1、孙化强孙化强重庆大学重庆大学 裂纹是焊接缺陷危害最大而且是最普遍的一种，可以成为构件脆断、疲劳裂纹是焊接缺陷危害最大而且是最普遍的一种，可以成为构件脆断、疲劳破坏和腐蚀破坏的起因，它不仅可以使产品报废，而且还可能因未检测出导致以破坏和腐蚀破坏的起因，它不仅可以使产品报废，而且还可能因未检测出导致以后灾难性的事故。后灾难性的事故。图图1-1 焊接裂纹的宏观形态及其分布焊接裂纹的宏观形态及其分布1-焊接中纵向裂纹 2-焊缝中横向裂纹 3-熔合区裂纹 4-焊缝根部裂纹 5-HAZ根部裂纹 6一焊趾纵向裂纹(延迟裂纹) 7-焊趾纵向裂纹（液化裂纹、再热裂纹） 8-焊道下裂纹(延迟裂纹、液化裂纹、多边化
2、裂纹)9-层状撕裂 10-弧坑裂纹(火口裂纹)a)纵向裂纹 b)横内裂纹 c)星形裂纹焊接裂纹的分类裂纹的分类按裂纹分布的走向分按裂纹分布的走向分：横向裂纹；纵向裂纹；星形（弧形裂纹） 按裂纹发生部位分按裂纹发生部位分焊缝金属中裂纹；热影响区中裂纹；焊缝热影响区贯穿裂纹。按产生本质分类按产生本质分类热裂纹；冷裂纹；再热裂纹；层状撕裂；应力腐蚀裂纹一、结晶裂纹的形成机理 有的结晶裂纹是沿焊缝中心纵向开裂，也有沿焊缝中的树枝晶之间界面处发生和发展的结晶裂纹，有时也发生在焊缝内部两个树枝状晶体之间，这说明在结晶过程中晶界是最薄弱的部位。第二节第二节 焊接热裂纹焊接热裂纹 由于先结晶的固相金属较纯，后
3、结晶的金属含杂质多，并富集在晶界。这些杂质容易形成低的熔点的共晶，最后被推向晶界，在晶粒之间形成一个液态薄膜。如果此时有拉伸应力存在就会产生裂纹（图5-16）。结晶裂纹的形成机理结晶裂纹的形成机理（1） 产生热裂纹的原因是晶间存在液态薄膜和在凝固过程中存在拉伸应力。 在整个结晶过程中，从液到固可分为三个阶段：（1）液固阶段（液多于固） 液态金属可在固态金属中自由流动，此时既使有拉伸应力也不会产生裂纹。结晶裂纹的形成机理结晶裂纹的形成机理（2）（2）固液阶段（固多于液） 随着固态金属量增加，剩余的液态金属多为低熔点共晶，流动也发生困难，这时若有拉伸应力产生的小裂纹无法靠液态金属填充，成为一个“裂
4、纹源”。此阶段也叫“脆性温度区”。结晶裂纹的形成机理结晶裂纹的形成机理（3）（3）完全凝固阶段 完全凝固后金属有较好的强度和塑性，既使有拉伸应力也难以产生裂纹。1 冶金因素对结晶裂纹的影响 影响因素有相图类型、化学成分、结晶组织形态。二、二、 结晶裂纹的影响因素结晶裂纹的影响因素 产生热裂纹必须具备冶金因素（成分、偏析）和力的因素（金属热物理性质、焊件拘束度、焊接工艺等）。 相图的结晶温度区间越大（即液态存在的时间越长），产生热裂纹的可能性越大（图519）。 影响相图结晶温度区间大小与合金的含量有关。（1） 相图类型和结晶温度区的大小相图类型和结晶温度区的大小（1） 由于焊接是在非平衡条件下结
5、晶，结晶温度区间要偏离平衡条件下的结晶温度区间，因此最大结晶裂纹可能发生在低合金含量区（图519虚线）。 各种状态图对产生结晶裂纹倾向的规律（图520）。相图类型和结晶温度区的大小相图类型和结晶温度区的大小（2） 对凝固温度范围的影响；a) 对形成低熔点相的影响（尤其是S、P）。 对产生结晶裂纹的影响比较大的合金是一些能形成低熔点共晶的合金元素，熔点越低、数量越大，裂纹倾向越大。（2）合金因素对产生结晶裂纹的影响）合金因素对产生结晶裂纹的影响（1）1） 硫、磷：S、P可扩大Fe的结晶区间（图521），并能与Fe形成多种低熔点共晶。合金因素对产生结晶裂纹的影响合金因素对产生结晶裂纹的影响（2）2
6、）碳：碳在相中的溶解度大于相（表54）， 所以含碳0.4时，容易形成硅酸盐夹杂，造成裂纹源，从而增加裂纹倾向。合金因素对产生结晶裂纹的影响合金因素对产生结晶裂纹的影响（6）5）钛、锆、稀土：Ti、Zr、RE脱硫的效果比Mn好得多，有良好的消除结晶裂纹作用，但它们也是强脱氧元素。 氧化稀土也有脱硫作用。6）镍：Ni和S形成低熔点共晶（NiS2 645），易于引起结晶裂纹。(7)铜：铜易引起热裂纹，如黄铜钎焊20钢引起的裂纹。合金因素对产生结晶裂纹的影响合金因素对产生结晶裂纹的影响（7） 焊缝晶粒大小、形态和方向对抗裂性有很大影响。晶粒越粗大、柱状晶方向越明显，产生结晶裂纹的倾向就越大。所以细化晶
7、粒有利于打破液膜的连续性，是减小结晶裂纹的有效措施。（3）结晶组织对结晶裂纹的影响）结晶组织对结晶裂纹的影响（1）1 冶金因素（1）控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质含量尽量减少低熔点共晶的数量。S、P的最大含量取决于被焊金属，一般低碳钢、低合金钢S、P0.05，高合金钢0.04，不锈钢（或R crR）就可以认为是安全的。2 拘束应力影响拘束应力影响（1） 在焊后冷却过程中，除一部分氢从表面逸出外，还向热影响区方向扩散。在扩散过程中，在一些塑性应变和微观缺陷部位发生氢聚集（应力集中高的部位的氢浓度高于平均值的5倍多），使这个部位很快达到临界氢浓度。3 氢的影响（氢在焊缝中的行为）氢的影响（氢在焊缝
8、中的行为）（1）（1） 焊接线能量：过大线能量E引起近缝区晶粒粗大，降低抗裂性能，尤其是有粗大M体时更有害。但对于低碳低合金钢适当增大线能量是有利的。线能量过小易使热影响区淬硬，也不利于氢逸出。4 焊接工艺对冷裂纹的影响焊接工艺对冷裂纹的影响（1）预热可以有效防止冷裂纹，但温度过高会增加附加应力（因是局部加热），反而增加冷裂倾向。所以预热温度主要是从降低冷速，减小淬硬倾向考虑。低合金高强钢的预热温度经验公式为： T() = 324Pcm + 17.7H + 0.14b + 4.72214（2） 预热温度（1） 由于冷裂纹存在潜伏期，所以要在裂纹产生前要进行加热处理。尤其是对不预热的焊件，后热处
9、理要及时，温度要高。 后热处理的有利作用：1）改善组织，提高韧性，减小淬硬性；2）减低残余应力；3）消除扩散氢；4）降低预热温度（表512）。（3） 焊后热处理焊后热处理（1）表 5-12 预热温度（HT80,E=17Kj/） 板 厚 8 (mm) 是否进 行后热 25 2538 3850 不进行后热 进行后热 165 75 180 85 200 90 后一道焊缝对前一道焊缝进行了热处理，有利于氢的逸出，组织的改善，可防止冷裂纹产生。但要在第一层焊缝尚未产生根部裂纹的潜伏期内完成第二道焊接。（4） 多层焊多层焊 根据钢的冷裂纹敏感性Pw，焊的层数越多，预热温度越低（图571）。（1）冶金方面：
10、1）采用低碳微量合金元素强化，既提高强度，又保证金属有一定的韧性。2）采用高质量钢降低S、P、O、N杂质含量。3）采用碱性低氢焊接材料。4）CO2焊获得低氢焊缝。5）选用低强度焊条，降低拘束应力。6）用奥氏体钢焊条焊接淬硬倾向较大的中碳调质钢。（2）工艺方面 焊前预热，焊后热处理，多层焊，避免焊接缺陷（未焊透、咬肉、夹杂、气孔），焊接接头形式，施焊顺序等。5 防止冷裂纹的途径防止冷裂纹的途径产生产生：焊接接头的冷却过程中，且温度处在固相线附近的高温阶段产生。存在部位存在部位：焊缝为主，热影响区特征特征：宏观看，焊缝热裂纹沿焊缝的轴向成纵向分布（连续或继续）也可看到缝横向裂纹，裂口均有较明显的氧
11、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。分类：分类：结晶裂纹 高温液化裂纹多边化裂纹焊接热裂纹一、结晶裂纹形成机理焊接热裂纹焊接热裂纹三、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 1.控制焊缝中的硫、磷、碳等有害杂质的控制焊缝中的硫、磷、碳等有害杂质的含量含量2.改善焊缝凝固结晶、细化晶粒改善焊缝凝固结晶、细化晶粒不锈钢焊接，希望得到的不锈钢焊接，希望得到的相相三、防治结晶裂纹的措施三、防治结晶裂纹的措施（二）、工艺因素方面（二）、工艺因素方面 1.适当增加焊接线能量和提高预热温度适当增加焊接线能量和提高预热温度2.接头
12、形式接头形式3.焊接次序焊接次序三、防治结晶裂纹的措施三、防治结晶裂纹的措施接头形式对裂纹倾向的影响接头形式对裂纹倾向的影响三、防治结晶裂纹的措施三、防治结晶裂纹的措施锅炉管板与管束的焊接次序锅炉管板与管束的焊接次序对称焊接法举例对称焊接法举例 一、再热裂纹的主要特征一、再热裂纹的主要特征 1.发生在发生在HAZ的粗晶部位呈晶间开裂。的粗晶部位呈晶间开裂。 2.消应力前焊接区存在较大的残余应消应力前焊接区存在较大的残余应力和不同程度的应力集中。力和不同程度的应力集中。 3.存在一个最敏感的温度区间。存在一个最敏感的温度区间。 4.含有一定沉淀强化元素的金属材料含有一定沉淀强化元素的金属材料具有
13、再热裂纹的敏感性。具有再热裂纹的敏感性。第四节第四节 再热裂纹再热裂纹 二、再热裂纹的机理二、再热裂纹的机理 （一）晶界杂质析集弱化作用（一）晶界杂质析集弱化作用 研究表明，再热裂纹的产生是由晶界优研究表明，再热裂纹的产生是由晶界优先滑动导致微裂而产生和发展的。先滑动导致微裂而产生和发展的。 焊后热处理时，残余应力松弛过程中，焊后热处理时，残余应力松弛过程中，粗晶区应力集中部位的晶界滑动变形量超粗晶区应力集中部位的晶界滑动变形量超过该部位的塑性变形能力。过该部位的塑性变形能力。 二、再热裂纹的机理二、再热裂纹的机理 （二）晶内沉淀强化作用（二）晶内沉淀强化作用 沉淀相一次加热固溶，二次再热在晶
14、沉淀相一次加热固溶，二次再热在晶内析出导致晶内强化。内析出导致晶内强化。 （三）蠕变断裂理论（三）蠕变断裂理论 三、再热裂纹的影响因素及其防治三、再热裂纹的影响因素及其防治 （一）冶金因素（一）冶金因素 1.化学成分对再热裂纹的影响随钢化学成分对再热裂纹的影响随钢种的不同而差异种的不同而差异 2.钢的晶粒度对再热裂纹的影响钢的晶粒度对再热裂纹的影响 三、再热裂纹的影响因素及其防治三、再热裂纹的影响因素及其防治 3.焊接接头不同部位和缺口效应对焊接接头不同部位和缺口效应对SR的影响的影响 缺口位置与再热裂纹的关系缺口位置与再热裂纹的关系 三、再热裂纹的影响因素及其防治三、再热裂纹的影响因素及其防
15、治 （二）工艺因素（二）工艺因素 1.焊接方法的影响焊接方法的影响 2.预热及后热的影响预热及后热的影响 3.选用低匹配的焊材选用低匹配的焊材 4.降低残余应力、避免应力集中降低残余应力、避免应力集中 三个大方面来控制焊接冷裂纹：三个大方面来控制焊接冷裂纹： 1）必须尽力减小焊接应力（热应力、相变应力和拘束应力） 2）消除一切氢的来源； 3）改善焊接接头的组织状况。 当母材确定后，主要是通过选择焊接方法、控制焊接工艺和合理选用焊接材料，必要时采用焊后热处理。 1）焊接工艺的作用： a. （局部）预热，增加T8/5，减小和避免淬硬M组织，降低内应力，并有利于氢的逸出。 钢板越厚，钢种的碳当量越大
16、，预热温度越高。 b 焊接线能量的控制焊接线能量的控制El 调整调整t8/5， El越大，焊缝冷却时间越长，可减轻或避免淬硬越大，焊缝冷却时间越长，可减轻或避免淬硬组织，并利于氢的逸出，降低了冷裂倾向。组织，并利于氢的逸出，降低了冷裂倾向。 但但El过大，导致焊接接头过热，组织粗大，焊接接头性能过大，导致焊接接头过热，组织粗大，焊接接头性能降低。降低。 c 多层焊（或双丝焊接）多层焊（或双丝焊接）。前道焊缝对后道焊缝有预热作用，后道焊缝对前道焊缝有回火作用，可以改善焊接接头组织，并利于扩散氢的析出， 需要控制层间温度。 d 焊后的后热处理 减小残余应力，改善组织，并消除扩散氢 2）焊接材料的选
17、用 选用低氢型焊条和焊剂。 选用CO2气体保护焊接可以获得很低含氢量的焊缝金属。 必须仔细烘干焊接材料，将焊件、焊丝上的铁锈和油污清理干净。 3）降低焊接接头的拘束应力 从焊接结构设计和焊接工艺等几方面设法解决。 一、层状撕裂的主要特征及危害性一、层状撕裂的主要特征及危害性 特征：特征：1.内部低温开裂内部低温开裂 2.呈阶梯状扩展呈阶梯状扩展 3.平台平台+剪切壁剪切壁 4.易在易在T形接头和角接接头出现形接头和角接接头出现 5.在焊接接头的焊根和焊趾处在焊接接头的焊根和焊趾处第五节第五节 层状撕裂层状撕裂 （一）层状撕裂的形成机理（一）层状撕裂的形成机理 （二）影响因素（二）影响因素 二、
18、层状撕裂的形成机理及影响因素二、层状撕裂的形成机理及影响因素 1.非金属夹杂的种类、数量和分布形非金属夹杂的种类、数量和分布形态态 夹杂物的体积比；夹杂物的累积长度夹杂物的体积比；夹杂物的累积长度 2.Z向拘束应力向拘束应力 3.氢的影响氢的影响 冷裂诱发引起冷裂诱发引起 三、层状撕裂判据三、层状撕裂判据 （一）（一）Z向拉伸断面收缩率不小于向拉伸断面收缩率不小于15% （二）插销（二）插销Z向应力判据向应力判据 与碳当量、氢含量及硫含量有关与碳当量、氢含量及硫含量有关 四、防止层状撕裂的措施四、防止层状撕裂的措施 （一）选用具有抗层状撕裂的钢材（一）选用具有抗层状撕裂的钢材 1.精炼钢精炼钢
19、 2.控制硫化物夹杂的形态控制硫化物夹杂的形态 1.尽量避免单侧焊缝，缓和根部应力状尽量避免单侧焊缝，缓和根部应力状态态 （二）设计和工艺上的措施（二）设计和工艺上的措施 2.强度允许情况下，采用焊接量少的焊强度允许情况下，采用焊接量少的焊 缝代替焊接量多的焊缝缝代替焊接量多的焊缝 3.在承受在承受Z向应力的一侧开坡口向应力的一侧开坡口 4.预先焊打底焊缝，缓和预先焊打底焊缝，缓和Z向应力向应力 5.采取防冷裂措施采取防冷裂措施应力腐蚀应力腐蚀裂纹裂纹 一、应力腐蚀裂纹的危害性一、应力腐蚀裂纹的危害性 在腐蚀介质及有拉应力存在时，应力腐在腐蚀介质及有拉应力存在时，应力腐蚀裂纹造成严重的失效事故
20、蚀裂纹造成严重的失效事故 （一）应力腐蚀裂纹的分布（一）应力腐蚀裂纹的分布 二、应力腐蚀裂纹的特征二、应力腐蚀裂纹的特征 （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滑移台阶高度大于氧化膜的厚度，氧化膜滑移台阶高度大于氧化膜的厚度，氧化膜破裂，金属露于表面。破裂，金属露于表面。塑性变形引起的滑移台阶塑性变形引起的滑移台阶四、应力腐蚀裂纹的影响因素及其防治四、应力腐蚀裂纹的影响因素及其防治 （一）组装（一）组装 （二）焊材的选择：与母材成分一致（二）焊材的选择：与母材成分一致 （三）焊接工艺：焊接线能量（三）焊接工艺：焊接线能量 （四）焊后消应力处理（四）焊后消应力处理 （五）表面改质（五）表面改质 谢 谢！
