焊接缺陷及其控制焊接冶金与焊接性教学市公开课金奖市赛课一等奖课件

20921-4A第4章焊接缺点及其控制4.1焊缝中偏析和夹杂

4.2焊缝中气孔

4.3焊接裂纹

第1页第1页20921-4A4.1焊缝中偏析和夹杂焊缝结晶过程是一个不平衡过程，快速冷却造成了各合金元素分布是不均匀。焊缝及熔合区中出现这种合金元素分布不均匀现象称为偏析，它是焊接热裂纹形成主要原因之一。第2页第2页20921-4A4.1.1偏析形成及控制1.偏析种类及形成原因

(1)显微偏析依据金属学平衡结晶过程理论能够知道，合金在结晶过程中，液、固两相合金成份是在不断改变。图4-1马氏体不锈钢焊缝中显微偏析

a)焊缝晶粒形态b)合金元素分布第3页第3页20921-4A4.1.1偏析形成及控制(2)区域偏析在焊缝结晶时，柱状晶生长方向是从熔合线指向焊缝中心，由于柱状晶体不断长大和推移，会把低熔点溶质“赶”向熔池中心，致使最后结晶部位低熔点溶质浓度最高。

(3)层状偏析有时焊缝断面经浸蚀后，能够明显地看出有层状分布轮廓。

2.偏析控制办法

(1)细化焊缝晶粒细晶粒焊缝金属，由于晶界增多，偏析分散，偏析程度将会削弱。第4页第4页20921-4A4.1.1偏析形成及控制(2)适当减少焊接速度高速焊接时，熔池呈泪滴形，柱状晶近乎垂直地向焊缝轴线方向生长，在会合面处形成明显区域偏析。第5页第5页20921-4A4.1.2夹杂形成及控制1.夹杂形成

(1)夹渣由于焊接操作不良而在熔化金属内混入熔渣，使其残留下来，或者在多层焊时前一层焊道焊渣清理不洁净而残留到下层焊缝中，这种在焊缝中渣残留物称为夹渣。

(2)反应生成新相空气、弧柱气氛中氧化性气体以及熔池中硫能够和熔化金属中铁、锰、硅、铝等反应生成微小氧化物、氮化物和硫化物颗粒，它们普通弥散分布在焊缝金属内。

1)氧化物。第6页第6页20921-4A4.1.2夹杂形成及控制2)氮化物。

3)硫化物。

(3)异种金属进入焊缝TIG焊时，假如钨极浸入熔融金属或焊接电流过大体使钨极熔化进入焊缝金属时就会产生夹钨。

2.夹杂危害

1)对接头力学性能来说，假如从断裂力学角度考虑，能够将夹杂物作为一个裂纹源处理，拟定出特定焊缝临界缺点尺寸。第7页第7页20921-4A4.1.2夹杂形成及控制2)以硅酸盐形式存在氧化物数量增长，将使焊缝总含氧量增长，焊缝强度、塑性、韧性明显下降，尤其是低温冲击韧度急剧下降。

3)当焊缝中存在氮化物时，由于Fe4N是一个脆硬化合物，会使焊缝硬度增高，塑性、韧性急剧下降。

4)焊缝中硫化物主要有两种，即MnS和FeS。

5)较大尺寸金属夹杂物对接头性能也是有害。

3.夹杂预防办法

1)合理选取焊接材料，充足脱氧、脱硫。

2)选取适当焊接参数，以利于熔渣浮出。第8页第8页20921-4A4.1.2夹杂形成及控制3)多层焊时，注意清除前一层焊缝焊渣。

4)焊条要适当摆动，以利于熔渣浮出。

5)注意保护熔池，预防空气侵入。第9页第9页20921-4A4.2焊缝中气孔出现在焊缝中气孔是一个典型焊接缺点。碳钢、合金钢和有色金属焊接时都存在出现气孔也许。气孔存在，不但减小了焊缝有效承载面积，并且会形成应力集中，使得焊缝强度、韧性、疲劳强度下降，有时气孔还会成为裂纹源。因此，气孔预防是焊接中一个十分主要问题。第10页第10页20921-4A4.2.1气孔分类及形成机理1.析出型气孔

2.反应型气孔第11页第11页20921-4A4.2.2气孔形成影响原因1.气体起源

(1)焊接区周围空气侵入熔池假如焊接区没有受到较好保护，周围空气就会侵入熔池。

(2)焊接材料吸潮空气中水分非常容易吸附在焊接材料上，尤其是焊条和焊剂。

(3)工件及焊丝表面物质作用工件及焊丝表面氧化膜、铁锈及油污等，均可在焊接过程中向熔池提供氢和氧，是焊缝产气愤孔主要原因。

2.母材对气孔敏感性第12页第12页20921-4A4.2.2气孔形成影响原因(1)气泡生核气泡生核需要两个方面条件：首先液态金属中要有过饱和气体，另一方面要能满足气泡生核能量条件。

(2)气泡长大气泡生核后，要想长大，必须克服外界压力。

(3)气泡上浮生核、长大后气泡是否会在焊缝中形成气孔，决定于气泡上浮逸出速度和熔池金属结晶速度对比关系。

3.焊接材料对气孔影响第13页第13页20921-4A4.2.2气孔形成影响原因(1)熔渣氧化性影响熔渣氧化性大小对焊缝气孔敏感性含有很大影响。

(2)焊条药皮和焊剂影响普通碱性焊条药皮中均含有一定量氟石(CaF2)，焊接时它直接与氢发生反应，产生大量HF，这是一个稳定气体化合物，即使高温也不易分解。

(3)保护气体影响钢材焊接时，可选取保护气体包括CO2和CO2+Ar混合气。第14页第14页20921-4A4.2.2气孔形成影响原因(4)焊丝成份影响焊丝与焊剂或保护气体能够有各种各样组合，因而会有不同冶金反应，从而造成不同熔池和焊缝金属成份。

4.焊接工艺对气孔影响

1)焊接工艺是经过影响电弧周围气体向熔融金属中溶入及熔池中气体逸出而对气孔形成产生影响。

2)电源种类、极性和所用焊接参数对气孔形成也有主要作用。

3)熔池存在时间对气体溶入与排出有显著影响。第15页第15页20921-4A4.2.3气孔预防办法1.消除气体起源

1)加强焊接区保护，焊接过程中不能破坏正常防护条件。

2)对焊接材料进行防潮与烘干。

3)采用适当表面清理办法，清除工件及焊丝表面氧化膜、铁锈及油污等。

2.正确选取焊接材料

1)适当调整熔渣氧化性。

2)焊接有色金属时，在Ar中添加氧化性气体CO2或O2。

3)CO2焊时，必须充足脱氧。第16页第16页20921-4A4.2.3气孔预防办法4)有色金属焊接时，脱氧更是最基本要求。

3.控制焊接工艺条件

1)焊接时规范要保持稳定，预防焊接工艺条件不正常而造成电弧不稳定或失去正常保护作用，从而降低外界气体侵入。

2)尽也许采取短弧焊接，能采取直流焊就不采取交流焊，能采取直流反接就不采取直流正接。

3)铝合金TIG焊时，首先应尽也许采取小热输入以降低熔池存在时间，从而降低氢溶入，同时又要能充足确保根部熔化，以利于根部氧化膜上气泡浮出。第17页第17页20921-4A4.2.3气孔预防办法4)铝合金MIG焊时，由于焊丝氧化膜影响更为主要，减少熔池存在时间难以有效地预防焊丝氧化膜分解出来氢向熔池侵入，因此普通希望增大熔池存在时间，以利气泡逸出。第18页第18页20921-4A4.3焊接裂纹在焊接应力及其它致脆原因共同作用下，材料原子结合遭到破坏，形成新界面而产生缝隙称为焊接裂纹。它是在焊接、消除应力退火、工厂和工地耐压试验过程中以及结构使用过程中，焊接区产生各种裂纹总称，含有锋利缺口和长宽比大特性，是减少焊接结构使用性能最危险焊接缺点之一。第19页第19页20921-4A4.3.1焊接裂纹种类和特性图4-2焊接裂纹宏观形态及其分布

1—焊缝中纵向裂纹2—焊缝中横向裂纹3—熔合区裂纹4—焊缝根部裂纹

5—HAZ根部裂纹6—焊趾纵向裂纹(延迟裂纹)7—焊趾纵向裂纹(液化裂纹、

再热裂纹)8—焊道下裂纹(延迟裂纹、液化裂纹、多边化裂纹)9—层状撕裂

10—弧坑裂纹(火口裂纹)a—纵向裂纹b—横向裂纹c—星形裂纹第20页第20页20921-4A4.3.1焊接裂纹种类和特性1.焊接热裂纹第21页第21页20921-4A4.3.1焊接裂纹种类和特性表4-1裂纹分类及特性裂纹分类形成原因敏感温区相应材料出现位置裂纹走向第22页第22页20921-4A4.3.1焊接裂纹种类和特性表4-1裂纹分类及特性裂纹分类形成原因敏感温区相应材料出现位置裂纹走向层状撕裂钢板内部存在沿轧制方向夹杂物，在垂直于轧制方向拉应力作用下产生台阶式层状开裂400℃下列含有杂质低合金高强度钢厚板结构热影响区附近沿晶或

穿晶应力腐蚀

裂纹在腐蚀介质和拉应力共同作用下产生延迟开裂任何温度碳钢、低合金钢、不锈钢、铝合金等焊缝或热影响区沿晶或

穿晶第23页第23页20921-4A4.3.1焊接裂纹种类和特性(1)结晶裂纹焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于固态金属收缩，残余液态金属不足，不能及时填充收缩留下空间，在拉应力作用下发生沿晶开裂，这种裂纹称为结晶裂纹。图4-3316L不锈钢焊缝中热裂纹第24页第24页20921-4A4.3.1焊接裂纹种类和特性(2)高温液化裂纹在熔合线附近热影响区或多层焊层间部位，假如被焊金属含有较多低熔共晶，在焊接热循环峰值温度作用下，低熔共晶被重新熔化，在拉应力作用下会沿奥氏体晶界发生开裂，这种裂纹称为高温液化裂纹。

(3)多边化裂纹焊接时，当焊缝或熔合区温度处于固相线稍下高温区间时，刚结晶金属中存在诸多晶格缺点，在一定温度和应力作用下，这些晶格缺点发生迁移和汇集，形成了二次边界，即多边化边界。

2.焊接冷裂纹第25页第25页20921-4A4.3.1焊接裂纹种类和特性(1)延迟裂纹延迟裂纹是冷裂纹中一个普遍形态，它主要特点是不在焊后马上出现，而是有一定孕育期，含有延迟现象，故称延迟裂纹，如图4-4所表示。图4-4HY-80钢焊接热影响区中延迟裂纹第26页第26页20921-4A4.3.1焊接裂纹种类和特性(2)淬硬脆化裂纹一些淬硬倾向很大钢种，即使没有氢诱发，仅在拘束应力作用下，也能造成开裂。

(3)低塑性脆化裂纹一些塑性较低材料，焊接后冷却至低温时，由于收缩应力而引起应变超出了材质本身所含有塑性储备，或材质变脆而产生裂纹，称为低塑性脆化裂纹。

3.其它裂纹第27页第27页20921-4A4.3.1焊接裂纹种类和特性(1)再热裂纹一些合金钢焊后消除应力处理过程中产生裂纹，称为消除应力处理裂纹；在高温合金焊后时效处理或高温使用过程中伴随时效沉淀硬化而出现裂纹，称为应变时效裂纹。

(2)层状撕裂含有杂质大型厚壁高强度钢结构在焊接及使用过程中，因钢板厚度方向承受较大拉伸应力而沿钢板轧制方向出现一个台阶状裂纹称为层状撕裂。图4-5典型层状撕裂第28页第28页20921-4A4.3.1焊接裂纹种类和特性(3)应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹是指金属在某种特定腐蚀介质与相应水平拉伸应力共同作用下产生裂纹。图4-6应力腐蚀裂纹第29页第29页20921-4A4.3.2结晶裂纹形成与控制1.结晶裂纹形成机理图4-7焊接时产生结晶裂纹条件

—液相线—固相线—脆性温度区间第30页第30页20921-4A4.3.2结晶裂纹形成与控制2.结晶裂纹影响原因

(1)冶金原因从材料内因考虑，影响结晶裂纹冶金原因主要是材料化学成份，它直接影响结晶温度区间大小、低熔共晶形态以及一次结晶组织。图4-8结晶温度区间宽度与

结晶裂纹倾向关系第31页第31页20921-4A4.3.2结晶裂纹形成与控制1)结晶温度区间。

2)低熔共晶形态。图4-9第二相形状与界面接触角关系第32页第32页20921-4A4.3.2结晶裂纹形成与控制3)一次结晶组织。

4)合金元素种类。

(2)应力原因焊缝金属中存在低熔共晶，在结晶过程中固-液阶段在晶界位置形成液态薄膜，造成焊缝金属塑性减少，但这只是产生结晶裂纹一个条件。

3.结晶裂纹预防办法

(1)冶金办法

1)控制焊缝中硫、磷和碳等有害杂质含量。

2)改进焊缝一次结晶组织。

3)限制熔合比。第33页第33页20921-4A4.3.2结晶裂纹形成与控制4)利用“愈合作用”。

(2)应力控制

1)选择合理接头形式。

2)拟定合理焊接顺序。

3)拟定合理焊接参数。第34页第34页20921-4A4.3.3延迟裂纹形成与控制1.延迟裂纹形成机理

(1)氢行为及作用如前所述，氢在焊接高温作用下，会大量溶解在焊接熔池中，在熔池随后结晶过程中，氢溶解度急剧下降，来不及逸出而呈现分子态氢成为无法移动残余氢；来不及析出而呈现过饱和状态原子氢成为扩散氢。

1)氢致延迟开裂机理。图4-10氢致裂纹扩展过程第35页第35页20921-4A4.3.3延迟裂纹形成与控制2)氢扩散行为对致裂部位影响。图4-11氢扩散行为对致裂部位影响第36页第36页20921-4A4.3.3延迟裂纹形成与控制(2)材料淬硬倾向影响材料淬硬倾向主要决定于材料化学成份、所采用焊接工艺和冷却条件以及板厚等原因。

1)淬火形成脆硬马氏体组织。

2)淬硬形成更多晶格缺点。

(3)接头应力状态影响高强度钢焊接时产生延迟裂纹不但决定于氢有害作用和钢淬硬倾向，并且还决定于焊接接头所处应力状态。

1)应力种类。

2)拘束度与拘束应力。第37页第37页20921-4A4.3.3延迟裂纹形成与控制图4-12拘束度定义阐明图第38页第38页20921-4A4.3.3延迟裂纹形成与控制2.延迟裂纹预防办法

(1)冶金办法

1)改进母材化学成份。

2)严格控制氢起源。

3)适当提升焊缝韧性。

4)选取低氢焊接材料和焊接办法。

(2)工艺办法工艺办法包括正确选择预热温度，严格控制焊接热输入，进行紧急后热，采用多层焊接，合理安排焊缝及焊接顺序等。

1)适当预热。第39页第39页20921-4A4.3.3延迟裂纹形成与控制2)严格控制焊接热输入。

3)焊后低温热处理。

4)采用多层焊。

5)合理安排焊缝及焊接顺序。第40页第40页20921-4A4.3.4其它裂纹形成与控制1.再热裂纹

(1)再热裂纹形成机理再热裂纹产生是由晶界优先滑动造成微裂(形核)而发生和扩展。

(2)再热裂纹预防办法只有那些含有沉淀强化元素钢和合金才有再热裂纹问题，因此在也许情况下，为预防再热裂纹产生，能够优先选取含沉淀强化元素少钢种。

2.层状撕裂

(1)层状撕裂形成机理层状撕裂形成过程如图4-13所表示。第41页第41页20921-4A4.3.4其它裂纹形成与控制图4-13层状撕裂形成过程示意图第42页第42页20921-4A4.3.4其它裂纹形成与控制(2)层状撕裂预防办法预防层状撕裂能够从两个方面着手：一是选取抗层状撕裂钢材；二是减小Z向应力和应力集中。图4-14改变接头形式预防层状撕裂