焊接物理冶金_第五章_焊接裂纹.

1、第五章第五章焊接裂纹焊接裂纹 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

2、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

3、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5.5 25-20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

4、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2 Q235钢与1Cr18Ni9

5、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

6、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”CSZa) 小的冷却速度； b) 大的冷却速度图5.18 HT60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

7、）（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5.21 HT80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

8、.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 日本日本JIS采用：采用：国际焊接学会（国际焊接学会（II）采用：）采用：美国焊接学会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 H cr ；b) CE与 H crb. 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/L E: 弹性模量 ：板厚 L：拘束长度 mRF mE/L : 拘束应力m: 拘束应力转换系数图5.27 对

9、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指数图5.30 氢致剥离裂纹形成的位置图5.31 冷裂原因及其对策图5.？ 层状撕裂类型a) 焊根冷裂纹为启裂源的层状撕裂；b) 焊趾冷裂纹为启裂源的层状撕裂c) 沿热影响区轧层夹杂物启裂的层状撕裂；d) 沿板厚中心（远离HAZ）轧层夹杂物启裂的层状撕裂73层状撕裂层状撕裂 1 1、产生的部位和形状、产生的部位和形状 宏观形状宏观形状：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：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

10、平台在不同高度分布的结果 部位：部位：母材或热影响区 一、特征及危害性一、特征及危害性 742、产生在厚板结构中、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 75 种类种类 依产生部位分: 第一类第一类 是在焊接热影响区焊趾或焊根 冷裂纹诱发而形成层状措裂； 第二类第二类 热影响区沿夹杂开裂； 第三类第三类 远离热影响区母材中沿夹杂开裂 MnS片状夹杂较多。76二、形成机理及影响因素二、形成机理及影响因素 (一一)、层状撕裂的形成过程、层状撕裂的形成过程1、厚板结构中焊接时刚性拘束条件下，产生较大的Z向应力和应变，当应变达到超过材料的形变能力之后，夹杂物与

11、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平，形成所谓的“平面”。 772、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。78(二二)、影响因素、影响因素 1、非金属夹杂物的种类2、焊接Z向应力 3、母材性能 热影响区产生淬硬组织、塑性下降; 加热150350出现应变时效，塑性、韧性下降4、氢的作用 氢集聚发生在夹杂物和基体界面上的氢脆引起层状撕裂79四、防止措施四、防止措施 (

12、 (一一) )选择母材选择母材 1 精炼钢 2、控制夹杂物 冶炼降低杂质，脱S加Ti、Zr或稀土元素，促使夹杂物破碎、球化(成本高) ( (二二) )设计和工艺措施设计和工艺措施1、 改变接头形式、降低焊接应力2、 应尽量避免单侧焊缝等;3、 应尽量避免承载焊缝4、 预热及后热5、 加软焊道80接头形式在受力最小时即可防止层状撕裂，通过开坡口来减轻钢板Z向受承受的应力和应变。本节结束81应力腐蚀撕裂应力腐蚀撕裂(SCC)(SCC) 应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹：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。 应力腐蚀裂纹已成为工业中特点是石油工业中最突出的问题，日本1

13、9651975十年间化工设备破坏事故统计有50%属于应力腐蚀开裂，应力腐蚀裂纹造成危害极大。82一、应力腐蚀裂纹特征一、应力腐蚀裂纹特征 1 1、形貌：、形貌：外观：无明显的均匀腐蚀痕迹，呈龟裂形式断断续续。从横断面来看：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，细长而带有分支是其典型的特点。从断口来看：仍保持金属光泽为典型脆性断口83应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹842、材质与介质的匹配、材质与介质的匹配 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，一定的材料只在某一

14、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100300之间853、应力腐蚀开裂的临界应力、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。thsth86二、应力腐蚀裂纹的形成条件二、应力腐蚀裂纹的形成条件/机理机理 （一）、电化学应力裂机理（一）、电化学应力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：形成三要素：1） 材质 2) 腐蚀介质 3) 临界

15、拉应力87HEC和APC应力腐蚀过程88（二）、机械破裂应力腐蚀开裂机理（二）、机械破裂应力腐蚀开裂机理 1 1）、孕育期）、孕育期 应力作用下将产生不同程度的塑性变形，这种塑性变形将会产生“滑移台阶”，形成局部性的最初腐蚀裂口，造成拉应力集中，局部产生滑移阶梯、导致保护膜破坏。89902 2）、发展阶段）、发展阶段 腐蚀裂口在拉应力与介质的共同作用下（物理作用及化学作用）沿着垂直拉应方向纵深发展，呈枯干树枝或根须，且逐步出现分支，若应力因素占优势，将是某一裂口优先发展，腐蚀因素占优势则可能同时几条裂口平行地发展3 3）、溃裂阶段）、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

16、越大的累积结果，最终破坏是力的因素起主要作用。 91裂纹扩展的几种说法裂纹扩展的几种说法 1. 1.阳极相的沉淀阳极相的沉淀 2. 2.腐蚀介质的吸附腐蚀介质的吸附3.3.阴极氢化反应阴极氢化反应 4. 4.机械化学效应机械化学效应 5. 5.隧洞腐蚀隧洞腐蚀 92三、应力腐蚀的预防措施三、应力腐蚀的预防措施 （一）、结构设计（一）、结构设计 1、合理选材母材 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很大。 2、避免高应力区93 （二）、施工制造（二）、施工制造 1、 合理选择焊材 了解产品结构的的工作条件，熟悉介质的

17、腐蚀特性，及合金元素的特性，则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。 941、 合理制定装焊工艺1）、成形及装配工艺 引起应力腐蚀裂纹的重要原因之一就是残余应力，从部件成形加工列组装都可引起残余应，特别是强制组装，例如用千斤组装大错口，可以形成很大的残余应力，在组装质量不良的条件下（错口）焊接时，会造成较大的残余应力。组装时所造成伤痕如随意打弧的灼痕等都会成应力腐蚀裂源。 952)、焊接工艺 基本点，不产生硬化组织，不发生晶粒严重粗化现象,接头硬度 粗晶区的应力腐蚀裂纹的扩展敏感性最大，主要是由于晶粒粗大，以致裂纹尖端集中的位

18、错数量增大，并可形成大的滑移阶梯，从而利于应力腐蚀裂纹的形成和扩展。96消除应力处理 焊后消除应力处理是防止产生应力腐蚀裂纹的重要环节。 例氢化脱硫装置的硫化物应力腐蚀开裂试验，钢种弯曲成形加工后的热处理温度温度 350 400 450 500 550 650 850 1Cr18Ni8 x x x x x o o o1Cr18Ni9Ti X x o o o o o o 其中x裂纹，o无裂纹 971.整体消除应力处理消除应力的程度可用下式估算P=T（lgt+20)*10-3P消除应力效果参数T热力学温度 t 保温时间2.局部消除应力处理RB5R-管子半径 -板厚加热宽度98（三）、生产管理（三）、生产管理 1、 防蚀处理 介质隔离、涂层、衬里 介质处理、加缓蚀剂等 电化防蚀、阴极化或阳极化、表面技术处理 2、 定时检查及分析 定期检查、及时补修 本节结束99焊接裂纹综合分析和判断焊接裂纹综合分析和判断一、宏观分析及判断一、宏观分析及判断（一）被焊材质和焊接材料的化 学成分（二）根据施工中的焊接工艺（三）产品结构的运行工况条件100二、微观分析及判断二、微观分析及判断1、热裂纹2、冷裂纹3、再热裂纹4、层状撕裂5、应力腐蚀裂纹图形详见前几节101三、断口分析及判断三、断口分