焊接物理冶金-第五章-焊接裂纹

第五章,焊接裂纹,焊接接头中的不连续性、不均匀性以及其它不健全性等的欠缺，统称为焊接缺欠。焊接缺欠包括：裂纹、空穴、固体夹杂、未熔合和未焊焊透、形状缺陷、其它缺陷。已使具体焊接产品不符合其使用性能要求的焊接缺欠称为焊接缺陷，存在焊接缺陷的产品应被判废或必须返修。裂纹是焊接接头最重要的焊接缺陷，也是生产中要防止的重点。,第一节焊接裂纹的分类,1.焊接裂纹分类按产生裂纹的本质大体可分为五大类：（1）热裂纹（结晶裂纹、液化裂纹、失延裂纹、多边化裂纹）（2）再热裂纹（3）冷裂纹（延迟裂纹、淬硬脆化裂纹、低塑性脆化裂纹）（4）层状撕裂（5）应力腐蚀裂纹,图5.1焊接裂纹的宏观形态及其分布,a纵向裂纹；b横向裂纹；c星形裂纹,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；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、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,2.焊接裂纹的宏观形态及其分布,3.焊接裂纹形成时期,（1）焊接裂纹出现在焊接过程中（如热裂纹和大部分冷裂纹等）；（2）焊接裂纹有时出现在放置或运行过程中（如冷裂纹中的延迟裂纹和应力腐蚀裂纹）；（3）焊接裂纹有时出现在焊后热处理或再次受热过程中（再热裂纹等）。,第二节焊接热裂纹,焊接热裂纹:结晶裂纹，液化裂纹，失延裂纹，多边化裂纹1.焊接热裂纹的生成条件与特征生成条件：（1）接头存在拉应力（2）min裂纹特征：（1）焊缝结晶裂纹：中心线，弧坑；液化裂纹：热影响区（2）沿晶开裂（3）断口表面可见晶粒形貌,图5.2形成焊接热裂纹的“脆性温度区间”示意图,HAZ,图5.3凝固裂纹断口特征（5.5%Ni钢焊缝）,图5.4液化裂纹断口特征（25-20奥氏体钢）,图5.525-20奥氏体钢焊缝高温失延开裂的断口特征,2.结晶裂纹的形成机理及影响因素,（1）结晶裂纹的形成机理a.脆性温度区b.晶间液相膜c.焊接拉应力（2）影响结晶裂纹生成的因素a.冶金因素合金类型及结晶温度区间；合金元素及杂质元素；结晶组织形态b.工艺因素熔合比；成形系数；焊接线能量（焊接速度）,图5.7结晶温度区间与结晶裂纹倾向的关系,图5.6凝固裂纹的产生示意,TS固相线；TL液相线；Tf结晶区间；TBBTR；TUBTR上限；应变；塑性,图5.7结晶温度区间与结晶裂纹倾向的关系,（1）合金类型及结晶温度区间影响,图5.8低碳钢焊缝中C量对热裂的影响,（2）合金元素及杂质元素影响（S、P、C、Mn、Ti、Zr、Re）,图FeC平衡图的高温部分,表硫和磷的溶解度,（3）结晶组织形态,堆焊时，母材定位G，焊接填充材料定位Z,对焊时，母材定位G1和G2，焊接填充材料部分定位Z,图1熔合比计算示意图,图2Q235钢与1Cr18Ni9钢的熔合比,（1）熔合比,图5.9焊缝成形系数的影响,（低碳钢焊缝，SMA，(S)=0.020%0.035%，(Mn)/(S)18）,（2）成形系数影响,图5.10焊接速度与热输入对HT80钢凝固裂纹的影响,（3）焊接热输入、焊接速度,图5.11出现液化裂纹的部位,1凹陷区；2多层焊层间过热区,3.液化裂纹的形成,图5.7结晶温度区间与结晶裂纹倾向的关系,合金类型及结晶温度区间影响,图5.12熔合区液化裂纹,1未混合区；2部分熔化区；3粗晶区,图5.13热影响区粗晶区的液化裂纹,1沿熔合线；2垂直熔合线,母材14Cr2Ni4MoV，焊丝10CrNi2MoV，埋弧焊,图5.14加热与冷却中金属的塑性与强度随温度变化的曲线,实线加热中塑性的变化；虚线冷却中塑性的变化,T2T1高温塑性降落温度区；T3冷却中塑性恢复温度；TnD无塑性温度；TnS无强度温度,图5.15失延裂纹与液化裂纹的形成部位,图5.16结构钢焊缝热裂原因与防止,图5.17焊缝边界的“热裂敏感区”CSZ,a)小的冷却速度；b)大的冷却速度,图5.18HT60钢半自动焊（CO2或MIG）焊缝热裂纹与成形系数,图5.19低碳钢多道焊中“梨形”断面焊道中的热裂纹,第三节焊接冷裂纹,1.焊接冷裂纹特征（1）分布形态a.焊道下裂纹，b.焊根裂纹、c.焊趾裂纹，d.横向裂纹（2）冷裂时期a.延迟裂纹（-100-100）；淬硬裂纹（Ms-室温）（3）断口特征断口具有金属光泽；沿晶、穿晶开裂共存；具有准解理断裂特点。2.延迟裂纹的形成机理和影响因素,图5.20焊接冷裂纹的分布形态,1焊道下裂纹；2焊根裂纹；3焊趾裂纹；4、5表面或焊缝内横裂纹,图5.21HT80钢插销试验冷裂断口,图？沿晶断口的晶界形貌,图？解理断口形貌,图？解理断口形貌,图？解理断口面,图？河流花样形貌,图？解理断口晶界面上形成的塑性变形区,2.延迟裂纹的形成机理和影响因素,（1）延迟裂纹的经典理论a.空洞内气体压力学说b.位错陷阱捕氢学说c.氢吸附理论d.三轴应力晶格脆化学说（2）影响因素a.钢种淬硬倾向b.氢的作用c.拘束度影响,图5.22延迟断裂时间与应力的关系,图5.23氢致裂纹的扩展过程,d.三轴应力晶格脆化学说,图5.24马氏体数量与冷却速度的关系及对热影响区冷裂纹倾向的影响,a.钢种淬硬倾向,日本JIS采用：,国际焊接学会（II）采用：,美国焊接学会采用：,（%）,图5.25碳当量与临界含氢量的关系,a)Pcm与Hcr；b)CE与Hcr,b.氢的作用,图5.26高强钢热影响区（HAZ）延迟裂纹的形成过程,b.氢的作用,c.拘束度影响,拘束度RFE/LE:弹性模量：板厚L：拘束长度mRFmE/L:拘束应力m:拘束应力转换系数,图5.27对接接头的拘束度模型,图5.28实际结构拘束度的统计,图5.29不同坡口形式R与的关系,焊接冷裂纹敏感