第2讲焊接裂纹

第2讲焊接裂纹1、焊接时的温度循环图图1焊接温度循环图2、焊接接头中的裂纹肉眼或≤6:1的放大镜能够识别借助V＞6:1的显微镜的识别焊接接头中的缺陷裂纹裂纹尺寸宏观裂纹微观裂纹冷裂纹裂纹形成晶间裂纹穿晶裂纹裂纹形成的原因/条件热裂纹凝固裂纹液化裂纹层状撕裂淬硬裂纹氢致裂纹时效裂纹析出裂纹脆化裂纹收缩裂纹缺口裂纹再热裂纹（两种形成均可能）3、接头中裂纹的形态和分布1焊缝中纵向裂纹（多为结晶裂纹）2焊缝中横向裂纹（多为延迟裂纹）3熔合区横向裂纹（多为延迟裂纹）4焊缝根部裂纹（延迟、热应力裂纹）5HAZ根部裂纹（延迟裂纹）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、液化、再热裂纹）9层状撕裂10弧坑裂纹（纵向、横向、星形）图2焊接接头中的裂纹4、热裂纹及形成机理热裂纹是在焊接时高温下产生的，特征是沿晶界开裂。*结晶（凝固）裂纹是在焊缝结晶过程中，在固相线附近温度，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足而产生；主要产生在含杂质较多的碳钢、低合金钢和单相奥氏体钢焊缝中。*高温液化裂纹是在焊接热循环峰值温度作用下，在近缝区或多层焊的层间部位低熔共晶被重新熔化，在拉伸应力作用下开裂；主要发生在铬镍高强钢、奥氏体钢中，母材和焊丝中S、P、Si、C偏高时液化裂纹倾向严重。*多边化裂纹是在焊缝或近缝区，在固相线稍下温度的高温区，刚凝固的金属中存在晶格缺陷（形成多边化边界），使强度和塑性很差，在很小的拉伸应力下开裂；多发生在纯金属或单相奥氏体合金中。*高温低塑性裂纹是冷却到一定高温范围时，应变与冶金元素交互作用引起塑性低落，沿晶界开裂。*再热裂纹是在消除应力热处理或在服役过程中，在热影响区粗晶部位发生的；多发生在低合金高强钢、奥氏体钢中。4.1凝固裂纹（结晶裂纹）焊缝上凝固裂纹（结晶裂纹）的形成：在焊缝冷却过程中，先结晶的金属较纯，后结晶的金属含杂质较多，并富集在晶界，所形成的共晶都具有较低熔点（如FeS与Fe共晶温度988℃）。在液相线和固相线之间凝固区是一个非常关键的区域，此时在熔池中长大的柱状晶要联接在一起，结晶后期，已经长大的晶粒阻碍了尚存在的液态金属的流动，低熔共晶物被排挤在柱状晶交遇的中心部位，形成“液态薄膜”，同时由于收缩受到了拉伸应力，可能会在这个薄弱地带开裂。碳钢、低合金高强钢和不锈钢中的P、S、Si、Ni、B、Zr都能形成低熔点共晶。熔池结晶的阶段：1)液固阶段：少量晶核，相邻晶粒之间有液态金属自由流动，不会开裂；2)固液阶段：固相彼此接触，液态金属少，流动困难，稍有拉伸应力就可能产生裂纹；3)完全凝固阶段：有较高的强度和塑性，即使有应力也不易开裂。p-塑性y-流动性TL-液相线TS-固相线TB-脆性温度区图3热裂纹的形成结晶裂纹的形态：结晶裂纹都是沿焊缝树枝状晶的交界处发生和发展，一般产生在焊缝中心位置，最常见的是沿焊缝中心纵向开裂，也有时发生在焊缝内的两个树枝晶之间。裂纹面上可以看到氧化色彩。断口表面扫描电子图像可以看到完整的、成束排列的树枝晶，表面光滑，是高温下液相结晶形成的自由表面。裂纹产生于焊缝中心的最后结晶区裂纹断口表面平行于焊缝纵向，可看到完整成束排列的树枝晶图4热裂纹形态4.2液化裂纹热影响区内液化裂纹的形成：焊接过程中的受热使近缝区（粗晶区）被加热到接近材料固相线附近的温度。这样会使晶界上的低熔点物质熔化并以薄膜的形式分布在晶粒的表面上。在较高的收缩应力的作用下，会使这种已经削弱了的晶粒之间的连接沿晶界造成开裂。焊缝上液化裂纹的形成：多层焊时，先焊的焊道受后焊焊道的热作用（形成粗晶区），会受到与热影响区的部分区域相同的影响。因此在较高的峰值温度作用下会使晶界上的低熔点共晶物熔化并在收缩应力的作用下造成开裂。在近缝区产生的液化裂纹，大致与熔合线平行多层焊焊缝中产生的液化裂纹，沿柱状晶发展图5液化裂纹走向液化裂纹的特点和产生部位：液化裂纹是奥氏体晶界开裂的微裂纹，尺寸很小(0.5mm以下)，一般只有在金相磨片上作显微观察才能发现，可能成为冷裂纹、再热裂纹脆性破坏和疲劳断裂的发源地。常出现在焊缝熔合线的凹陷区和多层焊的层间过热区（如图6）。1凹陷区2多层焊层间图6液化裂纹产生部位4.3再热裂纹有些含有沉淀强化元素的低合金高强钢和高温合金，在焊后热处理时，因为杂质（P、S、Sb、Sn等）在晶界析集而造成脆化，晶内析出沉淀强化元素（Cr、Mo、V、Ti、Nb）的碳氮化物而使晶内强化，应力松弛过程中，变形产生在粗晶区应力集中部位的晶界，当塑性不足时产生裂纹。图7再热裂纹形成再热裂纹都是发生在热影响区的粗晶区，呈晶间开裂，裂纹沿熔合线母材侧粗晶晶界扩展，遇到细晶就停止扩展。产生再热裂纹有一个敏感温度区间，奥氏体不锈钢约在700-900℃，低合金钢约在500-700℃。热处理前，焊接区存在较大残余应力和应力集中。含有沉淀强化元素的材料才对再热裂纹敏感。热处理后在焊趾和焊根应力集中部位产生再热裂纹再热裂纹断口形貌，沿晶断裂特征图8再热裂纹产生部位和形貌特征5、热(结晶)裂纹的影响因素及防治措施5.1一般的冶金因素从金属学的角度看，冷却时的凝固区间（结晶温度区间）以及在固相线温度上固态金属和液态金属的量的比值对热裂纹的倾向起着很大作用，应尽量减小液态金属薄膜存在的区间。随着合金元素的增加，结晶温度区间增大，结晶裂纹倾向增加。S和P在各类钢中都会增加结晶裂纹倾向；含C量增加，结晶裂纹倾向增加；Mn有脱硫作用，可提高抗裂性；Si在小于0.4%时，有利于消除结晶裂纹；Ti能形成高熔点硫化物，有利于消除结晶裂纹；Ni在低合金钢中易于与S形成低熔共晶，会引起裂纹，但加入Mn、Ti后，可抑制S的有害作用。另外，凝固结晶组织形态也对结晶裂纹有影响，晶粒越粗大，柱状晶方向越强，裂纹倾向越大。因此，控制焊缝中S、P、C的含量，加入细化晶粒元素都是提高抗裂性的办法。与低合金钢相比，高合金钢的特点根据其化学成份在结晶时既形成一次铁素体也形成奥氏体。铁素体相对奥氏体而言对硫具有较高的溶解能力并且其膨胀系数非常低。因此一次铁素体（δ铁素体）相对奥氏体热裂纹倾向非常低。图9中合金2相对合金1具有较高的热裂纹倾向。图972%Fe的Fe-Cr-Ni相图5.2力学因素产生结晶裂纹的充分条件是力的作用，亦即应力作用。产生结晶裂纹的条件必须是冶金因素和力学因素共同作用。5.3工艺因素——通过减小热输入，在焊缝中避免粗大的树枝状的组织，得到具有较小晶粒尺寸的无序的细胞状组织。——通过降低焊接速度使晶粒的端部并列长大挤压在一起，以避免偏析的集中。降低焊接速度会使晶粒端部成椭圆形结构，因此使晶粒在焊接方向形成较为有利的排列。——宽的焊缝形状相对窄而深的焊缝能够防止晶粒长大时直接碰撞在一起，从而可以避免偏析的集中。使用细直径焊条和小电流，不摆动和避免熔池过大一般能够防止热裂纹。图10焊接速度和焊缝形状对热裂纹的影响5.4结构设计的影响有一些关于焊接接头设计和施焊的规程和标准可供使用，这些规程和标准中有许多在容器及仪器制造方面的实例，如DIN8558等。接头及坡口形式将影响接头的受力状态结晶条件，堆焊和熔深较浅的对接焊缝抗裂性较高（图11中a和b），熔深较大的对接和角接、搭接、T型接头抗裂性差（图11中c、d、e、f）。图11接头和坡口形式对热裂纹的影响6、热裂纹敏感性评定方法堆焊试验（单道堆焊用于评定镍基合金，多层堆焊用于评定不锈钢焊条）Fisco试验（用于评定低碳钢、铝合金、不锈钢焊条焊缝）环形镶块裂纹试验（用TIG焊法不加填充焊丝熔化母材评定母材）指形裂纹试验（用MIG或TIG焊法评定高合金、有色金属）鱼骨状可变拘束裂纹试验（用于评定铝合金薄板及选用的焊丝材料）可变拘束裂纹试验（用不加填充焊丝的TIG焊评定母材）横向可变拘束裂纹试验（用不加填充焊丝的TIG焊评定母材低碳钢、低合金高强钢、不锈钢等）递增应变速率热裂纹试验在焊接过程模拟机上试验（刚性拘束试验和强迫应变试验）7、冷裂纹及其形成7.1冷裂纹特征焊后冷却过程中，在Ms点附近或更低温度区间产生，有时焊后马上产生，这主要是由于接头产生的淬硬组织；也有时延迟产生，焊后几小时、几天、或更长时间产生，这主要是由于氢的作用。多发生在具有缺口效应的热影响区或物理化学不均匀的氢聚集局部。根部、焊趾裂纹起源于应力集中部位，沿最大应力方向，向热影响区或焊缝发展；焊道下裂纹在粗大的马氏体组织且含氢量较高的热影响区形成，走向与焊缝平行；横向裂纹走向垂直于焊缝边界。具有沿晶和穿晶断裂特点。根部裂纹和焊趾裂纹，向热影响区扩展角焊缝根部裂纹，向焊缝扩展图12冷裂纹产生的位置7.2延迟裂纹的产生和影响因素在焊接过程中带入到焊接接头中的氢，焊缝产生的淬硬组织和焊接接头的应力状态，是造成氢致延迟裂纹的三个主要因素。7.2.1氢的作用焊接过程中，在高温下焊缝中溶解了很多氢（如图13），电弧中氢分解并以原子或离子的形式进入到液态金属中去。氢来自焊接材料中的水分、空气中的湿气、焊件表面的铁锈及油污等。焊缝中氢的吸入主要与氢的局部压力和温度有关，焊缝中氢的溶解能力可达每100克焊缝金属35ml。（如图14）图13氢的分解和溶解图14氢在不同温度下的溶解度焊接冷却时，由于焊缝金属快速冷却，氢的浓度高于溶解能力图中相应的浓度，大部分氢重新结合成氢气逸出焊缝。部分氢被强制地溶解在晶粒中，集中在晶界的空位和错位中，重新结合成氢气分子并具有较高气体压力，使焊缝金属中的氢处于过饱和状态，因而氢要极力扩散，这种扩散过程（包括氢的再结合）可能在几分钟到几周内完成，因此有延迟特点。氢在不同金属组织中的溶解度和扩散系数不同，氢在奥氏体中的溶解度比在铁素体中的溶解度大，且随温度升高而增大。而氢的扩散速度刚好相反，在不同组织中扩散系数从大到小的顺序为铁素体和珠光体、索氏体、奥氏体。焊接一般的低合金钢时，由于焊缝的含碳量低于母材，因此焊接冷却时，焊缝首先发生相变，即由奥氏体分解为铁素体、珠光体、贝氏体、及低碳马氏体，氢的溶解度下降，在铁素体、珠光体中快速扩散，越过熔合线到还没发生分解的奥氏体热影响区，由于氢在奥氏体中的扩散速度小，熔合线附近就成了富氢地带，当滞后相变的热影响区发生马氏体转变时，氢便以过饱和状态残留在马氏体中，使马氏体脆化，如果有缺口效应，就可能产生根部裂纹或焊趾裂纹，氢的浓度更高时，也可能产生焊道下裂纹。图15氢的再结合和逸出图16焊接接头中氢的扩散焊缝中氢含量过高会使晶格变脆，材料的延伸率降低而屈服强度和抗拉强度保持不变（图17）。这种脆性行为在进行除氢处理后才消失。鱼眼状白点是材料的一种局部断裂，在微观和宏观显微镜下表现为亮的、近似圆形的中间为脆断面（缺陷点、夹渣、气孔），周围为韧性断裂的区域。白点是含氢的焊缝在焊接后进行塑性变形时产生的。图17含氢试样和经消氢处理的试样在进行拉伸试验时的对比7.2.2淬硬组织的影响马氏体是碳在铁素体中的过饱和固溶体，碳原子以间隙原子存在于晶格中，使铁原子偏离平衡位置，晶格发生畸变，组织硬化，特别是焊接条件下，快速冷却时，近缝区粗大的奥氏体转变为粗大的马氏体，这种脆硬组织利于裂纹形成和扩展。不同组织对裂纹敏感性增大顺序为：铁素体或珠光体、下贝氏体、低碳马氏体、上贝氏体、高碳马氏体。另外淬硬会形成更多的晶格缺陷（主要是空位和位错），在应力和热的作用下，空位和位错会发生移动和聚集，到一定程度会形成裂源。钢种的淬硬倾向主要取决于化学成分、板厚、焊接工艺和冷却条件等。碳当量越大，淬硬倾向越大，越易产生冷裂纹。7.2.3应力状态的影响焊接条件下存在的应力有：由于受热不均匀产生的热应力、相变时产生的组织应力、结构拘束条件（刚度、焊缝位置、焊接顺序、自重、负载等）造成的应力，这些应力综合作用称为拘束应力，拘束应力大小取决于拘束度，一般来讲，板厚越大，拘束度越大。实际上，产生冷裂纹的力学行为不是平均的拘束应力，而是在某一敏感（缺口、内部缺陷等）部位达到更大的应力。8、冷裂纹的防止措施8.1冶金方面母材上，一方面，采用低碳多元合金强化方式，达到提高强度、保证韧性的目的；另一方面采用精炼技术降低钢中杂