1、1 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 2 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
2、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 3 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 4 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 2 固 液阶段 固多于液 随着固态金属量增加 剩余的液态
3、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 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 结晶裂纹的形成机理 2 5 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 6 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
4、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 7 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 8 对凝固温度范围的影响 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 1 硫 磷 S P可扩大Fe的结晶区间 并能与Fe形成多种低熔点共晶 2 碳 碳是易偏析元素 并能加剧其它元素的有害作用 如S P等 2 合金因素对产生结晶裂纹的影响 9 3 锰 Mn有脱硫作用 生成高熔点MnS 1600 生产的MnS为球
5、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 10 4 硅 Si是脱氧元素 但焊缝中Si 0 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 11 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
6、合金钢S P 0 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 12 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 双相组织焊缝 5 以减少结晶裂纹和提高焊缝抗晶间腐蚀能力 13 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 1 焊接工艺参数适当增加线能量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 2抗热裂的工艺措施 14 焊接接头形
7、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 15 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 16 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 17 1 发生在中高碳钢 合金钢的热影响区 图5 39 高强
8、 2 在焊后冷至Ms点附近或更低的温度下逐渐生成 低温 3 多发生在具有应力集中的焊接热影响区 高应力 4 裂纹可沿晶扩展 也可穿晶扩展 脆断 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 延迟性 2冷裂纹的一般特征 1 18 二 冷裂纹的种类 1 常见低合金高强钢的延迟裂纹有 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 19 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 20 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 21 三 焊接冷裂纹
9、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 22 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
10、评定高强钢裂纹倾向的重要指标 23 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 24 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 25 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 在焊缝冷却过
11、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 2 金属组织对氢扩散的影响 26 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 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 27 焊接接头开始产生裂纹时的应力称为临界拘束应力 cr cr值可用试验方法测得 设计焊缝时只要 cr 或Rc
12、r R 就可以认为是安全的 2拘束应力影响 28 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 29 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 30 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大线能量
13、是有利的 线能量过小易使热影响区淬硬 也不利于氢逸出 焊接工艺对冷裂纹的影响 1 预热可以有效防止冷裂纹 但温度过高会增加附加应力 因是局部加热 反而增加冷裂倾向 所以预热温度主要是从降低冷速 减小淬硬倾向考虑 低合金高强钢的预热温度经验公式为 T 324Pcm 17 7 H 0 14 b 4 72 214 2 预热温度 1 31 由于冷裂纹存在潜伏期 所以要在裂纹产生前要进行加热处理 尤其是对不预热的焊件 后热处理要及时 温度要高 后热处理的有利作用 1 改善组织 提高韧性 减小淬硬性 2 减低残余应力 3 消除扩散氢 4 降低预热温度 表5 12 3 焊后热处理 1 32 后一道焊缝对前一道焊缝进行了热处理 有利于氢的逸出 组织的改善 可防止冷裂纹产生 但要在第一层焊缝尚未产生根部裂纹的潜伏期内完成第二道焊接 4 多层焊 根据钢的冷裂纹敏感性Pw 焊的层数越多 预热温度越低 图5 71 33 1 冶金方面 1 采用低碳微量合金元素强化 既提高强度 又保证金属有一定的韧性 2 采用高质量钢降低S P O N杂质含量 3 采用碱性低氢焊接材料 4 CO2焊获得低氢焊缝 5 选用低强度焊条 降低拘束应力 6 用A体焊条焊接淬硬倾向较大的中碳调质钢 2 工艺方面焊前预热 焊后热处理 多层焊 避免焊接缺陷 未焊透 咬肉 夹杂 气孔 焊接接头形式 施焊顺序等 5防止冷裂纹的途径
