第16讲 焊接热裂纹.ppt

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1、第四章第四章 焊接气孔和裂纹焊接气孔和裂纹 第第1616讲讲146上讲回顾上讲回顾主要内容主要内容：1、气孔的类型及其分布特征气孔的类型及其分布特征2、焊缝中形成气孔的机理焊缝中形成气孔的机理3、影响因素及防治措施影响因素及防治措施246 焊接裂纹在焊缝金属和热影响区中都可能产生，焊接裂纹在焊缝金属和热影响区中都可能产生，是焊接凝固冶金和固相冶金过程中产生最为危险的是焊接凝固冶金和固相冶金过程中产生最为危险的一种缺陷。一种缺陷。焊接结构产生的破坏事故大部分都是由焊接裂焊接结构产生的破坏事故大部分都是由焊接裂纹所引起。纹所引起。一、裂纹的危害一、裂纹的危害 焊接裂纹种类繁多，有些裂纹在焊后立即产

2、生，焊接裂纹种类繁多，有些裂纹在焊后立即产生，有些在焊后延续一段时间才产生，甚至在使用过程有些在焊后延续一段时间才产生，甚至在使用过程中，在一定外界条件诱发下才产生。裂纹既出现在中，在一定外界条件诱发下才产生。裂纹既出现在焊缝和热影响区表面，也产生在其内部。焊缝和热影响区表面，也产生在其内部。4.2 焊接裂纹焊接裂纹346裂纹对焊接结构的危害有：裂纹对焊接结构的危害有：1)减少了焊接接头的工作截面减少了焊接接头的工作截面，因而降低了焊接结，因而降低了焊接结构的承载能力。构的承载能力。2)构成了严重的应力集中构成了严重的应力集中 裂纹是片状缺陷，其边缘构成了非常尖锐的裂纹是片状缺陷，其边缘构成了

3、非常尖锐的切口。具有高的应力集中，既降低结构的疲劳强度，切口。具有高的应力集中，既降低结构的疲劳强度，又容易引发结构的脆性破坏；又容易引发结构的脆性破坏；3)造成泄漏造成泄漏 用于承受高温高压的焊接锅炉或压力容器，用于承受高温高压的焊接锅炉或压力容器，用于盛装或输送有毒的、可燃的气体或液体的各种用于盛装或输送有毒的、可燃的气体或液体的各种焊接储罐和管道等，若有穿透性裂纹，必然发生泄焊接储罐和管道等，若有穿透性裂纹，必然发生泄漏，在工程上是不允许的；漏，在工程上是不允许的；4464)表面裂纹能藏垢纳污表面裂纹能藏垢纳污 容易造成或加速结构的腐蚀。容易造成或加速结构的腐蚀。5)留下隐患，使结构变得

4、不可靠留下隐患，使结构变得不可靠 延迟裂纹产生的不定期性，以及微裂纹和内延迟裂纹产生的不定期性，以及微裂纹和内部裂纹易于漏检。漏检的裂纹即使很小，在一定条部裂纹易于漏检。漏检的裂纹即使很小，在一定条件下会发生扩展，这些都增加了焊接结构在使用中件下会发生扩展，这些都增加了焊接结构在使用中的潜在危险。若无法监控便成为极不安全的因素。的潜在危险。若无法监控便成为极不安全的因素。546二、焊接裂纹的分类及其特点二、焊接裂纹的分类及其特点1焊接裂纹的分类焊接裂纹的分类 焊接裂纹可以从不同角度进行分类。焊接裂纹可以从不同角度进行分类。1)按焊接裂纹的分布形态分按焊接裂纹的分布形态分 a、在裂纹产生的区域上

5、有：在裂纹产生的区域上有：焊缝裂纹、热影响区裂纹焊缝裂纹、热影响区裂纹 b、在相对于焊道的方向上有：在相对于焊道的方向上有：纵向裂纹纵向裂纹 走向与焊缝轴线平行走向与焊缝轴线平行 横向裂纹横向裂纹 走向与焊缝轴线基本垂直走向与焊缝轴线基本垂直 c、在裂纹的尺寸大小上有：在裂纹的尺寸大小上有：宏观裂纹宏观裂纹(通常肉眼可见通常肉眼可见)、微观裂纹、微观裂纹646 d、在裂纹的分布上有在裂纹的分布上有:表面裂纹、内部裂纹和弧坑表面裂纹、内部裂纹和弧坑(火口火口)裂纹裂纹 e、相对于焊缝断面的位置上有：相对于焊缝断面的位置上有：焊趾裂纹、根部裂纹、焊道下裂纹和层状撕裂等焊趾裂纹、根部裂纹、焊道下裂纹

6、和层状撕裂等 2)按裂纹产生的机理分按裂纹产生的机理分 按裂纹产生机理分类能反映裂纹的成因和本质，按裂纹产生机理分类能反映裂纹的成因和本质，现归纳成：现归纳成：热裂纹热裂纹(包括结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹）包括结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹）冷裂纹冷裂纹(包括延迟裂纹、淬硬脆化裂纹、低塑性包括延迟裂纹、淬硬脆化裂纹、低塑性脆化裂纹等脆化裂纹等)再热裂纹再热裂纹、层状撕裂层状撕裂和和应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹等等5类。类。746图图4.1 焊接接头裂纹分布示意图焊接接头裂纹分布示意图846缺陷序号缺陷序号缺陷类型缺陷类型缺陷位置缺陷位置缺陷序号缺陷序号缺陷类型缺陷类型缺陷位置缺陷位置1 1焊缝

7、边沿缺陷焊缝边沿缺陷中间中间7 7夹渣夹渣中间中间1C1C焊缝边沿缺陷焊缝边沿缺陷中间中间8 8未融合未融合中间中间2 2根部裂纹根部裂纹中间中间1111根部未焊透根部未焊透中间中间5 5中部裂纹中部裂纹中间中间1313中部未焊透中部未焊透中间中间6 6孔状缺陷孔状缺陷中间中间14B14B分层分层中间中间94610464.2.1 焊接热裂纹焊接热裂纹一、焊接热裂纹类型一、焊接热裂纹类型v在焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线在焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区时所产生的焊接裂纹称热裂纹。附近的高温区时所产生的焊接裂纹称热裂纹。v焊接热裂纹可分成焊接热裂纹可分成结晶裂纹

8、、液化裂纹和多边化裂结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹纹三类。三类。1146（一）结晶裂纹（一）结晶裂纹v焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足以及时填充，在应力作用收缩，残余液体金属不足以及时填充，在应力作用下发生沿晶开裂，称为下发生沿晶开裂，称为结晶裂纹结晶裂纹。v主要产生在：主要产生在：含杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝中（含含杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝中（含S S、P P、C C、Si Si偏高）和单相奥氏体钢、镍基合金以及某些偏高）和单相奥氏体钢、镍基合金以及某些铝合金的焊缝中。铝合金的焊缝中。1246（二）高温液化裂

9、纹（二）高温液化裂纹v液化裂纹的尺寸很小，产生的机理与结晶裂纹基本液化裂纹的尺寸很小，产生的机理与结晶裂纹基本相同。相同。v裂纹出现位置：裂纹出现位置：近缝区或多层焊的层间部位近缝区或多层焊的层间部位v主要发生在：主要发生在：含有铬镍的高强钢、奥氏体钢以及某些镍基合含有铬镍的高强钢、奥氏体钢以及某些镍基合金的近缝区或多层焊的层间部位。金的近缝区或多层焊的层间部位。母材和焊丝中的母材和焊丝中的S、P、Si、C偏高时，液化裂偏高时，液化裂纹的倾向将显著增高。纹的倾向将显著增高。1346（三）多边化裂纹（三）多边化裂纹v焊接时焊缝或近缝区在固相线稍下的高温区间，由焊接时焊缝或近缝区在固相线稍下的高温

10、区间，由于刚凝固的金属中存在很多晶格缺陷及严重的物理于刚凝固的金属中存在很多晶格缺陷及严重的物理和化学不均匀性，在一定的温度和应力作用下，这和化学不均匀性，在一定的温度和应力作用下，这些晶格缺陷迁移和聚集，形成了二次边界，它的组些晶格缺陷迁移和聚集，形成了二次边界，它的组织性能脆弱，高温时的强度和塑性都很差，只要有织性能脆弱，高温时的强度和塑性都很差，只要有轻微的拉伸应力，就会沿多边化的边界开裂，产生轻微的拉伸应力，就会沿多边化的边界开裂，产生所谓所谓“多边化裂纹多边化裂纹”。v主要发生在：主要发生在：纯金属或单相奥氏体合金的焊缝中或近缝区纯金属或单相奥氏体合金的焊缝中或近缝区。1446二、二

11、、结晶裂纹的特征及产生机理结晶裂纹的特征及产生机理 结晶裂纹又称凝固裂纹，是在结晶裂纹又称凝固裂纹，是在焊缝凝固过程的焊缝凝固过程的后期后期所形成的裂纹。所形成的裂纹。1、一般特征、一般特征 结晶裂纹只产生在焊缝中，结晶裂纹只产生在焊缝中，多只纵向分布在焊多只纵向分布在焊缝中心，也有呈弧形分布在焊缝中心线两侧，而且缝中心，也有呈弧形分布在焊缝中心线两侧，而且这些弧形裂纹与焊波呈垂直分布这些弧形裂纹与焊波呈垂直分布(见图见图4-2)。通常纵向裂纹较长、较深，而弧形裂纹较短，通常纵向裂纹较长、较深，而弧形裂纹较短，较浅。弧坑裂纹亦属结晶裂纹，它产生于焊缝收尾较浅。弧坑裂纹亦属结晶裂纹，它产生于焊缝

12、收尾处。处。1546图图4.2 结晶裂纹的位置、走向与焊缝结晶方向的关系结晶裂纹的位置、走向与焊缝结晶方向的关系1646 这些结晶裂纹的共同特点：这些结晶裂纹的共同特点：所有结晶裂纹都是延一次结晶的晶界分布，所有结晶裂纹都是延一次结晶的晶界分布，特别是沿柱状晶的晶界分布。特别是沿柱状晶的晶界分布。焊缝中心线两侧的弧形裂纹是在平行生长的柱焊缝中心线两侧的弧形裂纹是在平行生长的柱状晶晶界上形成的。在焊缝中心线上的纵向裂纹恰状晶晶界上形成的。在焊缝中心线上的纵向裂纹恰好是处在从焊缝两侧生成的柱状晶的汇合面上。好是处在从焊缝两侧生成的柱状晶的汇合面上。多数结晶裂纹的断口上可以看到多数结晶裂纹的断口上可

13、以看到氧化氧化的色彩，的色彩，说明了它是在高温下产生的。在扫描电镜下观察结说明了它是在高温下产生的。在扫描电镜下观察结晶裂纹的断口具有典型的沿晶开裂特征，断口晶粒晶裂纹的断口具有典型的沿晶开裂特征，断口晶粒表面圆滑。表面圆滑。1746图图4.4 收缩应力作用下结晶裂纹形成示意图收缩应力作用下结晶裂纹形成示意图a）柱状晶界形成裂纹）柱状晶界形成裂纹 b）焊缝中心线上形成裂纹）焊缝中心线上形成裂纹1846 2、结晶裂纹形成机理、结晶裂纹形成机理 结晶裂纹都产生于树枝状晶粒的交界处，这说结晶裂纹都产生于树枝状晶粒的交界处，这说明在焊缝结晶过程中晶界是个薄弱地带。明在焊缝结晶过程中晶界是个薄弱地带。焊

14、接结晶焊接结晶时时先结晶部分较纯先结晶部分较纯，后结晶的部分含杂质和合金化后结晶的部分含杂质和合金化元素较多元素较多且富集在晶界且富集在晶界，这种结晶偏析，这种结晶偏析造成了化学造成了化学不均匀不均匀。随着柱状晶长大，随着柱状晶长大，杂质合金化元素杂质合金化元素就不断就不断被排斥到平行生长的柱状晶交界处或焊缝中心线处，被排斥到平行生长的柱状晶交界处或焊缝中心线处，它们它们与金属形成低溶相或共晶与金属形成低溶相或共晶。1946 在结晶后期，这些残存在晶界处的低熔相尚未在结晶后期，这些残存在晶界处的低熔相尚未凝固，并凝固，并被排挤在晶界形成一种所谓被排挤在晶界形成一种所谓 “液态薄膜液态薄膜”，散

15、布在晶粒表面，割断了一些晶粒之间的联系。散布在晶粒表面，割断了一些晶粒之间的联系。在冷却收缩所引起的拉伸应力作用下，这些远比晶在冷却收缩所引起的拉伸应力作用下，这些远比晶粒脆弱的液态薄膜承受不了这种拉伸应力，就在晶粒脆弱的液态薄膜承受不了这种拉伸应力，就在晶粒边界处分离形成了结晶裂纹粒边界处分离形成了结晶裂纹。因此，液态薄膜是产生结晶裂纹的根本原因，因此，液态薄膜是产生结晶裂纹的根本原因，而拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条件。而拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条件。2046熔池的结晶的阶段可分为：熔池的结晶的阶段可分为：1 1）液固阶段：不会产生裂纹）液固阶段：不会产生裂纹 2 2）固液阶段：有产生

16、裂纹的可能）固液阶段：有产生裂纹的可能v最容易产生结晶裂纹的阶段可称作最容易产生结晶裂纹的阶段可称作“脆性温度区脆性温度区”。3 3）完全凝固阶段）完全凝固阶段v焊缝整体变形，焊缝整体变形，不会产生结晶裂纹不会产生结晶裂纹。v注意：注意：当低熔共晶数量超过一定界限后，当低熔共晶数量超过一定界限后，可自由流动于晶界，并填充有裂口的可自由流动于晶界，并填充有裂口的部位，起到部位，起到 “愈合愈合”作用，反而不产作用，反而不产生裂纹。生裂纹。例如：例如：结晶裂纹倾向大的高强铝合金就结晶裂纹倾向大的高强铝合金就是利用是利用“愈合愈合”来防止裂纹的产生。来防止裂纹的产生。图图4-3 熔池结晶阶段及脆性温

17、度区熔池结晶阶段及脆性温度区P-塑性；塑性；y-流动性；流动性；TB-脆性温度区脆性温度区2146 3、影响因素、影响因素 (1)冶金因素的影响冶金因素的影响 1)合金元素合金元素 S、P：在各类钢中几乎都会增加结晶裂纹的倾：在各类钢中几乎都会增加结晶裂纹的倾向向 S和和P极易引起结晶偏析，还能形成多种低熔极易引起结晶偏析，还能形成多种低熔化合物或共晶，在结晶期极易形成液态薄膜，对各化合物或共晶，在结晶期极易形成液态薄膜，对各种裂纹都敏感。种裂纹都敏感。C也是影响结晶裂纹的主要元素，并能加剧其也是影响结晶裂纹的主要元素，并能加剧其他元素的有害作用他元素的有害作用 含碳增加，初生相可由含碳增加，

18、初生相可由相转为相转为相，而相，而S、P在在相中溶解度比在相中溶解度比在相中低很多，会在晶界析出，使相中低很多，会在晶界析出，使结晶裂纹倾向增大。结晶裂纹倾向增大。2246 锰具有脱硫作用，能降低热裂倾向，随着钢中锰具有脱硫作用，能降低热裂倾向，随着钢中含碳量的增加，则含碳量的增加，则Mn/S的比值也应随之增加。的比值也应随之增加。硅是硅是相形成元素，相形成元素，少量硅有利于提高抗裂性能少量硅有利于提高抗裂性能。但但w(Si)超过超过0.4时，会因形成硅酸盐夹杂而降低时，会因形成硅酸盐夹杂而降低焊缝金属的抗裂性能。焊缝金属的抗裂性能。镍是促进热裂纹敏感性很高的元素，因镍是强镍是促进热裂纹敏感性

19、很高的元素，因镍是强烈稳定烈稳定相的元素，降低相的元素，降低S的溶解度。的溶解度。如果形成如果形成NiS或或NiS-Ni，其熔点很低有利于形成热裂纹。含镍的，其熔点很低有利于形成热裂纹。含镍的钢对硫的允许含量要求比普通碳钢更低。钢对硫的允许含量要求比普通碳钢更低。最近发现，最近发现，钛、锆和镧、铈等稀土元素能形成钛、锆和镧、铈等稀土元素能形成高熔点的硫化物高熔点的硫化物。例：钛的硫化物。例：钛的硫化物TiS熔点约熔点约20002100，铈的硫化物，铈的硫化物CeS熔点熔点2400，它们的效，它们的效果比锰还好果比锰还好(MnS熔点熔点16l0)，故，故有消除结晶裂纹有消除结晶裂纹的良好作用的良

20、好作用。2346 2)组织形态组织形态 组织形态是指一次结晶的组织形态对结晶裂纹组织形态是指一次结晶的组织形态对结晶裂纹的影响。的影响。如果焊缝一次结晶组织的晶粒度越大，结如果焊缝一次结晶组织的晶粒度越大，结晶的方向性越强，就越容易促使杂质偏析，在结晶晶的方向性越强，就越容易促使杂质偏析，在结晶后期就越容易形成连续的液态共晶薄膜，增加结晶后期就越容易形成连续的液态共晶薄膜，增加结晶裂纹的倾向。裂纹的倾向。如果在焊缝或母材中加入一些如果在焊缝或母材中加入一些细化晶粒元素细化晶粒元素，如如Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al等：等：一方面使晶粒细化一方面使晶粒细化，增加晶界面积，减少杂质，增加晶界面积

21、，减少杂质的集中。的集中。另一方向又打乱了柱状晶的结晶方向另一方向又打乱了柱状晶的结晶方向，破坏了，破坏了液态薄膜的连续性，从而提高抗裂性能。液态薄膜的连续性，从而提高抗裂性能。2446如果如果一次结晶组织仅仅是与结晶主轴方向大体一致的一次结晶组织仅仅是与结晶主轴方向大体一致的单相奥氏体单相奥氏体()，结晶裂纹倾向就很大结晶裂纹倾向就很大。如果一次结晶组织为如果一次结晶组织为铁素体，或者铁素体，或者同时存在的双同时存在的双相组织，相组织，则则结晶裂纹的倾向就很小结晶裂纹的倾向就很小。相作用：相作用：相比相比相能固溶更多的有害杂质而减少有害杂相能固溶更多的有害杂质而减少有害杂质的偏析；质的偏析；

22、相在相在相中的分散存在，可使相中的分散存在，可使相枝晶支脉发展相枝晶支脉发展受到限制，从而产生一定的细化晶粒和打乱结晶方向受到限制，从而产生一定的细化晶粒和打乱结晶方向的作用。的作用。所以在焊接所以在焊接18-8型不锈钢时，通过调整母材或焊接材型不锈钢时，通过调整母材或焊接材料的成分，使焊缝中存在体积分数约料的成分，使焊缝中存在体积分数约5的的相，形成相，形成双相组织，从而提高焊缝金属的抗裂性能。双相组织，从而提高焊缝金属的抗裂性能。2546 (2)力学因素的影响力学因素的影响 焊接结晶裂纹具有高温沿晶断裂性质。焊接结晶裂纹具有高温沿晶断裂性质。发生高发生高温沿晶断裂的条件是金属在高温阶段晶间

23、塑性变形温沿晶断裂的条件是金属在高温阶段晶间塑性变形能力不足以承受当时所发生的塑性应变量能力不足以承受当时所发生的塑性应变量，即：，即：min 式中，式中，高温阶段晶间发生的塑性应变量；高温阶段晶间发生的塑性应变量；min高温阶段晶间允许的最小变形量。高温阶段晶间允许的最小变形量。2646 min反映了焊缝金属在高温时晶间的塑性变形反映了焊缝金属在高温时晶间的塑性变形能力。能力。金属在结晶后期，即处在液相线与固相线温金属在结晶后期，即处在液相线与固相线温度附近的度附近的“脆性温度区脆性温度区”范围内其塑性范围内其塑性变变形能力形能力最低。最低。是焊缝金属在高温时受各种力综合作用所引是焊缝金属在

24、高温时受各种力综合作用所引起的应变，它反映了焊缝当时的应力状态，起的应变，它反映了焊缝当时的应力状态，主要是主要是由于焊接的不均匀加热和冷却过程而引起，如热应由于焊接的不均匀加热和冷却过程而引起，如热应力、组织应力和拘束应力等。力、组织应力和拘束应力等。2746v与与有关的因素有：有关的因素有：A)温度分布温度分布 若焊接接头上温度分布很不均勾，即温度梯若焊接接头上温度分布很不均勾，即温度梯度很大，同时冷却速度很快，则引起的度很大，同时冷却速度很快，则引起的就很大，就很大，极易发生结晶裂纹。极易发生结晶裂纹。B)金属的热物理性能金属的热物理性能 若金属的热膨胀系数越大，则引起的若金属的热膨胀系

25、数越大，则引起的也越大，也越大，越易开裂。越易开裂。C)焊接接头的刚性或拘束度焊接接头的刚性或拘束度 当焊件越厚或接头受到拘束越强时，引起的当焊件越厚或接头受到拘束越强时，引起的也越大，结晶裂纹也越易发生。也越大，结晶裂纹也越易发生。2846三、结晶裂纹防止措施三、结晶裂纹防止措施 防治结晶裂纹可从下列两方向着手：防治结晶裂纹可从下列两方向着手：(1)冶金方面冶金方面 1)控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量 这几种元素不仅能形成低熔相或共晶，而且这几种元素不仅能形成低熔相或共晶，而且还能促使偏析，从而增大结晶裂纹的敏感性。还能促使偏析，从而增大结晶裂纹的敏

26、感性。2946v为了消除它们的有害作用，为了消除它们的有害作用，应尽量限制母材和焊应尽量限制母材和焊接材料中硫、磷、碳的含量。接材料中硫、磷、碳的含量。按当前的标准规定：按当前的标准规定：w(S)、w(P)都应小于都应小于0.030.04。v用于低碳钢和低合金钢的焊丝，其用于低碳钢和低合金钢的焊丝，其w(C)一般不得一般不得超过超过0.12。v用于高合金钢时，用于高合金钢时，w(SP)必须控制在必须控制在0.03以下，以下，焊丝中的焊丝中的w(C)也要严格限制，甚至要求用也要严格限制，甚至要求用超低碳超低碳(w(C)0.030.06)焊丝。焊丝。v重要的焊接结构应采用碱性焊条或焊剂。重要的焊接

27、结构应采用碱性焊条或焊剂。3046 2)改善焊缝结晶形态改善焊缝结晶形态 v在焊缝或母材中在焊缝或母材中加入一些细化晶粒元素，如加入一些细化晶粒元素，如Mo、V、Ti、Zr、A1等元素，以提高其抗裂性能；等元素，以提高其抗裂性能；v焊接焊接18-8型不锈钢时，通过调整母材或焊接材料的型不锈钢时，通过调整母材或焊接材料的成分，使焊缝金属中能成分，使焊缝金属中能获得获得双相组织双相组织，通常，通常相的体积分数控制在相的体积分数控制在5左右。左右。既能提高其抗裂性，既能提高其抗裂性，也提高其耐腐蚀性。也提高其耐腐蚀性。3146 3)利用利用“愈合愈合”作用作用v晶间存在易熔共晶是产生结晶裂纹的重要原

28、因，晶间存在易熔共晶是产生结晶裂纹的重要原因，但但当易熔共晶增多到一定程度时，反而使结晶裂当易熔共晶增多到一定程度时，反而使结晶裂纹倾向下降，甚至消失。纹倾向下降，甚至消失。v这是因这是因较多的易熔共晶可在已凝固晶粒之间自由较多的易熔共晶可在已凝固晶粒之间自由流动，填充了晶粒间由于拉应力所造成的缝隙，流动，填充了晶粒间由于拉应力所造成的缝隙，即所谓即所谓“愈合愈合”作用。作用。v焊接铝合金时就是利用这个道理来研究和选用焊焊接铝合金时就是利用这个道理来研究和选用焊接材科的。通用的接材科的。通用的SAlSi-1焊丝用来焊接铝合金就焊丝用来焊接铝合金就具有很好的愈合作用。具有很好的愈合作用。v注意：

29、注意：晶间存在过多低熔相常会增脆性，影响接晶间存在过多低熔相常会增脆性，影响接头性能，故要控制适当。头性能，故要控制适当。3246 (2)工艺方向工艺方向 主要指从主要指从焊接工艺参数、预热、接头设计和焊接工艺参数、预热、接头设计和焊接顺序焊接顺序等方面去防治结晶裂纹。等方面去防治结晶裂纹。1)合理的焊缝形状合理的焊缝形状 焊接接头形式不同，将影响到接头的受力状焊接接头形式不同，将影响到接头的受力状态，结晶条件和热的分布等，因而结晶裂纹的倾向态，结晶条件和热的分布等，因而结晶裂纹的倾向也不同。也不同。4.5 4.5 4.5 4.5 焊接接头型式对裂纹倾向的影响焊接接头型式对裂纹倾向的影响焊接接

30、头型式对裂纹倾向的影响焊接接头型式对裂纹倾向的影响3346v实际上，实际上，结晶裂纹和焊结晶裂纹和焊缝的成形系数缝的成形系数(即宽深即宽深比比)有关有关，见图，见图4-5。v提高焊缝成形系数可以提高焊缝成形系数可以提高焊缝的抗裂性能。提高焊缝的抗裂性能。v从图中看出，当焊缝含从图中看出，当焊缝含碳量提高时，为防止裂碳量提高时，为防止裂纹，应相应提高宽深比。纹，应相应提高宽深比。要避免采用成形系数要避免采用成形系数1的焊缝截面形状。的焊缝截面形状。图4.6 焊缝成形系数对焊缝结晶裂纹的影响a）电弧焊缝 b)电渣焊缝 c）碳钢结晶裂纹与成形系数的关系3446v为了控制成形系数，必须合理调整焊接工艺

31、参数。为了控制成形系数，必须合理调整焊接工艺参数。v平焊时，焊缝成形系数随焊接电流增大而减少，平焊时，焊缝成形系数随焊接电流增大而减少，随电弧电压的增大而增大随电弧电压的增大而增大。v焊接速度提高时，不仅焊缝成形系数减小，而且焊接速度提高时，不仅焊缝成形系数减小，而且由于熔池形状改变，焊缝的柱状晶呈直线状，从由于熔池形状改变，焊缝的柱状晶呈直线状，从熔池边缘垂直地向焊缝中心生长，最后在焊缝中熔池边缘垂直地向焊缝中心生长，最后在焊缝中心线上形成明显偏析层，增大了结晶裂纹倾向。心线上形成明显偏析层，增大了结晶裂纹倾向。3546 2)预热以降低冷却速度预热以降低冷却速度v一般冷却速度升高，焊缝金属的

32、应变速率也增大，一般冷却速度升高，焊缝金属的应变速率也增大，容易产生热裂纹。因此，应采取缓冷措施。容易产生热裂纹。因此，应采取缓冷措施。v预热对于降低热裂纹倾向比较有效预热对于降低热裂纹倾向比较有效，因为预热改，因为预热改变了焊接热循环，能减慢冷却速度；变了焊接热循环，能减慢冷却速度；v增加焊接热输入也能降低冷却速度增加焊接热输入也能降低冷却速度，但提高焊接，但提高焊接热输入却促使晶粒长大，增加偏析倾向，其防裂热输入却促使晶粒长大，增加偏析倾向，其防裂效果不明显，甚至适得其反。效果不明显，甚至适得其反。v形成弧坑裂纹的主要原因是它比焊缝本体具有更形成弧坑裂纹的主要原因是它比焊缝本体具有更大的冷

33、却速度大的冷却速度：因为它处在焊缝末尾，是液源和：因为它处在焊缝末尾，是液源和热源均被切断的位置。在工艺上填满弧坑和衰减热源均被切断的位置。在工艺上填满弧坑和衰减电流收弧能减少弧坑裂纹。电流收弧能减少弧坑裂纹。3646 3)降低接头的刚度和拘束度降低接头的刚度和拘束度 v在接头设计和装焊顺序方面尽量降低接头在接头设计和装焊顺序方面尽量降低接头的刚度和拘束度。的刚度和拘束度。v在设计上减小结构的板厚，合理地布置焊在设计上减小结构的板厚，合理地布置焊缝；缝；v在施工上合理安排构件的装配顺序和每道在施工上合理安排构件的装配顺序和每道焊缝的焊接先后顺序，尽量避免每条焊缝焊缝的焊接先后顺序，尽量避免每条

34、焊缝处在刚性拘束状态焊接，设法让每条焊缝处在刚性拘束状态焊接，设法让每条焊缝有较大的收缩自由。有较大的收缩自由。3746 4.3.3 4.3.3 液化裂纹液化裂纹 1 1基本特征基本特征 在在母材近缝区或多层焊的前一母材近缝区或多层焊的前一焊道焊道因受热作用而液化的晶界上因受热作用而液化的晶界上形成的焊接裂纹称液化裂纹。形成的焊接裂纹称液化裂纹。近缝区上的液化裂纹多近缝区上的液化裂纹多发生在发生在母材向焊缝凸进去部位母材向焊缝凸进去部位，该处熔，该处熔合线向焊缝侧凹进去而过热严重。合线向焊缝侧凹进去而过热严重。液化裂纹多为微裂纹，尺寸很小，液化裂纹多为微裂纹，尺寸很小，一般在一般在0.5mm0

35、.5mm以下，个别达以下，个别达1mm1mm。主要出现在合金元素较多的高强主要出现在合金元素较多的高强度钢、不锈和耐热合金的焊件中。度钢、不锈和耐热合金的焊件中。图图 液化裂纹出现位置液化裂纹出现位置1-1-母材上，位于熔合线凹区母材上，位于熔合线凹区2-2-多层焊层间过热区多层焊层间过热区38462.2.形成机理形成机理 液化裂纹形成机理在本质上与结晶裂纹相同，都是由液化裂纹形成机理在本质上与结晶裂纹相同，都是由于晶间有脆弱低熔相或共晶，在高温下承受不了力的作于晶间有脆弱低熔相或共晶，在高温下承受不了力的作用而开裂。区别仅在于用而开裂。区别仅在于结晶裂纹是液态焊缝金属在凝固结晶裂纹是液态焊缝

36、金属在凝固(或结晶或结晶)过程中形成的，而液化裂纹则是固态的母材受过程中形成的，而液化裂纹则是固态的母材受热循环的峰值温度作用下使晶间层重新熔化后形成的。热循环的峰值温度作用下使晶间层重新熔化后形成的。因此，如果在母材近缝区上或多层焊的前一焊道上，因此，如果在母材近缝区上或多层焊的前一焊道上，其奥氏体晶界处有元素偏聚，或已形成低熔相或共晶，其奥氏体晶界处有元素偏聚，或已形成低熔相或共晶，则在重新受热条件下，这些晶间物体便发生熔化。如果则在重新受热条件下，这些晶间物体便发生熔化。如果这时受到力的作用就很容易形成液化裂纹。这时受到力的作用就很容易形成液化裂纹。3946 3.3.影响因素与防治措施影

37、响因素与防治措施冶金方面冶金方面主要是合金元素的影响，对于易出现液化裂主要是合金元素的影响，对于易出现液化裂纹的高强度钢、不锈钢和耐热合金的焊件，除了纹的高强度钢、不锈钢和耐热合金的焊件，除了硫、硫、磷、碳的磷、碳的有害作用外，也有有害作用外，也有镍、铬和硼镍、铬和硼元素的影响。元素的影响。镍镍是强烈的奥氏体形成元素，可显著降低有害元素是强烈的奥氏体形成元素，可显著降低有害元素(硫、磷硫、磷)的溶解度，引起的溶解度，引起偏析偏析，又是易与许多元素，又是易与许多元素形形成低熔共晶成低熔共晶的元素，的元素，故易于引起液化裂纹；故易于引起液化裂纹；4046铬的含量不高时，没不良影响。如果含量高时，铬

38、的含量不高时，没不良影响。如果含量高时，在晶在晶界可能产生偏析，界可能产生偏析，能增加热裂倾向；能增加热裂倾向；硼硼在铁和镍中的溶解度很小，但只要有微量的硼在铁和镍中的溶解度很小，但只要有微量的硼(如如0.0030.0030.0050.005)就能产生明显的晶界偏析。就能产生明显的晶界偏析。除能形除能形成硼化物和硼碳化物外，还与铁、镍形成低熔共晶成硼化物和硼碳化物外，还与铁、镍形成低熔共晶，所以微量硼存在就可能引起液化裂纹。所以微量硼存在就可能引起液化裂纹。力学方面主要决定于作用在近缝区处热循环的特点以力学方面主要决定于作用在近缝区处热循环的特点以及接头的刚性或拘束度等。及接头的刚性或拘束度等

39、。具有陡变的温度梯度和能具有陡变的温度梯度和能引起快速热应变的条件，是极易引起液化裂纹的。引起快速热应变的条件，是极易引起液化裂纹的。4146v尽可能降低母材金属中硫、磷、硅、硼等低熔共晶组尽可能降低母材金属中硫、磷、硅、硼等低熔共晶组成元素的含量。成元素的含量。v如果裂纹发生在多层焊的前一焊道上，则须严格控制如果裂纹发生在多层焊的前一焊道上，则须严格控制焊接材料中上列元素的含量焊接材料中上列元素的含量。v在焊接工艺方向不能随便加大焊接热输入在焊接工艺方向不能随便加大焊接热输入，因为热输，因为热输入越大，输入热量越多，晶界低熔相的熔化越严重，入越大，输入热量越多，晶界低熔相的熔化越严重，晶界处

40、于液态的时间就越长，液化裂纹的倾向就越大。晶界处于液态的时间就越长，液化裂纹的倾向就越大。v此外，此外，要通过改变工艺参数去调整和控制焊缝形状要通过改变工艺参数去调整和控制焊缝形状，如埋弧焊和气体保护焊，往往因电流密度过大，易得如埋弧焊和气体保护焊，往往因电流密度过大，易得到到“蘑菇状蘑菇状”的焊缝，这种焊缝的熔合线呈凹陷状，的焊缝，这种焊缝的熔合线呈凹陷状，凹进部伙因过热而易形成液化裂纹。凹进部伙因过热而易形成液化裂纹。42464.3.4 4.3.4 多边化裂纹多边化裂纹1.1.主要特征主要特征v焊接时焊接时在金属多边化晶界上在金属多边化晶界上形成的一种热裂纹称多边形成的一种热裂纹称多边化裂

41、纹。化裂纹。由于在高温时塑性很低而造成的由于在高温时塑性很低而造成的，故又称高，故又称高温低塑性裂纹。温低塑性裂纹。v多发生在多发生在纯金属纯金属或或单相奥氏体单相奥氏体焊缝中，个别情况下也焊缝中，个别情况下也出现在热影响区中。出现在热影响区中。4346v特点特点：1 1）在焊缝金属中裂纹的走向与一次结晶并不一致，）在焊缝金属中裂纹的走向与一次结晶并不一致，常以任意方向贯穿于树枝状结晶中；常以任意方向贯穿于树枝状结晶中；2)2)裂纹多发生在重复受热的多层焊层间金属及热影响裂纹多发生在重复受热的多层焊层间金属及热影响区中。其位置并不靠近熔合区；区中。其位置并不靠近熔合区；3)3)裂纹附近常伴随有

42、再结晶晶粒出现；裂纹附近常伴随有再结晶晶粒出现；4)4)断口无明显的塑性变形痕迹，呈现高温低塑性开裂断口无明显的塑性变形痕迹，呈现高温低塑性开裂特征。特征。44462.2.形成机理形成机理v多发生在多发生在焊缝焊缝中。结晶时在结晶前沿已凝固的晶粒中中。结晶时在结晶前沿已凝固的晶粒中萌生出大量萌生出大量晶格缺陷晶格缺陷，在快速冷却下因不易扩散便以，在快速冷却下因不易扩散便以过饱和状态保留在焊缝金属中。在一定温度和应力条过饱和状态保留在焊缝金属中。在一定温度和应力条件下，件下，晶格缺陷由高能部位向低能部位转化，即发生晶格缺陷由高能部位向低能部位转化，即发生迁移和聚集，形成了二次边界，又叫多边化边界

43、迁移和聚集，形成了二次边界，又叫多边化边界。v母材热影响区在焊接热循环作用下，由于母材热影响区在焊接热循环作用下，由于热应变热应变，金，金属中的畸变能增加，也会形成多边化边界。属中的畸变能增加，也会形成多边化边界。v一般情况下，二次边界并不与一次结晶晶界重合，在一般情况下，二次边界并不与一次结晶晶界重合，在焊后的冷却过程中，因其热塑性降低，在一定的应力焊后的冷却过程中，因其热塑性降低，在一定的应力状态下沿多边化的边界产生裂纹。所以，状态下沿多边化的边界产生裂纹。所以，多边化裂纹多边化裂纹的走向总是沿高温下点阵迁移形成的新晶界扩展。的走向总是沿高温下点阵迁移形成的新晶界扩展。45463.3.影响

44、因素及防治措施影响因素及防治措施v初步认为影响多边化裂纹的初步认为影响多边化裂纹的主要因素主要因素是是合金成分合金成分、应应力状态力状态和和温度温度，影响，影响主要表现在形成多边化过程所需主要表现在形成多边化过程所需的时间上，如果导致多边化的时间越短则裂纹倾向就的时间上，如果导致多边化的时间越短则裂纹倾向就越大。越大。v在在Ni-CrNi-Cr系的单相合金系的单相合金中，向焊缝中，向焊缝加入加入MoMo、WW、TiTi等元等元素可有效阻止多边化过程素可有效阻止多边化过程。v高温高温 相存在时，也能阻碍位错移动相存在时，也能阻碍位错移动，故可作为阻止二，故可作为阻止二次边界形成的组织成分。说明双相金属具有良好的抗次边界形成的组织成分。说明双相金属具有良好的抗多边化裂纹性能。多边化裂纹性能。v有应力存在能加速多边化的过程。有应力存在能加速多边化的过程。因此，增大应力是因此，增大应力是不利的。不利的。v温度越高，形成多边化过程的时间就越短，就合增加温度越高，形成多边化过程的时间就越短，就合增加裂纹倾向。裂纹倾向。4646