焊接裂纹的处理

第五章 焊接裂纹
32
2、焊接结晶裂纹的影响因素
1）、冶金因素
①结晶温度区间： 合金状态图脆性温度 区的大小随着该合金 的整个结晶温度区间 的增加而增加
第五章 焊接裂纹
33
②合金元素
a)、S、P
i)S、P增加结晶温度区间,脆性温度区间TB↑裂纹↑
ii)S、P产生低温共晶,使结晶过程中极易形成 液态薄膜,因而显著增大裂纹倾向 iii)P、S引起成分偏析.P、S偏析系数K越 大,偏析的程度越严重.偏析可能在钢的局 部地方形成低熔点共晶产生裂纹。
第五章 焊接裂纹
第五章 焊接裂纹
1
第五章 焊接裂纹
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 概述 焊接热裂纹 焊接冷裂纹 再热裂纹 层状撕裂 应力腐蚀裂纹 焊接裂纹综合分析和判断
第五章 焊接裂纹
2
重点内容
1、裂纹的分类用一般特征 2、结晶裂纹的形成机理、影响因素，及其防 冶措施 3、焊接冷裂纹的形成机理， 4、应力腐蚀裂纹形成机理 ５、层状撕裂产生原因及防止、 ６焊接裂纹综合分析及判断，各种裂纹断口形 貌特征。
SL—固体晶粒与残液之间的表面张力
2

—固相与液相的接触角 当
SL 越小
越小
SL SS=0.5
=0 残液在固体晶粒以薄膜存在裂↑ =180°残液以球状形态分布裂↓
/
第五章 焊接裂纹
42
④一次结晶组织形态及组织对结晶裂 纹的影响 晶粒大小：晶粒粗大裂纹的倾向↑ 初生相： 相裂↑ 裂 ↓ ， 线膨胀系数小于 相变应力↓裂↓
第五章 焊接裂纹
45
3、防止结晶裂纹的措施
1）、冶金方面
①控制焊缝中有害杂质的含量， 限制S、P、C含量S、P<0.03-0.04 焊丝C<0.12% (低碳钢) 焊接高合金钢，焊丝超低碳焊丝 ②改善焊缝的一次结晶 细化晶粒，加入Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al
46
第五章 焊接裂纹
2)、工艺方面（减少拉应力）
含碳量C<0.016% S↑裂↑但加入Mn↑裂↓
含碳量C>0.016% P对形成结晶裂纹的作用超 过了S，Mn↑无意义 第五章 焊接裂纹
35
注意：
d)、Si 硅是 相形成元素，利于消除结晶裂 纹 , 相中S、P溶解度大缘故， Si>0.4% 易形成低熔点的硅酸盐夹杂使 裂↑ e)、Ti 、锆（Zｒ）和稀土元素 对硫的亲合力大，形成高熔点的硫 化物，消除结晶裂纹有良好的作用。
第五章 焊接裂纹
18
三、热裂纹与冷裂纹的基本特点
裂纹 产生温度 产生部位 宏观特征 热裂纹 高温下产生 焊缝、热影响区 冷裂纹 低温下产生 热影响区、焊缝
沿焊缝的轴向成纵向 分布,也有横向分布， 断口具有发亮的金属光 裂口均有氧化色彩表 泽 面无光泽
沿晶粒边界分布，属 于沿晶断裂性质 晶间断裂，也有穿晶内 断裂，也有晶间和穿晶 混合断裂
第五章 焊接裂纹
9
晶 间 裂 纹 HAZ液化裂纹
多边化裂纹
第五章 焊接裂纹
10
第五章 焊接裂纹
11
2）、再热裂纹（消除应力处理裂纹）
由于重新加热（热处理）过程中产生称再热 裂纹—消除应力处理裂纹。
第五章 焊接裂纹
12
第五章 焊接裂纹
13
3）、冷裂纹
产生温度：温度区间在+100℃～-75℃之间 存在部位:多在热影响区,但也有发生在焊缝。 特征（断口）：宏观断口具有发亮的金属光泽 的脆性断裂特征。 微观看：晶间断裂，但也可穿晶（晶内）断裂， 也可晶间和穿晶混合断裂。
s
高温阶段晶间塑性变形能力不足以承 受当时所发生塑性应变量。
第五章 焊接裂纹
31
结论：
①脆性温度区间大小 , TB大，拉应力作用时 间长，产生裂纹可能性大，决定于焊缝化学 成分，杂质性质与分布，晶粒大小。 ②脆性温度区（TB）内金属的塑性，TB内金属 的塑性越小，越易产生结晶裂纹。 ③TB内随温度降低变形的增长率（拉伸应力 的增长率）,临应变率CST越大,则表示材料的 热裂纹敏感性越小,越不易产生裂纹。
应变率 , ↓ 接头预热型式 适当增加线能量（ q/v ）接头型 式合理 妥善安排焊接次序焊次序
e E ↑、 t e T0 ↑应变率 t
第五章 焊接裂纹
47
四、近缝区液化裂纹
1、 产生部位及材料
通常产生在母材的热影响区的粗晶区，也 可产生在多层焊缝的焊层之间液化裂纹属 于晶间开裂性质，裂纹断口呈典型的晶间 开裂特征。
第五章 焊接裂纹
20
结 晶 裂 纹
第五章 焊接裂纹
21
第五章 焊接裂纹
22
第五章 焊接裂纹
23
第五章 焊接裂纹
24
第五章 焊接裂纹
25
第五章 焊接裂纹
26
2）、熔池各阶段产生结晶裂纹的倾向
在焊缝金属凝固结晶的后期，低熔点共晶物 被排挤在晶界，形成一种所谓的“液态薄膜”， 在焊接拉应力作用下，就可能在这薄弱地带开裂 ，产生结晶裂纹。 产生结晶裂纹原因：①液态薄膜 ②拉伸应力 液态薄膜—根本原因 拉伸应力—必要条件
焊缝冲击断口SEM形貌 (a)、(b)、(c) 未加入稀土 (d)、(e)、(f) 加入2%稀土 第五章 焊接裂纹
图2 焊缝冲击断口扫描形貌
38
焊缝金属金相组织 a、未加入稀土 b、加入2%稀土
第五章 焊接裂纹
39
f)、O O↑降低S的有害作用，氧、硫、铁能形 成Fe-FeS-FeO三元共晶，使FeS由薄膜变成 球状，裂↓
44
0 ↓ T↑ ↓ 1
T→ T0 1 = 0
T0 —称金属的等强温度 T> T0 时， 1 > 0 发生断裂晶间断裂
若焊缝所受拉伸应力为 2 随温度变化始终 不超过 0 ，则不会产生结晶裂纹 2 < 0
1 > 0产生结晶裂纹 若焊缝的拉伸应力为 1，
产生结晶裂纹的条件是冶金因素和力共同作 用，二者缺一不可
第五章 焊接裂纹
50
五、多边化裂纹
1、形成条件（形成机理）
多边化现象，焊缝金属中存在很多高密 度的位错在高温和应力的共同作用下， 位错极易运动，在不同平面上运动的刃 型位错遇到障碍时可能发生攀移，由原 来的水平组合变成后来的垂直组合，即 形成“位错壁”就是多边化现象。
2、 产生原因
1）、近缝区晶界处存在低熔点杂质 2）、近缝区存在晶间液膜(低熔点共晶体)
第五章 焊接裂纹
48
液化裂纹
第五章 焊接裂纹
49
3、影响因素
1）、化学成分 2）、工艺因素
4、防止措施
1）、控制S、P等杂质含量 如采用电渣精炼的方法，去除合金中的杂质。
Fra Baidu bibliotek
2 ）、焊接工艺上，采用小线能量，避免近缝 区晶粒粗化
微观特征
第五章 焊接裂纹
19 本节结束
§5-2 焊接热裂纹
一、结晶裂纹
1、 产生机理
1 ）产生部位：结晶裂纹大部分都沿焊缝树 枝状结晶的交界处发生和发展的，常见沿焊 缝中心长度方向开裂即纵向裂纹，有时焊缝 内部两个树枝状晶体之间。对于低碳钢、奥 氏体不锈钢、铝合金、结晶裂纹主要发生在 焊缝上某些高强钢，含杂质较多的钢种，除 发生在焊缝之处，还出现在近缝区上。
第五章 焊接裂纹
27
以低碳钢焊接为例可把熔池的结晶分 为以下三个阶段
①液固阶段：（1区）
②固液阶段：这一区 也称为“脆性温度区” 即图上a、b之间的温 度范围 ③固相阶段：也叫 完全凝固阶段
Tb—称为脆性温度区，在比区间易产生结晶裂纹，杂质较少的金属, Tb 小产生裂纹的可能性也小，杂质多的金属Tb大，产生裂纹的倾向也大 第五章 焊接裂纹
日本JWS临界应变增长率CST CST=(-19.2C-97.2S-0.8Cu-1.0Ni+ 3.9Mn+65.7Nb-618.5B+7.0)*10-4 当 CST 6.5 104 时，可以防止裂纹
C S P ( Si / 25 Ni / 100 ) 3 HCS 10 3Mn Cr Mo V 当HCS<4时，可以防止裂纹
第五章 焊接裂纹
8
1)、热裂纹分类
a. 结晶裂纹：在凝固的过程--结晶过程中产生 b. 高温液化裂纹：在高温下产生,钢材或多层焊
的层间金属含有低熔点化合物经重新溶化， 在收缩应力作用下,沿奥氏体晶间发生开裂
c. 多边化裂纹：产生温度低于固相线温度,存在
晶格缺陷(位错和空位),物理化学的不均匀性, 在应力作用下,缺陷聚集形成多边化边界,使强 度塑性下降,沿多边化边界开裂,多发生纯金属 或单相奥氏体合金焊缝。
第五章 焊接裂纹
4
二、种类
各种不同类型的裂纹 ①焊缝中纵向裂纹 ②焊缝上横向裂纹 ③热影响区纵向裂纹 ④热影响区横向裂纹 ⑤火口（弧坑）裂纹 ⑥焊道下裂纹 ⑦焊缝内部晶间裂纹 ⑧焊趾裂纹 ⑨热影响区焊缝贯穿裂纹⑩焊缝根部裂纹
第五章 焊接裂纹
5
第五章 焊接裂纹
6
分类:
1、 按裂纹分布的走向分 ①横向裂纹 ②纵向裂纹
第五章 焊接裂纹
14
冷裂纹分类：
a. 延迟裂纹：特点不在焊后立即出现，有 一段孕育期产生迟滞现象称延迟裂纹。 b. 淬硬脆化裂纹（淬火裂纹）：淬硬倾向 大的组织易产生这种裂纹（与氢含量关 系不大）。 c. 低塑性脆化裂纹：在比较低的温度下， 由于收缩应变超过了材料本身的塑性储 备产生的裂纹称低塑性脆化裂纹。
③星形（弧形裂纹） 2、 按裂纹发生部位分 ①焊缝金属中裂纹
②热影响区中裂纹
纵向裂纹
③焊缝热影响区贯穿裂纹
第五章 焊接裂纹
7
3 、按产生本质分类
1）、热裂纹 （高温裂纹） 产生：热裂纹(高温裂纹)高温下产生 存在部位：焊缝为主,热影响区
特征：宏观看, 沿焊缝的轴向成纵向分
布（连续或继续）也可看到缝横向裂纹 ，裂口均有较明显的氧化色彩，表面无 光泽，微观看，沿晶粒边界（包括亚晶 界）分布，属于沿晶断裂性质
第五章 焊接裂纹
40
热裂敏感系数HCS公式
③凝固时界面张力
杂质的低熔点共晶所造成的液态 薄膜是产生结晶裂纹的重要因素 ，若将晶界的液态薄膜改变为球 状的形态，抗裂性↑
第五章 焊接裂纹
41
固相晶粒之间和固液之间表面张力的 平衡关系为
SS 2 SL cos
SS—固体晶粒之间的表面张力
28
第五章 焊接裂纹
29
3）产生结晶裂纹的条件
在ＴＢ焊缝的塑性用P表示, 当在某一瞬时温度 时有一个最小的塑
P (T )
性值（Pmin)
（出现液态薄膜时）
受拉伸应力所产生的变形
用e表示，也是温度的函数 .
第五章 焊接裂纹
30
产生裂纹的条件
在脆性温度区焊缝所承受的拉伸 应力所产生的变形大于焊缝金属所具 有的塑性时产生裂纹即 e 0
第五章 焊接裂纹
43
2)、力的因素
在焊接时脆性温度区内金属的强度要小在脆性 温度区内金属所承受的拉伸应力。 产生结晶裂纹的充分条件。 m
m —在脆性温度区内金属的强度 —在脆性温度内金属所承受的拉伸应力 金属的强度 m 决定于 —晶内强度 1
0—晶间强度
第五章 焊接裂纹
第五章 焊接裂纹
3
§5-1 概述
一、危害性
焊接结构产生裂纹轻者需要返修，浪 费人力、物力、时间，重者造成焊接结构 报废，无法修补。更严重者造成事故、人 身伤亡。如1969年有一艘5万吨的矿石运输 船在太平洋上航行时，断裂成两段而沉没 ，在压力容器破坏事故中，有很多都是由 于焊接裂纹造成。因此，解决研究焊接裂 纹已成为当前主要课题。
34
第五章 焊接裂纹
b)、C i)、C<0.1% C↑结晶温度区间↑,裂纹↑ ii)、C>0.16% Mn/S↑无效,加剧P有害作用 裂↑ iii)、C>0.51% 初生相 初生相 S、P在小相中溶解度低，析出S、 P集富在晶界上，裂纹↑ c)、Mn Mn具有脱S作用 [Mn] [ FeS] [MnS 其中Mn熔 点高，早期结晶星球状分布，抗裂↑
第五章 焊接裂纹
15
延迟裂纹
第五章 焊接裂纹
16
4）、层状撕裂：
由于轧制母材内部存 在有分层的夹杂物(特 别是硫化物夹杂物） 和焊接时产生的垂直 轧制方向的应力，使 热影响区附近地方产 生呈“台阶”状的层 状断裂并有穿晶发展 。
第五章 焊接裂纹
17
5）、应力腐蚀裂纹：
金属材料在某些特定 介质和拉应力共同作 用下所产生的延迟破 裂现象，称应力腐蚀 裂纹。
第五章 焊接裂纹
36
例如：强度为600MPa焊条研究
焊缝成分分析
焊缝 成分 C S Ｐ Ｍn Si Cr Ni
Ao
A１
0.10
0.09
0.037 0.017 0.94 0.54
0.015 0.014 1.25 0.44
0.20
0.19
0.87
0.83
注：A１ 焊缝中加入轻稀土１％
第五章 焊接裂纹
37