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1、第六章第六章 焊接裂纹焊接裂纹第一节 概 述焊接裂纹在焊接接头区域产生的、与焊接过程相关的裂纹。 裂纹分类按产生的温度分：热裂纹温裂纹冷裂纹按产生的条件分：氢致裂纹应力腐蚀裂纹层状撕裂 一、焊接热裂纹热裂纹是在焊接时高温下产生的，故称热裂纹。热裂纹特征具有高温沿晶断裂的性质，裂纹较宽，裂口有氧化色。产生热裂纹的条件高温阶段金属塑性变形能力pmin 不足以承受金属所发生的塑性应变量时，即：pmin 便产生裂纹。 高温下金属塑性随温度的变化关系如图6-1示 图6-1 金属塑性随温度的变化关系可见，产生焊接热裂纹的低塑性温度区间TB有2个，相应的存在2类裂纹：a. 与液膜有关的热裂纹：区产生在TS附
2、近结晶裂纹（WM产生）；晶间液化裂纹（HAZ过热区产生）b. 与液膜无关的热裂纹： 区产生发生于单相奥氏体钢与合金的接头处。在TR附近与再结结晶相联联系，而致晶间间塑性徒降，形成沿晶开裂 高温失塑裂纹纹（HAZ）由于位错错运动动形成多边边化边边界（亚亚晶界）而致开裂 多边边化裂纹纹（HAZ， WM）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很差，有轻微的拉伸应力，就会沿多边化的边界开裂。1.结晶裂纹主要产生于含杂质较多的碳钢、低合金钢、单相奥氏体钢、镍基合金以及 某些铝合金的焊缝中。个别情况下，结晶裂纹也能在热影响区产生。 2高温液化裂纹 出现部位：近缝区或多层焊的层间。在焊
3、接热循环作用下，被焊金属含有较多的低熔共晶而被重新熔化，在拉伸应作用下沿奥氏体晶界发生开裂。产生合金：含有铬镍的高强钢、奥氏体钢、某些镍基合金。母材和焊丝中的硫、磷、硅、碳偏高时，裂纹倾向显著增高。同结晶裂纹。冶金方面：尽可能降低母材金属中硫、磷、硅、硼等低熔共晶形成元素的含量 。炉外精炼、电渣重熔技术冶炼出的高质量金属材料，基本上可消除液化裂纹。防治措施3多边化裂纹 处于固相线稍下的高温区间的刚凝固的金属中存在着很多晶格缺 陷(主要是位错和空位)及严重的物理和化学不均匀性，在一定的温度和应力作用下，由于晶格缺陷的迁移和聚集，便形成了二次边 界，即所谓“多边化边界”。边界上堆积的大量的晶格缺陷
4、，其组织性能脆弱，高温时的强度 和塑性都很差，轻微的拉伸应力就会沿多边化的边界开裂，产生 “ 多边化裂纹” 。产生合金：纯金属或单相奥氏体合金主要特点(1) 多发于纯金属或单相奥氏体焊缝中，偶尔在热影响区出现。 裂纹的走向与凝固结晶并不一致。(2) 裂纹附近常伴随有再结晶晶粒出现，所以多边化裂纹总是 迟于再结晶。(3) 裂纹多发生在重复受热的多层焊层间金属中及热影响区，其部位并不都靠近熔合区，说明该裂纹与晶界液化无关。(4) 断口呈现出高温低塑性开裂。多边化裂纹与结晶裂纹和液化裂纹有本质区别：由于空位、位错的移动和聚集，在二次边界上成核，并扩展而成为沿 多边化边界的裂纹。4.再热裂纹某些含有沉
5、淀强化元素的高强钢和高温合金(包括低合金高强钢、珠 光体耐热钢、沉淀强化的高温合金，某些奥氏体不锈钢等)，在焊后 并未发现裂纹，而在热处理过程中出现了裂纹，这种裂纹称为“消 除应力处理裂纹” (Stress Relief Cracking)，简称SR裂纹。有些焊接结构是在一定温度条件下工作的，即使在焊后消除应力处 理过程中不产生裂纹，而在500-600长期工作时也会产生裂纹。工 程上常把上述两种情况下产生的裂纹(消除应力过程和服役过)，统 称为“再热裂纹”(Reheat Craking)。出现部位： 厚板焊接结构，焊接热影响区粗晶区某些沉淀强化钢形成的厚板焊接结构，在进行消除应力热处理或在一定
6、温度下服役的过程中发生的裂纹。 “再热裂纹”，或“消应力裂纹”。产生合金：低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢、某些镍基合金 。再热裂纹具有敏感温度区间，因钢种不同而异，约在550650。主要特征1发生在焊接热影响区的粗晶部位并呈晶间开裂。裂纹走向沿熔合线母 材侧的奥氏体粗晶晶界扩展，有时呈断续状，遇细晶就停止扩展。2消除应力处理之前焊接区存在较大的残余应力并有不同程度的应力集中残余应力与应力集中二者必须同时存在，否则不会产生再热裂纹。3产生再热裂纹存在一个最敏感的温度区间，该区间与再热温度及再热时间有关。奥氏体不锈钢和一些高温合金约在700900沉淀强化的低合金钢约在500700，随材料
7、的不同而变化。焊接结晶裂纹1.定义：在焊缝金属凝固结晶的后期，低熔点共晶被排挤在柱状晶体间 隙，形成 “液态薄膜”；由于凝固金属的收缩，残余金属液不足以 及时填充，在应力作用下发生沿薄膜的开裂。图6-2、图6-32.裂纹分布特征：a. 沿晶开裂 b. 裂纹较宽 0.050.5mmc. 裂口有氧化色d. 裂纹中有“渣”e. 断口分析：含有S、P、N、C、O诸元素图6-2 图6-33.裂纹形成机理：1）裂纹形成原因a.焊接结晶后期存在液态薄膜；b.焊缝凝固过程受到拉伸应力。2）裂纹形成过程熔池结晶分为以下几个阶段：液态阶态阶段 TTl液固阶段 Tb0.16时，不能通过Mn来裂纹。原因：当C 0.1
8、6时，P对结晶裂纹的作用超过S。措施： P附：焊接条件下材料（焊材、母材）热裂纹倾向的判据：（1）临界应变增长率SCTJWS: SCT=(-19.2C-97.2S-0.8Cu-1.0Ni+3.9Mn+65.7Nb-618.5B+7.0)104当SCT6.5 )104时，不裂纹（2）最大裂纹长度LT（3）热裂纹敏感系数 HCSa.低碳、低合金高强钢：当HCS4时，不裂纹 b.中碳合金钢：当HCS2时，不裂纹3）钢中合金元素对结晶裂纹的影响 S、Pa.形成低熔点共晶， 裂纹 b. S、P在钢中易偏析，产生其它裂纹 Mn形成球状MnS，FeS偏析和裂纹。但当C0.16%时，Mn的这种作用消失。 C促
9、成S、P偏析，是影响结晶裂纹的主要元素。 Si少量有利，多量粗化晶粒，增大偏析。 Ti、Mo、V偏析和裂纹，控制在允许范围内有利。 Re柱状晶的方向性，细化晶粒， 偏析。B. 力学因素工艺因素1）产生结晶裂纹的力学条件TB内金属强度m小于金属所承受的拉伸应力， 即: mT0时，G0，晶间开裂，结晶裂纹即属于这种性质；当T0.6%时，无论怎样调整都无法消除裂纹 预热 (图6-12）a. 应力； b. 偏析 焊接顺序处处于较较小拘束下焊焊接，应力分散焊、对称焊、短续焊 等q/vv裂不 裂00 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 C%1.20.6不裂裂图610图6110 0.2 0.3
10、0.4 0.5 C%T0 500400300200100不裂裂图6123.预防结晶裂纹的措施：冶金因素1）控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量。2）改善焊缝凝固结晶形态、细化晶粒。工艺因素方面1）焊接工艺参数2）接头形式3）焊接次序4）焊前预热二、焊接冷裂纹焊接冷裂纹: Cold cracking冷裂纹是焊后冷至较低温度下产生的比较普遍的一种裂纹。延迟裂纹delayed cracking，氢致裂纹 hydrogen induced/assisted racking 一、焊接冷裂纹分类： 1. 淬硬脆化裂纹2. 低塑性脆化裂纹3. 层状撕裂 4. 应力腐蚀裂纹 1. 淬硬脆化裂纹 (淬火裂纹)
11、一些淬硬倾向很大的钢种，冷却时马氏体相变而产生脆性，在拘束应 力导致的开裂.产生合金：含碳较高的Ni-Cr-Mo钢、马氏体不锈钢、工具钢、异种钢等.产生部位：热影响区、焊缝.采用较高的预热温度和使用高韧性的焊条，可基本防止裂纹.属于冷裂纹，无延迟现象。焊接某些塑性较低的材料，在冷至低温时，由于收缩力而 引起的应变超过了材质本身所具有的塑性储备或材质变脆 而产生的裂纹，称为低塑性脆化裂纹。铸铁补焊、堆焊硬质合金和焊接高铬合金时，会出现低塑 性脆化裂纹。2.低塑性脆化裂纹焊接构件（容器、管道等）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，称为应力腐蚀裂纹(Stress Corrosi
12、on Cracking)，简称SCC裂纹。产生合金：一般情况下，低碳钢、低合金钢、不锈钢、铝合金、黄钢、镍基合金等， SCC裂纹大多属于晶间断裂性质，少数也有穿晶断裂。断口形貌：典型脆性断口。影响因素：结构的材质，腐蚀介质的种类、结构的形状、受力状态、制造和焊接工艺、 焊接材料及消除应力的程度等。应力腐蚀裂纹是在服役过程中产生的，因此会带来更大的危害性。 3.应力腐蚀裂纹4.层状撕裂大型厚壁结构，在焊接过程中会沿钢板的厚度方向出现较大的拉伸应力， 如果钢中有较多的夹杂，沿钢板轧制方向出现台阶状的裂纹，称为层状撕 裂(Lamellar Tear)。1）层状撕裂的特征 一般在钢材表面上难以发现，即
13、使用超声探伤检测合格的钢板，仍可能经 焊接后出现层状撕裂。主要发生在低合金高强钢的厚板焊接结构中，难以修复。层状撕裂是一种内部沿轧向的阶梯状应力开裂，由平行于轧向的平台和大 体垂直于平台的剪切壁组成。常出现在T形接头、角接头和十字接头中。一般对接接头很少出现，但在焊趾和焊根处由于冷裂的诱发也会出现层状撕裂。层状撕裂产生与钢种强度级别无关，而与钢中的夹杂量及分布形态有关。 在撕裂的平台部位常发现不同种类的非金属夹杂物(如MnS、硅酸盐和铝酸 盐等)。层状撕裂出现在厚钢板和铝合金板材中。(1) 在焊接热影响区焊趾或焊根处由冷裂纹而诱发形成的 层状撕裂；(2) 在焊接热影响区沿夹杂开裂，是工程上最常
14、见的层状 撕裂；(3) 远离热影响区母材中沿夹杂开裂，这种情况多出现在 有较多MnS的片状夹杂的厚板结构中。根据产生位置，层状撕裂可分三类：层状撕裂的形态与夹杂的种类、形状、分布等情况有关：当以片状MnS夹杂为主时，撕裂多以阶梯状出现；当以硅酸盐夹杂为主时，撕裂常呈直线状；当以Al2O3夹杂为主时，呈不规则的阶梯状。2）层状撕裂的形成机理 在强制拘束的条件下，厚板结构的T形和角接接头，焊缝收缩时会在母材厚 度方向产生很大的拉伸应力和应变，当应变超过母材金属的塑性变形能力时( 沿板厚方向)，夹杂物与金属基体之间就会发生分离而产生微裂，在应力的继 续作用下，裂纹尖端沿着夹杂所在平面进行扩展，形成
15、“平台”。与此同时，在相邻两个平台之间，由于不在一个平面上而发生剪切应力，造 成了剪切断裂，形成 “剪切壁”。连接这些平台和剪切壁，就构成了层状撕裂所特有的阶梯形态。层状撕裂的开始阶段都是在平行于轧向不同水平平台的夹杂处萌生，而后逐 渐扩展成为阶梯状。造成层状撕裂的根本原因在于钢材中存在较多的夹杂物，而在轧制过程中， 轧成平行于轧向的带状夹杂物，这就造成了钢材力学性能的各向异性。试验表明，沿轧向(简称L向)和厚度方向(简称Z向)的拉伸试样，尽管在强度方面相差不大，但在塑 性方面则有很大的差异。一些低合金钢Z向的伸长率要比L向的伸长率低30一40，所以承受Z向拉伸应力的结构，很容易沿层状分布的夹
16、杂处开裂。 3）影响层状撕裂的因素接头型式接头受力状态焊接施工工艺接头存在的缺陷缺口效应二、焊接冷裂纹特征1.产生于CE0.400.45%的钢， C0.18%的钢更易裂纹2.冷裂纹产生部位： 接头应力集中处焊道下裂纹 under bead crack焊根裂纹 root crack焊趾裂纹 toe crack3.断口形貌：准解理少量解理断口成分均匀，无偏析4.裂纹产生温度范围：100200 （MS附近或更低温度）5.裂纹产生具延迟性：焊后几秒或几小时、甚至更长时间后产生，裂纹扩展很快CE大， C%高的钢更易更快产生裂纹例：35CrNiMo在焊后冷至200时产生裂纹18MnMoTi则在焊后一段时间后开裂6.冷裂纹产生具有临界应力使用IIW推荐impl
