焊接冶金缺陷

11.8焊接冶金缺陷1.8.1气孔1.8.2焊接热裂纹1.8.3焊接冷裂纹1.8.4其他焊接裂纹2焊接裂纹的危害性焊接裂纹不仅给生产带来许多困难，而且可能是灾难性事故。1947年美国自由轮船断裂1944年美国液化天然气罐发生连锁爆炸，死亡133人1979年吉林液化石油气球罐爆炸焊接结构中的裂纹已成为各国所关注的课题。3焊接裂纹的种类4焊接热裂纹焊接冷裂纹其他裂纹裂纹按产生条件分再热裂纹层状撕裂应力腐蚀裂纹51.8.2焊接热裂纹一、热裂纹的一般特征二、热裂纹的分类三、结晶裂纹的形成与控制6一、热裂纹的一般特征温度：较高温度下产生；部位：多产生在焊缝、热影响区中；宏观：断口有氧化色；裂口宽度0.05～0.5mm,末端略呈圆形微观：沿晶粒边界分布，沿晶（或晶间）断裂7二、热裂纹的分类结晶裂纹高温液化裂纹多边化裂纹8结晶裂纹固相线附近→固态金属收缩→残余液态金属不足→不能及时填充收缩留下的空间→拉应力作用→晶间开裂现象，称为结晶裂纹。•材料种类：杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝中；单相A钢、镍基合金和某些铝合金焊缝中。9高温液化裂纹热影响区或多层焊层间金属受热循环作用晶界低熔点共晶重熔塑性和强度↓拉应力作用，沿奥氏体晶界开裂.•材料种类：•焊Cr、Ni的高强钢，A钢、镍基合金等10多边化裂纹在固相线以下的高温阶段缺陷聚集形成多边化边界高温下强度、塑性差，拉力作用，沿多边化边界开裂材料种类：纯金属或单相奥氏体合金焊缝或熔合区存在晶格缺陷（位错和空位）+温度和应力11三、结晶裂纹的形成与控制形成机理影响因素防止措施热处理强化铝合金焊缝中的结晶裂纹121、结晶裂纹的形成机理液态金属结晶经历液态→液固状态→固液状态→固态低熔点共晶液态薄膜脆性温度区间收缩应力拘束结晶裂纹13金属凝固过程中的脆性温度区TL－液相线TS－固相线TB－脆性温度区塑性δTBTSTLT'HT'Sab温度T固相固液液固液相14图11-48产生结晶裂纹的条件e－应变p－塑性TL－液相线TS－固相线TB－脆性温度区TH－TB上限TS'－TB下限TB应变e,塑性pT/℃TLTHTSTS'pmin123e＝f(T)p＝Φ(T)脆性温度区TB越大，收缩应力的作用时间就越长，产生的应变量越大，形成热裂纹的倾向越大。TB内金属的塑性pmin越低，产生热裂纹的倾向越大。TB内的应变增长率∂e/∂T越大，越容易产生裂纹。线2所对应的∂e/∂T为临界应变增长率，用“CST”表示。CST越大，材料对热裂纹敏感性越小。152、结晶裂纹的影响因素冶金因素应力因素下一页16结晶温度区间低熔共晶的形态一次结晶的组织合金元素的种类1）冶金因素17•结晶温度区间结晶温度区间大，脆性温度区范围大结晶裂纹的倾向大S点合金成分18•低熔共晶的形态当低熔共晶以球形状态存在时，结晶裂纹的倾向↓.当低熔点共晶以膜状存在时，结晶裂纹倾向增加。19•一次结晶的组织晶粒粗大，柱状晶方向性越明显，热裂纹的倾向↑晶粒的大小﹑形态和取向都会影响结晶裂纹。加入细化晶粒的合金元素（如Ti、Mo、V、Nb等），一方面可以破坏液态薄膜的连续性，另一方面可打乱柱状晶的方向，降低热裂纹的倾向。20δ相在奥氏体基底上的分布a）单相奥氏体b）δ＋γ奥氏体奥氏体铁素体液态薄膜a)b)21•合金元素的种类促进结晶裂纹形成－－S，P，C，Ni抑制结晶裂纹形成－－Mn，Si，Ti，稀土元素.22硫和磷--最有害的杂质元素增大凝固温度区间极易偏析;形成多种低熔点共晶;热裂纹倾向↑23合金系共晶成分（质量分数/%）共晶温度/℃Fe-SFe，FeS（S31）988Fe-PFe，Fe3P（P10.5）Fe3P，FeP（P27）10501260Fe-SiFe3Si，FeSi（Si20.5）1200Fe-SnFe，FeSn（Fe2Sn2，FeSn）（Sn48.9）1120Fe-TiFe，TiFe2（Ti16）1340Ni-SNi，Ni3S2（S21.5）645Ni-PNi，Ni3P（P11）Ni3P，Ni2P（P20）8801106Ni-BNi，Ni2B（B4）Ni3B2，NiB（B12）1140990Ni-AlγNi，Ni3Al（Ni89）1385Ni-ZrZr，Zr2Ni（Ni17）961Ni-MgNi，Ni2Mg（Ni11）109524影响热裂纹的主要元素→加剧硫﹑磷及其他元素的有害作用。脱硫作用+改善硫化物的形态→薄膜状改变为球状→提高金属的抗裂性。碳锰252）应力因素金属的强度金属所承受的拉伸应力。焊接脆性温度区内:或：热应力产生的应变量焊缝的塑性储备量263、结晶裂纹的防止措施冶金措施应力控制271）冶金措施①控制焊缝中有害杂质的含量S、P0.03-0.04；焊丝C0.12%(低碳钢)；焊接高合金钢，焊丝超低碳焊丝；细化晶粒，加入Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al。对于不锈钢焊接，为提高抗裂性、耐蚀性，希望得到γ+δ双相组织。②改善焊缝的一次结晶组织开大坡口，减小熔深或堆焊隔离层；③限制熔合比④“愈合作用”低熔共晶数量增多，结晶裂纹倾向降低的现象。282）应力控制①合理的接头形式表面堆焊和熔深较浅的对接焊缝不易产生；熔深较大的对接和角接、搭接和T型接头易产生；②合理的焊接顺序使大多数焊缝在较小的刚度下焊接，减少拘束应力③合理的焊接参数冷速大，裂纹倾向大；预热，可降低裂纹倾向；但提高预热温度会恶化劳动条件适当降低焊接热输入；291.8.3焊接冷裂纹延迟裂纹其他裂纹冷裂纹的特征和分类301、冷裂纹的一般特征温度：较低温度下产生；Ms点附近或更低部位：多产生在热影响区中；或物理化学成分不均匀的氢聚集地带宏观：发亮、金属光泽的脆断特征；裂口宽度0.001～0.01mm.微观：一般晶间（或沿晶）断裂；有时也会穿晶。常发生在刚性较大的中、高碳钢、低合金钢的焊接结构中。超强合金也会发生在焊缝。。一、冷裂纹的特征和分类312、冷裂纹的分类按裂纹形成原因分：延迟裂纹淬硬脆化裂纹低塑性脆化裂纹32延迟裂纹扩散氢、淬硬组织和拘束应力共同作用下产生具有明显的延迟特征。焊后要经过一段时间才出现，开始少量出现，随时间增长逐渐增多和扩展。三种：（1）焊趾裂纹（2）焊道下裂纹（3）根部裂纹33淬硬脆化裂纹－淬火裂纹某些淬硬倾向大的钢种+拘束应力→裂纹原因：冷却→马氏体相变→脆化。材质：高（中）碳钢、高强度合金钢、工具钢特点：与氢的关系不大，基本无延迟现象，成形加工后常立即出现。34低塑性脆化裂纹材质：铸铁、硬质合金、高铬合金等。如灰口铸铁在400℃以下，焊接裂纹↑。原因：收缩带来的应变→超过其本身的塑性储备量→裂纹。特点：基本无延迟现象。某些低塑性材料+较低温度→裂纹35二、延迟裂纹的形成与控制形成机理防止措施取决于钢种的淬硬倾向、焊接接头的应力状态、熔敷金属中扩散氢的含量。361、延迟裂纹的形成机理氢的行为及作用材料淬硬倾向的影响接头应力状态37•氢致延迟裂纹的形成机理氢高温→熔池冷却逸出残余氢+扩散氢延迟裂纹淬硬组织+应力（1）氢的行为及作用38缺陷前沿受应力作用→形成三向应力区“诱氢深入”→扩散、聚集→使此处应力增大。缺陷前沿：应力+脆性↑，氢达到临界值→缺陷前沿启裂、裂纹扩展。裂纹尖端→新的三向应力区。氢继续扩散、聚集…→宏观裂纹。应力诱导扩散理论：39含碳较高或合金含量较多的钢种，对裂纹和氢脆有较大的敏感性。原则：焊缝金属的含碳量一般要低于母材的含碳量。焊缝的含碳量低，相变温度较高；HAZ的含碳量较高，相变温度滞后；氢在A中的溶解度较大，扩散系数较小；在F、P中的溶解度较小，扩散系数较大。焊缝相变时，氢从焊缝F、P→热影响区A中扩散；导致氢在某些部位聚集。HAZ金属由奥氏体→马氏体转变，氢以过饱和状态残留在马氏体中.该组织脆化↑，导致裂纹。氢的扩散行为对致裂部位的影响40（2）材料的淬硬倾向原因：淬硬倾向大→硬脆的马氏体组织和高密度的晶格缺陷（如空位和位错等）。淬硬倾向↑－－产生裂纹↑。主要取决于材料的化学成分、焊接工艺、冷却条件和板厚等因素。41（3）接头应力状态a)应力的种类：热应力－－不均匀加热和冷却引起；组织应力－－金属相变引起；结构应力－－结构自身拘束条件引起；构成拘束应力42b）拘束度和拘束应力如平板对接接头：LEhR刚性大（弹性模量E大或板厚h大）或拘束距离L小的焊接结构，拘束度R↑,裂纹倾向↑。实际拘束度临界拘束度，产生冷裂纹。拘束度－－单位长度焊缝在根部间隙产生单位长度的弹性位移所需要的力。433、延迟裂纹的防止措施冶金措施工艺措施44a)改进母材的化学成分采用低碳多种微量合金元素的强化方式－－高强度+高韧性；尽量降低杂质元素（S，P，O，N等）含量－－提高抗冷裂性能；b)严格控制氢的含量清理油污和氧化皮；焊接材料的烘干；c)适当提高焊缝韧性加入细化晶粒的合金元素：Ti，Nb，Mo，V等，改善焊缝组织的韧性，降低焊接接头冷裂的敏感性。采用A焊条焊接淬硬倾向较大的中、低合金高强度钢，可减少裂纹；1）冶金措施452）工艺措施适当预热严格控制焊接热输入焊后低温热处理采用多层焊合理安排焊缝及焊接次序46a)适当预热预热可减少热应力，降低冷速，有效防止延迟裂纹的产生。合理选择预热温度。过高－－恶化劳动条件+产生附加应力。47b)严格控制焊接热输入增大热输入－－可降低冷却速度－－降低延迟裂纹的产生倾向。热输入过小－－冷却速度大－－延迟裂纹的产生倾向大；•热输入过大－－导致晶粒粗大－－产生粗大的M；48c)焊后低温热处理去氢处理－－使扩散氢充分逸出，同时降低残余应力。d)多层焊利用预热和焊后热处理的综合效果，减少延迟裂纹倾向。e)合理安排焊缝和焊接次序避免密集分布、尽量对称分布；在拘束度较小的状态下施焊，减少拘束应力。49三、其他裂纹再热裂纹层状撕裂应力腐蚀裂纹501、再热裂纹焊后在一定温度范围内重新加热（热处理）→裂纹。包括：消除应力处理裂纹：某些合金钢焊后消除应力处理过程中产生的裂纹。应变时效裂纹：高温合金在焊后时效处理或高温使用过程中伴随时效沉淀硬化而出现的裂纹指在过饱和固溶体中溶质原子偏聚区和由之脱溶出微粒弥散分布于基体中而导致硬化。511）特点：2）材质：低合金高强钢、珠光体耐热钢、不锈钢等。•含有沉淀强化元素（Cr、Ti、V、Nb等）；•在热影响区的粗晶区域、沿晶断裂；•在大拘束度的厚件和应力集中部位最易产生；•存在敏感温度范围：•低合金高强度钢和耐热钢－－500～700℃；•高温合金－－700～900℃；523）产生机理是由晶界优先滑动导致微裂而发生和扩展的4）防止措施•选用含沉淀强化元素少的母材，并限制杂质含量；•限制热输入，避免晶粒粗化；•预热和后热；•焊材－－低匹配原则；•降低残余应力，避免应力集中。532、层状撕裂产生呈“阶梯”状的裂纹。轧制母材的分层的夹杂物(特别是硫化物夹杂物）焊接时产生的垂直轧制方向的应力+1）材质：在大厚度低合金高强钢。54典型的层状撕裂553）防止措施•选材：用具有抗层状撕裂的钢材。•设计和工艺上：避免单侧焊缝；焊接量少的对称角焊缝取代焊接量大的全焊透焊缝；在承受Z向应力的一侧开坡口；T形接头的横板上预先堆焊一层低强的熔敷金属；563、应力腐蚀裂纹+拉应力－－裂纹。特定腐蚀介质无明显的均匀腐蚀痕迹，呈龟裂状；断口有金属光泽，脆断特征；焊缝或热影响区，沿晶或穿晶开裂；2）材质：低碳钢、低合金钢、铝合金、黄铜、奥氏体不锈钢以及镍基合金等1）特点：573）防止措施•选材：一般来讲，焊缝的化学成分和组织应尽可能与母材一致。•介质：腐蚀介质与材料匹配。•应力：从结构的设计、热输入、焊接顺序等方面降低残余应力。5859