焊接裂紋熱裂紋

第二節(jié)焊接熱裂紋

熱裂紋是焊接生產(chǎn)中比較常見(jiàn)的一種缺陷，從一般常用的低碳鋼、低合金鋼，到奧氏體不銹鋼、鋁合金和鎳基合金等都有產(chǎn)生熱裂紋的可能。熱裂紋主要是結(jié)晶裂紋、液化裂紋和多邊化裂紋三種宏觀上熱裂紋外表都有氧化色彩。

1精選ppt一、結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理先結(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。一般來(lái)講，這些雜質(zhì)所形成的共晶都有較低的熔點(diǎn)。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，形成一種所謂“液態(tài)薄膜〞，此時(shí)由于收縮而受到了拉伸應(yīng)力，這時(shí)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(gè)薄弱地帶開(kāi)裂而形成結(jié)晶裂紋?？偫ㄒ陨?，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的原因，就在于焊縫中存在液態(tài)薄膜和在焊縫凝固過(guò)程中受到拉伸應(yīng)力共同作用的結(jié)果。因此，液態(tài)薄膜是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的內(nèi)因，而拉伸應(yīng)力是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的必要條件。2精選ppt產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件是：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塑性?？砂讶鄢氐慕Y(jié)晶分為以下三個(gè)階段：3精選ppt〔一〕液固階段熔池開(kāi)始結(jié)晶時(shí)，僅有少量的晶核，以后逐漸晶核長(zhǎng)大和出現(xiàn)新的晶核，但始終保持有較多的液相，相鄰晶粒之間不發(fā)生接觸，液態(tài)金屬可在晶粒之間自由流動(dòng)。此時(shí)雖有拉伸應(yīng)力存在，但被拉開(kāi)的縫隙能及時(shí)地被流動(dòng)著的液態(tài)金屬所填滿，因此在液固階段不會(huì)產(chǎn)生裂紋。4精選ppt〔二〕固液階段當(dāng)結(jié)晶繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，固相不斷增多，且不斷長(zhǎng)大，冷卻到某一階段時(shí)，已凝固的相彼此發(fā)生接觸，并不斷傾軋到一起，這時(shí)液態(tài)金屬的流動(dòng)就發(fā)生了困難，即熔池結(jié)晶進(jìn)入了固液階段。在這種情況下，由于液態(tài)金屬少〔主要是那些低熔點(diǎn)共晶〕，在拉伸應(yīng)力作用下所產(chǎn)生的微小縫隙都無(wú)法填充，只要稍有拉伸應(yīng)力存在就有產(chǎn)生裂紋的可能。5精選ppt〔三〕完全凝固階段熔池金屬完全凝固之后所形成的焊縫，受到拉伸應(yīng)力時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)出較好的強(qiáng)度和塑性，很難發(fā)生裂紋。但應(yīng)指出，對(duì)于某些金屬在焊縫完全凝固以后，仍有一段溫度內(nèi)塑性很低，也會(huì)產(chǎn)生裂紋，即所謂高溫低塑性裂紋〔多邊化裂紋〕。由低熔點(diǎn)共晶所形成的液態(tài)薄膜是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的主要根源。但在大量實(shí)驗(yàn)的根底上，發(fā)現(xiàn)焊縫中低熔點(diǎn)共晶的數(shù)量超過(guò)一定限界之后，反而具有“愈合〞裂紋的作用。也就是說(shuō)，低熔點(diǎn)共晶較多時(shí)，反而不產(chǎn)生裂紋，它可以自由流動(dòng)，填充有裂口的部位，這就是起了所謂“愈合〞作用。6精選ppt二、結(jié)晶裂紋的影響因素從現(xiàn)象來(lái)看，影響結(jié)晶裂紋的因素很多，但從本質(zhì)來(lái)看，主要可歸納為兩方面，即冶金因素和力的因素。〔一〕冶金因素對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響所謂結(jié)晶裂紋的冶金因素主要是合金狀態(tài)圖的類(lèi)型、化學(xué)成分和結(jié)晶組織形態(tài)等。1．合金狀態(tài)圖的類(lèi)型和結(jié)晶溫度區(qū)間結(jié)晶裂紋傾向的大小是隨合金狀態(tài)圖結(jié)晶溫度區(qū)間的增大而增加。當(dāng)合金元素進(jìn)一步增加時(shí)，結(jié)晶區(qū)間和脆性溫度區(qū)反而減小，所以裂紋的傾向也反而降低了。7精選ppt2．合金元素對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響〔1〕硫和磷硫和磷在鋼中能形成多種低熔共晶，使結(jié)晶過(guò)程極易形成液態(tài)薄膜，因而顯著增大裂紋傾向，即使是微量存在，也會(huì)使結(jié)晶區(qū)間大為增加?！?〕碳碳在鋼中是影響結(jié)晶裂紋的主要元素，并能加劇其他元素的有害作用〔如硫、磷等〕?！?〕錳錳具有脫硫作用，能置換FeS為MnS，同時(shí)也能改善硫化物的分布形態(tài)，使薄膜狀FeS改變?yōu)榍驙罘植?，從而提高了焊縫的抗裂性。為了防止硫引起的結(jié)晶裂紋，并隨含碳量的增加，那么Mn/S的比值也應(yīng)隨之增加8精選ppt〔4〕硅硅是δ相形成元素，應(yīng)利于消除結(jié)晶裂紋，但硅含量超過(guò)0.4%時(shí)，容易形成硅酸鹽夾雜，從而增加了裂紋傾向。(5)鈦、鋯和稀土最近發(fā)現(xiàn)，鈦、鋯和鑭、鈰等稀土元素能形成高熔點(diǎn)的硫化物，故對(duì)消除結(jié)晶裂紋有良好作用。〔6〕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℃〕，因此會(huì)引起結(jié)晶裂紋。但參加錳、鈦等合金元素后，可以抑制硫的有害作用。〔7〕氧焊縫中有一定的含氧量，能降低硫的有害作用。9精選ppt3．凝固結(jié)晶組織形態(tài)對(duì)結(jié)晶裂紋的影響焊縫在結(jié)晶后，晶粒大小、形態(tài)和方向，以及析出的初生相等對(duì)抗裂性都有很大的影響。晶粒越粗大，柱狀晶的方向越明顯，那么產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向就越大。對(duì)于焊接18-8型不銹鋼時(shí)，希望得到γ+δ雙相焊縫組織，因焊縫中有少量δ相可以細(xì)化晶粒，打亂奧氏體粗大柱狀晶的方向性，同時(shí)，δ相還具有比γ相溶解更多S、P的不利作用，因此可以提高焊縫的抗裂能力。10精選ppt〔二〕力學(xué)因素對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響焊縫金屬在脆性溫度區(qū)內(nèi)塑性低和脆性溫度區(qū)的范圍寬是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的必要原因，而充分條件是必須要有力的作用。產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響因素概括起來(lái)主要是冶金因素和力學(xué)因素，二者之間既有內(nèi)在的聯(lián)系，又有各自獨(dú)立規(guī)律。11精選ppt三、防治結(jié)晶裂紋的措施〔一〕冶金因素方面1．控制焊縫中硫、磷、碳等有害雜質(zhì)的含量盡可能的控制母材及焊材中的硫、磷、碳含量，一些重要的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)采用堿性焊條或焊劑。2．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方法是向焊縫中參加細(xì)化晶粒元素〔如Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al、稀土等〕。對(duì)于不銹鋼焊接時(shí)，為了提高抗裂性、抗腐性，希望得到γ+δ的雙相組織焊縫〔δ相控制在5%左右〕，這也是改善凝固結(jié)晶的重要方面。12精選ppt〔二〕工藝因素方面工藝方面主要是焊接工藝參數(shù)、預(yù)熱、接頭型式和焊接順序等，用工藝方法防止結(jié)晶裂紋主要是改善焊接時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。1．焊接工藝及工藝參數(shù)適當(dāng)增加焊接線能量E和提高預(yù)熱溫度T0，即可減小焊縫金屬的應(yīng)變率，從而降低結(jié)晶裂紋的傾向。13精選ppt2．接頭形式外表堆焊和熔深較淺的對(duì)接焊縫抗裂性較高。熔深較大的對(duì)接和各種角接〔包括搭接、T形接頭和外角接焊縫等〕抗裂性較差，因?yàn)檫@些焊縫所承受的應(yīng)力正好作用在焊縫的結(jié)晶面上，而這個(gè)面是晶粒之間聯(lián)系較差，雜質(zhì)聚集的地方，故易于引起裂紋。對(duì)于厚板焊接結(jié)構(gòu)，施工時(shí)常采用多層焊，裂紋傾向比單層焊有所緩和，但對(duì)各層的熔深應(yīng)注意控制。另外，在接頭處應(yīng)盡量防止應(yīng)力集中〔錯(cuò)邊、咬肉、未焊透等〕，也是降低裂紋傾向的有效方法。3.焊接次序盡量使大多數(shù)焊縫能在較小剛度的條件下焊接，使焊縫的受力較小。14精選ppt四、高溫液化裂紋

液化裂紋是一種沿奧氏體晶界開(kāi)裂的微裂紋，它的尺寸很小，一般在0.5mm以下，個(gè)別的可達(dá)1mm。盡管裂紋的尺寸很小，但常成為冷裂紋、再熱裂紋、脆性破壞和疲勞斷裂的發(fā)源地，所以應(yīng)當(dāng)給以足夠的重視。15精選ppt〔一〕液化裂紋的形成機(jī)理焊接時(shí)近縫區(qū)金屬層間或焊縫層間金屬，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(kāi)裂而形成液化裂紋。另外，在不平橫的加熱和冷卻條件下，由于金屬間化合物分解和元素的擴(kuò)散，造成了局部地區(qū)共晶成分偏高而發(fā)生局部晶間液化，同樣也會(huì)產(chǎn)生液化裂紋。由此可知，液化裂紋也是由冶金因素和力學(xué)因素共同作用的結(jié)果。液化裂紋也同樣產(chǎn)生于脆性溫度區(qū)，脆性溫度區(qū)的大小是判定液化裂紋傾向的只要指標(biāo)。16精選ppt〔二〕液化裂紋的影響因素液化裂紋的形成機(jī)理與結(jié)晶裂紋根本一致，因此影響因素也大致相同，也是冶金因素和力學(xué)因素共同作用的結(jié)果?！踩骋夯鸭y的防治防止液化裂紋的途徑與結(jié)晶裂紋的防止途徑根本上是一致的，也是從冶金和工藝兩方面入手。特別是對(duì)冶金方面，盡可能降低母材金屬中硫、磷、硅、硼等低熔共晶組成元素的含量是十分有效的。17精選ppt五、多過(guò)化裂紋〔一〕多邊化裂紋的形成機(jī)理這種裂紋多數(shù)是在焊縫中產(chǎn)生，它是在結(jié)晶前沿已凝固相的晶粒中萌生出大量的晶格缺陷〔空位和位錯(cuò)等〕，并且在快速的冷卻條件下，由于不易擴(kuò)散，它們以邊飽和的狀態(tài)保存于焊縫金屬中，在一定溫度和應(yīng)力的條件下，晶格缺陷發(fā)生移動(dòng)和聚集，從而形成了二次邊界，即所謂“多邊化邊界〞。18精選ppt

另外，母材熱影響區(qū)在焊接熱循環(huán)的作用下，由于熱應(yīng)變，金屬中的畸變能增加，同時(shí)也會(huì)形成多邊化邊界。這種多邊化的邊界，一般情況下并不與凝固晶界重合，在焊接后的冷卻過(guò)程中，由于熱塑性降低，導(dǎo)致沿多邊化的邊界產(chǎn)生裂紋，故稱(chēng)多邊化裂紋。19精選ppt〔二〕多邊化裂紋的主要特點(diǎn)這種裂紋多發(fā)生在純金屬或單相奧氏體焊縫中，個(gè)別情況下也出現(xiàn)在熱影響區(qū)中。裂紋附近常伴隨有再結(jié)晶晶粒出現(xiàn)，所以多邊化裂紋總是遲于再結(jié)晶。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)，說(shuō)明這種裂紋與晶界液化無(wú)關(guān)。斷口呈現(xiàn)出高溫低塑性開(kāi)裂。20精選ppt〔三〕多邊化裂紋的影響因素1．合金成分的影響在Ni-Cr系的單相合金中，向焊縫參加提高多邊化激活能的元素〔