材料加工理論-焊接部分-第五章

1、第五章 焊接裂紋5.1 焊接熱裂紋,1、熱裂紋的分類結(jié)晶裂紋（凝固裂紋）液化裂紋多邊化裂紋,焊縫中結(jié)晶裂紋的分布,2、熱裂紋一般特征產(chǎn)生時期：在焊接過程中焊縫和熱影響區(qū)金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)時產(chǎn)生的裂紋。裂紋走向：裂紋起源與擴展均是沿晶粒邊界產(chǎn)生部位：焊縫或熱影響區(qū)近縫區(qū)材質(zhì)：焊雜質(zhì)較多的碳鋼、低合金高強鋼、奧氏體不銹鋼、鋁合金、鎳基合金等,第五章 焊接裂紋5.1 焊接熱裂紋,3、熱裂紋形成產(chǎn)生的條件：從金屬斷

2、裂理論可知，發(fā)生高溫沿晶斷裂的條件是，在高溫階段晶間延性或塑性變形能力?min不足以承受凝固過程或高溫時冷卻過程積累的應(yīng)變?，即： ?? ?min脆性溫度區(qū)間：在高溫階段，金屬存在兩個脆性溫度區(qū)間。,形成焊接熱裂紋的“脆性溫度區(qū)間”,第五章 焊接裂紋5.1 焊接熱裂紋,脆性溫度區(qū)間在I區(qū)：與液膜有關(guān)的裂紋形核焊縫金屬在結(jié)晶末期，在固相線Ts附近，因晶間殘存液膜使塑性下降所造成的熱裂紋統(tǒng)稱為凝固裂紋（結(jié)晶裂紋）。這種裂紋容易在焊縫

3、中心形成，特別容易在弧坑產(chǎn)生。在母材近縫區(qū)或多層焊的前一焊道因過熱而液化的晶界上，也會導(dǎo)致由于晶間液膜分離的開裂現(xiàn)象，這種裂紋則稱液化裂紋。,,在II區(qū)：與液膜無關(guān)的裂紋形核與再結(jié)晶相聯(lián)系而致晶間延性陡降，造成沿晶開裂，稱為高溫失沿裂紋。由于位錯運動而形成多變化邊界（亞晶界）而開裂的，稱為多邊化裂紋。,第五章 焊接裂紋5.1 焊接熱裂紋,4、結(jié)晶裂紋的形成機理（與液膜有關(guān)的裂紋形核）,熔池結(jié)晶的階段及脆性溫度區(qū)間,第五章 焊接裂

4、紋5.1 焊接熱裂紋,4、結(jié)晶裂紋的形成機理（與液膜有關(guān)的裂紋形核）熔池結(jié)晶過程液固階段：熔池開始結(jié)晶，僅有少量的晶核，以后逐漸晶核長大核形成新的晶核，但始終保持有較多的液相，相鄰晶粒之間不發(fā)生接觸，液態(tài)金屬可在晶粒之間自由流動。此時雖有拉伸應(yīng)力存在，但被拉開的縫隙能及時被流動著的液態(tài)金屬所填滿，因此在液固階段不產(chǎn)生裂紋。,第五章 焊接裂紋5.1 焊接熱裂紋,4、結(jié)晶裂紋的形成機理（與液膜有關(guān)的裂紋形核）固液階段：當結(jié)晶繼續(xù)進

5、行時，固相不斷增多，且不斷長大，冷卻到某一階段，相鄰晶粒之間發(fā)生接觸，由于液態(tài)金屬少，液態(tài)金屬不能在晶粒之間自由流動。在拉伸應(yīng)力作用下產(chǎn)生的微小的縫隙不能被填充，最后凝固的存在于固相金屬間的低熔點液態(tài)金屬，已成為液態(tài)薄模，強度低、變形能力差，而應(yīng)變集中，因此有產(chǎn)生裂紋的可能。這個階段正好對應(yīng)脆性溫度區(qū)間。,第五章 焊接裂紋5.1 焊接熱裂紋,凝固裂紋產(chǎn)生示意圖,5、結(jié)晶裂紋產(chǎn)生條件,第五章 焊接裂紋5.1 焊接熱裂紋,5、結(jié)晶裂紋產(chǎn)

6、生條件脆性溫度區(qū)間的?TB大小， ?TB ?，結(jié)晶裂紋?； 合金材料在?TB 區(qū)間具有的延性?min， ?min ?，結(jié)晶裂紋? ?TB 區(qū)間內(nèi)積累的應(yīng)變?或應(yīng)變增長率?? / ? T， ?? / ? T ?，結(jié)晶裂紋?。,第五章 焊接裂紋5.1 焊接熱裂紋,5、結(jié)晶裂紋產(chǎn)生條件當?TB 及?min一定時，能否產(chǎn)生凝固裂紋主要取決于在?TB 內(nèi)?? / ? T 的變化情況。應(yīng)變增長率為直線1時， ? ?min ，則產(chǎn)生裂紋；

7、,第五章 焊接裂紋5.1 焊接熱裂紋,5、結(jié)晶裂紋產(chǎn)生條件?TB、 ?min---冶金因素、化學(xué)成分、雜質(zhì)數(shù)量及分布、晶粒大小?? / ? T---合金的線膨脹系數(shù)、接頭的剛度或拘速度、溫度場特性等,第五章 焊接裂紋5.2 焊接熱裂紋的控制,一、冶金因素的作用1、合金狀態(tài)圖類型影響結(jié)晶溫度區(qū)間凝固溫度區(qū)間越大，?TB也就越大。不同的合金狀態(tài)圖的影響,結(jié)晶溫度區(qū)間與裂紋傾向的關(guān)系,第五章 焊接裂紋5.2 焊接熱裂紋的控制,

8、一、冶金因素的作用2、化學(xué)成分影響脆性溫度區(qū)間假設(shè)固相線Ts和液相線Tl均為直線設(shè)二元合金溶質(zhì)元素的初始濃度為x0合金的溶質(zhì)分配系數(shù)K0=xs/xl液相線的斜率Ml=AB/BD=AG/GH,固溶合金的凝固溫度區(qū)間）,第五章 焊接裂紋5.2 焊接熱裂紋的控制,一、冶金因素的作用2、化學(xué)成分影響脆性溫度區(qū)間,第五章 焊接裂紋5.2 焊接熱裂紋的控制,溶質(zhì)元素S、P、C等元素的rf值比較大，大大提高了?Tf從而提高?TB。為

9、了防止產(chǎn)生焊接熱裂紋，限制合金中的易偏析元素S、P、C 等，應(yīng)是基本措施之一。,各合金元素對鐵合金結(jié)晶溫度區(qū)間的影響,第五章 焊接裂紋5.2 焊接熱裂紋的控制,一、冶金因素的作用3、晶間形態(tài),球狀,,薄模狀,熱裂紋傾向,,第五章 焊接裂紋5.2 焊接熱裂紋的控制,一、冶金因素的作用3、晶間形態(tài),,S-O共存時接觸角?的變化,第五章 焊接裂紋5.2 焊接熱裂紋的控制,一、冶金因素的作用3、晶間形態(tài),,焊縫凝固裂紋與Mn/S的關(guān)

10、系,在Fe-C合金中，Mn/S的比值對焊接熱裂紋的產(chǎn)生有顯著影響：含碳量小于0.16%時，Mn/S的比值大于25%，不產(chǎn)生熱裂紋。含碳量大于0.16%時，提高Mn/S的比值無降低熱裂紋的傾向。,合金系統(tǒng)中共存的成分對偏析物質(zhì)的存在形態(tài)有重要影響。,第五章 焊接裂紋5.2 焊接熱裂紋的控制,一、冶金因素的作用4、愈合現(xiàn)象,,Si對Al-Mn合金焊縫凝固裂紋數(shù)目的影響,C對高鉻鋼堆焊焊縫凝固裂紋率的影響,第五章 焊接裂紋5.

11、2 焊接熱裂紋的控制,一、冶金因素的作用4、愈合現(xiàn)象,,4）當合金成分增多到足以在晶間形成大量易熔物質(zhì)時，它們可以在晶粒周邊流動，即使有微小的裂紋產(chǎn)生，也會被“愈合”。5）大量低熔物質(zhì)的存在，雖然能起到“愈合作用”，但會降低接頭的力學(xué)性能。,1）熱裂紋傾向隨第二相數(shù)量的增加，有極值現(xiàn)象。2）合金成分含量少時，晶間形成極少量易熔物質(zhì)時，不足以形成熱裂紋；3）當合金成分增多以致晶間形成較多易熔物質(zhì)時，它們在晶粒周邊分布而削弱晶粒聯(lián)系

12、，促使產(chǎn)生熱裂紋；,第五章 焊接裂紋5.2 焊接熱裂紋的控制,一、冶金因素的作用5、組織形態(tài)焊縫如果是單向奧氏體組織，則熱裂紋傾向增大希望形成雙相組織?+?。主要因為： ?相比?相能固溶更多的有害雜質(zhì)，而減少有害雜質(zhì)的偏析。?相的分散存在可使?相枝晶支脈發(fā)展受到限制，從而細化晶粒、打亂晶粒的方向性。6、變質(zhì)處理細化晶粒、增大晶界面積，減少雜質(zhì)的集中，有利于消除脆弱面，改善抗裂性能。,,第五章 焊接裂紋5.2 焊接熱裂紋

13、的控制,一、冶金因素的作用7、焊接熔渣堿度的作用,,結(jié)論：選用堿性焊條或焊劑有利于提高焊縫的抗熱裂性能,熔渣堿度（B1）對焊縫熱裂紋的影響,第五章 焊接裂紋5.2 焊接熱裂紋的控制,二、工藝條件的影響1、熔池或焊縫形狀的影響熔池開始聯(lián)生結(jié)晶后，結(jié)晶的繼續(xù)生長則受溫度場的分布或?qū)岱较蛩绊?。不同的接頭形式，具有不同的散熱條件。在同一接頭內(nèi)，枝晶成長情況與焊接熔池形狀有密切關(guān)系。熔池形狀利用焊縫形狀系數(shù)來表示： ?=B/H,

14、,焊縫形狀系數(shù)對焊縫熱裂紋的影響,第五章 焊接裂紋5.2 焊接熱裂紋的控制,結(jié)論：盡可能避免??1。即焊縫實際厚度不要超過焊縫寬度,第五章 焊接裂紋5.2 焊接熱裂紋的控制,二、工藝條件的影響1、熔池或焊縫形狀的影響焊縫形狀系數(shù)隨焊接電流的增大而減少，隨電弧電壓的增大而增大。,,熔池形狀與焊接速度a) 低速焊接 b)高速焊接,低速焊接時，熔池常成為橢圓形，樹狀晶呈人字紋路向焊縫中部成長，不易產(chǎn)生偏析弱面，故熱裂傾向小。高速焊

15、接時，熔池常成為所謂淚滴形，樹枝晶近乎直線地向焊縫軸線對向生長，易在會合面處形成顯著的偏析弱面，所以，熱裂紋傾向大。,第五章 焊接裂紋5.2 焊接熱裂紋的控制,二、工藝條件的影響2、冷卻速度的影響冷卻速度越大，形變速度或應(yīng)變增長率也越大，越易于促使產(chǎn)生熱裂紋。預(yù)熱對于降低熱裂傾向一般是比較有效的。3、接頭剛度與焊接順序為防止接頭焊接熱裂紋，盡可能減少應(yīng)變增長率及應(yīng)變量設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)時盡量考慮減少接頭剛度焊接工藝設(shè)計時，選擇

16、合理的施焊順序，應(yīng)保證最后幾條焊縫有較大的收縮自由，而減少其內(nèi)應(yīng)變量。,,第五章 焊接裂紋5.2 焊接熱裂紋的控制,一、焊接冷裂紋的特征形成時間：馬氏體轉(zhuǎn)變溫度以下：+75~-100之間，有潛伏期(幾小時甚至幾天),延遲斷裂時間與應(yīng)力的關(guān)系,第五章 焊接裂紋5.3焊接冷裂紋的特征及形成規(guī)律,一、焊接冷裂紋的特征裂紋走向：沿晶或穿晶產(chǎn)生部位：多在焊接熱影響區(qū)材質(zhì)：中、高碳鋼、低合金高強鋼、鈦合金,幾種冷裂紋的分布示意,第五章

17、焊接裂紋5.3焊接冷裂紋的特征及形成規(guī)律,二、焊接冷裂紋的形成條件1、冷裂紋產(chǎn)生的基本因素（1）淬硬組織的影響,馬氏體數(shù)量與冷卻速度的關(guān)系及其對熱影響區(qū)冷裂紋傾向的影響,第五章 焊接裂紋5.3焊接冷裂紋的特征及形成規(guī)律,二、焊接冷裂紋的形成條件1、冷裂紋產(chǎn)生的基本因素（1）淬硬組織的影響,高強鋼CCT圖與CTS裂紋實驗結(jié)果,馬氏體數(shù)量增多，冷裂傾向增大！,第五章 焊接裂紋5.3焊接冷裂紋的特征及形成規(guī)律,二、焊接冷裂紋的

18、形成條件1、冷裂紋產(chǎn)生的基本因素（2）氫的影響,高碳鋼熱影響區(qū)延遲裂紋的形成,1）焊縫的含碳量低于母材，因此焊縫在較高的溫度就發(fā)生相變，此時，母材熱影響區(qū)金屬尚未開始奧氏體分解（含碳量較高，發(fā)生滯后相變）。2）當焊縫由奧氏體轉(zhuǎn)變鐵素體，珠光體等組織時，氫的溶解度突然下降，而氫在鐵素體、珠光體中的擴散速度很快，氫很快地從焊縫向尚未分解的熱影響區(qū)的奧氏體中擴散。,第五章 焊接裂紋5.3焊接冷裂紋的特征及形成規(guī)律,二、焊接冷裂紋的形成

19、條件1、冷裂紋產(chǎn)生的基本因素（2）氫的影響,3）由于氫在奧氏體中的擴散速度較小，不能很快擴散到距熔合線較遠的母材中。熔合線附近形成了富氫地帶。4）當滯后相變的熱影響區(qū)中奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體時，氫以過飽和狀態(tài)殘留在馬氏體中。,高碳鋼熱影響區(qū)延遲裂紋的形成,第五章 焊接裂紋5.3焊接冷裂紋的特征及形成規(guī)律,二、焊接冷裂紋的形成條件1、冷裂紋產(chǎn)生的基本因素氫的影響,碳當量與臨界含氫量的關(guān)系,第五章 焊接裂紋5.3焊接冷裂紋的特征及

20、形成規(guī)律,二、焊接冷裂紋的形成條件1、冷裂紋產(chǎn)生的基本因素（3）拘束應(yīng)力熱應(yīng)力組織應(yīng)力構(gòu)件本身自身條件，造成的拘束應(yīng)力拘束度：單位長度焊縫，在根部間隙產(chǎn)生單位長度的彈性位移所需要的力。,對接接頭的拘束度模型,拘束度：,第五章 焊接裂紋5.3焊接冷裂紋的特征及形成規(guī)律,二、焊接冷裂紋形成的條件2、冷裂紋產(chǎn)生的臨界條件冷裂紋產(chǎn)生的臨界應(yīng)力的經(jīng)驗公式日本利用插銷試驗建立的經(jīng)驗公式,第五章 焊接裂紋5.3焊接冷裂紋的特征及

21、形成規(guī)律,二、焊接冷裂紋形成的條件2、冷裂紋產(chǎn)生的臨界條件冷裂紋產(chǎn)生的臨界應(yīng)力的經(jīng)驗公式國內(nèi)利用插銷試驗建立的經(jīng)驗公式,能夠通過計算，得出實際結(jié)構(gòu)的拘束應(yīng)力，與臨界應(yīng)力比較，可判斷結(jié)構(gòu)是否可產(chǎn)生冷裂紋。,第五章 焊接裂紋5.3焊接冷裂紋的特征及形成規(guī)律,二、焊接冷裂紋形成的條件2、冷裂紋產(chǎn)生的臨界條件冷裂紋產(chǎn)生的臨界冷卻時間的經(jīng)驗公式,第五章 焊接裂紋5.3焊接冷裂紋的特征及形成規(guī)律,二、焊接冷裂紋形成的條件2、冷裂紋產(chǎn)

22、生的臨界條件冷裂紋產(chǎn)生的臨界冷卻時間的經(jīng)驗公式,第五章 焊接裂紋5.3焊接冷裂紋的特征及形成規(guī)律,二、焊接冷裂紋形成的條件3、冷裂紋產(chǎn)生的機理（氫的應(yīng)力擴散理論）金屬內(nèi)部的缺陷（微孔、微夾雜和晶格缺陷等）提供了潛在裂源。在應(yīng)力的作用下，微觀缺陷的前沿形成了三向應(yīng)力區(qū)，誘使氫向該處擴散并聚集。當氫的濃度達到一定程度時，一方面產(chǎn)生較大的應(yīng)力，而另一方面阻礙位錯移動而使該處變脆，當應(yīng)力進一步加大時，促使缺陷擴展而形成裂紋。,氫致裂

23、紋的擴展過程,第五章 焊接裂紋5.3焊接冷裂紋的特征及形成規(guī)律,三、冷裂紋的控制,冷裂紋產(chǎn)生條件及其影響因素,第五章 焊接裂紋5.3焊接冷裂紋的特征及形成規(guī)律,三、冷裂紋的控制1、鋼材化學(xué)成分改進母材的化學(xué)成分：降低鋼材的含碳量，加入多種微量元素。2、采用低氫或超低氫焊條3、焊前預(yù)熱降低擴散氫含量4、后熱（消氫處理）降低殘余應(yīng)力改善組織，減少淬硬性降低擴散氫5、多層焊層間溫度,第五章 焊接裂紋5.4 再熱裂紋的