焊接冶金原理课件：7焊接裂纹02

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7.2焊接冷裂纹7.2.1焊接冷裂纹的一般特征焊接冷裂纹是相对热裂纹而言，通常是指焊后冷至较低温度下产生的一类裂纹，对于低合金高强钢，其形成温度大约在马氏体转变温度（Ms）附近。分类：延迟裂纹、淬硬脆化裂纹和低塑性脆化裂纹三种。位置：低合金钢、中合金钢、中碳和高碳钢的焊接热影响区；高强钢或某些钛合金时，出现在焊缝金属上。断口特征：具有金属光泽的脆性断裂特征，微观上既有晶间（沿晶）断裂，也有穿晶（晶内）断裂，常常是晶间和穿晶的混合断裂。1、延迟裂纹延迟裂纹形成温度在马氏体转变温度（Ms）以下，不在焊后立即出现，而是有一段孕育期，从数小时到数天，甚至更长，即具有延迟明显的延迟特征。焊接延迟裂纹的敏感材料主要有中碳钢、高碳钢、低合金钢和中合金钢等，裂纹多分布在焊接热影响区，但时常也出现在焊缝。(a)(b)焊接延迟裂纹：(a)药芯焊丝电弧焊（FCAW）焊接HY-80钢；(b)埋弧焊（SAW）焊接API5L-X70钢从分布的具体位置来看，焊趾附近、焊道下和焊缝根部是延迟裂纹常见的形成区域，分别称为焊趾裂纹、焊道下裂纹和根部裂纹①②③焊接延迟裂纹分布示意图①焊趾裂纹②焊道下裂纹③根部裂纹(a)(b)(c)典型的焊接延迟裂纹：(a)焊趾裂纹(15MnV钢焊条电弧焊)；(b)焊道下裂纹(HT80钢焊条电弧焊)；(c)根部裂纹(980MPa级中合金高强钢钨极氩弧焊)2、淬硬脆化裂纹淬硬脆化裂纹也称淬火裂纹，一些淬硬倾向很大的钢在拘束应力作用下形成的裂纹。焊接含碳较高的Ni-Cr-Mo钢、马氏体不锈钢、工具钢及异种钢等有可能出现这种裂纹。一般认为，这种裂纹是由冷却时马氏休相变而产生的脆性造成的，与氢的关系不大。其基本特点是没有延迟现象，焊后可以立即发现，在焊缝和热影响区上均有可能出现。(a)(b)淬硬脆化裂纹：(a)低碳钢焊条J506冷焊灰口铸铁马氏体焊缝；(b)ERNiCr-3焊丝钨极氩弧焊（GTA）焊接T91/HR3C异种钢焊接接头T91侧热影响区3.低塑性脆化裂纹某些塑性较低的材料冷至低温时，由于收缩力而引起的应变超过了材质本身所具有的塑性储备或材质变脆而产生的裂纹，称为低塑性脆化裂纹。铸铁补焊、堆焊硬质合金和焊接高铬合金时常出现这种裂纹。Z116焊条冷焊灰口铸铁接头低塑性脆化裂纹7.2.2焊接延迟裂纹的形成机理焊接延迟裂纹的形成与接头中的含氢量、淬硬组织以及接头所处的拘束应力状态具有密切的关系，而且，这三方面因素是相互联系和作用的，因此，“氢”、“组织”和“应力”也被称为延迟裂纹的三大要素1、氢的作用氢在金属中有两种形式，一是可以运动的“扩散氢”；二是不可运动的“残留氢”。扩散氢在冷裂纹的形成中起着重要的作用。它决定了裂纹形成过程中的延迟特点及其断口上的氢脆开裂特征。裂纹尖端有氢气泡形成，且氢气泡最容易集中在应力集中部位，如显微裂纹和显微夹杂物与基体的界面，应力越大，氢气泡逸出也越激烈；降低应力，氢气泡逸出减弱，甚至可以停止逸出。说明氢的扩散与应力有关；氢致裂纹多在熔合区出现，如不完全混合区与半熔化区的固液晶界上、MnS与基体的界面上，或发生在有马氏体针片的晶界上。硫化物球化后，冷裂倾向即减小，说明硫促进冷裂纹的形成；在定载试验时，微裂纹发生的潜伏期随应力或扩散氢含量的增加而缩短；微裂纹附近的塑性变形区(屈服区)随时间的延长逐步扩大，成为宏观裂纹。裂纹尖端附近的塑性变形量，随氢含量的增多而增大。这充分说明氢加速了开裂过程。氢与裂纹形成与扩展的关系试验：在较高温度下(如100℃以上)与在很低的温度（如-100℃）下，氢致裂纹倾向很小。氢的应力诱导扩散模型——裂纹为什么会延迟？应力诱导扩散模型氢的相变诱导扩散模型——裂纹为什么会在近缝区？氢的溶解度及扩散系数与晶体结构的关系高强钢热影响区氢的扩散行为与延迟裂纹的形成过程示意图2、组织硬化的作用焊缝或热影响区的淬硬程度越高或脆硬马氏体数量越多，越易形成冷裂纹。02040608010020406080100马氏体相变量/%焊根裂纹率/%T0=20℃RF=44000N/mm2HD=1mL/100g010203040255075100ωc(540℃)/(℃•s-1)CR/%根部断面表面4520151086.56t8/5/sF/%B/%M/%HV(1kg)154045310510853200793360HAZ的组织及硬度马氏体相变量对冷裂纹的影响马氏体数量与冷却速度的关系及其对热影响区冷裂倾向的影响马氏体的脆硬性是近缝区较焊缝区易于形成冷裂纹的组织因素；组织对裂纹敏感性大致按下列顺序增大：铁素体(F)或珠光体(P)→下贝氏体(BL)→低碳马氏体(ML)→上贝氏体(BU)→粒状贝氏体(Bg)→高碳孪晶马氏体(MT)；近缝区淬硬倾向直接与其化学成分相关，其中尤以碳当量的影响最大，因此可以用碳当量来反映淬硬倾向和冷裂纹敏感性；马氏体是在快速冷却时形成的非平衡组织，其中含有大量的晶洛缺陷，主要是空位和位错。在应力作用下，空位和位错会发生移动和聚集，当它们的浓度达到一定的临界值后，就会形成裂纹源。在应力作用下，微裂纹不断扩展，直至形成宏观裂纹。2、应力的作用氢和淬硬组织是形成冷裂纹的内在因素，而应力则是外在条件。延迟裂纹的形成与扩展与所受应力之间有直接的关系。对于延迟裂纹的形成，存在一个临界应力。高强钢的延迟开裂与应力的关系接头内部主要存在以下三种应力，统称拘束应力：①焊接不均匀加热与冷却过程中所形成的热应力；②相变过程中比体积和各向异性引起的组织应力；③焊接结构自身拘束条件所造成的结构应力。拘束度：使接头根部间隙发生单位长度的弹性位移时，单位长度焊缝所承受的力。lFFhλb+λw=SL对接接头拘束度定义示意图FRlSS包含了母材的弹性收缩λb和焊缝的弹性收缩λwbw通常1bbFFLhhEhRllhLLL拘束度R随L的减小和h的增大而增加，改变拘束距离L和板厚h均会影响拘束度R的大小。当拘束度在一定范围内时，作用于焊缝上的拘束应力σW可以用拘束度近似估算：wmR当局部有应力集中时，发生冷裂纹局部位置的拘束应力与应力集中系数K有关：LwK在焊接材料和工艺确定（即“氢”和“组织”因素确定）的条件下，随拘束度R增大，焊接接头中的应力增大，裂纹敏感性增加。当R值大到一定程度时就会产生冷裂纹，这时的R值称为临界拘束度Rcr。接头的临界拘束度Rcr越大，表明该接头的抗裂性能越好50000.30.40.51000015000R/[N·(mm·mm)-1]20000不裂裂CE/wt%HD=4~5ml/100gT8/5=8~9s正常拘束高拘束拘束度R对冷裂纹的影响随碳当量增加，形成裂纹的临界拘束度降低；反之，所拘束度增大，形成裂纹的临界碳当量降低。7.2.3临界关系和判据当接头产生的应变量超过其塑性变形能力时就会形成裂纹p“氢”、“组织”和“应力”三者对冷裂纹的影响并不是孤立的，相互之间有着密切的联系；通常含氢量越高、组织氢脆敏感性越大、应力越大则产生冷裂纹的倾向越大。40000060RHPPDCMW60060hHPPDCMC()()()()()()5()3020601510CMwSiwMnCrCuwNiwMowVPwCwB裂纹敏感指数：合金元素的裂纹敏感系数：1、临界扩散氢含量在斜Y坡口试验条件下，低合金高强钢产生冷裂纹的临界扩散氢(H)cr为400003.1592.3)(1RPHgCMcrD碳当量与冷裂纹临界含氢量的关系随着碳当量的增加，延迟裂纹临界含氢量基本呈线性下降；当碳当量较高时，即使氢含量很低，也会产生冷裂纹2、临界应力当其它焊接条件确定时，对于形成冷裂纹存在临界应力。临界应力也可以作为评价冷裂纹敏感性的判据。在插销试验条件下，产生冷裂纹的临界应力：305001)60(2420100gtHPDCMcr38/510086.321128.21(1)2.739.710crCMDPgHtt临界应力与钢的化学成分、接头的氢含量和焊接工艺（焊前预热、焊后缓冷）等有关。一般来说，钢的碳当量越高、接头淬硬倾向越大、含氢量越高，形成延迟裂纹的临界应力越低；预热或后热越充分(温度越高、时间越长)，临界应力越高HT80钢焊接根部裂纹临界应力与扩散氢含量及焊前预热温度的关系随扩散氢含量增加，根部裂纹临界应力快速降低，但随预热温度的提高，下降越来越缓慢，直至当预热温度达到200℃时，临界应力基本不随扩散氢含量变化；另外，随扩散氢含量降低，不同预热温度条件下的临界应力差异变小，当扩散氢含量为零时趋于相同。这些规律都证明了焊接延迟裂纹与扩散氢的密切关系。3、临界预热温度焊前预热可以降低接头冷却速度，因而，可以降低接头的淬硬程度，也可以降低焊缝的含氢量和应力，是预防冷裂纹的有效措施之一。临界预热温度与碳当量的关系冷裂纹的临界预热温度的经验公式：Tcr=1400PW-392℃如果熔敷金属中含氢量高于5ml/l00g，可采用如下公式估算：Tcr=1600PH-408℃0.0751400000HCMDRPPgH()()()()()()6244054wMnwSiwNiwCrwMoCEwC4、临界冷却时间由峰值温度冷却至100℃的冷却时间，对氢的扩散逸出及接头的组织性能具有重要影响，因此，在一定条件下，通过控制焊后冷却时间也可以减少或避免焊接冷裂纹的形成。研究表明，低合金高强钢插销试验产生根部裂纹的临界冷却时间(t100)cr为2100()(0.276)crwtAP7.2.4焊接冷裂纹的控制措施1、冶金措施焊接材料的选择1)选用低氢或超低氢焊条2)选用低强焊条3)选用奥氏体焊条特殊微量元素的应用在焊接材料中加入一些表面活性元素，如Te(碲)、Se(硒)及稀土元素Re等，其中Te的降氢效果最好。在焊条中复合加入Te和Re可以显著提高接头的抗冷裂性能2、焊接工艺措施1)选用低氢的焊接方法2)焊前预热3)焊后热处理4)控制焊接线能量5)采用多层焊