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1、焊接冶金学基本原理,第7章 焊接裂纹,目录,目录,层状撕裂,引言,焊接裂纹是在焊接应力及其他致脆因素的共同作用下,材料的原子结合遭到破坏,形成新界面而产生的缝隙。焊接裂纹具有尖锐的缺口和长宽比大的特征。近年来随着机械、能源、交通、石油化工等工业部门的发展,各种焊接结构也日趋大型化、高参数化,有的焊接结构还需要在高温、深冷以及强腐蚀介质等恶劣环境下工作。各种低合金高强度钢,以及低温、耐热、耐蚀、抗氢等专用钢得到广泛应用。焊接裂纹正是这些焊接结构生产中经常遇到的一种危害最严重的焊接缺欠,常发生于焊缝和热影响区。焊接裂纹直接影响焊接部件及焊接结构的质量与安全性,甚至能造成灾难性事故。因此,控制焊接裂
2、纹就成了焊接技术中急需解决的首要课题。,7.1 焊接裂纹的危害及分类,1. 焊接裂纹的危害 焊接裂纹不仅直接降低了焊接接头的有效承载面积,而且在裂纹尖端还存在较大的应力集中,使裂纹尖端的局部应力远远大于焊接接头的平均应力。因此,带有焊接裂纹的焊接接头容易造成脆性破坏。 焊接裂纹可能出现在焊缝和热影响区的表面,也可能出现在其内部。焊接裂纹一般比较细微,难以用肉眼发现,使用无损检测手段也常漏检。焊接裂纹的隐蔽性增加了焊接结构在服役过程中的潜在危险。 焊接裂纹的种类繁多,产生的机理和敏感条件各不相同。有些焊接裂纹在焊后可以立即产生,有些则可能在焊后延续一段时间才产生,也有些是在使用过程中,在一定外界
3、条件的诱发下产生的。焊接裂纹的复杂性使得它比其他焊接缺欠的预防更加困难。,7.1 焊接裂纹的危害及分类,2. 焊接裂纹的分类 根据焊接裂纹产生的部位、形态及其产生机理,焊接裂纹有如下两种分类方法。 按裂纹产生的部位和宏观形态分类 在实际焊接生产中,人们对焊接裂纹的认识首先是它们的直观形态和分布特征。识别它们的形态和特征可以帮助了解产生裂纹的原因,找到防止裂纹的合理工艺方案。根据焊接裂纹的产生部位和宏观形态,焊接裂纹可分为焊缝中的纵向裂纹和横向裂纹、熔合线裂纹、焊缝和热影响区根部裂纹、焊趾裂纹、焊道下裂纹、层状撕裂、弧坑纵向裂纹、弧坑横向裂纹和弧坑星形裂纹等。不同焊接接头产生的裂纹,其宏观形态和
4、分布如图7-1所示。,7.1 焊接裂纹的危害及分类,2. 焊接裂纹的分类 根据焊接裂纹产生的部位、形态及其产生机理,焊接裂纹有如下两种分类方法。 按裂纹产生的部位和宏观形态分类 在实际焊接生产中,人们对焊接裂纹的认识首先是它们的直观形态和分布特征。识别它们的形态和特征可以帮助了解产生裂纹的原因,找到防止裂纹的合理工艺方案。根据焊接裂纹的产生部位和宏观形态,焊接裂纹可分为焊缝中的纵向裂纹和横向裂纹、熔合线裂纹、焊缝和热影响区根部裂纹、焊趾裂纹、焊道下裂纹、层状撕裂、弧坑纵向裂纹、弧坑横向裂纹和弧坑星形裂纹等。不同焊接接头产生的裂纹,其宏观形态和分布如图7-1所示。,7.1 焊接裂纹的危害及分类,
5、2. 焊接裂纹的分类,图7-1 焊接裂纹的宏观形态和分布 a)T形接头的焊接裂纹 b) 对接接头的焊接裂纹 c) 焊缝收弧的弧坑裂纹 1焊缝中的纵向裂纹 2焊缝中横向裂纹 3熔合线裂纹 4焊缝根部裂纹 5热影响区根部裂纹 6、7焊趾裂纹 8焊道下裂纹 9层状撕裂 10弧坑纵向裂纹 11弧坑横向裂纹 12弧坑星形裂纹,7.1 焊接裂纹的危害及分类,2. 焊接裂纹的分类 按裂纹产生的机理分类 按照裂纹产生的机理分类更能反映裂纹的本质。一般习惯按裂纹产生的温度区间将裂纹分为热裂纹和冷裂纹。热裂纹包括结晶裂纹、多边化裂纹和液化裂纹。冷裂纹包括延迟裂纹、淬硬脆化裂纹、低塑性脆化裂纹。还有,在焊接厚板结构
6、时,由于钢材内部所含夹杂物引起的层状撕裂。除此之外还有应力腐蚀裂纹,它是在腐蚀性介质环境中,特定工作条件下形成的裂纹。,7.2 焊接热裂纹,1. 焊接热裂纹的一般条件 焊接热裂纹(Hot Crack)具有高温沿晶断裂的特征。由金属断裂理论可知,发生高温沿晶断裂的条件是,在高温阶段晶间延性或塑性变形能力不足以承受当时所发生的应变量。 焊接冷却凝固过程中,在接头中总是存在着不均匀的应变场。焊缝结晶过程中,焊接接头的延性也随着温度的下降而发生变化。,7.2 焊接热裂纹,1. 焊接热裂纹的一般条件,图7-2 形成焊接热裂纹的“脆 性温度区间”示意图,7.2 焊接热裂纹,1. 焊接热裂纹的一般条件 图7
7、-2所示为温度对延性影响的示意图,可见存在延性最低的温度区间,这个温度区间即为易于促使产生焊接热裂纹的所谓“脆性温度区间”。由图7-2可见,有两个延性较低的温度区间,与此相对应,可以见到两类焊接热裂纹:一类是与液态薄膜有关的热裂纹,对应图7-2中的区,位于固相线TS附近;第二类是与液态薄膜无关的热裂纹,对应图7-2中的区,位于奥氏体再结晶温度TR附近。,7.2 焊接热裂纹,1. 焊接热裂纹的一般条件 (1)结晶裂纹 产生在焊缝中,是在结晶过程中形成的。结晶裂纹主要产生在单相奥氏体钢、镍基合金、铝合金,以及含杂质较多的碳钢和低合金钢中。 (2)高温液化裂纹 产生在近缝区或多层焊的层间,是由于母材
8、含有较多的低熔点共晶,在焊接热源的高温作用下晶间被重新熔化,在拉应力作用下沿奥氏体晶界发生的开裂现象。图7-4所示为因科镍合金大刚度拘束试板根部产生的高温液化裂纹,7.2 焊接热裂纹,1. 焊接热裂纹的一般条件 (3)多边化裂纹 产生在焊缝或热影响区,是当温度降到固相线稍下的高温区形成的。它是由于在较高的温度和一定的应力条件下,晶格缺陷(位错和空位)迁移和聚集,形成二次边界,即所谓“多边化边界”。,7.2 焊接热裂纹,2. 结晶裂纹的主要特征 结晶裂纹只产生在焊缝中,大多数呈纵向分布在焊缝中心,也有一些呈弧形分布在焊缝中心线的两侧,并与焊波呈垂直分布。纵向裂纹一般较长、较深,而弧形裂纹较短、较
9、浅。弧坑裂纹一般也属于结晶裂纹,它产生在焊缝的收尾处。 通过分析焊接熔池结晶过程中的金属力学性能变化,可以进一步了解结晶裂纹产生的原因和条件。以低碳钢的焊接为例,可把熔池的结晶分为以下三个阶段。,7.2 焊接热裂纹,2. 结晶裂纹的主要特征 (1)液固阶段 如图7-9所示,在熔池结晶的初始阶段,液相中开始出现晶核,并逐渐长大为晶粒,这时由于晶粒尚小、晶粒游离于液相之中,互不联系。此时液相的流动性很好,如果有一外力试图拉开缝隙,自由流动的液体会立即填满这个拉开的空隙。因此,液固阶段不会产生裂纹。,7.2 焊接热裂纹,2. 结晶裂纹的主要特征,图7-9 熔池结晶阶段及脆性温度区 p塑性 y流动性
10、TB脆性温度区 TL一液相线 TS固相线,7.2 焊接热裂纹,2. 结晶裂纹的主要特征 (2)固液阶段 随着结晶的继续进行,固相增多且逐渐长大,以至晶粒之间彼此接触。这时,尚未凝固的液体已经很少,呈薄膜状分布在晶粒之间,其本身既不能承受拉应力,又难以自由流动填补由拉应力所造成的晶粒之间的空隙,所以金属的塑性很小。 (3)完全凝固阶段 此时金属已完全凝固,塑性已迅速回升,如果受到拉应力时就会表现较好的强度和塑性,很难发生裂纹。但是对于某些金属,在焊缝完全凝固以后,仍然有一段温度内的塑性很低,甚至会产生裂纹,这就是高温低塑性裂纹多边化裂纹。,7.2 焊接热裂纹,3. 结晶裂纹的形成条件 图7-10
11、中,e=f (T )表示在拉应力作用下焊缝的应变,它是温度的函数,随温度的下降而增大,应变相对于温度的变化率即为应变增长率;p表示在脆性温度区间TB内焊缝金属的塑性,它也是温度的函数,p=(T )。在固相线TS附近,焊缝的塑性最小,为pmin。 根据焊缝金属应变曲线e=f (T )和塑性曲线p= (T )的相对关系,可以有如下三种情况:,7.2 焊接热裂纹,3. 结晶裂纹的形成条件,图7-10 焊接时产生结晶裂纹的条件 TL液相线温度 TS固相线温度,7.2 焊接热裂纹,3. 结晶裂纹的形成条件 (1)应变按曲线1变化 在固相线TS附近的应变为e,此时焊缝尚有eS的塑性储备,即pmin=e -
12、eS,eS0,此时不会产生结晶裂纹。 (2)应变按曲线2变化 在固相线TS附近,焊缝的应变e恰好与焊缝金属的最低塑性值pmin相等,即eS=0,此时处于临界状态。 (3)应变按曲线3变化 在固相线TS附近,焊缝的应变e已超过焊缝金属的最低塑性值pmin,此时eS0,必然产生裂纹。 综合以上分析可知,是否产生结晶裂纹取决于焊缝金属的脆性温度区间TB的大小、脆性温度区间内的最小塑性值pmin,以及脆性温度区间内的应变增长率。这三方面既相互联系、相互影响,又相对独立。,7.2 焊接热裂纹,3. 结晶裂纹的形成条件 具体来讲,焊缝是否产生结晶裂纹主要取决于以下三个方面: (1)脆性温度区TB的大小 T
13、B越大,焊缝收缩产生拉应力的作用时间越长,产生的应变量越大,故产生结晶裂纹的倾向也就越大。TB的大小主要取决于焊缝的化学成分、低熔点共晶的性质及分布、晶粒大小及方向性等。 (2)在脆性温度区内金属的塑性 在TB内焊缝金属的塑性越小,就越容易产生结晶裂纹。这也与焊缝的化学成分、偏析程度、晶粒大小以及应变相对于时间的变化率(应变速率)等有关。 (3)在脆性温度区内的应变增长率 在TB内,随着温度的下降,收缩产生的拉应力增大,因而应变的增长率也将增大,这就容易产生结晶裂纹。应变增长率的大小主要取决于金属的热膨胀系数、接头的刚度、焊缝的位置、焊接热输入的大小以及温度场的分布等。,7.2 焊接热裂纹,4
14、. 影响结晶裂纹的因素及防止措施 1.冶金因素对产生结晶裂纹的影响 (1)杂质和合金元素的影响 硫和磷在钢中能形成多种低熔点共晶,在结晶过程中极易形成液态共晶薄膜,使脆性温度区间的塑性大大下降;硫和磷非常容易偏析,大大增加了脆性温度区间的范围。 (2)合金相图及结晶区温度间的影响 试验研究表明,结晶裂纹倾向是随合金相图及结晶温度区间的增大而增大的。并且,随着合金元素含量的增加结晶温度区间也随着加大。因此,在分析合金的结晶裂纹倾向时,应当首先了解该材质的合金相图及结晶区温度间的情况。,7.2 焊接热裂纹,4. 影响结晶裂纹的因素及防止措施 (3)焊缝组织一次结晶形态的影响 焊缝一次结晶组织的晶粒
15、度越大,结晶的方向性越强,就越容易促使杂质偏析,易在固液阶段形成连续的液态共晶薄膜,增加结晶裂纹倾向。因此可以采用以下两种方法: 1)在焊缝或母材中加入一些细化晶粒元素,如Mo、V、Ti、Nb、Zr、A1、RE等元素。 2)利用“愈合”作用防止结晶裂纹。,7.2 焊接热裂纹,4. 影响结晶裂纹的因素及防止措施 2. 工艺因素的影响 (1)熔池或焊缝形状的影响 焊接接头形式影响其受力状态、结晶条件和热量的分布等,因此不同焊接接头形式的结晶裂纹倾向也不同,在设计和施工时应特别注意。 (2)冷却速度的影响 一般来说,接头的冷却速度越大,应变速率也越大,越易于产生热裂纹。因此,对热裂倾向较大的钢材焊接
16、时需要采取适当的预热措施。,7.2 焊接热裂纹,4. 影响结晶裂纹的因素及防止措施 (3)接头刚度和焊接顺序的影响 应当尽量减小接头的刚度,以减小结晶过程中的收缩应力。因此,设计时应当尽量减小结构的板厚、合理布置焊缝,施工中应合理地安排焊接顺序,总的原则是尽量使焊缝能在较小的刚度条件下焊接。 (4)采用适当的运条手法防止结晶裂纹 采用适当的运条手法可以减少焊缝中杂质的偏析,改善焊缝成形,有利于减小结晶裂纹倾向。收弧时不要过于突然,以免造成凹陷的弧坑和弧坑裂纹,应当在收弧处稍作停留,并轻微摆动,填满弧坑,而后将电弧拉向前方,提起灭弧。,7.3 焊接冷裂纹,1. 冷裂纹的危害、特征与分类 1.冷裂纹的危害 由于焊接结构不断地向高参数、大容量方向发展,所使用的钢材强度级别不断提高,这些钢种的冷裂倾向比较大,因此冷裂纹与热裂纹相比,无论是从发生的数量,还是造成的后果都更为严重。冷裂纹的延迟特征也使其在焊后的无损检测中难以发现,其产生时间的不确定性
