焊接成型原理課課件

1、焊接成型原理課課件焊接成型原理課課件 第四章 焊接冶金缺陷氣孔焊接熱裂紋 冷裂紋其它焊接裂紋簡介4.14.24.34.4 第四章 焊接冶金缺陷氣孔焊接熱裂紋 冷裂4.1 氣孔 4.1.1形成氣孔的條件 氣孔是指焊縫表面或內(nèi)部形成的連續(xù)的或不連續(xù)的孔洞。是由于熔池金屬中的氣體在金屬結(jié)晶凝固前未能及時逸出，從而以氣泡的形式殘留在凝固的焊縫金屬內(nèi)部或出現(xiàn)在焊縫表面。 氣孔的形成是多種氣體(包括CO、H2和N2)共作用的結(jié)果，但通常其中一種氣體是氣孔內(nèi)氣體的主要成分。形成氣孔時包括三個階段：氣泡的生核、長大和上浮。4.1 氣孔 4.1.1形成氣孔的條件圖4-1 氣孔形成過程示意圖圖4-1 氣孔形成過程

2、示意圖1氣泡生核 氣泡生核應(yīng)具備的條件： （1）液體金屬中有過飽和的氣體； （2）生核要有能量消耗。 在實(shí)際焊接過程中，在凝固著的熔池金屬中存在大量的現(xiàn)成表面(如一些高熔點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)、熔渣和凝固了的枝晶表面等)可作為氣泡生核的襯底，如相鄰枝晶間的凹陷處是最易產(chǎn)生氣泡的部位(見圖1-30)，形成氣孔所需要的能量最小。液態(tài)金屬中氣體的過飽和度越大，越易產(chǎn)生氣孔，且氣泡穩(wěn)定存在的臨界半徑也越小。1氣泡生核2氣泡長大 一旦形成穩(wěn)定的氣泡后，周圍的氣體可繼續(xù)擴(kuò)散進(jìn)入氣泡使之長大。設(shè)氣泡臨界半徑為rc，氣泡成核后要能長大必須滿足如下條件 Pn P0 （4-1） 式中，Pn 為氣泡內(nèi)各種氣體分壓的總和。 （4-

3、2） 2氣泡長大 實(shí)際上具體情況下只有一種氣體起主要作用。 P0為阻礙氣泡長大的外界壓力總和 P0 = Pa + Pm + Ps + Pc （4-3） 其中Pa 、Pm 、Ps 和 Pc分別為大氣壓、金屬、熔渣的靜壓力和表面張力所構(gòu)成的附加壓力。 一般情況Pm 和Ps的數(shù)值相對不大，可忽略不計(jì)，故氣泡長大條件應(yīng)為: （4-4） 實(shí)際上具體情況下只有一種氣體起主要作用。其中， 式中，為金屬與氣體間的界面張力，為氣泡半徑。 可見，氣泡半徑越小，附加壓力越大，氣泡很難穩(wěn)定存在和長大；但當(dāng)氣泡在現(xiàn)成表面上生核時，氣泡為橢圓形，因此曲率半徑較大，使附加壓力大大降低，有利于氣泡長大。其中， 3氣泡上浮當(dāng)氣

4、泡長大到一定程度后，便會脫離現(xiàn)成表面開始上浮，如圖4-2所示。氣泡脫離現(xiàn)成表面而上浮的能力主要與氣泡和現(xiàn)成表面之間的接觸角有關(guān)，而接觸角的大小則取決于現(xiàn)成表面(S)與氣泡(V)之間的界面張力SV、現(xiàn)成表面與熔池金屬(M)間的界面張力SM和熔池金屬與氣泡間的界面張力MV的大小，即 (4-5)3氣泡上浮圖4-2 氣泡拖脫離襯底表面示意圖 1-襯底；2-液體圖4-2 氣泡拖脫離襯底表面示意圖 當(dāng)90時，氣泡要長大到形成頸縮后才有可能脫離基底。氣泡上浮并非就能避免氣孔的形成，關(guān)鍵是要看氣泡的上浮速度和液體金屬凝固速度相對大??；如果上浮速度小于凝固速度，則氣泡仍將殘留在金屬中。反之則可能浮出熔池。因此，

5、產(chǎn)生氣孔的最后條件為 VV R （4-6） 式中，R為熔池金屬的凝固速度，VV為氣泡上浮 速度。 當(dāng)R的條件，則可以完全消除氣孔。 (3)由于氣泡密度V遠(yuǎn)小于液體金屬的密度 4.1.2 氣孔類型及其形成原因 1析出型氣孔 析出型氣孔是指，高溫時熔池金屬中溶解了較多的氣體，凝固時由于氣體的溶解度突然下降，氣體處于過飽和來不及逸出而引起的氣孔，過飽和氣體主要是從外部侵入熔池的氫和氮。4.1.2 氣孔類型及其形成原因 形成原因：液體金屬在高溫下能溶解較多的氣體(如氫和氮)，一般來說，其溶解度隨溫度的升高而增加，在金屬的冷卻凝固過程中，溶解度則隨溫度的下降而降低，當(dāng)熔池金屬冷到開始結(jié)晶時，溶解度將發(fā)生

6、大幅度的突然下降。此時氣體大量析出形成氣泡，如果氣泡的上浮速度小于金屬結(jié)晶速度，則將生成氣孔。因此，凝固過程中氣體溶解度的陡降是引起這類氣孔的根本原因，其溶解度的變化特性將是影響析出性氣孔產(chǎn)生傾向的主要因素。對大部分金屬來說，易于溶解的氫最容易在焊縫中形成氣孔。形成原因：液體金屬在高溫下能溶解較多的氣體(如氫和氮)，一般 但由于氫的溶解度變化特性不同，在不同金屬中氫氣孔的傾向也相差較大。例如凝固溫度時，平衡條件下，氫在鋁中的溶解度由0.69mL100g陡降到0.036mL100g，凝固前后相差約18倍，而氫在鐵中的溶解度由25mLl00g陡降到8mL100g，其差值僅為固態(tài)中的2倍，顯然鋁比鋼

7、更易產(chǎn)生氫氣孔。 氫氣孔通常出現(xiàn)在焊縫表面，氣孔的端面形狀如同螺釘狀，從表面看呈喇叭口形，內(nèi)壁光滑。但鋁、鎂合金的氫氣孔也常常出現(xiàn)在焊縫內(nèi)部。 但由于氫的溶解度變化特性不同，在不同金屬中 空氣是焊接區(qū)域氮的唯一來源，因此，如果采取有效的保護(hù)，氮不會成為形成氣孔的主要原因。 關(guān)于氮?dú)饪椎男纬?，一般認(rèn)為其原因與氫的情況類似，即由于凝固前后溶解度的突變而引起。氣孔的位置也多在焊縫表面，且常常成堆出現(xiàn)，外觀與蜂窩很相似，但在焊接實(shí)際生產(chǎn)中完全由氮引起氣孔并不多見。 空氣是焊接區(qū)域氮的唯一來源，因此，如果采取有效的 2反應(yīng)型氣孔 反應(yīng)型氣孔是指由于冶金反應(yīng)產(chǎn)生的不溶解于金屬的氣體，如CO和H2O等引起的

8、氣孔。 鋼焊接時，鋼中的氧或氧化物與碳反應(yīng)后能生成大量CO，例如 C+O = CO (4-8) FeO+C = CD+Fe (4-9) MnO+C = CO+Mn (4-10) SiO2+2C = 2CO+Si (4-11) 2反應(yīng)型氣孔形成原因：如果上述反應(yīng)發(fā)生在高溫液態(tài)金屬中，則由于CO完全不能溶于鋼液，將以氣泡的形式從熔池金屬中高速上浮逸出，不易形成氣孔。但當(dāng)熔池冷卻凝固時，由于鐵碳合金溶質(zhì)濃度在固液界面的偏析，造成在結(jié)晶前沿和枝晶間氧化鐵和碳濃度的局部增高，有利于反應(yīng)(4-9)的進(jìn)行，因液體金屬正處于凝固過程，熔池金屬的粘度迅速增大，故生成的CO氣泡很難浮出，成為殘留在焊縫中的CO氣孔

9、。CO氣孔通常沿結(jié)晶方向分布，就像條蟲似地臥在焊縫內(nèi)部。形成原因：如果上述反應(yīng)發(fā)生在高溫液態(tài)金屬中，則由于CO完全不 4.1.3 氣孔的防止 從形成氣孔的原因和條件分析，防止焊縫氣孔的措施應(yīng)該是：(1)限制熔池中氣體的溶人或產(chǎn)生；(2)排除熔池中已溶人的氣體。 1消除氣體來源 (1)母材表面清理 工件及焊絲表面的氧化膜、鐵銹、油污和水分均可在焊接過程中向熔池提供氧和氫，它們的存在常是焊縫形成氣孔的重要原因。故焊前應(yīng)將其嚴(yán)格清理。 4.1.3 氣孔的防止 (2)焊接材料防潮與烘干 焊條與焊劑受潮或烘干不足而殘留的水分，對氣孔的產(chǎn)生也有顯著的影響，特別是低氫焊條對吸潮很敏感，所以對焊條和焊劑的烘干

10、必須高度重視，烘干后的保存時間也要嚴(yán)格掌握。一般堿性焊條的烘干溫度為350450，酸性焊條為200左右。 (3)加強(qiáng)保護(hù) 空氣入侵熔池是形成氣孔的原因之一，特別是氮?dú)饪?。對手工電弧焊，關(guān)鍵是要保證引弧時的電弧穩(wěn)定性和藥皮的完好及其發(fā)氣量。氣體保護(hù)焊時，關(guān)鍵是要保證足夠的氣體流量、氣體純度。 (2)焊接材料防潮與烘干2正確選用焊接材料 焊接材料的選用對防止氣孔十分重要。從冶金性能看，焊接材料的氧化性與還原性的平衡對氣孔有顯著的影響。在焊接材料中，有的具有很大的氣孔敏感性，而有的則對氣孔不敏感。 3優(yōu)化焊接工藝 焊接工藝參數(shù)主要有焊接電流、電壓和焊接速度，增大電流或線能量能增長熔池存在時間，有利于

11、氣體排出，但也有利于氣體的溶人，特別是電流增大后使熔滴變細(xì)，熔滴更易于吸收氣體，反而加大了氣孔敏感性。2正確選用焊接材料 焊接工藝參數(shù)的影響是復(fù)雜的，這些參數(shù)應(yīng)有最佳值，而不是簡單地增大或減小的問題。手工電弧焊時，如果電弧電壓過高，會使空氣中的氮侵入熔池，出現(xiàn)氮?dú)饪?。焊接速度太大，由于增大了熔池凝固速度，使氣泡上浮時間減少而殘留在焊縫中形成氣孔。 對反應(yīng)型氣體而言，應(yīng)重視創(chuàng)造易于氣體排出的條件，可適當(dāng)增大線能量或進(jìn)行預(yù)熱，增大熔池存在時間以便使氣體能排出。焊接過程不正常，特別是電弧不穩(wěn)定或失去正常保護(hù)作用時，均增大外圍氣體溶入的可能性。Contents 焊接工藝參數(shù)的影響是復(fù)雜的，這些參數(shù)應(yīng)有

12、最佳 4.2 焊接熱裂紋 4.2.1 熱裂紋的特征與類型 熱裂紋(Hot Cracking)是高溫下在焊縫金屬和焊接熱影響區(qū)中產(chǎn)生的一種沿晶裂紋，研究表明，結(jié)晶裂紋都是沿焊縫中的樹枝晶交界處發(fā)生的，如圖4-3所示。最常見的是沿焊縫中心的縱向裂紋，示于圖4-4和4-5。 4.2 焊接熱裂紋 4.2.1 熱裂紋的圖4-3 焊縫中結(jié)晶裂紋的分布 圖4-3 焊縫中結(jié)晶裂紋的分布 圖4-4 焊縫中結(jié)晶裂紋 圖4-4 焊縫中結(jié)晶裂紋圖4-5 沿焊縫中心的縱向裂紋圖4-5 沿焊縫中心的縱向裂紋 根據(jù)金屬斷裂理論，在高溫階段當(dāng)晶間延性或塑性變形能力不足以承受當(dāng)時發(fā)生的應(yīng)變時，即發(fā)生高溫沿晶斷裂。從一些金屬凝固

13、冷卻過程中的塑性變化曲線上可以看到存在兩個低塑性區(qū)，見圖4-6。圖4-6 低碳鋼高溫塑性變化曲線 根據(jù)金屬斷裂理論，在高溫階段當(dāng)晶間延性或 根據(jù)該圖上的兩個“脆性溫度區(qū)間”，相應(yīng)出現(xiàn)兩種類型的熱裂紋： (1)裂紋產(chǎn)生于凝固后期的脆性溫度區(qū)間內(nèi)，稱結(jié)晶裂紋或凝固裂紋，其斷口形貌不同于一般固態(tài)下的沿晶斷口。由于產(chǎn)生時晶間尚有液膜存在，故斷口具有明顯的樹枝狀突起的特征； (2)裂紋產(chǎn)生于固態(tài)下的脆性溫度區(qū)間內(nèi)(處于奧氏體再結(jié)晶溫度附近)，稱失塑裂紋。由于產(chǎn)生時無液膜存在，故其斷口特征為沿著平坦的界面開裂，而且在斷開的界面上往往存在許多帶有硫化物的孔穴。 根據(jù)該圖上的兩個“脆性溫度區(qū)間”，相應(yīng)出現(xiàn)兩

14、還有一些特殊情況下形成的熱裂紋。一種是與液膜有關(guān)的，近縫區(qū)在過熱條件下，晶間也會出現(xiàn)局部熔化，也會出現(xiàn)由于晶間液膜分離而導(dǎo)致開裂，這種熱裂紋稱為液化裂紋，如圖4-7。 另一種是在離結(jié)晶前沿不遠(yuǎn)的固相中，由位錯運(yùn)動導(dǎo)致的多邊化引起的熱裂紋，稱多邊化裂紋。這種裂紋較為罕見，往往產(chǎn)生于一些與雜質(zhì)富集部位重疊的多邊化邊界，尺寸很小，主要發(fā)生于一些殊的單相合金中，如單相鎳鉻奧氏體鋼和鎳基合金中。 還有一些特殊情況下形成的熱裂紋。一種是與液圖4-7 液化裂紋圖4-7 液化裂紋 4.2.2 凝固裂紋（結(jié)晶裂紋） 1.形成機(jī)理 在焊縫金屬凝固結(jié)晶的后期，低熔點(diǎn)共晶被排擠在柱狀晶體交遇的中心部位，形成一種“液態(tài)

15、薄膜”（Liguation film），此時由于受到了拉伸應(yīng)力，這時 焊縫中的液態(tài)薄膜就成了薄弱地帶。在拉伸應(yīng)力的作用下就有可能在這個薄弱地帶開裂而形成結(jié)晶裂紋。 4.2.2 凝固裂紋（結(jié)晶裂紋） 1.形成機(jī)理 2.結(jié)晶裂紋的形成過程 凝固裂紋的產(chǎn)生傾向主要取決于材料本身在凝固過程中的變形能力。凝固總要經(jīng)歷從液-固態(tài)(液相占主要部分)到固液態(tài)(固相占主要部分)再到完全凝固的轉(zhuǎn)變。 在液固態(tài)時，如果發(fā)生變形，可依靠液相的自由流動來完成，少量的固相晶體只是稍作移動即可，本身形狀基本不變， 2.結(jié)晶裂紋的形成過程 固相晶體之間的間隙能及時被流動的液態(tài)金屬所填充，因而在該階段不會形成裂紋。在固液態(tài)時，

16、焊縫以凝固的固相晶體為主，枝晶已生長到相碰，并局部聯(lián)生，形成封閉的液膜，使少量的液態(tài)金屬(主要是低熔點(diǎn)合金)的自由流動受到限制；此時當(dāng)凝固收縮引起晶間液膜拉開后，就無法彌補(bǔ)，形成裂紋。故把該階段所處的溫度區(qū)間稱為“脆性溫度區(qū)間”，如圖4-8所示。固相晶體之間的間隙能及時被流動的液態(tài)金屬所填充，因而在該階圖4-8 熔池結(jié)晶的階段及脆性溫度區(qū)圖4-8 熔池結(jié)晶的階段及脆性溫度區(qū) 在完全凝固時，焊縫金屬受到拉伸應(yīng)力時，就會表現(xiàn)出較好的強(qiáng)度和塑性，很難發(fā)生裂紋。 綜上所述，當(dāng)溫度高于或低于ab之間的脆性溫度區(qū)時，焊縫金屬都有較大的抵抗結(jié)晶裂紋的能力，因此具有較小的裂紋傾向。 但當(dāng)焊縫中低熔點(diǎn)共晶較多時

17、，反而不產(chǎn)生裂紋，它可以自由流動，填充有裂口的部位，從而起到“愈合”作用。 在完全凝固時，焊縫金屬受到拉伸應(yīng)力時，就會表現(xiàn)出較好的3.產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件 焊縫在脆性溫度區(qū)內(nèi)所承受的拉伸應(yīng)變大于焊縫金屬所具有的塑性，或說焊縫金屬在脆性溫度區(qū)內(nèi)的塑性儲備量小于零時就會產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。3.產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件4.結(jié)晶裂紋形成的影響因素與防止(1)冶金因素合金狀態(tài)圖的類型和結(jié)晶溫度區(qū)間結(jié)晶裂紋傾向的大小隨合金狀態(tài)圖結(jié)晶溫度區(qū)間的增大而增加（圖4-18）。隨合金元素的增加，結(jié)晶溫度區(qū)間和脆性溫度區(qū)也增大。因此結(jié)晶裂紋的傾向也增加。成分位于S點(diǎn)時，結(jié)晶溫度區(qū)間和脆性溫度區(qū)達(dá)到最大，此時裂紋敏感性也最大。當(dāng)合金

18、元素進(jìn)一步增加時，結(jié)晶區(qū)間和脆性溫度區(qū)反而減小，所以裂紋傾向也隨之降低。4.結(jié)晶裂紋形成的影響因素與防止焊接成型原理課課件一次結(jié)晶組織及其形態(tài)對凝固裂紋的影響 初生相的結(jié)構(gòu)能影響到雜質(zhì)的偏析和晶問層的性質(zhì)。例如，當(dāng)鋼中為初生相為時比時溶解更多的S和P(S、P的最大溶解度在占相中為0.18、2.8；而在相中為0.05、0.25)，因此初生相為的鋼材比初生相為的鋼材更易產(chǎn)生凝固裂紋。 當(dāng)初生相為粗大的方向性很強(qiáng)的柱狀晶時，則會在晶界上集中較多的低熔點(diǎn)雜質(zhì)，并形成連續(xù)的弱面，增加裂紋傾向。一次結(jié)晶組織及其形態(tài)對凝固裂紋的影響 當(dāng)對金屬進(jìn)行細(xì)化晶粒的變質(zhì)處理后，不僅打亂了柱狀晶的方向性，而且晶粒細(xì)化后

19、晶界明顯增多，減少了雜質(zhì)的集中程度，有效地降低了凝固裂紋的傾向。 例如焊接18-8型不銹鋼，希望在焊縫凝固過程中析出一定數(shù)量的一次鐵素體(通常35相)來減少S、P的偏析、細(xì)化一次組織，并打亂奧氏體的粗大柱狀晶的方向，降低其凝固裂紋的傾向（圖4-19）。 改善焊縫凝固結(jié)晶、細(xì)化晶粒是提高抗裂性的重要途徑。廣泛采用的辦法是向焊縫中加入細(xì)化晶粒元素(如Mo、V、Ti、Nb、Zr、稀土等)。 當(dāng)對金屬進(jìn)行細(xì)化晶粒的變質(zhì)處理后，不僅打亂了柱焊接成型原理課課件晶間易熔物質(zhì)對凝固裂紋敏感性的影響 晶間易熔物質(zhì)數(shù)量少易引起結(jié)晶裂紋。但隨著其數(shù)量的增多且超過某數(shù)值后，熱裂傾向逐漸下降直至不產(chǎn)生裂紋。 引起這種變

20、化特征的原因是： 一方面，結(jié)晶前沿低熔點(diǎn)物質(zhì)的增加阻礙了樹枝晶的發(fā)展和長合，改變了結(jié)晶的形態(tài)，縮小了有效結(jié)晶溫度區(qū)間。 另一方面是由于增加了晶間的液相，促使液相在晶粒間流動和相互補(bǔ)充；因此即使局部晶間液膜瞬間被拉開，但很快可通過毛細(xì)管作用將周圍的液體滲入縫隙，起到填補(bǔ)和“愈合”作用。晶間易熔物質(zhì)對凝固裂紋敏感性的影響 這說明在共晶型合金系統(tǒng)中當(dāng)成分接近共晶成分時也不易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的原因。如對于某些結(jié)晶裂紋傾向較大的材料(如高強(qiáng)鋁合金)，為了防止結(jié)晶裂紋，特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。固“愈合”作用是一種有效的消除凝固裂紋的方法，但要注意易熔共晶體增多后會影響其它性能

21、(如塑性、韌性和耐腐蝕性等)。 此外，易熔共晶以液膜形態(tài)存在時，凝固裂紋敏感性大；以球狀存在時，裂紋敏感性小。 這說明在共晶型合金系統(tǒng)中當(dāng)成分接近共晶成分合金元素對產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響 以碳鋼和低合金鋼中合金元素對結(jié)晶裂紋的影響為例。硫和磷 硫和磷幾乎在各類鋼中都會增高結(jié)晶裂紋的傾向，即使是微量存在，也會使結(jié)晶溫度區(qū)間大為增加。因?yàn)榱蚝土自阡撝心苄纬啥喾N低熔共晶，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。合金元素對產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響碳 碳在鋼中是影響結(jié)晶裂紋的主要元素，并能加劇其它元素(如硫、磷等)的有害作用。錳 錳具有脫硫作用，能置換FeS為MnS，同時也能改善硫化物的分布形態(tài)，使薄

22、膜狀FeS改變?yōu)榍驙罘植?，從而提高了焊縫的抗裂性。為防止硫引起的結(jié)晶裂紋，隨含碳量增加，要求MnS的比值也隨之增加 C 0.1時，MnS22碳 C = 0.110.125時，MnS 30 C = 0.1260.155時，MnS 59 當(dāng)含碳量超過包晶點(diǎn)時(即0.16)，磷對產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的作用就超過了硫，這時再增MnS的比值也是無意義的，所以必須嚴(yán)格控制磷在焊縫中的含量，例如含碳0.4的中碳鋼，硫和磷都應(yīng)小于0.017，而硫磷的總和要小于0.025。 C = 0.110.125時，MnS 硅 硅是相形成元素，有利于消除結(jié)晶裂紋，但硅含量超過0.4時，容易形成硅酸鹽夾雜，降低焊縫力學(xué)性能，并增加裂

23、紋傾向。鎳 鎳在低合金鋼中易于與硫形成低熔共晶(Ni與Ni3S2熔點(diǎn)僅645)，因此易引起結(jié)晶裂紋。硅 氧 氧對焊縫產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響，目前還沒有定論。但焊縫中有一定的含氧量，能降低硫的有害作用。認(rèn)為是形成了FeFeSFeO三元共晶，使FeS由薄膜狀變?yōu)榍驙钏隆?總結(jié)以上，合金元素對結(jié)晶裂紋的影響是重要的。其中，C、S、P對結(jié)晶裂紋影響最大，其次是Cu、Ni、Si、Cr等，而N、O、As等尚無一致的意見。氧 (2)工藝因素 熔合比的影響 對于一些易于向焊縫轉(zhuǎn)移某些有害雜質(zhì)的母材，焊接時，必須盡量減小熔合比，或者開大坡口，或者減小熔深，甚至堆焊隔離層。焊接中碳鋼、高碳鋼以及異種金屆時，限制熔合

24、比具有極重要的意義。 例如，Monel 400合金與低碳鋼焊接，焊縫應(yīng)為奧氏體組織，故采用鎳基合金焊條。這時Fe便成為促使焊縫產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的有害雜質(zhì)。為此，焊接時必須設(shè)法減少低碳鋼一側(cè)的熔深。(2)工藝因素 焊縫成形系數(shù)的控制焊縫成形系數(shù)值對焊縫的抗熱裂性能影響很大。當(dāng)用碳鋼焊縫含碳量來表征熱裂傾向時，7，焊縫含0.22 C，能防止凝固裂紋，7后(如帶狀電極堆焊)，抗裂性下降。當(dāng)值較小時，最后凝固的枝晶會合面呈對向生長狀態(tài)，是雜質(zhì)析集嚴(yán)重的部位，因而最易產(chǎn)生熱裂紋。一般希望盡可能避免出現(xiàn)1的情況，即焊縫實(shí)際深度不要超過焊縫寬度。 因此，必須合理調(diào)整焊接參數(shù)來控制成形系數(shù)甲。 焊縫成形系數(shù)的控制

25、冷卻速度的影響 接頭冷卻速度越大，變形速率越大，越易于促進(jìn)產(chǎn)生熱裂紋。固預(yù)熱降低熱裂傾向。例如在45號鋼上堆焊3Cr2W8合金鋼時，預(yù)熱溫度為500時即能消除凝固裂紋。 但提高預(yù)熱溫度將增大高溫階段的內(nèi)應(yīng)變，就不太有利。盡管提高焊接線能量也能降低冷卻速度，但卻對凝固組織形態(tài)不利。實(shí)際上，適當(dāng)降低線能量對降低熱裂傾向比較有利。但不宜采取提高焊接速度的方法來限制焊接線能量，而應(yīng)適當(dāng)降低焊接電流。冷卻速度的影響拘束度的影響 為防止接頭產(chǎn)生熱裂紋，應(yīng)盡可能減少應(yīng)變量及應(yīng)變增長率。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮接頭的剛度或拘束度。 例如盡可能減小板厚和合理布置焊縫，注意避免焊縫交叉，盡可能減小焊腳尺寸和焊道截面積，

26、還應(yīng)控制合理的焊接順序等。施焊順序不合理時，最后幾條焊縫可能處于被拘束狀態(tài)，不能自由收縮，從而增大應(yīng)變量，易促使裂紋產(chǎn)生。拘束度的影響4.2.3 近縫區(qū)液化裂紋1.形成機(jī)理 由于焊接時近縫區(qū)金屬或焊縫層間金屬，在高溫下使這些區(qū)域的奧氏體晶界上的低熔共晶被重新熔化，在拉伸應(yīng)力的作用下沿奧氏體晶間開裂而形成液化裂紋。與結(jié)晶裂紋的區(qū)別： 液化裂紋與結(jié)晶裂紋有相類似之處，它們都與晶界液膜有關(guān)，但其形成機(jī)理不同。液化裂紋的液膜并非產(chǎn)生于凝固過程，而是由于加熱過程中近縫區(qū)晶界局部熔化形成的液膜。另一種晶界熔化發(fā)生于集中熱源快速加熱(如焊接和激光重熔)時的高溫?zé)嵊绊憛^(qū)內(nèi)，由于第二相來不及溶人而引起的共晶反應(yīng)

27、。4.2.3 近縫區(qū)液化裂紋2. 液化裂紋的影響因素（1）化學(xué)成分的影響硼 硼易與焊縫金屬中的鐵、鎳形成低熔共晶，如Fe-B 1149C、Ni-B 1140C或990C；此外，加入微量的硼就能產(chǎn)生明顯的晶界偏析。從而增加液化裂紋傾向。鎳 鎳是強(qiáng)烈的奧氏體形成元素，可顯著降低S、P等有害元素的溶解度；且鎳也易與許多元素形成低熔共晶（Ni-Ni3S2 645C），故易產(chǎn)生液化裂紋。2. 液化裂紋的影響因素鉻 鉻在焊縫中的含量較高時，晶界可能產(chǎn)生偏析產(chǎn)物，如Ni-Cr 1340C,增加結(jié)晶裂紋傾向。 從上所述，形成低熔相的元素很多，但液化裂紋的形成主要取決于晶間低熔相的液化程度。 液化裂紋的起源部位

28、有兩處：熔合線或結(jié)晶裂紋；粗晶區(qū)。鉻（2）工藝因素的影響 線能量越大，輸入的熱量越多，晶界低熔相的熔化越嚴(yán)重，晶界處于液態(tài)的時間越長，液化裂紋的傾向越大。 液化裂紋與熔池的形狀有關(guān)。如焊縫的斷面呈明顯的倒草帽形，再熔合線的凹陷處母材金屬過熱嚴(yán)重，該處易產(chǎn)生液化裂紋。（2）工藝因素的影響 4.2.4 高溫失塑裂紋 高溫失塑裂紋產(chǎn)生于實(shí)際固相線下的脆性溫度區(qū)間內(nèi)，它是由于高溫晶界脆化和應(yīng)變集中于晶界造成的。 例如，當(dāng)鋼中Cu、Sn、As、S含量較多及始鍛溫度過高時，在鍛件表面會出現(xiàn)一些龜裂紋。目前對這類裂紋的認(rèn)識還不夠，研究較多的是一些發(fā)生于焊縫或高溫?zé)嵊绊憛^(qū)中的失塑裂紋。 4.2.4 高溫失塑裂

29、紋 4.2.5 多邊化裂紋1.形成機(jī)理 由于焊縫金屬在結(jié)晶前沿已凝固的固相晶粒中萌生大量的晶格缺陷，因在快速冷卻條件下不易擴(kuò)散，以過飽和的狀態(tài)保留于焊縫金屬中，在一定溫度和應(yīng)力的條件下，晶格缺陷發(fā)生移動和聚集，形成“多邊化邊界”。在焊接后的冷卻過程中，由于熱塑性低，導(dǎo)致沿多邊化的邊界產(chǎn)生裂紋，即多邊化裂紋。4.2.5 多邊化裂紋2.多邊化裂紋的特點(diǎn)： （1）多發(fā)生在純金屬或單相奧氏體中，個別情況出現(xiàn)在熱影響中； （2）裂紋附近常伴隨有再結(jié)晶晶粒出現(xiàn)，故多邊化裂紋總是遲于再結(jié)晶； （3）裂紋多發(fā)生在重復(fù)受熱的多層焊層間金屬中及熱影響區(qū)，其部位并不都靠近熔合區(qū)，此裂紋與晶界液化無關(guān)； （4）斷口呈

30、現(xiàn)出高溫低塑性開裂。2.多邊化裂紋的特點(diǎn)：3.多邊化裂紋的影響因素（1）合金成分的影響 在鎳-鉻系的單相合金中，向焊縫加入提高多邊化激化能的元素（如Mo、W、Ti、Ta等），則可有效地阻止多邊化過程；雙相金屬具有良好的抗多邊化裂紋的能力。（2）應(yīng)力狀態(tài)的影響 增大應(yīng)力，多邊化過程加速。（3）溫度的影響 提高溫度，多邊化裂紋傾向增大。Contents3.多邊化裂紋的影響因素Contents4.3.1 焊接冷裂紋的特征1.冷裂紋的分布特征：焊道下裂紋 其特征是在距熔合線0.10.2mm的近縫區(qū)中形成微小的裂紋。這種裂紋經(jīng)常發(fā)生在淬硬傾向大、含氫量較高的焊接熱影響區(qū)，裂紋走向大體與熔合線平行，但也有

31、垂直于熔合線的。焊趾和焊根裂紋 這種裂紋起源于母材與焊縫交界、且有明顯應(yīng)力集中的缺口部位，一是焊縫的焊趾，二是焊縫根部，組織均為粗大的馬氏體，裂紋經(jīng)常與焊縫方向一致。前者稱為焊趾裂紋，后者稱為焊根裂紋。4.3 冷裂紋4.3.1 焊接冷裂紋的特征4.3 冷裂紋2.冷裂紋的生成溫度與時期 (1)發(fā)生溫度：冷裂紋生成溫度上限通常在50100，其下限為75左右，超出此溫度范圍就不易形成裂紋。 (2)發(fā)生時間：有些裂紋焊后不立即出現(xiàn)，而是有一段時間的潛伏期(孕育期)，即經(jīng)過一段時之后才出現(xiàn)。焊道下裂紋最為典型，且常在25時潛伏期最短，高于或低于25均會延長潛伏期。焊趾裂紋也會有潛伏期，在0時潛伏期最短。

32、2.冷裂紋的生成溫度與時期 (3)冷裂的臨界應(yīng)力 當(dāng)應(yīng)力高于上臨界應(yīng)力VC 時，立即斷裂，無延遲現(xiàn)象，但此時的強(qiáng)度低于無氫試樣的缺口拉伸強(qiáng)度 n。低于下臨界應(yīng)力時，不發(fā)生斷裂。當(dāng)應(yīng)力在uc和LC之間時，斷裂具有延遲特征，且應(yīng)力越小，延遲時間(潛伏期)越長。 研究表明，這三者可稱為形成冷裂紋的三大要素。 (3)冷裂的臨界應(yīng)力4.3.2 焊接冷裂紋的形成機(jī)理1.氫的作用 氫在金屬中有兩種形式，一是可以運(yùn)動的“擴(kuò)散氫”；二是不可運(yùn)動的“殘留氫”。擴(kuò)散氫決定了裂紋形成過程中的延遲特點(diǎn)及其斷口上的氫脆開裂特征。許多文獻(xiàn)把氫引起的延遲裂紋特別地稱為“氫致裂紋”或“氫助裂紋”。采用特殊的實(shí)驗(yàn)裝置觀察氫致裂紋

33、的開裂過程如下：4.3.2 焊接冷裂紋的形成機(jī)理裂紋尖端有氫氣泡形成，且氫氣泡最容易集中在應(yīng)力集中部位；氫致裂紋多在熔合區(qū)出現(xiàn)；在定載試驗(yàn)時，微裂紋發(fā)生的潛伏期隨應(yīng)力或擴(kuò)散氫含量的增加而減短；微裂紋附近的塑性變形區(qū)(屈服區(qū))隨時間的延長逐步擴(kuò)大，成為宏觀裂紋。裂紋尖端有氫氣泡形成，且氫氣泡最容易集中在應(yīng)力集中部位；圖4-20 高強(qiáng)鋼熱影響區(qū)延遲裂紋的形成過程圖4-20 高強(qiáng)鋼熱影響區(qū)延遲裂紋的形成過程 2.組織硬化作用熱影響區(qū)淬硬易于引發(fā)冷裂紋是由于：馬氏體的脆硬性：馬氏體相變時，會發(fā)生較大的晶格畸變，致使組織處于硬化狀態(tài)。焊接時，近縫區(qū)的加熱溫度很高，使奧氏體晶粒發(fā)生嚴(yán)重長大，焊后快速冷卻時

34、，粗大的奧氏體就轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮鸟R氏體。這種脆硬的馬氏體組織的斷裂多為低能量的脆性斷裂，裂紋易于形成和擴(kuò)展。正因?yàn)榻p區(qū)較焊縫區(qū)易于淬硬，故冷裂紋易在近縫區(qū)形成。 2.組織硬化作用3.應(yīng)力的作用內(nèi)應(yīng)力包括：焊接不均勻加熱與冷卻后在焊件宏觀范圍內(nèi)平衡的第一類內(nèi)應(yīng)力；相變過程中比容和各向異性引起的第二類內(nèi)應(yīng)力。 目前主要用表征不同外拘束條件的宏觀拘束應(yīng)力來作為評價(jià)影響冷裂紋的力學(xué)條件。這種外拘束條件可用“拘束度”來表征拘束度表示了接頭的剛度。其定義是：“使接頭根部間隙發(fā)生單位長度的彈性位移時，單位長度焊縫所承受的力。”3.應(yīng)力的作用 當(dāng)焊接產(chǎn)生的拘束度不斷增大，直至形成裂紋時，此時的應(yīng)力稱為臨界拘束應(yīng)

35、力cr 。cr反映了對冷裂紋的形成和擴(kuò)展具有直接影響的各個因素共同作用的結(jié)果。因此，可以用cr作為評價(jià)冷裂紋敏感性的判據(jù)。 冷裂紋的影響因素很多，也很復(fù)雜，因此防止冷裂紋總的原則就是控制影響冷裂紋的三大因素，即盡可能降低拘束應(yīng)力、消除一切氫的來源，并改善組織。 當(dāng)焊接產(chǎn)生的拘束度不斷增大，直至形成裂紋時4.3.3 冷裂紋的防止1.冶金方面選擇抗裂性好的鋼材 近年開發(fā)出的低碳微合金化鋼更具有良好的抗裂性能。如國產(chǎn)CF鋼(b = 600Nmm2)，含碳量僅為 0.06，PCM = 0.16，采用相應(yīng)的低氫焊條焊接50mm的鋼板，即使焊前不預(yù)熱、焊后不熱處理，也不會產(chǎn)生冷裂紋。焊接材料的選用選用低氫

36、或超低氫焊條 從焊接本身看，選用低氫或超低氫焊條是防止冷裂紋的有效措施之一。4.3.3 冷裂紋的防止選用低強(qiáng)焊條 為防止接頭產(chǎn)生冷裂紋，一般高強(qiáng)鋼選用低強(qiáng)焊條(使焊縫強(qiáng)度低于母材強(qiáng)度)焊接易于達(dá)到這一要求。 對于低碳低合金高強(qiáng)鋼，適當(dāng)降低焊縫強(qiáng)度可以降低拘束應(yīng)力而減輕熔合區(qū)的負(fù)擔(dān)，對防止冷裂紋有利。選用奧氏體焊條 采用奧氏體焊條的優(yōu)點(diǎn)是可避免采取預(yù)熱措施而又能防止冷裂紋的產(chǎn)生。選用低強(qiáng)焊條 焊縫為奧氏體組織時對防止冷裂紋的有利作用有三種解釋： A.能固溶氫而限制氫向近縫區(qū)擴(kuò)散； B.焊縫強(qiáng)度低而塑性高(延伸率可高達(dá)40以上)，從而可減輕接頭的拘束應(yīng)力； C.焊縫冷卻過程中在450左右可以產(chǎn)生較

37、大的瞬時應(yīng)力，致使近縫區(qū)產(chǎn)生較大塑性形變，促使奧氏體穩(wěn)定性降低，并使奧氏體顯著地移向中溫貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，近縫區(qū)因而不易產(chǎn)生淬硬馬氏體組織。 但是采用奧氏體焊條的缺點(diǎn)是焊縫強(qiáng)度低，對熱裂敏感，同時價(jià)格較昂貴。 焊縫為奧氏體組織時對防止冷裂紋的有利作用有特殊微量元素的應(yīng)用 向焊縫金屬中加入Te(碲)、Se(硒)及稀土元素Re可降低其含氫量。在焊條中復(fù)合加入Te和Re可以顯著提高接頭的抗冷裂性能。選用低氫的焊接方法 CO2氣體保護(hù)焊由于具有一定的氧化性，故而可獲得低氫焊縫，擴(kuò)散氫含量(甘油法)僅為0.041.0mL100g。堿性藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊時，同樣也能獲得低氫焊縫，可顯著改善抗冷裂紋的能力

38、。特殊微量元素的應(yīng)用 2.焊接工藝方面 調(diào)整預(yù)熱溫度及線能量以及采用多道焊工藝，以防止奧氏體晶粒粗化，均有利于氫的逸出和減輕硬化，從而可顯著降低接頭冷裂傾向。(1)預(yù)熱溫度的控制 斜Y坡口拘束抗裂試驗(yàn)： T0= 1 440PC 392 X，U，V坡口拘束抗裂試驗(yàn)： T0= 1 330PW 380 K形坡口和T形坡口拘束抗裂試驗(yàn)： T0= 2030PW 550 2.焊接工藝方面(2)焊接線能量的控制 對于大多數(shù)低碳低合金高強(qiáng)鋼，以提高線能量來加長冷卻時間,可提高冷裂臨界應(yīng)力 cr 。 利用插銷試驗(yàn)等方法可求得啟裂臨界應(yīng)力f與斷裂臨界應(yīng)力口r。若已知實(shí)際應(yīng)力，采用安全極限狀態(tài)確定限界線能量，即假定

39、實(shí)際應(yīng)力已達(dá)屈服點(diǎn)y。如按開裂準(zhǔn)則，開裂臨界應(yīng)力f = y時的線能量即為限定線能量，此時的t8/5或tl00即為最小限定冷卻時間。若實(shí)際所用線能量不滿足這一限定線能量或限定冷卻時間的要求，就必須采取預(yù)熱措施。 (2)焊接線能量的控制(3)多層焊層間時間間隔的控制 多層焊能夠顯著減少焊根裂紋。但要求在第一層焊道尚未產(chǎn)生焊根裂紋的潛伏期內(nèi)完成第二層焊道的焊接。這是因?yàn)榈诙雍傅赖暮附訜峥纱偈沟谝粚雍傅乐械臍溲杆僖莩觯⒖墒沟谝粚雍傅罒嵊绊憛^(qū)的淬硬層軟化。 但是層間溫度或?qū)娱g時間間隔必須加以控制。特別是第一層與第二層之間的時間間隔，應(yīng)盡可能控制在幾分鐘之內(nèi)，以保證第一層焊后不致于形成冷裂紋。 但必須

40、注意，多層焊時，若可能產(chǎn)生較大角變形時，為防止產(chǎn)生根部裂紋，預(yù)熱溫度不能降低，甚至還要適當(dāng)提高。(3)多層焊層間時間間隔的控制(4)緊急后熱的作用 若冷裂紋產(chǎn)生有潛伏期時，如能在冷裂紋尚處于潛伏期中進(jìn)行加熱，即所謂緊急后熱，能防止冷裂紋的產(chǎn)生。后熱的作用： a減少殘余應(yīng)力； b改善組織(減少淬硬性)； c消除擴(kuò)散氫。 但是對于潛伏期非常短或根本無潛伏期的鋼種，可能來不及進(jìn)行后熱即已產(chǎn)生冷裂紋。所以，緊急后熱必須“搶時間”。這一點(diǎn)與“焊后熱處理”不同。Contents(4)緊急后熱的作用Contents 4.4 其它焊接裂紋簡介1.應(yīng)力腐蝕裂紋 應(yīng)力腐蝕裂紋(Stress Corrosion Cracking,簡稱SCC)是金屬材料在特定腐蝕介質(zhì)下，承受拉應(yīng)力時產(chǎn)生的一種延遲破壞現(xiàn)象。 SCC開裂引起的斷裂過程非常危險(xiǎn)；它的成長速度為0.03mmh4mmh，與全面的均勻腐蝕相比快21 000倍之多。 4.4