1、焊接成型原理課課件焊接成型原理課課件 第四章 焊接冶金缺陷氣孔焊接熱裂紋 冷裂紋其它焊接裂紋簡介4.14.24.34.4 第四章 焊接冶金缺陷氣孔焊接熱裂紋 冷裂4.1 氣孔 4.1.1形成氣孔的條件 氣孔是指焊縫表面或內部形成的連續的或不連續的孔洞。是由于熔池金屬中的氣體在金屬結晶凝固前未能及時逸出，從而以氣泡的形式殘留在凝固的焊縫金屬內部或出現在焊縫表面。 氣孔的形成是多種氣體(包括CO、H2和N2)共作用的結果，但通常其中一種氣體是氣孔內氣體的主要成分。形成氣孔時包括三個階段：氣泡的生核、長大和上浮。4.1 氣孔 4.1.1形成氣孔的條件圖4-1 氣孔形成過程示意圖圖4-1 氣孔形成過程

2、示意圖1氣泡生核 氣泡生核應具備的條件： （1）液體金屬中有過飽和的氣體； （2）生核要有能量消耗。 在實際焊接過程中，在凝固著的熔池金屬中存在大量的現成表面(如一些高熔點的質點、熔渣和凝固了的枝晶表面等)可作為氣泡生核的襯底，如相鄰枝晶間的凹陷處是最易產生氣泡的部位(見圖1-30)，形成氣孔所需要的能量最小。液態金屬中氣體的過飽和度越大，越易產生氣孔，且氣泡穩定存在的臨界半徑也越小。1氣泡生核2氣泡長大 一旦形成穩定的氣泡后，周圍的氣體可繼續擴散進入氣泡使之長大。設氣泡臨界半徑為rc，氣泡成核后要能長大必須滿足如下條件 Pn P0 （4-1） 式中，Pn 為氣泡內各種氣體分壓的總和。 （4-

3、2） 2氣泡長大 實際上具體情況下只有一種氣體起主要作用。 P0為阻礙氣泡長大的外界壓力總和 P0 = Pa + Pm + Ps + Pc （4-3） 其中Pa 、Pm 、Ps 和 Pc分別為大氣壓、金屬、熔渣的靜壓力和表面張力所構成的附加壓力。 一般情況Pm 和Ps的數值相對不大，可忽略不計，故氣泡長大條件應為: （4-4） 實際上具體情況下只有一種氣體起主要作用。其中， 式中，為金屬與氣體間的界面張力，為氣泡半徑。 可見，氣泡半徑越小，附加壓力越大，氣泡很難穩定存在和長大；但當氣泡在現成表面上生核時，氣泡為橢圓形，因此曲率半徑較大，使附加壓力大大降低，有利于氣泡長大。其中， 3氣泡上浮當氣

4、泡長大到一定程度后，便會脫離現成表面開始上浮，如圖4-2所示。氣泡脫離現成表面而上浮的能力主要與氣泡和現成表面之間的接觸角有關，而接觸角的大小則取決于現成表面(S)與氣泡(V)之間的界面張力SV、現成表面與熔池金屬(M)間的界面張力SM和熔池金屬與氣泡間的界面張力MV的大小，即 (4-5)3氣泡上浮圖4-2 氣泡拖脫離襯底表面示意圖 1-襯底；2-液體圖4-2 氣泡拖脫離襯底表面示意圖 當90時，氣泡要長大到形成頸縮后才有可能脫離基底。氣泡上浮并非就能避免氣孔的形成，關鍵是要看氣泡的上浮速度和液體金屬凝固速度相對大小；如果上浮速度小于凝固速度，則氣泡仍將殘留在金屬中。反之則可能浮出熔池。因此，

5、產生氣孔的最后條件為 VV R （4-6） 式中，R為熔池金屬的凝固速度，VV為氣泡上浮 速度。 當R的條件，則可以完全消除氣孔。 (3)由于氣泡密度V遠小于液體金屬的密度 4.1.2 氣孔類型及其形成原因 1析出型氣孔 析出型氣孔是指，高溫時熔池金屬中溶解了較多的氣體，凝固時由于氣體的溶解度突然下降，氣體處于過飽和來不及逸出而引起的氣孔，過飽和氣體主要是從外部侵入熔池的氫和氮。4.1.2 氣孔類型及其形成原因 形成原因：液體金屬在高溫下能溶解較多的氣體(如氫和氮)，一般來說，其溶解度隨溫度的升高而增加，在金屬的冷卻凝固過程中，溶解度則隨溫度的下降而降低，當熔池金屬冷到開始結晶時，溶解度將發生

6、大幅度的突然下降。此時氣體大量析出形成氣泡，如果氣泡的上浮速度小于金屬結晶速度，則將生成氣孔。因此，凝固過程中氣體溶解度的陡降是引起這類氣孔的根本原因，其溶解度的變化特性將是影響析出性氣孔產生傾向的主要因素。對大部分金屬來說，易于溶解的氫最容易在焊縫中形成氣孔。形成原因：液體金屬在高溫下能溶解較多的氣體(如氫和氮)，一般 但由于氫的溶解度變化特性不同，在不同金屬中氫氣孔的傾向也相差較大。例如凝固溫度時，平衡條件下，氫在鋁中的溶解度由0.69mL100g陡降到0.036mL100g，凝固前后相差約18倍，而氫在鐵中的溶解度由25mLl00g陡降到8mL100g，其差值僅為固態中的2倍，顯然鋁比鋼

7、更易產生氫氣孔。 氫氣孔通常出現在焊縫表面，氣孔的端面形狀如同螺釘狀，從表面看呈喇叭口形，內壁光滑。但鋁、鎂合金的氫氣孔也常常出現在焊縫內部。 但由于氫的溶解度變化特性不同，在不同金屬中 空氣是焊接區域氮的唯一來源，因此，如果采取有效的保護，氮不會成為形成氣孔的主要原因。 關于氮氣孔的形成，一般認為其原因與氫的情況類似，即由于凝固前后溶解度的突變而引起。氣孔的位置也多在焊縫表面，且常常成堆出現，外觀與蜂窩很相似，但在焊接實際生產中完全由氮引起氣孔并不多見。 空氣是焊接區域氮的唯一來源，因此，如果采取有效的 2反應型氣孔 反應型氣孔是指由于冶金反應產生的不溶解于金屬的氣體，如CO和H2O等引起的

8、氣孔。 鋼焊接時，鋼中的氧或氧化物與碳反應后能生成大量CO，例如 C+O = CO (4-8) FeO+C = CD+Fe (4-9) MnO+C = CO+Mn (4-10) SiO2+2C = 2CO+Si (4-11) 2反應型氣孔形成原因：如果上述反應發生在高溫液態金屬中，則由于CO完全不能溶于鋼液，將以氣泡的形式從熔池金屬中高速上浮逸出，不易形成氣孔。但當熔池冷卻凝固時，由于鐵碳合金溶質濃度在固液界面的偏析，造成在結晶前沿和枝晶間氧化鐵和碳濃度的局部增高，有利于反應(4-9)的進行，因液體金屬正處于凝固過程，熔池金屬的粘度迅速增大，故生成的CO氣泡很難浮出，成為殘留在焊縫中的CO氣孔

9、。CO氣孔通常沿結晶方向分布，就像條蟲似地臥在焊縫內部。形成原因：如果上述反應發生在高溫液態金屬中，則由于CO完全不 4.1.3 氣孔的防止 從形成氣孔的原因和條件分析，防止焊縫氣孔的措施應該是：(1)限制熔池中氣體的溶人或產生；(2)排除熔池中已溶人的氣體。 1消除氣體來源 (1)母材表面清理 工件及焊絲表面的氧化膜、鐵銹、油污和水分均可在焊接過程中向熔池提供氧和氫，它們的存在常是焊縫形成氣孔的重要原因。故焊前應將其嚴格清理。 4.1.3 氣孔的防止 (2)焊接材料防潮與烘干 焊條與焊劑受潮或烘干不足而殘留的水分，對氣孔的產生也有顯著的影響，特別是低氫焊條對吸潮很敏感，所以對焊條和焊劑的烘干

10、必須高度重視，烘干后的保存時間也要嚴格掌握。一般堿性焊條的烘干溫度為350450，酸性焊條為200左右。 (3)加強保護 空氣入侵熔池是形成氣孔的原因之一，特別是氮氣孔。對手工電弧焊，關鍵是要保證引弧時的電弧穩定性和藥皮的完好及其發氣量。氣體保護焊時，關鍵是要保證足夠的氣體流量、氣體純度。 (2)焊接材料防潮與烘干2正確選用焊接材料 焊接材料的選用對防止氣孔十分重要。從冶金性能看，焊接材料的氧化性與還原性的平衡對氣孔有顯著的影響。在焊接材料中，有的具有很大的氣孔敏感性，而有的則對氣孔不敏感。 3優化焊接工藝 焊接工藝參數主要有焊接電流、電壓和焊接速度，增大電流或線能量能增長熔池存在時間，有利于

11、氣體排出，但也有利于氣體的溶人，特別是電流增大后使熔滴變細，熔滴更易于吸收氣體，反而加大了氣孔敏感性。2正確選用焊接材料 焊接工藝參數的影響是復雜的，這些參數應有最佳值，而不是簡單地增大或減小的問題。手工電弧焊時，如果電弧電壓過高，會使空氣中的氮侵入熔池，出現氮氣孔。焊接速度太大，由于增大了熔池凝固速度，使氣泡上浮時間減少而殘留在焊縫中形成氣孔。 對反應型氣體而言，應重視創造易于氣體排出的條件，可適當增大線能量或進行預熱，增大熔池存在時間以便使氣體能排出。焊接過程不正常，特別是電弧不穩定或失去正常保護作用時，均增大外圍氣體溶入的可能性。Contents 焊接工藝參數的影響是復雜的，這些參數應有

12、最佳 4.2 焊接熱裂紋 4.2.1 熱裂紋的特征與類型 熱裂紋(Hot Cracking)是高溫下在焊縫金屬和焊接熱影響區中產生的一種沿晶裂紋，研究表明，結晶裂紋都是沿焊縫中的樹枝晶交界處發生的，如圖4-3所示。最常見的是沿焊縫中心的縱向裂紋，示于圖4-4和4-5。 4.2 焊接熱裂紋 4.2.1 熱裂紋的圖4-3 焊縫中結晶裂紋的分布 圖4-3 焊縫中結晶裂紋的分布 圖4-4 焊縫中結晶裂紋 圖4-4 焊縫中結晶裂紋圖4-5 沿焊縫中心的縱向裂紋圖4-5 沿焊縫中心的縱向裂紋 根據金屬斷裂理論，在高溫階段當晶間延性或塑性變形能力不足以承受當時發生的應變時，即發生高溫沿晶斷裂。從一些金屬凝固

13、冷卻過程中的塑性變化曲線上可以看到存在兩個低塑性區，見圖4-6。圖4-6 低碳鋼高溫塑性變化曲線 根據金屬斷裂理論，在高溫階段當晶間延性或 根據該圖上的兩個“脆性溫度區間”，相應出現兩種類型的熱裂紋： (1)裂紋產生于凝固后期的脆性溫度區間內，稱結晶裂紋或凝固裂紋，其斷口形貌不同于一般固態下的沿晶斷口。由于產生時晶間尚有液膜存在，故斷口具有明顯的樹枝狀突起的特征； (2)裂紋產生于固態下的脆性溫度區間內(處于奧氏體再結晶溫度附近)，稱失塑裂紋。由于產生時無液膜存在，故其斷口特征為沿著平坦的界面開裂，而且在斷開的界面上往往存在許多帶有硫化物的孔穴。 根據該圖上的兩個“脆性溫度區間”，相應出現兩

14、還有一些特殊情況下形成的熱裂紋。一種是與液膜有關的，近縫區在過熱條件下，晶間也會出現局部熔化，也會出現由于晶間液膜分離而導致開裂，這種熱裂紋稱為液化裂紋，如圖4-7。 另一種是在離結晶前沿不遠的固相中，由位錯運動導致的多邊化引起的熱裂紋，稱多邊化裂紋。這種裂紋較為罕見，往往產生于一些與雜質富集部位重疊的多邊化邊界，尺寸很小，主要發生于一些殊的單相合金中，如單相鎳鉻奧氏體鋼和鎳基合金中。 還有一些特殊情況下形成的熱裂紋。一種是與液圖4-7 液化裂紋圖4-7 液化裂紋 4.2.2 凝固裂紋（結晶裂紋） 1.形成機理 在焊縫金屬凝固結晶的后期，低熔點共晶被排擠在柱狀晶體交遇的中心部位，形成一種“液態

15、薄膜”（Liguation film），此時由于受到了拉伸應力，這時 焊縫中的液態薄膜就成了薄弱地帶。在拉伸應力的作用下就有可能在這個薄弱地帶開裂而形成結晶裂紋。 4.2.2 凝固裂紋（結晶裂紋） 1.形成機理 2.結晶裂紋的形成過程 凝固裂紋的產生傾向主要取決于材料本身在凝固過程中的變形能力。凝固總要經歷從液-固態(液相占主要部分)到固液態(固相占主要部分)再到完全凝固的轉變。 在液固態時，如果發生變形，可依靠液相的自由流動來完成，少量的固相晶體只是稍作移動即可，本身形狀基本不變， 2.結晶裂紋的形成過程 固相晶體之間的間隙能及時被流動的液態金屬所填充，因而在該階段不會形成裂紋。在固液態時，

16、焊縫以凝固的固相晶體為主，枝晶已生長到相碰，并局部聯生，形成封閉的液膜，使少量的液態金屬(主要是低熔點合金)的自由流動受到限制；此時當凝固收縮引起晶間液膜拉開后，就無法彌補，形成裂紋。故把該階段所處的溫度區間稱為“脆性溫度區間”，如圖4-8所示。固相晶體之間的間隙能及時被流動的液態金屬所填充，因而在該階圖4-8 熔池結晶的階段及脆性溫度區圖4-8 熔池結晶的階段及脆性溫度區 在完全凝固時，焊縫金屬受到拉伸應力時，就會表現出較好的強度和塑性，很難發生裂紋。 綜上所述，當溫度高于或低于ab之間的脆性溫度區時，焊縫金屬都有較大的抵抗結晶裂紋的能力，因此具有較小的裂紋傾向。 但當焊縫中低熔點共晶較多時

17、，反而不產生裂紋，它可以自由流動，填充有裂口的部位，從而起到“愈合”作用。 在完全凝固時，焊縫金屬受到拉伸應力時，就會表現出較好的3.產生結晶裂紋的條件 焊縫在脆性溫度區內所承受的拉伸應變大于焊縫金屬所具有的塑性，或說焊縫金屬在脆性溫度區內的塑性儲備量小于零時就會產生結晶裂紋。3.產生結晶裂紋的條件4.結晶裂紋形成的影響因素與防止(1)冶金因素合金狀態圖的類型和結晶溫度區間結晶裂紋傾向的大小隨合金狀態圖結晶溫度區間的增大而增加（圖4-18）。隨合金元素的增加，結晶溫度區間和脆性溫度區也增大。因此結晶裂紋的傾向也增加。成分位于S點時，結晶溫度區間和脆性溫度區達到最大，此時裂紋敏感性也最大。當合金

18、元素進一步增加時，結晶區間和脆性溫度區反而減小，所以裂紋傾向也隨之降低。4.結晶裂紋形成的影響因素與防止焊接成型原理課課件一次結晶組織及其形態對凝固裂紋的影響 初生相的結構能影響到雜質的偏析和晶問層的性質。例如，當鋼中為初生相為時比時溶解更多的S和P(S、P的最大溶解度在占相中為0.18、2.8；而在相中為0.05、0.25)，因此初生相為的鋼材比初生相為的鋼材更易產生凝固裂紋。 當初生相為粗大的方向性很強的柱狀晶時，則會在晶界上集中較多的低熔點雜質，并形成連續的弱面，增加裂紋傾向。一次結晶組織及其形態對凝固裂紋的影響 當對金屬進行細化晶粒的變質處理后，不僅打亂了柱狀晶的方向性，而且晶粒細化后

19、晶界明顯增多，減少了雜質的集中程度，有效地降低了凝固裂紋的傾向。 例如焊接18-8型不銹鋼，希望在焊縫凝固過程中析出一定數量的一次鐵素體(通常35相)來減少S、P的偏析、細化一次組織，并打亂奧氏體的粗大柱狀晶的方向，降低其凝固裂紋的傾向（圖4-19）。 改善焊縫凝固結晶、細化晶粒是提高抗裂性的重要途徑。廣泛采用的辦法是向焊縫中加入細化晶粒元素(如Mo、V、Ti、Nb、Zr、稀土等)。 當對金屬進行細化晶粒的變質處理后，不僅打亂了柱焊接成型原理課課件晶間易熔物質對凝固裂紋敏感性的影響 晶間易熔物質數量少易引起結晶裂紋。但隨著其數量的增多且超過某數值后，熱裂傾向逐漸下降直至不產生裂紋。 引起這種變

20、化特征的原因是： 一方面，結晶前沿低熔點物質的增加阻礙了樹枝晶的發展和長合，改變了結晶的形態，縮小了有效結晶溫度區間。 另一方面是由于增加了晶間的液相，促使液相在晶粒間流動和相互補充；因此即使局部晶間液膜瞬間被拉開，但很快可通過毛細管作用將周圍的液體滲入縫隙，起到填補和“愈合”作用。晶間易熔物質對凝固裂紋敏感性的影響 這說明在共晶型合金系統中當成分接近共晶成分時也不易產生結晶裂紋的原因。如對于某些結晶裂紋傾向較大的材料(如高強鋁合金)，為了防止結晶裂紋，特意增多焊縫中易熔共晶的數量，使之具有“愈合”裂紋的作用。固“愈合”作用是一種有效的消除凝固裂紋的方法，但要注意易熔共晶體增多后會影響其它性能

21、(如塑性、韌性和耐腐蝕性等)。 此外，易熔共晶以液膜形態存在時，凝固裂紋敏感性大；以球狀存在時，裂紋敏感性小。 這說明在共晶型合金系統中當成分接近共晶成分合金元素對產生結晶裂紋的影響 以碳鋼和低合金鋼中合金元素對結晶裂紋的影響為例。硫和磷 硫和磷幾乎在各類鋼中都會增高結晶裂紋的傾向，即使是微量存在，也會使結晶溫度區間大為增加。因為硫和磷在鋼中能形成多種低熔共晶，使結晶過程中極易形成液態薄膜，因而顯著增大裂紋傾向。合金元素對產生結晶裂紋的影響碳 碳在鋼中是影響結晶裂紋的主要元素，并能加劇其它元素(如硫、磷等)的有害作用。錳 錳具有脫硫作用，能置換FeS為MnS，同時也能改善硫化物的分布形態，使薄

22、膜狀FeS改變為球狀分布，從而提高了焊縫的抗裂性。為防止硫引起的結晶裂紋，隨含碳量增加，要求MnS的比值也隨之增加 C 0.1時，MnS22碳 C = 0.110.125時，MnS 30 C = 0.1260.155時，MnS 59 當含碳量超過包晶點時(即0.16)，磷對產生結晶裂紋的作用就超過了硫，這時再增MnS的比值也是無意義的，所以必須嚴格控制磷在焊縫中的含量，例如含碳0.4的中碳鋼，硫和磷都應小于0.017，而硫磷的總和要小于0.025。 C = 0.110.125時，MnS 硅 硅是相形成元素，有利于消除結晶裂紋，但硅含量超過0.4時，容易形成硅酸鹽夾雜，降低焊縫力學性能，并增加裂

23、紋傾向。鎳 鎳在低合金鋼中易于與硫形成低熔共晶(Ni與Ni3S2熔點僅645)，因此易引起結晶裂紋。硅 氧 氧對焊縫產生結晶裂紋的影響，目前還沒有定論。但焊縫中有一定的含氧量，能降低硫的有害作用。認為是形成了FeFeSFeO三元共晶，使FeS由薄膜狀變為球狀所致。 總結以上，合金元素對結晶裂紋的影響是重要的。其中，C、S、P對結晶裂紋影響最大，其次是Cu、Ni、Si、Cr等，而N、O、As等尚無一致的意見。氧 (2)工藝因素 熔合比的影響 對于一些易于向焊縫轉移某些有害雜質的母材，焊接時，必須盡量減小熔合比，或者開大坡口，或者減小熔深，甚至堆焊隔離層。焊接中碳鋼、高碳鋼以及異種金屆時，限制熔合

24、比具有極重要的意義。 例如，Monel 400合金與低碳鋼焊接，焊縫應為奧氏體組織，故采用鎳基合金焊條。這時Fe便成為促使焊縫產生結晶裂紋的有害雜質。為此，焊接時必須設法減少低碳鋼一側的熔深。(2)工藝因素 焊縫成形系數的控制焊縫成形系數值對焊縫的抗熱裂性能影響很大。當用碳鋼焊縫含碳量來表征熱裂傾向時，7，焊縫含0.22 C，能防止凝固裂紋，7后(如帶狀電極堆焊)，抗裂性下降。當值較小時，最后凝固的枝晶會合面呈對向生長狀態，是雜質析集嚴重的部位，因而最易產生熱裂紋。一般希望盡可能避免出現1的情況，即焊縫實際深度不要超過焊縫寬度。 因此，必須合理調整焊接參數來控制成形系數甲。 焊縫成形系數的控制

25、冷卻速度的影響 接頭冷卻速度越大，變形速率越大，越易于促進產生熱裂紋。固預熱降低熱裂傾向。例如在45號鋼上堆焊3Cr2W8合金鋼時，預熱溫度為500時即能消除凝固裂紋。 但提高預熱溫度將增大高溫階段的內應變，就不太有利。盡管提高焊接線能量也能降低冷卻速度，但卻對凝固組織形態不利。實際上，適當降低線能量對降低熱裂傾向比較有利。但不宜采取提高焊接速度的方法來限制焊接線能量，而應適當降低焊接電流。冷卻速度的影響拘束度的影響 為防止接頭產生熱裂紋，應盡可能減少應變量及應變增長率。從結構設計上應考慮接頭的剛度或拘束度。 例如盡可能減小板厚和合理布置焊縫，注意避免焊縫交叉，盡可能減小焊腳尺寸和焊道截面積，

26、還應控制合理的焊接順序等。施焊順序不合理時，最后幾條焊縫可能處于被拘束狀態，不能自由收縮，從而增大應變量，易促使裂紋產生。拘束度的影響4.2.3 近縫區液化裂紋1.形成機理 由于焊接時近縫區金屬或焊縫層間金屬，在高溫下使這些區域的奧氏體晶界上的低熔共晶被重新熔化，在拉伸應力的作用下沿奧氏體晶間開裂而形成液化裂紋。與結晶裂紋的區別： 液化裂紋與結晶裂紋有相類似之處，它們都與晶界液膜有關，但其形成機理不同。液化裂紋的液膜并非產生于凝固過程，而是由于加熱過程中近縫區晶界局部熔化形成的液膜。另一種晶界熔化發生于集中熱源快速加熱(如焊接和激光重熔)時的高溫熱影響區內，由于第二相來不及溶人而引起的共晶反應

27、。4.2.3 近縫區液化裂紋2. 液化裂紋的影響因素（1）化學成分的影響硼 硼易與焊縫金屬中的鐵、鎳形成低熔共晶，如Fe-B 1149C、Ni-B 1140C或990C；此外，加入微量的硼就能產生明顯的晶界偏析。從而增加液化裂紋傾向。鎳 鎳是強烈的奧氏體形成元素，可顯著降低S、P等有害元素的溶解度；且鎳也易與許多元素形成低熔共晶（Ni-Ni3S2 645C），故易產生液化裂紋。2. 液化裂紋的影響因素鉻 鉻在焊縫中的含量較高時，晶界可能產生偏析產物，如Ni-Cr 1340C,增加結晶裂紋傾向。 從上所述，形成低熔相的元素很多，但液化裂紋的形成主要取決于晶間低熔相的液化程度。 液化裂紋的起源部位

28、有兩處：熔合線或結晶裂紋；粗晶區。鉻（2）工藝因素的影響 線能量越大，輸入的熱量越多，晶界低熔相的熔化越嚴重，晶界處于液態的時間越長，液化裂紋的傾向越大。 液化裂紋與熔池的形狀有關。如焊縫的斷面呈明顯的倒草帽形，再熔合線的凹陷處母材金屬過熱嚴重，該處易產生液化裂紋。（2）工藝因素的影響 4.2.4 高溫失塑裂紋 高溫失塑裂紋產生于實際固相線下的脆性溫度區間內，它是由于高溫晶界脆化和應變集中于晶界造成的。 例如，當鋼中Cu、Sn、As、S含量較多及始鍛溫度過高時，在鍛件表面會出現一些龜裂紋。目前對這類裂紋的認識還不夠，研究較多的是一些發生于焊縫或高溫熱影響區中的失塑裂紋。 4.2.4 高溫失塑裂

29、紋 4.2.5 多邊化裂紋1.形成機理 由于焊縫金屬在結晶前沿已凝固的固相晶粒中萌生大量的晶格缺陷，因在快速冷卻條件下不易擴散，以過飽和的狀態保留于焊縫金屬中，在一定溫度和應力的條件下，晶格缺陷發生移動和聚集，形成“多邊化邊界”。在焊接后的冷卻過程中，由于熱塑性低，導致沿多邊化的邊界產生裂紋，即多邊化裂紋。4.2.5 多邊化裂紋2.多邊化裂紋的特點： （1）多發生在純金屬或單相奧氏體中，個別情況出現在熱影響中； （2）裂紋附近常伴隨有再結晶晶粒出現，故多邊化裂紋總是遲于再結晶； （3）裂紋多發生在重復受熱的多層焊層間金屬中及熱影響區，其部位并不都靠近熔合區，此裂紋與晶界液化無關； （4）斷口呈

30、現出高溫低塑性開裂。2.多邊化裂紋的特點：3.多邊化裂紋的影響因素（1）合金成分的影響 在鎳-鉻系的單相合金中，向焊縫加入提高多邊化激化能的元素（如Mo、W、Ti、Ta等），則可有效地阻止多邊化過程；雙相金屬具有良好的抗多邊化裂紋的能力。（2）應力狀態的影響 增大應力，多邊化過程加速。（3）溫度的影響 提高溫度，多邊化裂紋傾向增大。Contents3.多邊化裂紋的影響因素Contents4.3.1 焊接冷裂紋的特征1.冷裂紋的分布特征：焊道下裂紋 其特征是在距熔合線0.10.2mm的近縫區中形成微小的裂紋。這種裂紋經常發生在淬硬傾向大、含氫量較高的焊接熱影響區，裂紋走向大體與熔合線平行，但也有

31、垂直于熔合線的。焊趾和焊根裂紋 這種裂紋起源于母材與焊縫交界、且有明顯應力集中的缺口部位，一是焊縫的焊趾，二是焊縫根部，組織均為粗大的馬氏體，裂紋經常與焊縫方向一致。前者稱為焊趾裂紋，后者稱為焊根裂紋。4.3 冷裂紋4.3.1 焊接冷裂紋的特征4.3 冷裂紋2.冷裂紋的生成溫度與時期 (1)發生溫度：冷裂紋生成溫度上限通常在50100，其下限為75左右，超出此溫度范圍就不易形成裂紋。 (2)發生時間：有些裂紋焊后不立即出現，而是有一段時間的潛伏期(孕育期)，即經過一段時之后才出現。焊道下裂紋最為典型，且常在25時潛伏期最短，高于或低于25均會延長潛伏期。焊趾裂紋也會有潛伏期，在0時潛伏期最短。

32、2.冷裂紋的生成溫度與時期 (3)冷裂的臨界應力 當應力高于上臨界應力VC 時，立即斷裂，無延遲現象，但此時的強度低于無氫試樣的缺口拉伸強度 n。低于下臨界應力時，不發生斷裂。當應力在uc和LC之間時，斷裂具有延遲特征，且應力越小，延遲時間(潛伏期)越長。 研究表明，這三者可稱為形成冷裂紋的三大要素。 (3)冷裂的臨界應力4.3.2 焊接冷裂紋的形成機理1.氫的作用 氫在金屬中有兩種形式，一是可以運動的“擴散氫”；二是不可運動的“殘留氫”。擴散氫決定了裂紋形成過程中的延遲特點及其斷口上的氫脆開裂特征。許多文獻把氫引起的延遲裂紋特別地稱為“氫致裂紋”或“氫助裂紋”。采用特殊的實驗裝置觀察氫致裂紋

33、的開裂過程如下：4.3.2 焊接冷裂紋的形成機理裂紋尖端有氫氣泡形成，且氫氣泡最容易集中在應力集中部位；氫致裂紋多在熔合區出現；在定載試驗時，微裂紋發生的潛伏期隨應力或擴散氫含量的增加而減短；微裂紋附近的塑性變形區(屈服區)隨時間的延長逐步擴大，成為宏觀裂紋。裂紋尖端有氫氣泡形成，且氫氣泡最容易集中在應力集中部位；圖4-20 高強鋼熱影響區延遲裂紋的形成過程圖4-20 高強鋼熱影響區延遲裂紋的形成過程 2.組織硬化作用熱影響區淬硬易于引發冷裂紋是由于：馬氏體的脆硬性：馬氏體相變時，會發生較大的晶格畸變，致使組織處于硬化狀態。焊接時，近縫區的加熱溫度很高，使奧氏體晶粒發生嚴重長大，焊后快速冷卻時

34、，粗大的奧氏體就轉變為粗大的馬氏體。這種脆硬的馬氏體組織的斷裂多為低能量的脆性斷裂，裂紋易于形成和擴展。正因為近縫區較焊縫區易于淬硬，故冷裂紋易在近縫區形成。 2.組織硬化作用3.應力的作用內應力包括：焊接不均勻加熱與冷卻后在焊件宏觀范圍內平衡的第一類內應力；相變過程中比容和各向異性引起的第二類內應力。 目前主要用表征不同外拘束條件的宏觀拘束應力來作為評價影響冷裂紋的力學條件。這種外拘束條件可用“拘束度”來表征拘束度表示了接頭的剛度。其定義是：“使接頭根部間隙發生單位長度的彈性位移時，單位長度焊縫所承受的力。”3.應力的作用 當焊接產生的拘束度不斷增大，直至形成裂紋時，此時的應力稱為臨界拘束應

35、力cr 。cr反映了對冷裂紋的形成和擴展具有直接影響的各個因素共同作用的結果。因此，可以用cr作為評價冷裂紋敏感性的判據。 冷裂紋的影響因素很多，也很復雜，因此防止冷裂紋總的原則就是控制影響冷裂紋的三大因素，即盡可能降低拘束應力、消除一切氫的來源，并改善組織。 當焊接產生的拘束度不斷增大，直至形成裂紋時4.3.3 冷裂紋的防止1.冶金方面選擇抗裂性好的鋼材 近年開發出的低碳微合金化鋼更具有良好的抗裂性能。如國產CF鋼(b = 600Nmm2)，含碳量僅為 0.06，PCM = 0.16，采用相應的低氫焊條焊接50mm的鋼板，即使焊前不預熱、焊后不熱處理，也不會產生冷裂紋。焊接材料的選用選用低氫

36、或超低氫焊條 從焊接本身看，選用低氫或超低氫焊條是防止冷裂紋的有效措施之一。4.3.3 冷裂紋的防止選用低強焊條 為防止接頭產生冷裂紋，一般高強鋼選用低強焊條(使焊縫強度低于母材強度)焊接易于達到這一要求。 對于低碳低合金高強鋼，適當降低焊縫強度可以降低拘束應力而減輕熔合區的負擔，對防止冷裂紋有利。選用奧氏體焊條 采用奧氏體焊條的優點是可避免采取預熱措施而又能防止冷裂紋的產生。選用低強焊條 焊縫為奧氏體組織時對防止冷裂紋的有利作用有三種解釋： A.能固溶氫而限制氫向近縫區擴散； B.焊縫強度低而塑性高(延伸率可高達40以上)，從而可減輕接頭的拘束應力； C.焊縫冷卻過程中在450左右可以產生較

37、大的瞬時應力，致使近縫區產生較大塑性形變，促使奧氏體穩定性降低，并使奧氏體顯著地移向中溫貝氏體轉變區，近縫區因而不易產生淬硬馬氏體組織。 但是采用奧氏體焊條的缺點是焊縫強度低，對熱裂敏感，同時價格較昂貴。 焊縫為奧氏體組織時對防止冷裂紋的有利作用有特殊微量元素的應用 向焊縫金屬中加入Te(碲)、Se(硒)及稀土元素Re可降低其含氫量。在焊條中復合加入Te和Re可以顯著提高接頭的抗冷裂性能。選用低氫的焊接方法 CO2氣體保護焊由于具有一定的氧化性，故而可獲得低氫焊縫，擴散氫含量(甘油法)僅為0.041.0mL100g。堿性藥芯焊絲CO2氣體保護焊時，同樣也能獲得低氫焊縫，可顯著改善抗冷裂紋的能力

38、。特殊微量元素的應用 2.焊接工藝方面 調整預熱溫度及線能量以及采用多道焊工藝，以防止奧氏體晶粒粗化，均有利于氫的逸出和減輕硬化，從而可顯著降低接頭冷裂傾向。(1)預熱溫度的控制 斜Y坡口拘束抗裂試驗： T0= 1 440PC 392 X，U，V坡口拘束抗裂試驗： T0= 1 330PW 380 K形坡口和T形坡口拘束抗裂試驗： T0= 2030PW 550 2.焊接工藝方面(2)焊接線能量的控制 對于大多數低碳低合金高強鋼，以提高線能量來加長冷卻時間,可提高冷裂臨界應力 cr 。 利用插銷試驗等方法可求得啟裂臨界應力f與斷裂臨界應力口r。若已知實際應力，采用安全極限狀態確定限界線能量，即假定

39、實際應力已達屈服點y。如按開裂準則，開裂臨界應力f = y時的線能量即為限定線能量，此時的t8/5或tl00即為最小限定冷卻時間。若實際所用線能量不滿足這一限定線能量或限定冷卻時間的要求，就必須采取預熱措施。 (2)焊接線能量的控制(3)多層焊層間時間間隔的控制 多層焊能夠顯著減少焊根裂紋。但要求在第一層焊道尚未產生焊根裂紋的潛伏期內完成第二層焊道的焊接。這是因為第二層焊道的焊接熱可促使第一層焊道中的氫迅速逸出，并可使第一層焊道熱影響區的淬硬層軟化。 但是層間溫度或層間時間間隔必須加以控制。特別是第一層與第二層之間的時間間隔，應盡可能控制在幾分鐘之內，以保證第一層焊后不致于形成冷裂紋。 但必須

40、注意，多層焊時，若可能產生較大角變形時，為防止產生根部裂紋，預熱溫度不能降低，甚至還要適當提高。(3)多層焊層間時間間隔的控制(4)緊急后熱的作用 若冷裂紋產生有潛伏期時，如能在冷裂紋尚處于潛伏期中進行加熱，即所謂緊急后熱，能防止冷裂紋的產生。后熱的作用： a減少殘余應力； b改善組織(減少淬硬性)； c消除擴散氫。 但是對于潛伏期非常短或根本無潛伏期的鋼種，可能來不及進行后熱即已產生冷裂紋。所以，緊急后熱必須“搶時間”。這一點與“焊后熱處理”不同。Contents(4)緊急后熱的作用Contents 4.4 其它焊接裂紋簡介1.應力腐蝕裂紋 應力腐蝕裂紋(Stress Corrosion Cracking,簡稱SCC)是金屬材料在特定腐蝕介質下，承受拉應力時產生的一種延遲破壞現象。 SCC開裂引起的斷裂過程非常危險；它的成長速度為0.03mmh4mmh，與全面的均勻腐蝕相比快21 000倍之多。 4.4