焊接缺陷(熱、冷裂紋)課件

第一節(jié)概述

優(yōu)質(zhì)的焊接接頭應(yīng)具備兩個(gè)條件：一是使用性能不低于母材；二是沒有技術(shù)條件中規(guī)定不允許存在的缺陷。焊接過程中，在焊接接頭中產(chǎn)生的金屬不連續(xù)、不致密或連接不良的現(xiàn)象，叫做焊接缺陷。焊接缺陷的種類很多，有些是因施焊中操作不當(dāng)或焊接參數(shù)不正確所造成，如咬邊、焊穿、焊縫尺寸不足、末焊透等，有些是由于化學(xué)冶金、凝固或固態(tài)相變過程的產(chǎn)物而造成的，如氣孔、夾雜和裂紋等。這些缺陷與母材、焊接材料的化學(xué)成分有密切關(guān)系，因此稱之為焊接冶金缺陷。本部分內(nèi)容重點(diǎn)介紹常見焊接冶金缺陷中的裂紋特征、產(chǎn)生原因及防止措施。第七章焊接缺陷第一節(jié)概述第七章焊接缺陷1一、結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理有的結(jié)晶裂紋是沿焊縫中心縱向開裂，也有沿焊縫中的樹枝晶之間界面處發(fā)生和發(fā)展的結(jié)晶裂紋，有時(shí)也發(fā)生在焊縫內(nèi)部?jī)蓚€(gè)樹枝狀晶體之間，這說明在結(jié)晶過程中晶界是最薄弱的部位。第二節(jié)焊接熱裂紋一、結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理第二節(jié)焊接熱裂紋2由于先結(jié)晶的固相金屬較純，后結(jié)晶的金屬含雜質(zhì)多，并富集在晶界。這些雜質(zhì)容易形成低的熔點(diǎn)的共晶，最后被推向晶界，在晶粒之間形成一個(gè)液態(tài)薄膜。如果此時(shí)有拉伸應(yīng)力存在就會(huì)產(chǎn)生裂紋（圖5-16）。結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理（1）產(chǎn)生熱裂紋的原因是晶間存在液態(tài)薄膜和在凝固過程中存在拉伸應(yīng)力。由于先結(jié)晶的固相金屬較純，后結(jié)晶的金屬含雜質(zhì)多3在整個(gè)結(jié)晶過程中，從液到固可分為三個(gè)階段：（1）液－固階段（液多于固）液態(tài)金屬可在固態(tài)金屬中自由流動(dòng)，此時(shí)既使有拉伸應(yīng)力也不會(huì)產(chǎn)生裂紋。結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理（2）在整個(gè)結(jié)晶過程中，從液到固可分為三個(gè)階段：結(jié)晶裂紋的4（2）固－液階段（固多于液）隨著固態(tài)金屬量增加，剩余的液態(tài)金屬多為低熔點(diǎn)共晶，流動(dòng)也發(fā)生困難，這時(shí)若有拉伸應(yīng)力產(chǎn)生的小裂紋無法靠液態(tài)金屬填充，成為一個(gè)“裂紋源”。此階段也叫“脆性溫度區(qū)”。結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理（3）（3）完全凝固階段完全凝固后金屬有較好的強(qiáng)度和塑性，既使有拉伸應(yīng)力也難以產(chǎn)生裂紋。（2）固－液階段（固多于液）結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理（3）（3）完51冶金因素對(duì)結(jié)晶裂紋的影響影響因素有相圖類型、化學(xué)成分、結(jié)晶組織形態(tài)。二、結(jié)晶裂紋的影響因素產(chǎn)生熱裂紋必須具備冶金因素（成分、偏析…）和力的因素（金屬熱物理性質(zhì)、焊件拘束度、焊接工藝等）。1冶金因素對(duì)結(jié)晶裂紋的影響二、結(jié)晶裂紋的影響因6相圖的結(jié)晶溫度區(qū)間越大（即液態(tài)存在的時(shí)間越長(zhǎng)），產(chǎn)生熱裂紋的可能性越大（圖5－19）。影響相圖結(jié)晶溫度區(qū)間大小與合金的含量有關(guān)。（1）相圖類型和結(jié)晶溫度區(qū)的大?。?）由于焊接是在非平衡條件下結(jié)晶，結(jié)晶溫度區(qū)間要偏離平衡條件下的結(jié)晶溫度區(qū)間，因此最大結(jié)晶裂紋可能發(fā)生在低合金含量區(qū)（圖5－19虛線）。相圖的結(jié)晶溫度區(qū)間越大（即液態(tài)存在的時(shí)間越長(zhǎng)）7各種狀態(tài)圖對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋傾向的規(guī)律（圖5－20）。相圖類型和結(jié)晶溫度區(qū)的大?。?）各種狀態(tài)圖對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋傾向的規(guī)律（圖5－20）8對(duì)凝固溫度范圍的影響；對(duì)形成低熔點(diǎn)相的影響（尤其是S、P）。對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響比較大的合金是一些能形成低熔點(diǎn)共晶的合金元素，熔點(diǎn)越低、數(shù)量越大，裂紋傾向越大。（2）合金因素對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響（1）對(duì)凝固溫度范圍的影響；（2）合金因素對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋91）硫、磷：S、P可擴(kuò)大Fe的結(jié)晶區(qū)間（圖5－21），并能與Fe形成多種低熔點(diǎn)共晶。合金因素對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響（2）1）硫、磷：S、P可擴(kuò)大Fe的結(jié)晶區(qū)間（圖5－21），并102）碳：碳在δ相中的溶解度大于γ相（表5－4），所以含碳<0.10（無包晶反應(yīng)）的鋼不易發(fā)生熱裂。合金因素對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響（4）碳是易偏析元素，并能加劇其它元素的有害作用（如S、P等）。2）碳：碳在δ相中的溶解度大于γ相（表5－4），所以含碳<113）錳：Mn有脫硫作用，生成高熔點(diǎn)MnS（1600℃），生產(chǎn)的MnS為球狀。合金因素對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響（5）隨著鋼中含碳量增加，Mn/S也應(yīng)提高。否則影響Mn的脫硫效果。含碳量越高，S的危害越大（圖5－23）。3）錳：Mn有脫硫作用，生成高熔點(diǎn)MnS（1600℃），生產(chǎn)124）硅：Si是脫氧元素，但焊縫中Si>0.4％時(shí)，容易形成硅酸鹽夾雜，造成裂紋源，從而增加裂紋傾向。合金因素對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響（6）5）鈦、鋯、稀土：Ti、Zr、RE脫硫的效果比Mn好得多，有良好的消除結(jié)晶裂紋作用，但它們也是強(qiáng)脫氧元素。氧化稀土也有脫硫作用。6）鎳：Ni和S形成低熔點(diǎn)共晶（NiS2645℃），易于引起結(jié)晶裂紋。4）硅：Si是脫氧元素，但焊縫中Si>0.4％時(shí)，容易形成13(7)銅：銅易引起熱裂紋，如黃銅釬焊20鋼引起的裂紋。合金因素對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響（7）(7)銅：銅易引起熱裂紋，如黃銅釬焊20鋼引起的裂紋。合金因14焊縫晶粒大小、形態(tài)和方向?qū)沽研杂泻艽笥绊?。晶粒越粗大、柱狀晶方向越明顯，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向就越大。所以細(xì)化晶粒有利于打破液膜的連續(xù)性，是減小結(jié)晶裂紋的有效措施。（3）結(jié)晶組織對(duì)結(jié)晶裂紋的影響（1）焊縫晶粒大小、形態(tài)和方向?qū)沽研杂泻艽笥绊?51冶金因素（1）控制焊縫中硫、磷、碳等有害雜質(zhì)含量盡量減少低熔點(diǎn)共晶的數(shù)量。S、P的最大含量取決于被焊金屬，一般低碳鋼、低合金鋼S、P<0.05％，高合金鋼<0.04％，不銹鋼<0.02％或更低。對(duì)重要焊接構(gòu)件應(yīng)采用堿性焊條或焊劑，以進(jìn)一步減小有害雜質(zhì)含量。三、防止結(jié)晶裂紋的措施從冶金因素和工藝因素（減少應(yīng)力）兩方面著手。1冶金因素三、防止結(jié)晶裂紋的措施從冶金因素和工藝因素16加入細(xì)化晶粒元素（Ti、Mo、V、Nb）細(xì)化晶粒。（2）改善焊縫組織對(duì)A體不銹鋼焊接可采用A+δ雙相組織焊縫（δ~5％），以減少結(jié)晶裂紋和提高焊縫抗晶間腐蝕能力。加入細(xì)化晶粒元素（Ti、Mo、V、Nb）細(xì)化晶粒17選用合理的焊接工藝，如焊接工藝參數(shù)、預(yù)熱、接頭型式、焊接順序等，目的是盡量減少焊縫的拉伸應(yīng)力。2抗熱裂的工藝措施（1）焊接工藝參數(shù)焊接熱循環(huán)產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力引起應(yīng)變?yōu)棣う?，則單位溫度變化引起的應(yīng)變是：式中：t－溫度；α－膨脹系數(shù)；ωc－冷速。選用合理的焊接工藝，如焊接工藝參數(shù)、預(yù)熱、接頭18對(duì)于厚板對(duì)于薄板

式中Tc－某瞬間溫度；T0－初始溫度；E－焊接線能量；λ－導(dǎo)熱系數(shù)；C－比熱容；e－密度。（1）焊接工藝參數(shù)（1）對(duì)于厚板（1）焊接工藝參數(shù)（1）19則對(duì)厚板

對(duì)薄板

由這二式可見，適當(dāng)增加線能量E和提高預(yù)熱溫度，可降低冷卻速度，減少焊縫金屬的應(yīng)變，從而降低結(jié)晶裂紋傾向。焊接工藝參數(shù)（2）則對(duì)厚板焊接工藝參數(shù)（2）20焊接接頭形式對(duì)接頭的受力狀態(tài)、結(jié)晶條件和熱的分布影響很大，因而結(jié)晶裂紋傾向也不同（圖5－26）。多層焊縫的裂紋傾向比單層焊縫小，因?yàn)?）每層焊接線能量??；2）前幾道焊縫冷凝后起到拘束作用接頭處應(yīng)盡量避免應(yīng)力集中（錯(cuò)邊、咬肉、未焊透）*（2）接頭形式焊接接頭形式對(duì)接頭的受力狀態(tài)、結(jié)晶條件和熱的分21一般順序原則：對(duì)稱焊，分散應(yīng)力，最后一道才是拘束封閉（圖5－27,28）。（3）焊接次序一般順序原則：對(duì)稱焊，分散應(yīng)力，最后一道才是拘22一、冷裂紋的危害及特征1危害性主要發(fā)生在中高碳鋼、合金鋼等的熱影響區(qū)和厚板多層焊的焊縫中，并發(fā)生在拘束度較大的T形接頭和十字形接頭應(yīng)力集中較大的接頭上（表8-1）。一般是在焊后出現(xiàn)，不易發(fā)現(xiàn)。第三節(jié)焊接冷裂紋一、冷裂紋的危害及特征第三節(jié)焊接冷裂紋23（1）發(fā)生在中高碳鋼、合金鋼的熱影響區(qū)（圖5－39）。（高強(qiáng)）2冷裂紋的一般特征（1）（3）多發(fā)生在具有應(yīng)力集中的焊接熱影響區(qū)。（高應(yīng)力）（2）在焊后冷至Ms點(diǎn)附近或更低的溫度下逐漸生成。（低溫）（1）發(fā)生在中高碳鋼、合金鋼的熱影響區(qū)（圖5－39）。（高24（5）裂紋可能在焊后立即出現(xiàn)，也可能經(jīng)過一段時(shí)間出現(xiàn)，在25℃時(shí)的孕育期最短（圖8－5）。（延遲性）冷裂紋的一般特征（2）（4）裂紋可沿晶擴(kuò)展，也可穿晶擴(kuò)展。（脆斷）（5）裂紋可能在焊后立即出現(xiàn)，也可能經(jīng)過一段時(shí)間出現(xiàn)，在2525常見低合金高強(qiáng)鋼的延遲裂紋有：焊趾裂紋起源于母材與焊縫交界處有明顯應(yīng)力集中的部位，裂紋走向與焊道平行，由焊趾表面開始向母材的深處擴(kuò)展。二、冷裂紋的種類（1）常見低合金高強(qiáng)鋼的延遲裂紋有：二、冷裂紋的種類（1）26焊道下裂紋發(fā)生在淬硬傾向較大、含氫量較高的熱影響區(qū)，裂紋走向與熔合線平行。冷裂紋的種類（2）焊道下裂紋冷裂紋的種類（2）273根部裂紋起源于焊縫根部應(yīng)力集中最大的部位。冷裂紋的種類（3）3根部裂紋冷裂紋的種類（3）28三、焊接冷裂紋的機(jī)理鋼的淬硬傾向、焊縫含氫量及其分布、焊接接頭拘束力是產(chǎn)生焊接冷裂紋的三大因素，而且這三個(gè)因素是相互關(guān)聯(lián)的。1鋼的淬硬傾向淬硬傾向越大越易產(chǎn)生裂紋，原因在于：（1）形成脆硬的馬氏體組織尤其是熱影響區(qū)的過熱區(qū)，冷速快時(shí)易形成粗大M體，硬而脆，裂紋一旦形成，極易擴(kuò)展。各種組織對(duì)裂紋的敏感性由弱到強(qiáng)的排列順序?yàn)椋篎或P→BL（下貝氏體）→ML（低碳M體）→BH（上貝氏體）→Bg（粒貝氏體）→Mr（高碳攣晶M體）。三、焊接冷裂紋的機(jī)理鋼的淬硬傾向、焊縫含氫29隨著熱應(yīng)變量增加，位錯(cuò)密度也隨之增加，在應(yīng)力作用下位錯(cuò)發(fā)生移動(dòng)和聚集，當(dāng)它們的濃度達(dá)到一定臨界值后，就會(huì)形成裂紋源，在應(yīng)力作用下，擴(kuò)展形成宏觀裂紋。（2）晶格缺陷熱影響區(qū)的最高硬度Hmax是評(píng)定高強(qiáng)鋼裂紋傾向的重要指標(biāo)。隨著熱應(yīng)變量增加，位錯(cuò)密度也隨之增加，在應(yīng)力作30某種鋼開始出現(xiàn)裂紋時(shí)的氫含量稱為臨界含氫量[H]cr。各種鋼的[H]cr值不同的，與鋼的化學(xué)成分、剛度、預(yù)熱溫度及冷速有關(guān)。如碳當(dāng)量越高，[H]cr越低（圖5－43）。2氫的作用冷裂紋也稱為“氫致裂紋”。高強(qiáng)鋼焊接接頭含氫量越高裂紋的敏感性就越大。某種鋼開始出現(xiàn)裂紋時(shí)的氫含量稱為臨界含氫量[H]31焊縫中含氫量與焊接區(qū)域的清理、焊條類型、烘干溫度和焊后的冷卻速度等有關(guān)。（1）氫的來源及焊縫中的含氫量氫主要來自焊接材料中的水份、焊縫周邊的鐵銹、油污等。焊縫中含氫量與焊接區(qū)域的清理、焊條類型、烘干溫32氫在A體中的溶解度遠(yuǎn)大于在F體中的溶解度，因此在A→F時(shí)氫的溶解度急劇下降（圖5－46a）。氫在F體的擴(kuò)散速度大于A體（圖5－46b，表5－5）。（2）金屬組織對(duì)氫擴(kuò)散的影響（1）氫在A體中的溶解度遠(yuǎn)大于在F體中的溶解度，因此33在焊縫冷卻過程中，由于溶解度下降，氫極力逸出。若焊縫凝固速度較快，未逸出的氫滯留在焊縫金屬中，氫原子便在金屬內(nèi)部擴(kuò)散。由于氫在M體中擴(kuò)散系數(shù)最小，造成氫集聚。金屬組織對(duì)氫擴(kuò)散的影響（2）在焊縫冷卻過程中，由于溶解度下降，氫極力逸出34（1）馬氏體致裂學(xué)說：對(duì)淬硬傾向較大的鋼焊接出現(xiàn)的冷裂紋是由于M體組織硬脆造成的，而且片狀M體（攣晶M體）的淬火鋼中更容易出現(xiàn)顯微裂紋。這是由于硬脆M體形成時(shí)以極大的速度彼此撞擊而成。在這些裂紋空間極易集聚氫，使裂紋擴(kuò)展。所以M體相變是冷裂紋的主導(dǎo)因素，氫的作用是輔助的。

冷裂紋的兩種學(xué)說（1）（1）馬氏體致裂學(xué)說：冷裂紋的兩種學(xué)說（1）35強(qiáng)調(diào)氫脆是冷裂紋的主要原因。主要觀點(diǎn)為：金屬內(nèi)部的缺陷（微孔、夾雜、位錯(cuò)、空位）提供了潛在的裂紋源，在應(yīng)力作用下，誘使氫原子向該處擴(kuò)散并聚集結(jié)合成氫分子，產(chǎn)生很大的應(yīng)力。這樣氫在裂口尖端產(chǎn)生三維應(yīng)力場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)又促使氫在該處富集造成更大的應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力超過一定值時(shí)裂紋向前延伸，應(yīng)力釋放一部分，使氫的濃度擴(kuò)散下降，低于氫的臨界濃度，裂紋將暫停向前延伸。等到氫再次達(dá)到臨界濃度時(shí)，裂紋再次向前擴(kuò)展。（2）氫脆致裂紋學(xué)說（1）強(qiáng)調(diào)氫脆是冷裂紋的主要原因。主要觀點(diǎn)為：（2）氫脆致361鋼化學(xué)成分的影響實(shí)質(zhì)是鋼的淬硬性的影響，Ceq越高，淬硬傾向就越大，冷裂敏感性越強(qiáng)。根據(jù)構(gòu)件的碳當(dāng)量、氫含量和板厚可以估算冷裂紋的敏感性：或式中：Pc、Pw－裂紋敏感指數(shù)；Pcm－碳當(dāng)量；R－拘束度。四、影響冷裂紋的主要因素及其防治根據(jù)Pc、Pw可確定避免冷裂紋所需的預(yù)熱溫度：T0=1440Pw－392℃1鋼化學(xué)成分的影響四、影響冷裂紋的主要因素及其防治37焊接接頭開始產(chǎn)生裂紋時(shí)的應(yīng)力稱為臨界拘束應(yīng)力σcr。σcr值可用試驗(yàn)方法測(cè)得。設(shè)計(jì)焊縫時(shí)只要σcr>σ（或Rcr>R）就可以認(rèn)為是安全的。2拘束應(yīng)力影響（1）焊接接頭開始產(chǎn)生裂紋時(shí)的應(yīng)力稱為臨界拘束應(yīng)力σc38在焊后冷卻過程中，除一部分氫從表面逸出外，還向熱影響區(qū)方向擴(kuò)散。在擴(kuò)散過程中，在一些塑性應(yīng)變和微觀缺陷部位發(fā)生氫聚集（應(yīng)力集中高的部位的氫濃度高于平均值的5倍多），使這個(gè)部位很快達(dá)到臨界氫濃度。3氫的影響（氫在焊縫中的行為）（1）在焊后冷卻過程中，除一部分氫從表面逸出外，還向熱39采用軟質(zhì)焊縫、改變坡口的形式（避免有應(yīng)力集中的部位，如圓滑過渡）和預(yù)熱、后熱等措施均可降低氫的聚集。氫的影響（氫在焊縫中的行為）（2）氫常在熔合區(qū)附近聚集，而且在焊后最初10分鐘內(nèi)聚集速度最快。采用軟質(zhì)焊縫、改變坡口的形式（避免有應(yīng)力集中40（1）焊接線能量：過大線能量E引起近縫區(qū)晶粒粗大，降低抗裂性能，尤其是有粗大M體時(shí)更有害。但對(duì)于低碳低合金鋼適當(dāng)增大線能量是有利的。線能量過小易使熱影響區(qū)淬硬，也不利于氫逸出。焊接工藝對(duì)冷裂紋的影響（1）預(yù)熱可以有效防止冷裂紋，但溫度過高會(huì)增加附加應(yīng)力（因是局部加熱），反而增加冷裂傾向。所以預(yù)熱溫度主要是從降低冷速，減小淬硬傾向考慮。低合金高強(qiáng)鋼的預(yù)熱溫度經(jīng)驗(yàn)公式為：T(℃)=324Pcm+17.7[H]+0.14σb+4.72δ－214（2）預(yù)熱溫度（1）（1）焊接線能量：過大線能量E引起近縫區(qū)晶粒粗大，降低抗裂41由于冷裂紋存在潛伏期，所以要在裂紋產(chǎn)生前要進(jìn)行加熱處理。尤其是對(duì)不預(yù)熱的焊件，后熱處理要及時(shí)，溫度要高。后熱處理的有利作用：1）改善組織，提高韌性，減小淬硬性；2）減低殘余應(yīng)力；3）消除擴(kuò)散氫；4）降低預(yù)熱溫度（表5－12）。（3）焊后熱處理（1）由于冷裂紋存在潛伏期，所以要在裂紋產(chǎn)生前要進(jìn)行42后一道焊縫對(duì)前一道焊縫進(jìn)行了熱處理，有利于氫的逸出，組織的改善，可防止冷裂紋產(chǎn)生。但要在第一層焊縫尚未產(chǎn)生根部裂紋的潛伏期內(nèi)完成第二道焊接。（4）多層焊根據(jù)鋼的冷裂紋敏感性Pw，焊的層數(shù)越多，預(yù)熱溫度越低（圖5－71）。后一道焊縫對(duì)前一道焊縫進(jìn)行了熱處理，有利于氫的逸43（1）冶金方面：1）采用低碳微量合金元素強(qiáng)化，既提高強(qiáng)度，又保證金屬有一定的韌性。2）采用高質(zhì)量鋼降低S、P、O、N雜質(zhì)含量。3）采用堿性低氫焊接材料。4）CO2焊獲得低氫焊縫。5）選用低強(qiáng)度焊條，降低拘束應(yīng)力。6）用A體焊條焊接淬硬傾向較大的中碳調(diào)質(zhì)鋼。（2）工藝方面焊前預(yù)熱，焊后熱處理，多層焊，避免焊接缺陷（未焊透、咬肉、夾雜、氣孔……），焊接接頭形式，施焊順序等。5防止冷裂紋的途徑（1）冶金方面：5防止冷裂紋的途徑44焊接缺陷(熱、冷裂紋)課件45第一節(jié)概述

優(yōu)質(zhì)的焊接接頭應(yīng)具備兩個(gè)條件：一是使用性能不低于母材；二是沒有技術(shù)條件中規(guī)定不允許存在的缺陷。焊接過程中，在焊接接頭中產(chǎn)生的金屬不連續(xù)、不致密或連接不良的現(xiàn)象，叫做焊接缺陷。焊接缺陷的種類很多，有些是因施焊中操作不當(dāng)或焊接參數(shù)不正確所造成，如咬邊、焊穿、焊縫尺寸不足、末焊透等，有些是由于化學(xué)冶金、凝固或固態(tài)相變過程的產(chǎn)物而造成的，如氣孔、夾雜和裂紋等。這些缺陷與母材、焊接材料的化學(xué)成分有密切關(guān)系，因此稱之為焊接冶金缺陷。本部分內(nèi)容重點(diǎn)介紹常見焊接冶金缺陷中的裂紋特征、產(chǎn)生原因及防止措施。第七章焊接缺陷第一節(jié)概述第七章焊接缺陷46一、結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理有的結(jié)晶裂紋是沿焊縫中心縱向開裂，也有沿焊縫中的樹枝晶之間界面處發(fā)生和發(fā)展的結(jié)晶裂紋，有時(shí)也發(fā)生在焊縫內(nèi)部?jī)蓚€(gè)樹枝狀晶體之間，這說明在結(jié)晶過程中晶界是最薄弱的部位。第二節(jié)焊接熱裂紋一、結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理第二節(jié)焊接熱裂紋47由于先結(jié)晶的固相金屬較純，后結(jié)晶的金屬含雜質(zhì)多，并富集在晶界。這些雜質(zhì)容易形成低的熔點(diǎn)的共晶，最后被推向晶界，在晶粒之間形成一個(gè)液態(tài)薄膜。如果此時(shí)有拉伸應(yīng)力存在就會(huì)產(chǎn)生裂紋（圖5-16）。結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理（1）產(chǎn)生熱裂紋的原因是晶間存在液態(tài)薄膜和在凝固過程中存在拉伸應(yīng)力。由于先結(jié)晶的固相金屬較純，后結(jié)晶的金屬含雜質(zhì)多48在整個(gè)結(jié)晶過程中，從液到固可分為三個(gè)階段：（1）液－固階段（液多于固）液態(tài)金屬可在固態(tài)金屬中自由流動(dòng)，此時(shí)既使有拉伸應(yīng)力也不會(huì)產(chǎn)生裂紋。結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理（2）在整個(gè)結(jié)晶過程中，從液到固可分為三個(gè)階段：結(jié)晶裂紋的49（2）固－液階段（固多于液）隨著固態(tài)金屬量增加，剩余的液態(tài)金屬多為低熔點(diǎn)共晶，流動(dòng)也發(fā)生困難，這時(shí)若有拉伸應(yīng)力產(chǎn)生的小裂紋無法靠液態(tài)金屬填充，成為一個(gè)“裂紋源”。此階段也叫“脆性溫度區(qū)”。結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理（3）（3）完全凝固階段完全凝固后金屬有較好的強(qiáng)度和塑性，既使有拉伸應(yīng)力也難以產(chǎn)生裂紋。（2）固－液階段（固多于液）結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理（3）（3）完501冶金因素對(duì)結(jié)晶裂紋的影響影響因素有相圖類型、化學(xué)成分、結(jié)晶組織形態(tài)。二、結(jié)晶裂紋的影響因素產(chǎn)生熱裂紋必須具備冶金因素（成分、偏析…）和力的因素（金屬熱物理性質(zhì)、焊件拘束度、焊接工藝等）。1冶金因素對(duì)結(jié)晶裂紋的影響二、結(jié)晶裂紋的影響因51相圖的結(jié)晶溫度區(qū)間越大（即液態(tài)存在的時(shí)間越長(zhǎng)），產(chǎn)生熱裂紋的可能性越大（圖5－19）。影響相圖結(jié)晶溫度區(qū)間大小與合金的含量有關(guān)。（1）相圖類型和結(jié)晶溫度區(qū)的大?。?）由于焊接是在非平衡條件下結(jié)晶，結(jié)晶溫度區(qū)間要偏離平衡條件下的結(jié)晶溫度區(qū)間，因此最大結(jié)晶裂紋可能發(fā)生在低合金含量區(qū)（圖5－19虛線）。相圖的結(jié)晶溫度區(qū)間越大（即液態(tài)存在的時(shí)間越長(zhǎng)）52各種狀態(tài)圖對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋傾向的規(guī)律（圖5－20）。相圖類型和結(jié)晶溫度區(qū)的大?。?）各種狀態(tài)圖對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋傾向的規(guī)律（圖5－20）53對(duì)凝固溫度范圍的影響；對(duì)形成低熔點(diǎn)相的影響（尤其是S、P）。對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響比較大的合金是一些能形成低熔點(diǎn)共晶的合金元素，熔點(diǎn)越低、數(shù)量越大，裂紋傾向越大。（2）合金因素對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響（1）對(duì)凝固溫度范圍的影響；（2）合金因素對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋541）硫、磷：S、P可擴(kuò)大Fe的結(jié)晶區(qū)間（圖5－21），并能與Fe形成多種低熔點(diǎn)共晶。合金因素對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響（2）1）硫、磷：S、P可擴(kuò)大Fe的結(jié)晶區(qū)間（圖5－21），并552）碳：碳在δ相中的溶解度大于γ相（表5－4），所以含碳<0.10（無包晶反應(yīng)）的鋼不易發(fā)生熱裂。合金因素對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響（4）碳是易偏析元素，并能加劇其它元素的有害作用（如S、P等）。2）碳：碳在δ相中的溶解度大于γ相（表5－4），所以含碳<563）錳：Mn有脫硫作用，生成高熔點(diǎn)MnS（1600℃），生產(chǎn)的MnS為球狀。合金因素對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響（5）隨著鋼中含碳量增加，Mn/S也應(yīng)提高。否則影響Mn的脫硫效果。含碳量越高，S的危害越大（圖5－23）。3）錳：Mn有脫硫作用，生成高熔點(diǎn)MnS（1600℃），生產(chǎn)574）硅：Si是脫氧元素，但焊縫中Si>0.4％時(shí)，容易形成硅酸鹽夾雜，造成裂紋源，從而增加裂紋傾向。合金因素對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響（6）5）鈦、鋯、稀土：Ti、Zr、RE脫硫的效果比Mn好得多，有良好的消除結(jié)晶裂紋作用，但它們也是強(qiáng)脫氧元素。氧化稀土也有脫硫作用。6）鎳：Ni和S形成低熔點(diǎn)共晶（NiS2645℃），易于引起結(jié)晶裂紋。4）硅：Si是脫氧元素，但焊縫中Si>0.4％時(shí)，容易形成58(7)銅：銅易引起熱裂紋，如黃銅釬焊20鋼引起的裂紋。合金因素對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響（7）(7)銅：銅易引起熱裂紋，如黃銅釬焊20鋼引起的裂紋。合金因59焊縫晶粒大小、形態(tài)和方向?qū)沽研杂泻艽笥绊?。晶粒越粗大、柱狀晶方向越明顯，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向就越大。所以細(xì)化晶粒有利于打破液膜的連續(xù)性，是減小結(jié)晶裂紋的有效措施。（3）結(jié)晶組織對(duì)結(jié)晶裂紋的影響（1）焊縫晶粒大小、形態(tài)和方向?qū)沽研杂泻艽笥绊?01冶金因素（1）控制焊縫中硫、磷、碳等有害雜質(zhì)含量盡量減少低熔點(diǎn)共晶的數(shù)量。S、P的最大含量取決于被焊金屬，一般低碳鋼、低合金鋼S、P<0.05％，高合金鋼<0.04％，不銹鋼<0.02％或更低。對(duì)重要焊接構(gòu)件應(yīng)采用堿性焊條或焊劑，以進(jìn)一步減小有害雜質(zhì)含量。三、防止結(jié)晶裂紋的措施從冶金因素和工藝因素（減少應(yīng)力）兩方面著手。1冶金因素三、防止結(jié)晶裂紋的措施從冶金因素和工藝因素61加入細(xì)化晶粒元素（Ti、Mo、V、Nb）細(xì)化晶粒。（2）改善焊縫組織對(duì)A體不銹鋼焊接可采用A+δ雙相組織焊縫（δ~5％），以減少結(jié)晶裂紋和提高焊縫抗晶間腐蝕能力。加入細(xì)化晶粒元素（Ti、Mo、V、Nb）細(xì)化晶粒62選用合理的焊接工藝，如焊接工藝參數(shù)、預(yù)熱、接頭型式、焊接順序等，目的是盡量減少焊縫的拉伸應(yīng)力。2抗熱裂的工藝措施（1）焊接工藝參數(shù)焊接熱循環(huán)產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力引起應(yīng)變?yōu)棣う?，則單位溫度變化引起的應(yīng)變是：式中：t－溫度；α－膨脹系數(shù)；ωc－冷速。選用合理的焊接工藝，如焊接工藝參數(shù)、預(yù)熱、接頭63對(duì)于厚板對(duì)于薄板

式中Tc－某瞬間溫度；T0－初始溫度；E－焊接線能量；λ－導(dǎo)熱系數(shù)；C－比熱容；e－密度。（1）焊接工藝參數(shù)（1）對(duì)于厚板（1）焊接工藝參數(shù)（1）64則對(duì)厚板

對(duì)薄板

由這二式可見，適當(dāng)增加線能量E和提高預(yù)熱溫度，可降低冷卻速度，減少焊縫金屬的應(yīng)變，從而降低結(jié)晶裂紋傾向。焊接工藝參數(shù)（2）則對(duì)厚板焊接工藝參數(shù)（2）65焊接接頭形式對(duì)接頭的受力狀態(tài)、結(jié)晶條件和熱的分布影響很大，因而結(jié)晶裂紋傾向也不同（圖5－26）。多層焊縫的裂紋傾向比單層焊縫小，因?yàn)?）每層焊接線能量??；2）前幾道焊縫冷凝后起到拘束作用接頭處應(yīng)盡量避免應(yīng)力集中（錯(cuò)邊、咬肉、未焊透）*（2）接頭形式焊接接頭形式對(duì)接頭的受力狀態(tài)、結(jié)晶條件和熱的分66一般順序原則：對(duì)稱焊，分散應(yīng)力，最后一道才是拘束封閉（圖5－27,28）。（3）焊接次序一般順序原則：對(duì)稱焊，分散應(yīng)力，最后一道才是拘67一、冷裂紋的危害及特征1危害性主要發(fā)生在中高碳鋼、合金鋼等的熱影響區(qū)和厚板多層焊的焊縫中，并發(fā)生在拘束度較大的T形接頭和十字形接頭應(yīng)力集中較大的接頭上（表8-1）。一般是在焊后出現(xiàn)，不易發(fā)現(xiàn)。第三節(jié)焊接冷裂紋一、冷裂紋的危害及特征第三節(jié)焊接冷裂紋68（1）發(fā)生在中高碳鋼、合金鋼的熱影響區(qū)（圖5－39）。（高強(qiáng)）2冷裂紋的一般特征（1）（3）多發(fā)生在具有應(yīng)力集中的焊接熱影響區(qū)。（高應(yīng)力）（2）在焊后冷至Ms點(diǎn)附近或更低的溫度下逐漸生成。（低溫）（1）發(fā)生在中高碳鋼、合金鋼的熱影響區(qū)（圖5－39）。（高69（5）裂紋可能在焊后立即出現(xiàn)，也可能經(jīng)過一段時(shí)間出現(xiàn)，在25℃時(shí)的孕育期最短（圖8－5）。（延遲性）冷裂紋的一般特征（2）（4）裂紋可沿晶擴(kuò)展，也可穿晶擴(kuò)展。（脆斷）（5）裂紋可能在焊后立即出現(xiàn)，也可能經(jīng)過一段時(shí)間出現(xiàn)，在2570常見低合金高強(qiáng)鋼的延遲裂紋有：焊趾裂紋起源于母材與焊縫交界處有明顯應(yīng)力集中的部位，裂紋走向與焊道平行，由焊趾表面開始向母材的深處擴(kuò)展。二、冷裂紋的種類（1）常見低合金高強(qiáng)鋼的延遲裂紋有：二、冷裂紋的種類（1）71焊道下裂紋發(fā)生在淬硬傾向較大、含氫量較高的熱影響區(qū)，裂紋走向與熔合線平行。冷裂紋的種類（2）焊道下裂紋冷裂紋的種類（2）723根部裂紋起源于焊縫根部應(yīng)力集中最大的部位。冷裂紋的種類（3）3根部裂紋冷裂紋的種類（3）73三、焊接冷裂紋的機(jī)理鋼的淬硬傾向、焊縫含氫量及其分布、焊接接頭拘束力是產(chǎn)生焊接冷裂紋的三大因素，而且這三個(gè)因素是相互關(guān)聯(lián)的。1鋼的淬硬傾向淬硬傾向越大越易產(chǎn)生裂紋，原因在于：（1）形成脆硬的馬氏體組織尤其是熱影響區(qū)的過熱區(qū)，冷速快時(shí)易形成粗大M體，硬而脆，裂紋一旦形成，極易擴(kuò)展。各種組織對(duì)裂紋的敏感性由弱到強(qiáng)的排列順序?yàn)椋篎或P→BL（下貝氏體）→ML（低碳M體）→BH（上貝氏體）→Bg（粒貝氏體）→Mr（高碳攣晶M體）。三、焊接冷裂紋的機(jī)理鋼的淬硬傾向、焊縫含氫74隨著熱應(yīng)變量增加，位錯(cuò)密度也隨之增加，在應(yīng)力作用下位錯(cuò)發(fā)生移動(dòng)和聚集，當(dāng)它們的濃度達(dá)到一定臨界值后，就會(huì)形成裂紋源，在應(yīng)力作用下，擴(kuò)展形成宏觀裂紋。（2）晶格缺陷熱影響區(qū)的最高硬度Hmax是評(píng)定高強(qiáng)鋼裂紋傾向的重要指標(biāo)。隨著熱應(yīng)變量增加，位錯(cuò)密度也隨之增加，在應(yīng)力作75某種鋼開始出現(xiàn)裂紋時(shí)的氫含量稱為臨界含氫量[H]cr。各種鋼的[H]cr值不同的，與鋼的化學(xué)成分、剛度、預(yù)熱溫度及冷速有關(guān)。如碳當(dāng)量越高，[H]cr越低（圖5－43）。2氫的作用冷裂紋也稱為“氫致裂紋”。高強(qiáng)鋼焊接接頭含氫量越高裂紋的敏感性就越大。某種鋼開始出現(xiàn)裂紋時(shí)的氫含量稱為臨界含氫量[H]76焊縫中含氫量與焊接區(qū)域的清理、焊條類型、烘干溫度和焊后的冷卻速度等有關(guān)。（1）氫的來源及焊縫中的含氫量氫主要來自焊接材料中的水份、焊縫周邊的鐵銹、油污等。焊縫中含氫量與焊接區(qū)域的清理、焊條類型、烘干溫77氫在A體中的溶解度遠(yuǎn)大于在F體中的溶解度，因此在A→F時(shí)氫的溶解度急劇下降（圖5－46a）。氫在F體的擴(kuò)散速度大于A體（圖5－46b，表5－5）。（2）金屬組織對(duì)氫擴(kuò)散的影響（1）氫在A體中的溶解度遠(yuǎn)大于在F體中的溶解度，因此78在焊縫冷卻過程中，由于溶解度下降，氫極力逸出。若焊縫凝固速度較快，未逸出的氫滯留在焊縫金屬中，氫原子便在金屬內(nèi)部擴(kuò)散。由于氫在M體中擴(kuò)散系數(shù)最小，造成氫集聚。金屬組織對(duì)氫擴(kuò)散的影響（2）在焊縫冷卻過程中，由于溶解度下降，氫極力逸出79（1）馬氏體致裂學(xué)說：對(duì)淬硬傾向較大的鋼焊接出現(xiàn)的冷裂紋是由于M體組織硬脆造成的，而且片狀M體（攣晶M體）的淬火鋼中更容易出現(xiàn)顯微裂紋。這是由于硬脆M體形成時(shí)以極大的速度彼此撞擊而成。在這些裂紋空間極易集聚氫，使裂紋擴(kuò)展。所以M體相變是冷裂紋的主導(dǎo)因素，氫的作用是輔助的。

冷裂紋的兩種學(xué)說（1）（1）馬氏體致裂學(xué)說：冷裂紋的兩種學(xué)說（1）80強(qiáng)調(diào)氫脆是冷裂紋的主要原因。主要觀點(diǎn)為：金屬內(nèi)部的缺陷（微孔、夾雜、位錯(cuò)、空位）提供了潛在的裂紋源，在應(yīng)力作用下，誘使氫原子向該處擴(kuò)散并聚集結(jié)合成氫分子，產(chǎn)生很大的應(yīng)力。這樣氫在裂口尖端產(chǎn)生三維應(yīng)力場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)又促使氫在該處富集造成更大的應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力超過一定值時(shí)裂紋向前延伸，應(yīng)力釋放一部分，使氫的濃度擴(kuò)散下降，低于氫的臨界濃度，裂紋將暫停向前延伸。等到氫再次達(dá)到臨界濃度時(shí)，裂紋再次向前擴(kuò)展。（2）氫脆致裂紋學(xué)說（1）強(qiáng)調(diào)氫脆是冷裂紋的主要原因。主要觀點(diǎn)為：（2）氫脆致811鋼化學(xué)成分的影響實(shí)質(zhì)是鋼的淬硬性的影響，Ceq越高，淬硬傾向就越大，冷裂敏感性越強(qiáng)。根據(jù)構(gòu)件的碳當(dāng)量、氫含量和板厚可以估算冷裂紋的敏感性：或式中：Pc、Pw－裂紋敏感指數(shù)；Pcm－碳當(dāng)