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1、4 焊接结构和零件断裂失效分析本章主要讲解焊接构件的缺陷、裂纹及其分类；重点介绍热裂纹和冷裂纹的形貌特征、形成机制、影响因素和预防措施。41 裂纹是对焊接构件安全运行威胁最大的缺陷本节首先介绍，常见焊接缺陷的定义和分类；接着说明裂纹对安全运行威胁最大的缺陷的形态和分类；重点指出热裂纹和冷裂纹我们学习的重点。一、基本概念1、 焊接缺陷在焊接过程中或焊后，在接头中产生的不符合标准要求的缺欠。当缺欠不影响设备的运行，即是可以容许的时，称为缺欠。当缺欠直接影响安全使用时，称为缺陷。有缺陷的接头必须进行翻修或判废。2、 分类 按其性质和特征，将其分为两类：（1） 不连续缺欠裂纹、夹渣、气孔和未熔合；（2
2、） 几何偏差按照所在焊缝中的位置，将其分为外部和内部两类。外部缺欠，亦称宏观缺欠位于焊缝金属表面。用肉眼或低倍放大镜（检测尺可测量）可见的缺欠。它包括焊缝余高过高或过低、焊缝宽度差过大、接头过高或脱节、外部气孔、裂纹、未熔合、咬边、未焊透、烧穿、焊瘤、电弧擦伤或成形不良（见图1）。图1 常见几种焊接缺陷内部缺欠，亦称微观缺欠。位于焊缝金属内部。它包括裂纹、气孔、夹渣、未熔合等。其中裂纹危险性最大，是失效分析研究的重点。它包括热裂纹、冷裂纹、再热裂纹和层状撕裂等。内部缺欠要用探伤或破坏试验来检验。二、裂纹是最危险的焊接缺陷，是失效分析研究的重点裂纹会降低结构的承载面积，产生应力集中，诱发三向应力
3、状态，导致裂纹失稳扩展。当裂纹位于结构的拉应力高值区时，易引发低应力脆断；因此，裂纹是焊接结构失效分析研究的重点。三、裂纹的分类按照不同的分类方法，焊接裂纹可分为许多种类（见图2）。1、按照裂纹的所在区域分为三类焊缝裂纹；热影响区裂纹和母材裂纹。2、按照裂纹在焊缝中的部位分为两类表面裂纹和内部裂纹。再细分可分为：焊趾裂纹、焊道下裂纹、终端裂纹等。3、按照裂纹形态分为五类纵向、横向、星形、八字和网状。4、按照裂纹尺寸大小分为两类宏观和微观裂纹。工程上通常以0.5mm为界。5、裂纹的形成机制和性质分为六类热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂、应力腐蚀裂纹和疲劳裂纹。前四种为结构的焊接裂纹，其中以热、
4、冷裂纹最为常见，危害最大使我们学习的重点；后两种为结构的运行裂纹。图2裂纹分类示意图1弧形裂纹；2纵向裂纹；3横向裂纹；4焊道下裂纹；5焊趾裂纹；6根部裂纹；7踵部裂纹；8显微裂纹；9层状撕裂；10热裂纹；11再热裂纹；12内部裂纹。42 焊接热裂纹失效分析本节首先介绍热裂纹的定义和分类，接着说明热裂纹的形成机制和影响因素，重点说明热裂纹的分析方法和预防措施，最后通过典型案例说明热裂纹的失效分析过程。一、热裂纹的定义和分类热裂纹是在焊接时高温下产生的，其特征是沿奥氏体晶界开裂。下表是热裂纹的分类和特征。表1 热裂纹的分类和特征分类位置走向敏感温度区母材备注热裂纹结晶裂纹焊缝上多，少量在热影响区
5、沿奥氏体晶界开裂固相线以上稍高的温度（固液状态）碳钢、低中合金钢、奥氏体钢、镍基合金多边化裂纹焊缝、热影响区同上固相线以下再结晶温度纯金属及单相奥氏体合金液化裂纹热影响区及多层焊的层间沿晶开裂固相线以下稍低温度含S、P、C较多的镍铬高强度钢、奥氏体钢和镍基合金再热裂纹热影响区粗晶区同上600700含沉淀强化元素的高强钢、珠光体钢、奥氏体钢、镍基合金二、裂纹的形成机制热裂纹的断口上有氧化色；有的焊缝热裂纹中充满熔渣，表明裂纹形成时熔渣和具有流动性（熔渣的凝固温度比金属低200）。近缝区产生的热裂纹，其微观特征都是沿晶界开裂。热裂纹又可细分为两类、4种结晶裂纹、多边化裂纹、液化裂纹（第一类）和再热
6、裂纹（第二类）。1、结晶裂纹结晶裂纹是在焊缝结晶过程的后期形成的。它只在焊缝中出现，多呈纵向分布在焊缝中。也有呈弧形分布在焊缝中心线两侧，并且与焊缝表面波纹垂直；通常这种裂纹较长、较深，而弧形裂纹较短、较浅。弧形裂纹也属于结晶裂纹，它产生于焊缝收尾处。结晶裂纹都沿着一次结晶的晶界分布，特别是沿着柱状晶的晶界分布；焊缝中心线两侧的弧形裂纹，是在平行生长的柱状晶界上形成的。而焊缝中心线上的纵向裂纹恰好处在从焊缝两侧生成的柱状晶的汇合面上。多数结晶裂纹的断面上有氧化色，这是高温形成的特点。在扫描电子显微镜下，结晶裂纹的断口是典型沿晶开裂，晶粒表面光滑。结晶裂纹的断口上，杂质元素S、P、Si比较多，并
7、多见沿着先共析铁素体扩展；裂纹边界弯曲，端部圆钝，这是高温形成裂纹的特点。2、液化裂纹在母材近缝区，或多层焊的前一焊道处，因受热而液化的晶界上形成的裂纹。其位置见图近缝区的液化裂纹多发生在母材，向焊缝凸进去的部位。那里因为熔合区向焊缝侧凹进去而过热严重。这种裂纹多为微裂纹，尺寸较小，一般在0.5mm以下，个别可达到1mm；主要出现在含合金元素较多的合金钢、不锈钢和耐热合金的焊件中。3、多边化裂纹亦称高温低塑性裂纹。它多发生在纯金属和单相奥氏体焊缝中；个别出现在热影响区。其特点是：裂纹方向任意贯穿于树枝晶体；位置多在热影响区和多层焊的层间；裂纹附近多伴随再结晶晶粒；断口无明显塑性变形特征。3、
8、再结晶裂纹厚板结构件，在焊后消除退火时，或在一定温度下服役过程中，在热影响区的粗晶处的裂纹。称为再热裂纹。亦称消除应力处理裂纹。它多发生在低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢和某些镍基合金的焊接热影响区粗晶处。这种裂纹具有沿晶特征，在本质上与再结晶裂纹不同。三、 焊接热裂纹的分析方法常用的方法有裂纹宏观分析、微观分析。1、 宏观分析常用放大镜、低倍金相显微镜进行。这是工程上常用的方法。（1）肉眼观察 在焊道上，可见纵向或横向开裂。对于靠近熔合区的开裂，或焊趾、焊根、焊接接头等部位，要仔细观察。并详细记录裂纹的数量、位置和长度。当肉眼观察有困难时，可用放大镜。接着要确定裂纹的取样位置，并切去
9、焊接裂纹金相试样。要求试样必须保留裂纹的源区、扩展区。即保留裂纹的完整性。（2）在焊接接头的某个断面上，用抛光法，检查裂纹的走向。将焊接接头的某个断面抛光，可见裂纹的本身形态、是否分支、是否断续、裂纹是弯曲还是平直、裂纹扩展方向与应力的关系、裂纹源的位置等。这种观察可以避免因为腐蚀形成的纹线而影响观察的准确性。2、微观分析 当宏观分析不能得出肯定结论时，需要进行微观分析。微观分析通常采用关学显微镜、扫描电子显微镜、电子探针。目的在于研究例文的起源、扩展及其特征；有时配合硬度、夹杂分布检测，就能判断出裂纹的性质。常见的微观分析方法有：低倍金相分析、裂纹特征分析。（1） 裂纹的低倍分析在金相显微镜
10、下，进行几十倍观察即可。它能清楚观察到裂纹的源区、扩展区及于金相组织的关系。（2） 裂纹形貌特征分析在焊缝区、近缝区，裂纹沿晶扩展，断面有氧化色，一般就可判为热裂纹。结晶裂纹常与先共析铁素体、低熔点杂质等有关系；它们会诱发结晶裂纹的产生。再热裂纹一般产生于热影响区的过热区。这在金相组织和裂纹的走向上，有明显特征。即主要沿着过热粗晶的晶界扩展。3、焊接材料成分分析热裂纹和母材的化学成分有很大关系。当熔池中有S、P有害元素，并形成低熔点共晶体时，加之受到较大热应力作用，就会形成热裂纹。工程上常用焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力来衡量金属的焊接性。即通过金属材料热裂纹敏感指数和热裂纹试验来评定焊缝的热裂
11、纹敏感性。（1）热裂纹敏感指数法。通过计算热裂纹敏感系数（HCS）和临界应变增长率来判定热裂纹倾向。HCSC（SPSi/25Ni/100）103（3MnCrMoV）当HCS4，一般不会产生热裂纹；HCS愈大，产生热裂纹的倾向愈大；该式适合低合金高强钢、包括低温钢和珠光体耐热钢。（3） 临界应变增长率（CST）计算法CST（19.2C97.2S0.8Cu1.0Ni3.9Mn65.7Nb618.5B7.0）10-4当CST6.510-4时，可以防止产生热裂纹。（3）再热裂纹敏感指数法此处仅介绍一种方法G法。此法适合预测低合金结构钢的焊接性，即对产生再热裂纹的敏感性。 GCr3.3Mo8.1V2(%
12、)当G0时，不产生再热裂纹；当G0时，对产生再热裂纹敏感。此外，焊接工艺和结构的运行条件也会对热裂纹、再热裂纹有很大影响，此处从略。四、热裂纹和再热裂纹的预防措施1、冶金方面（1）控制焊缝中，S、P、C等有害杂质的含量。为此，要尽量限制母材和焊接材料中S、P、C的含量。同时可以通过焊接材料中过度Mn、Ti、Zr等元素，克服S的不良作用；提高焊缝的抗热裂纹能力。重要的焊接结构要采用碱性焊条或焊剂。（2）改善焊缝结晶状态 在焊缝金属中，或母材中，加入一些细化晶粒的元素，以提高抗裂性能。如对188不锈钢，调整焊缝或母材的成分，使得焊缝中能得到双相组织，通常若使铁素体达到5。即能提高抗裂性，又能提高耐
13、腐蚀性。2、工艺方面控制焊缝形状、预热、降低接头的刚度和约束度、采用碱性焊条或焊剂都能预防热裂纹和再热裂纹。五、热裂纹分析举例此处仅以GH600波纹管(600、1.0)与0Cr18Ni9Ti(1.0)接管，氩弧焊的热裂纹分析为例，介绍热裂纹分析的方法和过程。1、两种材料的化学成分表2 两种材料的化学成分（）合金CMnSiFeCrNiS其它GH60010051050357981529余量0001Cu0.20.032005060034788154730，06806003583815500Cr18Ni9Ti00802010余量17.019.98.011.00030P0.032、焊接工艺自动TIG焊对
14、接。填充材料高温合金N62焊丝等见表3。表3 焊丝的化学成分（）牌号CMnSiFeCrNiSP其它N620.020.720.47.0515.5余量0.005H00Cr19Ni2Mo20.031.02.50.618.020.011.014.00.03H 0Cr21Ni100.062.00.419.522.09.011.0H 1Cr21Ni130.121.02.50.30.722.025.012.014.03、焊接结果用4种焊丝，相同的规范，分别进行4快试件，对焊。搭接接头，横焊。在50mm的焊缝上，检测热裂纹的数量。结果见下表。表4 几种焊丝的施焊结果焊丝H 0Cr21Ni10H 1Cr21Ni13H00Cr19Ni2Mo2N62肉眼检查非常密集较多较少无渗透探伤6834120射线探伤不合格不合格不合格合格从表中可见，选用N62焊丝，焊前用丙酮仔细清洗母材和焊丝表面，采用较小的焊接热输入，电弧偏向GH600一侧，可以得到满意的接头。
