第讲-焊接冷裂纹.ppt

43 1 4 2 2焊接冷裂纹一 焊接冷裂纹类型1 基本特征焊接接头冷却到较低温度下 对于钢来说 在Ms温度以下 产生的焊接裂纹统称冷裂纹 冷裂纹可以在焊后立即出现 有时却要经过一段时间 如几小时 几天 甚至更长时间才出现 多数出现在焊接热影响区 但一些厚大焊件和超高强钢及钛合金也出现在焊缝上 裂纹的起源多发生在具有缺口效应的焊接热影响区或物理化学不均匀的氢聚集的局部地带 裂纹的分布与最大应力方向有关 43 2 2 分类焊接生产中由于采用的钢种 焊接材料不同 结构的类型 刚度以及施工的条件不同 大致分为 1 淬硬脆化裂纹一些淬硬倾向很大的钢种 焊接含碳较高的Ni Cr Mo钢 马氏体不锈钢 工具钢 及异种钢等 焊接时即使没有氢的诱发 仅在拘束应力作用下就能导致开裂 完全是由于冷却时发生马氏体相变而脆化所造成的 焊后常立即出现 在热影响区和焊缝上都可产生 通常采用较高的预热温度和使用高韧性焊条 基本上可防止这类裂纹 43 3 2 低塑性脆化裂纹某些塑性较低的材料 铸铁补焊 堆焊硬质合金和焊接高铬合金 冷至低温时 由于收缩而引起的应变超过了材料本身所具有的塑性储备或材质变脆而产生的裂纹 通常也是焊后立即产生 无延迟现象 3 延迟裂纹焊后不立即出现 有一定孕育期 又叫潜伏期 具有延迟现象 决定于钢种的淬硬倾向 焊接接头的应力状态和熔敷金属中的扩散氢含量 43 4 按其发生和分布位置的特征可分为三类 焊趾裂纹起源于母材与焊缝交界的焊趾处 并有明显应力集中的部位 如咬肉处 裂纹从表面出发 往厚度的纵深方向扩展 止于近缝区粗晶部分的边缘 一般沿纵向发展 根部裂纹或称焊根裂纹起源于坡口的根部间隙处 可以起源于母材的近缝区金属 也可以起源于焊缝金属的根部 焊道下裂纹产生在靠近焊道之下的热影响区内部 距熔合线约0 1 0 2mm处 该处常常是粗大马氏体组织 裂纹走向大体与熔合线平行 一般不显露于焊缝表面 图4 8三种冷裂纹示意图1 焊趾裂纹 2 根部裂纹 3 焊道下裂纹 43 5 二 冷裂纹的特征及产生机理1 产生延迟裂纹的三个基本要素 钢材的淬硬倾向 焊接接头中的氢含量及其分布 焊接接头的拘束应力状态产生延迟裂纹的孕育期 决定于焊缝金属中扩散氢的含量与焊接接头所处的应力状态的交互作用 相应于某一应力状态 焊缝金属中含氢量愈高 裂纹的孕育期愈短 裂纹倾向就愈大 当应力状态恶劣 拉应力水平高时 即使含氢量比较低 经过不长的孕育期 即有裂纹产生 43 6 2 三大要素的作用 1 氢的作用氢是引起的冷裂纹具有延迟的特征 称为氢致裂纹 氢在钢中分为残余的固溶氢和扩散氢 只有扩散氢对钢的焊接冷裂纹起直接影响 1 氢在焊缝中的溶解从图4 9中可知 氢在铁中的溶解度随温度变化很大 并在凝固点发生突变 由于熔池很快由液态凝固 多余的氢来不及逸出 结果就以过饱和状态存在于焊缝中 图4 9氢在铁中的溶解度与温度的关系 43 7 2 氢在焊接区的浓度扩散焊缝中过饱和状态的氢处于不稳定状态 在含量差的作用下会自发地向周围热影响区和大气中扩散 这种浓度扩散的速度与温度有关 温度很高时 氢很快从焊接接头扩散出去 温度很低时 氢的活动受抑制 因此都不会产生冷裂纹 只有在一定温度区间 约 100 100 氢的作用才显著 如果同时有敏感组织和应力存在 就会产生冷裂纹 在预热条件下焊接时 由于在冷裂纹敏感温度区间之上停留时间 t100 较长 大部分氢已在高温下从焊接区逸出 降至较低温度时 残留的扩散氢己不足以引起冷裂纹 这就是预热可防止冷裂纹的原因之一 43 8 3 氢的组织诱导扩散氢在不同组织中的溶解和扩散能力是不同的 见图5 16 在 中氢具有较大的溶解度 但扩散系数较小 在 中氢却具有较小的溶解度和较大的扩散系数 图4 10氢在钢中的溶解度 H 与扩散系数D随温度的变化 43 9 在焊接过程中 氢原子从焊缝向焊接热影响区扩散的情况如图4 11所示 通常焊接高强度钢时焊缝金属的含碳量总是控制在低于母材 因此焊缝金属在较高温度 TAF 下就产生相变 即原A分解为F和P 图4 11高强度钢HAZ延迟裂纹形成过程 箭头表示原子氢扩散方向 TAF 焊缝A体相变等温面 TAM 热影响区A体相变等温面 a b 熔合线 43 10 4 氢的应力诱导扩散氢在金属中的扩散还受到应力状态的影响 它有向三向拉应力区扩散的趋势 常在应力集中或缺口等有塑性应变的部位产生氢的局部聚集 使该处最早达到氢的临界含量 这就是氢的应力诱导扩散现象 应力梯度愈大 氢扩散的驱动力也愈大 也即应力对氢的诱导扩散作用愈大 43 11 2 组织的作用钢材的淬硬倾向越大或马氏体数量越多 越容易产生冷裂纹 因为马氏体是碳在 铁中的过饱和固溶体 是一种硬脆组织 发生断裂只需消耗较低的能量 不同化学成分和形态的马氏体组织的冷裂敏感性不同 如果出现的是板条状低碳马氏体 因Ms点较高 转变后有自回火作用 既有较高的强度又有足够的韧性 抗裂性能优于含碳量较高的片状孪晶马氏体 孪晶马氏体的硬度很高 韧性也很差 对冷裂纹特别敏感 43 12 冷裂纹常起源于热影响区的粗晶区域 这是由于晶粒粗大 能显著降低相变温度 同时也使晶界上偏析物增多 因而使该区冷裂倾向增大 在淬硬组织中具有更多的晶格缺陷 如空位 位错等 在应力作用下这些缺陷会发生移动和聚集 当汇集到一定尺寸 就会形成裂纹源 进一步扩展成宏观裂纹 组织对冷裂纹敏感性的影响可归结为 粗大孪晶马氏体的形成 晶界夹杂物的聚集 以及高的晶格缺陷密度 均促使冷裂纹倾向增大 43 13 3 应力的作用1 热应力在接头上不同位置的热应力其方向和大小是随焊接热循环而变化 冷却后在接头上留存着残余应力 其大小及分布决定于母材和填充金属的热物理性质 温度场以及结构的刚度等 其最大值可达母材的屈服点 s 2 组织应力高强度钢奥氏体分解时 析出铁素体 珠光体 马氏体等组织 由于它们具有不同的膨胀系数 引起了局部体积变化 从而产生组织应力 3 拘束应力指的是接头受到外部刚性拘束 焊件收缩不自由而引起的应力 它的大小与结构的厚度和拘束度等合关 43 14 3 三大要素综合影响的评定在实际焊接中需要有反映出材料淬硬组织 或化学成分 扩散氢和应力三大要素同时对冷裂纹发生影响的定量关系 国内外学者通过大量插销试验 建立了临界断裂应力计算公式 这些公式较好地反映了这三大要素之间的联系和对冷裂纹的影响 还可以用此临界断裂应力作为是否产生冷裂纹的判据 1 日本溶接学会推荐公式 cr 86 3 211Pcm 28 21g H 1 2 73t8 5 9 7 10 3t100 9 8 43 15 式中 cr 插销试验的临界断裂应力 MPa Pcm 合金元素的裂纹敏感系数 H 按日本标准甘油法 JIS3113 1975 测定的扩散氢含量 mL 100g t8 5 熔合区附近从800 到500 的冷却时间 s t100 熔合区附近从最高温度 约1350 到100 的冷却时间 s 43 16 2 天津大学张文钺等人推荐公式 cr 132 3 27 5g H 1 0 216HV 0 0102t100 9 8式中 H 按GBl225 1976法测定的扩散氢含量 mL 100g HV 热影响区的平均最大硬度 维氏 表两个临界断裂应力公式应用范围 43 17 如果能通过实验或计算得出实际焊接结构 如船舶 桥梁 压力容器等 焊接接头的拘束应力 就可以与由两个临界断裂应力公式计算出的临界断裂应力作比较 当 cr 时 不裂 43 18 5 4 3冷裂倾向的判据如何根据焊接结构的材料 结构和工艺特点去判断其冷裂纹倾向或其敏感性 是焊接工作者最关心的的问题 因为它是评定金属材料焊接性的重要依据 1 与材料化学成分有关的判据主要从材料淬硬程度方面去评定其冷裂倾向 因为钢材的淬硬倾向越大 越容易产生冷裂纹 43 19 1 国际焊接学会 IIW 推荐的公式此式适用于中高强度 b 500 900MPa级 非调质高强度钢 当CEIIW 0 45 时 厚度在25mm以内的钢板焊接时不预热 也不裂 2 美国焊接学会 AWS 提出的公式此式适用于低碳钢和低合金高强度钢 一般认为板厚在25mm以内CEAWS 0 4 可不预热 焊接也不裂 43 20 3 日本JIS及WES推荐的公式适用于强度 b 500 1000MPa级低碳调质低合金高强钢 认为CEWES 0 46 可以不预热 焊接也不裂 43 21 2 临界冷却时间Cf 在热影响区熔合线附近从A3冷至500 开始出现铁素体组织的临界时间Cf 可以作为焊接热影响区冷裂倾向的判据 即t8 5 Cf 可能产生冷裂Cf 可利用所研究钢种的焊接热影响区CCT图确定 43 22 2与接头含氢量有关的判据高强度钢焊接接头中的含氢量越多 则裂纹倾向越大 当由于氢的扩散 聚集 使接头中局部地区的含氢量达到某一数值而产生裂纹时 此含氢量即为产生冷裂纹的临界含氢量 H Cr 临界含氢量 H Cr与钢的化学成分 刚度 预热温度以及接头的冷却条件等有关 临界含氢量随着钢种碳当量提高而减小 当实际热影响区的含氢量 H 大于或等于 H Cr时 就可能产生冷裂纹 43 23 图碳当量与临界含氢量的关系 43 24 3 与接头拘束度有关的判据 1 临界拘束度Rcr 衡量焊接接头刚性大小的一个定量指标 拘束度有拉伸和弯曲两类 拉伸拘束度是焊接接头根部间隙产生单位长度弹性位移时 焊缝每单位长度上受力的大小 弯曲拘束度是焊接接头产生单位弹性弯曲角变形时 焊缝每单位长度上所受弯矩的大小 43 25 对接接头的拘束度R随板厚 增加而增大 随拘束距离L的增大而减小 当拘束度增大到某一数值时 接头出现裂纹 此时的R值称临界拘束度Rcr 焊接接头的临界拘束度Rcr值越大 说明该接头的冷裂敏感性越小 如果实际结构的拘束度为R 则不产生冷裂纹的条件为 Rcr R随着钢种强度级别提高 其临界拘束度降低 产生冷裂纹的倾向大 43 26 2 临界拘束应力 cr焊接接头冷却过程中开始产生冷裂纹的拘束应力称临界拘束应力 cr 它可以采用各种冷裂纹试验方法定量地测定出来 也可用经验公式进行计算 焊接接头实际的拘束应力 可通过实验或按拘束度R的关系来确定 即 mRm为转换系数 它与钢材的热物理性能 接头结构特点 工艺条件有关 当 cr 时不裂 43 27 4 综合性判据冷裂纹的产生实际上是钢材的化学成分 接头的扩散氢含量及接头拘束度三方面的因素综合作用的结果 前面所述 通过插销试验得出临界断裂应力 cr 即属于综合性判据 43 28 三 冷裂纹的防止措施1 控制母材的化学成分从设计上首先应选用抗冷裂性能好的钢材 把好进料关 尽量选择碳当量CE或冷裂纹敏感系数Pcm小的钢材 因为钢种的CE或Pcm越高 淬硬倾向越大 产生冷裂纹的可能性越大 43 29 2 合理选择和使用焊接材料主要目的是减少氢的来源和改善焊缝金属的塑性和韧性 1 选用低氢和超低氢焊接材料碱性焊条熔敷金属中的扩散氢含量比酸性焊条低 所以碱性焊条的抗冷裂纹性能大大优于酸性焊条 对于重要的低合金高强度钢结构的焊接 原则上都应选用碱性焊条 2 严格烘干焊条或焊剂焊条和焊剂要妥加保管 不能受潮 焊前必须严格烘干 使用碱性焊条更应如此 随着烘干温度升高 焊条扩散氢含量明显下降 43 30 3 选用低匹配焊条选择强度级别比母材略低的焊条有利于防止冷裂纹 因强度较低的焊缝不仅本身冷裂倾向小 而且由于它较易塑性变形 从而降低了接头的拘束应力 使焊趾 焊根等部位的应力集中效应相对减小 改善了热影响区的冷裂倾向 还可采用 软层焊接 的方法去制造一些高强度钢的球形容器和反应堆外壳 即用抗裂性能好的焊条作底层 内层采用与母材等强度的焊条 而表层2 6mm采用稍低于母材的焊条 这样可增加焊缝金属的塑性储备 降低焊接接头的拘束内力 从而提高其抗裂性能 43 31 4 选用奥氏体焊条采用奥氏体焊条焊接淬硬倾向较大的低 中合金高强度钢能很好地避免冷裂纹 因为奥氏体焊缝可以溶解较多的氢 同时奥氏体的塑性好 可以减小接头的拘束应力 注意 奥氏体焊缝强度低 对承受主应力的焊缝 只有在接头强度允许的情况下才能使用 在使用时要采用小的焊接电流 使熔合比减小 如果焊接电流大 熔合比的增大将使焊缝边界过渡层的Cr Ni稀释 在过渡层中可能出现淬硬的马氏体组织 而增大冷裂倾向 使用奥氏体焊条焊接高强度钢时 仍然要限制含氢量 43 32 5 提高焊缝金属韧性通过焊接材料在焊缝中增加某些微量合金元素 如钛 铌 钼 钒 硼 碲 稀土等来韧化焊缝 也能减小冷裂纹倾向 因为在拘束应力作用下 利用焊缝足够的塑性储备 可以减轻热影响区的负担 从而提高整个接头的抗裂性 43 33 3 正确制订焊接工艺包括合理选定焊接热输入 预热及层间温度 焊后热处理和正确的施焊顺序等 目的在于改善热影响区和焊缝组织 促使氢的逸出以及减少焊接拘束应力 1 严格控制焊接热输入高强度钢对焊接热输入较为敏感 热输入取得过大 会使热影响区奥氏体晶粒粗化 接头韧性下降 降低其抗裂性能 热输入取得过小 则冷却速度大 易淬硬而增大其冷裂倾向 合理的作法应当是在充分保证焊接接头韧性的前提下 适当加大焊接热输入 这样可以增大冷却时间 t8 5或t100 减小热影响区的淬硬倾向和有利于氢的扩散逸出 达到防止冷裂纹的产生 对每种钢经工艺试验或评定合格的焊接热输入 都应严格执行 不能随意变动 43 34 2 合理选择预热温度预热的主要目的是为了增大热循环的低温参数t100 使之有利于氢的充分扩散逸出 预热温度的选择须视施焊环境温度 钢材强度等级 焊件厚度或坡口形式 焊缝金属中扩散氢含量等因素而定 有许多确定预热温度的方法 下向介绍其中几种 1 根据钢材碳当量和板厚确定预热温度 见图4 12和表4 1 碳当量按美国焊接学会 AWS 提出的公式确定 43 35 表4 1不同焊接性等级的钢材应采用的施工条件 图4 12施焊条件与碳当量 43 36 3 按化学成分 板厚和扩散氢含量确定的预热温度 由斜Y形坡口的铁研式抗裂试验所建立的经验公式T0 1440Pc 392式中 T0 预热温度 Pc 冷裂纹敏感指数 上式适用于w c 0 17 的低合金钢 H 1 5mL 100g 19 50mm范围 国产低合金钢在插销试验条件下确定的经验公式 T0 324Pcm 17 7 H 0 14 b 4 72 214式中 b 被焊金属的抗拉强度 MPa 43 37 按上述公式确定的是整体预热温度 对于大型焊接结构 采用整体预热有困难 常采用局部预热 通常是在焊缝两侧各100 200mm范围内进行 局部预热温度不宜过高 否则要产生附加应力 最好采用履带式电热器或火焰加热器进行局部预热 预热温度基本确定之后 尚须根据下列情况作适当调整 当施焊环境温度较低时 如 10 预热温度应适当提高 采用低氢的焊接方法时 如CO2气体保护焊或氩弧焊等 其预热湿度可适当降低 43 38 采用低匹配的焊接材料焊接时 也可以降低预热温度 坡口根部所造成的应力集中越显著时 其预热温度就应适当提高 如焊后采取紧急后热 也可以适当降低预热温度 注意 预热对防止冷裂纹有效 但毕竟是一种消极措施 更不是预热温度越高越好 预热温度过高不仅恶化工人劳动条件 而且浪费能源 如果是局部预热 还会引起附加应力 反而促使冷裂纹的产生 所以预热温度的确定要慎重 43 39 3 紧急后热冷裂纹一般在焊后一段时间后才产生 如在裂纹产生之前能及时进行加热处理 即所谓紧急后热 也能达到防止冷裂纹的目的 紧急后热工艺的关键在于及时 一定要在热影响区冷却到产生冷裂纹的上限温度Tuc 一般在100 左右 之前迅速加热 加热的温度也应高于Tuc 并且需保温一定时间 后热的作用是使扩散氢在温度Tuc以上便能充分扩散逸出 若焊后间隔时间较长 裂纹已经产生才后热就失去意义 选用合适的后热温度 可以适当降低预热温度或代替某些重大焊件的中间热处理 达到改善劳动条件等目的 后热不仅能消氢 也能韧化热影响区和焊缝