5第五章焊接裂纹讲解.pptx

1、,第五章 焊接裂纹,焊接裂纹的分类、特征各类裂纹的产生机理、影响因素 各类裂纹防止的措施重点：结晶裂纹H致延迟裂纹,第一节 概述,随着技术的发展，焊接结构趋向大型化、大容量和高参数的方向 发展；在低温、深冷、腐蚀介质等环境下工作。高强钢种和合金材料应用，给焊接生产上带来了许多新问题。其 中普遍而又十分严重的就是焊接裂纹。一、焊接裂纹的危害性脆性断裂 减小有效承载面积，形成应力集中。隐蔽性 潜在危险产生机理的复杂性 难以预防主要断裂事故给生产带来许多困难，可能引起灾难性事故。桥梁断裂 30年代比利时断裂的桥梁美国断裂自由轮40年代。压力容器,液化天然气贮罐发生连锁式爆炸;煤气球罐发生爆炸。,二、

2、焊接裂纹分类及其一般特征,裂纹的形态和分布:有焊缝的表面裂纹、内部 裂纹；有 HAZ的横向、纵向裂纹；有焊缝和焊道 下的深埋裂纹，弧坑(火 口)裂纹。裂纹有时出现在焊接过程 中，也有时出现在放置或,运行过程中，即所谓延迟 裂纹。焊接生产中所遇到裂纹,按产生裂纹本质来分，大 体上可分为五大类：,图5-4 焊接裂纹的宏观形态及其分布a）纵向裂纹 b)横向裂纹 c）星型裂纹1-焊缝纵向裂纹 2-焊缝横向裂纹 3-熔合 区裂纹 4-焊缝根部裂纹 5-HAZ根部裂纹 6-焊趾纵向裂纹（延迟裂纹)7-焊趾纵向 裂纹（液化裂纹、热裂纹)8-焊道下裂纹(延迟裂纹、液化裂纹、多边化裂纹)9-层状撕裂 l0弧坑裂

3、纹,(一)热裂纹,热裂纹是在焊接时高温下产生的，故称 热裂纹。沿原奥氏体晶界开裂。结晶裂纹 发生裂纹的焊缝断面上，可 以看到有氧化的彩色。高温液化裂纹 近缝区或多层焊的层间 部位。热循环作用下，被焊金属含有较 多的低熔共晶而被重新熔化，在拉伸应 力的作用下沿奥氏体晶界发生开裂。多边化裂纹 刚凝固的金属中存在很多 晶格缺陷，晶格缺陷的迁移和聚集，便 形成了二次边界，即“多边化边界”。边界上堆积了大量的晶格缺陷，组织性 能脆弱，高温时的强度和塑性都很差，只要有拉伸应力，就会沿多边化的边界 开裂，产生“多边化裂纹”。,结晶裂纹,液化裂纹,多边化裂纹,厚板焊接结构，采用含有沉淀 强化合金元素的钢材，在

4、进行 消除应力热处理或在一定温度 下服役的过程中，在焊接热影响区粗晶部位发生的裂纹称为 再热裂纹，又称“消除应力处 理裂纹”，简称SR裂纹。再热裂纹多发生在低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢 和某些镍基合金的焊接热影响区粗晶部位。敏感温度约在550650。沿晶开裂的特征，但在本质上与结晶裂纹不同。,(二)再热裂纹,(三)冷裂纹,冷至低温，由收缩力而引起的应变 超过材质本身所具有的塑性储备或 材质变脆而产生的裂纹,淬硬脆化裂纹,冷裂纹(Cold Cracking)是焊后冷至较低温度下产生的。1 延迟裂纹 焊后不立即出现，有一定孕育期，具有延迟现象。2 淬硬脆化裂纹 淬硬倾向很大的钢种，在拘

5、束应力的作用下导致开裂。没有延 迟现象，焊后可以立即发现。延迟裂纹3 低塑性脆化裂纹 塑性较低材料，,(四)层状撕裂,建造大型石油平台和厚壁压力 容器过程中，出现平行于轧制 方向阶梯形裂纹，即所谓层状 撕裂。产生层状撕裂的主要原因是轧 制钢材的内部存在不同程度的 分层夹杂物，焊接时产生的垂 直于轧制方向的应力，致使热 影响区附近或稍近的地方，产 生呈“台阶”形的层状开裂，并可穿晶扩展。层状撕裂易发生在厚壁结构的T 型接头、十字接头和角接头。,(五)应力腐蚀裂纹,在腐蚀介质和拉伸应力的共 同作用下产生一种延迟破坏 的现象，简称SCC裂纹。SCC裂纹的形态如同枯干的树枝，从表面向深处发展。SCC裂

6、纹断口为典型脆性 断口。,表5-1各种裂纹分类表,第二节 焊接热裂纹,热裂纹是焊接生产中比较常见的一种缺陷，一般常用的低碳 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。焊接生产过程中所遇到的热裂纹，主要是结晶裂纹。,一、结晶裂纹的形成机理,结晶裂纹产生位置：,沿焊缝中心纵向开裂 两个树枝状晶体之间 弧坑裂纹,焊缝结晶裂纹,焊缝中心 纵向裂纹,焊缝沿树枝晶界 结晶裂纹,弧坑裂纹,1 结晶裂纹产生原因,溶池凝固过程中，先结晶的金属较纯，后结晶的金属含溶质 和杂质较多，溶质和杂质富集在生长的树枝晶前沿（K0=CS/CL1）。由于成分的偏析，富集的溶质和杂质与基体金属形成较低

7、熔 点共晶。凝固后期，低熔点共晶被排挤在柱状晶体交遇的中心，呈“液态薄膜”状覆盖在晶粒的表面，割断晶粒之间的联系。由于凝固收缩，焊缝受到拉伸应力作用，焊缝中的液态薄膜 成为薄弱地带。在拉伸应力的作用下就有可能在这个薄弱地带开 裂而形成结晶裂纹。,液态薄膜与结晶裂纹关系,当温度高于或低于ab之间的TB时，焊缝金属都有较大的抵抗 结晶裂纹的能力，因此具有较小的裂纹倾向。低熔点共晶所形成的液态薄膜是产生结晶裂纹的主要根源。焊缝中共晶数量超过一定限界之后，反而具有“愈合”裂纹作 用。,2 脆性温度区间根据结晶过程中金属塑性变化，确定结晶裂纹产 生的温度区间熔池的结晶过程分为三个阶段：液固阶段；固液阶段

8、“脆性温度区”，TB；(3)完全凝固阶段 强度和塑性恢复，很难发生裂纹。,3 产生结晶裂纹的受力条件,拉伸应力所产生的应变随温度按曲线1变化时，产生e应变量，焊缝仍具有相当于es塑性储备量，即:pmin-e=es。eso,故不会产生热裂纹。按曲线2变化时，拉伸应力所产生的应变，恰好等于焊缝的最低 塑性值pmin，故es=0，即处于临界状态。按曲线3变化时，拉伸应力所产生应变已超过焊缝金属在脆性温 度区内所具有的最低塑性(pmin)，es0，此时必将产生裂纹。产生结晶裂纹的条件是：焊缝在脆性温度区内所承受的 拉伸应变大于焊缝金属所具有 塑性，或者说焊缝金属在脆性 温度区内的塑性储备量(es)小

9、于零时就会产生结晶裂纹。应变随温度变化,结晶裂纹主要决定于以下三个方面：A TB的大小 TB越大，焊缝收缩产生拉伸应力的作用时间也越长，产生的应变量也越大，故产生结晶裂纹的倾向也就越大。B TB内金属的塑性 在TB内焊缝金属的塑性P越小，就越容易产生 结晶裂纹。C TB内的应变增长率 在TB内，随温度下降，由于收缩产生的拉伸 应力增大，因而应变的增长率也将增大，容易产生结晶裂纹。,TB大小 TB塑性,化学成分 结晶条件 偏析程度晶粒的大小和方向,冶金 因素,热物理性质 焊件的刚度 焊接工艺 温度场,应变 增长率,力的 因素,二、结晶裂纹的影响因素,冶金因素和力的因素(一)冶金因素对产生结晶裂纹

10、影响 1 合金状态图和结晶温度区间随合金元素的增加，结晶温度 区间增大，TB增大，结晶裂纹 的倾向增加。S点，结晶温度区间最大，TB最 大，裂纹的倾向也是最大。当合金元素进一步增加时，结晶 区间和TB反而减小，裂纹倾向 降低。,焊接条件下为非平衡结晶，最 大固溶由S点移至S，裂纹倾向 的变化曲线也随之左移。,结晶温度区间与 裂纹倾向的关系,合金状态图与结晶裂纹倾向的关系,完全互溶,有限固溶,机械混合物,完全不固溶,结晶温度区间越大，裂纹倾向越大。,2 合金元素对产生结晶裂纹的影响(1)硫和磷使结晶温度区间增加，易形成液态薄膜，增加结晶裂纹倾向。S、P是极易偏析的元素，对各种裂纹都敏感。焊接材料

11、严格控制硫、磷，S0.02，P0.017，CF钢(无裂纹钢)和Z向钢(抗层状撕裂用钢)等，只含有0.006硫，和0.003磷。冶金技术发展，出现细晶粒钢和控轧钢，都具有较高抗裂性能，钢中含硫、磷和碳很低。,碳 主要影响元素，能加剧硫、磷的有害作用。含碳量增加，初生相可由相转 为相，而S、P在相中溶解度 比在相中低很多，S、P会富 集在凝固的树枝晶前沿，增加 结晶裂纹倾向。锰 能置换FeS形成MnS，使薄 膜状FeS改变为球状分布。随含碳量的增加，则Mn/S的比 值也应随之增加。C0.1%；Mn/S22 C=0.110.125%；Mn/S30 C=0.1260.155%；Mn/S59Mn/S对S

12、化物形态影响,硅 相形成元素，有利于消除结晶裂纹，Si0.4时，易形 成硅酸盐夹杂，增加了裂纹倾向。Ti、Zr和Re能形成高熔点的硫化物，比锰的效果好，对消除 结晶裂纹有良好作用。见下表。,镍 易与硫形成低熔共晶(Ni与Ni3S2熔点仅645)，会引起结晶 裂纹。加入Mn、Ti等合金元素，可抑制硫的有害作用。氧 氧对焊缝产生结晶裂纹的影响，目前还没有定论。焊缝中有一定的含氧量，能降低硫的有害作用，形成Fe-Fes-FeO三元共晶，使FeS由薄膜状变为球状。,合金元素对铁结晶温度区间的影响,单相+,3 凝固组织形态对结晶裂纹影响 晶粒越粗大，柱状晶的方向越明 显，产生结晶裂纹倾向就越大。,加入细

13、化晶粒合金元素 破坏液态薄膜的连续性 打乱柱状晶的方向少量相存在：可以细化晶粒；打乱奥氏体粗大柱状晶方向性，相比相溶解更多S、P。焊接18-8型不锈钢时，希望得到+双相焊缝组织。,Micrograph of overlapping laser spot welds on PWA-1480 single-crystal nickel-based superalloy,加入纳米Al2O3,加入纳米Y2O3颗粒熔覆层组 织,4 晶间易熔相对凝固裂纹敏感性影响,晶间液膜是引起凝固裂纹的根本原 因，与晶间易熔物质数量有关。热裂倾向并不随着晶间易熔物的增 多而增大，有一个最大值。超过最 大值后，热裂倾向又

14、逐渐下降，直 到最后不产生裂纹。,晶间碳化物共晶的量，C,原因：晶间易熔相多，TB缩小，改变结晶形态，阻碍树枝晶的发展。促使液相在晶粒间流动和相互补充；液膜瞬间被拉开，很快通过毛细管作用将周围的液体渗入缝隙，起到填补和“愈合”作用。共晶型合金不易产生凝固裂纹,“愈合”是有效消除凝固裂纹方法结晶裂纹倾向较大的材料(如高强铝合金)，为了防止结晶裂纹，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。,裂纹敏感性与易熔物质在晶间形态有 关：以液膜形态存在时，凝固裂纹敏感性 大；以球状存在时，裂纹敏感性小。液相在相晶界处平衡关系：=2 cos(/2)当=0，则2=；液相易在 晶界的毛细间隙内

15、延伸，形成连续液 膜，导致凝固裂纹倾向增大。当2，0，液相难以进入晶 界毛细间隙内，不易成膜，裂纹倾向 小。,(二)力学因素对产生结晶裂纹影响,产生结晶裂纹的充分条件是必须 要有力的作用。金属强度m决定于晶内强度G,和晶间强度，随温度升高而,0降低，0下降较快。当温度达到T0时，G=0，所 以T0称为等强温度。TT0时，G0，若发生断裂 必然是晶间断裂。,金属强度随温度的变化和拉伸应力关系,G,0,1,2,若焊缝承受拉应力为2，2 0，就会产生裂纹。此即产生结晶裂纹的充分条件。,三、防治结晶裂纹的措施,(一)冶金因素方面1 控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量S、P0.030.04，C0.12

16、。焊接高合金钢，S、P0.03，用超低碳焊丝(0.030.06)。采用碱性焊条或焊剂，可以有效地控制有害杂质。2 改善焊缝凝固结晶、细化晶粒是提高抗裂性的重要途径向焊缝中加入细化晶粒元素。得到+的双相组织(相控制在5左右)。结晶裂纹倾向较大的材料，为了防止结晶裂纹，增加焊缝中 易熔共晶的数量，使之具有“愈合”裂纹的作用。但这种方法 会带来其他不利影响(降低接头性能)，故应适当控制。,(二)工艺因素方面,主要是改善焊接时的应力状态。1 焊接工艺参数 焊接时焊缝承受拉伸应力所产生的应变量为e，瞬时的应变量(即应变率)应为e/t：,E,T0，可减小焊缝金属的应变，降低结晶裂纹的倾向。E，会使近缝区的金属过热；T0，会恶化劳动条件，所以采用这种方法受到限制。,厚大件薄板,2 接头形式 影响接头的受力状 态、结晶条件和热的分布,表面堆焊和熔深较浅的对接 焊缝抗裂性较高。熔深较大的对接和各种角接 抗裂性较差。焊缝所承受的 应力正好垂直于杂质聚集的 结晶面上，易于引起裂纹。厚板焊接结构，多层焊裂纹 倾向比单层焊有所缓和，应 注意控制各层熔深。,接头形式对裂纹倾向的影响,搭接,T形,角接,堆焊,熔深较