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1、26091D,主编,第六章 焊接裂纹,第六章 焊接裂纹,第一节 焊接裂纹的危害及分类 第二节 焊接热裂纹 第三节 焊接冷裂纹 第四节 其他焊接裂纹,第一节 焊接裂纹的危害及分类,一、焊接裂纹的危害性,图6-1 我国压力容器与美国容器灾难性失效对比,第一节 焊接裂纹的危害及分类,二、焊接裂纹的分类,0602.TIF,第一节 焊接裂纹的危害及分类,图6-2 焊接裂纹分布形态示意图 1焊缝中的纵向裂纹与弧形裂纹(多为结晶裂纹) 2焊缝中的横向裂纹(多为延迟裂纹) 3熔合区附近横向裂纹(多为延迟裂纹) 4焊缝根部裂纹(延迟裂纹、热应力裂纹) 5近缝区根部裂纹(延迟裂纹) 6焊趾处纵向裂纹(延迟裂纹)
2、7焊趾处纵向裂纹(液化裂纹) 8焊道下裂纹(延迟裂纹、液化裂纹、高温低塑性裂纹) 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,1.按裂纹走向分 1)纵向裂纹 产生的裂纹基本上与焊缝轴线平行。 2)横向裂纹 产生的裂纹基本上与焊缝轴线垂直。 3)放射状裂纹 产生的裂纹具有某一公共点，呈放射状，也可称为星形裂纹。 4)弧坑裂纹 在焊缝收弧弧坑处产生的裂纹。,第一节 焊接裂纹的危害及分类,2.按裂纹所在的位置分 3.按裂纹产生的条件分 1)焊接热裂纹 在焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接裂纹，叫做焊接热裂纹。 2)焊接冷裂纹 焊接接头冷却到较低温度
3、时产生的焊接裂纹，叫做焊接冷裂纹。 3)再热裂纹 焊件焊后在一定温度范围再次加热时(焊后消除应力处理或其他加热过程)，由于高温及残余应力的共同作用而产生的晶间裂纹，叫做再热裂纹，又叫消除应力裂纹。 4)层状撕裂 层状撕裂是指焊接时，在焊接构件中沿钢板轧层形成的呈阶梯状的一种裂纹。,第一节 焊接裂纹的危害及分类,5)应力腐蚀开裂 金属材料在某些介质中，由于拉应力的作用造成的延迟破裂称为应力腐蚀开裂。,第二节 焊接热裂纹,一、结晶裂纹的形成机理 1.结晶裂纹的特征,图6-3 焊缝中的结晶裂纹,第二节 焊接热裂纹,1.tif,第二节 焊接热裂纹,0604.TIF,第二节 焊接热裂纹,图6-4 焊缝中
4、结晶裂纹出现的地带,第二节 焊接热裂纹,图6-5 沿焊缝中心线的纵向裂纹,2.结晶裂纹产生的原因,第二节 焊接热裂纹,图6-6 高温时金属材料塑性的变化,(1)结晶过程中焊缝金属塑性的变化 图6-6所示为焊缝金属的伸长,第二节 焊接热裂纹,率与温度T的关系曲线。 1) 液-固阶段：在该阶段，熔池开始结晶，液相多于固相，晶粒之间被液体所隔而未直接接触，液体可以在晶粒间自由流动。,图6-7 凝固过程中脆性温度区间形成示意图 伸长率 y流动性(液态金属) 脆性温度区间,第二节 焊接热裂纹,2) 固-液阶段：当结晶继续进行时，固相随晶粒增加与长大而相互接触并连为整体，液体被固相隔开，流动困难，少量剩余
5、的液体(主要是低熔点组分)形成所谓的“液态薄膜”。 3)完全凝固阶段：熔池金属完全凝固而形成整体的焊缝。 (2)产生结晶裂纹的力 脆性温度区间的存在是产生结晶裂纹的主要原因，这种条件是必要的，但不充分。,图6-8 焊接加热时焊件横 截面上的温度分布,第二节 焊接热裂纹,图6-9 焊接时产生结晶裂纹的条件,(3)结晶裂纹形成的条件 综上所述，,第二节 焊接热裂纹,结晶裂纹的产生是由于在焊缝凝固后期存在了液态薄膜，并受到拉应力作用的结果。,图6-10 脆性温度区宽度对结晶裂纹的影响 (线的右上方为裂纹区，左下方为不裂区),第二节 焊接热裂纹,二、 结晶裂纹的影响因素 1.冶金因素 (1)合金元素对
6、产生结晶裂纹的影响 合金元素的影响很复杂，其中既有元素本身单独的作用，也有各元素相互之间的作用。 1)硫、磷。,图6-11 在Fe-Me二元合金中溶质元素对的影响 结晶温度区间,第二节 焊接热裂纹,2) 碳。,图6-12 Fe-C相图的高温部分,第二节 焊接热裂纹,表6-1 硫和磷在相和相中的溶解度,3) 锰。 4)硅。,第二节 焊接热裂纹,图6-13 C、Mn、S共存时对结晶裂纹的影响 a)不同、时对含锰量的要求 b)不同时对MnS值的要求,第二节 焊接热裂纹,表6-2 合金元素对结晶裂纹倾向的影响,第二节 焊接热裂纹,图6-14 Si对Al-Mn合金焊接裂纹的影响 (曲线1、2的合金成分不
7、同),第二节 焊接热裂纹,(2)易熔相对产生结晶裂纹的影响 晶界出现易熔相(低熔点共晶体或化合物)是产生结晶裂纹的重要原因。,图6-15 结晶温度区间宽度与裂纹倾向的关系,第二节 焊接热裂纹,(3)结晶温度区间对产生结晶裂纹的影响 结晶裂纹的形成与合金的固-液相温度差(tf)有密切关系。 2.力的因素,图6-16 金属在高温下强度随温度 的变化与拉应力的关系,第二节 焊接热裂纹,三、防止结晶裂纹的措施 1.防止结晶裂纹的冶金措施 (1)控制焊缝中硫、磷、碳等有害元素的含量 硫、磷、碳等元素主要来源于母材与焊接材料。 (2)对熔池进行变质处理 通过向焊缝中加入细化晶粒的元素(如Mo、V、Ti、N
8、b、Zr、Al、稀土等)，对熔池进行变质处理，不仅可以提高焊缝金属的力学性能，还可提高抗结晶裂纹能力。 (3)调整熔渣的碱度 如前所述，焊接熔渣的碱度越高，熔池中脱硫、脱氧越完全，其中杂质越少，从而不易形成低熔点化合物，进而可以显著降低焊缝金属的结晶裂纹倾向。 2.防止结晶裂纹的工艺措施,第二节 焊接热裂纹,(1)焊接参数 焊接时，成形系数(BH)的大小影响柱状晶长大的方向和区域偏析的情况，如图6-17所示。,图6-17 不同成形系数(BH)时的结晶情况,第二节 焊接热裂纹,图6-18 碳钢焊缝的成形系数与结晶裂纹的关系 (Mn/S18 =0.020.025),第二节 焊接热裂纹,(2)预热
9、焊接时，熔池冷却速度越快，接头变形增长率越大，结晶裂纹倾向也越大。 (3)焊接顺序 在焊接结构尺寸一定时，合理安排焊接顺序，可有效减小结晶裂纹的倾向。,图6-19 钢板拼接,第二节 焊接热裂纹,图6-20 锅炉管板上管束的焊接顺序 a)同心圆式(不好) b)平行线式(不好) c)放射交叉式(好),第二节 焊接热裂纹,图6-21 液化裂纹照片,四、液化裂纹,第二节 焊接热裂纹,图6-22 出现液化裂纹的部位 1熔合线凹陷处 2多层焊层间过热区,第二节 焊接热裂纹,图6-23 焊缝形状的凹度d 对液化裂纹率的影响 裂纹率 N所检断面发现的裂纹总数 n被检断面数,第二节 焊接热裂纹,图6-24 减小
10、焊缝凹度的措施 a)焊条电弧焊盖面 b)焊丝倾斜一定角度,第二节 焊接热裂纹,(1)选用合适的母材 母材中含碳、硫、磷和镍较低，且MnS值较高时，液化裂纹倾向性较小。 (2)减小焊缝的凹度 实验表明，当焊缝断面呈明显蘑菇状时，在凹入处很容易产生微小的裂纹，而且裂纹率随凹度d的增加而增加，如图6-23所示。 (3)采用较小的焊接热输入 母材过热往往是产生液化裂纹的重要原因之一，降低焊接热输入可以减小液化裂纹的倾向。,第三节 焊接冷裂纹,一、焊接冷裂纹的特征及种类 1.焊接冷裂纹的特征 (1)冷裂纹的形成温度,图6-25 冷裂纹的显微照片 (材料15MnVN钢),第三节 焊接冷裂纹,(2)产生冷裂
11、纹的部位 冷裂纹主要产生在中、高碳钢，低、中合金高强钢的焊接热影响区。 (3)冷裂纹的断口特征 宏观上冷裂纹的断口具有脆性断裂的特征，表面有金属光泽，呈人字形态发展。 (4)冷裂纹产生的时间 冷裂纹有些在焊接过程中或焊后立即出现，但较多的是在焊后延续一段时间才产生。,图6-26 焊道下裂纹及焊趾裂纹,第三节 焊接冷裂纹,2.焊接冷裂纹的种类 (1)焊道下裂纹 这种裂纹经常发生在淬硬倾向较大、含氢量较高的焊接热影响区。 (2)焊趾裂纹 这种裂纹起源于焊缝表面与母材交界，在沿应力集中的焊趾处形成，故称为焊趾裂纹，如图6-26所示。 (3)焊根裂纹 这种裂纹起源于焊缝根部应力集中最大的部位，如图6-
12、27所示。,图6-27 焊根裂纹照片,第三节 焊接冷裂纹,(4)横向裂纹 横向裂纹起源于熔合线，沿垂直于焊缝长度方向扩展到焊缝和热影响区。 二、焊接冷裂纹的形成机理 1.钢种的淬硬倾向 2.焊接接头含氢量及其分布,图6-28 电弧气氛中含氢量对焊道下裂纹率的影响 a)试件尺寸 b)裂纹率与气氛中含氢量的关系,第三节 焊接冷裂纹,图6-29 氢的溶解度H、 扩散系数D与晶体结构的关系,第三节 焊接冷裂纹,(1)氢在金属中的溶解与扩散 溶解在液体金属中的氢原子，在连续冷却金属凝固和发生固态相变时溶解度将发生突变，如图6-29所示。,表6-3 氢在不同组织中的溶解度与扩散速度,(2)焊缝金属结晶过程
13、中氢的溶解与扩散,第三节 焊接冷裂纹,图6-30 焊接接头冷却过程中的组织分布与氢的扩散情况,3.焊接接头的拘束应力,第三节 焊接冷裂纹,4.冷裂纹的延迟现象,图6-31 延迟断裂时间与应力的关系,第三节 焊接冷裂纹,三、防止焊接冷裂纹的措施 1.选用对冷裂纹敏感性低的母材 2.严格控制氢的来源 (1)选用优质焊接材料或低氢的焊接方法 目前，对不同强度级别的钢种都有配套的焊条、焊丝和焊剂，基本上满足了生产的要求。 (2)严格按规定对焊接材料进行焙烘及进行焊前清理工作 1)酸性焊条视受潮情况在75150烘干12h；碱性低氢型焊条应在300400烘干12h。 2)低氢型焊条若在常温下放置超过4h应
14、重新烘干，重复烘干次数不应超过3次。 3)焊剂在使用前应视受潮情况在250300烘干12h。,第三节 焊接冷裂纹,3.提高焊缝金属的塑性和韧性 1)通过焊接材料向焊缝过渡Ti、Nb、Mo、V、B、Te或稀土元素来韧化焊缝，利用焊缝的塑性储备减轻热影响区的负担，从而降低整个接头的冷裂纹敏感性。 2)采用奥氏体焊条焊接某些淬硬倾向较大的中、低合金高强度钢，也可较好地防止冷裂纹。 4.焊前预热,图6-32 钢种强度与预热温度的关系,第三节 焊接冷裂纹,(1) 钢的强度等级 在焊缝与母材等强的情况下，钢材的强度s越高，预热温度t0也应越高，如图6-32所示。 (2) 焊条类型 不同类型焊条的焊缝金属扩
15、散氢含量不同，预热温度亦应不同。 (3)坡口形式 坡口根部所造成的应力集中越严重，要求预热温度越高。,表6-4 图6-33中焊条的熔敷金属化学成分和力学性能,(4)环境温度 环境温度过低会使冷却速度加快，容易产生淬硬组织，预热温度应该相应提高，但一般提高的幅度不超过50，,第三节 焊接冷裂纹,如图6-34所示。,图6-33 焊条类型与扩散氢含量、预热温度的关系 A、B、C、D焊条代号 、不同热处理状态,第三节 焊接冷裂纹,图6-34 气温对最低预热温度的影响,5.控制焊接热输入,第三节 焊接冷裂纹,6.焊后热处理,第四节 其他焊接裂纹,一、再热裂纹,图6-35 气包示意图及再热裂纹产生的部位,
16、第四节 其他焊接裂纹,1.再热裂纹的特征 1)对于再热裂纹敏感性高的钢，都存在一个最易产生再热裂纹的温度区间。,图6-36 再热温度对再热裂纹率的影响 a)再热温度与裂纹率的关系 b)再热温度与断裂时间的关系 122Cr2NiMo 225CrNi3MoV 325Ni3MoV 420CrNi3MoVNbB 525Cr2NiMoMnV,第四节 其他焊接裂纹,2)再热裂纹大都产生在熔合区附近的过热区(有时也可能产生于焊缝中)的粗晶部位，如图6-37所示。,图6-37 15MnMoNb钢再热裂纹的产生部位,第四节 其他焊接裂纹,图6-38 再热裂纹沿晶界开裂情况,3)进行消除应力处理之前，,第四节 其他焊接裂纹,焊接区存在较大的残余应力和不同程度的应力集中。,图6-39 应力集中系数与临界应力的关系,第四节 其他焊接裂纹,4)与母材的化学成分有关。 2.再热裂纹的形成机理 (1)晶内二次强化说 焊接加热时，邻近熔合区的过热区被加热到1300左右，钢材发生晶粒
