材料加工理论-焊接部分-第五章

1、第五章 焊接裂纹5.1 焊接热裂纹1、热裂纹的分类n结晶裂纹（凝固裂纹）n液化裂纹n多边化裂纹焊缝中结晶裂纹的分布2、热裂纹一般特征n产生时期：在焊接过程中焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区时产生的裂纹。n裂纹走向：裂纹起源与扩展均是沿晶粒边界n产生部位：焊缝或热影响区近缝区n材质：焊杂质较多的碳钢、低合金高强钢、奥氏体不锈钢、铝合金、镍基合金等第五章 焊接裂纹5.1 焊接热裂纹3、热裂纹形成n产生的条件：从金属断裂理论可知，发生高温沿晶断裂的条件是，在高温阶段晶间延性或塑性变形能力min不足以承受凝固过程或高温时冷却过程积累的应变，即： minn脆性温度区间：在高温阶段，金属存在两个

2、脆性温度区间。形成焊接热裂纹的“脆性温度区间”第五章 焊接裂纹5.1 焊接热裂纹脆性温度区间n在I区：与液膜有关的裂纹形核w焊缝金属在结晶末期，在固相线Ts附近，因晶间残存液膜使塑性下降所造成的热裂纹统称为凝固裂纹（结晶裂纹）。这种裂纹容易在焊缝中心形成，特别容易在弧坑产生。w在母材近缝区或多层焊的前一焊道因过热而液化的晶界上，也会导致由于晶间液膜分离的开裂现象，这种裂纹则称液化裂纹。n在II区：与液膜无关的裂纹形核 与再结晶相联系而致晶间延性陡降，造成沿晶开裂，称为高温失沿裂纹。 由于位错运动而形成多变化边界（亚晶界）而开裂的，称为多边化裂纹。第五章 焊接裂纹5.1 焊接热裂纹4、结晶裂纹的

3、形成机理（与液膜有关的裂纹形核）熔池结晶的阶段及脆性温度区间第五章 焊接裂纹5.1 焊接热裂纹4、结晶裂纹的形成机理（与液膜有关的裂纹形核）n熔池结晶过程w液固阶段：熔池开始结晶，仅有少量的晶核，以后逐渐晶核长大核形成新的晶核，但始终保持有较多的液相，相邻晶粒之间不发生接触，液态金属可在晶粒之间自由流动。此时虽有拉伸应力存在，但被拉开的缝隙能及时被流动着的液态金属所填满，因此在液固阶段不产生裂纹。第五章 焊接裂纹5.1 焊接热裂纹4、结晶裂纹的形成机理（与液膜有关的裂纹形核）w固液阶段：当结晶继续进行时，固相不断增多，且不断长大，冷却到某一阶段，相邻晶粒之间发生接触，由于液态金属少，液态金属不

4、能在晶粒之间自由流动。在拉伸应力作用下产生的微小的缝隙不能被填充，最后凝固的存在于固相金属间的低熔点液态金属，已成为液态薄模，强度低、变形能力差，而应变集中，因此有产生裂纹的可能。这个阶段正好对应脆性温度区间。第五章 焊接裂纹5.1 焊接热裂纹凝固裂纹产生示意图w5、结晶裂纹产生条件第五章 焊接裂纹5.1 焊接热裂纹5、结晶裂纹产生条件n脆性温度区间的TB大小， TB ，结晶裂纹；n 合金材料在TB 区间具有的延性min， min ，结晶裂纹n TB 区间内积累的应变或应变增长率 / T， / T ，结晶裂纹。第五章 焊接裂纹5.1 焊接热裂纹5、结晶裂纹产生条件n当TB 及min一定时，能否

5、产生凝固裂纹主要取决于在TB 内 / T 的变化情况。w应变增长率为直线1时， min ，则产生裂纹；第五章 焊接裂纹5.1 焊接热裂纹5、结晶裂纹产生条件nTB、 min-冶金因素、化学成分、杂质数量及分布、晶粒大小n / T-合金的线膨胀系数、接头的刚度或拘速度、温度场特性等第五章 焊接裂纹5.2 焊接热裂纹的控制一、冶金因素的作用n1、合金状态图类型影响结晶温度区间w凝固温度区间越大，TB也就越大。w不同的合金状态图的影响结晶温度区间与裂纹倾向的关系第五章 焊接裂纹5.2 焊接热裂纹的控制一、冶金因素的作用n2、化学成分影响脆性温度区间w假设固相线Ts和液相线Tl均为直线w设二元合金溶质

6、元素的初始浓度为x0w合金的溶质分配系数K0=xs/xlw液相线的斜率Ml=AB/BD=AG/GH固溶合金的凝固温度区间）0000001,)11()1()1()1()(kkMrxrTkxMxxxMFNFHEBBDABEBEDEBBDABEBEDBDABBDBDABABTlffflsllf第五章 焊接裂纹5.2 焊接热裂纹的控制一、冶金因素的作用n2、化学成分影响脆性温度区间越大。，其值越小，则越大。值越大，相对效应因子fffflfffrkTrrkkMrxrT11,0000元素CSPMnCuNiSiAlrf322295121.126.23.612.931.751.52第五章 焊接裂纹5.2 焊接

7、热裂纹的控制n溶质元素S、P、C等元素的rf值比较大，大大提高了Tf从而提高TB。n为了防止产生焊接热裂纹，限制合金中的易偏析元素S、P、C 等，应是基本措施之一。各合金元素对铁合金结晶温度区间的影响第五章 焊接裂纹5.2 焊接热裂纹的控制一、冶金因素的作用n3、晶间形态球状薄模状热裂纹倾向第五章 焊接裂纹5.2 焊接热裂纹的控制一、冶金因素的作用n3、晶间形态lsss.2cos2ssls.22cosS-O共存时接触角的变化第五章 焊接裂纹5.2 焊接热裂纹的控制一、冶金因素的作用n3、晶间形态焊缝凝固裂纹与Mn/S的关系在Fe-C合金中，Mn/S的比值对焊接热裂纹的产生有显著影响：含碳量小于

8、0.16%时，Mn/S的比值大于25%，不产生热裂纹。含碳量大于0.16%时，提高Mn/S的比值无降低热裂纹的倾向。合金系统中共存的成分对偏析物质的存在形态有重要影响。第五章 焊接裂纹5.2 焊接热裂纹的控制一、冶金因素的作用n4、愈合现象Si对Al-Mn合金焊缝凝固裂纹数目的影响C对高铬钢堆焊焊缝凝固裂纹率的影响第五章 焊接裂纹5.2 焊接热裂纹的控制一、冶金因素的作用n4、愈合现象4）当合金成分增多到足以在晶间形成大量易熔物质时，它们可以在晶粒周边流动，即使有微小的裂纹产生，也会被“愈合”。5）大量低熔物质的存在，虽然能起到“愈合作用”，但会降低接头的力学性能。1）热裂纹倾向随第二相数量的

9、增加，有极值现象。2）合金成分含量少时，晶间形成极少量易熔物质时，不足以形成热裂纹；3）当合金成分增多以致晶间形成较多易熔物质时，它们在晶粒周边分布而削弱晶粒联系，促使产生热裂纹；第五章 焊接裂纹5.2 焊接热裂纹的控制一、冶金因素的作用n5、组织形态w焊缝如果是单向奥氏体组织，则热裂纹倾向增大w希望形成双相组织+。主要因为： n相比相能固溶更多的有害杂质，而减少有害杂质的偏析。n相的分散存在可使相枝晶支脉发展受到限制，从而细化晶粒、打乱晶粒的方向性。n6、变质处理w细化晶粒、增大晶界面积，减少杂质的集中，有利于消除脆弱面，改善抗裂性能。第五章 焊接裂纹5.2 焊接热裂纹的控制一、冶金因素的作

10、用n7、焊接熔渣碱度的作用结论：选用碱性焊条或焊剂有利于提高焊缝的抗热裂性能熔渣碱度（B1）对焊缝热裂纹的影响第五章 焊接裂纹5.2 焊接热裂纹的控制二、工艺条件的影响n1、熔池或焊缝形状的影响w熔池开始联生结晶后，结晶的继续生长则受温度场的分布或导热方向所影响。w不同的接头形式，具有不同的散热条件。w在同一接头内，枝晶成长情况与焊接熔池形状有密切关系。w熔池形状利用焊缝形状系数来表示： =B/H焊缝形状系数对焊缝热裂纹的影响第五章 焊接裂纹5.2 焊接热裂纹的控制CracksNo CracksCracksNo CracksCriteria结论：尽可能避免1。即焊缝实际厚度不要超过焊缝宽度第五

11、章 焊接裂纹5.2 焊接热裂纹的控制二、工艺条件的影响n1、熔池或焊缝形状的影响w焊缝形状系数随焊接电流的增大而减少，随电弧电压的增大而增大。熔池形状与焊接速度a) 低速焊接 b)高速焊接w低速焊接时，熔池常成为椭圆形，树状晶呈人字纹路向焊缝中部成长，不易产生偏析弱面，故热裂倾向小。w高速焊接时，熔池常成为所谓泪滴形，树枝晶近乎直线地向焊缝轴线对向生长，易在会合面处形成显著的偏析弱面，所以，热裂纹倾向大。第五章 焊接裂纹5.2 焊接热裂纹的控制二、工艺条件的影响n2、冷却速度的影响w冷却速度越大，形变速度或应变增长率也越大，越易于促使产生热裂纹。w预热对于降低热裂倾向一般是比较有效的。n3、接

12、头刚度与焊接顺序w为防止接头焊接热裂纹，尽可能减少应变增长率及应变量n设计焊接结构时尽量考虑减少接头刚度n焊接工艺设计时，选择合理的施焊顺序，应保证最后几条焊缝有较大的收缩自由，而减少其内应变量。第五章 焊接裂纹5.2 焊接热裂纹的控制一、焊接冷裂纹的特征n形成时间：马氏体转变温度以下：+75-100之间，有潜伏期(几小时甚至几天)延迟断裂时间与应力的关系第五章 焊接裂纹5.3焊接冷裂纹的特征及形成规律一、焊接冷裂纹的特征n裂纹走向：沿晶或穿晶n产生部位：多在焊接热影响区n材质：中、高碳钢、低合金高强钢、钛合金几种冷裂纹的分布示意第五章 焊接裂纹5.3焊接冷裂纹的特征及形成规律二、焊接冷裂纹的

13、形成条件n1、冷裂纹产生的基本因素w（1）淬硬组织的影响马氏体数量与冷却速度的关系及其对热影响区冷裂纹倾向的影响第五章 焊接裂纹5.3焊接冷裂纹的特征及形成规律二、焊接冷裂纹的形成条件n1、冷裂纹产生的基本因素w（1）淬硬组织的影响高强钢CCT图与CTS裂纹实验结果马氏体数量增多，冷裂倾向增大！第五章 焊接裂纹5.3焊接冷裂纹的特征及形成规律二、焊接冷裂纹的形成条件n1、冷裂纹产生的基本因素w（2）氢的影响高碳钢热影响区延迟裂纹的形成1）焊缝的含碳量低于母材，因此焊缝在较高的温度就发生相变，此时，母材热影响区金属尚未开始奥氏体分解（含碳量较高，发生滞后相变）。2）当焊缝由奥氏体转变铁素体，珠光

14、体等组织时，氢的溶解度突然下降，而氢在铁素体、珠光体中的扩散速度很快，氢很快地从焊缝向尚未分解的热影响区的奥氏体中扩散。第五章 焊接裂纹5.3焊接冷裂纹的特征及形成规律二、焊接冷裂纹的形成条件n1、冷裂纹产生的基本因素w（2）氢的影响3）由于氢在奥氏体中的扩散速度较小，不能很快扩散到距熔合线较远的母材中。熔合线附近形成了富氢地带。4）当滞后相变的热影响区中奥氏体转变成马氏体时，氢以过饱和状态残留在马氏体中。高碳钢热影响区延迟裂纹的形成第五章 焊接裂纹5.3焊接冷裂纹的特征及形成规律二、焊接冷裂纹的形成条件n1、冷裂纹产生的基本因素w氢的影响碳当量与临界含氢量的关系第五章 焊接裂纹5.3焊接冷裂

15、纹的特征及形成规律二、焊接冷裂纹的形成条件n1、冷裂纹产生的基本因素w（3）拘束应力n热应力n组织应力n构件本身自身条件，造成的拘束应力n拘束度：单位长度焊缝，在根部间隙产生单位长度的弹性位移所需要的力。LEhR 对接接头的拘束度模型拘束度：）。板厚（）拘束距离（）母材金属的弹性模量（mmhmmLmmNE;/2第五章 焊接裂纹5.3焊接冷裂纹的特征及形成规律二、焊接冷裂纹形成的条件n2、冷裂纹产生的临界条件w冷裂纹产生的临界应力的经验公式n日本利用插销试验建立的经验公式）。度的冷却时间（由峰值温度冷至）；度的冷却时间（）测氢法）（扩散氢含量（式中ststgmlJISHBVMoNiCrCuMnS

16、iCpttHPcmcmcr100500800;100/51015602030107 . 973. 2) 1lg(2 .282113 .861005/810025/8第五章 焊接裂纹5.3焊接冷裂纹的特征及形成规律二、焊接冷裂纹形成的条件n2、冷裂纹产生的临界条件w冷裂纹产生的临界应力的经验公式n国内利用插销试验建立的经验公式）。度的冷却时间（由峰值温度冷至维氏）；热影响区的最大硬度（）测氢法）（扩散氢含量（stHVgmlGBHtHVHcr100;100/7612250102. 0216. 0) 1lg(5 .273 .132100100能够通过计算，得出实际结构的拘束应力，与临界应力比较，可判

17、断结构是否可产生冷裂纹。第五章 焊接裂纹5.3焊接冷裂纹的特征及形成规律二、焊接冷裂纹形成的条件n2、冷裂纹产生的临界条件w冷裂纹产生的临界冷却时间的经验公式型坡口）半（根部应力集中系数；）测氢法）（扩散氢含量（用的裂纹敏感指数；考虑焊跟处拘束应力作试验常数，、式中：VKKgmlJISHKHPPPnAnAPAtttwtcmHMHMnHMcr458;100/)0017. 0lg(15. 0lg075. 02,105 .10)28. 0(4第五章 焊接裂纹5.3焊接冷裂纹的特征及形成规律二、焊接冷裂纹形成的条件n2、冷裂纹产生的临界条件w冷裂纹产生的临界冷却时间的经验公式母材的屈服强度拘束度）（）

18、（）焊跟处的拘束应力（型坡口）（型坡口）、（sssswswwttRRRtRRtmmNtVKYXK2020050. 020050. 0/605 . 16042第五章 焊接裂纹5.3焊接冷裂纹的特征及形成规律二、焊接冷裂纹形成的条件n3、冷裂纹产生的机理（氢的应力扩散理论）w金属内部的缺陷（微孔、微夹杂和晶格缺陷等）提供了潜在裂源。w在应力的作用下，微观缺陷的前沿形成了三向应力区，诱使氢向该处扩散并聚集。w当氢的浓度达到一定程度时，一方面产生较大的应力，而另一方面阻碍位错移动而使该处变脆，当应力进一步加大时，促使缺陷扩展而形成裂纹。氢致裂纹的扩展过程第五章 焊接裂纹5.3焊接冷裂纹的特征及形成规律三、冷裂纹的控制冷裂纹产生条件及其影响因素第五章 焊接裂纹5.3焊接冷裂纹的特征及形成规律三、冷裂纹的控制n1、钢材化学成分