先进焊接材料学3焊接裂纹【专业内容】

Xian Jiaotong University1高等教育Xian Jiaotong University随着各种HSLA钢，中、高合金钢，以及各种合金材料的广泛应用，在焊接生产上带来了许多新的问题，其中较为普遍而又十分重要的是。焊接裂纹不仅给生产带来许多困难，而且可能带来灾难性的事故。2高等教育Xian Jiaotong University据统计，世界上焊接结构所出现的各种事故中，除少数是由于设计不当、选材不合理和运行操作上的问题外，绝大多数是由裂纹而引起的脆性破坏。因此，裂纹是引起焊接结构破坏的主要原因。3高等教育Xian Jiaotong University在焊接生产中由于钢种和结构类型的不同，可能出现各种裂纹。裂纹的形态和分布很复杂，有焊缝的表面裂纹、内部裂纹，有热影响区的横向裂纹、纵向裂纹，有焊缝和焊道下的深埋裂纹，也有在弧坑处出现的所谓弧坑裂纹。按照裂纹产生的本质，可以将焊接裂纹分为五大类。4高等教育Xian Jiaotong Universityu热裂纹热裂纹u再热裂纹再热裂纹u冷裂纹冷裂纹u层状撕裂层状撕裂u应力腐蚀破裂应力腐蚀破裂5高等教育Xian Jiaotong University1.热裂纹在高温下产生的沿A晶界开裂。从低碳钢、低合金钢，到奥氏体不锈钢、铝合金和镍基合金等都有产生热裂纹的可能。u结晶裂纹u液化裂纹u多边化裂纹6高等教育Xian Jiaotong University1.1 结晶裂纹 Solidification Cracking焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的收缩，残余的液体金属不足，不能及时填充，在拉应力作用下发生沿晶开裂，故称结晶裂纹。7高等教育Xian Jiaotong University多数情况下，结晶裂纹发生在焊缝断面上，可以看到有氧化色彩，表明这种裂纹是在高温下产生的。结晶裂纹大部分沿焊缝树枝状结晶的交界处产生和发展，最常见于沿焊缝中心长度方向开裂。8高等教育Xian Jiaotong University1.1.1 机理焊缝结晶过程中，因合金的选分结晶，先结晶的金属比较纯，后结晶的金属杂质较多，并富集于晶界上，且这些杂质大都具有较低的熔点。例如，一般碳钢和低合金钢的焊缝含硫量较高时，能形成硫化铁（FeS），而FeS又能与Fe形成熔点只有988的低熔点共晶。钢中的磷、硅等也具有形成低熔点共晶的作用，此外在不锈钢和耐热钢中，硫、磷、硼、锆等也都能形成低熔点共晶。9高等教育Xian Jiaotong University在焊缝金属凝固的过程中，低熔点共晶被排挤在晶界上形成一种所谓“液态薄液态薄膜膜”。在焊缝金属结晶的过程中，由于收缩而受到了拉伸应力，这时焊缝中的液态薄膜就成了薄弱地带。在拉伸应力的作用下就有可能产生开裂而形成结晶裂纹。10高等教育Xian Jiaotong University拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条件液态薄膜是产生结晶裂纹的根本原因但是当液态薄膜的数量超过一定的界限之后，反而具有“愈合”裂纹的作用。也就是说，低熔共晶数量较多时，反而不产生裂纹，它可以自由流动，填充有缝隙的部位。例如，焊接某些高强铝合金时，为了防止热裂纹，常采用含硅5%的铝硅合金焊丝，就是利用低熔共晶的“愈合”作用来消除裂纹的。11高等教育Xian Jiaotong University结晶裂纹只有在一定的温度区间内才会产生，该温度区间称 当熔池开始结晶时，有较多的液态金属，它们可以在晶粒间自由流动，此时虽然有拉伸应力存在，但被拉开的缝隙能及时地被流动着的液态金属填满，因此不会产生裂纹。脆性温度区间脆性温度区间12高等教育Xian Jiaotong Universityu当熔池结晶进入到固液阶段固液阶段时，由于液态金属少（主要是那些低熔点共晶），温度较低流动性变差，无法填充在拉伸应力作用下产生的缝隙，因而易产生裂纹，这个区称为“脆性温度区”。u熔池金属完全凝固之后形成的焊缝，受到拉伸应力时，表现出有较好的强度和塑性，不易产生开裂。13高等教育Xian Jiaotong University1.1.2 影响结晶裂纹的因素1)冶金因素对产生结晶裂纹的影响 影响结晶裂纹的因素可归纳为冶金因素和力学因素两个方面。被焊金属的合金状态图类型、化学成分和焊缝的组织形态等对结晶裂纹有重要影响。14高等教育Xian Jiaotong Universitya)合金状态图类型和结晶温度区间 随着合金元素含量的增加，结晶温度区间增大，同时脆性温度区的范围（图中的阴影部分）也增大，因此热裂纹倾向也会增加。一直到S点，此时结晶温度区间最大，脆性温度区也最大，裂纹倾向亦最大。当合金元素进一步增多时，结晶温度区间和脆性温度区反而减小，所以裂纹倾向也降低。15高等教育Xian Jiaotong University虽然合金状态图的类型各有不同，但对产生结晶裂纹的倾向却都有共同的规律，即裂纹倾向随结晶温度区间（即脆性温度区）的增加而增大 16高等教育Xian Jiaotong Universityb)合金元素 合金元素对结晶裂纹的影响十分复杂，但又非常重要，是影响裂纹的最本质的因素。应当指出，多种元素的相互影响，往往比单一元素复杂的多，有时甚至是彼此矛盾的。这里仅就碳钢和低合金钢中合金元素对结晶裂纹的影响作一概括介绍。17高等教育Xian Jiaotong University 硫和磷S、P在钢中能形成多种低熔共晶，使结晶过程中极易形成液态薄膜，因而几乎在各类钢中都会增高结晶裂纹的倾向。S和P在钢中还是一种极易形成偏析的元素，几乎对各种焊接裂纹都比较敏感，因而，用于焊接结构的钢材都要对硫磷严格控制。近年来出现的细晶粒钢和控轧钢，都具有较高的抗裂性能，因为这些钢中的含硫、磷和碳都很低。18高等教育Xian Jiaotong University碳是钢中影响结晶裂纹的主要元素，并能加剧其它元素的有害作用，因而常采用碳当量作为评价钢种焊接性的尺度。碳在钢中的含量大于0.17%（包晶点）时，随含碳量的增加，结晶温度区间是增加的，因而增大了结晶裂纹的敏感性。此外，当含碳量大于0.17%时，磷的有害作用显著，故也增大了结晶裂纹的倾向。碳19高等教育Xian Jiaotong University wC0.1%时，由液体中析出的初生相仅是相。当0.1%wC0.17时，从液相中首先析出相，然后进行包晶反应，全部结晶完了时为双相组织+A。当0.17%wC0.53%时，初生相就仅为A相了。碳在钢中的含量不同，初生相也不同，因而影响结晶裂纹的倾向不同。20高等教育Xian Jiaotong UniversityAH:0.10%J:0.17%B:0.53%21高等教育Xian Jiaotong University相和A相中硫、磷的最大溶解度是不同的。随着含碳量的增加，初生相由相转为A相，硫和磷的溶解度降低，析出的硫、磷会富集于晶界上，从而增加裂纹倾向。元素最大溶解度%A硫0.180.05磷2.80.25硫和磷在钢中的溶解度硫和磷在钢中的溶解度22高等教育Xian Jiaotong University 锰 锰具有脱硫的作用，同时也能改善硫化物的分布状态，使薄膜状FeS改变为球状分布，从而提高了焊缝的抗裂性。为了防止硫引起的热裂纹，随着钢中含碳量的增加，要相应增加Mn/S 的比值。硅 硅是相形成元素，利于消除结晶裂纹，但硅含量超过0.4%时，容易形成硅酸盐夹杂，从而增加了裂纹倾向。23高等教育Xian Jiaotong University 钛、锆和稀土 钛、锆和镧、铈等稀土元素能与硫形成高熔点的硫化物。例如，TiS的熔点为20002100、ArS熔点为2100、La2S3的熔点为2000以上、CeS的熔点为2450，这些硫化物的熔点比MnS（熔点为1650）还要高，消除热裂纹的效果也更好。镍 镍在低合金钢中易与硫形成低熔共晶（NiNi3S2共晶的熔点仅为650），因而会引起热裂纹。但钢中加入锰、钛等合金元素后，可以抑制硫的有害作用。24高等教育Xian Jiaotong Universityc)焊缝的组织形态 焊缝结晶后，晶粒大小、形态和方向，以及析出的初生相等对抗裂纹都有很大的影响。晶粒越粗大，柱状晶的方向越明显，则产生热裂纹的倾向就越大。为此，常在焊缝及母材中加入一些可以细化晶粒的合金元素（如Ti、Mo、V、Nb、Al及Re等），一方面可以破坏液态薄膜的连续性，另一方面还可以打乱柱状晶的方向。焊接奥氏体不锈钢时，希望得到+A双相焊缝组织，因为焊缝中有少量相可以细化晶粒，还打乱了奥氏体粗大柱状晶的方向性，所以能够提高焊缝的抗裂性。25高等教育Xian Jiaotong University2)力学因素对产生结晶裂纹的影响 金属的强度决定于其晶内断裂强度G和晶间断裂强度0，它们都随温度升高而降低，其中0下降更快。当温度达到T0时，G=0，为等强温度。当温度高于T0时，G0，此时如发生断裂必然是晶间断裂，焊接时的热裂纹就属于这种性质。26高等教育Xian Jiaotong University 如果焊接时焊缝上所承受的拉伸应力为2，随着温度的变化始终低于0，则不会产生裂纹。若焊缝所承受的拉伸应力为1，在某一温度时1超过了金属的晶间强度，就会产生裂纹。这是产生结晶裂纹的充分条件。T0G012T27高等教育Xian Jiaotong University1.1.3 防止结晶裂纹的措施焊接生产时产生结晶裂纹的影响因素很多，因此应抓住具体情况下的主要矛盾。从冶金上减小熔池的结晶温度区间，控制液态薄膜的数量；另一方面在焊接工艺上尽量减少焊接应力。28高等教育Xian Jiaotong University合金因素方面 为了消除它们的有害作用，应尽可以限制母材和焊接材料中的硫、磷、碳的含量，S、P的含量不得超过0.030.04%。用于低碳钢和低合金钢的焊丝含碳量一般不得超过0.12%。焊接高合金钢时要求更加严格，硫、磷含量必须控制在0.03%以下，焊丝中的含碳量也要严格限制，甚至要求采用超低碳焊丝（0.030.06%）。一些重要的焊接结构应采用碱性焊条或焊剂，以有效地控制有害杂质，防止结晶裂纹。控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量29高等教育Xian Jiaotong University向焊缝中加入细化晶粒的元素，如Mo、V、Ti、Nb、Al、稀土等。在焊接奥氏体不锈钢时，为了提高抗裂性、抗腐蚀性，希望得到+A双相焊缝组织（相控制在5%左右）。焊接某些结晶裂倾向较大的材料（如高强铝合金）时，特意增多焊缝中易熔共晶的数量，使之具有“愈合”裂纹的作用，也是防止结晶裂纹的有效方法。改善焊缝组织、细化晶粒改善焊缝组织、细化晶粒30高等教育Xian Jiaotong University工艺因素方面 焊接规范、预热、接头型式和焊接次序等，改善焊缝上的应力状态。焊接工艺规范焊接工艺规范 适当增加焊接热输入和提高预热温度，可以减小焊接应力，从而降低结晶裂倾向。但增加E会使近缝区的金属过热，提高预热温度又会恶化劳动条件，所以采用这种方法是有限度的。31高等教育Xian Jiaotong University 接头型式接头型式 焊接接头型式将影响接头的受力状态、熔池的结晶条件和热的分布等，因而会影响结晶裂倾向，这一点在设计和施工时应特别注意。表面堆焊和熔深较浅的对接焊缝（图a，b）抗裂性较高；在焊接熔深较大的对接和各种角焊缝（包括搭接、T型接头和外角接焊缝等）时，如图c、d、e、f所示，因为这些焊缝所承受的应力正好作用在焊缝的结晶面上，故易引起裂纹。32高等教育Xian Jiaotong University 焊接次序焊接次序 施工时焊接次序是很重要的，同样的焊接方法和焊接材料，只是因为焊接次序不同，可能具有不同的结晶裂纹倾向。总的原则是尽量使大多数焊缝能在较小刚度的条件下焊接，使焊缝的受力较小。33高等教育Xian Jiaotong University1.2 液化裂纹 Liquation Cracking在焊接热循环作用下，母材上近缝区和多层焊的层间金属中，因含有低熔共晶（S、P、Si、Ni等）被重新熔化，在收缩应力作用下，沿奥氏体晶间产生开裂。液化裂纹是在高温下产生的，并沿A晶间断裂，故是热裂纹的一种。34高等教育Xian Jiaotong University液化裂纹主要发生在含Cr、Ni的高强钢，A钢及某些Ni基合金的近缝区或多层焊层间的金属中，若母材或填充金属中S、P、Si、C含量偏高，液化裂纹倾向会增加。这种裂纹一般产生于HAZ靠近熔合线处，沿A晶间开裂，长度和深度在一个到几个晶粒范围内，常小于0.5mm，大多不超过1mm。液化裂纹常为冷裂纹的裂纹源。35高等教育Xian Jiaotong University1.3 多边化裂纹焊缝或近缝区在固相线温度以下的高温区间，由于刚凝固的金属存在很多晶格缺陷和严重的物理和化学不均匀性，在一定温度和应力作用下，因晶格缺陷的移动和聚集，便形成了二次边界（多边化边界），在此边界上堆积了大量的晶格缺陷、组织疏松，高温时强度和塑性都很低，只要此时受少许拉伸变形，就会沿多边化的边界开裂，产生多边化裂纹，又称高温低塑性裂纹。36高等教育Xian Jiaotong University多边化裂纹是热裂纹的一种，它的产生与液态薄膜无关，是由于晶格缺陷的存在使金属在高温下塑性低（失塑），在应力作用下产生的。这种裂纹多发生在纯金属和单相A合金的焊缝或近缝区中。37高等教育Xian Jiaotong University2.再热裂纹 Reheat Cracking含有沉淀强化元素的钢种在焊后再次加热时，在HAZ的粗晶区产生的裂纹，这种裂纹是在焊后重新加热过程中产生的，故称再热裂纹。最早发现于消除应力热处理中，故又称消除应力处理裂纹，Stress Relief Cracking，简称SR裂纹。38高等教育Xian Jiaotong University2.1 机理 晶内强化理论粗晶区不仅晶粒粗大，且难熔碳化物因温度高(1800Tm)而溶入A，当再次在500700 加热时，晶内析出沉淀硬化相，而晶界相对弱化。同时，加热使应力发生松驰，在应力集中区域（熔合区及粗晶区）会产生较大的附加变形，如果粗晶区的蠕变塑性不足，不能适应应力松驰所致的附加变形，则沿相对弱化的晶界开裂。39高等教育Xian Jiaotong University 晶界弱化说晶界上杂质偏聚引起脆化，在应力松驰过程中开裂。主要杂质有S、P、Sb、Sn、As等 蠕变损伤说再热过程中的应力松驰是应力逐步随时间降低的蠕变现象，可直接用蠕变损伤理论来解释SR裂纹。40高等教育Xian Jiaotong University 楔劈开裂模型晶粒相对移动时，沿晶界发生应力松驰，致使三晶交接顶角处应力集中而产生裂纹。41高等教育Xian Jiaotong University 空穴开裂模型晶界滑动时优先在垂直于拉伸应力的晶界上形 成 空 穴 核 心（不是特别择优于三晶粒顶角），然后孤立长大聚合而形成横向裂纹。42高等教育Xian Jiaotong University2.2 防止途径 预热及焊后热处理 减小残余应力及过热区硬化 控制热输入 增加焊接热输入可防止硬脆组织，但易引起粗晶脆化43高等教育Xian Jiaotong University 低匹配 形成高塑性的焊缝金属，减小近缝区的应力集中 退火重熔焊道 TIG重熔焊缝表层，可减小残余应力 消除应力集中源 削除焊缝堆高、咬边、根部未焊透等应力集中源后，可显著减小近缝区的应力集中44高等教育Xian Jiaotong University3.冷裂纹 Cold Cracking焊后在较低温度下产生（-100100 ），多有延迟性。主要发生在高碳钢、中碳钢、低合金或中合金高强钢的HAZ，有些金属材料，如合金成份较高的超高强钢、Ti及Ti合金有时冷裂纹亦产生于WM。45高等教育Xian Jiaotong University3.1 机理引起延迟裂纹的三大因素：I.钢种的淬硬倾向II.焊接接头的含量及其分布III.焊接拘束应力 46高等教育Xian Jiaotong UniversityI.钢种的淬硬倾向u脆硬的片M组织u淬硬会产生较多的晶格缺陷47高等教育Xian Jiaotong UniversityHHHHHHHCrackHHHHHHHCrackH2H2H2II.氢的作用48高等教育Xian Jiaotong UniversityHAZ的缺陷处存在应力集中，H会向缺陷处扩散，使此处的应力进一步增高，当H浓度达到临界值时，三向应力会使金属间的连接(金属键)破坏，产生裂纹。H致裂纹具有延迟性。延迟性49高等教育Xian Jiaotong University易产生于HAZu焊缝的含碳量通常比母材低，所以焊缝的A3比HAZ高；u焊缝先发生过冷A转变，而HAZ仍处于A状态；50高等教育HAHF DADF焊缝中的H会穿过熔合线向HAZ扩散，使A中富HAAFMA3A1HHHHHHHHvHAZ 若富H的A转变成M，则H不易扩散出去，保留在M中，使之进一步脆化。若富H的A转变成F+渗碳体，则H可能扩散逸出，冷裂纹敏感性降低。51高等教育Xian Jiaotong University焊接不均匀加热和冷却产生的热应力，金属相变时因体积变化引起的组织应力，以及焊接结构自身拘束条件所造成的应力，是任何焊接结构都不可避免的，统称为拘束应力。III.焊接拘束应力52高等教育Xian Jiaotong University在拘束应力作用下，如果HAZ产生了脆硬的组织，且有扩散氢的聚集，则在HAZ将可能产生延迟裂纹。53高等教育Xian Jiaotong University3.2 冷裂纹敏感指数BVMoNiCrCuMnSiCPRHPPHPPcmcmwcmC51015602030400006060060式中：PC、Pw-裂纹敏感指数；H-扩散氢含量，JIS标准甘油法测定-板厚mmR-拘束度54高等教育Xian Jiaotong University冷裂纹敏感指数综合反映了淬硬组织、氢、拘束应力三大因素对冷裂纹的影响。为防止冷裂纹，应选择的预热温度为：39214400wPT（）55高等教育Xian Jiaotong University3.3 防止冷裂纹的措施u焊接材料的选用焊接材料的选用 低H或超低H焊条 低匹配（降低R）奥氏体焊条 HA大 强度低，塑性好；HAZ不易产生淬硬M56高等教育Xian Jiaotong University 焊接工艺预热；预热；控制热输入；控制热输入；不仅要考虑缓冷，减小淬硬倾向，还要防止晶粒粗化后热。后热。减小残余应力；改善HAZ组织，减小淬硬倾向；除H。57高等教育Xian Jiaotong University4.层状撕裂 Lamellar Tearing在焊接应力作用下，HAZ或稍远离焊缝的区域分层夹杂物（沿轧制方向）产生“台阶”式层状开裂。58高等教育Xian Jiaotong University层状撕裂主要发生在厚板结构的T型接头、十字型接头和角接头中，与材料的轧制和冶炼质量有关，在轧制过程中，一些非金属夹杂物，特别是硫化物，常平等于板面沿轧制方向分布，焊接时，产生的沿板厚方向的焊接应力，使这些夹杂物与金属基体脱离结合，形成裂纹。59高等教育Xian Jiaotong University思考题思考题焊接裂纹的种类有哪些？试焊接裂纹的种类有哪些？试述其中一种焊接裂纹的产生原因述其中一种焊接裂纹的产生原因及防止措施。及防止措施。60高等教育