焊接缺陷

第一节概述优质的焊接接头应具备两个条件：一是使用性能不低于母材；二是没有技术条件中规定不允许存在的缺陷。焊接过程中，在焊接接头中产生的金属不连续、不致密或连接不良的现象，叫做焊接缺陷。焊接缺陷的种类很多，有些是因施焊中操作不当或焊接参数不正确所造成，如咬边、焊穿、焊缝尺寸不足、末焊透等，有些是由于化学冶金、凝固或固态相变过程的产物而造成的，如气孔、夹杂和裂纹等。这些缺陷与母材、焊接材料的化学成分有密切关系，因此称之为焊接冶金缺陷。本部分内容重点介绍常见焊接冶金缺陷中的裂纹特征、产生原因及防止措施。第七章焊接缺陷一、结晶裂纹的形成机理有的结晶裂纹是沿焊缝中心纵向开裂，也有沿焊缝中的树枝晶之间界面处发生和发展的结晶裂纹，有时也发生在焊缝内部两个树枝状晶体之间，这说明在结晶过程中晶界是最薄弱的部位。第二节焊接热裂纹由于先结晶的固相金属较纯，后结晶的金属含杂质多，并富集在晶界。这些杂质容易形成低的熔点的共晶，最后被推向晶界，在晶粒之间形成一个液态薄膜。如果此时有拉伸应力存在就会产生裂纹（图5-16）。结晶裂纹的形成机理（1）产生热裂纹的原因是晶间存在液态薄膜和在凝固过程中存在拉伸应力。在整个结晶过程中，从液到固可分为三个阶段：（1）液－固阶段（液多于固）液态金属可在固态金属中自由流动，此时既使有拉伸应力也不会产生裂纹。结晶裂纹的形成机理（2）（2）固－液阶段（固多于液）随着固态金属量增加，剩余的液态金属多为低熔点共晶，流动也发生困难，这时若有拉伸应力产生的小裂纹无法靠液态金属填充，成为一个“裂纹源”。此阶段也叫“脆性温度区”。结晶裂纹的形成机理（3）（3）完全凝固阶段完全凝固后金属有较好的强度和塑性，既使有拉伸应力也难以产生裂纹。1冶金因素对结晶裂纹的影响影响因素有相图类型、化学成分、结晶组织形态。二、结晶裂纹的影响因素产生热裂纹必须具备冶金因素（成分、偏析…）和力的因素（金属热物理性质、焊件拘束度、焊接工艺等）。相图的结晶温度区间越大（即液态存在的时间越长），产生热裂纹的可能性越大（图5－19）。影响相图结晶温度区间大小与合金的含量有关。（1）相图类型和结晶温度区的大小（1）由于焊接是在非平衡条件下结晶，结晶温度区间要偏离平衡条件下的结晶温度区间，因此最大结晶裂纹可能发生在低合金含量区（图5－19虚线）。各种状态图对产生结晶裂纹倾向的规律（图5－20）。相图类型和结晶温度区的大小（2）对凝固温度范围的影响；a)对形成低熔点相的影响（尤其是S、P）。对产生结晶裂纹的影响比较大的合金是一些能形成低熔点共晶的合金元素，熔点越低、数量越大，裂纹倾向越大。（2）合金因素对产生结晶裂纹的影响（1）1）硫、磷：S、P可扩大Fe的结晶区间（图5－21），并能与Fe形成多种低熔点共晶。合金因素对产生结晶裂纹的影响（2）2）碳：碳在δ相中的溶解度大于γ相（表5－4），所以含碳0.10（无包晶反应）的钢不易发生热裂。合金因素对产生结晶裂纹的影响（4）表5-4硫和磷的溶解度最大的溶解度(％)元素在δ相在γ相SP0.182.80.050.25碳是易偏析元素，并能加剧其它元素的有害作用（如S、P等）。3）锰：Mn有脱硫作用，生成高熔点MnS（1600℃），生产的MnS为球状。合金因素对产生结晶裂纹的影响（5）随着钢中含碳量增加，Mn/S也应提高。否则影响Mn的脱硫效果。含碳量越高，S的危害越大（图5－23）。4）硅：Si是脱氧元素，但焊缝中Si0.4％时，容易形成硅酸盐夹杂，造成裂纹源，从而增加裂纹倾向。合金因素对产生结晶裂纹的影响（6）5）钛、锆、稀土：Ti、Zr、RE脱硫的效果比Mn好得多，有良好的消除结晶裂纹作用，但它们也是强脱氧元素。氧化稀土也有脱硫作用。6）镍：Ni和S形成低熔点共晶（NiS2645℃），易于引起结晶裂纹。(7)铜：铜易引起热裂纹，如黄铜钎焊20钢引起的裂纹。合金因素对产生结晶裂纹的影响（7）焊缝晶粒大小、形态和方向对抗裂性有很大影响。晶粒越粗大、柱状晶方向越明显，产生结晶裂纹的倾向就越大。所以细化晶粒有利于打破液膜的连续性，是减小结晶裂纹的有效措施。（3）结晶组织对结晶裂纹的影响（1）1冶金因素（1）控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质含量尽量减少低熔点共晶的数量。S、P的最大含量取决于被焊金属，一般低碳钢、低合金钢S、P0.05％，高合金钢0.04％，不锈钢0.02％或更低。对重要焊接构件应采用碱性焊条或焊剂，以进一步减小有害杂质含量。三、防止结晶裂纹的措施从冶金因素和工艺因素（减少应力）两方面着手。加入细化晶粒元素（Ti、Mo、V、Nb）细化晶粒。（2）改善焊缝组织对A体不锈钢焊接可采用A+δ双相组织焊缝（δ~5％），以减少结晶裂纹和提高焊缝抗晶间腐蚀能力。选用合理的焊接工艺，如焊接工艺参数、预热、接头型式、焊接顺序等，目的是尽量减少焊缝的拉伸应力。cttt2抗热裂的工艺措施（1）焊接工艺参数焊接热循环产生的拉伸应力引起应变为Δε，则单位温度变化引起的应变是：式中：t－温度；α－膨胀系数；ωc－冷速。对于厚板对于薄板式中Tc－某瞬间温度；T0－初始温度；E－焊接线能量；λ－导热系数；C－比热容；e－密度。ETTcc202220/2ETTccc（1）焊接工艺参数（1）则对厚板对薄板由这二式可见，适当增加线能量E和提高预热温度，可降低冷却速度，减少焊缝金属的应变，从而降低结晶裂纹倾向。ETTttec202230/2ETTCettec焊接工艺参数（2）焊接接头形式对接头的受力状态、结晶条件和热的分布影响很大，因而结晶裂纹倾向也不同（图5－26）。多层焊缝的裂纹倾向比单层焊缝小，因为1）每层焊接线能量小；2）前几道焊缝冷凝后起到拘束作用接头处应尽量避免应力集中（错边、咬肉、未焊透）*（2）接头形式一般顺序原则：对称焊，分散应力，最后一道才是拘束封闭（图5－27,28）。（3）焊接次序一、冷裂纹的危害及特征1危害性主要发生在中高碳钢、合金钢等的热影响区和厚板多层焊的焊缝中，并发生在拘束度较大的T形接头和十字形接头应力集中较大的接头上（表8-1）。一般是在焊后出现，不易发现。第三节焊接冷裂纹表8—1钢结构(桥梁结构)的焊接裂纹事故统计(65例)接头形式热裂纹(％)冷裂纹(％)总计角接头丁字接头十字接头斜接头对接接头3520062543979304597总计1090100（1）发生在中高碳钢、合金钢的热影响区（图5－39）。（高强）2冷裂纹的一般特征（1）（3）多发生在具有应力集中的焊接热影响区。（高应力）（2）在焊后冷至Ms点附近或更低的温度下逐渐生成。（低温）（5）裂纹可能在焊后立即出现，也可能经过一段时间出现，在25℃时的孕育期最短（图8－5）。（延迟性）冷裂纹的一般特征（2）（4）裂纹可沿晶扩展，也可穿晶扩展。（脆断）常见低合金高强钢的延迟裂纹有：1焊趾裂纹起源于母材与焊缝交界处有明显应力集中的部位，裂纹走向与焊道平行，由焊趾表面开始向母材的深处扩展。二、冷裂纹的种类（1）2焊道下裂纹发生在淬硬倾向较大、含氢量较高的热影响区，裂纹走向与熔合线平行。冷裂纹的种类（2）3根部裂纹起源于焊缝根部应力集中最大的部位。冷裂纹的种类（3）三、焊接冷裂纹的机理钢的淬硬倾向、焊缝含氢量及其分布、焊接接头拘束力是产生焊接冷裂纹的三大因素，而且这三个因素是相互关联的。1钢的淬硬倾向淬硬倾向越大越易产生裂纹，原因在于：（1）形成脆硬的马氏体组织尤其是热影响区的过热区，冷速快时易形成粗大M体，硬而脆，裂纹一旦形成，极易扩展。各种组织对裂纹的敏感性由弱到强的排列顺序为：F或P→BL（下贝氏体）→ML（低碳M体）→BH（上贝氏体）→Bg（粒贝氏体）→Mr（高碳挛晶M体）。随着热应变量增加，位错密度也随之增加，在应力作用下位错发生移动和聚集，当它们的浓度达到一定临界值后，就会形成裂纹源，在应力作用下，扩展形成宏观裂纹。（2）晶格缺陷热影响区的最高硬度Hmax是评定高强钢裂纹倾向的重要指标。某种钢开始出现裂纹时的氢含量称为临界含氢量[H]cr。各种钢的[H]cr值不同的，与钢的化学成分、刚度、预热温度及冷速有关。如碳当量越高，[H]cr越低（图5－43）。2氢的作用冷裂纹也称为“氢致裂纹”。高强钢焊接接头含氢量越高裂纹的敏感性就越大。焊缝中含氢量与焊接区域的清理、焊条类型、烘干温度和焊后的冷却速度等有关。（1）氢的来源及焊缝中的含氢量氢主要来自焊接材料中的水份、焊缝周边的铁锈、油污等。表1－14焊接碳钢时熔敷金属的含氢量焊接方法扩散氢(㎝3／100g)残余氢(㎝3／100g)总氢量(㎝3／100g)钛型焊条低氢型焊条39.14.27.12.646.26.8埋弧焊4.401~1.55.90C02保护焊0.041~1.51.54氧乙炔气焊5.001~1.56.50氢在A体中的溶解度远大于在F体中的溶解度，因此在A→F时氢的溶解度急剧下降（图5－46a）。氢在F体的扩散速度大于A体（图5－46b，表5－5）。（2）金属组织对氢扩散的影响（1）表5—5氢在不同组织中的扩散系数(C=0.54％)铁素体、珠光体索氏体托氏体马氏体奥氏体D(cm2／s)4.0×10-73.5×10—73.2×10—72.5×10—72.1×10—12表面饱和浓度(mL/100g)40322624—在焊缝冷却过程中，由于溶解度下降，氢极力逸出。若焊缝凝固速度较快，未逸出的氢滞留在焊缝金属中，氢原子便在金属内部扩散。由于氢在M体中扩散系数最小，造成氢集聚。金属组织对氢扩散的影响（2）表5—5氢在不同组织中的扩散系数(C=0.54％)铁素体、珠光体索氏体托氏体马氏体奥氏体D(cm2／s)4.0×10-73.5×10—73.2×10—72.5×10—72.1×10—12表面饱和浓度(mL/100g)40322624—（1）马氏体致裂学说：对淬硬倾向较大的钢焊接出现的冷裂纹是由于M体组织硬脆造成的，而且片状M体（挛晶M体）的淬火钢中更容易出现显微裂纹。这是由于硬脆M体形成时以极大的速度彼此撞击而成。在这些裂纹空间极易集聚氢，使裂纹扩展。所以M体相变是冷裂纹的主导因素，氢的作用是辅助的。冷裂纹的两种学说（1）强调氢脆是冷裂纹的主要原因。主要观点为：金属内部的缺陷（微孔、夹杂、位错、空位）提供了潜在的裂纹源，在应力作用下，诱使氢原子向该处扩散并聚集结合成氢分子，产生很大的应力。这样氢在裂口尖端产生三维应力场，应力场又促使氢在该处富集造成更大的应力。当应力超过一定值时裂纹向前延伸，应力释放一部分，使氢的浓度扩散下降，低于氢的临界浓度，裂纹将暂停向前延伸。等到氢再次达到临界浓度时，裂纹再次向前扩展。（2）氢脆致裂纹学说（1）1钢化学成分的影响实质是钢的淬硬性的影响，Ceq越高，淬硬倾向就越大，冷裂敏感性越强。根据构件的碳当量、氢含量和板厚可以估算冷裂纹的敏感性：或式中：Pc、Pw－裂纹敏感指数；Pcm－碳当量；R－拘束度。60060HPPcmc40000060RHPPcmw四、影响冷裂纹的主要因素及其防治根据Pc、Pw可确定避免冷裂纹所需的预热温度：T0=1440Pw－392℃焊接接头开始产生裂纹时的应力称为临界拘束应力σcr。σcr值可用试验方法测得。设计焊缝时只要σcrσ（或RcrR）就可以认为是安全的。2拘束应力影响（1）在焊后冷却过程中，除一部分氢从表面逸出外，还向热影响区方向扩散。在扩散过程中，在一些塑性应变和微观缺陷部位发生氢聚集（应力集中高的部位的氢浓度高于平均值的5倍多），使这个部位很快达到临界氢浓度。3氢的影响（氢在焊缝中的行为）（1）采用软质焊缝、改变坡口的形式（避免有应力集中的部位，如圆滑过渡）和预热、后热等措施均可降低氢的聚集。氢的影响（氢在焊缝中的行为）（2）氢常在熔合区附近聚集，而且在焊后最初10分钟内聚集速度最快。（1）焊接线能量：过大线能量E引起近缝区晶粒粗大，降低抗裂性能，尤其是有粗大M体时更有害。但对于低碳低合金钢适当增