1、 从金属结晶理论知道，先结晶的金属纯度比较高，后结晶的金属杂质较多，并富集在晶粒周界，而且这些杂质具有较低的熔点，例如，一般碳钢和低合金钢的焊缝含硫量较高时，能形成 FeS，而 FeS 与 Fe 发生作用形成熔点只有 988的低熔点共晶。在焊缝金属凝固过程中，低熔点共晶被排挤在晶界上，形成“液态薄膜”由于液态薄膜的存在减弱了晶间之间的结合力，晶粒间界的液态薄膜便成了薄弱地带。又因为焊缝金属在结晶的同时，体积在减小，周围金属的约束引起它的收缩而引起焊缝金属受到拉伸应力的作用下，于是相应地产生了拉伸变形。若此时产生的变形量超过了晶粒边界具有的变形塑性时，即可沿这个薄弱地带开裂而形成结晶裂纹。可见，
2、产生结晶裂纹的原因就在于焊缝中存在液态薄膜和在焊缝凝固过程中受到拉伸应力共同作用的结果。因此，液态薄膜是产生结晶裂纹的根源，而拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条件。至于近缝区的结晶裂纹，原则上与焊缝上的结晶裂纹时一致的。在焊接条件下，近缝区金属被加热到很高的温度，在熔合区附近达到半熔化状态。当母材金属含有易熔杂质时，那么在近缝区金属的晶界上，同样也会有低熔共晶存在。这时在焊接热的作用下，将会发生熔化，相当于晶粒间的液态薄膜，与此同时，在拉伸应力的作用下就会开裂。焊缝上的结晶裂纹和近缝区的结晶有着相互依赖和相互影响的关系。近缝区的结晶裂纹可能是焊缝结晶裂纹的起源。结晶裂纹的影响因素：通过以上分析可知
3、，结晶裂纹的产生取决于焊缝金属在脆性温度区间的塑性和应变，前者取决于冶金因素，后者取决于力的因素。力的主作用是产生结晶裂纹的的必要条件，只有在力的作用下产生的应变超过材料的最大变形能力时，才会开裂。首先分析冶金因素。冶金因素对结晶裂纹的影响：按照金属学的基本原理，决定金属材料性能的根本原因是化学成分。成分的变化将改变合金各组元的溶解度、相得组成与比例、结晶形态及晶粒尺寸。这些因素都将影响焊缝金属的塑性，因而直接或间接的影响结晶裂纹的敏感性。1、常见合金元素的影响 合金元素对结晶裂纹敏感性影响的规律很复杂，其中既有元素本身的单独作用，也有合金之间的相互作用。下面仅讨论低碳合金钢与合金钢常见合金元
4、素的影响。（1）硫、磷。硫和磷都是提高结晶裂纹敏感性的元素。它们的有害作用来自以下介几个方面。首先，钢中含有硫或磷，结晶温度区间明显加宽；其次硫和磷能在岗中形成多种低熔点共晶，这些共晶在焊缝金属凝固后期形成液态薄膜；最后，硫和磷都是偏析度较大的元素，容易在局部富集，更有利于形成低熔点共晶或化合物。液态薄膜或偏聚的低熔点物质，都会是金属在凝固后期的塑性急剧下降。因此，硫、磷都是明显提高结晶裂纹的元素，对焊接质量危害极大（2）碳。碳时钢在必不可少的元素，但在焊接时也是提高结晶裂纹敏感性的主要因素。碳不仅本身造成不利影响，而且促使硫、磷的有害作用加剧（3）锰。锰可以脱硫，脱硫产物 MnS 不溶于铁可
5、进入熔渣，少量残余在焊缝金属中程弥散分布，对钢的性能物明显影响。因此，在钢焊缝中锰可以抑制硫的有害作用，有助于提高焊缝的塑性，因而可提高其抗结晶裂纹的能力。（5）硅。硅对结晶裂纹的影响以含量不同而不同。硅是 相形元素，含量较低时有利于防止结晶裂纹。但当 Wsi0.42%时，由于会形成低熔点的硅酸盐反而是裂纹倾向增大。此外，一些可形成高熔点硫化物的元素如 Ti、Zr 和一些稀土金属，都具有很好的脱硫效果，也提高焊缝金属的抗结晶能力。一些能细化晶粒的元素，由于晶粒细化后可以扩大晶界面积，打乱柱状晶的方向性，也能起到抗结晶裂纹的作用。但 Ti、Zr 和稀土金属与氧的亲和力很强，焊接时通过焊接材料过渡
6、池中比较困难在焊接生产中经常遇到的主要是延迟裂纹，高强钢焊接时产生延迟裂纹的主要原因是：钢种的淬硬倾向；焊接接头的含氢量及其分布；以及焊接接头的拘束应力状态。上述三条是产生延迟裂纹的三大因素。这三个因素在一定条件下是相互联系，相互制约和相互促进的。1、钢种的淬硬倾向 焊接接头的淬硬倾向主要决定于钢种的化学成分，其次是焊接工艺，结构板厚及冷却条件等。钢种的淬硬倾向越大在焊接时会产生更多的马氏体组织。特别在近缝区的加热温度很高时奥氏体晶粒严重长大，在快速冷却时，粗大的奥氏体将转变为粗大的马氏体。如果钢种的含碳量很高时，就形成了呈片状的孪晶马氏体。孪晶马氏体的硬度很高，组织很脆，在一定的应力条件下将
7、发生脆性断裂。由于孪晶马氏体对于裂纹和氢脆的敏感性特别强。因此，焊接的热影响区和焊缝的孪晶马氏体越多，则越容易产生裂纹。另一方面钢种的淬硬性越大，也意味着会产生越多的晶格缺陷。金属在焊接时由于受热不平衡的条件下所形成的晶格缺陷主要是空位，在相变应力的作用下可产生较多的位错。空位和位错都会在焊接应力的作用下，发生移动和聚集，当浓度达到一定程度就会产生裂纹源，在盈利的继续作用下就会不断扩展形成宏观的裂纹。2、氢的作用 氢是引起焊接件产生延迟裂纹的主要原因并且具有延迟的特征。焊接接头的含氢量越高，则裂纹的倾向越大，当含氢量超过某一临界值时，便开始出现裂纹。之后随着含氢量的增多，裂纹的尺寸和数量也在不
8、断的增多。产生延迟裂纹的临界含氢量因钢种的化学成分，预热温度以及冷却速度等而异。虽着碳当量的提高，产生裂纹的临界含氢量将降低。3、焊接接头的拘束应力状态 在焊接时主要存在以下应力：不均匀加热和冷却所产生的热应力，在焊接时焊接区由于受热发生膨胀，因而承受压应力，冷却时由于收缩又承受拉应力，焊后将产生不同程度的残余应力。在力的做用下，会引起氢的聚集产生氢致裂纹；金属相变时产生的组织应力奥氏体分解时会引起体积膨胀；结构自身拘束条件所造成的应力 包括结构的刚度，焊缝的位置，焊接顺序，构件的自重，负载情况，以及其它受热部位冷却过程中的收缩等均会使焊接接头承受不同的应力。当焊接应力达到临界拘束应力值时，就
9、可能开始产生裂纹。3.2.6 气孔的产生原因气孔的形成机理常温固态金属中气体的溶解度只有高温液态金属中气体溶解度的几十分之一至几百分之一,熔池金属在凝固过程中 , 有大量的气体要从金属中逸出来。当凝固速度大于气体逸出速度时, 就形成气孔。 产生气孔的主要原因母材或填充金属表面有锈、油污等,焊条及焊剂未烘干会增加气孔量,因为锈、油污及焊条药皮、焊剂中的水分在高温下分解为气体,增加了高温金属中气体的含量。焊接线能量过小,熔池冷却速度大 ,不利于气体逸出。焊缝金属脱氧不足也会增加氧气孔。 气孔的危害气孔减少了焊缝的有效截面积,使焊缝疏松 ,从而降低 了接头的强度,降低塑性,还会引起泄漏。气孔也是引起
10、应力集中的因 素。氢气孔还可能促成冷裂纹。防止结晶裂纹主要从冶金和工艺两个方面着手，其中冶金措施更为重要。1、控制焊缝中硫、磷、碳等有害元素的含量。硫、磷、碳等元素主要来源于木材和焊接材料，因此首先要杜绝其来源，具体措施：第一，对焊接结构用钢的化学成分在国家或行业标准中都做了严格规定，如锅炉及压力容器用钢一般规定 Ws、Wp 均0.035%，强度级别较高的调质钢要求更严；第二，为了保证焊缝中有害元素低于母材，对焊丝用钢、焊条药皮、焊剂原料中的碳、硫、磷含量也做了更严格的规定，如焊丝中碳、硫、磷含量均低于同牌号的母材。2、对熔池进行变质处理。通过变质处理细化晶粒，不仅可以提高焊缝金属的力学性能，
11、还可以提高抗结晶裂纹能力。3、调质熔渣的碱度。实验证明，焊接熔渣的碱度也高，熔池中脱硫、脱氧越完全，其中杂质越少，从而不易形成低熔点化合物，可以显著降低焊缝金属的结晶裂纹倾向。因此，在焊接较重要的产品时，应选用碱性焊条和焊剂。防止结晶裂纹的工艺措施 在产品一定的条件下，工艺措施不仅可调节冷却速度而影响变形率，而且通过熔合比及焊缝成形系数的变化也能影响焊缝的化学成分和偏析情况。防止结晶裂纹的工艺措施如下：1、调整焊接参数以得到抗裂能力较强的焊缝成形系数。成形系数（B/H）不同时，要影响柱状晶长大的方向和区域偏析的情况如图。一般来说，提高成形系数可以提高焊缝的抗裂能力。当焊缝中碳的含量提高时，为防
12、止结晶 图 4-1 结晶裂纹裂纹成形所需的出现系数也相应的提高，以保证枝晶成人字形向上生长，避免因晶粒相对生长而在焊缝中心形成杂质聚集的脆弱面。为此，要求1，但也不宜过大。如当 7 时，由于焊缝过薄，抗裂能力反而下降。为了调整成形系数，必须合理选择焊接参数。一般情况下，成形系数随电弧电压的升高而增加，对焊接电流的增加而减小。当线能量不变时，则焊速越大，裂纹倾向越大。2、调整冷却速度 冷却速度越高，变形增长率越大，结晶裂纹倾向越大。降低冷却速度可通过调整焊接焊接参数或预热来实现。用增加线能量来降低冷却速度的效果是有限的，采用预热的效果则较明显。但要注意，结晶裂纹形成于固相线附近的高温，需要较高的
13、预热温度才能降低高温的冷却速度。高温预热成本高，劳动条件恶劣，有时还会影响焊接金属的性能。在生产中，只在焊接一些结晶裂纹非常敏感的材料时，才用预热来防止结晶裂纹。3、调整焊接顺序，降低拘束应力。接头刚性越大，焊缝金属冷却收缩时受到的拘束应力也越大。在产品尺寸一定时，合理安排焊接顺序，对降低焊接接头的刚度、减小内变形有明显的效果，从而可以有效地防止结晶裂纹。上面结合影响结晶裂纹的因素介绍了一些主要的告知措施。生产中的实际情况比较复杂，必须根据具体条件（材料、产品结构、技术要求、工艺条件）抓住主要未能，才能做到针对性的采取措施。4.6 防止产生气孔的措施防止气孔的措施 a.清除焊丝,工作坡口及其附
14、近表面的油污、铁锈、水分和杂物。b.采用碱性焊条、焊剂,并彻底烘干。c.采用直流反接并用短电弧施焊。d.焊前预热,减缓冷却速度。e.用偏强的规范施焊。4.8 防止焊缝残余变形的措施1、设计措施：a.合理地设计焊缝的尺寸和形状 焊缝的尺寸和形状直接关系到焊缝变形的大小。焊缝尺寸大焊接变形大。因此，在保证结构的承载能力的情况下，设计时应尽量采用较小的焊缝尺寸。b.尽可能的减少不必要的焊缝 在焊接结构中应力求焊缝数量少，避免不必要的焊缝。c.合理安排焊缝位置 在设计时，安排焊缝尽可能对称于截面中性轴，或者使焊缝接近中性轴，这对减少梁，柱等一类结构的挠曲变形有良好的效果。2、工艺措施：a.采用反变形法
15、 事先估计好结构变形的大小和方向。然后在装配时给予一个相反的变形与焊接变形相抵消，使焊后构件保持设计的要求。b.刚性固定法 这种方法是在没有反变形的情况下，将构件加以固定来限制焊接变形。用这种方法来预防构件的挠曲变形只能在一定程度上减少这种变形。c.合理选择焊接方法和规范 选用线能量较低的焊接方法，可以有效的防止焊接变形。d.选择合理装配顺序 采用合理焊接顺序来减小焊接变形具有重大意义。同样一个焊接构件采用不同的装配焊接顺序，焊后产生的变形大不一样。针对实例分析中常见焊接缺陷的产生原因及防止措施总结如下 1 冷裂纹 在焊接 16MnDR 时产生冷裂纹的主要原因是焊接接头氢的含量过高导致产生延迟
16、裂纹。防止措施：严格控制氢的来源采用低氢焊材和低氢焊接方法。还要仔细烘干焊剂，注意环境的湿度。对焊丝钢板坡口附近的铁锈，油污应仔细清理。2 接头和组织性能不符合要求：产生的主要原因是焊接过程中元素烧损等原因,容易使焊缝金属的化学成份发生变化,造成焊缝组织不符合要求。防止措施：在焊剂中添加易烧损的有用元素以补偿在熔池中烧损的元素。进行焊后热处理。3 气孔：产生的主要原因是母材或填充金属表面有锈、油污等,焊条及焊剂未烘干会增加气孔量,因为锈、油污及焊条药皮、焊剂中的水分在高温下分解为气体,增加了高温金属中气体的含量。焊接线能量过小,熔池冷却速度大,不利于气体逸出。焊缝金属脱氧不足也会增加氧气孔。清
17、除焊丝,工作坡口及其附近表面的油污、铁锈、水分和杂物。采用较强的焊接规范4 未焊透和未熔合及加渣：焊接电流小,熔深浅。层间及焊根清理不良。焊接时处于下坡位置。使用较大电流，多层焊时应对前一层熔渣清除干净，焊接速度不宜过快。5 焊接缺陷实例分析生产某一吸附塔其母材为 16MnDR 厚度为 26mm 直径为 3000mm，焊接其环缝时参照以前相关产品生产经验其主要出现缺陷如下：1 冷裂纹 在焊接 16MnDR 时产生冷裂纹的主要原因是焊接接头氢的含量过高导致产生延迟裂纹。2 接头和组织性能不符合要求：产生的主要原因是焊接过程中元素烧损等原因,容易使焊缝金属的化学成份发生变化,造成焊缝组织不符合要求
18、。3 气孔：产生的主要原因是母材或填充金属表面有锈、油污等,焊条及焊剂未烘干会增加气孔量,因为锈、油污及焊条药皮、焊剂中的水分在高温下分解为气体,增加了高温金属中气体的含量。焊接线能量过小,熔池冷却速度大,不利于气体逸出。焊缝金属脱氧不足也会增加氧气孔。4 未焊透和未熔合及加渣：焊接电流小,熔深浅。层间及焊根清理不良。焊接时处于下坡位置。2.5 偏析焊缝金属中化学元素分布不均匀的现象，称为偏析。焊缝中的偏析将影响焊缝的各项性能，严重偏析时将与焊缝裂纹有密切关系。焊缝中偏析主要有以下三种1、显微偏析 根据金属学的知识，合金的凝固过程是在一定温度范围内进行。而在连续冷却的过程中，先后凝固的合金成分
19、不同。先从液相中析出的固相中溶质含量较低，后析出的固相则溶质含量较高。在焊接条件下，由于冷却速度很高而来不及扩散，这种成分的差异将在很大程度上保留在焊缝金属中。这就形成了显微偏析。2、区域偏析 在焊缝凝固过程中柱状晶前沿推进的同时把低熔点物质排挤到焊缝中心，使焊缝中心杂质的浓度明显增大，造成整个焊缝横截面范围内形成明显的成分不均匀性，及区域偏析。由于区域偏析是在宏观的尺寸范围形成的，故又称宏观偏析3、层状偏析 如将焊缝的横截面进行抛光浸蚀，就会看到颜色不同的风分层结构，层状线与熔合线轮廓相似，各层基本平行，但距离不等。焊缝表面经过抛光浸蚀也可看到同样的层状线，实验证明，这些分层成分作周期变化的
20、表现。因溶质浓度不同色区域，对浸蚀剂的反应不同，浸蚀颜色就不同。溶质浓度较高的区域颜色较深，有溶质浓度的降低区域颜色逐渐变淡。这种偏析称为层状偏析。层状偏析对焊缝质量的影响目前研究的也不够充分。现已发现，层状偏析不仅可使焊缝金属的力学性能不均匀，有时还会沿层状线产生气孔或裂纹等缺陷。2.2 气孔焊接时熔池的气泡在凝固时未能逸出而残留下来形成的空穴，叫做气孔。气孔是常见的焊接缺陷之一，它不仅会出现在焊缝表面还会出现在焊缝内部，有时也贯穿整个焊缝厚度。由于气孔中气体的不同，气孔的形态特征也不同，主要有氢气孔、一氧化碳气孔、氮气孔。1、氢气孔 这类气孔主要时有氢引起的，对低碳钢来说，在大多数情况下这
21、类气孔出现在焊缝表面上，气孔的断面形状多为螺钉状，从焊缝的表面上看呈喇叭状并且在气孔的周围有光滑的内壁。有时这类气孔也可能残存在焊缝的内部，如果焊缝中的含氢量过高，此时多以小圆球状存在，对于有色金属，氢气孔也会出现焊缝内部。2、CO 气孔 这类气孔主要是在焊接碳钢进行冶金反应时产生来了大量的CO，在结晶过程中来不及逸出残留在焊缝内部形成气孔。在多数情况下这类气孔产生在焊缝内部，气孔沿结晶方向分布，有些象条虫状，表面光滑。3、氮气孔 氮气引起的气孔一般认为与氢的相似，气孔的类型也多在焊缝表面，但多数情况下是成堆出现，与蜂窝相似。在现代焊接生产中有氮气引起气孔的机会较少，主要发生在保护条件较差，空
22、气侵入熔池较多时，将引起氮气孔。气孔在焊缝中的存在，它不仅削弱焊缝的有效工作截面，同时也带来应力集中，显著降低焊缝金属的强度和韧性。气孔对在动载下，特别是在交变载荷下工作的焊接结构更为不利，它显著降低焊缝的疲劳强度。焊缝中的气孔也破坏了焊缝金属的致密性2.1.1 热裂纹 热裂纹在高温下产生且都是沿奥氏体晶界开裂。热裂纹又分为：结晶裂纹，液化裂纹，多边化裂纹。结晶裂纹：结晶裂纹的形成时期在焊缝金属结晶过程中且温度在固相线附近的高温阶段，基础在焊缝金属的凝固末期固液共存的阶段，产生原因：由于凝固金属收缩时，残余液相不足，知识沿晶界开裂，故称结晶裂纹。结晶裂纹的一般特征：结晶裂纹存在焊缝上。从宏观上
23、看，最常见的情况是沿焊缝中心长度方向上开裂，即纵向裂纹。其断口有较明显的氧化色彩的特征，表面无光泽，这是结晶裂纹在高温下形成的一个证据。从微观上看，结晶裂纹具有沿枝晶间或柱状晶间发展的特征，沿着晶粒边界分布，属于沿晶裂纹的性质，裂纹的走向与低熔共晶沿沿一次结晶晶界分布，具有完全一至的特征。由于裂纹发生在高温下，裂纹端部圆钝，并不平直扩展。结晶裂纹沿一次结晶晶界分布，是判断结晶裂纹的依据。液化裂纹 焊接过程中，在焊接热循环峰值温度作用下，在母材近焊缝区与多层焊的层间金属中，由于低熔点共晶被加热熔化，在一定收缩应力作用下沿奥氏体晶界产生的开裂，即为液化裂纹。液化裂纹的一般特征如下；液化裂纹产生的部
24、位：一般是在母材近缝区中紧靠熔合线的地方，或多层焊焊缝的层间金属中。裂纹的走向：在母材近缝区中裂纹沿过热奥氏体晶界发展；在多次焊焊缝金属中裂纹沿原始柱状结晶发展，也可是纵向的；并且在多层焊焊缝金属中，液化裂纹可以贯穿层间；在近缝区中的液化裂纹可以穿越熔合线进入焊缝金属中。液化裂纹的敏感温度区间是在固相线以下稍低的温度，及从低熔的晶间第二相开始熔化的温度到它全部熔化的且部分晶间金属也开始熔化的温度。从被焊接材料上看液化裂纹主要发生在含有铬镍的高强度钢、奥氏体钢以及某些镍基合金等材料。多边化裂纹 焊接时， ，焊缝或进焊缝区在固相线以下的高温区域，由于刚凝固的金属存在很多晶格缺陷和严重的物理及化学部
25、均匀性，在一定的温度和应力作用下，由于晶格缺陷的移动和聚集，便形成了二次边界，即所谓的多边化边界，这个边界上堆积了大量的晶格缺陷，所以它的组织疏松，高温时的强度和塑性都降低，只要在此时受到少量的拉伸变形，就会沿多变化的边界裂开即为多边化裂纹。多边化裂纹的特征如下：1、在焊缝金属中，多边化裂纹虽然是沿晶界发生和发展，但它是沿着新生的二次晶界分布的，或沿迁移后的晶界，或沿再结晶晶界，而不是沿一次晶界分布。因此，裂纹的发展方向与一次结晶晶界毫无关系。这是多边化裂纹的重要标志。2、裂纹多发生在受高温的金属中，其部位并不都紧靠熔合线。这说明裂纹的产生和晶界液化并无关系。3、裂纹附近常伴有再结晶晶粒的出现
26、。4、产生多变裂纹的敏感温度区间是在固相线以下的再结晶温度，即多变裂纹的产生，与冷却过程中由于一定收缩应变速率的作用导致产生的“第二脆性温度”区有关。这类裂纹多发生在纯金属，或单相奥氏体合金钢的焊缝中或热影响区。这类裂纹虽归属热裂纹，但与结晶裂纹和液化裂纹的产生和发展有着本质的区别，及多变裂纹的产生与液膜无关，并而是由于空位、位错的移动和聚集，并沿多边化边界产生的裂纹裂纹：焊缝裂纹是焊接过程中或焊接完成后在焊接区域中出现的金属局部破裂的表现。 焊缝金属从熔化状态到冷却凝固的过程经过热膨胀与冷收缩变化，有较大的冷收缩应力存在，而且显微组织也有从高温到低温的相变过程而产生组织应力，更加上母材非焊接
27、部位处于冷固态状况，与焊接部位存在很大的温差，从而产生热应力等等，这些应力的共同作用一旦超过了材料的屈服极限，材料将发生塑性变形，超过材料的强度极限则导致开裂。裂纹的存在大大降低了焊接接头的强度，并且焊缝裂纹的尖端也成为承载后的应力集中点，成为结构断裂的起源。 裂纹可能发生在焊缝金属内部或外部，或者在焊缝附近的母材热影响区内，或者位于母材与焊缝交界处等等。根据焊接裂纹产生的时间和温度的不同，可以把裂纹分为以下几类： a.热裂纹（又称结晶裂纹）：产生于焊缝形成后的冷却结晶过程中，主要发生在晶界上，金相学中称为沿晶裂纹，其位置多在焊缝金属的中心和电弧焊的起弧与熄弧的弧坑处，呈纵向或横向辐射状，严重
28、时能贯穿到表面和热影响区。热裂纹的成因与焊接时产生的偏析、冷热不均以及焊条（填充金属）或母材中的硫含量过高有关。 b.冷裂纹：焊接完成后冷却到低温或室温时出现的裂纹，或者焊接完成后经过一段时间才出现的裂纹（这种冷裂纹称为延迟裂纹，特别是诸如14MnMoVg、18MnMoNbg、14MnMoNbB 等合金钢种容易产生此类延迟裂纹，也称之为延迟裂纹敏感性钢） 。冷裂纹多出现在焊道与母材熔合线附近的热影响区中，其取向多与熔合线平行，但也有与焊道轴线呈纵向或横向的冷裂纹。冷裂纹多为穿晶裂纹（裂纹穿过晶界进入晶粒） ，其成因与焊道热影响区的低塑性组织承受不了冷却时体积变化及组织转变产生的应力而开裂，或者焊缝中的氢原子相互结合形成分子状态进入金属的细微孔隙中时将造成很大的压应力连同焊接应力的共同作用导致开裂（称为氢脆裂纹） ，以及焊条（填充金属）或母材中的磷含量过高等因素有关。
