第2講焊接裂紋

1、第2講 焊接裂紋1、焊接時的溫度循環(huán)圖圖1 焊接溫度循環(huán)圖2、焊接接頭中的裂紋 肉眼或6:1的放大鏡能夠識別 借助V6:1的顯微鏡的識別焊接接頭中的缺陷裂紋裂紋尺寸宏觀裂紋微觀裂紋冷裂紋裂紋形成晶間裂紋穿晶裂紋裂紋形成的原因/條件熱裂紋凝固裂紋液化裂紋層狀撕裂淬硬裂紋氫致裂紋時效裂紋析出裂紋脆化裂紋收縮裂紋缺口裂紋再熱裂紋（兩種形成均可能） 3、接頭中裂紋的形態(tài)和分布 1 焊縫中縱向裂紋（多為結(jié)晶裂紋） 2 焊縫中橫向裂紋（多為延遲裂紋） 3熔合區(qū)橫向裂紋（多為延遲裂紋） 4焊縫根部裂紋（延遲、熱應(yīng)力裂紋）5 HAZ根部裂紋（延遲裂紋） 6焊趾縱向裂紋（延遲裂紋） 7焊趾縱向裂紋（液化、再熱裂

2、紋） 8焊道下裂紋（延遲、液化、再熱裂紋）9層狀撕裂 10弧坑裂紋（縱向、橫向、星形）圖2 焊接接頭中的裂紋4、熱裂紋及形成機(jī)理 熱裂紋是在焊接時高溫下產(chǎn)生的，特征是沿晶界開裂。*結(jié)晶（凝固）裂紋是在焊縫結(jié)晶過程中，在固相線附近溫度，由于凝固金屬的收縮，殘余液體金屬不足而產(chǎn)生；主要產(chǎn)生在含雜質(zhì)較多的碳鋼、低合金鋼和單相奧氏體鋼焊縫中。*高溫液化裂紋是在焊接熱循環(huán)峰值溫度作用下，在近縫區(qū)或多層焊的層間部位低熔共晶被重新熔化，在拉伸應(yīng)力作用下開裂；主要發(fā)生在鉻鎳高強(qiáng)鋼、奧氏體鋼中，母材和焊絲中S、P、Si、C偏高時液化裂紋傾向嚴(yán)重。*多邊化裂紋是在焊縫或近縫區(qū)，在固相線稍下溫度的高溫區(qū)，剛凝固的金

3、屬中存在晶格缺陷（形成多邊化邊界），使強(qiáng)度和塑性很差，在很小的拉伸應(yīng)力下開裂；多發(fā)生在純金屬或單相奧氏體合金中。*高溫低塑性裂紋是冷卻到一定高溫范圍時，應(yīng)變與冶金元素交互作用引起塑性低落，沿晶界開裂。*再熱裂紋是在消除應(yīng)力熱處理或在服役過程中，在熱影響區(qū)粗晶部位發(fā)生的；多發(fā)生在低合金高強(qiáng)鋼、奧氏體鋼中。4.1凝固裂紋（結(jié)晶裂紋）焊縫上凝固裂紋（結(jié)晶裂紋）的形成：在焊縫冷卻過程中，先結(jié)晶的金屬較純，后結(jié)晶的金屬含雜質(zhì)較多，并富集在晶界，所形成的共晶都具有較低熔點(diǎn)（如FeS與Fe共晶溫度988）。在液相線和固相線之間凝固區(qū)是一個非常關(guān)鍵的區(qū)域，此時在熔池中長大的柱狀晶要聯(lián)接在一起，結(jié)晶后期，已經(jīng)長

4、大的晶粒阻礙了尚存在的液態(tài)金屬的流動，低熔共晶物被排擠在柱狀晶交遇的中心部位，形成“液態(tài)薄膜”，同時由于收縮受到了拉伸應(yīng)力，可能會在這個薄弱地帶開裂。 碳鋼、低合金高強(qiáng)鋼和不銹鋼中的P、S、Si、Ni、B、Zr都能形成低熔點(diǎn)共晶。熔池結(jié)晶的階段：1) 液固階段：少量晶核，相鄰晶粒之間有液態(tài)金屬自由流動，不會開裂；2) 固液階段：固相彼此接觸，液態(tài)金屬少，流動困難，稍有拉伸應(yīng)力就可能產(chǎn)生裂紋；3) 完全凝固階段：有較高的強(qiáng)度和塑性，即使有應(yīng)力也不易開裂。 p-塑性 y-流動性 TL-液相線 TS-固相線TB-脆性溫度區(qū)圖3 熱裂紋的形成結(jié)晶裂紋的形態(tài)：結(jié)晶裂紋都是沿焊縫樹枝狀晶的交界處發(fā)生和發(fā)展

5、，一般產(chǎn)生在焊縫中心位置，最常見的是沿焊縫中心縱向開裂，也有時發(fā)生在焊縫內(nèi)的兩個樹枝晶之間。裂紋面上可以看到氧化色彩。斷口表面掃描電子圖像可以看到完整的、成束排列的樹枝晶，表面光滑，是高溫下液相結(jié)晶形成的自由表面。裂紋產(chǎn)生于焊縫中心的最后結(jié)晶區(qū) 裂紋斷口表面平行于焊縫縱向，可看到完整成束排列的樹枝晶圖4 熱裂紋形態(tài)4.2液化裂紋熱影響區(qū)內(nèi)液化裂紋的形成：焊接過程中的受熱使近縫區(qū)（粗晶區(qū)）被加熱到接近材料固相線附近的溫度。這樣會使晶界上的低熔點(diǎn)物質(zhì)熔化并以薄膜的形式分布在晶粒的表面上。在較高的收縮應(yīng)力的作用下，會使這種已經(jīng)削弱了的晶粒之間的連接沿晶界造成開裂。焊縫上液化裂紋的形成：多層焊時，先焊

6、的焊道受后焊焊道的熱作用（形成粗晶區(qū)），會受到與熱影響區(qū)的部分區(qū)域相同的影響。因此在較高的峰值溫度作用下會使晶界上的低熔點(diǎn)共晶物熔化并在收縮應(yīng)力的作用下造成開裂。在近縫區(qū)產(chǎn)生的液化裂紋，大致與熔合線平行 多層焊焊縫中產(chǎn)生的液化裂紋，沿柱狀晶發(fā)展圖5 液化裂紋走向液化裂紋的特點(diǎn)和產(chǎn)生部位：液化裂紋是奧氏體晶界開裂的微裂紋，尺寸很小(0.5mm以下)，一般只有在金相磨片上作顯微觀察才能發(fā)現(xiàn)，可能成為冷裂紋、再熱裂紋脆性破壞和疲勞斷裂的發(fā)源地。常出現(xiàn)在焊縫熔合線的凹陷區(qū)和多層焊的層間過熱區(qū)（如圖6）。 1凹陷區(qū) 2多層焊層間圖6 液化裂紋產(chǎn)生部位 圖6 液化裂紋產(chǎn)生位置4.3再熱裂紋有些含有沉淀強(qiáng)化

7、元素的低合金高強(qiáng)鋼和高溫合金，在焊后熱處理時，因?yàn)殡s質(zhì)（P、S、Sb、Sn等）在晶界析集而造成脆化，晶內(nèi)析出沉淀強(qiáng)化元素（Cr、Mo、V、Ti、Nb）的碳氮化物而使晶內(nèi)強(qiáng)化，應(yīng)力松弛過程中，變形產(chǎn)生在粗晶區(qū)應(yīng)力集中部位的晶界，當(dāng)塑性不足時產(chǎn)生裂紋。圖7 再熱裂紋形成再熱裂紋都是發(fā)生在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，呈晶間開裂，裂紋沿熔合線母材側(cè)粗晶晶界擴(kuò)展，遇到細(xì)晶就停止擴(kuò)展。產(chǎn)生再熱裂紋有一個敏感溫度區(qū)間，奧氏體不銹鋼約在700-900，低合金鋼約在500-700。熱處理前，焊接區(qū)存在較大殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中。含有沉淀強(qiáng)化元素的材料才對再熱裂紋敏感。熱處理后在焊趾和焊根應(yīng)力集中部位產(chǎn)生再熱裂紋 再熱裂紋斷口

8、形貌，沿晶斷裂特征圖8 再熱裂紋產(chǎn)生部位和形貌特征5、熱(結(jié)晶)裂紋的影響因素及防治措施 5.1一般的冶金因素從金屬學(xué)的角度看，冷卻時的凝固區(qū)間（結(jié)晶溫度區(qū)間）以及在固相線溫度上固態(tài)金屬和液態(tài)金屬的量的比值對熱裂紋的傾向起著很大作用，應(yīng)盡量減小液態(tài)金屬薄膜存在的區(qū)間。隨著合金元素的增加，結(jié)晶溫度區(qū)間增大，結(jié)晶裂紋傾向增加。S和P在各類鋼中都會增加結(jié)晶裂紋傾向；含C量增加，結(jié)晶裂紋傾向增加；Mn有脫硫作用，可提高抗裂性；Si在小于0.4%時，有利于消除結(jié)晶裂紋；Ti能形成高熔點(diǎn)硫化物，有利于消除結(jié)晶裂紋；Ni在低合金鋼中易于與S形成低熔共晶，會引起裂紋，但加入Mn、Ti后，可抑制S的有害作用。另

9、外，凝固結(jié)晶組織形態(tài)也對結(jié)晶裂紋有影響，晶粒越粗大，柱狀晶方向越強(qiáng)，裂紋傾向越大。因此，控制焊縫中S、P、C的含量，加入細(xì)化晶粒元素都是提高抗裂性的辦法。與低合金鋼相比，高合金鋼的特點(diǎn)根據(jù)其化學(xué)成份在結(jié)晶時既形成一次鐵素體也形成奧氏體。鐵素體相對奧氏體而言對硫具有較高的溶解能力并且其膨脹系數(shù)非常低。因此一次鐵素體（鐵素體）相對奧氏體熱裂紋傾向非常低。圖9中合金2相對合金1具有較高的熱裂紋傾向。圖9 72%Fe的Fe-Cr-Ni相圖5.2力學(xué)因素產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的充分條件是力的作用，亦即應(yīng)力作用。產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件必須是冶金因素和力學(xué)因素共同作用。5.3工藝因素 通過減小熱輸入，在焊縫中避免粗大的樹

10、枝狀的組織，得到具有較小晶粒尺寸的無序的細(xì)胞狀組織。通過降低焊接速度使晶粒的端部并列長大擠壓在一起，以避免偏析的集中。降低焊接速度會使晶粒端部成橢圓形結(jié)構(gòu)，因此使晶粒在焊接方向形成較為有利的排列。寬的焊縫形狀相對窄而深的焊縫能夠防止晶粒長大時直接碰撞在一起，從而可以避免偏析的集中。使用細(xì)直徑焊條和小電流，不擺動和避免熔池過大一般能夠防止熱裂紋。圖10 焊接速度和焊縫形狀對熱裂紋的影響5.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響 有一些關(guān)于焊接接頭設(shè)計(jì)和施焊的規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)可供使用，這些規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)中有許多在容器及儀器制造方面的實(shí)例，如DIN8558等。 接頭及坡口形式將影響接頭的受力狀態(tài)結(jié)晶條件，堆焊和熔深較淺的對接焊縫抗

11、裂性較高（圖11中a和b），熔深較大的對接和角接、搭接、T型接頭抗裂性差（圖11中c、d、e、f）。圖11 接頭和坡口形式對熱裂紋的影響6、 熱裂紋敏感性評定方法 堆焊試驗(yàn)（單道堆焊用于評定鎳基合金，多層堆焊用于評定不銹鋼焊條）Fisco試驗(yàn)（用于評定低碳鋼、鋁合金、不銹鋼焊條焊縫）環(huán)形鑲塊裂紋試驗(yàn)（用TIG焊法不加填充焊絲熔化母材評定母材）指形裂紋試驗(yàn)（用MIG或TIG焊法評定高合金、有色金屬）魚骨狀可變拘束裂紋試驗(yàn)（用于評定鋁合金薄板及選用的焊絲材料）可變拘束裂紋試驗(yàn)（用不加填充焊絲的TIG焊評定母材）橫向可變拘束裂紋試驗(yàn)（用不加填充焊絲的TIG焊評定母材低碳鋼、低合金高強(qiáng)鋼、不銹鋼等）遞

12、增應(yīng)變速率熱裂紋試驗(yàn)在焊接過程模擬機(jī)上試驗(yàn)（剛性拘束試驗(yàn)和強(qiáng)迫應(yīng)變試驗(yàn)）7、冷裂紋及其形成 7.1 冷裂紋特征焊后冷卻過程中，在Ms點(diǎn)附近或更低溫度區(qū)間產(chǎn)生，有時焊后馬上產(chǎn)生，這主要是由于接頭產(chǎn)生的淬硬組織；也有時延遲產(chǎn)生，焊后幾小時、幾天、或更長時間產(chǎn)生，這主要是由于氫的作用。多發(fā)生在具有缺口效應(yīng)的熱影響區(qū)或物理化學(xué)不均勻的氫聚集局部。根部、焊趾裂紋起源于應(yīng)力集中部位，沿最大應(yīng)力方向，向熱影響區(qū)或焊縫發(fā)展；焊道下裂紋在粗大的馬氏體組織且含氫量較高的熱影響區(qū)形成，走向與焊縫平行；橫向裂紋走向垂直于焊縫邊界。具有沿晶和穿晶斷裂特點(diǎn)。 根部裂紋和焊趾裂紋，向熱影響區(qū)擴(kuò)展 角焊縫根部裂紋，向焊縫擴(kuò)展

13、圖12 冷裂紋產(chǎn)生的位置7.2延遲裂紋的產(chǎn)生和影響因素在焊接過程中帶入到焊接接頭中的氫，焊縫產(chǎn)生的淬硬組織和焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)，是造成氫致延遲裂紋的三個主要因素。7.2.1氫的作用焊接過程中，在高溫下焊縫中溶解了很多氫（如圖13），電弧中氫分解并以原子或離子的形式進(jìn)入到液態(tài)金屬中去。氫來自焊接材料中的水分、空氣中的濕氣、焊件表面的鐵銹及油污等。焊縫中氫的吸入主要與氫的局部壓力和溫度有關(guān)，焊縫中氫的溶解能力可達(dá)每100克焊縫金屬35ml。（如圖14）圖13 氫的分解和溶解 圖14 氫在不同溫度下的溶解度焊接冷卻時，由于焊縫金屬快速冷卻，氫的濃度高于溶解能力圖中相應(yīng)的濃度，大部分氫重新結(jié)合成氫氣逸

14、出焊縫。部分氫被強(qiáng)制地溶解在晶粒中，集中在晶界的空位和錯位中，重新結(jié)合成氫氣分子并具有較高氣體壓力，使焊縫金屬中的氫處于過飽和狀態(tài)，因而氫要極力擴(kuò)散，這種擴(kuò)散過程（包括氫的再結(jié)合）可能在幾分鐘到幾周內(nèi)完成，因此有延遲特點(diǎn)。氫在不同金屬組織中的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)不同，氫在奧氏體中的溶解度比在鐵素體中的溶解度大，且隨溫度升高而增大。而氫的擴(kuò)散速度剛好相反，在不同組織中擴(kuò)散系數(shù)從大到小的順序?yàn)殍F素體和珠光體、索氏體、奧氏體。焊接一般的低合金鋼時，由于焊縫的含碳量低于母材，因此焊接冷卻時，焊縫首先發(fā)生相變，即由奧氏體分解為鐵素體、珠光體、貝氏體、及低碳馬氏體，氫的溶解度下降，在鐵素體、珠光體中快速擴(kuò)散，

15、越過熔合線到還沒發(fā)生分解的奧氏體熱影響區(qū)，由于氫在奧氏體中的擴(kuò)散速度小，熔合線附近就成了富氫地帶，當(dāng)滯后相變的熱影響區(qū)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時，氫便以過飽和狀態(tài)殘留在馬氏體中，使馬氏體脆化，如果有缺口效應(yīng)，就可能產(chǎn)生根部裂紋或焊趾裂紋，氫的濃度更高時，也可能產(chǎn)生焊道下裂紋。圖15 氫的再結(jié)合和逸出 圖16 焊接接頭中氫的擴(kuò)散焊縫中氫含量過高會使晶格變脆，材料的延伸率降低而屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度保持不變（圖17）。這種脆性行為在進(jìn)行除氫處理后才消失。魚眼狀白點(diǎn)是材料的一種局部斷裂，在微觀和宏觀顯微鏡下表現(xiàn)為亮的、近似圓形的中間為脆斷面（缺陷點(diǎn)、夾渣、氣孔），周圍為韌性斷裂的區(qū)域。白點(diǎn)是含氫的焊縫在焊接后進(jìn)行

16、塑性變形時產(chǎn)生的。圖17 含氫試樣和經(jīng)消氫處理的試樣在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時的對比7.2.2淬硬組織的影響馬氏體是碳在鐵素體中的過飽和固溶體，碳原子以間隙原子存在于晶格中，使鐵原子偏離平衡位置，晶格發(fā)生畸變，組織硬化，特別是焊接條件下，快速冷卻時，近縫區(qū)粗大的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮鸟R氏體，這種脆硬組織利于裂紋形成和擴(kuò)展。不同組織對裂紋敏感性增大順序?yàn)椋鸿F素體或珠光體、下貝氏體、低碳馬氏體、上貝氏體、高碳馬氏體。另外淬硬會形成更多的晶格缺陷（主要是空位和位錯），在應(yīng)力和熱的作用下，空位和位錯會發(fā)生移動和聚集，到一定程度會形成裂源。鋼種的淬硬傾向主要取決于化學(xué)成分、板厚、焊接工藝和冷卻條件等。碳當(dāng)量越大，淬硬

17、傾向越大，越易產(chǎn)生冷裂紋。7.2.3應(yīng)力狀態(tài)的影響焊接條件下存在的應(yīng)力有：由于受熱不均勻產(chǎn)生的熱應(yīng)力、相變時產(chǎn)生的組織應(yīng)力、結(jié)構(gòu)拘束條件（剛度、焊縫位置、焊接順序、自重、負(fù)載等）造成的應(yīng)力，這些應(yīng)力綜合作用稱為拘束應(yīng)力，拘束應(yīng)力大小取決于拘束度，一般來講，板厚越大，拘束度越大。實(shí)際上，產(chǎn)生冷裂紋的力學(xué)行為不是平均的拘束應(yīng)力，而是在某一敏感（缺口、內(nèi)部缺陷等）部位達(dá)到更大的應(yīng)力。8、冷裂紋的防止措施8.1冶金方面母材上，一方面，采用低碳多元合金強(qiáng)化方式，達(dá)到提高強(qiáng)度、保證韌性的目的；另一方面采用精煉技術(shù)降低鋼中雜質(zhì)。焊材上，選用優(yōu)質(zhì)低氫焊接材料和低氫焊接方法，對于重要結(jié)構(gòu)，采用超低氫、高強(qiáng)高韌性

18、焊接材料。在焊接某些淬硬傾向較大的鋼時，也有采用低匹配焊縫或采用塑性好的奧氏體焊縫，來提高抗裂性。烘干焊條、焊劑，清理焊絲和焊接區(qū)域，都是從控制氫來源上防止冷裂紋的產(chǎn)生。8.2工藝方面工藝上包括焊接線能量、預(yù)熱溫度、焊后后熱、焊后熱處理等。線能量過大，會使近縫區(qū)晶粒粗大；線能量過小，會使熱影響區(qū)淬硬，都會增大冷裂傾向。預(yù)熱可降低冷卻速度，能有效地防止冷裂紋。對于多層焊，還要保持層間溫度不低于預(yù)熱溫度。焊后后熱可使擴(kuò)散氫充分逸出，是防止冷裂紋的有效措施。對合金元素多、淬硬傾向大、結(jié)構(gòu)拘束度大的構(gòu)件，需要進(jìn)行焊后熱處理來降低殘余應(yīng)力、改善組織，防止延遲裂紋產(chǎn)生。有些重要結(jié)構(gòu)，還要進(jìn)行消氫處理。9、

19、冷裂紋敏感性評定方法9.1間接評價方法碳當(dāng)量法敏感成分和敏感指數(shù)法熱影響區(qū)最高硬度法9.2直接試驗(yàn)方法自拘束試驗(yàn)（包括巴東對接裂紋試驗(yàn)、受控?zé)崃鞒潭攘鸭y試驗(yàn)、斜Y型坡口對接裂紋試驗(yàn)亦即小鐵研式試驗(yàn)、Y型坡口對接裂紋試驗(yàn)、里海拘束裂紋試驗(yàn)、窗形拘束對接裂紋試驗(yàn)、雙T型裂紋試驗(yàn)、十字接頭裂紋試驗(yàn)、剛性框架十字接頭裂紋試驗(yàn)等）外拘束試驗(yàn)（包括插銷式試驗(yàn)、拉伸拘束裂紋試驗(yàn)、剛性拘束裂紋試驗(yàn)等）9.3焊接過程模擬機(jī)上氫致裂紋試驗(yàn)插銷試驗(yàn)是評定冷裂紋敏感性常用的方法，插銷上端的缺口處于焊縫的熱影響粗晶區(qū)位置，下端的螺紋旋在試驗(yàn)機(jī)施加拉力的螺母中，用熱電偶測缺口處的焊接熱循環(huán)。如圖18，在一定條件下進(jìn)行焊接（焊道長100-150mm，焊條直徑4mm，焊接電流160A，焊接電壓24-16V，焊接速度cm/min），當(dāng)溫度降到150時施加拉力，保持恒載到一定時間，插銷在缺口處斷裂，記下每一恒載值及斷裂時間。施加的拉伸應(yīng)力越大，斷裂時間越短；減小施加的拉伸應(yīng)力，則斷裂時間延長，當(dāng)應(yīng)力降到某一數(shù)值時，剛好不斷裂，這一值為臨界應(yīng)力，是衡量氫致裂紋敏感性的定量指標(biāo)。