焊接冶金原理课件：7焊接裂纹01

第七章焊接裂纹7.1焊接热裂纹7.2焊接冷裂纹7.3其他焊接裂纹焊接裂纹热裂纹冷裂纹再热裂纹层状撕裂应力腐蚀裂纹高温液化裂纹多边化裂纹延迟裂纹淬硬脆化裂纹低塑性脆化裂纹结晶裂纹焊接裂纹的分类概述焊接裂纹是焊接加工中的主要缺陷，也是引起焊接结构发生破坏事故的主要原因。焊接裂纹的危害脆性断裂、轻者返修、重者结构报废、难于检测；产生原因：设计不当、选材不合理、运行操作问题。7.1焊接热裂纹热裂纹形成于焊接冷却过程的高温阶段（固相线附近），故称为热裂纹。开裂位置：主要在焊缝区，但少量也出现在热影响区（近缝区）；断口特征：宏观断口上一般可见明显的氧化色彩；微观上沿晶开裂；根据被焊金属材料和焊接工艺条件不同，产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也有所不同，焊接热裂纹可细分为结晶裂纹（凝固裂纹）、高温液化裂纹和多边化裂纹等三种。7.1.1结晶裂纹结晶裂纹结晶裂纹形成温度：稍高于固相线断口特征：断面上可以看到氧化彩色裂纹分布：沿焊缝两侧柱状晶交汇的中心线或柱状晶晶间分布敏感材料：含杂质较多的碳钢、低合金钢(含硫、磷、碳，硅偏高)、单相奥氏体钢、镍基合金及某些高强铝合金。结晶裂纹分布示意图结晶裂纹也称凝固裂纹，是焊缝凝固结晶最后阶段，在固相线附近，由于残余液体金属不能及时填充因金属凝固收缩所形成的间隙，在拉应力作用下发生的一种沿晶开裂。2024铝合金脉冲激光焊结晶裂纹Inconel690合金钨极氩弧焊焊缝结晶裂纹7010铝合金焊缝结晶裂纹结晶裂纹形成机理结晶裂纹是在焊缝结晶过程中产生的，但是究竟产生在结晶的哪个阶段哪？液态金属凝固过程：液态液/固态固/液态固态裂纹产生的基本条件是材料的拉伸变形量超过它的塑性变形能力(εp)，结晶裂纹也是金属的低塑性(内因)和拉伸应力(外因，也是必要条件)共同作用下的结果。T0T1T2θpminε1pS1p1ε2=p2123p=Φ(T)TBTLTSε,px0xTT液态液/固态固态固/液态T3熔池结晶过程与结晶裂纹形成条件示意图：(a)熔池结晶过程示意图；(b)结晶裂纹形成条件示意图焊缝金属在由液/固态经固/液态到固态的凝固过程中，存在一个低塑性区，该区域内焊缝金属塑性随温度的变化曲线将出现最低值。通常将该区所对应的温度区间称为“脆性温度区间”。是否产生结晶裂纹取决于在脆性温度区间△TB范围内同一温度下焊缝金属的塑性（p）与凝固收缩引起的拉伸应变ε的对比关系：当某温度下εp时，焊缝金属不形成裂纹；当εp时，焊缝金属将形成裂纹；当ε=p时为临界状态。某温度下焊缝金属的塑性（p）与凝固收缩引起的拉伸应变（ε）之差，即spp为同温度下焊缝金属的“塑性储备”，塑性储备越大，越不容易产生结晶裂纹。应变增长率以直线“1”的斜率增长时，其在温度T1达到的拉伸应变量ε1与同温度下焊缝金属的塑性p1最接近（塑性储备最小），焊缝金属仍有塑性储备，因此不会产生结晶裂纹；应变增长率以直线“3”的斜率增长时，在温度T3以下，焊缝金属内拉伸应变将大于其塑性，焊缝金属内将产生结晶裂纹；应变增长率以直线“2”的斜率增长时，在T2温度其塑性储备全部耗尽，即，正好达到产生结晶裂的临界条件。此时的应变增长率称为临界应变增长率，以CST表示CSTtgT0T1T2θpminε1pS1p1ε2=p2123p=Φ(T)TBTLTSε,px0xTT液态液/固态固态固/液态T3TθpminTBTθ'TB'ε,pθpminTBε,pTp'minθ'CST（tgθ）与焊缝金属特性(△TB，pmin)有关，它综合反映了焊缝金属结晶裂纹裂纹的敏感性，CST（tgθ）越大，表明材料的热裂敏感性越小。当pmin一定时，△TB越大，则CST（tgθ）越小，焊缝金属结晶裂纹敏感性越大；当△TB一定时，pmin越小，则tgθ(CST)越小，结晶裂纹敏感性越大。△TB和pmin对结晶裂纹敏感性的影响：(a)△TB；(b)pmin结晶裂纹的影响因素1．冶金因素1）结晶温度区间T()x(%)SS'x(%)裂纹倾向(%)结晶裂纹倾向随结晶过程中脆性温度区间增大而增大，而结晶脆性温度区间随合金状态图结晶温度区间的增大而增加；实际焊接条件下焊缝的凝固均属非平衡结晶，实际固相线要比平衡条件下的固相线向左下方移动，裂纹倾向的变化曲线也随之左移，意味着在实际焊接条件下，更容易产生结晶裂纹。结晶温度区间与裂纹敏感性的关2）凝固结晶组织凝固结晶的晶粒越粗大、方向性越强（如粗大的柱状晶），越容易在晶界形成大面积的液态薄膜，形成结晶裂纹的倾向越大；凝固时的相组成也对结晶裂纹倾向有重要影响。焊接18-8型不锈钢时，希望得到γ+δ两相组织，一方面，少量的δ相细化凝固组织，并干扰奥氏体柱状晶的方向性；另一方面，为δ能比γ时溶解更多的S和P，从而降低结晶裂纹倾向δ相在奥氏体基底上的分布：(a)单相奥氏体；(b)δ+γ3)合金元素对产生结晶裂纹的影响合金元素对焊缝金属的凝固结晶行为如结晶温度区间（脆性温度区间）、凝固偏析、低熔共晶形态及凝固结晶组织等均有显著影响，是影响结晶裂纹裂纹倾向最重要的因素。合金系共晶成分（wt%，at%）共晶温度()铁二元共晶Fe-SFe，FeS(S31，44)988Fe-PFe，Fe3P(P10.5，17.5)Fe3P，FeP(P27，40)10501260Fe-SiFe3Si，FeSi(Si20.5，34)1200Fe-SnFe，FeSn(Fe2Sn2，FeSn)48.9，9.311120Fe-TiFe，TiFe2(Ti16，14)1340镍二元共晶Ni-SNi，Ni3S2(S21.5，33.4)645Ni-PNi，Ni3P(P11，19)Ni3P，Ni2P(P20，32.2)8801106Ni-BNi，Ni2B(B4，18.5)Ni3B2，NiB(B12，14)1140990Ni-AlγNi，Ni3Al(Ni89，78)1385Ni-ZrZr，Zr2Ni(Ni17，24)961Ni-MgNi，Ni2Mg(Ni11，23)1095（1）硫和磷硫和磷在钢中能形成多种低熔共晶，使结晶过程中极易形成液态薄膜，而且，硫和磷在钢中还非常容易偏析，因而显著增裂纹倾向。硫、磷几乎在各类钢中都会增加结晶裂纹的倾向，即使是微量存在，也会使结晶温度区间大大增加。硫和磷是对纯铁结晶温度区间影响最显著的元素。（2）碳碳也是影响钢的结晶裂纹倾向的主要元素，而且碳还会加剧其它元素(如硫、磷等)的有害作用。所以通常用碳当量来评价钢种的焊接性。合金元素对铁结晶温度区间的影响（3）锰锰具有脱硫作用，能置换FeS中的铁形成MnS，而且锰还能能改善硫化物的分布形态，使薄膜状FeS改变为球状分布，从而降低钢的结晶裂纹倾向。随钢中含碳量增加，要求锰与硫的比值Mn/S也随之增加。当含碳量超过包晶点时(即C=0.16％)，磷对产生结晶裂纹的作用就超过了硫，此时再增加锰与硫的比值意义不大。（4）硅硅是δ相形成元素，有利于消除结晶裂纹，但硅含量超过0.4％时，容易形成硅酸盐夹杂，降低焊缝力学性能，并增加裂纹倾向。（5）镍镍在低合金钢中易于与硫形成低熔共晶，Ni与NiS形成的低熔共晶温度仅为645。因此镍增加钢的结晶裂纹倾向。（6）氧氧对焊缝产生结晶裂纹的影响尚没有定论。焊缝中有一定的含氧量，能降低硫的有害作用，研究认为是形成了Fe-FeS-FeO三元共晶，使FeS由薄膜状变为球状所致。锰/硫比和碳含量对碳钢及低合金钢结晶裂纹的影响焊缝金属结晶裂纹倾向可以用CST（tgθ）表征，与焊缝金属的特性参量△TB和pmin有关，而焊缝金属得特性（△TB和pmin）又由其成分决定，因此，有研究者尝试建立了CST（tgθ）与合金元素含量的关系。日本焊接学会通过研究HTl00低合金钢的结晶裂纹敏感性得到CST=(-19.2C-97.2S-1.0Ni-0.8Cu-618.5B+3.9Mn+65.7Nb+7.0)×10-4当CST≥6.5×10时可以避免结晶裂纹。需要指出的是，该式用于表征HTl00低合金钢焊缝金属结晶裂纹倾向是可以的，但作为结晶裂纹是否形成的判据尚存在比较大的局限性，因为这种判据并没有考虑实际焊接过程中的工艺和结构因素2．工艺因素1）冷却速度接头冷却速度越大，焊接变形和应力越大，越易于促进产生热裂纹；提高焊接线能量也能降低冷却速度，但效果不一定明显。一般认为适当降低线能量对降低热裂倾向比较有利。但不宜采取提高焊接速度的方法来限制焊接线能量，而应适当降低焊接电流。冷却速度对杂质元素的偏析也有明显影响，从而也会影响结晶裂纹的形成。一般来说，杂质元素的偏析存在一个敏感的温度区间，过高或过低都反而会使偏析减小。2）拘束度的影响为防止接头产生热裂纹，应尽可能减少应变量及应变增长率。从结构设计开始就应考虑接头的刚度或拘束度，例如尽可能减小板厚和合理布置焊缝，注意避免焊缝交叉，尽可能减小焊脚尺寸和焊道截面积，还应控制合理的焊接顺序等。施焊顺序不合理时，最后几条焊缝可能处于被拘束状态，不能自由收缩，从而增大应变量，促进裂纹产生。7.1.4焊接结晶裂纹的控制措施1.冶金措施1）控制焊缝金属杂质含量硫、磷等杂质元素不仅能与钢中的合金元素形成低熔共晶，而且在焊接条件下还容易形成偏析，是强烈促进结晶裂纹形成的杂质元素。因此，为了预防结晶裂纹，焊接过程中必须严格控制焊缝金属硫、磷等杂质元素的含量。2）改善焊缝的凝固组织晶粒粗大尤其是粗大而方向性强的柱状晶是促进结晶裂纹形成的重要因素，因此，改善焊缝凝固组织主要是指细化晶粒，减少或消除柱状晶。通过细化焊缝凝固组织可以减少杂质元素（如硫、磷等）的偏析，改变凝固过程中液态薄膜的形态（避免连续大面积低熔液态薄膜的形成）。(a)(b)稀土元素钪对Al-Zn-Mg合金钨极氩弧焊缝结晶裂纹的影响：(a)Al-5.51Zn-0.34Mg-0.51Mn-0.13Fe焊丝；(b)(Al-5.51Zn-0.34Mg-0.51Mn-0.13Fe)+0.25Sc焊丝3）增加低熔共晶液相的量Cu含量对Al-Cu合金熔化极气体保护电弧焊焊缝结晶裂纹的影响：(a)Al-0.1Cu；(b)Al-4.0Cu；(c)Al-8.4Cu2.工艺措施1）控制熔合比熔合比对焊缝金属化学成分有影响，因而对结晶裂纹倾向有影响。对于一些易于向焊缝转移有害杂质的母材，焊接时必须尽量减小熔合比，或者开大坡口，或者减小熔深，甚至堆焊隔离层。焊接中碳钢、高碳钢以及异种金属时，限制熔合比具有重要的意义。2）合理设计焊接结构和接头形式焊接裂纹的形成需要力学条件——应力(应变)达到临界值。焊接母材和材料确定的条件下，焊接接头的应力(应变)与拘束度和焊接工艺有关，而其中的拘束度又主要取决于焊接结构和接头形式。因此，为防止和减少形成焊接裂纹，焊接结构和接头形式设计的主要目标是尽可能减小焊接拘束度。3）优化焊接工艺优化焊接工艺包括采用合适的焊接线能量、焊前预热/焊后缓冷、采用合理的焊接次序等。焊接线能量和焊前预热/焊后缓冷主要是调控冷却速度，焊接次序则主要调控的是焊接拘束度。7.1.2高温液化裂纹高温液化裂纹就是近缝区或多层焊的层间部位在焊接热循环峰值温度的作用下，由于被焊金属晶界含有较多的低熔共晶而被重新熔化，在拉应力作用下沿晶界发生开裂而形成的一种裂纹。液化裂纹在被焊金属固相线稍低的温度形成，主要发生在含有铬镍的高强钢、奥氏体钢、以及某些镍基合金的近缝区或多层焊层间部位。全熔透焊接部分熔化区液化裂纹的形成a)示意图，b)6061铝合金部分熔化区裂纹涡轮发动机Inconel718合金部件修复近缝区液化裂纹GH909高温合金激光焊近缝区液化裂纹7.1.3多边化裂纹在固相线以下形成的热裂纹，还有另一种与液膜无关的“多边化”边界开裂模式，即所谓多边化裂纹，焊接时焊缝或近缝区在固相线稍下的高温区，在应力作用下沿二次“多边化边界”所形成的裂纹。多边化裂纹多发生在纯金属或单相奥氏体合金的焊缝中或近缝区。多边化裂纹的形成机制与焊缝金属或近缝区的多边化现象密切相关。由于刚凝固的焊缝金属中存在高密度的晶格缺陷（如位错、空位等）