成形缺陷的产生机理及防止措施

1 2 第 一 节 内 应 力第 二 节 焊 接 变 形第 三 节 裂 纹第 四 节 焊 缝 中 的 气 孔 与 夹 杂 物第 五 节 焊 缝 中 化 学 成 分 不 均 匀 性 3第 一 节 内 应 力 4 内 应 力 没 有 外 力 的 作 用 条 件 下 ， 平 衡 物 体 内部 的 应 力 。焊 接 瞬 时 应 力 在 焊 接 加 热 冷 却 过 程 中 某 一 瞬时 中 存 在 的 应 力 。焊 接 残 余 应 力 焊 件 完 全 冷 却 、 温 度 均 匀 化 后残 留 于 焊 件 中 的 应 力 。内 应 力 的 存 在 对 焊 接 结 构 质 量 有 很 大 的 影 响 。在 一 定 条 件 下 ， 内 应 力 影 响 结 构 的 强 度 、 刚 度 、受 压 稳 定 性 和 加 工 精 度 。残 余 应 力 存 在 对 构 件 的 承 载 能 力 影 响 较 大 。 可能 会 导 致 构 件 材 料 局 部 或 者 整 体 断 裂 、 低 应 力脆 断 、 应 力 腐 蚀 开 裂 等 现 象 。 5 一 内应力的形成内 应 力 按 其 产 生 的 原 因 可 分 为 ： 热 应 力 、 相 变 应力 和 机 械 阻 碍 应 力 。1 热 应 力 工 件 受 热 及 冷 却 过 程 中 ， 各 部 分 的 温 度 、冷 却 速 度 不 同 造 成 的 工 件 上 在 同 一 时 刻 各 部 分 的收 缩 或 膨 胀 量 不 同 ， 导 致 内 部 彼 此 相 互 制 约 而 产生 的 应 力 。 该 应 力 的 本 质 是 由 热 胀 冷 缩 引 起 的 ，故 称 为 热 应 力 。2 焊 接 应 力 与 变 形 焊 接 是 热 源 移 动 和 局 部 不 均 匀加 热 的 过 程 。 同 一 时 刻 离 开 热 源 中 心 不 同 点 具 有不 同 的 温 度 分 布 。 如 将 焊 件 分 成 无 数 小 的 窄 板 条 ，便 可 将 微 元 件 的 温 度 当 作 是 均 匀 场 。 这 些 受 热 元件 在 不 同 温 度 的 周 围 杆 件 的 作 用 下 处 于 应 力 状 态 ，加 入 和 冷 却 时 无 法 自 由 膨 胀 和 收 缩 ， 其 本 身 也 将对 周 围 杆 件 产 生 制 约 作 用 。 6 7 一 内应力的形成3 相 变 应 力 金 属 材 料 在 固 态 相 变 过 程 中 各 部分 因 发 生 相 变 的 先 后 时 刻 和 相 变 过 程 不 同 ， 由此 而 产 生 的 应 力 。4 机 械 阻 碍 应 力 焊 件 冷 却 过 程 中 产 生 的 收 缩 ，受 到 外 界 的 阻 碍 而 产 生 的 应 力 。 工 件 在 焊 接 时多 采 用 能 阻 碍 焊 件 收 缩 的 刚 性 固 定 装 置 、 工 装夹 具 及 胎 具 等 ， 这 些 均 可 使 工 件 产 生 拉 应 力 和切 应 力 。综 上 ， 焊 件 内 的 应 力 是 热 、 相 变 、 机 械 阻 碍 应力 的 总 和 ， 在 冷 却 过 程 的 某 一 瞬 间 当 局 部 应 力的 总 和 大 于 金 属 在 该 温 度 下 的 抗 拉 强 度 时 ， 工件 就 会 产 生 裂 纹 。 一 般 经 过 热 处 理 (一 定 温 度 和时 间 )工 件 内 各 部 分 的 应 力 会 重 新 分 配 或 消 失 。 8 二 残余应力的分布纵 向 应 力 沿 焊 缝 方 向 的 应 力 ,x。横 向 应 力 垂 直 于 焊 缝 方 向 的 应 力 ,y 。厚 度 向 应 力 沿 板 厚 度 方 向 的 应 力 ,z 。焊 接 残 余 应 力 值 的 大 小 可 以 用 试 验 方 法直 接 测 定 ， 亦 可 以 进 行 理 论 计 算 。纵 向 和 横 向 残 余 应 力 的 实 例 见 P185187图 9-4、 5、 6、 7、 8和 9。 9 三 减少或消除焊接残余应力的途径根 据 残 余 应 力 产 生 的 原 因 ， 可 采 用 以 下 途 径 来减 少 或 消 除 焊 接 残 余 应 力 。1 合 理 的 结 构 设 计 如 避 免 焊 缝 的 交 叉 及 密 集 ，尽 量 采 用 对 接 而 避 免 搭 接 ， 用 刚 度 小 的 结 构 代替 刚 度 大 的 结 构 等 。2 选 择 合 理 的 工 艺 及 采 取 必 要 的 措 施 采 用 小热 输 入 (小 直 径 焊 条 或 低 电 流 )， 减 小 焊 件 的 受热 范 围 。 安 排 合 适 的 焊 接 顺 序 ， 尽 可 能 使 焊 缝能 自 由 收 缩 。 此 外 ， 可 以 采 用 预 热 措 施 ， 在 焊前 进 行 预 热 可 降 低 工 件 中 的 温 度 梯 度 ， 降 低 焊接 应 力 。 10 三 减少或消除焊接残余应力的途径3 减 少 焊 接 残 余 应 力 的 措 施(1)热 处 理 法 一 般 将 工 件 加 热 到 塑 性 状 态 的 温 度 ， 并保 温 一 段 时 间 ， 利 用 蠕 变 产 生 新 的 塑 性 变 形 ， 消 除 残余 应 力 。 再 缓 冷 ， 使 厚 、 薄 部 位 的 温 度 均 匀 。(2) 机 械 法 如 对 压 力 容 器 、 桥 梁 等 采 用 加 载 办 法 降 低残 余 应 力 。 原 理 是 利 用 加 载 所 产 生 的 均 匀 拉 伸 应 力 与焊 接 应 力 相 叠 加 ， 使 存 在 于 高 拉 伸 应 力 区 的 应 力 值 达到 屈 服 强 度 值 ， 迫 使 材 料 发 生 塑 性 变 形 ， 卸 载 后 该 区的 残 余 应 力 得 以 完 全 或 部 分 消 除 。(3) 共 振 法 将 焊 件 在 共 振 条 件 下 振 动 10 15min， 以达 到 消 除 焊 接 残 余 应 力 的 目 的 。 该 法 的 优 点 ： 设 备 费用 低 ， 花 费 时 间 少 ， 易 于 操 作 ， 无 氧 化 皮 ， 不 受 工 件大 小 尺 寸 的 限 制 。 不 会 因 热 处 理 规 范 不 当 产 生 裂 纹 。 11第 二 节 焊 接 变 形 12 一 焊接变形的基本形式(1)收 缩 变 形 (Contraction Deformation)焊 接 整 体 尺 寸 的减 小 ， 包 括 焊 缝 的 纵 向 和 横 向 收 缩 。(2)角 变 形 (Angular Deformation)焊 缝 截 面 上 下 不 对 称 或受 热 不 均 匀 时 ， 焊 缝 因 横 向 上 下 收 缩 不 一 致 ， 引 起 的 变 形 。V形 坡 口 的 对 接 接 头 和 角 接 接 头 易 出 现 角 变 形 。(3)弯 曲 变 形 (Curving Deformation)焊 缝 在 结 构 上 不 对 称分 布 ， 使 得 焊 缝 的 纵 向 收 缩 不 对 称 ， 引 起 焊 件 向 一 侧 弯 曲 ，形 成 的 变 形 。(4)波 浪 变 形 (Waviness Deformation)焊 接 薄 板 结 构 时 ，焊 接 压 应 力 使 薄 板 失 稳 ， 引 起 不 规 则 的 变 形 。(5)扭 曲 变 形 (Twist Deformation)焊 缝 的 角 变 形 沿 焊 缝 长度 方 向 分 布 不 均 匀 和 焊 件 纵 向 错 边 引 起 的 ， 也 是 结 构 中 焊缝 布 置 不 对 称 ， 或 者 焊 接 顺 序 和 施 焊 方 向 不 合 理 有 关 。 13 14 15 1 焊 接 应 力 的 成 因 和 分 类 钢 结 构 中 的 焊 接 过 程是 一 个 不 均 匀 加 热 和 冷 却过 程 ， 由 于 不 均 匀 的 温 度场 ， 使 主 体 金 属 的 膨 胀 和收 缩 不 均 匀 。 导 致 在 主 体金 属 内 部 产 生 内 应 力 ， 通常 称 这 种 内 应 力 为 焊 接 应力 。 焊 接 应 力 的 成 因 可 用右 图 所 示 的 高 温 加 热 模 型说 明 。 l l l+ll 拉 伸 变 形压 缩 变 形拉 伸 变 形压 缩 变 形拉 伸 变 形压 缩 变 形高 温 加 热冷 却 自然状态 16 由 于 焊 接 温 度 在 空 间 任 意 方 向 传 递 ， 故 产 生 的焊 接 应 力 也 属 于 三 维 应 力 状 态 ， 分 为 纵 向 焊 接 应 力（ 与 焊 缝 长 度 方 向 平 行 ） 、 横 向 焊 接 应 力 （ 与 焊 缝长 度 方 向 垂 直 ） 及 沿 焊 缝 厚 度 方 向 的 焊 接 应 力 。（ 1） 纵 向 焊 接 应 力 800 500 300施 焊 方 向 焊 接 应 力 17 （ 2） 横 向 焊 接 应 力 产 生 的 原 因 有 两 个 方 面 ： 其 一 是 焊 缝 的 纵 向 收 缩使 两 块 钢 板 有 相 向 弯 曲 的 趋 势 ， 但 焊 缝 已 将 其 连 成 整体 ， 因 而 在 焊 缝 中 部 产 生 横 向 拉 应 力 ， 两 端 则 产 生 压应 力 。 其 二 是 因 为 施 焊 时 ， 先 焊 的 焊 缝 逐 步 冷 却 结 硬 ，具 有 一 定 的 强 度 ， 并 阻 止 后 续 焊 缝 的 横 向 膨 胀 ， 使 后续 焊 缝 产 生 横 向 的 热 塑 压 缩 。 + = 焊 缝 弯 曲 横 向 应 力 横 向 收 缩 应 力 横 向 焊 接 应 力 焊 接 应 力 18 （ 3） 厚 度 方 向 的 焊 接 应 力 厚 度 方 向 的 焊 接 应 力 是 厚 钢 板 的 对 接 焊 缝 连 接 中 ， 施焊 时 需 多 层 施 焊 ， 受 到 加 热 和 冷 却 不 均 匀 而 产 生 的 。 焊 缝成 形 时 ， 与 空 气 接 触 的 焊 缝 表 面 先 冷 却 结 硬 ， 中 间 部 分 后冷 却 ， 沿 厚 度 方 向 的 收 缩 受 到 外 面 已 冷 却 焊 缝 的 约 束 ， 因而 在 焊 缝 内 部 形 成 沿 厚 度 方 向 的 拉 应 力 ， 外 部 为 压 应 力 。当 钢 材 厚 度 t 20mm时 ， 厚 度 方 向 焊 接 应 力 较 小 ， 可 忽 略 不计 ； 但 t 50mm时 ， 厚 度 方 向 焊 接 应 力 可 达 50N mm2。 由 上 可 见 ， 如 果 纵 、 横 、 厚 三 个 方 向 的 焊 接 应 力 在 焊缝 某 区 域 形 成 三 向 拉 应 力 场 ， 将 大 大 降 低 焊 缝 的 塑 性 。t 焊 接 应 力 19 2 焊 接 应 力 和 焊 接 变 形 对 结 构 工 作 的 影 响（ 1） 焊 接 应 力 对 结 构 性 能 的 影 响1)对 静 力 强 度 的 影 响 ： 焊 接 应 力 不 影 响 结 构 的 静 力 强度 。2)对 构 件 刚 度 的 影 响 ： 焊 接 应 力 将 降 低 构 件 的 刚 度3)对 构 件 稳 定 性 的 影 响 ： 焊 接 应 力 将 降 低 构 件 的 稳 定承 载 力 。4)对 疲 劳 强 度 的 影 响 ： 焊 接 应 力 对 直 接 承 受 动 力 荷 载的 焊 接 结 构 不 利 。5)对 低 温 冷 脆 的 影 响 ： 焊 接 应 力 导 致 结 构 产 生 低 温 脆断 。 20 （ 2） 焊 接 变 形 的 影 响 因 素A 金 属 材 料 的 热 物 理 性 能 一 般 ， 材 料 的 线 膨 胀 系 数 越 大 ， 产 生 的 塑 性 压 缩 变形 越 大 ， 冷 却 后 纵 向 和 横 向 的 收 缩 也 越 大 。 导 热 性 好 的金 属 ， 如 铝 ， 线 膨 胀 系 数 大 ， 高 温 s较 低 ， 变 形 较 大 。B 工 艺 因 素 不 同 的 施 焊 工 艺 、 坡 口 形 状 (V形 坡 口 比 X形 坡 口 收缩 量 大 )、 焊 缝 位 置 的 设 置 、 结 构 的 刚 度 、 装 焊 的 顺 序等 ， 都 对 焊 接 结 构 的 变 形 有 很 大 的 影 响 。 总 之 ， 焊 接 变 形 会 导 致 构 件 安 装 困 难 ， 改 变 构 件 受力 方 式 。 如 轴 心 压 杆 ， 若 焊 接 时 产 生 弯 曲 变 形 就 变 成 压弯 构 件 ， 其 强 度 和 稳 定 承 载 力 将 受 影 响 。 21 3 焊 缝 的 合 理 构 造 及 减 小 焊 接 应 力 、 变 形 的 措 施（ 1） 焊 缝 的 合 理 构 造1)焊 缝 的 焊 脚 尺 寸 和 焊 缝 长 度 应 符 合 构 造 要 求 ， 宜 采 用 细 长焊 缝 ， 不 用 粗 短 焊 缝 。 施 焊 时 不 得 随 意 加 大 焊 缝 的 焊 脚 尺 寸 。2)设 计 时 要 考 虑 焊 缝 是 否 有 施 焊 空 间 ， 并 尽 量 避 免 仰 焊 。3)焊 缝 布 置 尽 可 能 对 称 ， 以 减 少 焊 接 变 形 ,图 (a)。4)不 宜 采 用 带 锐 角 的 板 料 做 肋 板 ， 板 料 的 锐 角 应 切 掉 ， 图 (b)，以 免 焊 接 时 锐 角 处 板 材 被 烧 损 ， 影 响 材 质 。5)焊 缝 不 宜 过 分 集 中 ， 避 免 产 生 过 大 的 焊 接 应 力 甚 至 产 生 裂纹 ， 图 (c)。6)当 拉 力 垂 直 于 受 力 板 面 时 ， 要 考 虑 钢 板 的 分 层 破 坏 ， 图 (d)。7)尽 量 避 免 焊 缝 相 交 ， 可 将 次 要 焊 缝 中 断 ， 保 证 主 焊 缝 连 续 ，图 (e)。 22(d) (e)正 确 不 正 确 不 正 确正 确(a) (b) (c)正 确 不 正 确 不 正 确正 确 不 正 确正 确 23 （ 2） 减 小 焊 接 应 力 、 变 形 的 措 施4321 7 6 6 7551234 锤 击 法预 热 法 合 理 的 焊 接 次 序 42 反 变 形 法措 施预 热 法 锤 击 法 退 火 法 合 理 的 焊 接 次 序 反 变 形 法 24 防止或减少焊接变形的方法1 结 构 设 计 方 面 设 计 要 考 虑 强 度 、 刚 度 、 稳 定 性 及 制 造 工 艺 。 如 减 少 不 必 要 的 焊 缝 、 尽可 能 采 用 小 焊 缝 、 注 意 开 坡 口 的 方 法 ； 薄 板 常 用 点 焊 代 替 熔 焊 ； 还 要 合理 布 置 焊 缝 位 置 ， 尽 可 能 减 少 焊 接 变 形 量 。2 工 艺 方 面(1)反 变 形 法 依 构 件 变 形 情 况 预 先 给 出 一 个 方 向 相 反 、 大 小 相 等 的 变 形 ，来 抵 消 焊 件 产 生 的 变 形 达 到 要 求 。(2)刚 性 固 定 法 将 焊 件 牢 牢 固 定 在 夹 具 中 进 行 焊 接 ， 以 限 制 其 变 形 的 发生 (图 9-15、 9-16,P190)。(3)预 留 收 缩 量 备 料 时 预 先 考 虑 加 放 收 缩 余 量 。 大 小 依 据 经 验 估 计 ， 见表 9-2、 9-3(P190)。 (4)合 理 的 工 艺 使 用 热 输 入 较 小 的 焊 接 方 法 ， 选 择 合 适 的 焊 接 参 数 以 及合 理 的 施 焊 顺 序 。 亦 可 对 大 型 结 构 件 分 部 件 分 别 加 以 装 配 焊 接 ， 再 拼 焊 。使 不 对 称 焊 缝 自 由 收 缩 ， 有 效 控 制 焊 接 变 形 。 25 (5)焊 接 变 形 的 矫 正 变 形 超 出 技 术 要 求 允 许 的变 形 ， 进 行 校 正 。 常 用 方 法 有 ：A机 械 矫 正 利 用 机 械 力 使 构 件 产 生 与 焊 接 变形 方 向 相 反 的 塑 性 变 形 ， 消 除 原 有 的 焊 接 变 形 。B火 焰 矫 正 用 火 焰 局 部 加 热 使 物 体 产 生 压 缩塑 性 变 形 ， 冷 却 后 产 生 的 收 缩 变 形 校 正 原 变 形 。C综 合 矫 正 采 用 机 械 与 火 焰 两 种 方 法 同 时 矫正 焊 接 变 形 的 方 法 。防止或减少焊接变形的方法 26第 三 节 裂 纹 27 在 应 力 与 致 脆 因 素 的 共 同 作 用 下 ， 使 材料 的 原 子 结 合 遭 到 破 坏 ， 在 形 成 新 界 面时 产 生 的 缝 隙 称 为 裂 纹 。 它 具 有 尖 锐 的缺 口 和 长 宽 比 大 的 特 征 ， 是 一 种 断 裂 形态 的 缺 陷 。裂 纹 是 焊 接 结 构 中 最 为 重 要 的 缺 陷 。 各类 事 故 的 发 生 ， 如 压 力 容 器 的 爆 炸 、 桥梁 的 断 裂 等 ， 绝 大 多 数 是 由 裂 纹 而 引 起的 脆 性 破 坏 ， 可 以 说 裂 纹 是 引 起 脆 性 破坏 的 主 要 原 因 。 28 焊 接 裂 纹 的 形 态 及 其 分 布 见 P193， 图 9-22。焊 接 裂 纹 出 现 在 焊 接 过 程 中 如 热 裂 纹 和 大 部分 冷 裂 纹 。出 现 在 放 置 或 运 行 中 冷 裂 纹 中 某 些 延 迟 裂 纹和 应 力 腐 蚀 裂 纹 。出 现 在 焊 后 热 处 理 或 再 次 受 热 过 程 中 消 除 应力 裂 纹 等 。按 照 产 生 裂 纹 的 本 质 来 分 ， 可 分 为 热 裂 纹 、 消除 应 力 裂 纹 、 冷 裂 纹 、 层 状 撕 裂 和 应 力 腐 蚀 裂纹 。 各 类 裂 纹 的 形 成 时 期 、 分 布 部 位 及 基 本 特征 见 P193表 9-4。一 焊接裂纹的分类 29 裂 纹 类 型 形 成 时 间 基 本 特 征 被 焊 材 料 分 布 部 位 及 裂 纹 走 向热 裂纹结 晶 裂 纹 （ 凝固 裂纹 ） 在 固 相 线 温 度 以 上 稍 高 的 温度 ， 凝 固 前 固 液 状 态下 沿 晶 间 开 裂 ， 晶 界 有 液 膜 ， 开口 裂 纹 断 口 有 氧 化 色 彩 杂 质 较 多 的 碳 钢 、 低 中 合 金 钢 、奥 氏 体 钢 、 镍 基 合 金 及铝 在 焊 缝 中 ， 沿 纵 向 轴 向 分 布 ， 沿 界 晶 方 向 呈 人 字 形 ， 在 弧 坑中 沿 各 方 向 或 呈 星 形 ， 裂 纹 走 向 沿 奥 氏 体 晶 界 开 裂 。液 化 裂 纹 固 相 线 以 下 稍 低 温 度 ， 也 可为 结 晶 裂 纹 的 延 续 沿 晶 间 开 裂 ， 晶 间 有 液 化 ， 断口 有 共 晶 凝 固 现 象 含 S、 P、 C较 多 的 镍 铬 高 强 钢 、奥 氏 体 钢 、 镍 基 合 金 热 影 响 区 粗 大 奥 氏 体 晶 粒 的 晶 界 ， 在 熔 合 区 中 发 展 ， 多 层 焊的 前 一 层 焊 缝 中 ， 沿 晶 界 开 裂失 延 裂 纹 及多 边化 裂纹 再 结 晶 温 度 TR附 近 表 面 较 平 整 ， 有 塑 性 变 形 痕 迹 ，沿 奥 氏 体 晶 界 形 成 和 扩展 ， 无 液 膜 纯 金 属 及 单 相 奥 氏 体 合 金 纯 金 属 或 单 相 合 金 焊 缝 中 少 量 在 热 影 响 区 ， 多 层 焊 前 一 层 焊缝 中 ， 沿 奥 氏 体 晶 界 开 裂 再 热 裂 纹 600 700 回 火 处 理 温 度 区间 ， 不 同 钢 种 再 热 开裂 敏 感 温 度 区 间 不 大相 同 沿 晶 间 开 裂 含 有 沉 淀 强 化 元 素 的 高 强 钢 、珠 光 体 钢 、 奥 氏 体 钢 、镍 基 合 金 等 热 影 响 区 的 粗 晶 区 ， 大 体 沿 熔 合 线 发 展 至 细 晶 区 即 可 停 止 扩展冷 裂纹延 迟 裂 纹 （ 氢致 裂纹 ） 在 Ms点 以 下 ， 200 至 室 温 有 延 迟 特 征 ， 焊 后 几 分 钟 至 几天 出 现 ， 往 往 沿 晶 启 裂 ，穿 晶 扩 展 ， 断 口 呈 氢 致准 解 理 形 态 中 、 高 碳 钢 ， 低 、 中 合 金 属 ，钛 合 金 等 大 多 在 热 影 响 区 的 焊 趾 （ 缺 口 效 应 、 焊 根 （ 缺 口 效 应 ） ， 焊道 下 （ 沿 熔 合 区 ） ， 少 量 在 焊 缝 （ 大 厚 度 多 层 焊 焊 缝偏 上 部 ） ， 沿 晶 或 穿 晶 开 裂淬 硬 脆 化 裂纹 Ms至 室 温 无 延 迟 特 征 （ 也 可 见 到 少 许 延迟 情 况 ） ， 沿 晶 启 裂 与扩 展 ， 断 口 非 常 光 滑 ，极 少 塑 性 变 形 痕 迹 含 碳 的 NiCrMo钢 、 马 氏 体 锈钢 、 工 具 钢 热 影 响 区 ， 少 量 在 焊 缝 ， 沿 晶 或 穿 晶 开 裂低 塑 性 脆 化裂 纹（ 热 应 力低 延开 裂 ） 400 以 下 室 温 附 近 母 材 延 性 很 低 ， 无 法 承 受 应 变 ，边 焊 边 开 裂 ， 可 听 到 脆性 响 声 ， 脆 性 断 口 铸 铁 、 堆 焊 硬 质 合 金 熔 合 区 及 焊 缝 ， 沿 晶 及 穿 晶 开 裂层 状 撕 裂 400 以 下 室 温 附 近 沿 轧 层 ， 呈 阶 梯 状 开 裂 ， 断 口有 明 显 的 木 纹 特 征 ， 断口 平 台 分 布 有 夹 杂 物 含 有 杂 质 （ 板 厚 方 向 聚 性 低 ）的 低 合 金 高 强 钢 厚 板 结构 热 影 响 区 沿 轧 层 ， 热 影 区 以 外 的 母 材 轧 层 中 ， 穿 晶 或 沿 晶 开裂应 力 腐 蚀 裂 纹（ SCC） 任 何 工 作 温 度 有 裂 源 ， 由 表 面 引 发 向 内 部 发展 ， 二 次 裂 纹 多 ， 撕 裂棱 少 ， 呈 根 须 状 ， 多 分支 ， 裂 纹 细 长 而 尖 锐 ，断 口 有 腐 蚀 产 物 及 氧 化现 象 且 有 腐 蚀 坑 ， 断 口周 围 有 裂 纹 分 枝 ， 有 解现 状 ， 河 流 花 样 等 碳 钢 、 低 合 金 钢 、 不 锈 钢 、 铝合 金 等 焊 缝 和 热 影 响 区 ， 沿 晶 或 穿 晶 开 裂 30 在 焊 接 高 温 阶 段 发 生 的 开 裂 现 象 ， 多 在 固 相 线 附 近 发 生 ，故 称 为 热 裂 纹 。热 裂 纹 有 凝 固 裂 纹 (结 晶 裂 纹 )、 液 化 裂 纹 ， 高 温 延 迟 裂纹 等 形 式 ， 常 见 的 是 凝 固 裂 纹 。(一 ) 热 裂 纹 的 形 成 条 件 及 其 特 征1 热 裂 纹 的 形 成 条 件 热 裂 纹 具 有 高 温 沿 晶 断 裂 的 性 质 。沿 晶 断 裂 的 条 件 是 ： min 凝 固 过 程 或 高 温 冷 却 过 程 中 积 累 的 应 变 量 。 min 高 温 阶 段 晶 间 的 延 性 或 塑 性 变 形 能 力如 图 9-23， 与 液 膜 有 关 的 裂 纹 出 现 在 凝 固 末 期 ； 与 液 膜无 关 的 裂 纹 出 现 在 温 度 位 于 A再 结 晶 温 度 Tr附 近 。二 热裂纹 31 2 热 裂 纹 的 特 征 (1)与 液 膜 有 关 的 热 裂 纹 (液 化 裂 纹 ) 凝 固 末 期 在 固 相 线 Ts附 近 ， 因 晶 间 残 存 液 膜 造 成 、出 现 在 焊 缝 中 心 的 热 裂 纹 为 凝 固 (结 晶 )裂 纹 。 在 焊 接时 由 于 近 缝 区 过 热 ， 晶 间 出 现 液 化 使 晶 间 液 膜 分 离而 导 致 开 裂 的 现 象 。 微 观 上 ， 裂 纹 具 有 沿 晶 液 膜 分 离 的 断 口 特 征 ， 晶 界面 很 光 滑 ， 是 液 膜 分 离 的 结 果 ， 断 口 呈 氧 化 色 彩 。(2)与 液 膜 无 关 的 热 裂 纹 与 再 结 晶 相 联 系 导 致 晶 间 延 性 陡 降 ， 造 成 沿 晶 裂 纹 ，称 “ 高 温 失 延 裂 纹 ” 。 也 可 能 由 于 位 错 运 动 而 形 成多 边 化 边 界 (亚 晶 界 )以 致 开 裂 ， 称 为 “ 多 边 化 裂 纹 ” 。二 热裂纹 32 焊 接 中 热 裂 纹 可 以 出 现 在 焊 缝 或 近 缝 区 以 及 多 层 焊焊 道 间 的 热 影 响 区 。 凝 固 裂 纹 只 存 在 于 焊 缝 中 ， 特别 是 易 出 现 在 弧 坑 中 ， 特 称 “ 弧 坑 裂 纹 ” 。宏 观 可 见 的 热 裂 纹 其 断 口 均 具 有 较 明 显 的 氧 化 色 彩 ，可 作 为 初 步 判 断 是 否 为 热 裂 纹 的 判 据 。焊 接 时 近 缝 区 产 生 的 热 裂 纹 一 般 是 微 裂 纹 ， 在 外 观上 很 难 发 现 。二 热裂纹 33 二 热裂纹(二 ) 热 裂 纹 的 形 成 机 理1 凝 固 裂 纹 的 形 成 机 理 主 要 取 决 于 三 个 方 面 ：(1)脆 化 温 度 区 间 Tb的 大 小 Tb越 大 ， 越 易 产 生 裂 纹(2)金 属 在 Tb区 间 所 具 有 的 最 小 延 性 的 大 小 min越 小 ，越 容 易 产 生 裂 纹 。(3)在 Tb区 间 的 应 变 增 长 率 的 大 小 越 大 ， 越 易产 生 裂 纹 。以 上 三 个 方 面 是 互 相 联 系 和 互 相 影 响 的 。 Tb和 Tb的 延 性取 决 于 化 学 成 分 、 凝 固 条 件 、 偏 析 程 度 、 晶 粒 大 小 和 方 向等 冶 金 因 素 。 应 变 增 长 率 取 决 于 金 属 的 热 膨 胀 系 数 、 焊 件的 刚 度 、 收 缩 阻 力 及 温 度 场 的 温 度 分 布 等 力 学 因 素 。/ T / T 34 二 热裂纹2 液 化 裂 纹 的 形 成 机 理 液 化 裂 纹 只 发 生 在焊 接 热 影 响 区 的 近 缝 区 ， 或 多 层 焊 焊 缝 中相 邻 焊 道 的 热 影 响 区 。 液 化 裂 纹 的 液 膜 是焊 接 过 程 中 沿 晶 界 重 新 熔 化 的 产 物 。液 化 裂 纹 的 形 成 与 偏 析 所 造 成 的 共 晶 反 应有 关 。 材 料 中 存 在 偏 析 元 素 ， 产 生 强 烈 的偏 析 ， 使 近 缝 区 粗 晶 粒 的 边 界 出 现 共 晶 反应 ， 在 焊 接 热 循 环 的 作 用 下 发 生 熔 化 而 形成 液 态 薄 膜 。液 化 裂 纹 本 身 的 尺 寸 并 不 很 大 ， 但 能 诱 发凝 固 裂 纹 、 冷 裂 纹 的 形 成 。 35 二 热裂纹3 高 温 失 延 裂 纹 的 形 成 机 理 若 温 度 低 于实 际 固 相 线 时 不 存 在 液 膜 所 产 生 的 晶 间断 裂 为 “ 高 温 失 延 裂 纹 ” 。常 温 时 ， 晶 界 沿 着 其 本 身 发 生 滑 移 的 变形 量 小 ； 高 温 时 ， 位 错 或 空 穴 的 密 度 增加 ， 晶 界 的 滑 动 越 来 越 明 显 ， 进 一 步 促使 晶 界 扩 散 变 形 。 晶 界 扩 散 变 形 的 集 中会 导 致 晶 界 裂 纹 的 形 成 。 如 P198图 9-28。 36 二 热裂纹(三 ) 影 响 热 裂 纹 的 因 素1 冶 金 因 素 主 要 指 合 金 的 化 学 成 分 及 凝 固 组 织 形 态 。(1)化 学 成 分 对 热 裂 纹 的 影 响A 合 金 元 素 对 凝 固 温 度 区 的 影 响 合 金 元 素 既 能 影 响 凝 固 温 度区 间 ， 也 能 影 响 合 金 在 脆 性 温 度 区 中 的 塑 性 。 而 且 ， 凝 固 裂 纹倾 向 的 大 小 是 随 着 凝 固 温 度 区 的 增 大 而 增 大 ， 随 此 增 大 脆 性 温度 区 的 范 围 也 增 大 ， 因 此 凝 固 裂 纹 的 倾 向 也 增 大 。 为 了 防 止 热裂 纹 ， 有 时 采 用 超 合 金 化 的 方 法 ， 产 生 更 多 的 易 熔 共 晶 ， 发 生“ 愈 合 ” 现 象 。B 杂 质 元 素 的 偏 析 以 及 偏 析 产 物 形 态 对 热 裂 纹 的 影 响 杂 质 元素 P和 S在 钢 中 能 形 成 低 熔 点 共 晶 ， 在 合 金 凝 固 过 程 中 极 易 形 成液 态 薄 膜 ， 显 著 增 大 裂 纹 倾 向 。 而 且 P和 S在 钢 中 能 引 起 偏 析 ，偏 析 程 度 可 用 下 式 表 示 ： A 0 K 100% B 37 K元 素 的 偏 析 度 ;B开 始 凝 固 时 晶 轴 上 某 元 素 的 质 量 分数 ;A最 终 凝 固 时 晶 界 处 的 质 量 分 数 ;0某 元 素 在 液相 时 的 原 始 平 均 质 量 分 数 。偏 析 度 K越 大 ， 元 素 的 偏 析 程 度 越 严 重 。为 了 防 止 热 裂 纹 ， 提 高 焊 缝 中 Mn/S比 。 当 wc0.1%时 ，Mn/S值 应 大 于 22。总 结 各 种 合 金 元 素 对 低 合 金 钢 焊 缝 凝 固 裂 纹 的 影 响 ， 提 出热 裂 纹 敏 感 系 数 HCS的 计 算 公 式 ：式 中 元 素 符 号 代 表 其 质 量 分 数 。 若 HCS4时 ， 则 可 以 防 止热 裂 纹 的 产 生 。二 热裂纹 3 /25 /100 103C S P Si NiHCS Mn Cr Mo V 38 在 奥 氏 体 焊 缝 金 属 中 ， 各 种 元 素 对 凝 固 裂 纹 的 影 响的 热 裂 纹 敏 感 系 数 HCI的 计 算 公 式 为 ：由 此 可 见 ， P、 S、 Si、 Ni能 促 进 A不 锈 钢 焊 缝 热 裂纹 的 形 成 。 为 防 止 A不 锈 钢 焊 缝 产 生 凝 固 裂 纹 ， 要求 HCI1。(3) 拘 束 度 的 影 响 为 防 止 热 裂 纹 ， 减 少 应 变 量 及 应 变增 长 率 ， 以 降 低 接 头 的 拘 束 度 。 如 合 理 布 置 焊 缝 ， 合理 安 排 施 焊 顺 序 ， 对 于 厚 板 结 构 采 用 多 层 代 替 单 道 焊缝 等 ， 均 可 降 低 裂 纹 倾 向 。总 之 ， 产 生 热 裂 纹 的 影 响 因 素 很 复 杂 ， 冶 金 和 工 艺 因素 之 间 相 互 联 系 而 各 具 特 点 。 裂 纹 的 产 生 是 几 种 因 素共 同 作 用 的 结 果 。二 热裂纹 41 (四 ) 防 止 热 裂 纹 的 措 施 总 原 则 ， 主 要 控 制 焊 缝 金 属 成 分 和 调 整 焊 接 参 数 。1 焊 缝 成 分 的 控 制 (1)选 择 合 适 的 焊 接 材 料 对 一 定 的 母 材 选 用 不 同的 焊 接 材 料 ， 可 以 得 到 不 同 成 分 的 焊 缝 ， 在 抗 裂性 上 出 现 不 同 的 差 异 。 如 加 入 细 化 晶 粒 元 素 Mo、V、 Ti、 Nb等 可 以 提 高 抗 烈 性 的 常 用 办 法 。(2)限 制 有 害 的 杂 质 对 于 不 同 材 料 的 焊 缝 ， 有 害元 素 的 杂 质 也 不 同 。 各 种 材 料 中 ， 均 必 须 严 格 控制 P、 S的 含 量 。 合 金 元 素 越 高 的 材 料 ， 对 P和 S的 限 制 要 求 越 严 格 。二 热裂纹 42 2 调 整 焊 接 工 艺 焊 接 工 艺 的 影 响 主 要 有 以 下 几 个 方 面 ：(1) 适 宜 的 焊 接 参 数 适 当 增 加 焊 接 电 流 、 电 压 提 高 焊 接 热 输入 和 预 热 温 度 ， 可 以 减 少 焊 缝 金 属 的 应 变 速 率 ， 从 而 减 低 热裂 纹 的 倾 向 。(2) 控 制 焊 缝 金 属 成 形 系 数 在 不 同 的 焊 接 方 法 和 接 头 形 式 的条 件 下 ， 选 用 合 适 的 成 形 系 数 。(3) 减 少 熔 合 比 减 少 熔 合 比 ， 即 减 少 母 材 对 焊 缝 的 稀 释 作 用 ，包 括 焊 缝 中 合 金 元 素 的 稀 释 ， 及 母 材 中 有 害 元 素 对 焊 缝 的 影响 。(4) 减 少 拘 束 度 选 择 合 理 的 焊 接 顺 序 ， 尽 可 能 让 大 多 数 焊 缝在 较 小 的 刚 度 下 进 行 焊 接 ， 使 焊 缝 的 拘 束 应 变 减 小 。二 热裂纹 43 冷 裂 纹 焊 件 在 室 温 附 近 出 现 的 裂 纹 。 通 常 在 M转 变 开 始 温度 Ms以 下 易 出 现 开 裂 现 象 ， 故 称 “ 冷 裂 纹 ” ， 以 区 别 “ 热裂 纹 ” 。 冷 裂 纹 最 易 出 现 在 有 一 定 淬 硬 倾 向 的 金 属 中 ， 如 碳钢 和 高 强 度 钢 。 淬 火 裂 纹 与 淬 硬 组 织 有 关 的 冷 裂 纹 氢 致 裂 纹 与 氢 脆 有 关 的 冷 裂 纹 低 塑 性 脆 化 裂 纹 与 材 料 本 身 低 塑 性 有 关 ， 不 需 要 其 他 致 脆因 素 作 用 而 产 生 的 冷 裂 纹(一 ) 冷 裂 纹 的 形 成 条 件 及 其 特 征1 冷 裂 纹 的 形 成 条 件 同 热 裂 纹 ， 要 满 足 min 。 即 局 部区 域 的 延 性 不 足 以 承 受 当 时 应 力 所 产 生 的 应 变 量 。 与工 件 的 拘 束 应 力 有 关 ； 取 决 于 冷 却 转 变 过 程 的 致 脆 因 素 。主 要 是 淬 硬 组 织 的 出 现 和 氢 的 脆 化 作 用 。三 冷裂纹 44 2 冷 裂 纹 的 分 布 形 态 与 特 征 最 易 出 现 在 焊 道 下 、焊 根 、 焊 趾 部 位 。 冷 裂 纹 具 有 以 下 特 征 ：(1) 分 布 形 态 典 型 的 冷 裂 纹 分 布 形 态 常 见 的 有 三 种如 P203图 9-36。A 焊 趾 裂 纹 裂 纹 起 源 于 焊 缝 与 母 材 交 界 的 焊 趾 处 ， 并 有 明显 应 力 集 中 的 部 位 （ 如 咬 肉 处 ） 。 裂 纹 从 表 面 出 发 ， 向 厚度 的 纵 深 方 向 发 展 ， 止 于 近 缝 区 粗 晶 部 分 的 边 缘 ， 一 般 沿纵 向 发 展 。B 焊 道 下 裂 纹 裂 纹 产 生 于 焊 道 之 下 的 热 影 响 区 内 ， 距 熔合 线 约 0.1 0.2mm， 该 部 位 常 有 粗 大 的 马 氏 体 组 织 。C 焊 根 裂 纹 裂 纹 起 源 于 应 力 集 中 的 焊 接 坡 口 根 部 ， 有 的沿 热 影 响 区 发 展 ， 有 的 则 转 入 焊 缝 内 部 。三 冷裂纹 45 (2) 冷 裂 纹 的 特 征A 有 延 迟 特 征 的 冷 裂 纹 (氢 致 裂 纹 )在 焊 后 (或 加 工 后 )一 段潜 伏 期 出 现 的 ， 以 焊 道 下 裂 纹 最 为 典 型 。 长 分 为 潜 伏 期 、缓 慢 扩 展 和 突 然 断 裂 三 个 互 相 联 系 的 阶 段 。 裂 纹 的 扩 展 呈断 断 续 续 的 过 程 。 常 可 听 到 清 晰 的 开 裂 声 音 。 是 由 氢 的 作用 造 成 的 。B 无 延 迟 特 征 的 冷 裂 纹 (淬 火 、 应 力 、 低 塑 性 脆 化 裂 纹 )塑 性 较 低 的 合 金 焊 接 时 ， 只 要 冷 却 到 较 低 温 度 就 会 出 现 冷裂 纹 ， 但 与 氢 无 关 ， 主 要 与 淬 硬 组 织 有 关 。(3) 断 口 特 征 宏 观 上 冷 裂 纹 具 有 发 亮 的 金 属 光 泽 ， 呈 脆 性断 裂 特 征 。 微 观 上 ， 呈 晶 间 (沿 晶 )断 裂 或 穿 晶 断 裂 。 常 看到 是 沿 晶 与 穿 晶 共 存 的 断 口 。 当 裂 纹 由 氢 的 作 用 所 致 时 ，即 氢 致 裂 纹 时 ， 会 有 明 显 的 氢 致 准 解 理 断 口 出 现 ， 随 着 淬硬 倾 向 的 增 大 ， 沿 晶 断 裂 特 征 越 明 显 。 多 数 情 况 下 ， 启 裂点 是 沿 晶 断 裂 ， 在 扩 展 过 程 中 是 沿 晶 断 裂 或 穿 晶 断 裂 。三 冷裂纹 46 (二 ) 冷 裂 纹 的 形 成 及 其 延 迟 机 理1 冷 裂 纹 的 形 成 机 理 及 临 界 条 件 冷 裂 纹 的 产 生 与 钢 的 淬 硬 倾 向 、 氢 含 量 及 其 分 布 ， 以 及约 束 应 力 的 状 态 三 大 因 素 有 关 。(1)氢 的 作 用 氢 在 氢 致 裂 纹 的 形 成 中 起 主 要 作 用 。 它 决定 了 裂 纹 形 成 过 程 中 的 延 迟 特 点 和 其 断 面 上 的 氢 脆 开 裂特 征 。焊 接 过 程 中 ， 由 于 加 热 和 冷 却 的 不 均 匀 ， 使 金 属 内 部 的各 部 分 存 在 应 力 与 相 变 的 不 同 步 ， 以 及 内 应 力 的 不 均 匀 。在 “ 相 变 诱 导 扩 散 ” 、 “ 应 力 诱 导 扩 散 ” 和 “ 浓 度 扩 散 ”等 驱 动 力 作 用 下 ， 将 导 致 在 工 件 中 出 现 氢 致 裂 纹 。三 冷裂纹 47 三 冷裂纹(2) 钢 材 的 淬 硬 倾 向 焊 接 时 ， 钢 种 的 淬 硬 倾 向 越 大 、 越 易产 生 裂 纹 。 主 要 是 因 为 ， 钢 淬 硬 后 形 成 的 马 氏 体 组 织 是 碳 在铁 中 的 过 饱 和 固 溶 体 ， 晶 格 发 生 较 大 的 畸 变 ， 使 组 织 处 于 硬脆 状 态 。 特 别 是 在 焊 接 条 件 下 ， 近 缝 区 的 加 热 温 度 高 达1350 1400 ， 使 奥 氏 体 晶 粒 严 重 长 大 ， 快 速 冷 却 时 转 变 为粗 大 马 氏 体 ， 性 能 更 为 淬 硬 ， 且 对 氢 脆 非 常 敏 感 。目 前 以 钢 中 的 碳 当 量 CE来 衡 量 钢 种 淬 硬 倾 向 及 由 此 引 起 的 冷裂 倾 向 。 碳 当 量 与 冷 裂 纹 临 界 含 氢 量 之 间 的 关 系 如 图 9-39所示 。 与 图 相 应 的 碳 当 量 CE计 算 公 式 为 ： 1 1 1CE ( ) ( )6 15 5C Mn Cu Ni Cr Mo V 48 由 上 式 可 知 ， 碳 含 量 越 高 ， 或 含 合 金 元 素 越 多 ， 则 钢材 的 淬 硬 倾 向 越 大 。 钢 材 的 淬 硬 倾 向 越 大 ， 即 越 容 易形 成 马 氏 体 组 织 ； 马 氏 体 数 量 越 多 ， 则 氢 脆 的 敏 感 性越 强 。 当 形 成 高 碳 马 氏 体 (孪 晶 马 氏 体 )时 ， 由 于 其 硬 度很 高 ， 性 能 很 脆 ， 裂 纹 的 敏 感 性 最 强 ， 即 使 没 有 氢 的作 用 也 可 以 能 产 生 裂 纹 。(3) 拘 束 应 力 焊 接 中 ， 由 于 不 均 匀 的 加 热 、 冷 却 过 程会 产 生 应 力 ， 并 将 热 应 力 和 相 变 应 力 称 为 内 拘 束 应 力 ，而 将 结 构 的 刚 度 、 受 载 等 条 件 产 生 的 应 力 称 为 外 拘 束应 力 。三 冷裂纹 49 冷 裂 纹 的 三 大 因 素 中 可 能 是 其 中 一 种 或 者 两 种 因 素 起 主 要作 用 ， 其 余 的 起 辅 助 作 用 。 一 般 来 说 ， 焊 道 下 裂 纹 主 要 与焊 缝 金 属 中 存 在 高 的 扩 散 氢 含 量 有 关 ； 缺 口 裂 纹 则 主 要 与应 力 集 中 有 关 ； 而 凝 固 过 渡 层 裂 纹 主 要 与 马 氏 体 淬 硬 组 织有 关 。 铸 件 中 的 冷 裂 纹 主 要 是 由 拘 束 应 力 造 成 的 ， 当 局 部应 力 值 超 过 材 料 的 抗 拉 强 度 时 ， 便 会 产 生 裂 纹 。(4) 产 生 冷 裂 纹 的 临 界 条 件 根 据 冷 裂 纹 的 形 成 条 件 ： min 即 局 部 区 域 的 延 性 min不 足 以 承 受 当 时 应 力 所 产 生 的 应变 。 影 响 的 根 本 因 素 是 拘 束 度 R， 而 影 响 min的 因 素是 致 脆 因 素 ， 主 要 是 氢 脆 和 组 织 的 硬 化 。三 冷裂纹 50 三 冷裂纹总 结 以 上 三 种 因 素 ， 对 于 低 合 金 高 强 钢 的 焊 接 ， 可 归 纳成 关 于 冷 裂 纹 敏 感 性 的 重 要 关 系 式 。 其 中 最 常 用 的 关 系是 为 ：或 式 中 ， P w、 Pc为 冷 裂 纹 敏 感 指 数 ； Pcm为 冷 裂 纹 敏 感 组 分 ；HD为 扩 散 氢 含 量 ； R为 拘 束 度 ； h为 工 件 厚 度 。60 400000Dw cm H RP P 60 600Dc cm H hP P 530 20 60 15 10cm Si Mn Cr Cu Ni Mo VP C B 51 2 氢 致 裂 纹 的 机 理 可 用 氢 的 应 力 诱 导 扩 散 理 论 进 行 解释 。该 理 论 认 为 ： 金 属 内 部 的 晶 格 缺 陷 等 缺 陷 提 供 了 裂 纹 源 ，在 缺 陷 前 沿 (即 缺 口 处 )会 形 成 应 力 集 中 的 三 向 应 力 区 。 于是 应 力 的 诱 导 下 ， 使 氢 向 高 应 力 区 扩 散 ， 并 发 生 聚 集 。当 氢 的 浓 度 达 到 一 定 值 时 ， 将 促 使 位 错 移 动 或 增 殖 。 此时 缺 口 尖 端 微 区 的 塑 性 变 形 量 随 氢 的 浓 度 增 加 而 增 大 。当 氢 的 浓 度 达 到 临 界 值 时 ， 便 发 生 局 部 开 裂 现 象 ， 导 致裂 纹 向 前 扩 展 ； 并 在 裂 纹 尖 端 形 成 新 的 三 向 应 力 区 ， 促使 氢 向 新 的 三 向 应 力 区 内 扩 散 聚 集 。 此 时 裂 纹 暂 停 向 前扩 展 ， 只 有 当 裂 纹 尖 端 局 部 的 氢 浓 度 达 到 临 界 值 时 ， 裂纹 才 能 进 一 步 扩 展 。 由 此 可 见 氢 致 裂 纹 的 启 裂 需 要 一 段时 间 (即 潜 伏 期 )， 而 且 裂 纹 的 扩 展 是 一 个 断 续 的 过 程 。 裂纹 停 顿 的 时 间 正 是 氢 再 次 进 行 扩 散 和 聚 集 ， 并 达 到 临 界浓 度 所 需 的 时 间 。三 冷裂纹 52 三 冷裂纹(三 ) 、 冷 裂 纹 的 控 制 对 于 结 构 钢 冷 裂 纹 的 控 制 ， 总 的 原 则 是 控 制 冷 裂 纹 的 三 大要 素 ， 即 降 低 扩 散 氢 的 含 量 、 改 善 接 头 组 织 和 减 小 拘 束 应 力 。焊 接 中 常 用 的 措 施 是 控 制 母 材 的 化 学 成 分 、 合 理 选 用 焊 接 材 料以 及 严 格 控 制 焊 接 工 艺 ， 必 要 时 采 用 焊 后 热 处 理 。 1 控 制 组 织 硬 化 （ 1） 焊 前 预 热 预 热 ； （ 2） 适 当 控 制 焊 接 热 (小 热 输 入 焊 接 ) 碳 钢 的 预 热 温 度 t0可 参 考 下 式 进 行 选 择 ： 式 中 ， h为 焊 件 的 厚 度 ； C为 含 碳 量 (wt.%)。 对 于 低 合 金 高 强 钢 ， 根 据 插 销 试 验 ， 建 立 如 下 预 热 温 度 的 经验 公 式 ：H D为 焊 缝 金 属 中 扩 散 氢 含 量 (mL/100g); b被 焊 金 属 的 抗 拉 强度 (MPa);h为 工 件 厚 度 。 0 550( 0.2) 0.5t C h 0 324 17.7 0.14 4.72 214cm D bt P H h 53 2 限 制 扩 散 氢 的 含 量 严 格 限 制 氢 的 来 源 ， 采 用 低氢 焊 接 材 料 或 焊 接 方 法 （ 如 CO2 焊 ） ， 进 行 消 氢 处理 等 。 （ 1） 采 用 低 氢 或 超 低 氢 焊 接 材 料 ， 并 防 止 再 吸潮 ， 有 利 于 防 止 冷 裂 。 对 于 重 要 的 低 合 金 高 强 钢 的 焊接 ， 原 则 上 都 应 选 用 碱 性 焊 条 。 （ 2） 适 当 预 热 和 紧急 后 热 所 谓 紧 急 后 热 ， 即 冷 裂 纹 尚 处 在 潜 伏 期 ， 在 末启 裂 前 实 施 的 焊 后 热 处 理 。 （ 3） 选 用 奥 氏 体 焊 条 采 用奥 氏 体 焊 条 焊 接 冷 裂 倾 向 较 大 的 低 、 中 合 金 高 强 钢 ，能 较 好 地 避 免 冷 裂 纹 。 3 控 制 拘 束 应 力三 冷裂纹 54第 四 节 焊 缝 中 的 气 孔 和 夹 杂 物 55 一 焊缝中的气孔气 孔 带 来 的 坏 处 削 弱 焊 缝 的 有 效 工 作 面 积 、 带 来 应 力集 中 、 降 低 焊 缝 的 强 度 和 韧 性 、 对 动 载 和 疲 劳 强 度 不 利 、还 会 引 起 裂 纹 。1 焊 缝 中 的 气 孔 分 类(1)析 出 型 气 孔 因 气 体 在 液 、 固 态 金 属 中 的 溶 解 度 差 造成 过 饱 和 状 态 的 气 体 析 出 形 成 的 气 孔 。A 氢 气 孔 对 低 碳 钢 和 低 合 金 钢 焊 接 ， 氢 气 孔 出 现 在 焊缝 的 表 面 上 ， 形 状 如 同 螺 钉 状 ， 在 焊 缝 表 面 上 看 呈 喇 叭口 形 ， 气 孔 四 周 有 光 滑 的 内 壁 。 有 时 也 出 现 在 焊 缝 内 部 ，多 由 结 晶 水 所 致 。B氮 气 孔 多 出 现 在 焊 缝 表 面 ， 多 数 是 成 堆 出 现 ， 与 蜂窝 相 似 。 氮 来 源 于 保 护 气 体 不 好 由 空 气 侵 入 焊 接 区 所 致 。(2)反 应 型 气 孔 熔 池 中 由 于 冶 金 反 应 产 生 不 溶 于 液 态 金属 的 CO、 H2O而 生 成 的 气 孔 。 56 一 焊缝中的气孔A CO气 孔 液 态 金 属 含 碳 量 较 高 而 且 脱 氧 不 充分 时 ， 会 发 生 以 下 冶 金 反 应 生 成 不 溶 于 金 属 的CO： C+O=CO FeO+C=CO+Fe 高 温 时 CO会 以 气 泡 的 形 式 逸 出 ， 形 成 飞 溅 ， 不会 形 成 气 孔 。 熔 池 开 始 凝 固 时 ， 部 分 气 泡 来 不 及逸 出 形 成 沿 结 晶 方 向 呈 条 虫 状 的 内 气 孔 。B H 2O气 孔 如 焊 接 Cu和 Ni时 ， 产 生 的 H2O不 溶于 此 类 金 属 ， 冷 却 后 会 产 生 H2O气 孔 。 57 一 焊缝中的气孔2 焊 缝 中 气 孔 的 形 成 机 理 焊 缝 中 气 孔 取 决 于 气 泡 核 的 形 成 、 长 大 和 逸出 三 个 过 程 。 其 原 理 与 液 态 金 属 中 形 成 气 孔 的 机 理