1、第五章 焊接热裂纹 2 (一)热裂纹 热裂纹是在焊接时高温下产生的，故称热裂纹(Hot Cracking)，它的特征是沿原奥氏体晶界开裂。根据所焊金属的材料不同(低合金高强钢、不锈钢、铸铁、铝合金和某些特种金属等)，产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也各有不同。因此，就目前的认识水平，又把热裂纹分为结晶斑纹、液化裂纹和多边化裂纹等三类。3 1结晶裂纹 焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足而不能及时填充，在应力作用下发生沿晶开裂，故称结晶裂纹。多数情况下，在发生裂纹的焊缝断面上，可以看到有氧化的彩色，说明这种裂纹是在高温下产生的。4 结晶裂纹主要产生在含杂质较多的
2、碳钢、低合金钢焊缝中(含硫、磷、碳、硅偏高)和单相奥氏体钢、镍基合金以及某些铝合金的焊缝中。个别情况下，结晶裂纹也能在热影响区产生。5 2高温液化裂纹 近缝区或多层焊的层间部位，在焊接热循环峰值温度的作用下，由于被焊金属含有较多的低熔共晶而被重新熔化，在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶界发生开裂。 液化裂纹主要发生在含有铬镍的高强钢、奥氏体钢，以及某些镍基合金的近缝区或多层焊层间部位。6 3.多边化裂纹 焊接时焊缝或近缝区在固相线稍下的高温区间，由于刚凝固的金属中存在很多晶格缺陷(主要是位错和空位)及严重的物理和化学不均匀性，在一定的温度和应力作用下，由于这些晶格缺陷的迁移和聚集，便形成了二次边界，
3、即所谓“多边化边界”。 因边界上堆积了大量的晶格缺陷，所以它的组织性能脆弱，高温时的强度和塑性都很差，只要有轻微的拉伸应力，就会沿多边化的边界开裂，产生所谓“多边化裂纹”7第二节 焊接热裂纹 热裂纹是焊接生产中比较常见的一种缺陷，从一种常用的低碳钢、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。 关于热裂纹的种类，在前面已作了简要的介绍，主要是结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹三种。但这方面还在不断发展，有人把高温空穴开裂和蜕变开裂(包括再热裂纹)也都划归热裂纹的范畴。焊接生产过程中所遇到的热裂纹，主要是结晶裂纹，故本节以结晶裂纹为主进行讨论。8 一、结晶裂纹的形成机理 长期以
4、来，世界上许多国家对结晶裂纹的形成机理作了大量的研究工作。在生产和实验研究发现，结晶裂纹都是沿焊缝中的树枝状晶的交界处发生和发展的，如图5-13所示。最常见的是沿焊缝中心纵向开裂(见图5-14)。有时也发生在焊缝内部两个树枝状晶体之间(见图5-15)。910 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“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。11 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的结果。因此，液态薄
5、膜液态薄膜是产生结晶裂纹的内因，而拉伸应力拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条件。 从前面的讨论可知，这种裂纹是在焊缝结晶过程中产生的。但是，在整个结晶过程中究竟在什么阶段产生裂纹的倾向最大，有必要作进一步讨论。现以低碳钢的焊接为例，可把熔池的结晶分为以下三个阶段：1213(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产生裂纹。14(二)固液阶段 当结晶继续进行时，固相不断增多，且不断长大，冷却到某一阶
6、段时，已凝的固相彼此发生接触，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，故把这个阶段叫作“脆性温度区”15(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)。 综上所述，当温度高于或低于ab之间的脆性温度区时，焊缝金属都有较大的抵抗结晶裂纹的能力，因此
7、具有较小的裂纹倾向。16 产生结晶裂纹的条件如下： (1)如果拉伸应力所产生的应变随温度按曲线1变化时(见图5-18)，在固相线附近(即在脆性温度区内焊缝的塑性最小时)，只产生了e的应变量，此时焊缝仍具有相当于es的塑性储备量，即Pmin- e =es 。因eso，故在这种情况下不会产生热裂纹。1718 (2)当按曲线2变化时，此时由拉伸应力所产生的应变，恰好等于焊缝的最低塑性值Pmin ，故es o，即处于临界状态。 (3)当按曲线3变化时，此时由拉伸应力所产生的应变已超过焊缝金属在脆性温度区内所具有的最低塑性Pmin ，即es o，此时必将产生裂纹。 综上所述，产生结晶裂纹的条件是：焊缝在
8、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，或者说焊缝金属在脆性温度区内的塑性储备量(es )小于零时就会产生结晶裂纹。19是否产生结晶裂纹主要决定于以下三个方面 a. 脆性温度区TB的大小 TB越大，由于焊缝收缩产生拉伸应力的作用时间也越长，产生的应变量也越大，故产生结晶裂纹的倾向也就越大。 TB大小主要决定于焊缝的化学成分、低熔共晶的性质及分布、晶粒大小及方向性等。 b. 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。c. 在脆性温度区内的应变增长率 在TB内，随温度下降，由于收缩产生的拉伸应力增大，因而应变的增长率也将增大，这就容易产生结晶裂纹。20
9、以上这三方面是相互联系和相互影响，但又相对独立。a和b主要取决于冶金因素(化学成分、结晶条件、偏析程度、晶粒的大小和方向等)；而应变增长率c主要决定于力的因素（被焊金属的热物理性质、焊件的刚度、焊接工艺和温度场的分布等）21二、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，但从本质来看，主要可归纳为两方面，即冶金因素和力的因素。22 (一)冶金因素对产生结晶裂纹的影响 所谓纳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1合金状态图的类型和结晶温度区间试验研究表明，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。23结晶温度区间与裂纹倾向的关系结晶温度区间
10、与裂纹倾向的关系242合金元素对产生结晶裂纹的影响 合金元素的影响十分复杂，但又非常重要，是影响裂纹最本质的因素应当指出，多种合金元素的相互影响，往往比单一元素复杂的多，在某些情况下，甚至彼此是矛盾的。这里仅就碳钢和低合金钢中合金元素对结晶裂纹的影响作一概括讨论。25(1)硫和磷 硫、磷几乎在各类钢中都会增高结晶裂纹的倾向，即使是微量存在，也会使结晶区间大为增加。 硫和磷在钢中还能引起偏析。元素的偏析程度可用下式表示：26(2) 碳 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)。国际上采用碳当量作为评价钢种焊接性的尺度，可见碳的重要影响。 27 (3) 锰 锰具有
11、脱硫作用，能置换FeS为MnS，同时也能改善硫化物的分布形态，使薄膜状FeS改变为球状分布，从而提高了焊缝的抗裂性。 (4) 硅 硅是相形成元素，应有利于消除结晶裂纹，但硅含量超过0.4时，容易形成硅酸盐夹杂，从而增加了裂纹倾向。28 (5)钛、锆和稀土 最近发现，钛、锆和镧、铈等稀土元素能形成高熔点的硫化物，故对消除结晶裂纹有良好作用。 (6)镍 镍在低合金钢中易于与硫形成低熔共晶因此会引起结晶裂纹。但加入锰、钛等合金元素后，可以抑制硫的有害作用。29 (7)氧 氧对焊缝产生结晶裂纹的影响，目前还没有定论。但很多实验表明，焊缝中有一定的含氧量，能降低硫的有害作用。 总括以上，合金元素对结晶裂
12、纹的影响是重要的，但也是复杂的，这里不能一一论述。C、S、P对结晶裂纹影响最大。303. 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，则产生结晶裂纹的倾向就越大。为此，常在焊缝及母材中加入一些细化晶粒的合金元素，一方面可以破坏液态薄膜的连续性另一方面也可以打乱柱状晶的方向。31 以上仅从三个方面概要地讨论了冶金因素对产生结晶裂纹的影响，它们之间往往是相互影响、错综复杂的，有时还是矛盾的。总之，对于结晶裂纹的机理，影响因素等均须作进一步研究。32(二)力学因素对产生结晶裂纹的影响 产生结晶裂纹的影
13、响因素是很复杂的，但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，又有各自独立规律。对于各种情况下，产生结晶裂纹的条件必须是冶金因素和力学因素共同作用，二者缺一不可。33三、防治结晶裂纹的措施 由于焊接时产生结晶裂纹的影响因素很多，因此应抓住不同情况下产生裂纹的主要矛盾。根据大量的生产实践和研究证明，防治焊接结晶裂纹可从以下两方面着手。34(一)冶金因素方面1. 控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量2. 改善焊缝凝固结晶、细化晶粒是提高抗裂性的重要途径35 (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。
14、 1焊接工艺及工艺参数适当增加焊接线能量和提高预热温度，可减小焊缝金属的应变率，从而降低结晶裂纹的倾向。 2接头形式 3焊接次序3637四、近缝区液化裂纹(一)液化裂纹的形成机理 液化裂纹的形成机理，一般认为是由于焊接时近缝区金属或焊缝层间金属，在高温下使这些区域的奥氏体晶界上的低熔共晶被重新熔化，在拉应力的作用下沿奥氏体晶间开裂而形成液化裂纹。造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，液化裂纹也是由冶金因素和力学因素共同作用的结果。38 (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
15、结果。 1化学成分的影响 2工艺因素的影响 39(三)液化裂纹的防冶 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。近年来，由于冶炼技术的发展，采用炉外精炼、电渣重熔等冶炼出的高质量金属材料，基本上可消除液化裂纹。40 五、多边化裂纹 多边化裂纹是在形成多边化的过程中，由于高温时的塑性很低而造成的，它是属于热裂纹的另一种形态，又称高温低塑性裂纹。41(一)多边化裂纹的形成机理 这种裂纹多数是在焊缝中产生，它是在结晶前沿已凝的固相晶粒中萌生出大量的晶格缺陷(空位和位错等)
16、，并且在快速的冷却条件下，由于不易扩散，它们以过饱和的状态保留于焊缝金属中，在一定温度相应力的条件下，晶格缺陷由高能部位向低能部位转化，即发生移动和聚集，从而形成了二次边界，即所谓“多边化边界”。42 (二)多边化裂纹的主要特点 (1)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。 (2)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。43 (3)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，说明这种裂纹与晶界液化无关。 (4)断口呈现出高温低塑性开裂。44（三）多边化裂纹的影响因素 影响多边化裂纹的因素主要是合金成分、应力状
17、态和温度。它们的影响，可由形成多边化过程所需的时间来说明 t越小，裂纹倾向越大。45 1合金成分的影响 2应力状态的影响 3温度的影响46第四节 再热裂纹 残余应力是造成低应力脆性破坏、焊接冷裂纹、结构几何形状失稳，以及应力腐蚀裂纹等的重要原因之一。因此，对于一些重要的厚板焊接结构，如核电站的压力壳、厚壁容器和潜艇结构等，焊后进行消除应力热处理几乎是不可缺少的一道工序，因为这些结构焊后不可避免的存在不同程度的残余应力。47一、再热裂纹的主要特征 1.再热裂纹都是发生在焊接热影响区的粗晶部位并呈晶间开裂 如图5-74所示 2进行消除应力处理之前焊接区存在较大的残余应力并有不同程度的应力集中 如图
18、5-75所示 3. 产生再热曲存在一个最敏感的温度区间 5-76所示 4含有一定沉淀强化元素的金属材料才具有产生再热裂纹的敏感性484950二、再热裂纹的机理 再热裂纹的具体机制存在不同的看法：有人强调了晶界弱化是主要的，而另一些人则强调晶内强化是主要的。正因如此，目前对再热裂纹的解释存在不同的看法，各自强调了自己试验范围内所得的结论，如晶界杂质析集弱化理论、晶内二次强化理论，以及蠕变开裂理论等。还有人认为，再热裂纹与回火脆性具有相同的机理。51(一)晶界杂质析集弱化作用 对一些低合金高强钢再热裂纹的试验研究中，已确认杂质在晶界析集而造成脆化，对产生再热裂纹具有重要的作用。52(二)晶内沉淀强
19、化作用 前面已指出，并不是所有的钢和合金都具有再热裂纹的敏感性，只有那些含有沉淀强化元素的钢和合金才具有再热裂纹的问题。53 另外，有些低合金钢合金碳化物沉淀相，不仅在晶内，也可弥散于晶界。例如，14MnMov钢，强化晶内的同时也强化晶界。因此，晶内沉淀强化的理论还有不足，这是值得进一步研究的。54(三)蠕变断裂理论 近年来许多人认为，再热过程中随着应力松弛，伴随有蠕变现象，因此可以用蠕变断裂理论来说明再热裂纹的形成机理。分析再热温度条件下的蠕变断裂机制的可有两种开裂模型：55 1应力缀中产生的“模型开裂” 此模型是C.Zenner首先提出的，他根据晶界粘滞性流动的观点，认为在蠕变条件下，在发
20、生应力松弛的三晶粒交界处产生应力集中当此应力超过晶界的结合力时就会在此处产生裂纹。56 2空位聚集而产生的“空位开裂” 此模型是根据点阵空位在应力和温度的作用下，能够发生运动，当空位聚集到与应力方向垂直的晶界上达到足够的数目时，晶界的结合面就会遭到破坏，在应力继续作用下，使之扩大而成为裂。57 总括以上，关于再热裂纹的机理，虽作了许多工作，但很难用统一的观点来解释，因此应考虑综合因素的作用。58 三、再热裂纹的影响因素及其防治 从上述的讨论可以知道，影响再热裂纹的主要因素是钢种的化学成分(直接影响粗晶区的塑性)和焊接区的残余应力(特别是应力集中部位)。以下仅根据上述两方面的因素进行讨。59(一)冶金因素1. 化学成分对再热裂纹的影响随钢种的不同而差异2钢的晶粒度对再热裂纹影响是明显的3焊接接头不同部位和缺口效应对再热裂 纹的影响也有不同60(二)焊接工艺因素 1焊接方法的影响 2预热及后热的影响 3. 选用低匹配的焊接材料 4降低残余应力和避免应力集中61 此外，焊缝咬边、未焊透及焊缝表面的余高，都会使热影响区的粗晶部位产生应力集中不同程度地增大了再热裂纹的敏感性。62谢谢
