焊接裂紋熱裂紋

第二節(jié)焊接熱裂紋

熱裂紋是焊接生產中比較常見的一種缺陷，從一般常用的低碳鋼、低合金鋼，到奧氏體不銹鋼、鋁合金和鎳基合金等都有產生熱裂紋的可能。熱裂紋主要是結晶裂紋、液化裂紋和多邊化裂紋三種宏觀上熱裂紋外表都有氧化色彩。

1精選ppt一、結晶裂紋的形成機理先結晶的金屬較純，后結晶的金屬含雜質較多，并富集在晶界。一般來講，這些雜質所形成的共晶都有較低的熔點。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，形成一種所謂“液態(tài)薄膜〞，此時由于收縮而受到了拉伸應力，這時焊縫中的液態(tài)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。總括以上，產生結晶裂紋的原因，就在于焊縫中存在液態(tài)薄膜和在焊縫凝固過程中受到拉伸應力共同作用的結果。因此，液態(tài)薄膜是產生結晶裂紋的內因，而拉伸應力是產生結晶裂紋的必要條件。2精選ppt產生結晶裂紋的條件是：焊縫在脆性溫度區(qū)內所承受的拉伸應變大于焊縫金屬所具有塑性。可把熔池的結晶分為以下三個階段：3精選ppt〔一〕液固階段熔池開始結晶時，僅有少量的晶核，以后逐漸晶核長大和出現新的晶核，但始終保持有較多的液相，相鄰晶粒之間不發(fā)生接觸，液態(tài)金屬可在晶粒之間自由流動。此時雖有拉伸應力存在，但被拉開的縫隙能及時地被流動著的液態(tài)金屬所填滿，因此在液固階段不會產生裂紋。4精選ppt〔二〕固液階段當結晶繼續(xù)進行時，固相不斷增多，且不斷長大，冷卻到某一階段時，已凝固的相彼此發(fā)生接觸，并不斷傾軋到一起，這時液態(tài)金屬的流動就發(fā)生了困難，即熔池結晶進入了固液階段。在這種情況下，由于液態(tài)金屬少〔主要是那些低熔點共晶〕，在拉伸應力作用下所產生的微小縫隙都無法填充，只要稍有拉伸應力存在就有產生裂紋的可能。5精選ppt〔三〕完全凝固階段熔池金屬完全凝固之后所形成的焊縫，受到拉伸應力時，就會表現出較好的強度和塑性，很難發(fā)生裂紋。但應指出，對于某些金屬在焊縫完全凝固以后，仍有一段溫度內塑性很低，也會產生裂紋，即所謂高溫低塑性裂紋〔多邊化裂紋〕。由低熔點共晶所形成的液態(tài)薄膜是產生結晶裂紋的主要根源。但在大量實驗的根底上，發(fā)現焊縫中低熔點共晶的數量超過一定限界之后，反而具有“愈合〞裂紋的作用。也就是說，低熔點共晶較多時，反而不產生裂紋，它可以自由流動，填充有裂口的部位，這就是起了所謂“愈合〞作用。6精選ppt二、結晶裂紋的影響因素從現象來看，影響結晶裂紋的因素很多，但從本質來看，主要可歸納為兩方面，即冶金因素和力的因素?！惨弧骋苯鹨蛩貙Ξa生結晶裂紋的影響所謂結晶裂紋的冶金因素主要是合金狀態(tài)圖的類型、化學成分和結晶組織形態(tài)等。1．合金狀態(tài)圖的類型和結晶溫度區(qū)間結晶裂紋傾向的大小是隨合金狀態(tài)圖結晶溫度區(qū)間的增大而增加。當合金元素進一步增加時，結晶區(qū)間和脆性溫度區(qū)反而減小，所以裂紋的傾向也反而降低了。7精選ppt2．合金元素對產生結晶裂紋的影響〔1〕硫和磷硫和磷在鋼中能形成多種低熔共晶，使結晶過程極易形成液態(tài)薄膜，因而顯著增大裂紋傾向，即使是微量存在，也會使結晶區(qū)間大為增加?！?〕碳碳在鋼中是影響結晶裂紋的主要元素，并能加劇其他元素的有害作用〔如硫、磷等〕?！?〕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(tài)，使薄膜狀FeS改變?yōu)榍驙罘植?，從而提高了焊縫的抗裂性。為了防止硫引起的結晶裂紋，并隨含碳量的增加，那么Mn/S的比值也應隨之增加8精選ppt〔4〕硅硅是δ相形成元素，應利于消除結晶裂紋，但硅含量超過0.4%時，容易形成硅酸鹽夾雜，從而增加了裂紋傾向。(5)鈦、鋯和稀土最近發(fā)現，鈦、鋯和鑭、鈰等稀土元素能形成高熔點的硫化物，故對消除結晶裂紋有良好作用。〔6〕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℃〕，因此會引起結晶裂紋。但參加錳、鈦等合金元素后，可以抑制硫的有害作用?！?〕氧焊縫中有一定的含氧量，能降低硫的有害作用。9精選ppt3．凝固結晶組織形態(tài)對結晶裂紋的影響焊縫在結晶后，晶粒大小、形態(tài)和方向，以及析出的初生相等對抗裂性都有很大的影響。晶粒越粗大，柱狀晶的方向越明顯，那么產生結晶裂紋的傾向就越大。對于焊接18-8型不銹鋼時，希望得到γ+δ雙相焊縫組織，因焊縫中有少量δ相可以細化晶粒，打亂奧氏體粗大柱狀晶的方向性，同時，δ相還具有比γ相溶解更多S、P的不利作用，因此可以提高焊縫的抗裂能力。10精選ppt〔二〕力學因素對產生結晶裂紋的影響焊縫金屬在脆性溫度區(qū)內塑性低和脆性溫度區(qū)的范圍寬是產生結晶裂紋的必要原因，而充分條件是必須要有力的作用。產生結晶裂紋的影響因素概括起來主要是冶金因素和力學因素，二者之間既有內在的聯系，又有各自獨立規(guī)律。11精選ppt三、防治結晶裂紋的措施〔一〕冶金因素方面1．控制焊縫中硫、磷、碳等有害雜質的含量盡可能的控制母材及焊材中的硫、磷、碳含量，一些重要的焊接結構應采用堿性焊條或焊劑。2．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方法是向焊縫中參加細化晶粒元素〔如Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al、稀土等〕。對于不銹鋼焊接時，為了提高抗裂性、抗腐性，希望得到γ+δ的雙相組織焊縫〔δ相控制在5%左右〕，這也是改善凝固結晶的重要方面。12精選ppt〔二〕工藝因素方面工藝方面主要是焊接工藝參數、預熱、接頭型式和焊接順序等，用工藝方法防止結晶裂紋主要是改善焊接時的應力狀態(tài)。1．焊接工藝及工藝參數適當增加焊接線能量E和提高預熱溫度T0，即可減小焊縫金屬的應變率，從而降低結晶裂紋的傾向。13精選ppt2．接頭形式外表堆焊和熔深較淺的對接焊縫抗裂性較高。熔深較大的對接和各種角接〔包括搭接、T形接頭和外角接焊縫等〕抗裂性較差，因為這些焊縫所承受的應力正好作用在焊縫的結晶面上，而這個面是晶粒之間聯系較差，雜質聚集的地方，故易于引起裂紋。對于厚板焊接結構，施工時常采用多層焊，裂紋傾向比單層焊有所緩和，但對各層的熔深應注意控制。另外，在接頭處應盡量防止應力集中〔錯邊、咬肉、未焊透等〕，也是降低裂紋傾向的有效方法。3.焊接次序盡量使大多數焊縫能在較小剛度的條件下焊接，使焊縫的受力較小。14精選ppt四、高溫液化裂紋

液化裂紋是一種沿奧氏體晶界開裂的微裂紋，它的尺寸很小，一般在0.5mm以下，個別的可達1mm。盡管裂紋的尺寸很小，但常成為冷裂紋、再熱裂紋、脆性破壞和疲勞斷裂的發(fā)源地，所以應當給以足夠的重視。15精選ppt〔一〕液化裂紋的形成機理焊接時近縫區(qū)金屬層間或焊縫層間金屬，在高溫下使這些區(qū)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。另外，在不平橫的加熱和冷卻條件下，由于金屬間化合物分解和元素的擴散，造成了局部地區(qū)共晶成分偏高而發(fā)生局部晶間液化，同樣也會產生液化裂紋。由此可知，液化裂紋也是由冶金因素和力學因素共同作用的結果。液化裂紋也同樣產生于脆性溫度區(qū)，脆性溫度區(qū)的大小是判定液化裂紋傾向的只要指標。16精選ppt〔二〕液化裂紋的影響因素液化裂紋的形成機理與結晶裂紋根本一致，因此影響因素也大致相同，也是冶金因素和力學因素共同作用的結果?！踩骋夯鸭y的防治防止液化裂紋的途徑與結晶裂紋的防止途徑根本上是一致的，也是從冶金和工藝兩方面入手。特別是對冶金方面，盡可能降低母材金屬中硫、磷、硅、硼等低熔共晶組成元素的含量是十分有效的。17精選ppt五、多過化裂紋〔一〕多邊化裂紋的形成機理這種裂紋多數是在焊縫中產生，它是在結晶前沿已凝固相的晶粒中萌生出大量的晶格缺陷〔空位和位錯等〕，并且在快速的冷卻條件下，由于不易擴散，它們以邊飽和的狀態(tài)保存于焊縫金屬中，在一定溫度和應力的條件下，晶格缺陷發(fā)生移動和聚集，從而形成了二次邊界，即所謂“多邊化邊界〞。18精選ppt

另外，母材熱影響區(qū)在焊接熱循環(huán)的作用下，由于熱應變，金屬中的畸變能增加，同時也會形成多邊化邊界。這種多邊化的邊界，一般情況下并不與凝固晶界重合，在焊接后的冷卻過程中，由于熱塑性降低，導致沿多邊化的邊界產生裂紋，故稱多邊化裂紋。19精選ppt〔二〕多邊化裂紋的主要特點這種裂紋多發(fā)生在純金屬或單相奧氏體焊縫中，個別情況下也出現在熱影響區(qū)中。裂紋附近常伴隨有再結晶晶粒出現，所以多邊化裂紋總是遲于再結晶。裂紋多發(fā)生在重復受熱的多層焊層間金屬中及熱影響區(qū)，其部位并不都靠近熔合區(qū)，說明這種裂紋與晶界液化無關。斷口呈現出高溫低塑性開裂。20精選ppt〔三〕多邊化裂紋的影響因素1．合金成分的影響在Ni-Cr系的單相合金中，向焊縫參加提高多邊化激活能的元素〔