1、1第四章焊接缺陷及其控制2一一 焊缝的偏析和夹杂焊缝的偏析和夹杂化学不均匀性：结晶过程中化学成分的一种偏析现象。偏析是热裂纹的内因。1.偏析的种类及形成原因 显微偏析、 区域偏析和层状偏析（1).显微偏析：指晶粒边界或一个晶粒内部亚晶界或树枝状晶的晶枝之间的偏析。4-1 4-1 焊缝中的偏析和夹杂焊缝中的偏析和夹杂 裂纹、孔穴、固体夹杂、未熔合和未焊透、形状缺陷、其他缺陷3晶轴上含有熔点较高的成分，熔点较低的成分则集中在枝晶枝干与枝干间的孔隙以及柱状枝晶的晶粒边界，称枝晶偏析。4020406080100020406080100距离D(m)浓度C(Wt%) Zn元素元素 Al 元素元素 Cu元素
2、元素 界面复合材料钎焊界面的元素分布Zn富集5（2 2）宏观偏析（区域偏析）宏观偏析（区域偏析） 指焊缝边缘到焊缝中心，宏观上的成分不均匀性，焊缝金属以柱状晶长大，把杂质推向熔池中心，中心杂质浓度逐渐升高，使最后凝固的部位发生较严重的偏析.6（3 3）层状偏析）层状偏析 由于化学成分分布不均匀引起分层现象。焊缝横断面经浸蚀之后，可以看到颜色深浅不同的分层结构形态称为结晶层。7危害：层状偏析不仅造成焊缝力学性能不均匀性，还可沿层状线形成裂纹或气孔。产生原因：由于结晶过程放出结晶潜热和熔滴过渡时热能输入周期性变化，致使凝固界面的液体金属成分也发生周期性的变化。根据采用放射性同位素进行焊缝中元素分布
3、规律的研究证明，产生层状偏析的原因是由于热的周期性作用而引起的。82. 偏析的控制措施(1)细化焊缝晶粒晶界多，偏析分散(2)适当降低焊接速度椭圆熔池、人字形状柱状晶9二、夹杂的形成及控制二、夹杂的形成及控制 1. 1. 夹杂的形成夹杂的形成 及危害及危害 金属夹杂金属夹杂、非金属夹杂非金属夹杂(1)(1)非金属夹杂非金属夹杂 1）氧化物 SiO2、MnO、TiO2、Al2O3 热裂，硬度韧性层状撕裂 2）氮化物Fe4N 脆硬相，硬度韧性 3）硫化物 FeS MnS 热裂，层状撕裂102.2.夹杂的防止措施夹杂的防止措施1）合理选用焊接材料，充分脱氧脱硫；2）选用合理规范，以利于熔渣的浮出；3
4、）多层焊时，清渣；4）焊条摆动；5）保护溶池，防止空气侵入。(2) 金属夹杂金属夹杂 1）熔渣 2）钨 、 铜大尺寸的金属夹渣是有害的114-2 4-2 焊缝中的气孔焊缝中的气孔一、一、气孔的类型及分布特征气孔有的产生在焊缝表面，也有的产生在内部，有的以单个存在，有的成堆出现。一类：高温时溶解的气体H2和N2二类：冶金反应产生的气体CO和 H2O 在结晶过程中气孔来不及逸出是气孔形成的根本原因。12131 1、析出型气孔、析出型气孔 H H2 2 、NN2 2 H H2 2气孔特征：气孔特征：多出现在焊缝表面，断面形状多为螺钉状，从焊缝表面看呈园喇叭口形，气孔的四周有光滑内壁。有个别残存在内部
5、，以小圆球状存在。产生原因产生原因：焊接过程中，熔池金属吸收大量的氢气，在冷却和结晶过程中，氢的溶解度发生了急剧下降，熔池冷却速度快，来不及逸出，残存在内部，发生了氢的过饱和，使焊缝中形成具有喇叭口形的表面气孔。 14氮气保护TIG紫铜焊缝外观形貌 N2气孔氮气孔也多在焊缝表面，但多数情况下是成堆出现，与蜂窝相似。氮的来源，主要是由于保护不好，有较多的空气侵入熔池所致。152 2、COCO气孔气孔特征：特征：焊缝内部，条虫状，表面光滑。产生原因：产生原因：高温冶金反应。CO不溶于液态金属，在高温时，CO以气泡的形式猛烈地逸出，但熔池结晶时，CO不易逸出，此反应为吸热反应，促使结晶速度加快，CO
6、形成气泡不能逸出，沿结晶方向形成条虫形内气孔。 FeOCCOFe 1617二、气孔形成机理及影响因素二、气孔形成机理及影响因素1.气体的来源（1）空气侵入熔池 N2（2）焊材吸潮 H2（3）工件及焊丝表面的氧化膜、铁锈和油污 氧化膜H ； 铁锈H +O； 油污H 182 2、气孔形成机理、气孔形成机理 气孔的形成：生核-长大-逸出： 1）浮出：无气孔 2）浮不出：气孔（1 1） 气泡的生核气泡的生核具备条件：液态金属中有过饱和的气体 要满足气泡生核的能量提条件11 cosaphlAEPP VAA现成表面形核能量:Aa/A ,越易形核 相邻枝晶的凹陷处易产生气孔19(2)(2)气泡的长大气泡的长
7、大PhP0Ph=PH2+PN2+PCO+.P0=Pa+Pm+Ps+Pc21hacpppr Pa-大气压 Pc-界面张力构成的附加压力-金属与气体的表面张力 r-气泡半径长大条件：20气泡形成初期，r很小，附加压Pc则很大，气泡很难形成。焊接时，由于熔池内存在着很多现成表面，如柱状晶粒和液态金属相接触的地方形成，这些地方由于界面张力的作用，气泡不成园形，可以得到较大的曲率半径r使Pc减小。21(3)(3)气泡上浮气泡上浮 1）产生气孔的条件evR2）结晶速度 ： R较小时，气泡有充分时间逸出，无气孔，气泡易上浮；R大时，气泡上浮时间短，可能残余在焊缝内部22 3）气泡上浮速度 ：229LGegr
8、v当r,Ve易浮出液体金属密度越大，Ve不易形成气孔影响最大，T,易上浮Ve。T,Ve易形成气孔 233 3 影响生成气孔的因素及防止措施影响生成气孔的因素及防止措施 焊接材料、工艺因素二个方面讨论。(1) 焊接材料的影响 1) 熔渣的氧化性 COH2 2)焊条药皮和焊剂的影响 CaF SiO2 H2 3)保护气的影响 活性好于惰性4)焊丝成分的影响 充分脱氧24(2)焊接工艺对气孔的影响 1）焊接规范的影响 电流, 熔池存在时间,气体外逸;电压,N气孔；焊速,气孔增加.2）电流种类及极性 直流反接，气孔小（溶滴为正）直流正接，气孔多（溶滴为阴极收）交流焊接，气孔更多25三、气孔的防止措施三、
9、气孔的防止措施1.消除气体来源1）加强保护 2)烘干焊条 3)焊件去油、锈2.正确选用焊接材料1）调整氧化性 2)加CO2或O2 3)CO2焊时应脱氧3.控制焊接工艺条件1）电弧稳定 2)短弧，直流反接 3)铝合金TIG，小的热输入4)铝合金MIG，大的热输入26第一节概述第二节焊接热裂纹第三节焊接冷裂纹第四节再热裂纹第五节层状撕裂第六节应力腐蚀裂纹第七节焊接裂纹综合分析和判断第五章第五章 焊接裂纹焊接裂纹27重点内容1、裂纹的分类用一般特征2 2、结晶裂纹的形成机理、影响因素，及其防、结晶裂纹的形成机理、影响因素，及其防冶措施冶措施3 3、焊接冷裂纹的形成机理，、焊接冷裂纹的形成机理，4、应
10、力腐蚀裂纹形成机理、层状撕裂产生原因及防止、焊接裂纹综合分析及判断，各种裂纹断口形貌特征。285-15-1概述概述 一、危害性一、危害性 焊接结构产生裂纹轻者需要返修，浪费人力、物力、时间，重者造成焊接结构报废，无法修补。更严重者造成事故、人身伤亡。如1969年有一艘5万吨的矿石运输船在太平洋上航行时，断裂成两段而沉没，在压力容器破坏事故中，有很多都是由于焊接裂纹造成。因此，解决研究焊接裂纹已成为当前主要课题。29二、种类二、种类各种不同类型的裂纹各种不同类型的裂纹焊缝中纵向裂纹焊缝上横向裂纹焊缝中纵向裂纹焊缝上横向裂纹热影响区纵向裂纹热影响区横向裂纹热影响区纵向裂纹热影响区横向裂纹火口（弧坑
11、）裂纹焊道下裂纹火口（弧坑）裂纹焊道下裂纹焊缝内部晶间裂纹焊趾裂纹焊缝内部晶间裂纹焊趾裂纹热影响区焊缝贯穿裂纹焊缝根部裂纹热影响区焊缝贯穿裂纹焊缝根部裂纹3031 分类分类: : 1 1、 按裂纹分布的走向分按裂纹分布的走向分 纵向裂纹2 2、 按裂纹发生部位分按裂纹发生部位分 横向裂纹 纵向裂纹 星形（弧形裂纹）焊缝金属中裂纹 热影响区中裂纹焊缝热影响区贯穿裂纹323 3 、按产生本质分类、按产生本质分类1 1）、）、热裂纹热裂纹 （高温裂纹）（高温裂纹）产生：产生：热裂纹(高温裂纹)高温下产生存在部位存在部位：焊缝为主,热影响区特征：特征：宏观看, 沿焊缝的轴向成纵向分布（连续或继续）也可
12、看到缝横向裂纹，裂口均有较明显的氧化色彩，表面无光泽，微观看，沿晶粒边界（包括亚晶界）分布，属于沿晶断裂性质331) 1)、热裂纹分类、热裂纹分类a. a. 结晶裂纹结晶裂纹：在凝固的过程-结晶过程中产生b. b. 高温液化裂纹高温液化裂纹：在高温下产生,钢材或多层焊的层间金属含有低熔点化合物经重新溶化，在收缩应力作用下,沿奥氏体晶间发生开裂c. c. 多边化裂纹多边化裂纹：产生温度低于固相线温度,存在晶格缺陷(位错和空位),物理化学的不均匀性,在应力作用下,缺陷聚集形成多边化边界,使强度塑性下降,沿多边化边界开裂,多发生纯金属或单相奥氏体合金焊缝。34HAZ液化裂纹晶间裂纹多边化裂纹3536
13、2 2）、再热裂纹）、再热裂纹（消除应力处理裂纹）（消除应力处理裂纹） 由于重新加热（热处理）过程中产生称再热裂纹消除应力处理裂纹。37383 3）、冷裂纹）、冷裂纹产生产生温度温度：温度区间在+100-75之间 存在存在部位部位: :多在热影响区,但也有发生在焊缝。特征（断口）：特征（断口）：宏观断口具有发亮的金属光泽的脆性断裂特征。微观看：微观看：晶间断裂，但也可穿晶（晶内）断裂，也可晶间和穿晶混合断裂。39冷裂纹分类：冷裂纹分类：a. a. 延迟裂纹延迟裂纹：特点不在焊后立即出现，有一段孕育期产生迟滞现象称延迟裂纹。b. b.淬硬脆化裂纹淬硬脆化裂纹（淬火裂纹）（淬火裂纹）：淬硬倾向大的
14、组织易产生这种裂纹（与氢含量关系不大）。 c. c.低塑性脆化裂纹低塑性脆化裂纹：在比较低的温度下，由于收缩应变超过了材料本身的塑性储备产生的裂纹称低塑性脆化裂纹。40延迟裂纹41 4 4）、层状撕裂）、层状撕裂： 由于轧制母材内部存在有分层的夹杂物(特别是硫化物夹杂物）和焊接时产生的垂直轧制方向的应力，使热影响区附近地方产生呈“台阶”状的层状断裂并有穿晶发展。 42 5 5）、应力腐蚀裂纹：）、应力腐蚀裂纹： 金属材料在某些特定介质和拉应力共同作用下所产生的延迟破裂现象，称应力腐蚀裂纹。 43三三、热裂纹与冷裂纹的基本特点、热裂纹与冷裂纹的基本特点 裂纹裂纹 热裂纹热裂纹 冷裂纹冷裂纹 产生
15、温度 高温下产生 低温下产生 宏观特征沿焊缝的轴向成纵向分布,也有横向分布，裂口均有氧化色彩表面无光泽 断口具有发亮的金属光泽微观特征沿晶粒边界分布，属于沿晶断裂性质 晶间断裂，也有穿晶内断裂，也有晶间和穿晶混合断裂 产生部位 焊缝、热影响区 热影响区、焊缝本节结束445-2 5-2 焊接热裂纹焊接热裂纹 一、结晶裂纹一、结晶裂纹 1 1、 产生机理产生机理 1 1）产生部位）产生部位：结晶裂纹大部分都沿焊缝树枝状结晶的交界处发生和发展的，常见沿焊缝中心长度方向开裂即纵向裂纹，有时焊缝内部两个树枝状晶体之间。对于低碳钢、奥氏体不锈钢、铝合金、结晶裂纹主要发生在焊缝上某些高强钢，含杂质较多的钢种
16、，除发生在焊缝之处，还出现在近缝区上。45结结晶晶裂裂纹纹4647484950512 2）、熔池各阶段产生结晶裂纹的倾向）、熔池各阶段产生结晶裂纹的倾向 在焊缝金属凝固结晶的后期，低熔点共晶物被排挤在晶界，形成一种所谓的“液态薄膜”，在焊接拉应力作用下，就可能在这薄弱地带开裂，产生结晶裂纹。 产生结晶裂纹原因：液态薄膜 拉伸应力 液态薄膜根本原因 拉伸应力必要条件52固液阶段：固液阶段：这一区也称为“脆性温度区”即图上a、b之间的温度范围固相阶段：固相阶段：也叫完全凝固阶段以低碳钢焊接为例可把熔池的结晶分为以下三个阶段液固阶段：（液固阶段：（1 1区）区） Tb称为脆性温度区，在比区间易产生结
17、晶裂纹，杂质较少的金属, Tb小产生裂纹的可能性也小，杂质多的金属Tb大，产生裂纹的倾向也大 53543 3）产生结晶裂纹的条件）产生结晶裂纹的条件 在在焊缝的塑性用焊缝的塑性用P表示表示, 当在某一瞬时温度时有一当在某一瞬时温度时有一个最小的塑性值（个最小的塑性值（Pmin)（出现液态薄膜时）（出现液态薄膜时）受拉伸应力所产生的变形受拉伸应力所产生的变形用用e表示，也是温度的函表示，也是温度的函数数 .)(TP55 在脆性温度区焊缝所承受的拉伸应力所产生的变形大于焊缝金属所具有的塑性时产生裂纹即 高温阶段晶间塑性变形能力不足以承受当时所发生塑性应变量。产生裂纹的条件产生裂纹的条件0se56脆
18、性温度区（TB）内金属的塑性，TB内金属的塑性越小，越易产生结晶裂纹。结论： 脆性温度区间大小, TB大，拉应力作用时间长，产生裂纹可能性大，决定于焊缝化学成分，杂质性质与分布，晶粒大小。TB内随温度降低变形的增长率（拉伸应力的增长率）,临应变率CST越大,则表示材料的热裂纹敏感性越小,越不易产生裂纹。572 2、焊接结晶裂纹的影响因素、焊接结晶裂纹的影响因素1 1）、冶金因素）、冶金因素结晶温度区间：结晶温度区间：合金状态图脆性温度合金状态图脆性温度区的大小随着该合金区的大小随着该合金的整个结晶温度区间的整个结晶温度区间的增加而增加的增加而增加 58合金元素合金元素 a)、S、Pi)S、P增
19、加结晶温度区间,脆性温度区间TB裂纹 ii)S、P产生低温共晶,使结晶过程中极易形成 液态薄膜,因而显著增大裂纹倾向iii)P、S引起成分偏析.P、S偏析系数K越大,偏析的程度越严重.偏析可能在钢的局部地方形成低熔点共晶产生裂纹。 59b)、C i)、C0.16% Mn/S无效,加剧P有害作用 裂 iii)、C0.51% 初生相初生相 S、P在小相中溶解度低，析出S、P集富在晶界上，裂纹 Mn具有脱S作用 其中Mn熔点高，早期结晶星球状分布，抗裂 MnSFeSMn 含碳量C0.016% P对形成结晶裂纹的作用超 过了S，Mn无意义 c)、Mn注意：60d) d)、SiSi 硅是 相形成元素，利
20、于消除结晶裂纹 ,相中S、P溶解度大缘故，Si0.4% 易形成低熔点的硅酸盐夹杂使裂对硫的亲合力大，形成高熔点的硫化物，消除结晶裂纹有良好的作用。e)、Ti 、锆（Z）和稀土元素61焊缝成分CSnSiCrNiAo0.100.0370.017 0.940.540.200.87A0.090.0150.014 1.250.440.190.83注：A 焊缝中加入轻稀土焊缝成分分析例如：强度为600MPa焊条研究62图2 焊缝冲击断口扫描形貌焊缝冲击断口SEM形貌(a)、(b)、(c) 未加入稀土 (d)、(e)、(f) 加入2%稀土63 焊缝金属金相组织a、未加入稀土 b、加入2%稀土64f)、O O
21、降低S的有害作用，氧、硫、铁能形成Fe-FeS-FeO三元共晶，使FeS由薄膜变成球状，裂日本JWS临界应变增长率CSTCST=(-19.2C-97.2S-0.8Cu-1.0Ni+ 3.9Mn+65.7Nb-618.5B+7.0)*10-4当时，可以防止裂纹4105 . 6CST热裂敏感系数HCS公式3103)100/25/(VMoCrMnNiSiPSCHCS当HCS 时， 发生断裂晶间断裂100T01T =称金属的等强温度0T0T10 若焊缝所受拉伸应力为 随温度变化始终不超过 ，则不会产生结晶裂纹 产生结晶裂纹2001120产生结晶裂纹的条件是冶金因素和力共同作 用，二者缺一不可703 3
22、、防止结晶裂纹的措施、防止结晶裂纹的措施 1 1）、冶金方面）、冶金方面 控制焊缝中有害杂质的含量，限制S、P、C含量S、P0.03-0.04焊丝C0.12% (低碳钢)焊接高合金钢，焊丝超低碳焊丝改善焊缝的一次结晶细化晶粒，加入Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al712)、工艺方面（减少拉应力）、工艺方面（减少拉应力）应变率 , E 、 应变率 接头预热型式 适当增加线能量（q/v）接头型式合理妥善安排焊接次序焊次序 te0Tte72四、近缝区液化裂纹四、近缝区液化裂纹 1 1、 产生部位及材料产生部位及材料 通常产生在母材的热影响区的粗晶区，也可产生在多层焊缝的焊层之间液化裂纹属于晶间开裂性质
23、，裂纹断口呈典型的晶间开裂特征。 2 2、 产生原因产生原因 1）、近缝区晶界处存在低熔点杂质 2）、近缝区存在晶间液膜(低熔点共晶体) 73液化裂纹液化裂纹743 3、影响因素、影响因素 1）、化学成分2）、工艺因素 4 4、防止措施、防止措施 1）、控制S、P等杂质含量如采用电渣精炼的方法，去除合金中的杂质。2）、焊接工艺上，采用小线能量，避免近缝区晶粒粗化75五、多边化裂纹五、多边化裂纹 1 1、形成条件（形成机理）、形成条件（形成机理） 多边化现象，焊缝金属中存在很多高密度的位错在高温和应力的共同作用下，位错极易运动，在不同平面上运动的刃型位错遇到障碍时可能发生攀移，由原来的水平组合变
24、成后来的垂直组合，即形成“位错壁”就是多边化现象。 762 2、特点、特点 1）、发生部位与材料 发生在焊缝中，常见于单相奥氏钢或纯金属的焊缝金属 裂纹走向：以任意方向贯穿树枝状结晶2）、常常伴随有再结晶晶粒出现在裂纹附近，多边化裂纹总是迟于再结晶3）、裂纹多发生在重复受热金属中（多层焊）4）、断口呈现出高温低塑性断裂773、影响因素、影响因素 形成多边化过程所需时间： t完成多边化过程所需时间常数u多边化过程的激活能，决定于合金成分和应力状态R气体常数（8.4J/molk）T温度（K）从公式中可以看出，完成多边化过程所需时间与H、T有关 kTvett00t781 1）合金成分的影响）合金成分
25、的影响 在焊缝中加入一些提高多边化过程激活能的元素，可有效阻止多边化过程2 2）应力状态的影响）应力状态的影响 有应力存在，使多边化过程加速 3 3）温度的影响）温度的影响 在形成多边化过程的温度越高时间越短本节结束795-3 5-3 焊接冷裂纹焊接冷裂纹 1. 1.产生温度产生温度: :Ms点附近或200300以下温度区间 2. 2.产生的钢种和部位产生的钢种和部位: :发生在高碳钢、中碳钢、低合金、中合金高强钢，热影响区合金元素多的超高强钢、Ti合金发生在焊缝 3.3.裂纹的走向：裂纹的走向：沿晶、穿晶 4.4.产生时间产生时间: :可焊后立即出现，也有的几小时，几天或更长时间一、冷裂纹的
26、一般特征一、冷裂纹的一般特征 80二、冷裂纹种类二、冷裂纹种类延迟裂纹是冷裂纹中一种最普遍的形态，它不是焊后出现，因此危害性更大 延迟裂纹三种形态延迟裂纹三种形态 ：1）、焊趾裂纹缝边裂纹 2）、焊道下裂纹 3）、根部裂纹81三、延迟裂纹的机理三、延迟裂纹的机理 高强钢焊接时产生延迟裂纹的原因主要是：钢种的淬硬倾向；焊接接头的含氢量及其分布，焊接接头的拘束应力。延迟裂纹的开裂过程存在这两个不同的过程，即裂纹的起源和裂纹的扩展，扩展到一定情况下，发生断裂，我们只从宏观的角度阐述一下产生延迟裂纹的三要素。82F+PAMA裂83841 1、钢种的淬硬倾向、钢种的淬硬倾向 焊接接头的淬硬倾向主要决定于
27、钢种的化学成分，其次是焊接工艺，结构板厚及冷却条件。钢种淬硬倾向越大，越容易产生裂纹，其原因为 ：1）、形成脆硬的马氏体 2）、淬硬产生晶格的缺陷 852 2、氢的作用、氢的作用 氢是引起高强钢焊接时产生延迟裂纹的重要因素之一,氢具有延迟作用,由氢引起的延迟裂纹称为氢致裂纹也称氢诱发裂纹.氢致裂纹Hydrogoundacpd Crack1）、氢在焊缝金属中的溶解与扩散 2）、金属组织对氢的扩散影响3）、热影响区氢致裂纹产生 氢在致裂过程中 动态行为4）、氢致裂纹开裂机理 86残余扩散氢HR1004exp8HR10020whMHH0-凝固时焊缝的初始含氢量（ml/100g)hw-焊缝的平均厚度（
28、mm）M-氢的热扩散因子（mm2）)(10)1373. 22 . 4(100)(25150200cmtDMtt日本天津大学)(10)47.14551. 3298. 2543. 27 .183(23300150250200mmMtttt87氢致裂纹目前有几种说法氢的应力扩散理论 空穴氢压脆化说 氢吸附脆化说 88裂缝顶端三向应力区HHHHHHH扩散氢裂纹扩展H2HHHHHHH新的三向应力区氢致裂纹扩展过程89 3 3、焊接接头的拘束应力、焊接接头的拘束应力 1 1）、焊接接头的拘束应力）、焊接接头的拘束应力 a、热应力与母材焊条金属的热物理性质及刚度有关 b、组织应力相变、组织比容不同而产生 c
29、、附加应力结构自身拘束条件所造成的应力包括结构的形式、焊缝位置、施焊的顺序 90定义：相当于为使焊接接头根部间隙弹性位移单位长度时，单位长度焊缝所受的力的大小。即定义为拘束度。符号：R 2）、拘束度：）、拘束度：表示母材对反作用力的刚度91公式： E母材金属的弹性模量 板厚 l焊缝长度 L拘束距离 LELLLlFlFRbb1cHtgToTmmmR m为拘束应力转换系数923）、产生裂纹的临界拘束应力）、产生裂纹的临界拘束应力 临界拘束应力：开始产生裂纹时的拘束应力日本IL委员会插销式裂纹试验所确定的=(86.3-211Pcm-28.21logH+1+2.73+800-500+9.7)9.8称为
30、合金元素的裂纹敏感系数（%）H 扩散氢含量100mol/gt800500在接条件下，熔合区附近1350冷却到800500的冷却时（S）t100从熔合区附近1350100实际冷却时间crcrcmP100310 tBVMoNirCCuMoSiCPCM510156020209360060HPPCMC21000500mmNbCPNP4000060RHPPCMWBVMoNirCCuMoSiCPCM51015602020合金元素的裂纹敏感指数（反映了淬硬倾向）四、影响因素及防止措施四、影响因素及防止措施 1)、钢种化学成分的影响1、影响因素、影响因素 冷裂纹判据 应用于、 裂纹敏感指数上述公式是经验式,有
31、一定的使用范围适用范围可参考 CMP94对接接头500 R=71K1arctg(0.017 )( /400)2 不产生裂纹, R 产生裂纹不产生裂纹的临界拘束度（通过实验方法测）R可通过计算或实测求得 只适用单向拉伸RRcrcrRcrR2）、拘束应力的影响）、拘束应力的影响95对于三维 弹塑性有限元计算修正系数RR1122/2/2sinh/sinh/sin81mwwBmBmBmhmhmm-拉板厚度（mm）Sinh-双曲线正弦函数 hw-试验焊缝厚度（mm）B-试板宽度，即拘束距离（mm）963)3)、氢的有害影响、氢的有害影响4) 4)、工艺影响、工艺影响 线能量 预热温度焊后后热多层焊97综
32、合上述各影响因素，提出了预测高强钢焊接接头延迟裂纹倾向的判据公式。产生裂纹在一定焊接条件下，第一层焊缝焊后冷却到100刚刚不出现裂纹的时间临界冷却时间.实际焊接条件下，熔合区附近1350100的冷却时间A.n实验常数 裂纹敏感系数若越高，则 越大，越易产生裂纹crt100ttcrcrt100tHMPNPnHMcrPAt)28. 0(982 2、防止措施、防止措施 1 1）、冶金措施）、冶金措施 （低碳微量多合金） H选用低氢焊接材料，低氢焊接方法如CO2焊 控制氢的来源，烘干焊条消理焊件焊丝加入某些合金元素，提高塑性采用奥氏体组织的焊条焊接某些淬硬倾向较大的低合金高强钢，避免冷裂纹 992 2
33、）、工艺措施）、工艺措施选择合适的焊接线能量q、V冷、t100减少裂 但有晶粒粗大现象预热 冷却速度H外逸后热H消氢处理350保温12小时，使氢外逸对于需要较高预热温度的中碳钢，高碳钢及中碳调质高强钢，如果由于形状复杂或需要在结构内部施焊等因素要避免高温预热时，采用后热并配合低温的预热特别见效。1003 3）、拘束应力）、拘束应力防止焊缝分布密集，消除应力集中部位如缺口，坡口形状对称适当的预热、后热、缓冷本节结束1015-4 5-4 再热裂纹再热裂纹 定义定义：焊后再加热,消除应力退火,高温工作时500600过程中产生裂纹称再热裂纹。一、再热裂纹的特征一、再热裂纹的特征 1、热裂纹产生部位：、
34、热裂纹产生部位：近缝区的粗晶区，止裂于细晶区，沿晶间开裂，裂纹大部分晶间断裂，沿熔合线方向在奥氏体粗晶粒边界发展102再热裂纹再热裂纹1032、 敏感的温度范围敏感的温度范围: :一般在500700低于500或高于700,再加热不易出现再热裂纹3 3、有大量的内应力存在，及应集中、有大量的内应力存在，及应集中: :在大拘束度的厚件或应力集中部位易产生再热裂纹4 4、易产生在具有沉淀强化作用的钢材中、易产生在具有沉淀强化作用的钢材中: : 晶界滑动微裂扩展裂纹104二、产生机理二、产生机理 1 1、一般条件、一般条件 e ee ec c 产生裂纹产生裂纹 e产生裂纹的晶界微观局部的实际塑性变形量
35、 ec：产生裂纹的晶界微观局部的最大塑性形变能力 e实际塑性应变：接头的残余应力经再加热产生应力松驰而引起，与接头的拘束度残余应力，应力集中有关。 1052 2、再热裂纹产生机理、再热裂纹产生机理 1 1）、晶界杂质析集弱化说）、晶界杂质析集弱化说 晶界析集P、S、 硼化物沿晶析集如果产生再热裂纹的塑性变形量为ec，可以下式表示:ccRTLeEEc/)1 (1062 2）、二次沉淀理论晶内沉淀强化）、二次沉淀理论晶内沉淀强化 具有沉淀强化的元素 焊接高温时过a热区合金元素全部溶入A中，A长大.焊后冷却速度快，合金元素以过饱和形式溶入在F中，渗碳体，一般出现在位错、空位、缺陷等处。enrbriF
36、MCMWVNZT、0焊后再加热时（500-700）1073）、高温蠕变理论）、高温蠕变理论 蠕变定义：蠕变定义：金属在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变。特征：特征： 材料内的应力小于材料的屈服应力 与温度有关T蠕变速度 温度升高持久强度下降 高温下，晶界强度低于晶内强度1081.楔形开裂楔形开裂drEcbPs2)(23dEbPsp)1 ()(222应力临界应力：2.空位聚集而产生的空位聚集而产生的“空位开裂空位开裂”23327256AW最小能量109低合金钢产生再热裂纹临界应力关系式低合金钢产生再热裂纹临界应力关系式VMoCrCCCSRSR
37、cr115 . 0328 . 9)7 . 425. 47 .20(cr产生再热裂纹临界应力产生再热裂纹临界应力(N/mm2)如结构实际拘束应力为时，则不裂开裂crcr110111三三 、影响因素、影响因素 1. 化学成分对再热裂纹的影响 2晶粒度对再热裂纹的影响 3焊接接头不同部位和不同组织对再热裂纹的影响 ( (一一) ) 、冶金因素、冶金因素 112( (二二) ) 工艺措施工艺措施 1 1、 预热及后热预热及后热 预热裂200450，后热可降低预热温度 2 2、线能量的作用、线能量的作用 E适当增加，减少过热区硬度，裂纹减小3 3、低强焊缝应用、低强焊缝应用 减少近缝区塑变的集中程度，有
38、利于降低再热裂纹产生倾向 4、 降低残余应力和避免应力集中降低残余应力和避免应力集中 本节结束1135-5 5-5 层状撕裂层状撕裂 1 1、产生的部位和形状、产生的部位和形状 宏观形状宏观形状：在外观上具有阶梯状的形式，由基本上平行于轧制方向表面的平台与大体上垂直于平台的剪切壁所组成。 微观形状：微观形状：扫描电镜观察低倍下：断口表面呈典型的木纹状，是层层平台在不同高度分布的结果 部位：部位：母材或热影响区 一、特征及危害性一、特征及危害性 1142、产生在厚板结构中、产生在厚板结构中 十字接头,丁字接头,角接头，平台局部地区有硅酸盐或氧化物夹杂物 115 种类种类 依产生部位分: 第一类第
39、一类是在焊接热影响区焊趾或焊根 冷裂纹诱发而形成层状措裂； 第二类第二类热影响区沿夹杂开裂； 第三类第三类远离热影响区母材中沿夹杂开裂MnS片状夹杂较多。116二、形成机理及影响因素二、形成机理及影响因素 (一一)、层状撕裂的形成过程、层状撕裂的形成过程1、厚板结构中焊接时刚性拘束条件下，产生较大的Z向应力和应变，当应变达到超过材料的形变能力之后，夹杂物与金属基体之间弱结合面发生脱离，形成显微裂纹，裂纹尖端的缺口效应造成应力、应变的集中，迫使裂纹沿自身所处的平面扩展，把同一平面而相邻的一群夹杂物连成一平，形成所谓的“平面”。 1172、与此同时相邻近的两个平台之间的裂纹尖端处，在应力应变影响下
40、在剪切应力作用下发生剪切断裂，形成“剪切壁“，这些平台和剪切壁在一起，构成层状撕裂所持有的阶梯形状。118(二二)、影响因素、影响因素 1、非金属夹杂物的种类2、焊接Z向应力 3、母材性能 热影响区产生淬硬组织、塑性下降; 加热150350出现应变时效，塑性、韧性下降4、氢的作用 氢集聚发生在夹杂物和基体界面上的氢脆引起层状撕裂119四、防止措施四、防止措施 ( (一一) )选择母材选择母材 1 精炼钢 2、控制夹杂物 冶炼降低杂质，脱S加Ti、Zr或稀土元素，促使夹杂物破碎、球化(成本高) ( (二二) )设计和工艺措施设计和工艺措施1、 改变接头形式、降低焊接应力2、 应尽量避免单侧焊缝等
41、;3、 应尽量避免承载焊缝4、 预热及后热5、 加软焊道120接头形式在受力最小时即可防止层状撕裂，通过开坡口来减轻钢板Z向受承受的应力和应变。本节结束1215-6 5-6 应力腐蚀撕裂应力腐蚀撕裂(SCC)(SCC) 应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹：金属材料在某些特定介质和拉应力共同作用下所产生的延迟破裂现象称应力腐蚀裂纹。 应力腐蚀裂纹已成为工业中特点是石油工业中最突出的问题，日本19651975十年间化工设备破坏事故统计有50%属于应力腐蚀开裂，应力腐蚀裂纹造成危害极大。122一、应力腐蚀裂纹特征一、应力腐蚀裂纹特征 1 1、形貌：、形貌：外观：无明显的均匀腐蚀痕迹，呈龟裂形式断断续续。从横断
42、面来看：犹如枯干的树木的根须，由表面向纵深方向往里发展，裂口深宽比大，细长而带有分支是其典型的特点。从断口来看：仍保持金属光泽为典型脆性断口123应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹1242、材质与介质的匹配、材质与介质的匹配 纯金属不产生应力腐蚀裂纹，凡是合金即使含有微量元素的合金，在特定的腐蚀环境中都有一定的应力腐蚀开裂倾向。但并不是说，任何合金在任何介质中都产生应力腐蚀开裂，一定的材料只在某一定的腐蚀环境中才产生应力腐蚀裂纹。 应力腐蚀开裂温度:易产生在100300之间1253、应力腐蚀开裂的临界应力、应力腐蚀开裂的临界应力 拉应力的存在是产生应力腐蚀开裂的先决条件之一，造成应力腐蚀开裂的应力主要是
43、残余应力。临界应力临界应力 引起应力腐蚀裂纹开裂的临界应力，与腐蚀介质，金属材料的强度级别有关。thsth126二、应力腐蚀裂纹的形成条件二、应力腐蚀裂纹的形成条件 形形成机理成机理 （一）、电化学应力裂机理（一）、电化学应力裂机理从电化学考虑，把应力腐蚀裂纹分为两大类 一类为应力阳极溶解开裂 简记APC另一类应力阴极氢脆开裂 简记HEC形成三要素：形成三要素：1） 材质 2) 腐蚀介质 3) 临界拉应力127HEC和APC应力腐蚀过程128（二）、机械破裂应力腐蚀开裂机理（二）、机械破裂应力腐蚀开裂机理 1 1）、孕育期）、孕育期 应力作用下将产生不同程度的塑性变形，这种塑性变形将会产生“滑
44、移台阶”，形成局部性的最初腐蚀裂口，造成拉应力集中，局部产生滑移阶梯、导致保护膜破坏。1291301312 2）、发展阶段）、发展阶段 腐蚀裂口在拉应力与介质的共同作用下（物理作用及化学作用）沿着垂直拉应方向纵深发展，呈枯干树枝或根须，且逐步出现分支，若应力因素占优势，将是某一裂口优先发展，腐蚀因素占优势则可能同时几条裂口平行地发展3 3）、溃裂阶段）、溃裂阶段发展的最快的裂纹的最终崩溃性的发展，是拉应力局部越来越大的累积结果，最终破坏是力的因素起主要作用。 132裂纹扩展的几种说法裂纹扩展的几种说法 1. 1.阳极相的沉淀阳极相的沉淀 2. 2. 腐蚀介质的吸附腐蚀介质的吸附3.3. 阴极氢
45、化反应阴极氢化反应 4. 4. 机械化学效应机械化学效应 5. 5. 隧洞腐蚀隧洞腐蚀 133三、应力腐蚀的预防措施三、应力腐蚀的预防措施 （一）、结构设计（一）、结构设计 1、合理选材母材 选材必须有足够的实验数据，不能只看材料牌号，不能单纯考虑强度级别，因同一强度等级，合金系统不同，抗应力腐蚀开裂的倾向很大。 2、避免高应力区134 （二）、施工制造（二）、施工制造 1、 合理选择焊材 了解产品结构的的工作条件，熟悉介质的腐蚀特性，及合金元素的特性，则确定焊缝成分从而确定焊接材料。因此必须根据具体腐蚀介质，调整焊缝的合金系统，以便提高耐应力腐蚀开裂的能力。 1351、 合理制定装焊工艺1）
46、、成形及装配工艺 引起应力腐蚀裂纹的重要原因之一就是残余应力，从部件成形加工列组装都可引起残余应，特别是强制组装，例如用千斤组装大错口，可以形成很大的残余应力，在组装质量不良的条件下（错口）焊接时，会造成较大的残余应力。组装时所造成伤痕如随意打弧的灼痕等都会成应力腐蚀裂源。 1362)、焊接工艺 基本点，不产生硬化组织，不发生晶粒严重粗化现象,接头硬度 粗晶区的应力腐蚀裂纹的扩展敏感性最大，主要是由于晶粒粗大，以致裂纹尖端集中的位错数量增大，并可形成大的滑移阶梯，从而利于应力腐蚀裂纹的形成和扩展。137消除应力处理 焊后消除应力处理是防止产生应力腐蚀裂纹的重要环节。 例氢化脱硫装置的硫化物应力
47、腐蚀开裂试验，钢种弯曲成形加工后的热处理温度温度 350 400 450 500 550 650 850 1Cr18Ni8 x x x x x o o o1Cr18Ni9Ti X x o o o o o o 其中x裂纹，o无裂纹 1381.整体消除应力处理消除应力的程度可用下式估算P=T（lgt+20)*10-3P消除应力效果参数T热力学温度 t 保温时间2.局部消除应力处理RB5R-管子半径 -板厚加热宽度139（三）、生产管理（三）、生产管理 1、 防蚀处理 介质隔离、涂层、衬里 介质处理、加缓蚀剂等 电化防蚀、阴极化或阳极化、表面技术处理 2、 定时检查及分析 定期检查、及时补修 本节结
48、束1405-75-7 焊接裂纹综合分析焊接裂纹综合分析和判断和判断一、宏观分析及判断一、宏观分析及判断（一）被焊材质和焊接材料的化 学成分（二）根据施工中的焊接工艺（三）产品结构的运行工况条件141二、微观分析及判断二、微观分析及判断1、热裂纹2、冷裂纹3、再热裂纹4、层状撕裂5、应力腐蚀裂纹图形详见前几节142三、断口分析及判断三、断口分析及判断断裂形式穿晶断裂沿晶断裂韧性断裂韧窝断裂滑移断裂脆性断裂疲劳断裂疲劳纹解理断裂准解理断裂塑性断裂脆性断裂疲劳断裂疲劳花纹等轴韧窝剪切韧窝撕裂韧窝蛇形滑移波形滑移平直滑移143( (一一) )焊接裂纹的断裂形式焊接裂纹的断裂形式及断口形态及断口形态2、
49、解理断裂3、准解理数裂4、沿晶断裂1、韧窝断裂等轴韧窝撕裂韧窝剪切韧窝144145146( (二二) )热裂纹断口形貌热裂纹断口形貌147( (三三) )冷裂纹断口形貌冷裂纹断口形貌148( (四四) )再热裂纹断口形貌再热裂纹断口形貌149(五五)层状撕裂断口形貌层状撕裂断口形貌150(六六)应力腐蚀裂纹断口形貌应力腐蚀裂纹断口形貌151本章小结本章小结 本章重点介绍了各种焊接裂纹的分类、形成机理，特征、影响因素，及其防冶措施，对于焊接裂纹进行综合分析及判断，以及对于各种裂纹的断口形貌特征进行简单介绍。152思考题1. 简述焊接裂纹的种类及其特征和产生的原因。2. 分析液态薄膜的成因及其对产
50、生热裂纹的影响。3. 什么是脆性温度区间？在脆性温度区间内为什么金属的塑性很低？4. 综合分析脆性温度区及在该区内金属的塑性和变形增长率之间的影响因素。5.液化裂纹和多边化裂纹在本质上的有何区别？在防止措施上的何不同？1536. 试述焊接冷裂纹的特征及其影响因素。7. 试述氢在产生冷裂纹过程中的作用，研究残余扩散氢HR100 和氢扩散因子M有何重要意义？8. 何谓拘束度？临界拘束度？它与拘束力和临界拘束应力有何关系？9. 拘束度和拘束应力与钢材的板厚、焊接工艺参数有何关系？它们各自有哪 些影响因素？10. 一般低合金钢，冷裂纹为什么具有延迟现象？为什么容易在焊接HAZ产生？15411. 后热对
