1、1,焊接裂紋,2,隨著各種HSLA鋼，中、高合金鋼，以及各種合金材料的廣泛應(yīng)用，在焊接生產(chǎn)上帶來了許多新的問題，其中較為普遍而又十分重要的是焊接裂紋。 焊接裂紋不僅給生產(chǎn)帶來許多困難，而且可能帶來災(zāi)難性的事故。,3,據(jù)統(tǒng)計，世界上焊接結(jié)構(gòu)所出現(xiàn)的各種事故中，除少數(shù)是由于設(shè)計不當(dāng)、選材不合理和運行操作上的問題外，絕大多數(shù)是由裂紋而引起的脆性破壞。 因此，裂紋是引起焊接結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。,4,在焊接生產(chǎn)中由于鋼種和結(jié)構(gòu)類型的不同，可能出現(xiàn)各種裂紋。裂紋的形態(tài)和分布很復(fù)雜，有焊縫的表面裂紋、內(nèi)部裂紋，有熱影響區(qū)的橫向裂紋、縱向裂紋，有焊縫和焊道下的深埋裂紋，也有在弧坑處出現(xiàn)的所謂弧坑裂紋。 按照裂

2、紋產(chǎn)生的本質(zhì)，可以將焊接裂紋分為五大類。,5,熱裂紋 再熱裂紋 冷裂紋 層狀撕裂 應(yīng)力腐蝕破裂,6,1. 熱裂紋,在高溫下產(chǎn)生的沿A晶界開裂。 從低碳鋼、低合金鋼，到奧氏體不銹鋼、鋁合金和鎳基合金等都有產(chǎn)生熱裂紋的可能 。,結(jié)晶裂紋 液化裂紋 多邊化裂紋,7,1.1 結(jié)晶裂紋 Solidification Cracking,焊縫結(jié)晶過程中，在固相線附近，由于凝固金屬的收縮，殘余的液體金屬不足，不能及時填充，在拉應(yīng)力作用下發(fā)生沿晶開裂，故稱結(jié)晶裂紋。,8,多數(shù)情況下，結(jié)晶裂紋發(fā)生在焊縫斷面上，可以看到有氧化色彩，表明這種裂紋是在高溫下產(chǎn)生的。結(jié)晶裂紋大部分沿焊縫樹枝狀結(jié)晶的交界處產(chǎn)生和發(fā)展，最常

3、見于沿焊縫中心長度方向開裂。,9,1.1.1 機理,焊縫結(jié)晶過程中，因合金的選分結(jié)晶，先結(jié)晶的金屬比較純，后結(jié)晶的金屬雜質(zhì)較多，并富集于晶界上，且這些雜質(zhì)大都具有較低的熔點。 例如，一般碳鋼和低合金鋼的焊縫含硫量較高時，能形成硫化鐵（FeS），而FeS又能與Fe形成熔點只有988的低熔點共晶。 鋼中的磷、硅等也具有形成低熔點共晶的作用，此外在不銹鋼和耐熱鋼中，硫、磷、硼、鋯等也都能形成低熔點共晶。,10,在焊縫金屬凝固的過程中，低熔點共晶被排擠在晶界上形成一種所謂“液態(tài)薄膜” 。在焊縫金屬結(jié)晶的過程中，由于收縮而受到了拉伸應(yīng)力，這時焊縫中的液態(tài)薄膜就成了薄弱地帶。在拉伸應(yīng)力的作用下就有可能產(chǎn)生

4、開裂而形成結(jié)晶裂紋。,11,拉伸應(yīng)力是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的必要條件 液態(tài)薄膜是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的根本原因 但是當(dāng)液態(tài)薄膜的數(shù)量超過一定的界限之后，反而具有“愈合”裂紋的作用。也就是說，低熔共晶數(shù)量較多時，反而不產(chǎn)生裂紋，它可以自由流動，填充有縫隙的部位。例如，焊接某些高強鋁合金時，為了防止熱裂紋，常采用含硅5%的鋁硅合金焊絲，就是利用低熔共晶的“愈合”作用來消除裂紋的。,12,結(jié)晶裂紋只有在一定的溫度區(qū)間內(nèi)才會產(chǎn)生，該溫度區(qū)間稱,當(dāng)熔池開始結(jié)晶時，有較多的液態(tài)金屬，它們可以在晶粒間自由流動，此時雖然有拉伸應(yīng)力存在，但被拉開的縫隙能及時地被流動著的液態(tài)金屬填滿，因此不會產(chǎn)生裂紋。,脆性溫度區(qū)間,13,當(dāng)熔

5、池結(jié)晶進入到固液階段時，由于液態(tài)金屬少（主要是那些低熔點共晶），溫度較低流動性變差，無法填充在拉伸應(yīng)力作用下產(chǎn)生的縫隙，因而易產(chǎn)生裂紋，這個區(qū)稱為“脆性溫度區(qū)”。 熔池金屬完全凝固之后形成的焊縫，受到拉伸應(yīng)力時，表現(xiàn)出有較好的強度和塑性，不易產(chǎn)生開裂。,14,1.1.2 影響結(jié)晶裂紋的因素,冶金因素對產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響,影響結(jié)晶裂紋的因素可歸納為冶金因素和力學(xué)因素兩個方面。,被焊金屬的合金狀態(tài)圖類型、化學(xué)成分和焊縫的組織形態(tài)等對結(jié)晶裂紋有重要影響。,15,合金狀態(tài)圖類型和結(jié)晶溫度區(qū)間,隨著合金元素含量的增加，結(jié)晶溫度區(qū)間增大，同時脆性溫度區(qū)的范圍（圖中的陰影部分）也增大，因此熱裂紋傾向也會增加

6、。一直到S點，此時結(jié)晶溫度區(qū)間最大，脆性溫度區(qū)也最大，裂紋傾向亦最大。當(dāng)合金元素進一步增多時，結(jié)晶溫度區(qū)間和脆性溫度區(qū)反而減小，所以裂紋傾向也降低。,16,雖然合金狀態(tài)圖的類型各有不同，但對產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向卻都有共同的規(guī)律，即裂紋傾向隨結(jié)晶溫度區(qū)間（即脆性溫度區(qū)）的增加而增大,17,合金元素,合金元素對結(jié)晶裂紋的影響十分復(fù)雜，但又非常重要，是影響裂紋的最本質(zhì)的因素。應(yīng)當(dāng)指出，多種元素的相互影響，往往比單一元素復(fù)雜的多，有時甚至是彼此矛盾的。這里僅就碳鋼和低合金鋼中合金元素對結(jié)晶裂紋的影響作一概括介紹。,18,硫和磷,S、P在鋼中能形成多種低熔共晶，使結(jié)晶過程中極易形成液態(tài)薄膜，因而幾乎在各類

7、鋼中都會增高結(jié)晶裂紋的傾向。S和P在鋼中還是一種極易形成偏析的元素，幾乎對各種焊接裂紋都比較敏感，因而，用于焊接結(jié)構(gòu)的鋼材都要對硫磷嚴(yán)格控制。近年來出現(xiàn)的細(xì)晶粒鋼和控軋鋼，都具有較高的抗裂性能，因為這些鋼中的含硫、磷和碳都很低。,19,碳是鋼中影響結(jié)晶裂紋的主要元素，并能加劇其它元素的有害作用，因而常采用碳當(dāng)量作為評價鋼種焊接性的尺度。 碳在鋼中的含量大于0.17%（包晶點）時，隨含碳量的增加，結(jié)晶溫度區(qū)間是增加的，因而增大了結(jié)晶裂紋的敏感性。此外，當(dāng)含碳量大于0.17%時，磷的有害作用顯著，故也增大了結(jié)晶裂紋的傾向。,碳,20,wC0.53%時，初生相就僅為A相了。,碳在鋼中的含量不同，初生

8、相也不同，因而影響結(jié)晶裂紋的傾向不同。,21,H: 0.10%,J: 0.17%,B: 0.53%,22,相和A相中硫、磷的最大溶解度是不同的。隨著含碳量的增加，初生相由相轉(zhuǎn)為A相，硫和磷的溶解度降低，析出的硫、磷會富集于晶界上，從而增加裂紋傾向。,硫和磷在鋼中的溶解度,23,錳 錳具有脫硫的作用，同時也能改善硫化物的分布狀態(tài)，使薄膜狀FeS改變?yōu)榍驙罘植?，從而提高了焊縫的抗裂性。為了防止硫引起的熱裂紋，隨著鋼中含碳量的增加，要相應(yīng)增加Mn/S 的比值。 硅 硅是相形成元素，利于消除結(jié)晶裂紋，但硅含量超過0.4%時，容易形成硅酸鹽夾雜，從而增加了裂紋傾向。,24,鈦、鋯和稀土 鈦、鋯和鑭、鈰等

9、稀土元素能與硫形成高熔點的硫化物。例如，TiS的熔點為20002100、ArS熔點為2100、La2S3的熔點為2000以上、CeS的熔點為2450，這些硫化物的熔點比MnS（熔點為1650）還要高，消除熱裂紋的效果也更好。 鎳 鎳在低合金鋼中易與硫形成低熔共晶（NiNi3S2共晶的熔點僅為650），因而會引起熱裂紋。但鋼中加入錳、鈦等合金元素后，可以抑制硫的有害作用。,25,焊縫的組織形態(tài),焊縫結(jié)晶后，晶粒大小、形態(tài)和方向，以及析出的初生相等對抗裂紋都有很大的影響。晶粒越粗大，柱狀晶的方向越明顯，則產(chǎn)生熱裂紋的傾向就越大。為此，常在焊縫及母材中加入一些可以細(xì)化晶粒的合金元素（如Ti、Mo、V

10、、Nb、Al及Re等），一方面可以破壞液態(tài)薄膜的連續(xù)性，另一方面還可以打亂柱狀晶的方向。焊接奧氏體不銹鋼時，希望得到+A雙相焊縫組織，因為焊縫中有少量相可以細(xì)化晶粒，還打亂了奧氏體粗大柱狀晶的方向性，所以能夠提高焊縫的抗裂性。,26,2)力學(xué)因素對產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響,金屬的強度決定于其晶內(nèi)斷裂強度G和晶間斷裂強度0，它們都隨溫度升高而降低，其中0下降更快。當(dāng)溫度達到T0時，G=0，為等強溫度。當(dāng)溫度高于T0時，G0，此時如發(fā)生斷裂必然是晶間斷裂，焊接時的熱裂紋就屬于這種性質(zhì)。,27,如果焊接時焊縫上所承受的拉伸應(yīng)力為2，隨著溫度的變化始終低于0，則不會產(chǎn)生裂紋。 若焊縫所承受的拉伸應(yīng)力為1，在

11、某一溫度時1超過了金屬的晶間強度，就會產(chǎn)生裂紋。這是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的充分條件。,28,1.1.3 防止結(jié)晶裂紋的措施,焊接生產(chǎn)時產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響因素很多，因此應(yīng)抓住具體情況下的主要矛盾。 從冶金上減小熔池的結(jié)晶溫度區(qū)間，控制液態(tài)薄膜的數(shù)量； 另一方面在焊接工藝上盡量減少焊接應(yīng)力。,29,合金因素方面,為了消除它們的有害作用，應(yīng)盡可以限制母材和焊接材料中的硫、磷、碳的含量，S、P的含量不得超過0.030.04%。用于低碳鋼和低合金鋼的焊絲含碳量一般不得超過0.12%。焊接高合金鋼時要求更加嚴(yán)格，硫、磷含量必須控制在0.03%以下，焊絲中的含碳量也要嚴(yán)格限制，甚至要求采用超低碳焊絲（0.030.0

12、6%）。 一些重要的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)采用堿性焊條或焊劑，以有效地控制有害雜質(zhì)，防止結(jié)晶裂紋。,控制焊縫中硫、磷、碳等有害雜質(zhì)的含量,30,向焊縫中加入細(xì)化晶粒的元素，如Mo、V、Ti、Nb、Al、稀土等。在焊接奧氏體不銹鋼時，為了提高抗裂性、抗腐蝕性，希望得到+A雙相焊縫組織（相控制在5%左右）。 焊接某些結(jié)晶裂傾向較大的材料（如高強鋁合金）時，特意增多焊縫中易熔共晶的數(shù)量，使之具有“愈合”裂紋的作用，也是防止結(jié)晶裂紋的有效方法。,改善焊縫組織、細(xì)化晶粒,31,工藝因素方面,焊接規(guī)范、預(yù)熱、接頭型式和焊接次序等，改善焊縫上的應(yīng)力狀態(tài)。 焊接工藝規(guī)范 適當(dāng)增加焊接熱輸入和提高預(yù)熱溫度，可以減小焊接應(yīng)力

13、，從而降低結(jié)晶裂傾向。但增加E會使近縫區(qū)的金屬過熱，提高預(yù)熱溫度又會惡化勞動條件，所以采用這種方法是有限度的。,32,接頭型式 焊接接頭型式將影響接頭的受力狀態(tài)、熔池的結(jié)晶條件和熱的分布等，因而會影響結(jié)晶裂傾向，這一點在設(shè)計和施工時應(yīng)特別注意。 表面堆焊和熔深較淺的對接焊縫（圖a，b）抗裂性較高；在焊接熔深較大的對接和各種角焊縫（包括搭接、T型接頭和外角接焊縫等）時，如圖c、d、e、f所示，因為這些焊縫所承受的應(yīng)力正好作用在焊縫的結(jié)晶面上，故易引起裂紋。,33,焊接次序 施工時焊接次序是很重要的，同樣的焊接方法和焊接材料，只是因為焊接次序不同，可能具有不同的結(jié)晶裂紋傾向?？偟脑瓌t是盡量使大多數(shù)

14、焊縫能在較小剛度的條件下焊接，使焊縫的受力較小。,34,1.2 液化裂紋 Liquation Cracking,在焊接熱循環(huán)作用下，母材上近縫區(qū)和多層焊的層間金屬中，因含有低熔共晶（S、P、Si、Ni等）被重新熔化，在收縮應(yīng)力作用下，沿奧氏體晶間產(chǎn)生開裂。 液化裂紋是在高溫下產(chǎn)生的，并沿A晶間斷裂，故是熱裂紋的一種。,35,液化裂紋主要發(fā)生在含Cr、Ni的高強鋼，A鋼及某些Ni基合金的近縫區(qū)或多層焊層間的金屬中，若母材或填充金屬中S、P、Si、C含量偏高，液化裂紋傾向會增加。 這種裂紋一般產(chǎn)生于HAZ靠近熔合線處，沿A晶間開裂，長度和深度在一個到幾個晶粒范圍內(nèi)，常小于0.5mm，大多不超過1m

15、m。 液化裂紋常為冷裂紋的裂紋源。,36,1.3 多邊化裂紋,焊縫或近縫區(qū)在固相線溫度以下的高溫區(qū)間，由于剛凝固的金屬存在很多晶格缺陷和嚴(yán)重的物理和化學(xué)不均勻性，在一定溫度和應(yīng)力作用下，因晶格缺陷的移動和聚集，便形成了二次邊界（多邊化邊界），在此邊界上堆積了大量的晶格缺陷、組織疏松，高溫時強度和塑性都很低，只要此時受少許拉伸變形，就會沿多邊化的邊界開裂，產(chǎn)生多邊化裂紋，又稱高溫低塑性裂紋。,37,多邊化裂紋是熱裂紋的一種，它的產(chǎn)生與液態(tài)薄膜無關(guān)，是由于晶格缺陷的存在使金屬在高溫下塑性低（失塑），在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的。 這種裂紋多發(fā)生在純金屬和單相A合金的焊縫或近縫區(qū)中。,38,2. 再熱裂紋 R

16、eheat Cracking,含有沉淀強化元素的鋼種在焊后再次加熱時，在HAZ的粗晶區(qū)產(chǎn)生的裂紋，這種裂紋是在焊后重新加熱過程中產(chǎn)生的，故稱再熱裂紋。 最早發(fā)現(xiàn)于消除應(yīng)力熱處理中，故又稱消除應(yīng)力處理裂紋，Stress Relief Cracking，簡稱SR裂紋。,39,2. 1 機理,晶內(nèi)強化理論,粗晶區(qū)不僅晶粒粗大，且難熔碳化物因溫度高(1800Tm)而溶入A，當(dāng)再次在500700 加熱時，晶內(nèi)析出沉淀硬化相，而晶界相對弱化。同時，加熱使應(yīng)力發(fā)生松馳，在應(yīng)力集中區(qū)域（熔合區(qū)及粗晶區(qū)）會產(chǎn)生較大的附加變形，如果粗晶區(qū)的蠕變塑性不足，不能適應(yīng)應(yīng)力松馳所致的附加變形，則沿相對弱化的晶界開裂。,4

17、0,晶界弱化說,晶界上雜質(zhì)偏聚引起脆化，在應(yīng)力松馳過程中開裂。 主要雜質(zhì)有S、P、Sb、Sn、As等,蠕變損傷說,再熱過程中的應(yīng)力松馳是應(yīng)力逐步隨時間降低的蠕變現(xiàn)象，可直接用蠕變損傷理論來解釋SR裂紋。,41,楔劈開裂模型,晶粒相對移動時，沿晶界發(fā)生應(yīng)力松馳，致使三晶交接頂角處應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋。,42,空穴開裂模型,晶界滑動時優(yōu)先在垂直于拉伸應(yīng)力的晶界上形成空穴核心（不是特別擇優(yōu)于三晶粒頂角），然后孤立長大聚合而形成橫向裂紋。,43,2.2 防止途徑,預(yù)熱及焊后熱處理 減小殘余應(yīng)力及過熱區(qū)硬化 控制熱輸入 增加焊接熱輸入可防止硬脆組織，但易引起粗晶脆化,44,低匹配 形成高塑性的焊縫金屬，減

18、小近縫區(qū)的應(yīng)力集中 退火重熔焊道 TIG重熔焊縫表層，可減小殘余應(yīng)力 消除應(yīng)力集中源 削除焊縫堆高、咬邊、根部未焊透等應(yīng)力集中源后，可顯著減小近縫區(qū)的應(yīng)力集中,45,3. 冷裂紋 Cold Cracking,焊后在較低溫度下產(chǎn)生（-100100 ），多有延遲性。 主要發(fā)生在高碳鋼、中碳鋼、低合金或中合金高強鋼的HAZ，有些金屬材料，如合金成份較高的超高強鋼、 Ti及Ti合金有時冷裂紋亦產(chǎn)生于WM。,46,3.1 機理,引起延遲裂紋的三大因素：,鋼種的淬硬傾向 焊接接頭的含量及其分布 焊接拘束應(yīng)力,47,鋼種的淬硬傾向,脆硬的片M組織 淬硬會產(chǎn)生較多的晶格缺陷,48,氫的作用,49,HAZ的缺陷處存在應(yīng)力集中，H會向缺陷處擴散，使此處的應(yīng)力進一步增高，當(dāng)H濃度達到臨界值時，三向應(yīng)力會使金屬間的連接(金屬鍵)破壞，產(chǎn)生裂紋。 H致裂紋具有延遲性。,延遲性,50,易產(chǎn)生于HAZ,焊縫的含碳量通常比母材低，所以焊縫的A3比HAZ高； 焊縫先發(fā)生過冷A轉(zhuǎn)變，而HAZ仍處于A狀態(tài)；,HAHF DADF 焊縫中的H會穿過熔合線向HAZ擴散，使A中富H,A,A,F,M,若富H的A轉(zhuǎn)變成M，則H不易擴散出去，保留在M中，使之進一步脆化。 若富H的A轉(zhuǎn)變成F+滲碳體，則H可能擴散逸出，冷裂紋敏感性降低。,52,焊接不均勻加熱和冷卻產(chǎn)生的熱應(yīng)