第二节第二节 焊接热裂纹焊接热裂纹 热裂纹是焊接生产中比较常见的一种缺陷，从一般常用的低碳钢、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 热裂纹主要是结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹三种 宏观上热裂纹表面都有氧化色彩 一、结晶裂纹的形成机理一、结晶裂纹的形成机理n先结晶的金属较纯，后结晶的金属含杂质较多，并富集在晶界一般来讲，这些杂质所形成的共晶都有较低的熔点 n n在焊缝金属凝固结晶的后期，低熔点共晶被排挤在柱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交遇的中心部位，形成一种所谓状晶体交遇的中心部位，形成一种所谓“ “液态薄膜液态薄膜” ”，此时由于收缩而受到了拉伸应力，这时焊缝中的液，此时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态薄膜就成了薄弱地带在拉伸应力的作用下就有可能在这个薄弱地带开裂而形成结晶裂纹能在这个薄弱地带开裂而形成结晶裂纹n n总括以上，产生结晶裂纹的原因，就在于焊缝中存在总括以上，产生结晶裂纹的原因，就在于焊缝中存在液态薄膜和在焊缝凝固过程中受到拉伸应力共同作用液态薄膜和在焊缝凝固过程中受到拉伸应力共同作用的结果。
因此，液态薄膜是产生结晶裂纹的内因，而的结果因此，液态薄膜是产生结晶裂纹的内因，而拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条件拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条件 n n产生结晶裂纹的条件是：焊缝在脆性温度区内所承受产生结晶裂纹的条件是：焊缝在脆性温度区内所承受的拉伸应变大于焊缝金属所具有塑性的拉伸应变大于焊缝金属所具有塑性n n可把熔池的结晶分为以下三个阶段：可把熔池的结晶分为以下三个阶段： （一）液固阶段（一）液固阶段 熔池开始结晶时，仅有少量的晶核，以后逐渐晶核长熔池开始结晶时，仅有少量的晶核，以后逐渐晶核长大和出现新的晶核，但始终保持有较多的液相，相邻大和出现新的晶核，但始终保持有较多的液相，相邻晶粒之间不发生接触，液态金属可在晶粒之间自由流晶粒之间不发生接触，液态金属可在晶粒之间自由流动此时虽有拉伸应力存在，但被拉开的缝隙能及时动此时虽有拉伸应力存在，但被拉开的缝隙能及时地被流动着的液态金属所填满，因此在液固阶段不会地被流动着的液态金属所填满，因此在液固阶段不会产生裂纹产生裂纹 （二）固液阶段（二）固液阶段 当结晶继续进行时，固相不断增多，且不断长大，冷当结晶继续进行时，固相不断增多，且不断长大，冷却到某一阶段时，已凝固的相彼此发生接触，并不断却到某一阶段时，已凝固的相彼此发生接触，并不断倾轧到一起，这时液态金属的流动就发生了困难，即倾轧到一起，这时液态金属的流动就发生了困难，即熔池结晶进入了固液阶段。
在这种情况下，由于液态熔池结晶进入了固液阶段在这种情况下，由于液态金属少（主要是那些低熔点共晶），在拉伸应力作用金属少（主要是那些低熔点共晶），在拉伸应力作用下所产生的微小缝隙都无法填充，只要稍有拉伸应力下所产生的微小缝隙都无法填充，只要稍有拉伸应力存在就有产生裂纹的可能存在就有产生裂纹的可能 （三）完全凝固阶段（三）完全凝固阶段（三）完全凝固阶段（三）完全凝固阶段 熔池金属完全凝固之后所形成的焊缝，受到拉伸应力熔池金属完全凝固之后所形成的焊缝，受到拉伸应力时，就会表现出较好的强度和塑性，很难发生裂纹时，就会表现出较好的强度和塑性，很难发生裂纹但应指出，对于某些金属在焊缝完全凝固以后，仍有但应指出，对于某些金属在焊缝完全凝固以后，仍有一段温度内塑性很低，也会产生裂纹，即所谓高温低一段温度内塑性很低，也会产生裂纹，即所谓高温低塑性裂纹（多边化裂纹）塑性裂纹（多边化裂纹） 由低熔点共晶所形成的液态薄膜是产生结晶裂纹的主由低熔点共晶所形成的液态薄膜是产生结晶裂纹的主要根源但在大量实验的基础上，发现焊缝中低熔点要根源但在大量实验的基础上，发现焊缝中低熔点共晶的数量超过一定限界之后，反而具有共晶的数量超过一定限界之后，反而具有““愈合愈合””裂裂纹的作用。
也就是说，低熔点共晶较多时，反而不产纹的作用也就是说，低熔点共晶较多时，反而不产生裂纹，它可以自由流动，填充有裂口的部位，这就生裂纹，它可以自由流动，填充有裂口的部位，这就是起了所谓是起了所谓““愈合愈合””作用 二、结晶裂纹的影响因素二、结晶裂纹的影响因素 从现象来看，影响结晶裂纹的因素很多，但从本从现象来看，影响结晶裂纹的因素很多，但从本质来看，主要可归纳为两方面，即冶金因素和力质来看，主要可归纳为两方面，即冶金因素和力的因素 （一）冶金因素对产生结晶裂纹的影响（一）冶金因素对产生结晶裂纹的影响 所谓结晶裂纹的冶金因素主要是合金状态图的类所谓结晶裂纹的冶金因素主要是合金状态图的类型、化学成分和结晶组织形态等型、化学成分和结晶组织形态等 1 1．合金状态图的类型和结晶温度区间．合金状态图的类型和结晶温度区间 结晶裂纹倾向的大小是随合金状态图结晶温度区结晶裂纹倾向的大小是随合金状态图结晶温度区间的增大而增加当合金元素进一步增加时，结间的增大而增加当合金元素进一步增加时，结晶区间和脆性温度区反而减小，所以裂纹的倾向晶区间和脆性温度区反而减小，所以裂纹的倾向也反而降低了。
也反而降低了 2 2．合金元素对产生结晶裂纹的影响．合金元素对产生结晶裂纹的影响 （（1 1）硫和磷）硫和磷 硫和磷在钢中能形成多种低熔共晶，硫和磷在钢中能形成多种低熔共晶，使结晶过程极易形成液态薄膜，因而显著增大裂使结晶过程极易形成液态薄膜，因而显著增大裂纹倾向，即使是微量存在，也会使结晶区间大为纹倾向，即使是微量存在，也会使结晶区间大为增加 （（2 2）碳）碳 碳在钢中是影响结晶裂纹的主要元素，碳在钢中是影响结晶裂纹的主要元素，并能加剧其他元素的有害作用（如硫、磷等）并能加剧其他元素的有害作用（如硫、磷等） （（3 3）锰）锰 锰具有脱硫作用，能置换锰具有脱硫作用，能置换FeSFeS为为MnSMnS，同，同时也能改善硫化物的分布形态，使薄膜状时也能改善硫化物的分布形态，使薄膜状FeSFeS改变改变为球状分布，从而提高了焊缝的抗裂性为了防为球状分布，从而提高了焊缝的抗裂性为了防止硫引起的结晶裂纹，并随含碳量的增加，则止硫引起的结晶裂纹，并随含碳量的增加，则Mn/SMn/S的比值也应随之增加的比值也应随之增加 （（4 4）硅）硅 硅是硅是δδ相形成元素，应利于消除结晶裂相形成元素，应利于消除结晶裂纹，但硅含量超过纹，但硅含量超过0.4%0.4%时，容易形成硅酸盐夹杂，时，容易形成硅酸盐夹杂，从而增加了裂纹倾向。
从而增加了裂纹倾向 (5)(5)钛、锆和稀土钛、锆和稀土 最近发现，钛、锆和镧、铈最近发现，钛、锆和镧、铈等稀土元素能形成高熔点的硫化物，故对消除结等稀土元素能形成高熔点的硫化物，故对消除结晶裂纹有良好作用晶裂纹有良好作用 （（6 6）镍）镍 镍在低合金钢中易于与硫形成低熔共晶镍在低合金钢中易于与硫形成低熔共晶（（NiNi与与Ni3S2Ni3S2熔点仅熔点仅645℃645℃），因此会引起结晶裂），因此会引起结晶裂纹但加入锰、钛等合金元素后，可以抑制硫的纹但加入锰、钛等合金元素后，可以抑制硫的有害作用有害作用 （（7 7）氧）氧 焊缝中有一定的含氧量，能降低硫的有焊缝中有一定的含氧量，能降低硫的有害作用 3 3．凝固结晶组织形态对结晶裂纹的影响．凝固结晶组织形态对结晶裂纹的影响 焊缝在结晶后，晶粒大小、形态和方向，以及析焊缝在结晶后，晶粒大小、形态和方向，以及析出的初生相等对抗裂性都有很大的影响晶粒越出的初生相等对抗裂性都有很大的影响晶粒越粗大，柱状晶的方向越明显，则产生结晶裂纹的粗大，柱状晶的方向越明显，则产生结晶裂纹的倾向就越大对于焊接倾向就越大。
对于焊接18-818-8型不锈钢时，希望得型不锈钢时，希望得到到γ+δγ+δ双相焊缝组织，因焊缝中有少量双相焊缝组织，因焊缝中有少量δδ相可以相可以细化晶粒，打乱奥氏体粗大柱状晶的方向性，同细化晶粒，打乱奥氏体粗大柱状晶的方向性，同时，时，δδ相还具有比相还具有比γγ相溶解更多相溶解更多S S、、P P的不利作用，的不利作用，因此可以提高焊缝的抗裂能力因此可以提高焊缝的抗裂能力 （二）力学因素对产生结晶裂纹的影响（二）力学因素对产生结晶裂纹的影响 焊缝金属在脆性温度区内塑性低和脆性温度区的焊缝金属在脆性温度区内塑性低和脆性温度区的范围宽是产生结晶裂纹的必要原因，而充分条件范围宽是产生结晶裂纹的必要原因，而充分条件是必须要有力的作用是必须要有力的作用 产生结晶裂纹的影响因素概括起来主要是冶金因产生结晶裂纹的影响因素概括起来主要是冶金因素和力学因素，二者之间既有内在的联系，又有素和力学因素，二者之间既有内在的联系，又有各自独立规律各自独立规律 三、防治结晶裂纹的措施三、防治结晶裂纹的措施 （一）冶金因素方面（一）冶金因素方面（一）冶金因素方面（一）冶金因素方面 1 1．控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量．控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量 尽可能的控制母材及焊材中的硫、磷、碳含量，尽可能的控制母材及焊材中的硫、磷、碳含量，一些重要的焊接结构应采用碱性焊条或焊剂。
一些重要的焊接结构应采用碱性焊条或焊剂 2 2．改善焊缝凝固结晶、细化晶粒是提高抗裂性的．改善焊缝凝固结晶、细化晶粒是提高抗裂性的重要途径重要途径 广泛采用的办法是向焊缝中加入细化广泛采用的办法是向焊缝中加入细化晶粒元素（如晶粒元素（如MoMo、、V V、、TiTi、、NbNb、、ZrZr、、AlAl、稀土等）稀土等）对于不锈钢焊接时，为了提高抗裂性、抗腐性，对于不锈钢焊接时，为了提高抗裂性、抗腐性，希望得到希望得到γ+δγ+δ的双相组织焊缝（的双相组织焊缝（δδ相控制在相控制在5%5%左左右），这也是改善凝固结晶的重要方面右），这也是改善凝固结晶的重要方面 （二）工艺因素方面（二）工艺因素方面（二）工艺因素方面（二）工艺因素方面 工艺方面主要是焊接工艺参数、预热、接头型式工艺方面主要是焊接工艺参数、预热、接头型式和焊接顺序等，用工艺方法防止结晶裂纹主要是和焊接顺序等，用工艺方法防止结晶裂纹主要是改善焊接时的应力状态改善焊接时的应力状态 1 1．焊接工艺及工艺参数．焊接工艺及工艺参数 适当增加焊接线能量适当增加焊接线能量E E和提高预热温度和提高预热温度T0T0，即可减，即可减小焊缝金属的应变率，从而降低结晶裂纹的倾向。
小焊缝金属的应变率，从而降低结晶裂纹的倾向 2 2．接头形式．接头形式 表面堆焊和熔深较浅的对接焊缝抗裂性较高熔深较大的表面堆焊和熔深较浅的对接焊缝抗裂性较高熔深较大的对接和各种角接（包括搭接、对接和各种角接（包括搭接、T T形接头和外角接焊缝等）形接头和外角接焊缝等）抗裂性较差，因为这些焊缝所承受的应力正好作用在焊缝抗裂性较差，因为这些焊缝所承受的应力正好作用在焊缝的结晶面上，而这个面是晶粒之间联系较差，杂质聚集的的结晶面上，而这个面是晶粒之间联系较差，杂质聚集的地方，故易于引起裂纹地方，故易于引起裂纹 对于厚板焊接结构，施工时常采用多层焊，裂纹倾向比单对于厚板焊接结构，施工时常采用多层焊，裂纹倾向比单层焊有所缓和，但对各层的熔深应注意控制另外，在接层焊有所缓和，但对各层的熔深应注意控制另外，在接头处应尽量避免应力集中（错边、咬肉、未焊透等），也头处应尽量避免应力集中（错边、咬肉、未焊透等），也是降低裂纹倾向的有效办法是降低裂纹倾向的有效办法 3.3.焊接次序焊接次序 尽量使大多数焊缝能在较小刚度的条件下焊接，使焊缝的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。
受力较小 四、高温液化裂纹四、高温液化裂纹 液化裂纹是一种沿奥氏体晶界开裂的微裂纹，它液化裂纹是一种沿奥氏体晶界开裂的微裂纹，它的尺寸很小，一般在的尺寸很小，一般在0.5mm0.5mm以下，个别的可达以下，个别的可达1mm1mm尽管裂纹的尺寸很小，但常成为冷裂纹、再热裂尽管裂纹的尺寸很小，但常成为冷裂纹、再热裂纹、脆性破坏和疲劳断裂的发源地，所以应当给纹、脆性破坏和疲劳断裂的发源地，所以应当给以足够的重视以足够的重视 （一）液化裂纹的形成机理（一）液化裂纹的形成机理（一）液化裂纹的形成机理（一）液化裂纹的形成机理 焊接时近缝区金属层间或焊缝层间金属，在高温焊接时近缝区金属层间或焊缝层间金属，在高温下使这些区域的奥氏体晶界上的低熔共晶被重新下使这些区域的奥氏体晶界上的低熔共晶被重新熔化，在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶间开裂而熔化，在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶间开裂而形成液化裂纹另外，在不平横的加热和冷却条形成液化裂纹另外，在不平横的加热和冷却条件下，由于金属间化合物分解和元素的扩散，造件下，由于金属间化合物分解和元素的扩散，造成了局部地区共晶成分偏高而发生局部晶间液化，成了局部地区共晶成分偏高而发生局部晶间液化，同样也会产生液化裂纹。
由此可知，液化裂纹也同样也会产生液化裂纹由此可知，液化裂纹也是由冶金因素和力学因素共同作用的结果是由冶金因素和力学因素共同作用的结果 液化裂纹也同样产生于脆性温度区，脆性温度区液化裂纹也同样产生于脆性温度区，脆性温度区的大小是判定液化裂纹倾向的只要指标的大小是判定液化裂纹倾向的只要指标 （二）液化裂纹的影响因素（二）液化裂纹的影响因素（二）液化裂纹的影响因素（二）液化裂纹的影响因素 液化裂纹的形成机理与结晶裂纹基本一致，因此液化裂纹的形成机理与结晶裂纹基本一致，因此影响因素也大致相同，也是冶金因素和力学因素影响因素也大致相同，也是冶金因素和力学因素共同作用的结果共同作用的结果三）液化裂纹的防治（三）液化裂纹的防治（三）液化裂纹的防治（三）液化裂纹的防治 防止液化裂纹的途径与结晶裂纹的防止途径基本防止液化裂纹的途径与结晶裂纹的防止途径基本上是一致的，也是从冶金和工艺两方面入手特上是一致的，也是从冶金和工艺两方面入手特别是对冶金方面，尽可能降低母材金属中硫、磷、别是对冶金方面，尽可能降低母材金属中硫、磷、硅、硼等低熔共晶组成元素的含量是十分有效的硅、硼等低熔共晶组成元素的含量是十分有效的。
五、多过化裂纹五、多过化裂纹 （一）多边化裂纹的形成机理（一）多边化裂纹的形成机理 这种裂纹多数是在焊缝中产生，它是在结晶前沿这种裂纹多数是在焊缝中产生，它是在结晶前沿已凝固相的晶粒中萌生出大量的晶格缺陷（空位已凝固相的晶粒中萌生出大量的晶格缺陷（空位和位错等），并且在快速的冷却条件下，由于不和位错等），并且在快速的冷却条件下，由于不易扩散，它们以边饱和的状态保留于焊缝金属中，易扩散，它们以边饱和的状态保留于焊缝金属中，在一定温度和应力的条件下，晶格缺陷发生移动在一定温度和应力的条件下，晶格缺陷发生移动和聚集，从而形成了二次边界，即所谓和聚集，从而形成了二次边界，即所谓““多边化多边化边界边界”” 另外，母材热影响区在焊接热循环的作用下，由另外，母材热影响区在焊接热循环的作用下，由于热应变，金属中的畸变能增加，同时也会形成于热应变，金属中的畸变能增加，同时也会形成多边化边界这种多边化的边界，一般情况下并多边化边界这种多边化的边界，一般情况下并不与凝固晶界重合，在焊接后的冷却过程中，由不与凝固晶界重合，在焊接后的冷却过程中，由于热塑性降低，导致沿多边化的边界产生裂纹，于热塑性降低，导致沿多边化的边界产生裂纹，故称多边化裂纹。
故称多边化裂纹 （二）多边化裂纹的主要特点（二）多边化裂纹的主要特点n n这种裂纹多发生在纯金属或单相奥氏体焊缝中，这种裂纹多发生在纯金属或单相奥氏体焊缝中，个别情况下也出现在热影响区中个别情况下也出现在热影响区中n n裂纹附近常伴随有再结晶晶粒出现，所以多边化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裂纹总是迟于再结晶n n裂纹多发生在重复受热的多层焊层间金属中及热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，说明这种裂影响区，其部位并不都靠近熔合区，说明这种裂纹与晶界液化无关纹与晶界液化无关n n断口呈现出高温低塑性开裂断口呈现出高温低塑性开裂 （三）多边化裂纹的影响因素（三）多边化裂纹的影响因素（三）多边化裂纹的影响因素（三）多边化裂纹的影响因素1 1．合金成分的影响．合金成分的影响 在在Ni-CrNi-Cr系的单相合金中，向系的单相合金中，向焊缝加入提高多边化激活能的元素（如焊缝加入提高多边化激活能的元素（如MoMo、、W W、、TiTi、、TaTa等），则可有效地阻止多边化过程等），则可有效地阻止多边化过程 高温高温δδ相存在时，也能阻碍位错移动，因而也可相存在时，也能阻碍位错移动，因而也可作为阻止二次边界形成的组织成分。
所以双相金作为阻止二次边界形成的组织成分所以双相金属具有良好的抗多边化裂纹的能力属具有良好的抗多边化裂纹的能力2 2．应力状态的影响．应力状态的影响 有应力存在能增加原子的活动有应力存在能增加原子的活动性，所以能加速多边化的过程性，所以能加速多边化的过程3 3．温度的影响．温度的影响 形成多边化过程温度越高所需的时形成多边化过程温度越高所需的时间就越短，就会增加裂纹倾向这种关系可由式间就越短，就会增加裂纹倾向这种关系可由式（（5-85-8）和图）和图5-385-38看出。