焊接冶金缺陷

1.8焊接冶金缺陷1.8.1氣孔1.8.2焊接熱裂紋1.8.3焊接冷裂紋1.8.4其他焊接裂紋1焊接裂紋的危害性焊接裂紋不僅給消費(fèi)帶來許多困難，而且能夠是災(zāi)難性事故。1947年美國自在輪船斷裂1944年美國液化天然氣罐發(fā)生連鎖爆炸，死亡133人1979年吉林液化石油氣球罐爆炸焊接構(gòu)造中的裂紋已成為各國所關(guān)注的課題。2焊接裂紋的種類3焊接熱裂紋焊接冷裂紋其他裂紋裂紋按產(chǎn)生條件分再熱裂紋層狀撕裂應(yīng)力腐蝕裂紋41.8.2焊接熱裂紋一、熱裂紋的普通特征二、熱裂紋的分類三、結(jié)晶裂紋的構(gòu)成與控制5一、熱裂紋的普通特征溫度：較高溫度下產(chǎn)生；部位：多產(chǎn)生在焊縫、熱影響區(qū)中；宏觀：斷口有氧化色；裂口寬度0.05～0.5mm,末端略呈圓形微觀：沿晶粒邊境分布，沿晶〔或晶間〕斷裂6二、熱裂紋的分類結(jié)晶裂紋高溫液化裂紋多邊化裂紋7結(jié)晶裂紋固相線附近→固態(tài)金屬收縮→剩余液態(tài)金屬缺乏→不能及時(shí)填充收縮留下的空間→拉應(yīng)力作用→晶間開裂景象，稱為結(jié)晶裂紋。資料種類：雜質(zhì)較多的碳鋼、低合金鋼焊縫中；單相A鋼、鎳基合金和某些鋁合金焊縫中。8高溫液化裂紋熱影響區(qū)或多層焊層間金屬受熱循環(huán)作用晶界低熔點(diǎn)共晶重熔塑性和強(qiáng)度↓拉應(yīng)力作用，沿奧氏體晶界開裂.資料種類：焊Cr、Ni的高強(qiáng)鋼，A鋼、鎳基合金等9多邊化裂紋在固相線以下的高溫階段缺陷聚集構(gòu)成多邊化邊境高溫下強(qiáng)度、塑性差，拉力作用，沿多邊化邊境開裂資料種類：純金屬或單相奧氏體合金焊縫或熔合區(qū)存在晶格缺陷〔位錯(cuò)和空位〕+溫度和應(yīng)力10三、結(jié)晶裂紋的構(gòu)成與控制構(gòu)成機(jī)理影響要素防止措施熱處置強(qiáng)化鋁合金焊縫中的結(jié)晶裂紋111、結(jié)晶裂紋的構(gòu)成機(jī)理液態(tài)金屬結(jié)晶閱歷液態(tài)→液固形狀→固液形狀→固態(tài)低熔點(diǎn)共晶液態(tài)薄膜脆性溫度區(qū)間收縮應(yīng)力拘謹(jǐn)結(jié)晶裂紋12金屬凝固過程中的脆性溫度區(qū)TL－液相線TS－固相線TB－脆性溫度區(qū)塑性δTBTSTLT'HT'Sab溫度T固相固液液固液相13圖11-48產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件e－應(yīng)變p－塑性TL－液相線TS－固相線TB－脆性溫度區(qū)TH－TB上限TS'－TB下限TB應(yīng)變e,塑性pT/℃TLTHTSTS'pmin123e＝f(T)p＝Φ(T)脆性溫度區(qū)TB越大，收縮應(yīng)力的作用時(shí)間就越長，產(chǎn)生的應(yīng)變量越大，構(gòu)成熱裂紋的傾向越大。TB內(nèi)金屬的塑性pmin越低，產(chǎn)生熱裂紋的傾向越大。TB內(nèi)的應(yīng)變增長率?e/?T越大，越容易產(chǎn)生裂紋。線2所對(duì)應(yīng)的?e/?T為臨界應(yīng)變增長率，用“CST〞表示。CST越大，資料對(duì)熱裂紋敏感性越小。142、結(jié)晶裂紋的影響要素冶金要素應(yīng)力要素下一頁15結(jié)晶溫度區(qū)間低熔共晶的形狀一次結(jié)晶的組織合金元素的種類1〕冶金要素16結(jié)晶溫度區(qū)間結(jié)晶溫度區(qū)間大，脆性溫度區(qū)范圍大

結(jié)晶裂紋的傾向大S點(diǎn)合金成分17低熔共晶的形狀當(dāng)?shù)腿酃簿б郧蛲庑螤畲嬖跁r(shí)，結(jié)晶裂紋的傾向↓.當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)共晶以膜狀存在時(shí)，結(jié)晶裂紋傾向添加。18一次結(jié)晶的組織晶粒粗大，柱狀晶方向性越明顯，熱裂紋的傾向↑晶粒的大小﹑形狀和取向都會(huì)影響結(jié)晶裂紋。參與細(xì)化晶粒的合金元素〔如Ti、Mo、V、Nb等〕，一方面可以破壞液態(tài)薄膜的延續(xù)性，另一方面可打亂柱狀晶的方向，降低熱裂紋的傾向。19δ相在奧氏體基底上的分布a〕單相奧氏體b〕δ＋γ奧氏體奧氏體鐵素體液態(tài)薄膜a)b)20合金元素的種類促進(jìn)結(jié)晶裂紋構(gòu)成－－S，P，C，Ni抑制結(jié)晶裂紋構(gòu)成－－Mn，Si，Ti，稀土元素.21硫和磷--最有害的雜質(zhì)元素增大凝固溫度區(qū)間極易偏析;構(gòu)成多種低熔點(diǎn)共晶;熱裂紋傾向↑22合金系共晶成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）共晶溫度/℃Fe-SFe，F(xiàn)eS（S31）988Fe-PFe，F(xiàn)e3P（P10.5）Fe3P，F(xiàn)eP（P27）10501260Fe-SiFe3Si，F(xiàn)eSi（Si20.5）1200Fe-SnFe，F(xiàn)eSn（Fe2Sn2，F(xiàn)eSn）（Sn48.9）1120Fe-TiFe，TiFe2（Ti16）1340Ni-SNi，Ni3S2（S21.5）645Ni-PNi，Ni3P（P11）Ni3P，Ni2P（P20）8801106Ni-BNi，Ni2B（B4）Ni3B2，NiB（B12）1140990Ni-AlγNi，Ni3Al（Ni89）1385Ni-ZrZr，Zr2Ni（Ni17）961Ni-MgNi，Ni2Mg（Ni11）109523影響熱裂紋的主要元素→加劇硫﹑磷及其他元素的有害作用。脫硫作用+改善硫化物的形狀→薄膜狀改動(dòng)為球狀→提高金屬的抗裂性。碳錳242〕應(yīng)力要素金屬的強(qiáng)度<金屬所接受的拉伸應(yīng)力。焊接脆性溫度區(qū)內(nèi):或：熱應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變量<焊縫的塑性貯藏量253、結(jié)晶裂紋的防止措施冶金措施應(yīng)力控制261〕冶金措施①控制焊縫中有害雜質(zhì)的含量S、P<0.03-0.04；焊絲C<0.12%(低碳鋼)；焊接高合金鋼，焊絲超低碳焊絲；細(xì)化晶粒，參與Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al。對(duì)于不銹鋼焊接，為提高抗裂性、耐蝕性，希望得到γ+δ雙相組織。②改善焊縫的一次結(jié)晶組織開大坡口，減小熔深或堆焊隔離層；③限制熔合比④“愈協(xié)作用〞低熔共晶數(shù)量增多，結(jié)晶裂紋傾向降低的景象。272〕應(yīng)力控制①合理的接頭方式外表堆焊和熔深較淺的對(duì)接焊縫不易產(chǎn)生；熔深較大的對(duì)接和角接、搭接和T型接頭易產(chǎn)生；②合理的焊接順序使大多數(shù)焊縫在較小的剛度下焊接，減少拘謹(jǐn)應(yīng)力③合理的焊接參數(shù)冷速大，裂紋傾向大；預(yù)熱，可降低裂紋傾向；但提高預(yù)熱溫度會(huì)惡化勞動(dòng)條件適當(dāng)降低焊接熱輸入；281.8.3焊接冷裂紋延遲裂紋其他裂紋冷裂紋的特征和分類291、冷裂紋的普通特征溫度：較低溫度下產(chǎn)生；Ms點(diǎn)附近或更低部位：多產(chǎn)生在熱影響區(qū)中；或物理化學(xué)成分不均勻的氫聚集地帶宏觀：發(fā)亮、金屬光澤的脆斷特征；裂口寬度0.001～0.01mm.微觀：普通晶間〔或沿晶〕斷裂；有時(shí)也會(huì)穿晶。常發(fā)生在剛性較大的中、高碳鋼、低合金鋼的焊接構(gòu)造中。超強(qiáng)合金也會(huì)發(fā)生在焊縫。。一、冷裂紋的特征和分類302、冷裂紋的分類按裂紋構(gòu)成緣由分：延遲裂紋淬硬脆化裂紋低塑性脆化裂紋31延遲裂紋分散氫、淬硬組織和拘謹(jǐn)應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生具有明顯的延遲特征。焊后要經(jīng)過一段時(shí)間才出現(xiàn)，開場少量出現(xiàn)，隨時(shí)間增長逐漸增多和擴(kuò)展。三種：〔1〕焊趾裂紋〔2〕焊道下裂紋〔3〕根部裂紋32淬硬脆化裂紋－淬火裂紋某些淬硬傾向大的鋼種+拘謹(jǐn)應(yīng)力→裂紋緣由：冷卻→馬氏體相變→脆化。材質(zhì)：高〔中〕碳鋼、高強(qiáng)度合金鋼、工具鋼特點(diǎn)：與氫的關(guān)系不大，根本無延遲景象，成形加工后常立刻出現(xiàn)。33低塑性脆化裂紋材質(zhì)：鑄鐵、硬質(zhì)合金、高鉻合金等。如灰口鑄鐵在400℃以下，焊接裂紋↑。緣由：收縮帶來的應(yīng)變→超越其本身的塑性貯藏量→裂紋。特點(diǎn)：根本無延遲景象。某些低塑性資料+較低溫度→裂紋34二、延遲裂紋的構(gòu)成與控制構(gòu)成機(jī)理防止措施取決于鋼種的淬硬傾向、焊接接頭的應(yīng)力形狀、熔敷金屬中分散氫的含量。351、延遲裂紋的構(gòu)成機(jī)理氫的行為及作用資料淬硬傾向的影響接頭應(yīng)力形狀36氫致延遲裂紋的構(gòu)成機(jī)理氫高溫→熔池冷卻逸出剩余氫+分散氫延遲裂紋淬硬組織+應(yīng)力〔1〕氫的行為及作用37缺陷前沿受應(yīng)力作用→構(gòu)成三向應(yīng)力區(qū)“誘氫深化〞→分散、聚集→使此處應(yīng)力增大。缺陷前沿：應(yīng)力+脆性↑，氫到達(dá)臨界值→缺陷前沿啟裂、裂紋擴(kuò)展。裂紋尖端→新的三向應(yīng)力區(qū)。氫繼續(xù)分散、聚集…→宏觀裂紋。應(yīng)力誘導(dǎo)分散實(shí)際：38含碳較高或合金含量較多的鋼種，對(duì)裂紋和氫脆有較大的敏感性。原那么：焊縫金屬的含碳量普通要低于母材的含碳量。焊縫的含碳量低，相變溫度較高；HAZ的含碳量較高，相變溫度滯后；氫在A中的溶解度較大，分散系數(shù)較??；在F、P中的溶解度較小，分散系數(shù)較大。焊縫相變時(shí)，氫從焊縫F、P→熱影響區(qū)A中分散；導(dǎo)致氫在某些部位聚集。HAZ金屬由奧氏體→馬氏體轉(zhuǎn)變，氫以過飽和形狀殘留在馬氏體中.該組織脆化↑，導(dǎo)致裂紋。氫的分散行為對(duì)致裂部位的影響39〔2〕資料的淬硬傾向緣由：淬硬傾向大→硬脆的馬氏體組織和高密度的晶格缺陷〔如空位和位錯(cuò)等〕。淬硬傾向↑－－產(chǎn)生裂紋↑。主要取決于資料的化學(xué)成分、焊接工藝、冷卻條件和板厚等要素。40〔3〕接頭應(yīng)力形狀a)應(yīng)力的種類：熱應(yīng)力－－不均勻加熱和冷卻引起；組織應(yīng)力－－金屬相變引起；構(gòu)造應(yīng)力－－構(gòu)造本身拘謹(jǐn)條件引起；構(gòu)成拘謹(jǐn)應(yīng)力41b〕拘謹(jǐn)度和拘謹(jǐn)應(yīng)力如平板對(duì)接接頭：剛性大〔彈性模量E大或板厚h大〕或拘謹(jǐn)間隔L小的焊接構(gòu)造，拘謹(jǐn)度R↑,裂紋傾向↑。實(shí)踐拘謹(jǐn)度>臨界拘謹(jǐn)度，產(chǎn)生冷裂紋。拘謹(jǐn)度－－單位長度焊縫在根部間隙產(chǎn)生單位長度的彈性位移所需求的力。423、延遲裂紋的防止措施冶金措施工藝措施43a)改良母材的化學(xué)成分采用低碳多種微量合金元素的強(qiáng)化方式－－高強(qiáng)度+高韌性；盡量降低雜質(zhì)元素〔S，P，O，N等〕含量－－提高抗冷裂性能；b)嚴(yán)厲控制氫的含量清理油污和氧化皮；焊接資料的烘干；c)適當(dāng)提高焊縫韌性參與細(xì)化晶粒的合金元素：Ti，Nb，Mo，V等，改善焊縫組織的韌性，降低焊接接頭冷裂的敏感性。采用A焊條焊接淬硬傾向較大的中、低合金高強(qiáng)度鋼，可減少裂紋；1〕冶金措施442〕工藝措施適當(dāng)預(yù)熱嚴(yán)厲控制焊接熱輸入焊后低溫?zé)崽幹貌捎枚鄬雍负侠戆才藕缚p及焊接次序45a)適當(dāng)預(yù)熱預(yù)熱可減少熱應(yīng)力，降低冷速，有效防止延遲裂紋的產(chǎn)生。合理選擇預(yù)熱溫度。過高－－惡化勞動(dòng)條件+產(chǎn)生附加應(yīng)力。46b)嚴(yán)厲控制焊接熱輸入增大熱輸入－－可降低冷卻速度－－降低延遲裂紋的產(chǎn)生傾向。熱輸入過?。鋮s速度大－－延遲裂紋的產(chǎn)生傾向大；熱輸入過大－－導(dǎo)致晶粒粗大－－產(chǎn)生粗大的M；47c)焊后低溫?zé)崽幹萌涮幹茫狗稚涑浞忠莩?，同時(shí)降低剩余應(yīng)力。d)多層焊利用預(yù)熱和焊后熱處置的綜合效果，減少延遲裂紋傾向。e)合理安排焊縫和焊接次序防止密集分布、盡量對(duì)稱分布；在拘謹(jǐn)度較小的形狀下施焊，減少拘謹(jǐn)應(yīng)力。48三、其他裂紋再熱裂紋層狀撕裂應(yīng)力腐蝕裂紋491、再熱裂紋焊后在一定溫度范圍內(nèi)重新加熱〔熱處置〕→裂紋。包括：消除應(yīng)力處置裂紋：某些合金鋼焊后消除應(yīng)力處置過程中產(chǎn)生的裂紋。應(yīng)變時(shí)效裂紋：高溫合金在焊后時(shí)效處置或高溫運(yùn)用過程中伴隨時(shí)效沉淀硬化而出現(xiàn)的裂紋指在過飽和固溶體中溶質(zhì)原子偏聚區(qū)和由之脫溶出微粒彌散分布于基體中而導(dǎo)致硬化。501〕特點(diǎn)：2〕材質(zhì)：低合金高強(qiáng)鋼、珠光體耐熱鋼、不銹鋼等。含有沉淀強(qiáng)化元素〔Cr、Ti、V、Nb等〕；在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)域、沿晶斷裂；在大拘謹(jǐn)度的厚件和應(yīng)力集中部位最易產(chǎn)生；存在敏感溫度范圍：低合金高強(qiáng)度鋼和耐熱鋼－－500～700℃；高溫合金－－700～900℃；513〕產(chǎn)活力理是由晶界優(yōu)先滑動(dòng)導(dǎo)致微裂而發(fā)生和擴(kuò)展的4〕防止措施選用含沉淀強(qiáng)化元素少的母材，并限制雜質(zhì)含量；限制熱輸入，防止晶粒粗化；預(yù)熱和后熱；焊材－－低匹配原那么；降低剩余應(yīng)力，防止應(yīng)力集中。522、層狀撕裂產(chǎn)生呈“階梯〞狀的裂紋。軋制母材的分層的夾雜物(特別是硫化物夾雜物〕焊接時(shí)產(chǎn)生的垂直軋制方向的應(yīng)力+1〕材質(zhì)：在大厚度低合金高強(qiáng)鋼。53典型的層狀撕裂543〕防止措施選材：器具有抗層狀撕裂的鋼材。設(shè)計(jì)和工藝上：防止單側(cè)焊縫；焊接量少的對(duì)稱角焊縫取代焊接量大的全焊透焊縫；