上的氫脆引起層狀撕裂4.防止措施 1）選擇母材 精煉鋼 控制夾雜物 冶煉降低雜質(zhì)，脫S加Ti、Zr或稀土元素，促使夾雜物破碎、球化(成本高) 2）設(shè)計和工藝措施改變接頭形式、降低焊接應(yīng)力應(yīng)盡