第四章-焊接缺陷及控制

第五章焊接裂纹第四章焊接缺陷及控制第五章焊接裂纹焊接缺陷的分类：裂纹、孔穴、固体夹杂、未熔合和未焊透、形状缺陷、其他缺陷未焊透飞溅、波纹不均第五章焊接裂纹第一节焊缝中的偏析与夹杂第二节焊缝中的气孔第三节焊接裂纹第四章焊接缺陷及其控制第五章焊接裂纹重点内容1、焊缝中的气孔和夹杂问题2、结晶裂纹的形成机理3、焊接冷裂纹的形成机理，特征、影响因素，及其防冶措施4、焊接裂纹综合分析及判断5、各种断口形貌特征第五章焊接裂纹§4-1焊缝中的偏析与夹杂由冶金反应产生的，焊后残留在焊缝金属中的微粒、非金属杂质（如氧化物、硫化物）等，统称为夹杂物，简称夹杂。一、夹杂的形成及控制1夹渣：熔渣在焊缝中的残留；焊接操作失误或者设计的接头形式不合理危害：由于渣的几何形状不规则，存在尖角或棱角，易造成应力集中，成为裂纹源。第五章焊接裂纹2反应形成新相主要有三类夹杂物：1、氧化物夹杂：如SiO2、MnO、FeO、TiO2等，一般多以硅酸盐的形式存在，呈圆球形或点粒状。热裂，层状撕裂2、氮化物夹杂：主要是Fe4N,一般以针状分布在晶粒上或贯穿边界。脆硬相，硬度↑韧性↓3、硫化物夹杂：主要是FeS、MnS，在焊缝中多呈球状。MnS呈灰色，当MnS内溶解FeS时颜色会变淡。FeS与Fe、FeO形成低熔点共晶，引起热裂纹。第五章焊接裂纹氮化物夹杂氧化物夹杂第五章焊接裂纹3、异种金属进入焊缝形成的夹杂（如钨、铜）TIG焊时的夹钨；铜垫板时，焊缝背面夹铜；危害：大尺寸的金属夹杂物对接头性能有害。二夹杂的危害1、使力学性能下降2、塑韧性下降，尤其是低温韧性3、形成裂纹的重要原因第五章焊接裂纹三防止措施1）合理选择焊接材料，充分脱氧、脱硫；2）选用合理规范，以利于熔渣的浮出；3）多层焊时，清渣；4）焊条摆动；5）保护溶池，防止空气侵入。第五章焊接裂纹§4-2焊缝中的气孔一焊缝中的气孔（一）气孔的类型及分布特征气孔有的产生在焊缝表面，也有的产生在内部，有的以单个存在，有的成堆出现。一类：析出性气孔高温时溶解的气体H2、N2二类：反应型气孔冶金反应产生的气体CO和H2O第五章焊接裂纹1氢气孔特征：多出现在焊缝表面，断面形状多为螺钉状，从焊缝表面看呈圆喇叭口形，气孔的四周有光滑内壁。有个别残存在内部，以小圆球状存在。产生原因：焊接过程中，熔池金属吸收大量的氢气，在冷却和结晶过程中，氢的溶解度发生了急剧下降，熔池冷却速度快，来不及逸出，残存在内部，发生了氢的过饱和，使焊缝中形成具有喇叭口形的表面气孔。结晶过程中形成第五章焊接裂纹2CO气孔特征：焊缝内部，条虫状，表面光滑。产生原因：高温冶金反应。CO不溶于液态金属，在高温时，CO以气泡的形式猛烈地逸出，但熔池结晶时，η↑，CO不易逸出，此反应为吸热反应，促使结晶速度加快，CO形成气泡不能逸出，沿结晶方向形成条虫形的气孔。第五章焊接裂纹二气孔形成机理气孔的形成：生核---长大----逸出：1）浮出：无气孔；2）浮不出：气孔1、气泡的生核具备条件：①液态金属中有过饱和的气体；②要消耗一定的能量。kTrCen342单位时间形成气泡核的数目焊接熔池内形成气泡核所需能量为)]cos1(1[)(0AAAVppElhp正常条件下纯金属中的生核数目22102.1610nPh--气泡内气体压力；PL--液体压力；V--气泡核的体积；σ--相间张力；A--气泡核的表面积；Aa--吸附力的作用面积；θ--气泡核与现成表面的浸润角第五章焊接裂纹2长大气泡长大应满足的条件：PhP0Ph＝PH2+PN2+PCO+…….P0＝Pa+Pm+Ps+Pc（大气压、气泡上部金属的压力、气泡上部熔渣的压力、表面张力所构成的附加压力）PhP0rPPPcah21气泡形成初期，r很小，附加压Pc则很大，气泡很难形成。焊接时，由于熔池内存在着很多现成表面，如柱状晶粒和液态金属相接触的地方形成，这些地方由于界面张力的作用，气泡不成圆形，可以得到较大的曲率半径r使Pc减小。第五章焊接裂纹3上浮1）气泡长大到一定大小，脱离表面的能力主要与气泡---液体金属---现成表面界面张力及接触角有关平衡时：气液液现气现气液液现气现coscos当θ90，有利于气泡上浮，气泡形成的快，完全脱离现成表面。当θ90,由于形成细颈过程需要时间，若结晶速度＞气泡脱离现成表面的速度，就会形成气孔。2）结晶速度：v较小时，气泡有充分时间逸出，无气孔，气泡易上浮；v大时，气泡上浮时间短，可能残余在焊缝内部。第五章焊接裂纹3）气泡上浮速度：292grhLv①当r↑,v↑易浮出②液体金属密度越大，v↑不易形成气孔③η影响最大，T↑,η↓易上浮v↑。T↓η↑,V↓易形成气孔三影响生成气孔的因素及防止措施冶金因素、工艺因素二个方面讨论。第五章焊接裂纹1冶金因素的影响1）熔渣与弧柱气氛的氧化性无论酸性熔渣或碱性熔渣，随熔渣的氧化性的增加出现CO气孔，随氧化性的减小，出现H2气孔；氧化性↑，CO气孔↑；还原性↑，H2气孔↑[C]×[O]表示出现气孔的倾向2）焊条药皮和焊剂的影响氟化钙脱氢机理；氧化物脱氢机理；酸性焊条脱氢是靠较强氧化物；碱性焊条脱氢是靠碳酸盐分解,产生较强氧化性；氟化物脱氢3）铁锈及水份的影响OOFeOFe43322323224323HOFeOHOFe22HFeOOHFe第五章焊接裂纹2、工艺因素影响1）焊接规范的影响•电流↑,熔池存在时间↑,气体外逸；熔滴尺寸↓，比表面积↑，易产生气孔；熔深↑,不易使气体逸出；焊条电阻热↑，药皮提前脱落，易产生气孔。•电压↑,N气孔↑；•焊速↑,气孔增加。2）电流种类及极性直流反接，气孔少（溶滴为正）直流正接，气孔多（溶滴为阴极）交流焊接，气孔更多0][eHH第五章焊接裂纹3.工艺操作①焊件去油、锈；②烘干焊条；③短弧焊。防止气孔产生的措施：（1）控制气体的来源:①加强焊接区保护；②焊材防潮烘干；③表面清理方法得当、彻底（2）正确选用焊接材料：①熔渣的氧化性；②保护气体的成分组成；③CO2焊脱氧；④有色金属焊接脱氧（3）控制焊接工艺条件：①焊接规范保持稳定；②短弧焊，直流反接；③铝合金的焊接第五章焊接裂纹§4-3焊接裂纹一、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桥梁、轮船、压力容器等领域内的主要课题。第五章焊接裂纹第五章焊接裂纹第五章焊接裂纹二、种类各种不同类型的裂纹①焊缝中纵向裂纹②焊缝上横向裂纹③热影响区纵向裂纹④热影响区横向裂纹⑤火口（弧坑）裂纹⑥焊道下裂纹⑦焊缝内部晶间裂纹⑧焊趾裂纹⑨热影响区焊缝贯穿裂纹⑩焊缝根部裂纹第五章焊接裂纹第五章焊接裂纹分类:1按裂纹分布的走向分纵向裂纹2按裂纹发生部位分①横向裂纹②纵向裂纹③星形（弧形裂纹）①焊缝金属中裂纹②热影响区中裂纹③焊缝热影响区贯穿裂纹第五章焊接裂纹3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,热影响区特征：宏观看,沿焊缝的轴向成纵向分布（连续或继续）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。第五章焊接裂纹HAZ液化裂纹晶间裂纹多边化裂纹第五章焊接裂纹①结晶裂纹：在固相线附近，由于固态金属的收缩，残余液态金属不足，在拉应力的作用下发生沿晶开裂。杂质含量较高的碳钢、低合金钢，单相奥氏体钢、镍基合金和铝合金等②高温液化裂纹：在熔合线附近的热影响区和多层焊部位，如果焊缝中含有较多的低熔点共晶被重新熔化，在拉应力作用下沿奥氏体晶界发生开裂。含Cr和Ni的高强度钢、奥氏体钢及镍基合金等③多边化裂纹：当焊缝或熔合区温度处在固相线稍下的高温区刚结晶的金属中的晶格缺陷，在温度和应力作用下，发生迁移和聚集，形成了二次边界，即多边化边界。多边化边界上堆积了很多晶格缺陷，高温时的强度、塑性都很差，只要轻微的拉应力，就会产生多边化边界开裂。纯金属或单相奥氏体焊缝或热影响区第五章焊接裂纹2）冷裂纹产生温度：温度区间在+100℃～-75℃之间。低合金高强钢，出现在相变温度，拘束应力、淬硬组织和氢的共同作用材料：中碳钢、高碳钢以及合金结构钢；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,脆性断裂特征。微观：晶间断裂，但也可穿晶（晶内）断裂，也可晶间和穿晶混合断裂。第五章焊接裂纹冷裂纹分类: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。决定于钢材的淬硬倾向、接头应力状态和熔敷金属中的扩散氢含量。淬硬脆化裂纹（淬火裂纹）：淬硬倾向大的组织易产生这种裂纹（与氢含量关系不大）。焊后立即出现。含碳较高的镍铬钼钢、马氏体不锈钢、工具钢、异种钢低塑性脆化裂纹：在比较低的温度下，由于收缩应力引起的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，没有延迟现象。如：铸铁的补焊、堆焊硬质合金、焊接高铬合金等第五章焊接裂纹延迟裂纹第五章焊接裂纹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。对含有沉淀强化元素的材料最为敏感。产生部位在熔合区附近的粗晶区，晶间断裂性质，须有残余应力和应变为先决条件，在大拘束度的厚件中和应力集中部位易产生。和加热温度和加热时间有关：低合金高强钢和耐热钢，500-700℃；高温合金：700-900℃。第五章焊接裂纹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。大型厚壁高强度钢结构件，在钢板厚度方向承受拉应力，沿轧制方向出现。第五章焊接裂纹5）应力腐蚀裂纹金属材料在某些特定的腐蚀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。焊缝和热影响区都可以产生。大多属于晶间断裂性质。从断口来看为典型的脆性断口。化工设备的焊接结构中易出现，呈龟裂形式。低碳钢、低合金高强钢、铝合金、镍基合金、ａ黄铜等，晶间断裂；镁合金、β黄铜、氯化物介质中的奥氏体不锈钢，穿晶断裂；奥氏体不锈钢，腐蚀介质不同，开裂机理不同。第五章焊接裂纹热裂纹与冷裂纹的基本点低温下产生高温下产生产生温度冷裂纹热裂纹裂纹断口具有发亮的金属光泽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宏观特征晶间断裂，也有穿晶内断裂，也有晶间和穿晶混合断裂沿晶粒边界分布，属于沿晶断裂性质微观特征热影响区、焊缝焊缝、热影响区产生部位第五章焊接裂纹三结晶裂纹的形成与控制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。第五章焊接裂纹结晶裂纹第五章焊接裂纹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—必要条件第五章焊接裂纹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第五章焊接裂纹3）产生结晶裂纹的条件如图脆性温度区的范围用TB表示，上限是固液温度，下限固相线附近，或低于固相线一段温度。在脆性温度区内焊缝的塑性用P表示,是温度的函数，,当在某一瞬时