焊接裂纹

焊接裂纹内容焊接裂纹的分类、特征各类裂纹的产生机理、影响因素各类裂纹防止的措施重点：结晶裂纹H致延迟裂纹第一节概述随着技术的发展，焊接结构趋向大型化、大容量和高参数的方向发展；在低温、深冷、腐蚀介质等环境下工作。高强钢种和合金材料应用，给焊接生产上带来了许多新问题。其中普遍而又十分严重的就是焊接裂纹。一、焊接裂纹的危害性1脆性断裂减小有效承载面积，形成应力集中。2隐蔽性潜在危险3产生机理的复杂性难以预防4主要断裂事故给生产带来许多困难，可能引起灾难性事故。桥梁断裂30年代比利时断裂的桥梁美国断裂自由轮40年代。压力容器,液化天然气贮罐发生连锁式爆炸;煤气球罐发生爆炸。二、焊接裂纹分类及其一般特征裂纹的形态和分布:有焊缝的表面裂纹、内部裂纹；有HAZ的横向、纵向裂纹；有焊缝和焊道下的深埋裂纹，弧坑(火口)裂纹。裂纹有时出现在焊接过程中，也有时出现在放置或运行过程中，即所谓延迟裂纹。焊接生产中所遇到裂纹,按产生裂纹本质来分，大体上可分为五大类：图5-4焊接裂纹的宏观形态及其分布a）纵向裂纹b)横向裂纹c）星型裂纹1-焊缝纵向裂纹2-焊缝横向裂纹3-熔合区裂纹4-焊缝根部裂纹5-HAZ根部裂纹6-焊趾纵向裂纹（延迟裂纹)7-焊趾纵向裂纹（液化裂纹、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l0弧坑裂纹(一)热裂纹热裂纹是在焊接时高温下产生的，故称热裂纹。沿原奥氏体晶界开裂。1结晶裂纹发生裂纹的焊缝断面上，可以看到有氧化的彩色。2高温液化裂纹近缝区或多层焊的层间部位。热循环作用下，被焊金属含有较多的低熔共晶而被重新熔化，在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶界发生开裂。3多边化裂纹刚凝固的金属中存在很多晶格缺陷，晶格缺陷的迁移和聚集，便形成了二次边界，即“多边化边界”。边界上堆积了大量的晶格缺陷，组织性能脆弱，高温时的强度和塑性都很差，只要有拉伸应力，就会沿多边化的边界开裂，产生“多边化裂纹”。结晶裂纹液化裂纹多边化裂纹厚板焊接结构，采用含有沉淀强化合金元素的钢材，在进行消除应力热处理或在一定温度下服役的过程中，在焊接热影响区粗晶部位发生的裂纹称为再热裂纹，又称“消除应力处理裂纹”，简称SR裂纹。•再热裂纹多发生在低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢和某些镍基合金的焊接热影响区粗晶部位。•敏感温度约在550~650℃。•沿晶开裂的特征，但在本质上与结晶裂纹不同。(二)再热裂纹(三)冷裂纹1延迟裂纹焊后不立即出现，有一定孕育期，具有延迟现象。冷裂纹(ColdCracking)是焊后冷至较低温度下产生的。2淬硬脆化裂纹淬硬倾向很大的钢种，在拘束应力的作用下导致开裂。没有延迟现象，焊后可以立即发现。3低塑性脆化裂纹塑性较低材料，冷至低温，由收缩力而引起的应变超过材质本身所具有的塑性储备或材质变脆而产生的裂纹。淬硬脆化裂纹延迟裂纹(四)层状撕裂建造大型石油平台和厚壁压力容器过程中，出现平行于轧制方向阶梯形裂纹，即所谓层状撕裂。产生层状撕裂的主要原因是轧制钢材的内部存在不同程度的分层夹杂物，焊接时产生的垂直于轧制方向的应力，致使热影响区附近或稍近的地方，产生呈“台阶”形的层状开裂，并可穿晶扩展。层状撕裂易发生在厚壁结构的T型接头、十字接头和角接头。(五)应力腐蚀裂纹在腐蚀介质和拉伸应力的共同作用下产生一种延迟破坏的现象，简称SCC裂纹。SCC裂纹的形态如同枯干的树枝，从表面向深处发展。SCC裂纹断口为典型脆性断口。表5-1各种裂纹分类表第二节焊接热裂纹热裂纹是焊接生产中比较常见的一种缺陷，一般常用的低碳钢、低合金钢到奥氏体不锈钢、铝合金和镍基合金等都有产生热裂纹的可能。焊接生产过程中所遇到的热裂纹，主要是结晶裂纹。一、结晶裂纹的形成机理结晶裂纹产生位置：沿焊缝中心纵向开裂两个树枝状晶体之间弧坑裂纹焊缝结晶裂纹焊缝中心纵向裂纹焊缝沿树枝晶界结晶裂纹弧坑裂纹1结晶裂纹产生原因（1）溶池凝固过程中，先结晶的金属较纯，后结晶的金属含溶质和杂质较多，溶质和杂质富集在生长的树枝晶前沿（K0=CS/CL1）。（2）由于成分的偏析，富集的溶质和杂质与基体金属形成较低熔点共晶。（3）凝固后期，低熔点共晶被排挤在柱状晶体交遇的中心，呈“液态薄膜”状覆盖在晶粒的表面，割断晶粒之间的联系。（4）由于凝固收缩，焊缝受到拉伸应力作用，焊缝中的液态薄膜成为薄弱地带。在拉伸应力的作用下就有可能在这个薄弱地带开裂而形成结晶裂纹。液态薄膜与结晶裂纹关系2脆性温度区间根据结晶过程中金属塑性变化，确定结晶裂纹产生的温度区间熔池的结晶过程分为三个阶段：当温度高于或低于a～b之间的TB时，焊缝金属都有较大的抵抗结晶裂纹的能力，因此具有较小的裂纹倾向。低熔点共晶所形成的液态薄膜是产生结晶裂纹的主要根源。焊缝中共晶数量超过一定限界之后，反而具有“愈合”裂纹作用。(1)液固阶段；(2)固液阶段“脆性温度区”，TB；(3)完全凝固阶段强度和塑性恢复，很难发生裂纹。3产生结晶裂纹的受力条件(1)拉伸应力所产生的应变随温度按曲线1变化时，产生Δe应变量，焊缝仍具有相当于Δes塑性储备量，即:pmin-Δe=Δes。Δeso,故不会产生热裂纹。(2)按曲线2变化时，拉伸应力所产生的应变，恰好等于焊缝的最低塑性值pmin，故Δes=0，即处于临界状态。(3)按曲线3变化时，拉伸应力所产生应变已超过焊缝金属在脆性温度区内所具有的最低塑性(pmin)，Δes0，此时必将产生裂纹。产生结晶裂纹的条件是：焊缝在脆性温度区内所承受的拉伸应变大于焊缝金属所具有塑性，或者说焊缝金属在脆性温度区内的塑性储备量(Δes)小于零时就会产生结晶裂纹。应变随温度变化结晶裂纹主要决定于以下三个方面：ATB的大小TB越大，焊缝收缩产生拉伸应力的作用时间也越长，产生的应变量也越大，故产生结晶裂纹的倾向也就越大。BTB内金属的塑性在TB内焊缝金属的塑性P越小，就越容易产生结晶裂纹。CTB内的应变增长率在TB内，随温度下降，由于收缩产生的拉伸应力增大，因而应变的增长率也将增大，容易产生结晶裂纹。TB大小TB塑性化学成分结晶条件偏析程度晶粒的大小和方向冶金因素热物理性质焊件的刚度焊接工艺温度场应变增长率力的因素二、结晶裂纹的影响因素冶金因素和力的因素(一)冶金因素对产生结晶裂纹影响1合金状态图和结晶温度区间随合金元素的增加，结晶温度区间增大，TB增大，结晶裂纹的倾向增加。S点，结晶温度区间最大，TB最大，裂纹的倾向也是最大。当合金元素进一步增加时，结晶区间和TB反而减小，裂纹倾向降低。焊接条件下为非平衡结晶，最大固溶由S点移至S'，裂纹倾向的变化曲线也随之左移。结晶温度区间与裂纹倾向的关系合金状态图与结晶裂纹倾向的关系完全互溶有限固溶机械混合物完全不固溶结晶温度区间越大，裂纹倾向越大。2合金元素对产生结晶裂纹的影响(1)硫和磷使结晶温度区间增加，易形成液态薄膜，增加结晶裂纹倾向。S、P是极易偏析的元素，对各种裂纹都敏感。焊接材料严格控制硫、磷，S0.02％，P0.017％，CF钢(无裂纹钢)和Z向钢(抗层状撕裂用钢)等，只含有0.006％硫，和0.003％磷。冶金技术发展，出现细晶粒钢和控轧钢，都具有较高抗裂性能，钢中含硫、磷和碳很低。(2)碳主要影响元素，能加剧硫、磷的有害作用。含碳量增加，初生相可由δ相转为γ相，而S、P在γ相中溶解度比在δ相中低很多，S、P会富集在凝固的树枝晶前沿，增加结晶裂纹倾向。(3)锰能置换FeS形成MnS，使薄膜状FeS改变为球状分布。随含碳量的增加，则Mn/S的比值也应随之增加。C≥0.1%；Mn/S≥22C=0.11~0.125%；Mn/S≥30C=0.126~0.155%；Mn/S≥59Mn/S对S化物形态影响(4)硅δ相形成元素，有利于消除结晶裂纹，Si0.4％时，易形成硅酸盐夹杂，增加了裂纹倾向。(5)Ti、Zr和Re能形成高熔点的硫化物，比锰的效果好，对消除结晶裂纹有良好作用。见下表。TiSZrSLa2S3CeSMnS2000~21002100200024501610(6)镍易与硫形成低熔共晶(Ni与Ni3S2熔点仅645℃)，会引起结晶裂纹。加入Mn、Ti等合金元素，可抑制硫的有害作用。(7)氧氧对焊缝产生结晶裂纹的影响，目前还没有定论。焊缝中有一定的含氧量，能降低硫的有害作用，形成Fe-Fes-FeO三元共晶，使FeS由薄膜状变为球状。合金元素对铁结晶温度区间的影响a)单相γb)γ+δ3凝固组织形态对结晶裂纹影响晶粒越粗大，柱状晶的方向越明显，产生结晶裂纹倾向就越大。(1)加入细化晶粒合金元素破坏液态薄膜的连续性打乱柱状晶的方向(2)少量δ相存在：可以细化晶粒；打乱奥氏体粗大柱状晶方向性，δ相比γ相溶解更多S、P。焊接18-8型不锈钢时，希望得到γ+δ双相焊缝组织。MicrographofoverlappinglaserspotweldsonPWA-1480single-crystalnickel-basedsuperalloy加入纳米Al2O30.5%1.0%3.0%5.0%加入纳米Y2O3颗粒熔覆层组织4晶间易熔相对凝固裂纹敏感性影响晶间液膜是引起凝固裂纹的根本原因，与晶间易熔物质数量有关。热裂倾向并不随着晶间易熔物的增多而增大，有一个最大值。超过最大值后，热裂倾向又逐渐下降，直到最后不产生裂纹。晶间碳化物共晶的量，C％原因：(1)晶间易熔相多，TB缩小，改变结晶形态，阻碍树枝晶的发展。(2)促使液相在晶粒间流动和相互补充；(3)液膜瞬间被拉开，很快通过毛细管作用将周围的液体渗入缝隙，起到填补和“愈合”作用。•共晶型合金不易产生凝固裂纹,“愈合”是有效消除凝固裂纹方法。•结晶裂纹倾向较大的材料(如高强铝合金)，为了防止结晶裂纹，特意增多焊缝中易熔共晶的数量，使之具有“愈合”裂纹的作用。裂纹敏感性与易熔物质在晶间形态有关：以液膜形态存在时，凝固裂纹敏感性大；以球状存在时，裂纹敏感性小。液相β在α相晶界处平衡关系：σαα=2σαβcos(θ/2)当θ=0°，则2σαβ=σαα；液相β易在晶界的毛细间隙内延伸，形成连续液膜，导致凝固裂纹倾向增大。当2σαβσαα，θ≠0，液相难以进入晶界毛细间隙内，不易成膜，裂纹倾向小。(二)力学因素对产生结晶裂纹影响产生结晶裂纹的充分条件是必须要有力的作用。金属强度σm决定于晶内强度σG和晶间强度σ0，随温度升高而降低，σ0下降较快。当温度达到T0时，σG=σ0，所以T0称为等强温度。TT0时，σGσ0，若发生断裂必然是晶间断裂。金属强度随温度的变化和拉伸应力关系σGσ0σ1σ2(1)若焊缝承受拉应力为σ2，σ2σ0σG，不产生裂纹。(2)若焊缝承受拉应力为σl，在某一温度超过金属的晶间强度σ0，即σ1σ0，就会产生裂纹。此即产生结晶裂纹的充分条件。三、防治结晶裂纹的措施(一)冶金因素方面1控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量S、P≤0.03~0.04％，C0.12％。焊接高合金钢，S、P0.03％，用超低碳焊丝(0.03％~0.06％)。采用碱性焊条或焊剂，可以有效地控制有害杂质。2改善焊缝凝固结晶、细化晶粒是提高抗裂性的重要途径（1）向焊缝中加入细化晶粒元素。（2）得到δ+γ的双相组织(δ相控制在5％左右)。（3）结晶裂纹倾向较大的材料，为了防止结晶裂纹，增加焊缝中易熔共晶的数量，使之具有“愈合”裂纹的作用。但这种方法会带来其他不利影响(降低接头性能)，故应适当控制。(二)工艺因素方面主要是改善焊接时的应力状态。1焊接工艺参数焊接时焊缝承受拉伸应力所产生的应变量为Δe，瞬时的应变量(即应变率)应为Δe/Δt：E↑,T0↑，可减小焊缝金属的应变，降低结晶裂纹的倾向。E↑，会使近缝区的金属过热；T0↑，会恶化劳动条件，所以采用这种方法受到限制。cttete)(ETTttecc20)(2)(/)(2)(30ETTcttecc厚大件薄板2接头形式影响接头的受力状态、结晶