第17讲 焊接冷裂纹精选文档.ppt
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1、第17讲 焊接冷裂纹431本讲稿第一页,共四十四页4324.2.2 4.2.2 焊接冷裂纹焊接冷裂纹一、焊接冷裂纹类型一、焊接冷裂纹类型 1 1基本特征基本特征v焊接接头冷却到较低温度下焊接接头冷却到较低温度下(对于钢来说,在对于钢来说,在MsMs温度以下温度以下)产生的焊接产生的焊接裂纹统称冷裂纹。裂纹统称冷裂纹。v冷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,冷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。几天,甚至更长时间才出现。v多数出现在多数出现在焊接热影响区焊接热影响区,但一些厚大焊件和超高强钢及钛合金也出,但一些厚大焊件和超高强钢及
2、钛合金也出现在现在焊缝焊缝上;上;v裂纹的起源多裂纹的起源多发生在具有缺口效应的焊接热影响区或物理化学发生在具有缺口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不均匀的氢聚集的局部地带;v裂纹的分布与最大应力方向有关裂纹的分布与最大应力方向有关。本讲稿第二页,共四十四页4332 2、分类、分类v焊接生产中由于采用的钢种、焊接材料不同,结构的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,大致分为:类型、刚度以及施工的条件不同,大致分为:1)1)淬硬脆化裂纹淬硬脆化裂纹 v一些淬硬倾向很大的钢种(一些淬硬倾向很大的钢种(焊接含碳较高的焊接含碳较高的Ni-Cr-
3、MoNi-Cr-Mo钢、钢、马氏体不锈钢、工具钢,及异种钢等)马氏体不锈钢、工具钢,及异种钢等),焊接时即使没,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。有氢的诱发,仅在拘束应力作用下就能导致开裂。v完全是由于冷却时发生马氏体相变而脆化所造成的,完全是由于冷却时发生马氏体相变而脆化所造成的,焊后常立即出现,在热影响区和焊缝上都可产生。焊后常立即出现,在热影响区和焊缝上都可产生。v通常采用较高的预热温度和使用高韧性焊条,基本上可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防止这类裂纹。本讲稿第三页,共四十四页434 2)2)低塑性脆化裂纹低塑性脆化裂纹 v某些塑性较
4、低的材料(铸铁补焊、堆焊硬质合金和焊接高某些塑性较低的材料(铸铁补焊、堆焊硬质合金和焊接高铬合金),冷至低温时,由于收缩而引起的应变超过了材铬合金),冷至低温时,由于收缩而引起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。料本身所具有的塑性储备或材质变脆而产生的裂纹。v通常也是焊后立即产生,无延迟现象通常也是焊后立即产生,无延迟现象。3)3)延迟裂纹延迟裂纹 v焊后不立即出现,有一定孕育期焊后不立即出现,有一定孕育期(又叫潜伏期又叫潜伏期),具有,具有延迟现象延迟现象。v决定于钢种的淬硬倾向、焊接接头的应力状态和熔敷金属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
5、含量中的扩散氢含量。本讲稿第四页,共四十四页435按其发生和分布位置的特征可分为三类:按其发生和分布位置的特征可分为三类:焊趾裂纹焊趾裂纹v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(如咬肉处如咬肉处)。裂纹从表面出发,往厚度的纵深方向扩展,止于近裂纹从表面出发,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。缝区粗晶部分的边缘,一般沿纵向发展。根部裂纹或称焊根裂纹根部裂纹或称焊根裂纹 v起源于坡口的根部间隙处起源于坡口的根部间隙处,可以起源于,可以起源于母材的近缝区金属母材的近缝区金属,也可,也可以起源于以起源于焊
6、缝金属的根部。焊缝金属的根部。焊道下裂纹焊道下裂纹 v产生在产生在靠近焊道之下的热影响区内部,距熔合线约靠近焊道之下的热影响区内部,距熔合线约0.1-0.2mm0.1-0.2mm处处,该处常常是,该处常常是粗大马氏体组织粗大马氏体组织。v裂纹裂纹走向大体与熔合线平行走向大体与熔合线平行,一般不显露于焊缝表面。,一般不显露于焊缝表面。图4.8 三种冷裂纹示意图1焊趾裂纹,2根部裂纹,3焊道下裂纹本讲稿第五页,共四十四页436二、冷裂纹的特征及产生机理二、冷裂纹的特征及产生机理 1 1、产生延迟裂纹的三个基本要素、产生延迟裂纹的三个基本要素 钢材的淬硬倾向钢材的淬硬倾向 焊接接头中的氢含量及其分布
7、焊接接头中的氢含量及其分布 焊接接头的拘束应力状态焊接接头的拘束应力状态v产生延迟裂纹的孕育期:产生延迟裂纹的孕育期:决定于焊缝金属中扩散氢的含量与焊接接头所处的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。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,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,裂纹倾向就愈大。裂纹的孕育期愈短,裂纹倾向就愈大。当应力状态恶劣,拉应力水平高时,即使含氢当应力状态恶劣,拉应力水平高时,即使含氢量比较低,经过不长的孕育期,即有裂纹产生量比较低,经过不长的孕育期,即有裂纹产生。本讲稿第六页,共四十四页4372 2、三
8、大要素的作用、三大要素的作用 (1)(1)氢的作用氢的作用v氢是引起的冷裂纹具有延迟的特征,称为氢是引起的冷裂纹具有延迟的特征,称为氢致裂纹。氢致裂纹。v氢在钢中分为残余的固溶氢和扩散氢,氢在钢中分为残余的固溶氢和扩散氢,只有扩散氢只有扩散氢对钢的焊接冷裂纹起直接影响对钢的焊接冷裂纹起直接影响。1)1)氢在焊缝中的溶解氢在焊缝中的溶解v从图从图4.94.9中可知,中可知,氢在铁中的氢在铁中的溶解度随温度变化很大,并溶解度随温度变化很大,并在凝固点发生突变在凝固点发生突变。由于熔。由于熔池很快由液态凝固,多余的池很快由液态凝固,多余的氢来不及逸出,结果就以过氢来不及逸出,结果就以过饱和状态存在于
9、焊缝中。饱和状态存在于焊缝中。图4.9 氢在铁中的溶解度与温度的关系本讲稿第七页,共四十四页438 2)2)氢在焊接区的浓度扩散氢在焊接区的浓度扩散v焊缝中过饱和状态的氢处于不稳定状态,在含量差的作用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地向周围热影响区和大气中扩散。下会自发地向周围热影响区和大气中扩散。这种浓度扩散这种浓度扩散的速度与温度有关的速度与温度有关。v温度很高时,氢很快从焊接接头扩散出去温度很高时,氢很快从焊接接头扩散出去;温度很低时,温度很低时,氢的活动受抑制,因此都不会产生冷裂纹。氢的活动受抑制,因此都不会产生冷裂纹。v只有只有在一定温度区间在一定温度区间(
10、约约-100-100100)100)氢的作用才显著,氢的作用才显著,如果同时有敏感组织和应力存在,就会产生冷裂纹。如果同时有敏感组织和应力存在,就会产生冷裂纹。v在在预热条件预热条件下焊接时,由于在冷裂纹敏感温度区间之上下焊接时,由于在冷裂纹敏感温度区间之上停留时间停留时间(t t100100)较长,大部分氢已在高温下从焊接区逸出,较长,大部分氢已在高温下从焊接区逸出,降至较低温度时,残留的扩散氢己不足以引起冷裂纹,降至较低温度时,残留的扩散氢己不足以引起冷裂纹,这就是预热可防止冷裂纹的原因之一这就是预热可防止冷裂纹的原因之一。本讲稿第八页,共四十四页4393)3)氢的组织诱导扩散氢的组织诱导
11、扩散v氢在不同组织中的溶解和扩散氢在不同组织中的溶解和扩散能力是不同的,见图能力是不同的,见图5-165-16。v在在 中氢具有较大的溶解度,但扩中氢具有较大的溶解度,但扩散系数较小;在散系数较小;在 中氢却具有较中氢却具有较小的溶解度和较大的扩散系数。小的溶解度和较大的扩散系数。图4.10 氢在钢中的溶解度H与扩散系数D随温度的变化本讲稿第九页,共四十四页4310v在焊接过程中,氢原子从焊缝向焊接热影响区扩散的情况在焊接过程中,氢原子从焊缝向焊接热影响区扩散的情况如图如图4.114.11所示。所示。v通常焊接高强度钢时焊缝金属的含碳量总是控制在低通常焊接高强度钢时焊缝金属的含碳量总是控制在低
12、于母材,因此焊缝金属在较高温度于母材,因此焊缝金属在较高温度(T TAFAF)下就产生相变,下就产生相变,即原即原A A分解为分解为F F和和P P。图4.11 高强度钢HAZ延迟裂纹形成过程(箭头表示原子氢扩散方向)TAF焊缝A体相变等温面,TAM热影响区A体相变等温面,a、b熔合线本讲稿第十页,共四十四页43114)4)氢的应力诱导扩散氢的应力诱导扩散v氢在金属中的扩散还受到应力状态的影响,它氢在金属中的扩散还受到应力状态的影响,它有向三向有向三向拉应力区扩散的趋势拉应力区扩散的趋势。常在应力集中或缺口等有塑性。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应变的
13、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。临界含量,这就是氢的应力诱导扩散现象。应力梯度应力梯度愈大,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扩散作用愈大。本讲稿第十一页,共四十四页4312(2)(2)组织的作用组织的作用v钢材的淬硬倾向越大或马氏体数量越多,越容易产生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。冷裂纹。v因为马氏体是碳在因为马氏体是碳在 铁中的过饱和固溶体,是一种硬脆铁中的过饱和固溶体,是一种硬脆组织,发生断裂只需消耗较低的能量。组织,发生断裂只需消耗较低的能量。v不同化学
14、成分和形态的马氏体组织的冷裂敏感性不同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,因如果出现的是板条状低碳马氏体,因MsMs点较高,转变后点较高,转变后有自回火作用,既有较高的强度又有足够的韧性,抗裂有自回火作用,既有较高的强度又有足够的韧性,抗裂性能优于含碳量较高的片状孪晶马氏体。孪晶马氏体的性能优于含碳量较高的片状孪晶马氏体。孪晶马氏体的硬度很高,韧性也很差,对冷裂纹特别敏感。硬度很高,韧性也很差,对冷裂纹特别敏感。本讲稿第十二页,共四十四页4313v冷裂纹常起源于热影响区的粗晶区域冷裂纹常起源于热影响区的粗晶区域,这是由于晶粒粗,这是由于晶粒粗大,能显著
15、降低相变温度,同时也使晶界上偏析物增多,大,能显著降低相变温度,同时也使晶界上偏析物增多,因而使该区冷裂倾向增大。因而使该区冷裂倾向增大。v在淬硬组织中具有更多的在淬硬组织中具有更多的晶格缺陷晶格缺陷,如空位、位错等。,如空位、位错等。在应力作用下这些缺陷会发生移动和聚集,当汇集到在应力作用下这些缺陷会发生移动和聚集,当汇集到一定尺寸,就会形成裂纹源,进一步扩展成宏观裂纹一定尺寸,就会形成裂纹源,进一步扩展成宏观裂纹。v组织对冷裂纹敏感性的影响可归结为:组织对冷裂纹敏感性的影响可归结为:粗大孪晶马氏体的形成,晶界夹杂物的聚集,以及粗大孪晶马氏体的形成,晶界夹杂物的聚集,以及高的晶格缺陷密度,均
16、促使冷裂纹倾向增大高的晶格缺陷密度,均促使冷裂纹倾向增大。本讲稿第十三页,共四十四页4314 (3)(3)应力的作用应力的作用 1)1)热应力热应力v在接头上不同位置的热应力其方向和大小是随焊接热循环而变化,在接头上不同位置的热应力其方向和大小是随焊接热循环而变化,冷却后在接头上留存着残余应力,其大小及分布决定于母材和填充金冷却后在接头上留存着残余应力,其大小及分布决定于母材和填充金属的热物理性质、温度场以及结构的刚度等,其最大值可达母材的屈属的热物理性质、温度场以及结构的刚度等,其最大值可达母材的屈服点服点 s s。2)2)组织应力组织应力v高强度钢奥氏体分解时,析出铁素体、珠光体、马氏体等
17、组织,高强度钢奥氏体分解时,析出铁素体、珠光体、马氏体等组织,由于它们具有不同的膨胀系数,引起了局部体积变化,从而产由于它们具有不同的膨胀系数,引起了局部体积变化,从而产生组织应力。生组织应力。3)3)拘束应力拘束应力v指的是接头受到外部刚性拘束,焊件收缩不自由而引起的应力。指的是接头受到外部刚性拘束,焊件收缩不自由而引起的应力。它它的大小与结构的厚度和拘束度等合关。的大小与结构的厚度和拘束度等合关。本讲稿第十四页,共四十四页4315 3、三大要素综合影响的评定、三大要素综合影响的评定 在实际焊接中需要有反映出在实际焊接中需要有反映出材料淬硬组织材料淬硬组织(或化学成或化学成分分)、扩散氢扩散
18、氢和和应力应力三大要素同时对冷裂纹发生影响的定三大要素同时对冷裂纹发生影响的定量关系。国内外学者通过大量插销试验,建立了临界断量关系。国内外学者通过大量插销试验,建立了临界断裂应力计算公式,这些公式较好地反映了这三大要素之裂应力计算公式,这些公式较好地反映了这三大要素之间的联系和对冷裂纹的影响,还可以用此临界断裂应力间的联系和对冷裂纹的影响,还可以用此临界断裂应力作为是否产生冷裂纹的判据。作为是否产生冷裂纹的判据。(1)日本溶接学会推荐公式日本溶接学会推荐公式cr=(86.3-211Pcm-28.21g(H+1)+2.73t8/5+9.710-3t100)9.8本讲稿第十五页,共四十四页431
19、6式中,式中,cr插销试验的临界断裂应力插销试验的临界断裂应力(MPa);Pcm合金元素的裂纹敏感系数合金元素的裂纹敏感系数();H按日本标准甘油法按日本标准甘油法(JIS31131975)测定的扩散氢测定的扩散氢含量含量(mL100g);t8/5熔合区附近从熔合区附近从800到到500的冷却时间的冷却时间(s);t100熔合区附近从最高温度熔合区附近从最高温度(约约1350)到到100的冷却的冷却时间时间(s)。本讲稿第十六页,共四十四页4317(2)天津大学张文钺等人推荐公式:天津大学张文钺等人推荐公式:cr(132.3-27.5g(H-1)-0.216HV+0.0102t100)9.8式
20、中,式中,H按按GBl2251976法测定的扩散氢含量法测定的扩散氢含量(mL100g);HV热影响区的平均最大硬度热影响区的平均最大硬度(维氏维氏)。表 两个临界断裂应力公式应用范围本讲稿第十七页,共四十四页4318v如果能通过实验或计算得出实际焊接结构如果能通过实验或计算得出实际焊接结构(如船舶、桥梁、如船舶、桥梁、压力容器等压力容器等)焊接接头的拘束应力焊接接头的拘束应力,就可以与由两个临界,就可以与由两个临界断裂应力公式计算出的临界断裂应力作比较断裂应力公式计算出的临界断裂应力作比较:当当cr 时时,不裂不裂。本讲稿第十八页,共四十四页43195.4.3 冷裂倾向的判据冷裂倾向的判据v
21、如何根据焊接结构的材料,结构和工艺特点去判断其如何根据焊接结构的材料,结构和工艺特点去判断其冷裂纹倾向或其敏感性,是焊接工作者最关心的的问冷裂纹倾向或其敏感性,是焊接工作者最关心的的问题,因为它是评定金属材料焊接性的重要依据。题,因为它是评定金属材料焊接性的重要依据。1、与材料化学成分有关的判据、与材料化学成分有关的判据 主要主要从材料淬硬程度方面从材料淬硬程度方面去评定其冷裂倾向,因为去评定其冷裂倾向,因为钢材钢材的淬硬倾向越大,越容易产生冷裂纹的淬硬倾向越大,越容易产生冷裂纹。本讲稿第十九页,共四十四页43201)国际焊接学会国际焊接学会(IIW)推荐的公式推荐的公式v此式适用于中高强度此
22、式适用于中高强度(b500900MPa级级)非调质非调质高强度钢。高强度钢。当当CEIIW0.45时,厚度在时,厚度在25mm以内的以内的钢板焊接时不预热,也不裂。钢板焊接时不预热,也不裂。2)美国焊接学会美国焊接学会(AWS)提出的公式提出的公式v此式适用于低碳钢和低合金高强度钢。此式适用于低碳钢和低合金高强度钢。一般认为板厚一般认为板厚在在25mm以内以内CEAWS0.4,可不预热,焊接也不裂。,可不预热,焊接也不裂。本讲稿第二十页,共四十四页43213)日本日本JIS及及WES推荐的公式推荐的公式v适用于强度适用于强度b5001000MPa级低碳调质低合金高强钢级低碳调质低合金高强钢,认
23、为认为CEWES0.46可以不预热,焊接也不裂。可以不预热,焊接也不裂。本讲稿第二十一页,共四十四页4322(2)临界冷却时间临界冷却时间Cfv在热影响区熔合线附近从在热影响区熔合线附近从A3冷至冷至500开始出现铁素体组开始出现铁素体组织的临界时间织的临界时间Cf可以作为焊接热影响区冷裂倾向的判据,可以作为焊接热影响区冷裂倾向的判据,即即 t8/5 Cf 可能产生冷裂可能产生冷裂vCf可利用所研究钢种的焊接热影响区可利用所研究钢种的焊接热影响区CCT图确定。图确定。本讲稿第二十二页,共四十四页43232 与接头含氢量有关的判据与接头含氢量有关的判据v高强度钢焊接接头中的含氢量越多,则裂纹倾向
24、越大。高强度钢焊接接头中的含氢量越多,则裂纹倾向越大。当当由于氢的扩散、聚集,使接头中局部地区的含氢量达到某一数值由于氢的扩散、聚集,使接头中局部地区的含氢量达到某一数值而产生裂纹时,此含氢量即为产生冷裂纹的临界含氢量而产生裂纹时,此含氢量即为产生冷裂纹的临界含氢量HCr。v临界含氢量临界含氢量HCr与钢的化学成分、刚度、预热温度以及接头的与钢的化学成分、刚度、预热温度以及接头的冷却条件等有关。临界含氢量随着钢种碳当量提高而减小。冷却条件等有关。临界含氢量随着钢种碳当量提高而减小。v当实际热影响区的含氢量当实际热影响区的含氢量H大于或等于大于或等于HCr时,就可能产生时,就可能产生冷裂纹。冷裂
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