模块五 焊接接头裂纹控制

焊接接头裂纹控制

概述

一、裂纹危害性

焊接结构产生裂纹轻者需要返修，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。

1943年美国T-2油轮发生断裂案例分析案例分析案例分析越南桥梁坍塌造成大量人员伤亡案例分析1——焊缝中的纵向裂纹与弧形裂纹（多为结晶裂纹）2——焊缝中的横向裂纹（多为延迟裂纹）3——熔合区附近横向裂纹（多为延迟裂纹）4——焊缝根部裂纹（延迟裂纹、热应力裂纹）5——近缝区根部裂纹（延迟裂纹）6——焊趾处纵向裂纹（延迟裂纹）7——焊趾处纵向裂纹（液化裂纹）8——焊道下裂纹（延迟裂纹、液化裂纹、高温低塑性裂纹）9——层状撕裂

裂纹的识别

按产生的部位

按裂纹分布的走向分

①横向裂纹②纵向裂纹③星形（弧形裂纹）

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,热影响区近缝区也会产生。

特征：宏观看,沿焊缝的走向成纵向分布（连续或断续）也可看到缝横向裂纹，裂口均有较明显的氧化色彩，表面无光泽，微观看，沿晶粒边界（包括亚晶界）分布，属于沿晶断裂性质。

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,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。HAZ液化裂纹晶间裂纹多边化裂纹2）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。微观看：晶间断裂，但也可穿晶（晶内）断裂，也可晶间和穿晶混合断裂。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）：淬硬倾向大的钢种易产生这种裂纹（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。延迟裂纹扩展后的冷裂纹

3）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。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）和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”状的层状断裂并有穿晶发展。

钢板内的层状夹杂热裂纹与冷裂纹的基本特点

裂纹

热裂纹

冷裂纹

产生温度

高温下产生

低温下产生宏观特征沿焊缝的轴向成纵向分布,也有横向分布，裂口均有氧化色彩表面无光泽

断口具有发亮的金属光泽微观特征沿晶粒边界分布，属于沿晶断裂性质晶间断裂，也有穿晶内断裂，也有晶间和穿晶混合断裂产生部位

焊缝、热影响区热影响区、焊缝

焊接热裂纹

一、结晶裂纹

1、

产生机理

1）产生部位：结晶裂纹大部分都沿焊缝树枝状结晶的交界处发生和发展的，常见沿焊缝中心长度方向开裂即纵向裂纹，有时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上,某些高强钢，含杂质较多的钢种，除发生在焊缝之处，还出现在近缝区上。结晶裂纹裂纹产生在杂质偏析的部位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：

①液态薄膜②拉伸应力

液态薄膜—根本原因

拉伸应力—必要条件②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③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：①液固阶段：（1区）

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。3）产生结晶裂纹的条件在ＴＢ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）受拉伸应力所产生的变形用e表示，也是温度的函数。

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不足以承受当时所发生塑性应变量。产生裂纹的条件

Δδ＜ε②脆性温度区（TB）内金属的塑性，TB内金属的塑性越小，越易产生结晶裂纹。结论

①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，决定于焊缝化学成分，杂质性质与分布，晶粒大小。③TB内随温度降低变形的增长率（拉伸应力的增长率）,临应变率CST越大,则表示材料的热裂纹敏感性越小,越不易产生裂纹。2、焊接结晶裂纹的影响因素

1）冶金因素①结晶温度区间：

合金状态图脆性温度区的大小随着该合金的整个结晶温度区间的增加而增加。②合金元素

a)、S、Pi)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。iii)P、S引起成分偏析.P、S偏析系数K越大,偏析的程度越严重.偏析可能在钢的局部地方形成低熔点共晶产生裂纹。

b)C

i)、C<0.1%C↑结晶温度区间↑,裂纹↑

ii)、C>0.16%Mn/S↑无效,加剧P有害作用裂↑

iii)、C>0.51%初生相S、P在小相中溶解度低，析出S、P集富在晶界上，裂纹↑

c)Mn具有脱S作用

其中Mn熔点高，早期结晶星球状分布，抗裂↑

含碳量C<0.16%S↑裂↑但加入Mn↑裂↓含碳量C>0.16%P对形成结晶裂纹的作用超过了S，Mn↑无意义。d)、Si

硅是δ相形成元素，利于消除结晶裂纹，δ相中S、P溶解度大缘故，Si>0.4%易形成低熔点的硅酸盐夹杂使开裂↑

对硫的亲合力大，形成高熔点的硫化物，消除结晶裂纹有良好的作用。e)、Ti、锆（Zｒ）和稀土元素2)力的因素

在焊接时脆性温度区内金属的强度要小在脆性温度区内金属所承受的拉伸应力。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3、防止结晶裂纹的措施1）、冶金方面①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，焊丝超低碳焊丝②改善焊缝的一次结晶细化晶粒，加入Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al③调整熔渣的碱度2)、工艺方面（减少应力）

a）合理的成形系数Φ=B/H要求：1﹤Ф

<7b）调整冷却速度冷速越大，应力越大，开裂倾向增加c）调整焊接顺序先焊接短焊缝，再焊接长焊缝a）同心圆式（不好）b）平行线式（不好）c）放射交叉式（好）

从减少焊接应力考虑，为什么图中标出的焊接顺序合理，并说明理由。四、近缝区液化裂纹

1、产生部位及材料

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)。容易产生的部位液化裂纹3、影响因素

1）化学成分2）工艺因素4、防止措施1）选用对液化裂纹敏感性较低的母材如采用电炉精炼的方法，去除合金中的杂质。2)减小焊缝的凹度3）焊接工艺上，采用小线能量

避免近缝区晶粒粗化。减小凹度的方法焊接冷裂纹

1.产生温度:Ms点附近或200～300℃以下温度区间。

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，热影响区合金元素多的超高强钢、Ti合金发生在焊缝。

3.裂纹的走向：沿晶、穿晶。

4.产生时间:可焊后立即出现，也有的几小时，几天或更长时间。一、冷裂纹的一般特征

二、冷裂纹种类

延迟裂纹是冷裂纹中一种最普遍的形态，它是焊后出现，因此危害性更大。延迟裂纹三种形态1）焊趾裂纹—缝边裂纹2）焊道下裂纹3）根部裂纹三、延迟裂纹产生的原因

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。延迟裂纹的开裂过程存在这两个不同的过程，即裂纹的起源和裂纹的扩展，扩展到一定情况下，发生断裂，我们只从宏观的角度阐述一下产生延迟裂纹的三要素。

高氢带的形成过程

氢在γ相中的溶解度大大高于在α相中的溶解度。在快冷时，在γ→α转变时氢来不及析出，而以过饱和的形式溶解于α相中。

氢在α相中的扩散能力比在γ相中高因此，在发生γ→α转变时氢的溶解度突降，而扩散能力突升这两个突变决定了氢在冷却过程中（在发生γ→α转变时）由α相向γ相中扩散并聚集在γ相中。延迟断裂时间与应力的关系

应力不同潜伏期与扩散期相应变化，应力越大，延时越短。当应力低于一定值(σLc)时，延时无限延长，不发生开裂；当应力达到一定（σUc）时立即断裂，没有延时现象。

氢与拘束应力的共同作用——产生延时现象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，结构板厚及冷却条件。钢种淬硬倾向越大，越容易产生裂纹，其原因为：1）形成脆硬的马氏体2）淬硬产生晶格的缺陷

开裂倾向铁索体或珠光体—贝氏体—板条状马氏体—马氏体十贝氏体—针状马氏体大小

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也称氢诱发裂纹。1）氢在焊缝金属中的溶解与扩散

2）金属组织对氢的扩散影响3）热影响区氢致裂纹产生氢在致裂过程中动态行为4）氢致裂纹开裂机理

裂缝顶端三向应力区HHHHHHH扩散氢裂纹扩展H2新的三向应力区HHHHHHH

氢致裂纹扩展过程

氢开始向缺陷前沿高应力部位扩散。焊缝中氢的平均浓度越高，则扩散的氢数量越多，扩散的速度也越高。当氢聚集到发生裂纹所需要的临界浓度时，便开始产生微裂。由于裂纹尖端的应力集中，促使氢进一步向尖端高应力区扩散，裂纹扩展。氢的扩散、聚集并达到临界浓度都需要时间，这就形成了氢致裂纹的延时特征。3、焊接接头的拘束应力a、热应力与母材焊条金属的热物理性质及刚度有关。

b、组织应力—相变、组织比容不同而产生

c、附加应力—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。

冷裂纹控制措施

1）冶金措施

①（低碳微量多合金）②[H]↓选用低氢焊接材料，低氢焊接方法如CO2焊。③控制氢的来源，烘干焊条、清理焊件焊丝。④加入某些合金元素，提高塑性。⑤采用奥氏体组织的焊条焊接某些淬硬倾向较大的低合金高强钢，避免冷裂纹。2）工艺措施

①选择合适的焊接线能量q↑、V冷↓、t100↑减少开裂倾向，但有晶粒粗大现象。如果线能量太小，V冷↑，会出现脆硬的组织。②预热冷却速度↓[H]外逸。③后热[H]↓消氢处理350℃保温1—2小时，使氢外逸，焊后消除应力退火。

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时，采用后热并配合低温的预热特别见效。

④防止焊缝分布密集，避免交叉焊缝。消除应力集中部位如缺口，坡口形状对称。消除应力裂纹

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,又称再热裂纹。一、消除应力裂纹的特征

1、裂纹产生部位：近缝区的粗晶区，止裂于细晶区，沿晶间开裂，裂纹大部分晶间断裂，沿熔合线方向在奥氏体粗晶粒边界发展。

产生于某些低合金高强度钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢以及镍基合金焊后的再次高温加热过程中。

福建炼化公司G-2071、G-2073两台2000m3丙烯球罐由合肥通用机械研究所1999年2月设计，武钢提供板材，广重压力容器公司压片，中石化第十建设公司现场安装，合肥通力工程建设监理有限公司现场监理。设计压力：2.16MPa；设计温度：－20～50℃；材质：07MnCrMoVR；规格：ф15700×46mm；2000年1月投产运行。

2001年2月开罐检验发现在球罐内、外壁分布200多条表面裂纹，以赤道带环缝居多。大环缝缺陷返修后，对赤道带环缝进行整体热处理。现场经多次焊接修复和几次热处理均不同程度发现了多条在HAZ粗晶区呈沿晶开裂的裂纹。最大裂纹长度达到2m，最大深度为20mm。案例

消除应力裂纹2、敏感的温度范围:一般在500～700℃低于500或高于700℃,再加热不易出现再热裂纹

3、有大量的内应力存在，及应力集中:在大拘束度的厚件或应力集中部位易产生再热裂纹

4、易产生在具有沉淀强化作用的钢材中:

晶界滑动→微裂→扩展→裂纹。

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。

影响因素

母材的化学成分

（1）

钒、铌、钛和钼的影响

钒、铌、钛和钼等第二次硬化元素含量的增加促使消除应力裂纹敏感性增加，而且对消除应力裂纹敏感性的影响严重程度是V＞Nb＞Ti＞Mo。

上述元素V、Nb、Ti、Mo等对消除应力裂纹的敏感性不仅与这些元素有关，而且和基体钢本身对消除应力裂纹敏感性有关。例如，对于相同含V量情况下，对消除应力裂纹敏感性是0.5Cr-1Mo-V系0.6Cr-0.6Mo-V系和0.3Si-1.2Mn-V系。对于2.3Cr-1Mo-V系和0.3Si-1.2Mn-V系即使V含量提高也不产生裂纹，这些钢对消除应力裂纹是不敏感的。

钢中含碳量的影响是，当含碳量在0.10%以下随含碳量减少消除应力裂纹敏感性大大降低，但含碳量在0.10%~0.25%范围内的变化对消除应力裂纹敏感性影响不大。

CF-62钢含Cr、Mo、V等元素，这些元素以合金碳化物的形式强化基体。但在焊接时，临近熔合线的母材被加热到1300℃左右，钢中的合金碳化物被溶解，焊后来不及析出，而在随后的SR处理过程中，这些合金碳化物在晶内弥散析出，从而强化了晶内，使应力松弛时的蠕变变形集中于HAZ粗晶界。与此同时，片条状的碳化物、硼和杂质元素易偏析于晶界，在拘束力较大的场合下，加速钢材沿晶界开裂，这就是焊后整体热处理过程中产生的再热裂纹。

（2）铜的影响

铜的影响效果与钒、铌、钛和钼相似，但作用机理是在时效中由于铜的析出产生二次硬化。

（3）铬的影响

铬含量的增加对消除应力裂纹影响与其他元素表现有些不同，当铬含量增至1%左右时，消除应力裂纹敏感性也增加，而增至大于1%左右后，则消除应力裂纹敏感性降低。

（4）锰、硼的影响

在元素镍、锰、硼、硫、磷、砷、锑和锡中，对硬化起作用的锰和硼则倾向于降低610℃的延性，即一般消除应力裂纹敏感的温度时的延性，这是因为锰和硼促使形成马氏体和下贝氏体引起硬化的结果，而其他元素对消除应力退火中延性没有影响。

3、防止消除应力裂纹的措施

（1）选用对消除应力裂纹敏感性低的母材。（2）选用低强度高塑性的焊接材料。（3）控制结构刚性与焊接残余应力。

（4）工艺措施

1）预热200～400℃。

2）焊后及时进行后热。如：18MnMoNb钢，后热温度：180℃×2h3）控制热输入一般大一些较好，但过大也不行。

层状撕裂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：母材或热影响区一、特征及危害性

最易见到层状撕裂的焊接结构有：海洋平台、承受高周疲劳作用的车辆底盘及建筑结构的箱型梁柱、罐车或油船中隔板加强筋（T型接头）、压力容器沉淀釜（角接接头）等，主要产生于有贯通管或贯通管的接头中。

经过轧制之后，钢材内部的非金属夹杂物（主要是硫化物和氧化物，还有硅酸盐）被压成薄片，出现分层（夹层）的现象。分层使得钢材沿厚度方向受拉的性能大大恶化，并且有可能在焊缝收缩时出现层间撕裂，层间撕裂时钢材的一种脆性破坏，发生在较厚的板件中。

引起层间撕裂的原因除了Z向必须形成足以抵抗撕裂的约束力外，主要是与钢板轧制过程中在板厚方向上形成的非金属夹杂物的构造以及钢板冶炼过程中硫磷出现中心偏析有关。如果沿板厚方向非金属夹杂物被压成薄片，出现片状杂质引起钢板的分层现象，则会使钢材沿厚度方向受拉的性能恶化，急剧降低Z向延伸性和塑性，当焊缝收缩时，极易产生层间撕裂，所以层间撕裂的产生与结构节点构造、钢板材质等因素有关。2、产生在厚板结构中

十字接头,丁字