焊接 热裂纹形成原理影响因素及防止措施

在应力与致脆因素的共同作用下，使材料的原子结合遭到破坏，在形成新界面时产生的缝隙称为裂纹。金属在加工和使用过程中，可能会出现各种裂纹，如热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹等。裂纹是可以引发灾难性事故的、危害最大的一类缺陷。第五节热裂纹一、热裂纹的分类及特征二、热裂纹的形成机理三、热裂纹的影响因素及防止措施一、热裂纹的分类及特征

凝固裂纹

液化裂纹

高温失延裂纹1、凝固裂纹金属凝固结晶末期，在固相线附近发生的晶间开裂现象，称为凝固裂纹或结晶裂纹。其形成与凝固末期晶间存在的液膜有关，断口具有沿晶间液膜分离的特征。裂纹无金属光泽，有明显的氧化色彩。液化裂纹的形成机理液化裂纹是一种沿奥氏体晶界开裂的微裂纹，一般认为是由于热影响区或多层焊层间金属奥氏体晶界上的低熔点共晶，在焊接高温下发生重新熔化，使金属的塑性和强度急剧下降，在拉伸应力作用下沿奥氏体晶界开裂而形成的。液化裂纹高温失延裂纹的形成机理

在固相线以下的高温阶段，金属处于不断增长的固相收缩应力作用之下，变形方式主要是依靠位错或空位沿着晶界的扩散、移动进行。当沿晶界的扩散变形遇到障碍时（如三晶粒相交的顶点），就会因应变集中导致裂纹。空穴开裂理论认为晶界滑动和晶界迁移同时发生，两者共同作用可形成晶界台阶，进而形成空穴并发展成微裂纹。

σσττBAC裂纹ττττABAB微裂纹二、热裂纹的形成机理液态金属凝固结晶液固状态固液状态偏析低熔点共晶液态薄膜脆性温度区间凝固收缩应力与应变拘束凝固裂纹TBδT/℃TLTHTSTS'δ＝Φ(T)裂纹图11-48产生凝固裂纹的条件ε－应变δ－塑性TL－液相线TS－固相线TB－脆性温度区TH－TB上限TS'－TB下限TBε,δT/℃TLTHTSTS'δmin123ε＝f(T)δ＝Φ(T)随温度下降，应变ε增大。应变增长率与材质有关，还与焊接规范、拘束程度等工艺因素有关。脆性温度区TB

越大，收缩应力的作用时间就越长，产生的应变量越大，形成热裂纹的倾向越大。TB内金属的塑性δmin越低，产生热裂纹的倾向越大。

TB内的应变增长率∂ε/∂T

越大，越容易产生裂纹。线2所对应的∂ε/∂T为临界应变增长率，用“CST”表示。CST越大，材料对热裂纹敏感性越小。

三、热裂纹的影响因素及防止措施

冶金因素

工艺因素

防止热裂纹的措施

结晶裂纹倾向试验

凝固温度区的影响

合金元素和杂质元素的影响

凝固组织形态的影响（一）影响热裂纹倾向的冶金因素1．凝固温度区的影响凝固温度区增大脆性温度区范围增大凝固裂纹的倾向增大合金相图与结晶裂纹

wB

/%wB/%裂纹倾向/%温度/℃图11-53二元合金相图与凝固裂纹倾向的关系a）完全互溶b）有限固溶c）机械混合物d）完全不固溶虚线－凝固裂纹倾向的变化a）b）c）d）温度T/℃2、合金元素和杂质元素的影响合金元素尤其是易形成低熔点共晶的杂质元素是影响热裂纹产生的重要因素。

硫和磷

是钢中最有害的杂质元素，在各种钢中都会增加热裂纹倾向。它们既能增大凝固温度区间，与其他元素形成多种低熔点共晶，又是钢中极易偏析的元素。Ni、C

与Mn

的影响合金元素对热裂纹的影响已建立了一些定量判据，如热裂纹敏感系数

HCS

、临界应变增长率CST

等。合金系共晶成分（质量分数/%）共晶温度/℃Fe-SFe，FeS（S31）988Fe-PFe，Fe3P（P10.5）Fe3P，FeP（P27）10501260Fe-SiFe3Si，FeSi（Si20.5）1200Fe-SnFe，FeSn（Fe2Sn2，FeSn）（Sn48.9）1120Fe-TiFe，TiFe2（Ti16）1340Ni-SNi，Ni3S2（S21.5）645Ni-PNi，Ni3P（P11）Ni3P，Ni2P（P20）8801106Ni-BNi，Ni2B（B4）Ni3B2，NiB（B12）1140990Ni-AlγNi，Ni3Al（Ni89）1385Ni-ZrZr，Zr2Ni（Ni17）961Ni-MgNi，Ni2Mg（Ni11）1095碳在钢中是影响热裂纹的主要元素，并能加剧硫﹑磷及其他元素的有害作用。碳能明显增加结晶温度区间，并且随着碳含量的增加，初生相可由δ相转为γ相。由于硫和磷在γ相中的溶解度比在δ相中低很多，如果初生相为γ相，则析出的硫和磷就会富集于晶界，从而增加凝固裂纹倾向。图11-54Fe-C相图的高温部分温度T/℃wC/%锰具有脱硫作用，同时也能改善硫化物的形态，使薄膜状改变为球状，提高金属的抗裂性。钢中碳含量增加时，Mn的加入量也要相应增加。当wC＜0.16％时，wMn/wS＞25即可防止热裂纹的产生。但是当wC＞0.16％（包晶点）时，磷的有害作用将超过硫，此时再增加wMn/wS比值对防止热裂纹已无意义。3．凝固组织形态的影响晶粒的大小﹑形态和方向及析出的初生相对抗裂性都有很大影响。晶粒越粗大，方向性越明显，产生热裂纹的倾向就越大。金属中加入某些合金元素（如Ti、Mo、V、Nb等）使晶粒细化，既可破坏液态薄膜的连续性，又可打乱枝晶的方向性，从而提高金属的抗裂性。图11-55δ相在奥氏体基底上的分布a）单相奥氏体b）δ＋γ奥氏体奥氏体铁素体液态薄膜a)b)（二）工艺因素对热裂纹的影响焊接、铸造工艺参数温度场分布及变化凝固组织形态与偏析程度结构形式与拘束程度结晶应力与应变凝固裂纹（三）防止热裂纹的措施以上两类因素中，哪些因素可以进行控制呢？总体来看：冶金因素的影响在铸造熔炼过程中比较容易实现控制，而在焊接工艺过程中只能通过对焊材与焊接工艺参数选择来限制热裂纹。焊接中拘束度的定义为平板对接接头单位长度焊缝在根部间隙产生单位长度位移所需要的力。接头的拘束度与拘束应力大小，可近似地用经验公式计算：δlFFLm是转换系数，与钢的线胀系数、比热容、接头坡口形式和焊接方法等因素有关。由公式可见：刚性大（弹性模量E大或板厚δ大）或拘束距离L小的焊接结构，拘束度与拘束应力高，裂纹倾向大。结晶裂纹倾向试验φ4直径J422、J507和J427-FeS（自制）焊条各4~6根

200×120×12mm低碳钢板焊接电流：100A；电弧电压：24V；焊接速度：150mm/min。焊后约10分钟将试件从试验装置中取出。试件冷却到室温后，将试件沿焊缝轴向弯断，观察断面上有无裂纹并测量裂纹长度。按右式计算裂纹率：结构钢焊条药皮配方钛钙型

1.药皮组成物用量范围（％）硅酸盐25-40

碳酸盐15-22

二氧化钛35-45

钛铁矿0-25铁合金10-15

有机物0-32.熔渣碱度0.55-0.80

低氢型1.药皮组成物用量范围（％）硅