第九章焊接缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施機(jī)械工業(yè)出版社９-1內(nèi)應(yīng)力1、內(nèi)應(yīng)力的形成（1）熱應(yīng)力（thermalstress）不均勻加熱冷卻過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。（因材料的彈-塑性）桿中心加熱，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力（瞬時(shí)應(yīng)力）當(dāng)加熱變形在彈性范圍內(nèi)，冷卻后，殘余應(yīng)力=0當(dāng)加熱變形超過(guò)彈性范圍外（塑性），冷卻后，殘余應(yīng)變，殘余應(yīng)力加熱時(shí)焊件內(nèi)應(yīng)力在不均勻溫度場(chǎng)的作用下，被加熱到較高溫度的區(qū)域的金屬受到壓縮應(yīng)力，當(dāng)此應(yīng)力達(dá)到材料在該溫度下的屈服限時(shí)，局部區(qū)域內(nèi)受到壓縮塑性變形，由于塑性變形不可逆，此區(qū)域的材料在冷卻之后即產(chǎn)生收縮，而周?chē)词軣岬慕饘贂?huì)限制它的收縮，于是在壓縮塑性變形的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，而周?chē)鷧^(qū)域產(chǎn)生壓應(yīng)力。這種內(nèi)部應(yīng)力在溫度均勻后殘存在物體內(nèi)部，固稱為殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力是在沒(méi)有外力的條件下，平衡于內(nèi)部的應(yīng)力。由焊接引起的殘余應(yīng)力稱為焊接殘余應(yīng)力。

板中心堆焊焊接殘余應(yīng)力形成相變應(yīng)力（transformationstress）

固態(tài)相變金屬因各區(qū)域發(fā)生相變的類型不同、時(shí)間不同或程度不同，由于不同相組織的比容不同而導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力。低碳鋼合金鋼2.焊接殘余應(yīng)力的分布縱向殘余應(yīng)力分布板邊堆焊焊接殘余應(yīng)力形成3.減少焊接殘余應(yīng)力的措施工藝措施、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)殘余應(yīng)力的消除熱處理、機(jī)械振動(dòng)法、機(jī)械加載機(jī)械拉伸法９-2.焊接變形

殘余應(yīng)力的存在必然導(dǎo)致原工件形狀的少量改變，也稱為殘余變形（工件冷卻下來(lái)后遺留一下來(lái)的變形）。整體變形局部變形縱向橫向收縮變形

撓曲變形

角變形

波浪變形（失穩(wěn)變形）影響因素及防止措施影響因素：材料熱物理性能：膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性工藝因素：焊接熱輸入、焊接順序防止方法：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；工藝：反變形、剛性固定、預(yù)留收縮量、等焊接變形的矯正（straightening）

機(jī)械矯正火焰矯正９-3裂紋裂紋是一種可能造成制造產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)失效的突發(fā)性破壞的材料缺陷，往往是一種最危險(xiǎn)而又常見(jiàn)的缺陷。種類：按形成機(jī)理分。主要有熱、冷、再熱（reheat）、應(yīng)力腐蝕（stress-corrosion）裂紋和層狀撕裂（lamellartearing）焊接熱裂紋（hotcracking）主要指凝固裂紋(solidificationcracking)

焊接熱裂紋的形成原因：焊接熱裂紋是一種高溫沿晶斷裂而形成的裂紋。焊縫凝固過(guò)程中，在枝晶間存在低熔共晶的薄層，此時(shí)材料的塑性變形能力很低，在冷卻過(guò)程中不可避免的產(chǎn)生收縮應(yīng)變，當(dāng)收縮應(yīng)變大于材料此時(shí)的塑性應(yīng)變的能力時(shí)，即產(chǎn)生焊接熱裂紋。焊縫在凝固過(guò)程中所出現(xiàn)的晶間塑性應(yīng)變能力的應(yīng)變區(qū)間叫做脆性溫度區(qū)，不同材料有不同的脆性溫度區(qū)，溫度區(qū)越大，產(chǎn)生熱裂紋的危險(xiǎn)性越大。（1）特征1）僅發(fā)生于WM或鑄件中2）一次結(jié)晶（原奧氏體）晶界分布的晶間裂紋3）斷口形貌（fractureappearance）a.高溫特征：液膜（liquidfilm）表面，液態(tài)分離時(shí)自由凝固表面特征，有時(shí)有氧化b.偏析特征微區(qū)元素分析表明有S、P等富集(2)形成機(jī)理(3)焊接熱裂紋的影響因素

a.硫的偏析

b.焊縫的組織

c.焊縫冷卻的速度（層間溫度、熱輸入量）

d.焊縫的形狀（成形系數(shù)）

e.拘束度焊接冷裂紋

coldcracking材料焊接冷卻到室溫附近產(chǎn)生的一種裂紋，它是焊接缺陷中最普遍而又極危險(xiǎn)的一種。主要討論其中主要的一種：延遲裂紋（delayedcracking）或稱之為氫致裂紋（hydrogen-inducedcracking,HIC）（1）冷裂紋的基本特征1）產(chǎn)生冷裂紋的材料：中、高碳鋼及合金鋼、鈦及鈦合金，BCC材料有淬硬M相變材料。其它FCC金屬材料如Al、Ni、Cu、奧氏體鋼一般沒(méi)有。2）產(chǎn)生部位：多數(shù)在HAZ粗晶區(qū)；也有少量在多層焊焊縫的中上部；易在焊趾（toe~）和焊根(root~)；焊道下（under-bead~）

3）發(fā)生時(shí)間：具有延遲特性，焊后數(shù)分鐘至數(shù)日后出現(xiàn)（危險(xiǎn)性大?。。。?）發(fā)生溫度：T<Ms；

5）裂紋形貌：端部尖銳，斷口無(wú)氧化、液膜特征；裂紋呈沿晶（intergranular）和穿晶(transgranular)混合擴(kuò)展；（2）形成機(jī)理冷裂紋形成的三大因素：淬硬（M）組織氫拘束應(yīng)力前兩項(xiàng)是冶金條件（內(nèi)因），后一項(xiàng)是力學(xué)條件（外因）。1）馬氏體淬硬組織：焊后冷卻形成的M越多，M中含碳量越高，淬硬傾向越大，冷裂傾向越強(qiáng)。a.M淬硬組織的脆性，尤其是其對(duì)氫脆的敏感性。b.M組織高內(nèi)應(yīng)力條件：M硬度高，相變溫度低，組織應(yīng)力高c.M淬硬組織缺陷多：晶格缺陷、位錯(cuò)……2）氫的作用氫是導(dǎo)致冷裂紋特別是其延遲特征的主要因素。氫脆（hydrogenembrittlement）a.氫的擴(kuò)散及HAZ聚積氫在金屬中的溶解在不同組織中的溶解在不同組織中的擴(kuò)散在致裂過(guò)程中的動(dòng)態(tài)行為:在致裂過(guò)程中的動(dòng)態(tài)行為:

焊縫與母材成分的不同,組織轉(zhuǎn)變先后時(shí)間不同—熔合線附近氫的富聚b.延遲特征機(jī)理:應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散模型(stress-inducediffusionmodel)試樣在受力過(guò)程中,會(huì)在裂紋敏感的部位形成有應(yīng)力集中的三向應(yīng)力區(qū),氫就極力向這個(gè)區(qū)域擴(kuò)散,應(yīng)力也隨之提高,當(dāng)些部位氫的濃度達(dá)到臨界值時(shí),就會(huì)發(fā)生啟裂和相應(yīng)擴(kuò)展。其后，氫又不斷向新的三向應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散。“延遲”性：因氫的擴(kuò)散聚集是time-dependentphnomenon3）拘束應(yīng)力restraintstresses冷裂紋與任何斷裂過(guò)程的產(chǎn)生一樣，總是受到外力或內(nèi)應(yīng)力的作用才得以產(chǎn)生的。a.熱應(yīng)力b.相變組織應(yīng)力c.結(jié)構(gòu)拘束應(yīng)力拘束度的概念R=Eh/L單位長(zhǎng)度焊縫上,對(duì)接接頭根部收縮單位長(zhǎng)度間隙所受的力.單位:N/mm.mm與板厚成正比,與拘束長(zhǎng)度成反比,與材料的楊氏模量有關(guān).與其它焊接條件無(wú)關(guān).焊接冷裂紋的控制a.控制組織硬化,降低HAZ組織淬硬程度：選擇鋼種后，根據(jù)化學(xué)成分決定Pcm或者CE，評(píng)定其冷裂傾向。調(diào)整焊接條件，以獲得適宜的焊接熱循環(huán)曲線，常用T8/5作為判據(jù)，當(dāng)選定焊接方法及焊接線能量之后，不能隨意變化，以防止過(guò)熱脆化。為了獲得需要的T8/5，而又不能改變焊接方法和焊接線能量時(shí)，可以采用預(yù)熱或后熱的方法。低合金高強(qiáng)鋼對(duì)接接頭的預(yù)熱：

σbw－焊縫金屬抗拉強(qiáng)度（kgf/mm2)；

δw－焊層厚度；

HD－焊縫金屬擴(kuò)散氫的含量。不同的焊接材料不同焊接方式有不同的預(yù)熱公式b.限制擴(kuò)散氫：

采用低氫或超低氫焊接材料；焊接材料必須按規(guī)定進(jìn)行烘干；在使用四個(gè)小時(shí)以后，必須再進(jìn)行烘干；工件表面必須防止有水分；預(yù)熱可以減少擴(kuò)散氫；“緊急”后熱，焊后盡快加熱，一般加熱到250。C,保溫12～24個(gè)小時(shí)，擴(kuò)散氫大部分逸出；采用奧氏體焊條，可以固溶較多的氫，限制氫擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于減少冷裂傾向，一般可以不預(yù)熱，要注意焊縫熱裂紋傾向。c.控制拘束應(yīng)力：制定施焊工藝時(shí)，應(yīng)力求減少拘束度，調(diào)整焊接循序，使焊縫有收縮的余地。預(yù)熱或后熱；低強(qiáng)度匹配焊接再熱裂紋（ReheatCracking）

再熱裂紋是指焊后對(duì)焊接接頭再次加熱（焊后熱處理或高溫服役）時(shí)所產(chǎn)生的開(kāi)裂現(xiàn)象。1.3.1焊接再熱裂紋的形成條件再熱裂紋的特征是沿晶開(kāi)裂；形成條件：

a.存在殘余應(yīng)力；

b.存在粗大的晶粒組織；

c.化學(xué)成分中有沉淀強(qiáng)化的元素，易導(dǎo)致晶界弱化；在焊后熱處理時(shí)，應(yīng)力松弛引起的松弛應(yīng)變超過(guò)材料的蠕變塑性，在有晶界弱化的條件下，即出現(xiàn)沿晶的再熱裂紋。焊接再熱裂紋的影響因素

a.化學(xué)成分的影響；

b.雜質(zhì)的影響；

c.拘束應(yīng)力的影響；

d.焊接工藝的影響；

e.焊接熱處理工藝的影響；焊接再熱裂紋的控制措施

a.正確選擇對(duì)再熱裂紋不敏感的材料；

b.控制焊接工藝；采用低強(qiáng)焊縫、控制適宜的線能量、采用回火焊道、調(diào)整施焊方式減少焊接應(yīng)力；

c.焊縫熱處理工藝；采用低溫后熱處理、分段后熱處理、提高加熱速度、完全正火處理；

d.改進(jìn)焊接接頭、減少拘束應(yīng)力和防止應(yīng)力集中；9-4焊縫中的氣孔與夾雜物一、焊縫中的氣孔氣孔是焊接生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的一種缺陷，在碳鋼、高合金鋼和有色金屬的焊縫中，都有出現(xiàn)氣孔的可能。焊縫中的氣孔不僅削弱焊縫的有效工作截面積，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)應(yīng)力集中，從而降低焊縫金屬的強(qiáng)度和韌性，對(duì)動(dòng)載強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度更為不利。在個(gè)別情況下，氣孔還會(huì)引起裂紋。焊縫中的氣孔分類(1)析出型氣孔

1)氫氣孔

2)氮?dú)饪?2)反應(yīng)型氣孔

1)CO氣孔[C]+[O]=CO

[FeO]+[C]=CO+[Fe]

2)H2O氣孔[Cu20]+2[H]＝2[Cu]+H2O

[Ni20]t2[H]=2[Ni]+H2O影響焊縫形成氣孔的因素(1)冶金因素的影響

1)熔渣氧化性的影響

2)焊條藥皮和焊劑成分的影響

3)鐵銹及水分的影響(2)工藝因素的影響

1)焊接工藝參數(shù)的影響

2)電流種類和極性的影響

3)工藝操作方面的影響防止焊縫中形成氣孔的措施

(1)消除氣體來(lái)源(2)正確選用焊接材料(3)控制焊接工藝條件二、焊縫中的夾雜物

焊縫金屬中有夾雜物的存在不僅降低了焊縫金屬的塑性，增大低溫脆性，降低韌性和疲勞強(qiáng)度，還會(huì)增加熱裂紋傾向。因此，在焊接生產(chǎn)中必須限制夾雜物的數(shù)量、大小和形