焊接熱裂紋產(chǎn)生機理影響因素及防治措施

1、焊接熱裂紋產(chǎn)生機理影響因素及防治措施 一、結(jié)晶裂紋1、產(chǎn)生機理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，有時焊縫內(nèi)部頒在兩樹枝狀晶體之間。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。2）、分析熔池各階段產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向焊縫金屬結(jié)晶過程中，晶界是個薄弱地帶，由金屬結(jié)晶理 論可知，先結(jié)晶的金屬比較純，后結(jié)晶的金屬雜質(zhì)多，并 集富在晶界，并且熔點較低，這些低熔點共晶物被排擠在 晶界，形成一種所謂液態(tài)薄膜，在焊接拉應(yīng)力作用下, 就可能在這薄弱地帶

2、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)薄膜一根本原因。拉伸應(yīng)力一必要條件以碳鋼焊接為 例，分析研究一下，在熔池結(jié)晶過程中什么階段產(chǎn)生結(jié)晶 裂紋的傾向最大。如圖3-77液固階段：熔池開始結(jié)晶時，液相多，固相少，液態(tài)金 屬在晶粒間處于自由流動狀態(tài)，有拉應(yīng)力存在時，拉開后 有液體隨之補充，不易產(chǎn)生裂紋。（1區(qū)）固液階段：固相多，晶粒之間相互接觸，液相少，（低 熔點共晶）在拉應(yīng)力作用時產(chǎn)生微少縫隙，液態(tài)填充少， 產(chǎn)生裂紋，這一區(qū)也稱為“脆性溫度區(qū)”即圖3.77上a、b 之間的溫度范圍？固相階段：完全結(jié)晶完畢，成為整體固態(tài)金屬，拉應(yīng)力 作用時，因無液態(tài)薄膜受力均勻，不易產(chǎn)生裂紋。以一

3、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,L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。3）產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件？圖3-78如圖3-78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 以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)， P = W）,當(dāng)在某一瞬時溫度時有一個最小的塑性值（Pmm）（出現(xiàn)液態(tài)薄膜時）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)？如果拉伸應(yīng)力所產(chǎn)生的變形隨溫度T按曲線（1）變化,e隨T按曲線（1）變化。產(chǎn)生了 Ae變形量

4、，但焊縫仍有Aes的塑性儲備量即（）,不產(chǎn)生熱裂紋4垣-應(yīng)=晝。如果按曲線（2）變化=筮=0處于臨界狀態(tài)按曲線（3）變化時，超過了焊縫塑性的最低值，莓。產(chǎn)生裂紋e = -X0產(chǎn)生裂紋的條件是：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)時所發(fā) 生塑性應(yīng)變量結(jié)論：脆性溫度區(qū)間大小Tb大，拉應(yīng)力作用時間長，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。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。Tb內(nèi)隨溫度降低變形的增長率，（拉伸應(yīng)力的增長率）Tb內(nèi)T t e t f易

5、產(chǎn)生裂紋變形增長率越大，越易產(chǎn)生裂紋變形增長率的大小決定于金屬的熱脹系數(shù)，焊接接頭剛 度，焊縫位置，焊接規(guī)范的大小，溫度場分布等。三者互 相聯(lián)系，又各有獨立性。決定于冶金因素（化學(xué)成分結(jié)晶條件，偏析程度晶粒 大?。Q定于力的因素（焊件剛度，焊拉工藝、金屬的熱物理 性質(zhì)等）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)間的增加而增加如圖3-79 S點、結(jié)晶區(qū)間最大、裂紋傾向最大、共晶 點、裂紋傾向最小。實踐平衡條件下，虛線、不平衡結(jié)晶 圖 3-79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 t裂紋

6、fii）、S、P產(chǎn)生低溫共晶Fe - Fes 988C 匚-FzP1050 CFe,P-F,P 1260 C低溫共晶，易形成液態(tài)薄膜，裂紋iii）、P、S引起成分偏析實驗可知P、S偏析數(shù)大，由于偏析可能在鋼的局部地方 形成低熔點共晶產(chǎn)生裂紋。鋼中各元素的偏析系數(shù) TOC o 1-5 h z 元素S PW V SiMnK200 1506055 4015b）、Ci）、co.i%c t結(jié)晶溫度區(qū)間L裂紋tii）、00.16%加劇P有害作用裂tiii）、00.51% 初生相/元素S、P最大溶解度sS相目 TOC o 1-5 h z P0.180.052.80.25初生相 Jy S、P在小相中溶解度低，

7、析出S、P集富在晶 界上，裂紋tc）、MnMil具有脫S作用Mn+FeSMnS其中Mil熔點高，早期結(jié) 晶星球狀分布，抗裂t含碳量C0.4%易形成低熔點的硅酸鹽夾雜使裂f , 但也有例外，例如焊接高強鋁合金時，加入5%的鋁硅合金 焊絲，利用易熔共晶的“愈合作用”消除裂紋。、鈦Ti錯(4)和稀土元素對硫的親合力大，形成高熔點的硫化物，消除結(jié)晶裂紋 有良好的作用。、Oo t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I凝固時界面張力雜質(zhì)的低熔點共晶所造成的液態(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 t如圖384固相

8、晶粒之間和固液之間表面張力的平衡關(guān)系為。0by = c os2%固體晶粒與殘液之間的表面張力固體晶粒之間的表面張力0固相與液相的接觸角當(dāng)越小。越小%/%=0.5。=0殘液在固體晶粒以薄膜存在裂t。=180。殘液以球狀形態(tài)分布裂I一次結(jié)晶組織形態(tài)及組織對結(jié)晶裂紋的影響晶粒大?。壕Я４执罅裻初生相：/相裂ts裂I8線膨脹系數(shù)小于相變應(yīng)力I裂I2）、力的因素在焊接時脆性溫度區(qū)內(nèi)金屬的強度要小于在脆性溫度區(qū) 內(nèi)金屬所承受的拉伸應(yīng)力。即 Vb產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的充分條件1在脆性溫度區(qū)內(nèi)金屬的強度b 一在脆性溫度內(nèi)金屬所承受的拉伸應(yīng)力金屬的強度與決定于外一晶內(nèi)強度氣一晶間強度T t q I 氣 ITL b。*舄

9、一稱金屬的等強溫度T7；時，發(fā)生斷裂晶間斷裂若焊縫所受拉伸應(yīng)力為q隨溫度變化始終不超過b。，則不 會產(chǎn)生結(jié)晶裂紋J%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3、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、焊絲C 丁。f、- Idtdt（ii）接頭預(yù)熱型式 適當(dāng)增加線能量（q/v）接頭型式 合理（iii）妥善安排焊接次序焊次序二、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。液化裂紋多發(fā)生在餡、鐐的高強鋼、奧氏體鋼、鐐金合 金

10、等，尺寸小0.5mm以下2、產(chǎn)生原因1）、近縫區(qū)晶界處存在低熔點雜質(zhì)，被重新加熱（次要 因素）如FeS熔點1190C, N,u，熔點為645C,璀熔 點為1160C造成晶界局部熔化2）、近縫區(qū)存在晶間液膜（低熔點共晶體）（主要因素） 低熔點共晶體一般組成物為S、P等雜質(zhì)，碳化物如 NbC、M6C MC碳氮化合物、硼化物等。在較大焊接線能下的焊接條件下，由于不平衡的快速加 熱過程，近縫區(qū)的晶界發(fā)生遷移，晶界恰好與富集溶質(zhì) 部位重合時，晶界顯著發(fā)生偏析，易發(fā)生液化現(xiàn)象，晶 間液膜主要形成于晶界碳化物MC或MbC的周圍部 位。在焊接快速加熱時，MC趨向分解并向基體擴散， 但時間不充分，在MC周圍富集

11、濃度高的溶質(zhì)元素， 與基體小反應(yīng)而形成低熔點共晶，從而產(chǎn)生液化裂紋的 現(xiàn)象。例如188Nb是奧氏體不銹鋼，其中含Nb由于Nb易 偏析元素，晶界上集富較多的NbC、NbC與/一&發(fā)生 共晶反應(yīng)，使晶界在1340C1350C發(fā)生液化，比實 際固相線溫度低70Co3、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)晶粒粗化三、多邊化裂紋1、形成條件（形成機理）多邊化現(xiàn)象,焊縫金屬中存在很多高密度的位錯在高溫 和應(yīng)力的共同作用下，位錯極易運動，在不同平面上運 動的刃型位錯遇到障礙時可能發(fā)生攀移，

12、由原來的水平 組合變成后來的垂直組合，即形成“位錯壁”就是多邊 化現(xiàn)象。多邊化是一個擴散過程多邊化現(xiàn)指部分位氏排列成穩(wěn)定而整齊的小角度晶界, 即形成完整亞結(jié)構(gòu)的意思。多邊化邊界就是亞晶界多邊化邊界和富集有害雜質(zhì)的部位重合時，可能產(chǎn)生超 微觀裂紋，在拉伸應(yīng)力作用下，這種超微觀裂紋可發(fā)展 成為微裂紋并延伸到結(jié)晶前緣，在析集毛細現(xiàn)象作用 下，可以從熔池中滲入微裂紋中大量表面活性物質(zhì)，使 微裂紋進一步擴展，形成多邊化裂紋。多邊化裂紋形成階段:發(fā)生在焊縫尚未完全凝固的固液 態(tài)階段，裂紋的形核是在正在凝固的柱晶的多邊化邊界 之上。2、特點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（多層焊）4）、斷口呈現(xiàn)出高溫低塑性斷裂3、影響因素形成多邊化過程所需時間：t = toewt 一完成多邊化過程所需時間t0 常數(shù)U一多邊化過程的激活能，決定于合金成分和應(yīng)力狀態(tài)R一氣體常數(shù)（8.4J/mol . k）T溫度（K）從公式中可以看出，完成多邊化過程所需時間與H、T 有關(guān)。1）、多邊化過程的激活能uU與合金成分，應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)i）.合金成分uT.t長，形成多邊化裂紋時間長，晶格缺陷移動，聚集 就慢，加入焊縫中一些提高多邊化過程激活能的元素,