第五章-焊接裂纹.ppt

1 第五章焊接裂纹 2 第一节概述 第二节焊接热裂纹 第三节焊接冷裂纹 第四节再热裂纹 第五节层状撕裂 第六节应力腐蚀裂纹 第七节焊接裂纹综合分析和判断 第五章焊接裂纹 3 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 4 第一节概述 一 危害性焊接结构产生裂纹时 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 5 二 焊接裂纹的分类及特征 1 按照裂纹走向和分布位置分类 焊缝中纵向裂纹 焊缝上横向裂纹 热影响区纵向裂纹 热影响区横向裂纹 火口 弧坑 裂纹 焊道下裂纹 焊缝内部晶间裂纹 焊趾裂纹 热影响区焊缝贯穿裂纹 焊缝根部裂纹 纵向裂纹 6 7 2 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 热影响区也存在 特征 宏观看 沿焊缝的轴向成纵向分布 连续或继续 也可看到焊缝横向裂纹 裂口均有较明显的氧化色彩 表面无光泽 微观上 沿晶粒边界分布 属于沿晶断裂性质 8 热裂纹分类 结晶裂纹 在凝固的过程 结晶过程中产生高温液化裂纹 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 多边化裂纹 产生温度低于固相线温度 因存在晶格缺陷 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中 9 HAZ液化裂纹 结晶裂纹 多边化裂纹 10 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 晶间断裂 但也可穿晶 晶内 断裂 也可晶间和穿晶混合断裂 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 11 冷裂纹分类 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 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 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 12 延迟裂纹 13 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 在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 状的层状断裂并沿穿晶发展 14 5 应力腐蚀裂纹 金属材料在某些腐蚀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 15 三 热裂纹与冷裂纹的基本特点 本节结束 16 第二节焊接热裂纹 焊接热裂纹是焊接生产中常见的一种焊接缺陷 一般的低碳钢 低合金钢 不锈钢 铝合金 镍基合金等 在焊接过程中都可能会产生热裂纹 常见的热裂纹主要是结晶裂纹 液化裂纹和多边化裂纹 有时把高温空穴开裂和蠕变开裂 包括再热裂纹 也划分在热裂纹当中 焊接生产中遇到的热裂纹主要是结晶裂纹 17 一 结晶裂纹的形成机理1 产生机理1 产生部位 结晶裂纹大部分都沿焊缝树枝状晶的交界处发生和发展的 常见的沿焊缝中心纵向开裂 有时也发生在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结晶过程中的薄弱地带 晶界 含杂质较多的钢种 除发生在焊缝上外 还出现在近缝区上 18 结晶裂纹 19 20 500图中上部是焊缝 下部是母材 裂缝分布在先共析铁素体中 21 340裂缝发生在一次结晶晶界上的先共析铁素体中 并沿铁素体扩展 这种情况与非金属夹杂物呈链状分布在先共析铁素体中有关 22 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 液态薄膜 拉伸应力结晶裂纹是在焊缝结晶过程中产生的 但是究竟产生在结晶的哪个阶段哪 23 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 固相阶段 也叫完全凝固阶段 以低碳钢焊接为例可把熔池的结晶分为以下三个阶段 液固阶段 TB 称为脆性温度区 在此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 24 综上所述 当温度在脆性温度区间时 焊缝金属产生裂纹的可能性较大 当温度高于或低于脆性温度区时 焊缝金属具有较大的抵抗结晶裂纹的能力 产生结晶裂纹的倾向小 一般情况下 杂质少的金属由于脆性温度区的范围窄 拉伸应力在此区间的作用时间短 应变量小 焊接时产生裂纹的可能性小 若含杂质较多或有明显方向性粗大晶粒时 脆性温度区范围变宽 拉伸应力在此区的作用时间长 裂纹倾向大 25 从上述的讨论中可以看出 由低熔点共晶形成的液态薄膜是产生结晶裂纹的主要根源 但大量的试验表明当低熔点共晶的数量达到一定界限时 反而具有愈合裂纹的作用 即低熔点共晶达到一定数量后 可以自由流动 填充有裂纹的部位 减少裂纹的形成 所以为防止结晶裂纹的产生 有时在焊接过程中加入一定量的硅 利用低熔点共晶形成愈合作用而消除裂纹 26 为了进一步证明结晶裂纹产生的条件 焊接专家们进行了大量的分析和研究 通过一系列的试验 建立了各种不同的理论 其中以前苏联学者普洛霍洛夫的理论最具有代表性 他从理论上提出了拉伸应力与脆性温度区内被焊金属塑性变变化之间的关系 27 3 产生结晶裂纹的条件 在 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性值 Pmin 出现液态薄膜时 Pmin e es受拉伸应力所产生的变形用e表示 e f T 也是温度的函数 并按曲线1 2 3变化 28 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高温阶段晶间塑性变形能力足以承受当时所发生塑性应变量 因此不产生热裂纹 产生裂纹的条件 29 脆性温度区内金属的塑性 TB内金属的塑性越小 越易产生结晶裂纹 这与焊缝的化学成分 晶粒大小和应变速率有关 结论 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 TB取决于焊缝化学成分 杂质性质与分布 晶粒大小 在TB内的应变增长率 拉伸应力的增长率 在TB内 随温度的下降 收缩产生的拉伸应力增大 应变增长率增大 容易产生结晶裂纹 应变增长率主要决定于被焊材料的热物理性能 焊件的刚度 焊接的工艺和温度场等 30 二 焊接结晶裂纹的影响因素两个方面 冶金因素 力的因素 1 冶金因素 合金状态图和结晶温度倾向 结晶裂纹倾向的大小随着该合金状态图结晶温度区间的增大而增加 备注 焊接条件下凝固属于不平衡结晶 实际凝固线比平衡条件下要左移 31 合金元素对产生结晶裂纹的影响 合金元素及杂质对结晶裂纹的影响十分复杂 但又非常重要 往往是多种元素相互影响 共同作用 甚至彼此矛盾 其中各种元素形成低熔点薄膜杂质是影响结晶裂纹产生的重要因素 32 a S P几乎在各类钢中存在都会增加结晶裂纹的倾向 即使微量存在 也会使结晶区间增大 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 因此S P是是最为有害的杂质 33 b C影响结晶裂纹的主要因素 并且加剧其他元素的有害作用 i C0 16 Mn S 脱硫无效 加剧P有害作用 裂 iii C 0 51 S P在各相中溶解度低 析出S P集富在晶界上 裂纹 Mn具有脱S作用 其中Mn熔点高 早期结晶呈球状分布 抗裂 含碳量C0 16 P对形成结晶裂纹的作用超过了S Mn 无意义 c Mn 注意 34 d Si硅是有利于消除结晶裂纹的元素 但Si 0 4 易形成低熔点的硅酸盐夹杂使裂纹 对硫的亲合力大 形成高熔点的硫化物 比锰的去硫效果好 消除结晶裂纹有良好的作用 e Ti 锆 Z 和稀土元素 35 注 A 焊缝中加入轻稀土 焊缝成分分析 例如 强度为600MPa焊条研究 36 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 37 焊缝金属金相组织a 未加入稀土b 加入2 稀土 38 f 镍焊缝中镍的加入是为了改善低温韧性 但它容易和S形成低熔点共晶 而且会呈膜状分布于晶界 会引起结晶裂纹 因此需严格控制焊缝S P的含量 同时加入锰 钛等合金抑制硫的有害作用 39 e 氧 截止到目前为止 还没有确定的结论来描述氧对结晶裂纹的影响 但通过一系列的试验表明 在焊缝中O 降低S的有害作用 初步解释为氧 硫 铁能形成Fe FeS FeO三元共晶 使FeS由薄膜变成球状 降低产生裂纹的可能性 通过以上的分析和探讨 合金元素对结晶裂纹的影响非常重要 一般认为C S P的影响最大 其次是Cu Ni Si Cr等 而对N O等的影响还没有形成统一的意见 40 为了能够根据化学成分来判断焊接条件下焊缝 或母材 对结晶裂纹的倾向大小 建立一定的判据 如 临界应变增长率 热裂纹的敏感系数 及最大裂纹长度等 但这些判据都是结合具体钢种和试验条件得到的 有一定的局限性 而且只考虑化学成分的影响是不全面的 只能进行裂纹倾向的相对判断 焊缝对结晶裂纹的倾向大小的判据 41 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 当时 可以防止裂纹 热裂敏感系数HCS公式 当HCS 4时 可以防止裂纹 42 凝固结晶组织形态对结晶裂纹的影响 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 43 固体晶粒与残液之间的表面张力 固体晶粒之间的表面张力 固相与液相的接触角当越小越小 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 固相晶粒之间和固液之间表面张力的平衡关系为 44 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 45 2 力的因素 在焊接时脆性温度区内金属的强度小 在脆性温度区内金属所承受的拉伸应力是产生结晶裂纹的充分条件 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 决定于 晶内强度 晶间强度 46 T T 时 发生晶间断裂 当T 时 称金属的等强温度 若焊缝所受拉伸应力为随温度变化始终不超过 则不会产生结晶裂纹产生结晶裂纹 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 47 3 防止结晶裂纹的措施 1 冶金方面 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 焊接高合金钢选用超低碳焊丝 改善焊缝的一次结晶细化晶粒 加入Mo V Ti Nb Zr Al等 48 2 工艺方面 减少拉应力 a焊接工艺参数 b接头形式 备注 表面堆焊和熔深较浅的对接焊抗裂性高 如图a b 熔深较大的对接和各种角接抗裂性较差 如图c d e f 49 c焊接次序 50 四 近缝区液化裂纹 液化裂纹是一种沿奥氏体晶界开裂的微裂纹 一般尺寸较小 在0 5 以下 特殊情况下达到1 有时液化裂纹还会出现在熔合区的凹陷区以及多层焊的层间过热区 一般情况下只有在金相磨片做显微观察时才能发现 液化裂纹的尺寸虽然很小 就其本身而言 危害不大 但它常常成为冷裂纹 再热裂纹 脆性破坏的发源地 必须引起足够的重视 51 1 产生部位及原因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 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 52 液化裂纹 53 3 影响因素 1 化学成分 主要出现在合金元素多的材料中 有害元素B Ni Cr 2 工艺因素 焊接线能量不宜过大 同时考虑熔池形状 倒草帽形不利 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 2 焊接工艺上 采用小线能量 避免近缝区晶粒粗化 54 五 多边化裂纹多边化裂纹是在形成多边化的过程中 由于高温时的塑性低而形成的 又称高温低塑性裂纹 1 形成条件 形成机理 多数在焊缝中产生 焊缝金属结晶中存在很多高密度的位错 在高温和应力的共同作用下 位错发生移动和聚集而形成二次边界 即 多变化边界 在冷却过程中 热塑性降低导致沿多边化边界产生裂纹 即多边化裂纹 55 2 多边化裂纹的主要特点 1 发生部位与材料主要发生在焊缝中 个别情况也出现在HAZ区 常见于单相奥氏钢或纯金属的焊缝金属 裂纹走向 以任意方向贯穿树枝状结晶 2 常常伴随有再结晶晶粒出现在裂纹附近 多边化裂纹总是迟于再结晶3 裂纹多发生在重复受热金属中 多层焊 4 断口呈现出高温低塑性断裂 56 3 影响因素1 合金成分的影响在焊缝中加入一些提高多边化过程激活能的元素 可有效阻止多边化过程 如 Mo W Ti Ta 钽 等 2 应力状态的影响有应力存在 增加原子的活动性 使多边化过程加速 3 温度的影响在形成多边化过程的温度越高所需要的时间越短 本节结束 57 第三节焊接冷裂纹 冷裂纹的危害 冷裂纹是焊接结构中生产中较为普遍的一种裂纹 是在焊接后冷却到较低温度下产生的 由此带来的危害性十分严重 往往是在使用过程中突然出现的 不仅使焊接结构本身受到损失 更重要的是直接威胁人类的生命 必须予以足够的重视 一 冷裂纹的危害及一般特征 58 冷裂纹的一般特征 1 产生温度 在冷却过程中 Ms点附近或 00 00 下温度区间逐渐产生的 2 产生的钢种和部位 发生在高碳钢 中碳钢 低合金 中合金高强钢的热影响区 合金元素含量多的超高强钢 钛合金发生在焊缝上 起源 多发生在有缺口效应和物理化学不均匀的氢聚集地带 裂纹的走向 沿晶 穿晶两种状态 产生时间 可焊后立即出现 也有的几小时 天或更长时间 被称为延迟裂纹 59 二 冷裂纹种类 延迟裂纹是冷裂纹中一种最普遍的形态 本章以它为例讨论低合金高强钢的延迟裂纹问题 延迟裂纹三种形态 1 焊趾裂纹2 焊道下裂纹 3 根部裂纹 60 焊趾裂纹 起源与母材与焊缝的交界处 并伴有明显的应力集中现象 如 咬边 未焊透等现象 裂纹的走向与焊道平行 由焊趾表面向母材延伸 焊道下裂纹 发生在淬硬倾向较大的 含氢量较高的热影响区 裂纹走向与熔合线平行 有时也会出现垂直于熔合线的情况 根部裂纹 主要发生在含氢量高 预热温度不足并伴有根部应力集中的部位 可能出现在 的过热区或焊缝金属中 实际焊接过程中的延迟裂纹远不止三种 但以上三种具有非常典型的代表意义 61 三 延迟裂纹的机理 大量的实践和理论研究证明 高强钢焊接时产生延迟裂纹的原因主要是 钢种的淬硬倾向 焊接接头的含氢量及其分布 焊接接头的拘束应力 三个因素在一定条件下相互联系 相互促进 延迟裂纹的开裂过程存在这两个不同的阶段 即裂纹的起源和裂纹的扩展 我们只从宏观的角度阐述一下产生延迟裂纹的三要素 62 1 钢种的淬硬倾向 焊接接头的淬硬倾向主要决定于钢种的化学成分 其次是焊接工艺 还有焊接结构 板厚及冷却条件等 钢种淬硬倾向越大 越容易产生裂纹 因此采用高强度钢构造焊接结构就具有一定的局限性 其原因为 1 形成脆硬的马氏体2 淬硬产生晶格的缺陷 63 淬硬马氏体的形成 马氏体是 在铁中的固溶体 原子以间隙原子存在于晶格中 在焊接条件下 近缝区的加热温度高 奥氏体晶粒发生严重长大 快速冷却时 粗大的奥氏体转变为粗大的马氏体 马氏体本身是一种脆硬的组织 发生断裂时消耗较低的能量 因此焊接接头有马氏体的存在 裂纹易于形成和扩展 尤其当形成孪晶马氏体后 其硬度更高 脆性更大 对裂纹的敏感性更强 64 淬硬形成的晶格缺陷 金属在热力不平衡的条件下会形成大量的晶格缺陷 主要是空位和位错 研究表明 随 焊接热应变量的增加 位错密度也随之增加 同时由于应力和热力条件的不平衡 空位和位错不断移动和聚集 当数量达到一定值时 就形成了裂纹源 在应力的继续作用下不断的发生扩展而形成裂纹 为了识别淬硬的程度 常常用硬度做为标志 用 的最高硬度 max评定淬硬倾向 65 2 氢的作用 氢是引起高强钢焊接时产生延迟裂纹的重要因素之一 氢具有延迟作用 由氢引起的延迟裂纹称为氢致裂纹或称氢诱发裂纹 研究表明 高强钢焊接接头的含 量越高 裂纹的敏感性越大 当局部达到某一值时 就会产生裂纹 此临界值称为临界含氢量 用 H cr表示 钢中的氢含量分为残余氢和扩散氢两部分 一般情况下 残余氢较少 扩散氢对冷裂纹的产生和扩展起决定性作用 在高温下大部分扩散氢逸出金属 不会产生裂纹 只有在较低温度下扩散氢具有致裂作用 66 对于氢在形成冷裂纹中的作用可以从以下四个方面理解 1 氢的来源及焊缝中的氢含量2 金属组织对氢扩散的影响3 热影响区氢致裂纹产生 氢在致裂过程中的动态行为4 氢致延迟裂纹开裂机理 67 1 氢的来源及焊缝中的氢含量 来源 焊接材料中的水分 焊件坡口处的铁锈和油污以及环境湿度等 焊缝中的含氢量与焊条的类型 烘干温度和焊接冷却速度有关 68 2 金属组织对氢扩散的影响 氢在不同组织中的溶解度和扩散系数不同 在奥氏体中的溶解度大于铁素体 在铁素体中的扩散速度大于奥氏体 焊接时在高温作用下 大量的氢溶解在熔池中 在随后的冷却凝固过程中 溶解度急剧下降 氢极力逸出 但因冷却很快 使氢来不及逸出而保留在焊缝金属中 焊缝中的氢处于过饱和状态 69 3 热影响区氢致裂纹产生 氢在致裂过程中的动态行为 含碳量较高的钢对裂纹和氢脆的敏感性较大 在焊接过程中尽量控制使焊缝金属的含碳量低于母材 因此对于焊接一般低合金钢时 延迟裂纹往往出现在热影响区 在焊接过程中由于热源的高温作用 焊缝金属中溶解了很多的氢 冷却时又极力进行扩散和逸出 原子氢从焊缝向热影响区的扩散的情况可以通过下图表明 70 F P A M A 裂 71 4 氢致延迟裂纹开裂机理 在50年对充氢钢延迟裂纹现象进行研究表明 在拉伸断裂时存在一个上临界应力 超过此应力 试件很快断裂 不存在延迟现象 存在一个下临界应力 低于此应力时 氢是无害的 无论横载多久 试件不会断裂 在上 下临界应力之间 就会出现氢引起的延迟断裂 由加载到发生裂纹之前要经过一段潜伏期 然后是裂纹的传播和断裂 下图是延迟裂纹时间与应力的关系 72 73 氢致裂纹目前有几种说法 氢的应力扩散理论 空穴氢压脆化学说 氢吸附脆化学说 74 裂缝顶端 三向应力区 扩散氢 裂纹扩展 H2 新的三向应力区 氢致裂纹扩展过程 75 结论 氢所诱发的裂纹 从潜伏 萌生 扩展 以致开裂是具有延迟的特征 从产生第一道开始 不断的重复发生 所以说焊接延迟裂纹是由许多单个的微裂纹断续合并而形成的宏观裂纹 76 3 焊接接头的拘束应力 1 焊接接头的拘束应力a 不均匀加热和冷却过程产生的热应力 其大小与母材焊条金属的热物理性质及结构的刚度有关 b 金属相变时产生的组织应力 相变 是由组织比容不同而产生的 c 结构自身拘束条件所造成的应力 包括结构的形式 焊缝位置 施焊的顺序 构件的自重 负载情况等 77 定义 R 单位长度焊缝 在焊接接头根部间隙产生单位长度弹性位移所需要的力 即定义为拘束度 符号 R 2 拘束度 拘束应力的大小取决于拘束度 表示母材对反作用力的刚度 78 公式 E 母材金属的弹性模量 板厚l 焊缝长度L 拘束距离 79 3 产生裂纹的临界拘束应力临界拘束应力 开始产生裂纹时的拘束应力 日本IL委员会插销式裂纹试验所确定的 86 3 211Pcm 28 21log H 1 2 73 800 500 9 7 9 8 称为合金元素的裂纹敏感系数 H 扩散氢含量100mol gt800 500 在接条件下 熔合区附近1350 冷却到800 500 的冷却时 S t100 从熔合区附近1350 100 实际冷却时间 80 合金元素的裂纹敏感指数 反映了淬硬倾向 四 影响焊接冷裂纹因素及防止 1 钢种化学成分的影响 1 影响因素 冷裂纹判据应用于 w 裂纹敏感指数上述公式是经验式 有一定的适用范围可参考确定避免冷裂纹的预热温度 81 2 拘束应力的影响拘束应力是焊接时产生裂纹的必备条件 然而正确地估算焊接拘束应力的大小是十分困难的 由于焊接结构的类型很多 各种结构又有不同的板厚 坡口形式和焊接位置 使焊接时产生不同的拘束应力 会形成焊接区不同的冷裂倾向 工程上常常借助拘束度来求得拘束应力 82 3 氢的有害影响4 工艺影响焊接线能量 过大 近缝区晶粒粗大 降低接头的抗裂性 过小 使HAZ淬硬 不利于氢的逸出 增加冷裂倾向 预热 可有效防止冷裂纹 但温度控制很重要 温度过高产生附加应力 恶化工作环境 后热 使扩散氢充分逸出 在一定程度上降低残余应力的作用 改善组织 降低淬硬性 多层焊 后层对前层有消氢作用和改善HAZ组织的作用 但应严格控制层间温度 83 2 防止措施 冶金 工艺两方面 1 冶金措施 从冶炼技术上提高钢材的品质 采用低碳微量多合金元素的强化方式或采用精炼技术降低钢中的杂质 H 选用低氢焊接材料 低氢焊接方法如CO2焊等 控制氢的来源 烘干焊条消理焊件焊丝 加入某些合金元素 提高塑性 采用奥氏体焊条焊接某些淬硬倾向较大的低合金高强钢 避免冷裂纹 84 2 工艺措施 选择合适的焊接线能量 如q 和V冷 使t100 减少裂纹但有晶粒粗大现象 预热冷却速度 增加 H 外逸 后热 H 消氢处理350 保温1 2小时 使氢外逸 对于需要较高预热温度的中碳钢 高碳钢及中碳调质高强钢 如果由于形状复杂或需要在结构内部施焊等因素要避免高温预热 采用后热并配合低温的预热特别见效 85 总结 本节结束 防止焊接冷裂纹的途径是多方面的 其中冶金方面的因素占主要地位 钢种的化学成分 杂质及焊接过程中的氢 而焊接工艺也是防止焊接冷裂纹的重要手段 特别是选择合适的预热温度 后热温度和降低拘束应力尤其重要 在焊接生产过程中 为防止焊接冷裂纹 一定要严格按照焊接工艺规程执行 加强焊接过程的管理 避免出现焊接缺陷 同时严格控制焊接时的装配顺序 必要时采用焊接工装 86 第四节再热裂纹 SR裂纹 定义 焊后再加热 消除应力退火 高温工作时500 600 过程中产生裂纹称再热裂纹 87 一 再热裂纹的特征1 热裂纹产生部位 近缝区的粗晶区 止裂于细晶区 沿晶间开裂 裂纹大部分是晶间断裂 沿熔合线方向在奥氏体粗晶粒边界发展 裂纹并不是连续的 而是断续的 遇细晶就停止扩展 2 敏感的温度范围 一般在500 700 低于500 或高于700 再加热也不易出现再热裂纹 88 再热裂纹 89 3 在消除应力处理之前 焊接区有大量的内应力及应变集中出现 在大拘束度的厚件或应力集中部位易产生再热裂纹 应力集中系数越大 产生再热裂纹所需的临界应力越小 4 易产生在具有沉淀强化作用的钢材中 产生过程为 晶界滑动 微裂 扩展 裂纹 碳素钢和固溶强化的金属材料一般不会产生再热裂纹 90 二 产生机理 大量试验研究表明 再热裂纹的产生是由晶界优先滑动导致微裂而发生和扩展的 1 一般条件e ec会产生裂纹e 产生裂纹的晶界微观局部的实际塑性变形量ec 再热裂纹的临界塑性变形能力 e实际塑性应变是由接头的残余应力经再加热产生应力松驰而引起 与接头的拘束度 残余应力 应力集中有关 91 上面的理论条件虽然被普遍公认 但对产生再热裂纹的具体机制存在不同的看法 有人认为晶界弱化是主要的 有人强调晶内强化是主要的 因此对再热裂纹的解释也有不同的看法 各自强调自己试验范围内的结论 如 晶界杂质析集弱化理论 晶内二次强化理论 蠕变开裂理论 回火脆性机理等 对于不同的理论都应有简单的了解 92 2 再热裂纹产生机理学说 1 晶界杂质析集弱化学说晶界上的杂质及析出物会强烈的弱化晶界 使晶界滑动时丧失聚合力 导致晶界脆化 显著降低晶界的塑性变形能力 晶界析集P S 硼化物沿晶析集如果产生再热裂纹的临界塑性变形量为ec 可以用下式进行计算 93 当ec值越小时 再热裂纹的敏感性越大 而且随着杂质含量的增多 产生再热裂纹的塑性变形量显著减小 近年来国内也对再热裂纹的问题进行分析研究 发现硼化物有沿晶析集的现象 它是导致再热裂纹敏感性增加和发生沿晶断裂的重要原因 即 晶界杂质析集与产生再热裂纹有密切的关系 94 2 二次沉淀理论 晶内沉淀强化 具有沉淀强化的元素 焊接高温时过热区合金元素全部溶入A中 并在A长大 焊后冷却速度快 合金元素以过饱和形式溶入在F中 出现在位错 空位 缺陷等处 实现晶内的强化 这时应力产生的变形就集中在晶界 焊后再加热时 500 700 当晶界的塑性不足时 就会产生再热裂纹 95 3 高温蠕变理论 蠕变定义 金属在长时间的恒温 恒应力作用下 即使应力小于屈服强度 也会缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变 特征 材料内的应力小于材料的屈服应力 蠕变速度与温度有关 温度持久升高 强度下降 高温下 晶界强度低于晶内强度 96 分析再热温度条件下的蠕变断裂机制可能会有两种开裂模型 1 应力集中产生的楔形开裂 根据晶界粘滞性流动的观点 认为在蠕变条件下 在发生松弛的晶粒交界处产生应力集中 当此应力超过晶界的结合力时 就在此处开裂 2 空穴聚集而产生的空穴开裂 根据点阵空位在应力和温度的作用下发生运动 当空位聚集到与应力方向垂直的晶界上达到足够数目时 晶界的结合面会遭到破坏 在应力继续作用下 使之扩大而成为裂纹 97 楔形开裂的应力及临界应力计算 98 从目前的关于再热裂纹的形成机理的研究成果来看 虽然做了大量的研究工作 运用了各种不同的学术理论作为研究的基础 但很难用统一的观点来解释清楚再热裂纹的产生机理和发展过程 因此应该考虑综合因素的作用 目前唯一得到认可的是根据材料冶金品质和应力条件的综合影响 对于低合金钢建立了产生再热裂纹的临界应力关系式 99 低合金钢产生再热裂纹临界应力关系式 100 三 再热裂纹的影响因素及其防治影响再热裂纹的主要因素是钢种的化学成分和焊接区的残余应力 从冶金因素和焊接工艺两方面加以分析 1 化学成分对再热裂纹的影响2 晶粒度对再热裂纹的影响3 焊接接头不同部位和不同组织对再热裂纹的影响 一 冶金因素 101 1 化学成分的影响 随钢种和合金的不同而不同 珠光体耐热钢中铬和钼就相互影响 钼量增加铬的影响就越大 当钼的含量达到一定值后 铬含量的增加再热裂纹产生的可能性反而下降 钢或合金中的杂质越多 聚集于晶界使之弱化 增大再热裂纹倾向 在具体条件下 经过系统的实验可以确定各种杂质的临界含量和相互的制约关系 目前的研究成果中有许多关于再热裂纹的参数公式 以定量计算化学成分对再热裂纹敏感性的影响 但有一定的缺陷 只能作为初步的评价 102 2 晶粒度的影响 晶粒越大 产生裂纹的可能性越大 3 焊接接头不同部位和不同组织的影响 缺陷位于不同位置和组织产生再热裂纹的情况不同 如 在热影响区的过热区和完全重结晶区 产生的可能性有非常大的区别 在熔合区有余高和咬边的情况下 再热裂纹的延伸趋势将发生变化 具有对缺陷的响应性 103 二 焊接工艺因素 包含以下五个方面的内容 1 焊接材料的影响2 焊接方法和热输入的影响3 预热和后热的影响4 接头设计和焊接顺序的影响5 焊后热处理工艺的影响 104 1 焊接材料的影响 选用低匹配的焊接材料 适当降低再热裂纹产生温度区间焊缝金属的强度 提高其塑性变形能力 可以减轻焊接热影响区塑性应变的集中程度 对降低再热裂纹的敏感性非常有益 在实际生产中可以采用只在焊缝表层焊或其他方法获得低强度高塑性的焊缝表面 就有一定的好处 2 焊接方法和热输入的影响 热输入增大会导致晶粒粗化严重 再热裂纹的敏感性增大 不同的焊接方法获得不同的热输入量 对于淬硬倾向大的钢种 电弧焊比其它焊接方法更有效 105 3 预热及后热的影响 预热有利于防止再热裂纹 但温度应控制在200 450 并配合后热才能起到细化晶粒 降低再热裂纹倾向的作用 4 接头设计和焊接顺序的影响 接头的设计必须尽量减小拘束应力 防止产生应力集中 焊接顺序可以采取分段对称焊接 分段退焊等方式 减小焊接残余应力 5 焊后热处理工艺的影响 在改善组织和消除应力的前提下 避开产生再热裂纹的温度敏感区 热处理前锤击焊缝表层也有一定作用 本节结束 106 第五节层状撕裂 在大型的厚壁结构在焊接过程中会沿厚度方向出现较大的拉伸应力 若钢中含有较多的杂质 会沿钢板的轧制方向出现一种台阶状的裂纹 称为层状撕裂 一般层状撕裂在钢的表面很难发现 即使用超声波探伤合格的钢板 在焊接后仍可能会出现层状撕裂 一 特征及危害性 107 1 产生的部位和形状宏观形状 在外观上具有阶梯状的形式 由基本上平行于轧制方向表面的平台与大体上垂直于平台的剪切壁所组成 微观形状 扫描电镜观察低倍下断口表面呈典型的木纹状 是层层平台在不同高度分布的结果部位 母材或热影响区 108 2 产生在厚板结构中 十字接头 丁字接头 角接头 平台局部地区有硅酸盐或氧化物夹杂物 109 种类据产生部位分分为三类 第一类是在焊接热影响区焊趾或焊根由冷裂纹诱发而形成层状措裂 第二类是热影响区沿夹杂开裂 是工程中最常见的 第三类远离热影响区母材中沿夹杂开裂MnS片状夹杂较多的厚板结构中 110 层状撕裂主要发生在低合金高强钢的厚板焊接结构中 一般此类结构多用于海洋采油平台 核反应堆压力容器 潜艇外壳等一些重要结构 由于在外观上没有任何迹象 无损检测又很难发现 即使发现也很难修复 会造成巨大的经济损失 往往引起灾难性的事故 层状撕裂属于冷裂纹的范畴 可以在焊接过程中形成 也可在焊接结束后启裂和扩展 甚至在使用过程中逐渐形成和发展 具有一定的延迟性 111 二 形成机理及影响因素 一 层状撕裂的形成过程 1 厚板结构焊接时 特别是T型和角接接头 在强制刚性拘束条件下 产生较大的Z向应力和应变 当应变达到或超过材料的塑性变形能力之后 夹杂物与金属基体之间弱结合面发生脱离 形成显微裂纹 裂纹尖端的缺口效应造成应力 应变的集中 迫使裂纹沿自身所处的平面扩展 把同一平面而相邻的一群夹杂物连成一体 形成所谓的 平台 112 2 与此同时相邻近的两个平台之间的裂纹尖端处 在应力应变影响下在剪切应力作用下发生剪切断裂 形成 剪切壁 这些平台和剪切壁在一起 构成层状撕裂所持有的阶梯形状 113 从以上的分析可看出 层状撕裂的根本原因是钢材中存在较多的夹杂物 而在轧制过程中轧成平行于轧向的带状夹杂物 形成了钢材力学性能的各向异性 试验表明 沿轧制方向 L向 和厚度方向 Z向 的拉伸试样 尽管在强度方面相差不大 单在塑性方面 伸长率 收缩率等 有很大的差异 Z向的伸长率要比L向的伸长率低30 40 所以承受Z向拉伸应力的焊接结构 很容易沿层状分布的夹杂处开裂 114 二 影响因素 影响层状撕裂的因素有以下四个方面 1 非金属夹杂物的影响2 焊接Z向应力的影响3 氢的作用的影响4 母材性能的影响 115 1 非金属夹杂物的影响非金属夹杂物的种类 数量 和分布形态是产生层状撕裂的基本原因 是形成钢种各向异性 力学性能差异的内在因素 钢中常见的夹杂物有硫化物 各种硅酸盐和铝酸盐 其中铝酸盐夹杂物呈球形分布 对层状撕裂的敏感性稍差 而硫化物和硅酸盐都是呈不规则的条形分布 对层状撕裂的敏感性较大 116 一般情况下 夹杂物在钢中的分布和含量用下面两个物理量来确定 夹杂物的体积比 试样中夹杂物的总体积与试样体积之比 夹杂物的累计长度 单位面积上的夹杂长度总和 实验表明 Z向的断面收缩率随夹杂物的体积比和累计长度的增加而显著下降 117 2 Z向的拘束应力厚壁的结构在焊接过程中承受不同程度的Z向拘束应力 同时焊接后产生的残余应力和负载 是形成层状撕裂的力学条件 大量的试验证明 在一定焊接条件下 对于不同的钢种 存在不同的Z向临界拘束应力 如果焊接结构产生的应力超过了临界拘束应力 就会产生层状撕裂 118 3 氢的影响一般认为 在焊接热影响区附近 由冷裂纹诱发为层状撕裂的主要影响因素是氢 因此有的研究人员把层状撕裂作为冷裂纹的另外一种形态加以研究 认为其产生的主要原因是由氢引起的 产生的机理与冷裂纹相同 但如果针对远离热影响区的母材处产生的层状撕裂 焊缝中的氢不起任何作用 所以氢在层状撕裂中的作用要依据撕裂产生的位置不同而确定 119 4 母材性能的影响 热影响区产生淬硬组织 塑性下降 加热150 350 出现应变时效 塑性 韧性下降 120 三 层状撕裂的判据 常用的评定方法有 Z向拉伸断面收缩率 用于无氢条件下母材的评定 插销Z向临界应力 用于有氢条件下焊接热影响区的评定 121 1 Z向拉伸断面收缩率为判据 当板厚 60 时 试样直径10 当板厚 60 时 试样直径15 断面收缩率应不小于15 最好在15 20 之间 大于25 时 抗层状撕裂优良 2 插销Z向应力判据 在大量实验的基础上 考虑到含硫量对层状撕裂的影响 提出裂纹敏感性评定公式 计算公式中包含化学成分裂纹敏感系数 扩散氢含量 钢中的硫含量等 但对硅酸盐 铝酸盐的影响作用没有考虑 具有一定的局限性 122 四 防止措施 一 选择合适的母材通过降低钢中夹杂物的含量和控制夹杂物的形态 来增加钢材的抗层状撕裂的能力 1 精炼钢用铁水先期脱硫的办法 并采用真空脱气 O和N 可冶炼出含S量很低的钢 提高Z向断面收缩率 同时采用向钢液内吹入氩气 钙镁合金化合物的方式 可以冶炼出高纯净钢 用在大型重要的焊接结构上 可以完全解决层状撕裂问题 2 控制硫化物夹杂的形态通过加入钙和稀土元素把钢中的硫化锰变成其它元素的硫化物 减轻各向异性 Z向的断面收缩率可达50 70 足以抗层状撕裂 123 本节结束 二 结构设计和焊接工艺上的措施出发点 避免Z向应力和减小应力集中 1 改变接头形式 降低焊接应力 如 单侧焊缝改双侧焊缝 用对称焊缝来代替全焊透焊缝 在承受Z向力的一侧开坡口 在T型接头中预先堆焊合金粉末等 2 预热及后热由于层状撕裂有时是由冷裂引起的 通过适当提高预热 控制层间温度 焊后后热等方式降低氢含量 降低冷裂倾向 3 选择合适的焊接方法 采用低氢的焊接方法非常有利 如 气体保护焊 埋弧焊等 有利于改善抗层状撕裂性能 124 再热裂纹 层状撕裂其产生和扩展的过程 从某种意义上说和热裂纹 冷裂纹有相同之处 在焊接学术界也有不同的意见 但它们既有共性也有各自的个性 在防治措施的采用上应本着从材料上控制 从工艺上调整 从处理上强化 从检验把关上的工作程序来保证焊接结构 尤其是重要焊接结构的质量 以确保焊接结构件的安全生产 125 第六节应力腐蚀撕裂 SCC 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 一 应力腐蚀裂纹的危害应力腐蚀裂纹已成为工业中特别是石油化工工业中最突出的问题 据统计化工设备中的焊接结构破坏事故主要是由腐蚀而引起的环境脆化 如 应力腐蚀裂纹 腐蚀疲劳及氢损伤和氢脆等 日本1965 1975十年间化工设备破坏事故统计有50 属于应力腐蚀开裂 我国1975 1980年20台球罐事故中40 是由应力腐蚀裂纹造成引起的 危害极大 126 二 应力腐蚀裂纹特征 1 形貌 外观 无明显的均匀腐蚀痕迹 呈龟裂形式断断续续 而且在焊缝上以近似横向发展的裂纹居多 多出现在焊缝 也可出现在热影响区 横断面看 犹如枯干的树木的根须 由表面向纵深方向往里发展 裂口深宽比大到几十倍至一百倍以上 细长而尖锐 往往存在大量二次裂纹 即带有多量分支是其典型的特点 断口看 仍保持金属光泽为典型脆性断口 常附有腐蚀产物或氧化现象 断口呈沿晶或穿晶 有时为混合型断口 127 应力腐蚀裂纹 128 2 合金与介质的组配性 纯金属不产生应力腐蚀裂纹 凡是合金即使含有微量元素的合金 在特定的腐蚀环境中都有一定的应力腐蚀开裂倾向 但并不是说 任何合金在任何介质中都产生应力腐蚀开裂 腐蚀介质和材料有一定的匹配性 即某一合金只有在某些特定的腐蚀环境中才产生应力腐蚀裂纹 应力腐蚀开裂温度 易产生在100 300 之间 129 最易产生应力腐蚀裂纹的合金与介质的组配 1 碳钢 低合金钢 海洋大气及海水 工业大气 氨溶液 硝酸盐水溶液 苛性碱水溶液 含H2S的水溶液 碳酸盐和重碳酸盐溶液等 2 奥氏体不锈钢 氯化物水溶液 海洋气氛及海水 苛性碱高温水溶液 含H2S的水溶液 水蒸气 260 高温高压含氧纯水 浓缩锅炉水等 130 3 铁素体不锈钢 高温高压水 H2S的水溶液 海水 海洋气氛 高温碱溶液等 4 铝合金 氯化钠水溶液 海洋气氛 海水等 5 黄铜 水蒸气 氯化铁 氮 氢 二氧化碳的混合物等 6 钛合金 硝酸 海水 氟里昂 甲醇 甲醇蒸汽等 7 镍合金 氟化氢 苛性碱 氟酸盐等 131 3 应力腐蚀开裂的临界应力 拉应力的存在是产生应力腐蚀开裂的先决条件之一 造成应力腐蚀开裂的应力主要是残余应力 临界应力 引起应力腐蚀裂纹开裂的临界应力 与腐蚀介质 金属材料的强度级别有关 132 二 产生应力腐蚀裂纹的机理 一 电化学应力腐蚀开裂机理从电化学考虑 把应力腐蚀裂纹分为两大类一类为应力阳极溶解开裂简记APC另一类应力阴极氢脆开裂简记HEC 形成三要素 1 材质 合金 2 腐蚀介质 3 临界拉应力目前常用的解释理论有三种 133 阳极溶解和阴极氢脆应力腐蚀过程 在应力作用下 阳极发生金属的溶解 金属以离子状态溶入介质 电子在金属内部直接从阳极流向阴极 与金属表面含有氢质子的介质接触 形成氢原子 并向金属中扩散 形成氢脆 134 二 机械破裂应力腐蚀开裂机理 焊接结构件在应力的作用下 会产生不同程度的塑性变形 当变形量大到一定程度时 会产生 滑移台阶 但目前缺乏对此动态过程的观察 当滑移台阶的高度大于氧化膜的厚度时 就会使金属氧化膜破裂 金属暴露于表面 在腐蚀介质的作用下 金属很快被溶解 并发生应力腐蚀裂纹 显然这种腐蚀开裂是以阳极溶解腐蚀开裂为主 并与滑移台阶的大小有关 焊接接头各个部位由于组织和晶粒大小的不同 对应力腐蚀裂纹的敏感性也不同 其中以热影响区的过热区最为敏感 135 136 三 应力腐蚀裂纹的扩展机理应力腐蚀裂纹经过裂纹的开始形核 扩展和破裂三个阶段 1 孕育期其产生过程同机械破裂应力腐蚀的机理相同 2 扩展阶段 腐蚀裂口在介质和应力的共同作用下 沿垂直于拉应力的方向向纵深发展 而且逐步出现分枝 由于结构材质 服役环境和应力状况的不同 扩展途径分为三类 137 A 由起裂点开始 一直向纵深发展 只有少量分枝 主要以穿晶形式开裂 发生在强度较高的不锈钢和高强钢 B 由起裂点开始 一直沿横向发展 形成树根状的密集分枝 可以穿晶形式开裂 主要发生在强度较低的不锈钢和对氢敏感的超高强钢 C 中间类 介于A B类之间 由起裂点开始 既向深处发展又向横向发展 其行经具有沿晶特征 主要发生在不锈钢构件中 138 裂纹扩展的几种说法 阳极相的沉淀腐蚀介质的吸附阴极氢化反应机械化学效应隧洞腐蚀 139 3 溃裂阶段发展的最快的裂纹的最终崩溃性的发展 是拉应力局部越来越大的累积结果 最终破坏是力的因素起主要作用 近年来的研究发现 应力腐蚀裂纹的扩展途径与结晶学的晶面有密切的关系 其特征与结晶裂纹有相似之处 但应力腐蚀裂纹又具有延迟裂纹的特征 其形成和开裂的情况介于冷 热裂纹之间 140 三 应力腐蚀裂纹的影响因素及其防治 应力腐蚀裂纹的影响因素是多方面的 防止途径可根据其产生的原因有针对性的进行 我们从以下两个方面进行分析其影响因素 1 应力的作用2 介质的作用 141 1 应力的作用 拉应力是产生应力腐蚀裂纹的先决条件 压应力不会产生SCC 在没有拉应力存在的条件下 可以产生SCC的环境 只能引起微不足道的一般腐蚀 从最新的统计结果表明 形成SCC的应力主要是残余应力 约占80 其中由焊接引起的残余应力约占30 由成形加工 弯曲 矫形 胀管等 引起的残余应力约占45 外加应力 承受载荷或热应力 占20 142 2 介质的影响 介质的浓度和温度对具体合金的影响是不同的 如 碳钢和低合金钢在H2S介质中将引起应力阴极氢脆开裂 并随着H2S浓度的增大 临界应力显著降低 有水共存时 影响会更严重 焊接接头的SCC临界应力远小于相应强度母材的抗拉强度 往往抗拉强度越高 SCC的临界应力越小 如果用硬度做判据 也有相同的规律 在室温下 SCC倾向最大 温度降低或升高会使SCC的倾向下降 143 应力腐蚀裂纹的防治 从两个方面进行 设计的合理性和施工质量的保证 1 设计的合理性设计在腐蚀介质中工作的部件 首先应选择耐蚀材料 选材必须有足够的实验数据 不能只看材料牌号 不能单纯考虑强度级别 因同一强度等级 合金系统不同 抗应力腐蚀开裂的倾向不同 其次结构和接头的设计应最大限度地减小应力集中和高应力区 144 2 施工制造 1 合理选择焊接材料了解产品结构的的工作条件 熟悉介质的腐蚀特性及合金元素的特性 确定焊缝成分从而确定焊接材料 因此必须根据具体腐蚀介质 调整焊缝的合金系统 以便提高耐应力腐蚀开裂的能力 一般使用等化学成分或等