焊接技术5790.pdf

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1、 1熔滴过渡 电弧焊时，焊丝或焊条端部形成熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程称熔滴过渡。熔滴过渡对熔焊过程稳定、飞溅大小，焊缝成形优劣以及焊接缺陷等有很大影响。熔滴过渡的类型：自由过渡、接触过渡、渣壁过渡。（一）自由过渡 按过渡形态不同分：滴状过渡、喷射过渡、爆炸过渡。（1）滴状过渡：当电流较小时，电弧力作用小，随着焊丝熔化，熔滴逐渐长大，当熔滴的重力克服其表面张力的作用时，就以较大的颗粒脱离焊丝，落入熔池成为滴状过渡的形式，例如高电压小电流的MIG 焊接(熔化极惰性气体保护焊如氩气、氦气焊)。如果有斑点压力作用且大于熔滴的重力，熔滴在脱离焊丝之前就偏离了焊丝轴线，甚至上翘，脱离之后不能沿焊丝轴

2、线过渡时，成为排斥过渡焊接形式。例如高电压小电流的 CO2 焊及直流正接的大电流 CO2 焊。滴状过渡和排斥过渡的熔滴较大，一般大于焊丝直径，属大滴过渡(粗颗粒过渡)。大滴过渡的熔滴大，形成时间长，影响电弧稳定性，焊缝成形粗糙，飞溅较多，生产中很少采用。当电流较大时，电磁收缩力较大，熔滴的表面张力较小，熔滴细化，其直径一般等于或小于焊丝直径，熔滴向熔池过渡频率增加，飞溅少，电弧稳定，焊缝成形较好，这种过渡形式叫细颗粒过渡。在生产中常用，例如较大电流的 CO2 焊。（2）喷射过渡：随着焊接电流的增加(大于电流临界值)，熔滴尺寸变得更小，过渡频率也急剧提高，在电弧力的强制作用下，熔滴脱离焊丝沿焊丝

3、轴向飞速地射向熔池的焊接形式。喷射过渡焊接过程稳定，飞溅小，熔深大，焊缝成形好，多用于板厚大于 3mm 的平焊，不宜焊薄板。滴状过渡转变成喷射过渡有一临界电流，大于临界电流的熔滴过渡为喷射过渡。临界电流与焊丝成分、直径、伸出长度、保护气体成分等因素有关。（3）爆炸过渡：指熔滴在形成、长大或过渡过程中，由于激烈的冶金反应，在熔滴内部产生 CO 气体，使熔滴急剧膨胀爆裂而形成的一种过渡形式。在 CO2 气体保护焊和焊条电弧焊中有时会出现这种熔滴过渡，爆炸时引起飞溅，恶化工艺。如焊丝中含挥发性成份的 CO2 焊。（二）接触过渡：短路过渡、搭桥过渡 1、短路过渡：短路过渡在小电流低电压焊接时，熔滴在未

4、脱离焊丝前就与熔池接触形成液态金属短路，使电弧熄灭，当液桥金属在电磁收缩力、表面张力作用下，脱离焊丝过渡到熔池中去，这时电弧复燃，又开始下一周期过程，如此反复的过渡形式。短路过渡有利于薄板或全位置焊接，短路过渡一般采用细焊丝，焊接电流密度大，焊速快，对焊件热的敷入量低，此外，焊接时电弧短，热量集中，因而可减少接头热影响区和焊件的变形。但是，当焊接工艺参数选择不当，或焊接动特性不佳时，短路过渡将伴随大量金属飞溅而使过渡过程变得不稳定。短路过渡频率越高，每秒钟内熔滴过渡次数越多，则在焊丝端部形成的熔滴尺寸越小，过渡过程就越稳定，飞溅就越小，可提高生产率。一般气体保护焊时，为获得短路过渡最高频率，有

5、一个最佳的电弧电压值，对于 1.2mm 以下的焊丝，V=20 左右。增大电弧电压，减小焊接电流或送丝速度，都会使熔滴较长时间才能与熔池接触短路。使燃弧时间长、熔滴尺寸大、短路频率低，导致电弧稳定性降低和增大飞溅。但当电弧电压过低，或送丝速度过快，会造成熔滴尚未脱离焊丝时，焊丝未熔化部分就可能插入熔池，造成固态短路，并产生大段爆断，飞溅增大。在电源方面，要有合适的静特性和动特性：即 1）对不同直径和工艺参数，要有合适的短路电流上升速度早。如果过小短路时电流不能增到相应数值，则熔滴不能及时过渡，熄弧时间拉长，电弧空间温度下降过多，造成电弧复燃困难，此外，等速送丝条件下，还可能引起固态焊丝插入熔池而

6、破坏电弧稳定。甚至使焊接无法进行。若短路电流过大，则短路峰值电流也过大，造成短路过程不稳定，引起大量飞溅。2）要有适当的短路峰值电流 Imax。一般为平均电流的 2-3 倍。过大会飞溅，过小则不利引弧。3）短路结束后，空载电压恢复速度快，以保证电弧及时复燃，避免断弧。短路电流上升速度和短路峰值电流主要靠串联在焊接回路中的电感 H 来调节。H 大时短路电流上升速度慢，短路时间长，同时短路峰值电流也较小。通常细焊丝熔化快，熔滴过渡周期短，要求短路电流上升速度快一些。下表为短路过渡形式的工艺参数：2 焊丝直径 送丝速度cm/min 电弧电压 V 焊接电流 A 电感 mH 短路电流上升速度(103A/

7、S)0.8 500 18 100 0.010.08 50150 1.2 250 19 130 0.010.06 40130 1.6 175 20 160 0.300.70 2075 2.0 125 21 175-820 2、搭桥过渡 在非熔化极电弧焊或气焊中，填充焊丝的熔离过渡与短路过渡相似，同属接触过渡，只是填充焊丝不通电，故不称短路过渡而叫搭桥过渡，又称桥接过渡。（三）渣壁过渡 是埋弧焊和焊条电弧焊时熔滴过渡期形式之一。埋弧焊时电弧在熔渣形成的空腔内燃烧，熔滴中大部分是通过渣壳的内壁流向熔池的形式。焊条电弧焊时电焊条的熔滴过渡形式，据较多文献资料介绍，认为焊条金属熔滴过渡形态由焊芯和药皮的

8、类型、成分和药皮的厚度决定，除了有大熔滴过渡、喷射过渡、爆炸过渡等类型外，也有渣壁过渡。焊条熔滴渣壁过渡的特点是熔滴总是沿焊条套筒内壁的某一侧滑出套筒，并在没有脱离套筒边缘之前，已脱离焊芯端部而和熔池接触（不构成短路），然后向熔池过渡，故又称沿套筒过渡。渣壁过渡电流稳定，飞溅小，综合工艺性能优良，是理想的过渡形式。综上所述，熔滴过渡形式主要决定于电弧形态，而电弧形态受许多因素影响，如焊接工艺参数（电流、电压）、保护气体成分、焊丝（芯）成分与直径、药皮厚度及其熔渣成分等。不同熔滴过渡形式有不同的工艺特点，大熔滴过渡适合于平焊位置，喷射过渡可以进行平焊和横焊，可获得较大熔深，短路过渡期可以进行薄板

9、和全位置的焊接。焊缝中的气孔和夹杂物 气孔和夹杂物是焊缝中常遇到的两种缺陷，它们都是在熔池金属结晶过程中产生的。它们的存在不仅削弱焊缝隙的有效截面，也带来应力集中，显著降低焊缝金属的强度和韧性，还会引起裂纹或影响焊缝的气密性。一、气孔形成的因素：冶金因素和工艺因素 1冶金因素 熔渣的氧化性的影响、药皮和焊剂冶金反应的影响、铁锈、油污和水分（焊条焊剂或母材表面的水分）的影响，常在焊缝中由于生成 CO、氢气而来不及排出，形成气孔。在使用前要对焊条和焊剂烘干，对碱性焊条烘干温度为 350450，酸性焊条为 200。2工艺因素 是指焊接工艺参数和操作技巧等方面对焊缝产生气孔和影响。1）工艺参数的影响：

10、焊接时，增大焊接热输入会延长熔池存在时间，有利于气体的逸出，而减少气孔。通常是靠降低焊接速度而不过分地增大焊接电流和电弧电压来增大热输入。增大焊接电流会使电弧温度升高，氢的分解度大；另外熔滴变细，其表面积增大，高温下有利于吸收更多的氢，反而增大气孔倾向。特别是当电流过大时，焊条药皮发红，造气剂提前分解，气孔倾向更大。A弧焊时，增大焊接电流则熔深加大，气泡逸出路径长，故其气孔倾向比焊条电弧焊时大。B焊条电弧焊时，随着电弧电压的升高，或电弧长度拉长，则熔滴过渡时间增长，熔氢量增加，氢气孔倾向增加。此外，电弧拉长，空气中的氮将侵入而出现氮气孔。C提高焊接速度往往因结晶速度加快，使气孔不及逸出而出现气

11、孔。2）电流种类和极性的影响 在焊接中发现，用交流电弧焊较直流电弧焊气孔倾向大。直流反接时较正接时气孔倾向小。原因分析：直流反接时，工件接负极，熔池表面的电子过剩，不利于产生氢质子的反应，阻碍了氢向熔池中熔解，因而气孔倾向最小。当直流正接时，工件接正极，在熔池表面容易发生氢形成质子的反应，有一部分氢熔入熔池，另一部分在电场作用下飞向负极，所以，其气孔倾向比直流反接时要 3大。当用交流焊接时，在电流通过零点瞬间无电场作用，氢质子可以顺利地熔入熔池，故其气孔的倾向增加。3）工艺操作的影响 工艺操作不当引起气孔的例子很多，应特别注意如下几点：A 清除焊件和焊丝焊条上的铁锈、油污等到杂质。B 焊条焊剂

12、用前应烘干，最好烘后放在保温箱内随用随取。C 焊接工艺参数要保持稳定，用低氢焊条 时应尽量采取短强焊，适当配合摆动，以利气体逸出。D 直流焊接时，防止磁偏吹导致电弧不稳定面破坏保护作用。二、焊缝中的夹杂物 1焊缝隙中的夹杂物主要有氧化物、硫化物、氢化物。2夹杂物的危害：产生裂纹。3防止措施 在硬件方面，严格控制母材和焊材中 S、P 含量，正确选用焊条和焊剂以保证能充分地脱氧脱硫。在软件方面，注意工艺操作。选用合适的焊接工艺参数，保证熔渣和杂质的浮出。多层焊时 注意清除前层焊道的熔渣（即清根）。焊条电弧焊时，焊条稍作摆动，利于熔渣和杂物上浮。加 强对熔池的保护，防止空气侵入。焊 接 裂 纹 一、

13、概述：在焊接接头中由于焊接所引起的各种裂纹，统称焊接裂纹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一种缺陷。焊接结构产生的破坏事故大部分都是由焊接裂纹所引起。二、裂纹的危害 焊接裂纹种类繁多，产生的条件和原因各不相同。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衰面，也产生在其内部它对焊接结构的危害有：1)减少了焊接接头的工作截面，因而降低了焊接结构的承载能力。2)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切口具有高的应力集中，既降低结构的疲劳强度，又

14、容易引搜结构的脆性破坏 3)造成泄漏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焊接储罐和管道等，若有穿透性裂纹，必然发生泄露，在工程上是不允许的 4)表面裂纹能藏垢纳污，容易造成或加速结构的腐蚀。5)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的潜在危险。若无法监控便成为极不安全的因素 正是由于上述危害，从焊接工艺应用的早胡(20 世纪 40 年代)到近代，在国内外屡屡发生过由焊接裂纹引起的重大事故。例如，焊接桥粱坍塌，大型海轮断裂，各种类型压力

15、容器爆炸等恶性事故。随着现代钢铁、石油化工、船舰和电力等工业的发展，在焊接结构方面都趋向大型化、大容量和高参数方向发展有的在低温、腐蚀介质下工作，都广泛采用各种低合金高强度钢，中、高冶金钢，超高强度钢以及各种合金材料，而这些金属材料通常对裂纹十分敏感这些重大焊接结构发生事故，往往是灾难性的，必须十分重视 三、焊接裂纹的分类及特点 1焊接裂纹的分类 焊接裂纹可以从不同角度进行分类。这里仅从裂纹的分布形态及其产生机理两方面划分：1)按焊接裂纹的分布形态分 在裂纹产生的区域上有：焊缝裂纹和热影响区裂纹；在相对于焊道的方向上有：纵向裂纹和横向裂纹，前者裂纹的走向与焊缝轴线平行，后者与焊缝轴线基本垂直；

16、在裂纹的尺寸大小上有宏观裂纹（通常刚目可见)和微观裂纹；在裂纹的分布上，有表面裂纹、内部裂纹和弧坑(火口)裂纹；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。2)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 现归纳成：热裂纹(包括结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹)、冷裂纹(包括延迟裂纹、淬硬脆化裂纹、低塑性脆化裂纹等)、再热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹等 5 类 4 2焊接热裂纹 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。焊接热裂纹可分成结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹三类 1）结晶裂纹 结晶裂纹又称凝固裂纹，是在焊

17、缝凝固过程的后胡所形成的裂纹 它是生产中最为常见的热裂纹之一 A一般特征 结晶裂纹只产生在焊缝中，多呈纵向分布在焊缝中心，也有呈弧形分布在焊缝中心线两侧，而且这些弧形裂纹与焊波呈垂直分布(见下图)。通常倾向裂纹较长、较深，而弧形裂纹较短、较浅。弧坑裂纹亦属结晶裂纹，它产生于焊缝收尾处。图：结晶裂纹的位置,走向与焊缝结晶方向的关系 1-柱体晶界 2-焊缝表面焊接 3-弧坑裂纹 4-焊缝中心线两侧的弧形结晶裂纹 5-沿焊缝中心线的纵向结晶裂纹 这些结晶裂纹尽管形态、分布和走向有区别，但都有一个共同特点，即所有结晶裂纹都是沿一次结晶的晶界分布 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

18、行生长的柱状晶界上形成的。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。多数结晶裂纹的断口上可以看到氧化的色彩，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，断口晶粒表面圆滑。B形成机理 从焊接凝固冶金得知，焊缝结晶时先结晶部分较纯，后结晶的部分合杂质和合金化元素较多，这种结晶偏析造成了化学不均匀。随着柱状晶长大，杂质合金化元素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，它们与金属形成低熔相或共晶(例如钢中含硫量偏高时，刚生成 FeS，便与铁形成熔点只有985的共晶 Fe-FeS)。在结晶后期已凝固的晶粒相对较多时，这些残存在晶界

19、处的低熔相尚未凝固，并呈液膜状态散布在晶粒表面，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。图 2-4-3 是在收缩应 力作用下，在柱状晶界上和在焊缝中心处两侧柱状晶汇合面上形成结晶裂纹的示意图。影响结晶裂纹的因素可从冶金和力学两方面进行分析。(1)冶金因素的影响 a)拄状晶形成裂纹 b)焊缝中心线上形成裂纹 图 2-4-3 收缩力作用下结晶裂纹示意图 1)合金元素 合金元素对结晶裂纹的影响十分复杂又很重要，而且多种元素相互影响要比单一元素的影响更复杂。硫和砷在各类钢中几乎都会增加结晶裂纹的倾向。

20、在钢的各种元素中硫和磷的偏析系数量大(见表 242)。所以在钢中极易引起结晶偏析。同时硫和磷在钢中还能形成多种低熔化合物或共晶。例如化合物 5FeS 和 Fe2P 的熔点分别为 1 190 和 1166：它们与 FeO 形成的共晶 FeS-Fe(熔点 985)Fe2P-Fe(1050)等，它们在结晶期极易形成液态薄膜，故对各种裂纹都很敏感。表 2-4-2 钢中各元素的偏析系数 K(%)元素 S P W V Si MO Cr Mn Ni K 200 150 60 55 40 40 20 15 5 碳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。由 Fe-C 相图可知，由于含碳增加，初生

21、相可由 S 相转为 V 相，而硫、磷在 r 中溶解度比在 S 相中低很多，硫低 3 倍，磷低约 10 倍。如果初生相或结晶终了前是 Y 相，硫和磷就会在晶界析出，使结晶裂纹倾向增大。锰具有 B2 硫作用，能置换 FeS 为球状的高熔点的 MnS(1610)，因而能降低热裂倾向。为了防止硫引起的结晶裂纹，随着钢中含碳量的增加，则 MnS 的比值也应随之增加。当 w(C)0.1时，MnS22：w(C)：0.110 125时，MnS30 w(C)0.1260155时，MnS59 锰、硫、碳在焊缝和母材中常同时存在，在低碳钢中对结晶裂纹的共同影响有如下规律：在一定含碳量的条件下，随着含硫量的增高，裂纹

22、倾向增大；随着含锰量增多，而裂纹倾向下降；随着含碳量的增加，硫的作用则加剧。硅是相形成元素，少量硅有利于提高抗裂性能但 w(Si)超过 0.04时，会因形成硅酸盐夹杂而降低焊缝金属的抗裂性能。镍是促进热裂纹敏感性很高的元素，因镍是强烈稳定 Y 相的元素，降低硫的溶解度此外，如果形成NiS 或 NiS-Ni，其熔点很低(分别为 920和 645)有利于形成热裂纹。因此，含镍的钢对硫的允许含量要求比普通碳钢更低。例如，对质量分数为 49 的 Ni 钢要求 W(S+P)0.01 最近发现，钍、锆和谰、铈等稀土元素能形成高熔点的硫化物。例：钍的硫化物 TiS 熔点约 2 0002 100，铈的硫化物

23、CeS 熔点 2 400，它们的效果比锰还好(MnS 熔点 1 610)故有消除结晶裂纹的良好作用。2)组织形态 是指一次结晶的组织形态对结晶裂纹的影响 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。如果在焊缝或母材中加入一些细化晶粒元素，如：Mo，V、T1、Nb、Zr、A1、Re 等，一方面使晶粒细化，增加晶界面积，减少杂质的集中。另一方面又打乱了柱状晶的结晶方向，破坏了液态薄膜的连续性，从而提高抗裂性能。如果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(Y)，结晶裂纹倾向就很大。如果一次结晶组

24、织为 S 铁素体，或者 Y+同时存在的双相组织，则结晶裂纹的倾向就很小。因为 S 相有两点良好作用：它比 Y 相能固溶更多的有害杂质而减少有害杂质的偏析：它在 Y 相中的分散存在，可使 Y 相结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的作用。所以在焊接 18-8 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，的 s 相，形成 Y 十 S 双相组织，从而提高焊缝金属的抗裂性能。(2)力学因素的影响 焊接结晶裂纹具有高温沿晶断裂性质。发生高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妥当时所发生的塑性应变量，即：高温阶段晶间发生的塑性应变 min 反

25、映了悍缝金属在高温时晶间的塑性变形能力。金属在结晶后期，即处在液相线与固相线温度附近，有一个所谓“脆性温度区”，在该区域范围内其塑性变形能力最低。脆性温度区的大小，及区内最小的变形能力min，由前述的冶金因素所决定 是焊缝金属在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。这些应力主要是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。与有关的因素有：1)温度分布 若焊接接头上温度分布很不均匀，即温度梯度很大，同时冷却速度很快，则引起的就很大，极易发生结晶裂纹 2)金属的热物理性能 若金属的热膨胀系数越大，则引起的也很大，越易开裂。3)焊接接头的刚性或拘束

26、度 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。C防治措施 防治结晶裂纹可从下列两方面着手：1冶金方向 1)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，而且还能促使偏析，从而增大结晶裂纹的敏感性。为了消除它们的有害作用，应尽量限制母材和焊接材料中硫、磷、碳的 6 含量。按当前的标准规定：W(s)、W(P)都应小于 003004用于低碳钢和低合金钢的焊丝，其w(c)一般不得超过 012。用于高合金钢时，w(S+P)必须控制在 003以下，焊丝中的 W（c）也要严格限制，甚至要求用超低碳(w(C)=0.030.06)焊丝。重要的焊接结构应采用碱性焊

27、条或焊剂。2)改善焊缝结晶形态 在焊缝或母材中加入一些细化晶粒元素，如 Mo、v、n、No、Zr、Al、RE 等元素，以提高其抗裂性能；焊接 18-8 型不锈钢时，通过调整母材或焊接材料的成分，使焊缝金属中能获得Y+的双相组织，通常 S 相的体积分数控制在 5左右。既能提高其抗裂性，也提高其耐腐蚀性 3)利用“愈合”作用 晶间存在易熔共晶是产生结晶裂纹的重要原因，但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。这是因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，即所谓“愈合”作用。焊接铝合金时就是利用这个道理来研究和选用焊接材料的。通用的 SAI

28、-Si I 焊丝用来焊接铝合金就具有很好的愈合作用 但须注意，晶间存在过多低熔相常会增大脆性，影响接头性能，故要控制适当。2工艺方面 主要指从焊接工艺参数、预热、接头设计和焊接顺序等方面去防治结晶裂纹。1)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态，结晶条件和热的分布等，因而结晶裂纹的倾向也不同。表面堆焊和熔深较浅的对接焊缝抗裂性较好，见图 2-44a、b。熔深较大的对接焊接和角焊缝抗裂性能较差，见图 2-4-4c、d、c、f，因为这些焊缝的收缩应力基本垂直于杂质聚集的结晶面，故其结晶裂纹的倾向大。实际上，结晶裂纹和焊缝的成形系数 Q=W/H(即宽深比)有关，见图 2-4-5。图

29、 2-4-4 焊接接头型式对裂纹倾向的影响 a)电弧焊缝 b)电渣焊缝 c)碳钢结晶裂纹与形成系数的关系 图 2-4-5 焊缝成形系数对焊缝结晶裂纹的影响 一般，提高焊缝成形系数 Q 可以提高焊缝的抗裂性能。从图中看出，当焊缝含碳量提高时，为防止裂纹，应相应提高宽深比。要避免采用 Qq 式中 局部晶界的实际塑性变形量；q局部晶界的塑性变形能力。实际的塑性应变主要由焊接接头的残余应力在再加热过程中发生应力松弛而引起，它与接头的拘束度和应力集中有关。而晶界的塑性变形能力，则取决于晶界性质，晶内抗蠕变能力及晶粒大小等因素。由于杂质在晶界偏析而导致晶界塑性变形能力的减弱，将使接头的再热裂纹倾向增大；而

30、当晶内存在沉淀相时，由于晶内抗蠕变能力增大，促使塑性变形更易集中在晶界发展，从而再热裂纹倾向也相应增加也即再热裂纹的产生是晶界相对弱化或晶内相对强化所造成。目前对再热裂纹的机理存在不同理论，各自强调了自己试验范围内所得的结论。如晶界杂质析集弱化理论，晶内二次强化理论、蠕变开裂理论等，还有人认为再热裂纹与回火脆性具有相同机理。1.晶界杂质析集的弱化作用 对一些低合金高强度钢再热裂纹的试验研究表明，杂质在晶界析集对产生再热裂纹具有重要作用在焊接接头再加热到 500600的过程中，钢中的 P、S、Sb、Sn、AS 等元素都会向晶界析集，大大降低了晶界的塑性变形能力，图 2-4-9 表示了这些元素对塑

31、性变形能力的影响。10 杂质的质量分数(%)图 2-4-9 杂质对塑性变能力的影响钢,在热温度 600 近年国内对 14MnMoNbD 钢的研究发现：微量的硼明显地提高 MnMo-Nb 系钢的再热裂倾向，这是因碳硼化古物沿晶界析出和聚集，并构成析出网络的结果。它不仅降低晶界的聚合强度和蠕变延性，还为sR 裂纹提供了形校的核心和裂纹的扩展通道 2晶内沉淀的强化作用 沉淀强化元素 O、Mo、v、Ti、Nb 等的，碳、氮化合物在一次焊接热(高于 1 100)作用下而固溶，在焊后冷却时来不及充分析出。在二次再热时，这些元素的碳、氰化合物，就在晶内沉淀析出，使晶内强化。由于晶内强化的提高，使变形更困难，

32、于是应力松弛引起的塑性变形便集中到晶界上，当晶界的塑性储备不足时，就产生了再热裂纹。根据晶内强化的观点，人们建立了一些按合金元素的质量分数定量地评估某些低合金钢，再热裂纹倾向的经验公式，如：AG=Cr+3.3Mo+8.1V-2 当 AG0 时，易裂。AG1=Cr+3.3Mo+8.1V+l0C-2 当 AG2 时易裂：AG，0 时易裂 （3）再热裂纹的影响因素及其防治 1）冶金因素 主要是钢中的化学成分的影响，其次是晶粒度。化学成分对再热裂纹的影响 各种合金元素对钢的再热裂纹倾向的影响较复杂，随钢种不同而有差别。图 2-4-10、图 1-4-11、图 2-4-12 和图 2-4-13 分别为 C

33、r、Mo，Cu、V、Nb、Ti 和 C 等元素对不同钢种再热裂纹倾向的影响，从这些图中看出：图 2-4-10 钢中 Cr、Mo 含量对 SR 裂纹的影响6 11 图 2-4-11 钢中 Mo，Cu 对 SR 裂纹的影响6 图 2-4-12 碳对 SR 裂纹的影响6 图 2-4-13 V，Nb,Ti,对 SR 裂纹的影响6 随着钢中沉淀强化元素 C，、Mo、Cu、V、Nb、Ti 等的增加，钢的再热裂纹倾向增大。从图中看出，铬的影响较复杂，当铬含量超过一定值后，再热裂纹倾向反而降低。钒对再热裂纹倾向影响最大，见图 2-4-13，各沉淀强化元素之间的交互作用，会改变某些元素的影响作用，如图 2-4-

34、10 所示，钢中含钼量越多，铬对再热裂纹倾向的影响也越大。碳对再热裂纹倾向影响很大，随着碳量增加，再热裂颅向增大，但达到一定数量后即达饱和就不再增大，见图 2-4-12 钢晶粒度的影响 试验表明高强度钢的晶粒度越大则晶界开裂所需的应力越小，也就容易产生再热裂纹。此外，钢中的杂质(sb)越多，也会降低晶界开裂所需的应力 3)焊接接头不同部位对再热裂纹的影响对 HT80 钢的焊接接头进行试验，把缺口分别开在不同位置，600，2h 后再热处理后。发现只有缺口开在粗晶区的接头才发生再热裂纹而开在母材、焊缝，细晶区等 12 处均未发现再热裂纹。工艺因素的影响 1)焊接方法及热输入的影响 焊接方法和线能量

35、对再热裂纹的影响主要表现在是增大还是减小过热粗晶区显然采用焊接热影响区窄的焊接方法，如气体保护焊或等离子弧焊等因其热影响区窄，有的甚至不存在过热粗晶区，则是有利的。大的焊接热输入会使过热区的晶粒粗大，其中电渣焊最为严重对于一些晶粒长大敏感的钢种，埋弧焊的再热裂纹敏感性比焊条电弧焊时为大，但对一些淬硬倾向较大的钢种，焊条电弧焊反而比埋弧焊时的再热裂倾向大。2)焊接材料的影响 选用低匹配的焊接材料，适当降低焊缝金属的强度以提高其塑性变形能力，从而可以减轻近缝区塑性应变集中的程度，缓和焊接接头的受力状态，有利于降低再热裂纹的敏感性 3)预热和后热的影响 预热是防止再热裂纹的有效措施之一，通常有再热裂

36、纹倾向的钢种也有冷裂纹倾向，所以预热具有同时防止两种裂纹的双重作用但是为了防止再热裂纹应采取比单纯防止冲裂纹更高的预热温度或配合后热才有效。例如焊接 14MnMoNbB 钢，预热 200Y 可以防上冷裂纹，但经 600，6小时消除应力热处理后便产生了再热裂纹。如果预热温度提高到 270-300或预热 200后立即进行 270，5h 小时的后热，这两种裂纹均可防止。表 2-4-3 为上述常用压力容器用钢防止再热裂纹的预热与后热温度 4)残余应力和应力集中的影响 焊件若存在较大残余应力，在进行消除应力热处理之前接头粗晶区就可能存在有微裂纹。在这种情况下，消除应力处理过程中会加速产生再热裂纹。应力集

37、中对再热裂纹影响十分明显，随着应力集中系数的增大，再热裂纹倾向就越大。减少焊接残余应力和消除应力集中源是减少再热裂纹的重要措施一般应当：表 2-4-3 国内压力容器常用钢防止在热裂纹的预热温度35 试验钢种 板厚/mm 防止冷裂纹的预热温度/oc 防止再热裂纹的预热温度/oc 防止在热裂纹的后热工艺参数 14MnMoNbB 50 200 300 270 oc,5h 14MnMoNbB 28 180 300 250 oc,2h 18MnMoNb 32 180 220 180 oc,2,h 18MnMoNbNi 50 180 220 180 oc,2h 2*(1/4)Cr-Mo 50 180 20

38、0-BHW35 50 160 210-改进结构设计。减小接头刚度和消除应力集中因素。必要时，要求焊后消除应力处理之前削除焊缝余高以减少焊趾的应力集中 提高焊接质量，减少焊接缺陷，防止咬边、未焊透等缺陷。合理地安撑装配和焊接顺序，以减少接头的拘束度，降低残余应力水平 必要时对焊缝表面重熔。即焊后在消除应力处理之前，利用钨极氩弧焊(TG)对焊缝表层进行重熔，可以减小接头的残余应力，以降低再热裂纹倾向。4焊接冷裂纹 冷裂纹的基本特征及其分类：1基本特征 焊接接头冷却到较低温度下(对于钢来说，在 Ms 温度以下)产生的焊接裂纹统称冷裂纹。它是焊接中、高碳钢，低合金高强钢、某些超高强钢、工具钢、钛合金及

39、铸铁等材料易出现的一种工艺缺陷。冲裂纹可以在焊后立即出现，有时却要经过一段时间，如几小时，几天，甚至更长时间才出现。开始时少量出现，随时间增长逐渐增多和扩展对于这类不是在焊后立即出现的冷裂纹称为延迟裂纹，它是冷裂纹中较为常见的一种形态。冷裂纹多数出现在焊接热影响区，但一些厚大焊件和超高强钢及钛合金也出现在焊缝上；裂纹的起源多发生在具有缺陷效应的焊接热影响区或物理化学不均匀的氢聚集的局部地带；裂纹有时沿晶界扩展，有时是穿晶前进，这要由焊接接头的金相组织、应力状态和氢的含量等而定。较多的是从沿晶为主兼有穿晶的混合形断裂。裂纹的分布与最大应力方向有关。纵向应力大，则出现横向裂纹：横向应力大，则出纵问

40、裂纹。2分类 焊接生产中由于采用的钢种、焊接材料不同，结构的类型、刚度以及施工的条件不同，可能出现不同 13形态的冷裂纹。大致上可分为：1)淬硬脆化裂纹 又称淬火裂纹，一些淬硬倾向很大的钢种，焊接时即使没有氢的诱发，仅在拘束应力作用下就能导致开裂。焊接含碳较高的 Ni-Cr-Mo 钢、马氏体不锈钢、工具钢，以及异种钢等都有可能出现这种裂纹。它完全是由于冷却时发生马氏体相变而脆化所造成的，与氢关系不大，基本上没有延迟现象。焊后常立即出现，在热影响区和焊缝上都可产生。通常采用较高的预热温度和使用高韧性焊条，基本上可防止这类裂纹。2)低塑性脆化裂纹 它是某些塑性较低的材料，冷至低温时，由于收缩而引起

41、的应变超过了材料本身所具有的塑性储备或材质变脆而产生的裂纹。例如，铸铁补焊，堆焊硬质合金和焊接高烙合金时，就易出现这类裂纹。通常也是焊后立即产生，无延迟现象。3)延迟裂纹 已如上述，它是焊后不立即出现，有一定孕育期(又叫潜伏期)，具有延迟现象。它决定于钢种的淬硬倾向、焊接接头的应力状态和熔敷金属中的扩散氢含量。氢在这里起着非常特殊的作用。这类裂纹在生产中经常遇到，是本节重点介绍对象。延迟裂纹按其发生和分布位置的特征可分为三类：焊趾裂纹 裂纹起源于母材与焊缝交界的焊趾处，并有明显应力集中的部位(如咬肉处)。裂纹从表面出发，往厚度的纵深方向扩展，止于近缝区粗晶部分的边缘，一般沿纵向发展，见图2-4

42、14。a)b)c)图 2-4-14 三种冷裂分布示意图 1-焊趾裂纹 2-跟部裂纹 3-焊道下裂纹 根部裂纹或称焊根裂纹 裂纹起源于坡口的根部间隙处，视应力集中源的位置与母材及焊接金属的强度水平的不同，裂纹可以起源于母材的近缝区金属，在近缝区中大体平行于熔合线扩展。或再进入焊缝金属中，也可以起源于焊缝金属的根部，在焊缝中扩展，见图 2-4-14b、c。焊道下裂纹 裂纹产生在靠近焊道之下的热影响区内部，距熔合线约 0.10.2mm 处，该处常常是粗大马氏体组织。裂纹走向大体与熔合线平行，一般不显露于焊缝表面，见图 2-4-14a。冷裂纹的形成机理：1产生延迟裂纹的三个基本要素 生产实践与理论研究

43、证明：钢材的淬硬倾向、焊接接头中的氢含量及其分布、焊接接头的拘束应力状态是形成延迟裂纹的三大要素。这三大要素共同作用达到一定程度时，在焊接接头上就形成了冷裂纹。对每一既定成分组合的母材和焊缝金属，其塑性储备是一定的。延迟裂纹产生合一个孕育期，这一期间的长短，决定于焊缝金属中扩散氢的含量与焊接接头所处的应力状态的交互作用。相应于某一应力状态，焊缝金属中含氢量愈高，裂纹的孕育期愈短，裂纹倾向就意大；反之，含氢量低，裂纹孕育期长，裂纹倾向就小。当应力状态恶劣，拉应力水平高时，即使氢量比较低，经过不长的孕育期，即有裂纹产生。决定延迟裂纹的产生与否，存在一个临界含氢量与临界应力值。当氢低于临界含氢量，只

44、要拉应力低于强度极限，孕育期将无限长，实际上不会产生延迟裂纹。同样，当拉应力低于临界值，孕育期也无限长，即使含氢量相当高，也不易产生延迟裂纹。对于淬硬倾向低的钢材，它的塑性 FS 高，对应力集中不敏感，诱发裂纹所需的临界含氢量与临界应力值都高，所以延迟裂纹的孕育期长。裂纹倾向低。反之，对于淬硬倾向高的钢材，由于塑性变形能力低、金属中容易在缺陷处产生应力集中，诱发延迟裂纹不仅所需的临界应力低，而且临界含氢量也低，所以裂纹倾向大。2三大要素的作用 上面说明了三大因素之间的有机联系和相互影响。它们各自的作用则是：(1)氢的作用 氢是引起高强度钢焊接冷裂纹重要因素之一，并具有延迟的特征。把由氢而引起的

45、延迟裂纹称氢致裂纹(Hydrogen induced crack)。氢在钢中分为残余的固溶氢和扩散氢，只有扩散氢对钢的焊接冷裂纹起直接影响。氢在形成冷裂纹过程中的作用与它下面的动态行为有关：1)氢在焊缝中的溶解 在焊接电弧的高温作用下，焊接材料中的水分、焊件坡口上的油污、铁锈，以及空气中的水分，都会分解出氢原子或氧离子，并大量溶入焊接熔池中。从图 234 中可知氢在铁中的溶解度随温度变化很大，并在凝固点发生突变。由于熔池体积小、冷却快，很快由液态凝固，多余的氢来 14 不及逸出，结果就以过饱和状态存在于焊缝中。2)氢在焊接区的浓度扩散 焊缝中过饱和状态的氢处于不稳定状态，在含量差的作用下会自发

46、地向周围热影区和大气中扩散。这种浓度扩散的速度与温度有关，温度很高时，氢很快从焊接接头扩散出去；温度很低时，氢的活动受抑制，因此都不会产生冷裂纹。只有在一定温度区间氢的作用才显著，如果同时育敏感组织和应力存在，就会产生冷裂纹。在预热条件下焊接时，由于在冷裂纹敏感温度区间之上停留时间较长，大部分氢已在高温下从焊接区逸出，降至较低温度时，残留的扩散氢已不足以引起冷裂纹，这就是预热可防止冷裂纹的原因之一。3)氢的组织诱导扩敝 氢在不同组织中的溶解和扩散能力是不同的，见图 2-4-15在奥氏体(Y)中氢具有较大的溶解度，但扩散系数较小：在铁素体(e)中氢却具有较小的溶解度和较大的扩散系数 图 2-4-

47、15 氢在钢中的溶解度H与扩散系数 D 随温度的变化42 在焊接过程中，氢原子从焊缝向焊接热影响区扩散的情况如图 21416 所示。通常焊接高强度钢时焊缝金属的含碳量总是控制在低于母材，因此焊缝金属在较高温度(TA，)下就产生相变，即由奥氏体(A)分解为铁索体(F)和珠光体(P)。此时，热影响区金属因含碳量较高，相变尚未进行，仍为奥氏体(A)，当焊缝金属产生相变时，氢的溶解度会突然下降，而氧在铁素体、珠光体中具有较大的扩散系数(见表 2-4-4)。因此氢将很快从焊缝向仍为奥氏体的热影响区金属扩散(见图 2-4-16 中的箭头)。奥氏体中氢的扩散系数很小，却有较大的溶解力，氢的进入就在熔合线附近

48、形成富氢带当热影响区金属进行相变（T）时，即奥氏体向马氏体（M)转变，氢便以过饱和状态残存在马氏钵中，促使该处金属进一步脆化而导致冷裂纹。4)氢的应力诱导扩散 氢在金属中的扩散还受到应力状态的影响，它有向三向拉应力区扩散的趋势。常在应力集中或缺口等有塑性应变的部位产生氢的局部聚集，使该处最早达到氢的临界含量，这就是氢的应力诱导扩散现象。应力梯度愈大，氢扩散的驱动力也愈大，也即应力对氢的诱导扩散作用愈大。图 2-4-16 高强度钢热影响区延迟裂纹的形成过程(箭头标号司原子氢的扩散方向)TAF-焊缝 A 体相变等温面 TAM-热影响区 A 体相变等温面 a,b-熔合线 15表 2-4-4 氢在不同

49、组织内的扩散系数 D D 组织 铁素体，珠光体索氏体 托氏体 马氏体 奥氏体 扩散系数 D/cm2.s-1 4.0*10-7 3.5*10-7 3.2*10-7 7.5*10-7 2.4*10-11 表面饱和浓度 Co/cm3.(100g)-1 40 32 26 24-综上所述，焊接接头金属中氢的扩散行为，从高温到低温受不同机理控制。在液相与固相并存时期存在着含量扩散；在焊后冷却过程中不同温度范围存在着应力诱导扩散；以及在冷却转变时存在着组织诱导扩散。使氢向热影响区的熔合线附近，特别是向其中的应力集中部位扩散、聚集。当这些部位的氢含量达到一定的临界含量值时，就会诱发冷裂纹。氢的扩散有一定速度，

50、聚集到临界含量就需要时间，这就是在宏观上表现为焊后到产生冷裂纹要有一定的潜伏期(孕育期)，即冷裂纹具有延迟开裂的特征。(2)组织的作用 钢材的淬硬倾向越大或马氏体数量越多，越容易产生冷裂纹。这是因马氏体是碳在铁中的过饱和固熔体，它是一种硬脆组织，发生断裂只需消耗较低的 C 量。但是不同化学成分和形态的马氏体组织的冷裂敏感性不同，如果出现的是板条状低碳马氏体，则因其 Ms 点较高，转变后有自回火作用，它既有较高的强度又有足够的韧性，其抗裂性能优于含碳量较高的片状孪晶马氏体。挛晶马氏体不仅硬度很高，韧性也很差，对冷裂纹特别敏感。经大量试验获得各种组织对冷裂纹的敏感性由小到大排列的如下顺序：铁索体(