焊接冶金与焊接性 作者 刘会杰 第4章 焊接缺陷及其控制.ppt

20921-4A,第4章 焊接缺陷及其控制,4.1 焊缝中的偏析和夹杂 4.2 焊缝中的气孔 4.3 焊接裂纹,20921-4A,4.1 焊缝中的偏析和夹杂,焊缝结晶过程是一个不平衡的过程，快速冷却造成了各合金元素的分布是不均匀的。焊缝及熔合区中出现的这种合金元素分布不均匀的现象称为偏析，它是焊接热裂纹形成的重要原因之一。,在线教务辅导网：,教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网,QQ:349134187 或者直接输入下面地址：,,20921-4A,4.1.1 偏析的形成及控制,1.偏析的种类及形成原因 (1)显微偏析 根据金属学平衡结晶过程的理论可以知道，合金在结晶过程中，液、固两相的合金成分是在不断变化的。,图4-1 马氏体不锈钢焊缝中的显微偏析 a)焊缝晶粒的形态 b)合金元素的分布,20921-4A,4.1.1 偏析的形成及控制,(2) 区域偏析 在焊缝结晶时，柱状晶的生长方向是从熔合线指向焊缝中心的，由于柱状晶体不断长大和推移，会把低熔点溶质“赶”向熔池的中心，致使最后结晶的部位低熔点溶质的浓度最高。 (3) 层状偏析 有时焊缝断面经浸蚀后，可以明显地看出有层状分布的轮廓。 2.偏析的控制措施 (1) 细化焊缝晶粒 细晶粒的焊缝金属，由于晶界的增多，偏析分散，偏析的程度将会减弱。,20921-4A,4.1.1 偏析的形成及控制,(2) 适当降低焊接速度 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，在会合面处形成显著的区域偏析。,20921-4A,4.1.2 夹杂的形成及控制,1.夹杂的形成 (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的焊渣清理不干净而残留到下层焊缝中，这种在焊缝中的渣的残留物称为夹渣。 (2) 反应生成新相 空气、弧柱气氛中的氧化性气体以及熔池中的硫可以和熔化金属中的铁、锰、硅、铝等反应生成微小的氧化物、氮化物和硫化物颗粒，它们一般弥散分布在焊缝金属内。 1) 氧化物。,20921-4A,4.1.2 夹杂的形成及控制,2) 氮化物。 3) 硫化物。 (3) 异种金属进入焊缝 TIG焊时，如果钨极浸入熔融金属或焊接电流过大致使钨极熔化进入焊缝金属时就会产生夹钨。 2.夹杂的危害 1)对接头的力学性能来说，如果从断裂力学的角度考虑，可以将夹杂物作为一个裂纹源处理，确定出特定焊缝的临界缺陷尺寸。,20921-4A,4.1.2 夹杂的形成及控制,2)以硅酸盐形式存在的氧化物数量的增加，将使焊缝总的含氧量增加，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是一种脆硬的化合物，会使焊缝的硬度增高，塑性、韧性急剧下降。 4)焊缝中的硫化物主要有两种，即MnS和FeS。 5)较大尺寸的金属夹杂物对接头的性能也是有害的。 3.夹杂的防止措施 1)合理选用焊接材料，充分脱氧、脱硫。 2)选用合适的焊接参数，以利于熔渣的浮出。,20921-4A,4.1.2 夹杂的形成及控制,3)多层焊时，注意清除前一层焊缝的焊渣。 4)焊条要适当摆动，以利于熔渣的浮出。 5)注意保护熔池，防止空气侵入。,20921-4A,4.2 焊缝中的气孔,出现在焊缝中的气孔是一种典型的焊接缺陷。碳钢、合金钢和有色金属焊接时都存在出现气孔的可能。气孔的存在，不仅减小了焊缝的有效承载面积，而且会形成应力集中，使得焊缝的强度、韧性、疲劳强度下降，有时气孔还会成为裂纹源。因此，气孔的防止是焊接中一个十分重要的问题。,20921-4A,4.2.1 气孔的分类及形成机理,1.析出型气孔 2.反应型气孔,20921-4A,4.2.2 气孔形成的影响因素,1.气体的来源 (1)焊接区周围的空气侵入熔池 如果焊接区没有受到很好的保护，周围的空气就会侵入熔池。 (2)焊接材料吸潮 空气中的水分非常容易吸附在焊接材料上，特别是焊条和焊剂。 (3)工件及焊丝表面物质的作用 工件及焊丝表面的氧化膜、铁锈及油污等，均可在焊接过程中向熔池提供氢和氧，是焊缝产生气孔的重要原因。 2.母材对气孔的敏感性,20921-4A,4.2.2 气孔形成的影响因素,(1)气泡的生核 气泡的生核需要两个方面的条件：首先液态金属中要有过饱和气体，其次要能满足气泡生核的能量条件。 (2)气泡的长大 气泡生核后，要想长大，必须克服外界压力。 (3)气泡的上浮 生核、长大后的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的对比关系。 3. 焊接材料对气孔的影响,20921-4A,4.2.2 气孔形成的影响因素,(1)熔渣氧化性的影响 熔渣氧化性的大小对焊缝的气孔敏感性具有很大的影响。 (2)焊条药皮和焊剂的影响 一般碱性焊条药皮中均含有一定量的氟石(CaF2)，焊接时它直接与氢发生反应，产生大量的HF，这是一种稳定的气体化合物，即使高温也不易分解。 (3)保护气体的影响 钢材焊接时，可选用的保护气体包括CO2和CO2+Ar混合气。,20921-4A,4.2.2 气孔形成的影响因素,(4)焊丝成分的影响 焊丝与焊剂或保护气体可以有各种各样的组合，因而会有不同的冶金反应，从而造成不同的熔池和焊缝金属成分。 4.焊接工艺对气孔的影响 1)焊接工艺是通过影响电弧周围气体向熔融金属中的溶入及熔池中气体的逸出而对气孔的形成产生影响的。 2)电源的种类、极性和所用焊接参数对气孔的形成也有重要作用。 3)熔池存在时间对气体的溶入与排出有明显的影响。,20921-4A,4.2.3 气孔的防止措施,1.消除气体来源 1)加强焊接区保护，焊接过程中不能破坏正常的防护条件。 2)对焊接材料进行防潮与烘干。 3)采取适当的表面清理方法，清除工件及焊丝表面的氧化膜、铁锈及油污等。 2.正确选用焊接材料 1)适当调整熔渣的氧化性。 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，必须充分脱氧。,20921-4A,4.2.3 气孔的防止措施,4)有色金属焊接时，脱氧更是最基本的要求。 3. 控制焊接工艺条件 1)焊接时规范要保持稳定，防止焊接工艺条件不正常而导致电弧不稳定或失去正常保护作用，从而减少外界气体的侵入。 2)尽量采用短弧焊接，能采用直流焊就不采用交流焊，能采用直流反接就不采用直流正接。 3)铝合金TIG焊时，一方面应尽量采用小的热输入以减少熔池存在的时间，从而减少氢的溶入，同时又要能充分保证根部的熔化，以利于根部氧化膜上的气泡浮出。,20921-4A,4.2.3 气孔的防止措施,4)铝合金MIG焊时，由于焊丝氧化膜的影响更为重要，减少熔池存在时间难以有效地防止焊丝氧化膜分解出来的氢向熔池侵入，因此一般希望增大熔池存在时间，以利气泡逸出。,20921-4A,4.3 焊接裂纹,在焊接应力及其他致脆因素共同作用下，材料的原子结合遭到破坏，形成新界面而产生的缝隙称为焊接裂纹。它是在焊接、消除应力退火、工厂和工地的耐压试验过程中以及结构的使用过程中，焊接区产生的各种裂纹的总称，具有尖锐的缺口和长宽比大的特征，是降低焊接结构使用性能最危险的焊接缺陷之一。,20921-4A,4.3.1 焊接裂纹的种类和特征,图4-2 焊接裂纹的宏观形态及其分布 1焊缝中的纵向裂纹 2焊缝中的横向裂纹 3熔合区裂纹 4焊缝根部裂纹 5HAZ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,20921-4A,4.3.1 焊接裂纹的种类和特征,1.焊接热裂纹,20921-4A,4.3.1 焊接裂纹的种类和特征,表4-1 裂纹的分类及特征,20921-4A,4.3.1 焊接裂纹的种类和特征,表4-1 裂纹的分类及特征,20921-4A,4.3.1 焊接裂纹的种类和特征,(1)结晶裂纹 焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于固态金属的收缩，残余液态金属不足，不能及时填充收缩留下的空间，在拉应力的作用下发生沿晶开裂，这种裂纹称为结晶裂纹。,图4-3 316L不锈钢焊缝中的热裂纹,20921-4A,4.3.1 焊接裂纹的种类和特征,(2)高温液化裂纹 在熔合线附近的热影响区或多层焊的层间部位，如果被焊金属含有较多的低熔共晶，在焊接热循环峰值温度的作用下，低熔共晶被重新熔化，在拉应力的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在固相线稍下的高温区间时，刚结晶的金属中存在很多晶格缺陷，在一定的温度和应力作用下，这些晶格缺陷发生迁移和聚集，形成了二次边界，即多边化边界。 2.焊接冷裂纹,20921-4A,4.3.1 焊接裂纹的种类和特征,(1)延迟裂纹 延迟裂纹是冷裂纹中的一种普遍形态，它的主要特点是不在焊后立即出现，而是有一定的孕育期，具有延迟现象，故称延迟裂纹，如图4-4所示。,图4-4 HY-80钢焊接热影响区中的延迟裂纹,20921-4A,4.3.1 焊接裂纹的种类和特征,(2)淬硬脆化裂纹 一些淬硬倾向很大的钢种，即使没有氢的诱发，仅在拘束应力的作用下，也能导致开裂。 (3)低塑性脆化裂纹 某些塑性较低的材料，焊接后冷却至低温时，由于收缩应力而引起的应变超过了材质本身所具有的塑性储备，或材质变脆而产生的裂纹，称为低塑性脆化裂纹。 3.其他裂纹,20921-4A,4.3.1 焊接裂纹的种类和特征,(1)再热裂纹 某些合金钢焊后消除应力处理过程中产生的裂纹，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的裂纹，称为应变时效裂纹。 (2) 层状撕裂 含有杂质的大型厚壁高强度钢结构在焊接及使用过程中，因钢板的厚度方向承受较大的拉伸应力而沿钢板轧制方向出现一种台阶状的裂纹称为层状撕裂。,图4-5 典型的层状撕裂,20921-4A,4.3.1 焊接裂纹的种类和特征,(3)应力腐蚀裂纹 应力腐蚀裂纹是指金属在某种特定的腐蚀介质与相应水平的拉伸应力共同作用下产生的裂纹。,图4-6 应力腐蚀裂纹,20921-4A,4.3.2 结晶裂纹的形成与控制,1.结晶裂纹的形成机理,图4-7 焊接时产生结晶裂纹的条件 液相线 固相线 脆性温度区间,20921-4A,4.3.2 结晶裂纹的形成与控制,2.结晶裂纹的影响因素 (1)冶金因素 从材料的内因考虑，影响结晶裂纹的冶金因素主要是材料的化学成分，它直接影响结晶温度区间的大小、低熔共晶的形态以及一次结晶的组织。,图4-8 结晶温度区间宽度与 结晶裂纹倾向的关系,20921-4A,4.3.2 结晶裂纹的形成与控制,1)结晶温度区间。 2)低熔共晶的形态。,图4-9 第二相形状与界面接触角的关系,20921-4A,4.3.2 结晶裂纹的形成与控制,3)一次结晶的组织。 4)合金元素的种类。 (2)应力因素 焊缝金属中存在低熔共晶，在结晶过程中的固-液阶段在晶界位置形成液态薄膜，造成焊缝金属塑性降低，但这只是产生结晶裂纹的一个条件。 3.结晶裂纹的防止措施 (1)冶金措施 1)控制焊缝中硫、磷和碳等有害杂质的含量。 2)改善焊缝的一次结晶组织。 3)限制熔合比。,20921-4A,4.3.2 结晶裂纹的形成与控制,4)利用“愈合作用”。 (2)应力控制 1)选择合理的接头形式。 2)确定合理的焊接顺序。 3)确定合理的焊接参数。,20921-4A,4.3.3 延迟裂纹的形成与控制,1.延迟裂纹的形成机理 (1)氢的行为及作用 如前所述，氢在焊接高温作用下，会大量溶解在焊接熔池中，在熔池随后的结晶过程中，氢的溶解度急剧下降，来不及逸出而呈现分子态的氢成为无法移动的残余氢；来不及析出而呈现过饱和状态的原子氢成为扩散氢。 1)氢致延迟开裂机理。,图4-10 氢致裂纹的扩展过程,20921-4A,4.3.3 延迟裂纹的形成与控制,2) 氢的扩散行为对致裂部位的影响。,图4-11 氢的扩散行为对致裂部位的影响,20921-4A,4.3.3 延迟裂纹的形成与控制,(2)材料淬硬倾向的影响 材料的淬硬倾向主要决定于材料的化学成分、所采用的焊接工艺和冷却条件以及板厚等因素。 1)淬火形成脆硬的马氏体组织。 2)淬硬形成更多的晶格缺陷。 (3)接头应力状态的影响 高强度钢焊接时产生延迟裂纹不仅决定于氢的有害作用和钢的淬硬倾向，而且还决定于焊接接头所处的应力状态。 1)应力的种类。 2) 拘束度与拘束应力。,20921-4A,4.3.3 延迟裂纹的形成与控制,图4-12 拘束度的定义说明图,20921-4A,4.3.3 延迟裂纹的形成与控制,2.延迟裂纹的防止措施 (1)冶金措施 1)改进母材的化学成分。 2)严格控制氢的来源。 3)适当提高焊缝韧性。 4)选用低氢的焊接材料和焊接方法。 (2)工艺措施 工艺措施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次序等。 1)适当预热。,20921-4A,4.3.3 延迟裂纹的形成与控制,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次序。,20921-4A,4.3.4 其他裂纹的形成与控制,1.再热裂纹 (1)再热裂纹的形成机理 再热裂纹的产生是由晶界优先滑动导致微裂(形核)而发生和扩展的。 (2) 再热裂纹的防止措施 只有那些含有沉淀强化元素的钢和合金才有再热裂纹的问题，因此在可能的情况下，为防止再热裂纹的产生，可以优先选用含沉淀强化元素少的钢种。 2.层状撕裂 (1)层状撕裂的形成机理 层状撕裂的形成过程如图4-13所示。,20921-4A,4.3.4 其他裂纹的形成与控制,图4-13 层状撕裂形成过程示意图,20921-4A,4.3.4 其他裂纹的形成与控制,(2)层状撕裂的防止措施 防止层状撕裂可以从两个方面着手：一是选用抗层状撕裂的钢材；二是减小Z向应力和应力集中。,图4-14 改变接头形式防止层状撕裂 a)单侧焊缝改为双侧焊缝 b)全