焊接裂纹的处理.

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1、1,第五章 焊接裂纹,2,第一节 概述,第二节 焊接热裂纹,第三节 焊接冷裂纹,第四节 再热裂纹,第五节 层状撕裂,第六节 应力腐蚀裂纹,第七节 焊接裂纹综合分析和判断,第五章 焊接裂纹,3,重点内容,1、裂纹的分类用一般特征 2、结晶裂纹的形成机理、影响因素，及其防冶措施 3、焊接冷裂纹的形成机理， 4、应力腐蚀裂纹形成机理 、层状撕裂产生原因及防止、 焊接裂纹综合分析及判断，各种裂纹断口形貌特征。,4,5-1 概述,一、危害性 焊接结构产生裂纹轻者需要返修，浪费人力、物力、时间，重者造成焊接结构报废，无法修补。更严重者造成事故、人身伤亡。如1969年有一艘5万吨的矿石运输船在太平洋上航行时

2、，断裂成两段而沉没，在压力容器破坏事故中，有很多都是由于焊接裂纹造成。因此，解决研究焊接裂纹已成为当前主要课题。,5,二、种类,各种不同类型的裂纹 焊缝中纵向裂纹 焊缝上横向裂纹 热影响区纵向裂纹 热影响区横向裂纹 火口（弧坑）裂纹 焊道下裂纹 焊缝内部晶间裂纹 焊趾裂纹 热影响区焊缝贯穿裂纹焊缝根部裂纹,6,7,分类:,1、 按裂纹分布的走向分,纵向裂纹,2、 按裂纹发生部位分,横向裂纹 纵向裂纹 星形（弧形裂纹）,焊缝金属中裂纹 热影响区中裂纹 焊缝热影响区贯穿裂纹,8,3 、按产生本质分类,1）、热裂纹 （高温裂纹） 产生：热裂纹(高温裂纹)高温下产生 存在部位：焊缝为主,热影响区,特征

3、：宏观看, 沿焊缝的轴向成纵向分布（连续或继续）也可看到缝横向裂纹，裂口均有较明显的氧化色彩，表面无光泽，微观看，沿晶粒边界（包括亚晶界）分布，属于沿晶断裂性质,9,1)、热裂纹分类,结晶裂纹：在凝固的过程-结晶过程中产生 高温液化裂纹：在高温下产生,钢材或多层焊的层间金属含有低熔点化合物经重新溶化，在收缩应力作用下,沿奥氏体晶间发生开裂 多边化裂纹：产生温度低于固相线温度,存在晶格缺陷(位错和空位),物理化学的不均匀性,在应力作用下,缺陷聚集形成多边化边界,使强度塑性下降,沿多边化边界开裂,多发生纯金属或单相奥氏体合金焊缝。,10,HAZ液化裂纹,晶 间 裂 纹,多边化裂纹,11,12,2）

4、、再热裂纹（消除应力处理裂纹）,由于重新加热（热处理）过程中产生称再热裂纹消除应力处理裂纹。,13,14,3）、冷裂纹,产生温度：温度区间在+100-75之间 存在部位:多在热影响区,但也有发生在焊缝。 特征（断口）：宏观断口具有发亮的金属光泽的脆性断裂特征。 微观看：晶间断裂，但也可穿晶（晶内）断裂，也可晶间和穿晶混合断裂。,15,冷裂纹分类：,延迟裂纹：特点不在焊后立即出现，有一段孕育期产生迟滞现象称延迟裂纹。 淬硬脆化裂纹（淬火裂纹）：淬硬倾向大的组织易产生这种裂纹（与氢含量关系不大）。 低塑性脆化裂纹：在比较低的温度下，由于收缩应变超过了材料本身的塑性储备产生的裂纹称低塑性脆化裂纹。,

5、16,延迟裂纹,17,4）、层状撕裂：,由于轧制母材内部存在有分层的夹杂物(特别是硫化物夹杂物）和焊接时产生的垂直轧制方向的应力，使热影响区附近地方产生呈“台阶”状的层状断裂并有穿晶发展。,18,5）、应力腐蚀裂纹：,金属材料在某些特定介质和拉应力共同作用下所产生的延迟破裂现象，称应力腐蚀裂纹。,19,三、热裂纹与冷裂纹的基本特点,本节结束,20,5-2 焊接热裂纹,一、结晶裂纹 1、 产生机理 1）产生部位：结晶裂纹大部分都沿焊缝树枝状结晶的交界处发生和发展的，常见沿焊缝中心长度方向开裂即纵向裂纹，有时焊缝内部两个树枝状晶体之间。对于低碳钢、奥氏体不锈钢、铝合金、结晶裂纹主要发生在焊缝上某些

6、高强钢，含杂质较多的钢种，除发生在焊缝之处，还出现在近缝区上。,21,结 晶 裂 纹,22,23,24,25,26,27,2）、熔池各阶段产生结晶裂纹的倾向,在焊缝金属凝固结晶的后期，低熔点共晶物被排挤在晶界，形成一种所谓的“液态薄膜”，在焊接拉应力作用下，就可能在这薄弱地带开裂，产生结晶裂纹。 产生结晶裂纹原因：液态薄膜 拉伸应力 液态薄膜根本原因 拉伸应力必要条件,28,固液阶段：这一区也称为“脆性温度区”即图上a、b之间的温度范围,固相阶段：也叫完全凝固阶段,以低碳钢焊接为例可把熔池的结晶分为以下三个阶段,液固阶段：（1区）,Tb称为脆性温度区，在比区间易产生结晶裂纹，杂质较少的金属,

7、Tb小产生裂纹的可能性也小，杂质多的金属Tb大，产生裂纹的倾向也大,29,30,3）产生结晶裂纹的条件,在焊缝的塑性用P表示, 当在某一瞬时温度 时有一个最小的塑 性值（Pmin) （出现液态薄膜时） 受拉伸应力所产生的变形 用e表示，也是温度的函数 .,31,在脆性温度区焊缝所承受的拉伸应力所产生的变形大于焊缝金属所具有的塑性时产生裂纹即 高温阶段晶间塑性变形能力不足以承受当时所发生塑性应变量。,产生裂纹的条件,32,脆性温度区（TB）内金属的塑性，TB内金属的塑性越小，越易产生结晶裂纹。,结论：,脆性温度区间大小, TB大，拉应力作用时间长，产生裂纹可能性大，决定于焊缝化学成分，杂质性质与

8、分布，晶粒大小。,TB内随温度降低变形的增长率（拉伸应力的增长率）,临应变率CST越大,则表示材料的热裂纹敏感性越小,越不易产生裂纹。,33,2、焊接结晶裂纹的影响因素,1）、冶金因素 结晶温度区间： 合金状态图脆性温度 区的大小随着该合金 的整个结晶温度区间 的增加而增加,34,合金元素 a)、S、P,i)S、P增加结晶温度区间,脆性温度区间TB裂纹,ii)S、P产生低温共晶,使结晶过程中极易形成 液态薄膜,因而显著增大裂纹倾向,iii)P、S引起成分偏析.P、S偏析系数K越大,偏析的程度越严重.偏析可能在钢的局部地方形成低熔点共晶产生裂纹。,35,b)、C i)、C0.16% Mn/S无效

9、,加剧P有害作用 裂 iii)、C0.51% 初生相 初生相 S、P在小相中溶解度低，析出S、P集富在晶界上，裂纹,Mn具有脱S作用 其中Mn熔点高，早期结晶星球状分布，抗裂,含碳量C0.016% P对形成结晶裂纹的作用超 过了S，Mn无意义,c)、Mn,注意：,36,d)、Si 硅是 相形成元素，利于消除结晶裂纹 , 相中S、P溶解度大缘故，Si0.4% 易形成低熔点的硅酸盐夹杂使裂,对硫的亲合力大，形成高熔点的硫化物，消除结晶裂纹有良好的作用。,e)、Ti 、锆（Z）和稀土元素,37,注：A 焊缝中加入轻稀土,焊缝成分分析,例如：强度为600MPa焊条研究,38,图2 焊缝冲击断口扫描形貌

10、 焊缝冲击断口SEM形貌 (a)、(b)、(c) 未加入稀土 (d)、(e)、(f) 加入2%稀土,39,焊缝金属金相组织 a、未加入稀土 b、加入2%稀土,40,f)、O,O降低S的有害作用，氧、硫、铁能形成Fe-FeS-FeO三元共晶，使FeS由薄膜变成球状，裂,日本JWS临界应变增长率CST,CST=(-19.2C-97.2S-0.8Cu-1.0Ni+ 3.9Mn+65.7Nb-618.5B+7.0)*10-4,当 时，可以防止裂纹,热裂敏感系数HCS公式,当HCS4时，可以防止裂纹,41,凝固时界面张力,杂质的低熔点共晶所造成的液态薄膜是产生结晶裂纹的重要因素，若将晶界的液态薄膜改变为

11、球状的形态，抗裂性,42,固体晶粒与残液之间的表面张力 固体晶粒之间的表面张力 固相与液相的接触角 当 越小 越小 =0.5 =0 残液在固体晶粒以薄膜存在裂 =180残液以球状形态分布裂,/,固相晶粒之间和固液之间表面张力的平衡关系为,43,一次结晶组织形态及组织对结晶裂纹的影响,晶粒大小：晶粒粗大裂纹的倾向 初生相： 相裂 裂 线膨胀系数小于 ， 相变应力裂,44,2)、力的因素,在焊接时脆性温度区内金属的强度要小在脆性温度区内金属所承受的拉伸应力。 产生结晶裂纹的充分条件。,在脆性温度区内金属的强度,在脆性温度内金属所承受的拉伸应力,金属的强度,决定于,晶内强度,晶间强度,45,T ,T

12、 时， 发生断裂晶间断裂,T =,称金属的等强温度,若焊缝所受拉伸应力为 随温度变化始终不超过 ，则不会产生结晶裂纹 产生结晶裂纹,产生结晶裂纹的条件是冶金因素和力共同作 用，二者缺一不可,46,3、防止结晶裂纹的措施,1）、冶金方面 控制焊缝中有害杂质的含量， 限制S、P、C含量S、P0.03-0.04 焊丝C0.12% (低碳钢) 焊接高合金钢，焊丝超低碳焊丝 改善焊缝的一次结晶 细化晶粒，加入Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al,47,2)、工艺方面（减少拉应力）,应变率 , E 、 应变率 接头预热型式 适当增加线能量（q/v）接头型式合理 妥善安排焊接次序焊次序,48,四、近缝区液化裂纹

13、,1、 产生部位及材料 通常产生在母材的热影响区的粗晶区，也可产生在多层焊缝的焊层之间液化裂纹属于晶间开裂性质，裂纹断口呈典型的晶间开裂特征。 2、 产生原因 1）、近缝区晶界处存在低熔点杂质 2）、近缝区存在晶间液膜(低熔点共晶体),49,液化裂纹,50,3、影响因素,1）、化学成分 2）、工艺因素,4、防止措施,1）、控制S、P等杂质含量 如采用电渣精炼的方法，去除合金中的杂质。 2）、焊接工艺上，采用小线能量，避免近缝区晶粒粗化,51,五、多边化裂纹,1、形成条件（形成机理） 多边化现象，焊缝金属中存在很多高密度的位错在高温和应力的共同作用下，位错极易运动，在不同平面上运动的刃型位错遇到

14、障碍时可能发生攀移，由原来的水平组合变成后来的垂直组合，即形成“位错壁”就是多边化现象。,52,2、特点,1）、发生部位与材料 发生在焊缝中，常见于单相奥氏钢或纯金属的焊缝金属 裂纹走向：以任意方向贯穿树枝状结晶 2）、常常伴随有再结晶晶粒出现在裂纹附近，多边化裂纹总是迟于再结晶 3）、裂纹多发生在重复受热金属中（多层焊） 4）、断口呈现出高温低塑性断裂,53,3、影响因素,形成多边化过程所需时间： t完成多边化过程所需时间 常数 u多边化过程的激活能，决定于合金成分和应力状态 R气体常数（8.4J/molk） T温度（K） 从公式中可以看出，完成多边化过程所需时间与H、T有关,54,1）合金

15、成分的影响 在焊缝中加入一些提高多边化过程激活能的元素，可有效阻止多边化过程 2）应力状态的影响 有应力存在，使多边化过程加速 3）温度的影响 在形成多边化过程的温度越高时间越短,本节结束,55,5-3 焊接冷裂纹,1.产生温度:Ms点附近或200300以下温度区间 2.产生的钢种和部位:发生在高碳钢、中碳钢、低合金、中合金高强钢，热影响区合金元素多的超高强钢、Ti合金发生在焊缝 3.裂纹的走向：沿晶、穿晶 4.产生时间:可焊后立即出现，也有的几小时，几天或更长时间,一、冷裂纹的一般特征,56,二、冷裂纹种类,延迟裂纹是冷裂纹中一种最普遍的形态，它不是焊后出现，因此危害性更大,延迟裂纹三种形态 ：,1）、焊趾裂纹缝边裂纹 2）、焊道下裂纹,3）、根部裂纹,57,三、延迟裂纹的机理,高强钢焊接时产生延迟裂纹的原因主要是：钢种的淬硬倾向；焊接接头的含氢量及其分布，焊接接头的拘束应力。延迟裂纹的开裂过程存在这两个不同的过程，即裂纹的起源和裂纹的扩展，扩展到一定情况下，发生断裂，我们只从宏观的角度阐述一下产生延迟裂纹的三要素。,58,F+P,A,M,A,裂,59,60,1、钢种的淬硬倾向,焊接接头的淬硬倾向主要决定于钢种的化学成分，其次是焊接工艺，结构板厚及冷却条件。钢种淬硬倾向越大，越容易产生裂纹，其原因为 ：,1）、形成脆硬的马