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1、Xian Jiaotong University1Xian 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 是焊接裂纹焊接裂纹。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 。2Xian 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。 3Xian Jiaotong University在焊接生产
2、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。 4Xian Jiaotong Universityu热裂纹u再热裂纹u冷裂纹u层状撕裂u应力腐蚀破裂5Xian 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6Xian Jiaotong Universi
3、ty 1.1 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 。7Xian 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。8Xian 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
4、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。9Xian 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 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。 10Xian Jiaotong University 拉伸应力是产生
5、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。11Xian 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
6、温度区间12Xian Jiaotong Universityu当熔池结晶进入到固液阶段时， 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。13Xian 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。14Xian J
7、iaotong 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。 15Xian 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 16Xian Jiaotong University b)合金元素 合
8、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。17Xian 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
9、。18Xian 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19Xian Jiaotong University 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。20Xian Jiaotong UniversityAH: 0.10%J: 0.17%B
10、: 0.53%21Xian 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22Xian 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
11、，容易形成硅酸 盐夹杂，从而增加了裂纹倾向。23Xian 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。 24Xian Jiaotong Universityc)焊缝的组织形态 焊缝结晶后
12、，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。 25Xian Jiaotong University 2)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
13、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。26Xian 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。 T0G012T27Xian 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
14、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。 28Xian 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29Xian
15、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30Xian 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 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
16、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。 31Xian Jiaotong University 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 。 32Xian Jiaotong University 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。
