《焊接裂紋分析》word版

1、焊接裂紋隨著鋼鐵、石油化、，艦船和電力等工業(yè)的發(fā)展，在焊接結(jié)構(gòu)方面都趨向大型化、大容量和高參數(shù)的方向發(fā)展，有的還在低、深冷、腐蝕介質(zhì)等環(huán)境下工作。因此，各種低合金高強(qiáng)鋼，中、高合金鋼，超高強(qiáng)鋼，以及各種合金材料的應(yīng)用日益廣泛。但是隨著這些鋼種和合金材料的應(yīng)用，在焊接生產(chǎn)上帶來(lái)了許多新的的問(wèn)題，其中較為普遍而又十分嚴(yán)重的就是焊接裂紋。一、 焊接裂紋的危害性焊接裂紋不僅給生產(chǎn)帶來(lái)許多困難，而且可能帶來(lái)災(zāi)難性的事幫。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上焊接結(jié)構(gòu)所出現(xiàn)各種事故中，除少數(shù)是由于設(shè)計(jì)不當(dāng)、選材不合理和運(yùn)行操作上的問(wèn)題之外，絕大多數(shù)是由裂紋而引起的脆性破壞。因此，裂紋是引起焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞事故的主要原因。壓力容器

2、的破壞事幫常常造成巨大的損失。焊接結(jié)構(gòu)中裂紋問(wèn)題危害甚大，已造成世界各國(guó)所關(guān)注的課題。二、 焊接裂紋分類及其一般特征在焊接生產(chǎn)中由于鋼種和結(jié)構(gòu)的類型不同，可能出現(xiàn)各種裂紋。裂紋的形態(tài)和分布特別征都是很復(fù)雜的，有焊縫的表面裂紋、內(nèi)部裂紋，有熱影響區(qū)的橫向、縱向裂紋，有焊縫和焊道下的深埋裂紋、也有在弧坑處出現(xiàn)的所謂弧坑（火口）裂紋。值得注意的是，裂紋有時(shí)出現(xiàn)在焊接過(guò)程中，也有時(shí)出現(xiàn)在放置或運(yùn)行過(guò)程中，也就是所謂的延遲裂紋。因?yàn)檫@種裂紋在生產(chǎn)中無(wú)法檢測(cè)，所以這種裂紋的危害性就更為嚴(yán)重。總而言之，焊接生產(chǎn)中所遇到的裂紋有多種多樣，按產(chǎn)生裂紋的本質(zhì)來(lái)分，林體上可分為五大類。1、 熱裂紋（Hot Crac

3、king）熱裂紋是在焊接時(shí)高溫下產(chǎn)生的，故稱熱裂紋。特征：是沿原奧氏體晶界開(kāi)裂，根據(jù)所焊金屬的材料不同（低合金高強(qiáng)鋼、不銹鋼、鑄鐵、鋁合金和某些特種金屬等）。產(chǎn)生熱裂紋的形態(tài)、溫度區(qū)間和主要原因也各有不同。因此，又把熱裂紋分為結(jié)晶裂紋、液化裂紋和多邊化裂紋等三類。a： 結(jié)晶裂紋 焊縫結(jié)晶過(guò)程中，在固相線附近，由于凝固金屬的收縮，殘余液體金屬不足而不能及時(shí)填充，在應(yīng)力作用下發(fā)生沿晶開(kāi)裂，故稱結(jié)晶裂紋。多數(shù)情況下，在發(fā)生裂紋的焊縫斷面上，可以看到有氧化的彩色，說(shuō)明這種裂紋是在高溫下產(chǎn)生的。結(jié)晶裂紋主要產(chǎn)生在含雜質(zhì)較多的碳鋼、低合金鋼焊縫中（含S、P、C、Si偏高）和單相奧氏體鋼、鎳基合金以及某些鋁

4、合金的焊縫中。個(gè)別情況下，結(jié)晶裂紋也能在熱影響區(qū)產(chǎn)生。b： 高溫液化裂紋 近縫區(qū)或多層焊的層間部位，在焊接熱循環(huán)峰值溫度的作用下，由于被焊金屬含有較多的低熔共晶而被重新熔化，在拉伸應(yīng)力的作用下沿奧氏體晶界發(fā)生開(kāi)裂。 液化裂紋主要發(fā)生在含有鉻鎳的高強(qiáng)鋼、奧氏體鋼，以及某些鎳基合金的近縫區(qū)或多層焊層間部位。母材和焊絲中的S、P、C、Si偏高時(shí)，液化裂紋的傾向?qū)@著增高。c：多邊化裂紋 焊接時(shí)焊縫或近縫區(qū)在固相線稍下的高溫區(qū)間，由于剛凝固的金屬中存在很多晶格缺陷（主要是位錯(cuò)和空位）及嚴(yán)重的物理和化學(xué)不均勻性，在一定的溫度和應(yīng)力作用下，由于這些晶格缺陷的遷移和聚集，便形成了二次邊界，就是所謂“多邊化邊

5、界”。因邊界上堆積了大量的晶格缺陷，所以它的組織性能脆弱，高溫時(shí)的強(qiáng)度和塑性都很差，只要有輕微的拉伸應(yīng)力，就會(huì)沿多邊界開(kāi)裂，產(chǎn)生所謂“多邊化裂紋”（Polygonixation Cracking）多邊化裂紋多發(fā)生在純金屬或單相奧氏體合金的焊縫中或近縫區(qū)，它是屬于熱裂紋的類型。2、 再熱裂紋厚板焊接結(jié)構(gòu)，并采用含有某些沉淀強(qiáng)化合金元素的鋼材，在進(jìn)行消除應(yīng)力處理或在一定溫度下服役的過(guò)程中，在焊接熱影響區(qū)晶部位發(fā)生的裂紋稱為再熱裂紋。由于這種裂紋是在再次加熱過(guò)程中產(chǎn)生的，故稱為“再熱裂紋”又稱“消除應(yīng)力處理裂紋（Stress Relief Cracking），簡(jiǎn)稱SR裂紋。再熱裂紋多發(fā)生在低合金高強(qiáng)

6、鋼、珠光體耐熱鋼、奧氏體不銹鋼和某些鎳基合金的焊接熱影響區(qū)粗晶部位。再熱裂紋的敏感溫度，視鋼種的不同約在550650。這種裂紋也是具有沿晶開(kāi)裂的特征，但在本質(zhì)上與結(jié)晶裂紋不同。3、 冷裂紋冷裂紋（Cold Cracking） 是焊接生產(chǎn)中較為普遍的一種裂紋，它是焊后冷至較低溫度下產(chǎn)生的。對(duì)于低合金高強(qiáng)鋼來(lái)講，大約在鋼馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms附近，由拘束應(yīng)力、淬硬組織和氫的共同作用下而產(chǎn)生的。冷裂紋主要發(fā)生在低合金鋼、中合金鋼、中碳和高碳鋼的焊接熱影響區(qū)。個(gè)別情況下，如焊接超高強(qiáng)鋼或某些鈦合金時(shí)，冷裂紋也出現(xiàn)在焊縫金屬上。根據(jù)被焊鋼種和結(jié)構(gòu)的不同，冷裂紋也有不同的類別，大致分為三類：1、 延遲裂紋 這

7、種裂紋是冷裂紋中一種普遍形態(tài)，它的主要特點(diǎn)是不在焊后立即出現(xiàn)，而是有一定育孕期，具有延遲現(xiàn)象，故稱延遲裂紋。產(chǎn)生這種裂紋主要決定于鋼種的淬硬傾向、焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)和熔敷金屬中的擴(kuò)散氫含量。2、 淬硬脆化裂紋（或稱淬火裂紋） 一些淬硬傾向很大的鋼種，即使沒(méi)有氫的誘發(fā)，僅在拘束應(yīng)力的作用下也能導(dǎo)致開(kāi)裂。焊接含碳較高的Ni-Cr-Mo鋼、馬氏體不銹鋼、工具鋼，以及異種鋼等有可能出現(xiàn)這種裂紋。它完全是由冷卻對(duì)馬氏相變而產(chǎn)生的脆性造成的，一般認(rèn)為，與氫的關(guān)系不大。這種裂紋基本上沒(méi)有延遲現(xiàn)象，焊后可以立即發(fā)現(xiàn)，有時(shí)出現(xiàn)在熱影響區(qū)，有時(shí)出現(xiàn)在焊縫上。 一般來(lái)講，采用較高的預(yù)熱溫度和使用高韌性的焊條，基本上

8、可以防止這種裂紋。3、低塑性脆化裂紋 某些塑性較低的材料，冷至低溫時(shí)，由于收縮力而引起的應(yīng)變超過(guò)了材質(zhì)本身所具有的塑性儲(chǔ)備或材質(zhì)變脆而產(chǎn)生的裂紋，稱為低塑性脆化裂紋。例如鑄鐵補(bǔ)焊、堆焊硬質(zhì)合金和焊接高鉻合金時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這種裂紋。由于是在較低的溫度下產(chǎn)生的，所以也是屬于冷裂紋的另一形態(tài)，但無(wú)延遲現(xiàn)象。層狀撕裂： 近年來(lái)在建造大型采油平臺(tái)和厚壁壓力容器的過(guò)程中，有時(shí)出現(xiàn)平行于軋制方向的階梯形裂紋，即所謂層狀撕裂（Lamellar Tear） 產(chǎn)生層狀撕裂的主要原因是軋制鋼材的內(nèi)部存在不同程度的分層夾雜物（特別是硫化物，氧化物夾雜），在焊接時(shí)產(chǎn)生的垂直于軋制方向的應(yīng)力，致使熱影響區(qū)附近或稍近的地方，

9、產(chǎn)生呈“臺(tái)階”形的層狀開(kāi)裂，開(kāi)頭可穿晶擴(kuò)展。 層狀撕裂是屬于低溫開(kāi)裂，一般低合金鋼，撕裂的溫度不超過(guò)硬400，但它的特征與冷裂紋截然不同。層狀撕裂易發(fā)生在厚壁結(jié)構(gòu)的T型接頭、十字接頭和角接頭，是一種難以修復(fù)的失效類型，甚至?xí)斐蔀?zāi)難性事故。因此，世界各國(guó)對(duì)層狀撕的問(wèn)題都十分重視，一些工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，為發(fā)展海洋工程，建造大型采油平臺(tái)和厚壁容器的需要，已采用具有抗層狀撕裂的Z向鋼。 影響產(chǎn)生層狀撕裂的因素很多，如鋼板的材質(zhì)、夾雜的分布及類別、焊接接頭的含氫量、接頭的型式和受力狀態(tài)，以及焊接施工的工藝等都有關(guān)系。此外，當(dāng)焊接接頭中存在有其他缺陷時(shí)，如微裂紋、微氣孔、咬邊、未焊透等缺口效應(yīng)都可能在應(yīng)力

10、作用下發(fā)展成為層狀撕裂。應(yīng)力腐蝕裂紋Stress Corrosion Cracking 焊接構(gòu)件，如容器、管道等在腐蝕介質(zhì)和拉伸應(yīng)力的共同作用下（包括工作應(yīng)力和殘余應(yīng)力）產(chǎn)生一種延遲破壞的現(xiàn)象，稱為應(yīng)力腐蝕裂紋，簡(jiǎn)稱SCC裂紋。隨著石油化工工業(yè)的發(fā)展，在各種腐蝕介質(zhì)條件下工作的焊接構(gòu)件（容器、管道等：）使用不到23年就發(fā)生了應(yīng)力腐蝕破壞，造成了結(jié)構(gòu)的早期失效。 從解剖應(yīng)力腐蝕部位的金相照片來(lái)看，SCC裂紋的形態(tài)如同枯干的樹(shù)枝，從表面向深處發(fā)展。一般情況下，低碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、鋁合金、a黃鋼和鎳基合金等，SCC裂紋大多屬于晶間斷裂性質(zhì)，少數(shù)也有穿晶斷裂。從斷口來(lái)看，為典型的脆性斷口。 影響

11、應(yīng)力腐蝕裂紋的因素有結(jié)構(gòu)的材質(zhì)，腐蝕介質(zhì)的種類、結(jié)構(gòu)的形狀、受力狀態(tài)、制造和焊接工藝、焊接材料及消除應(yīng)力的程度等。應(yīng)指出，應(yīng)力腐蝕裂紋是在服役過(guò)程中產(chǎn)生的，因此會(huì)帶來(lái)更大的危害性。 總括以上，簡(jiǎn)要介紹了各種焊接裂紋的一般特征，在生產(chǎn)實(shí)際中裂紋的種類還有許多，如疲勞裂紋、碳錳鋼的應(yīng)變時(shí)效裂紋、珠光體而熱鋼、不銹鋼的苛性脆化裂紋等。各種裂紋分類表裂紋分類基本特征敏感的溫度區(qū)間被焊材料位置裂紋走向熱裂紋結(jié)晶裂紋 在結(jié)晶后期，由于低熔共晶形成的液態(tài)薄膜削弱了晶粒間的聯(lián)結(jié)，在拉伸應(yīng)力下作用下發(fā)生開(kāi)裂在固相線溫度以上稍高的溫度（固液狀態(tài)）雜質(zhì)較多的碳鋼、低中合金鋼、奧氏體鋼、鎳基合金及鋁在焊縫上沿奧氏體晶

12、界多邊化裂紋已凝固的結(jié)晶前沿，在高溫和應(yīng)力的作用下，晶格缺陷發(fā)生移動(dòng)和聚集，形成二次邊界它在高溫處于低塑性狀態(tài)，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂紋固相線以下再結(jié)晶溫度純金屬及單相奧氏體合金焊縫上，少量在熱影響區(qū)沿奧氏體晶界液化裂紋在焊接熱循環(huán)峰值溫度的作用下，在熱影響區(qū)和多層焊的層間發(fā)生重熔，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂紋固相線以下稍低溫度含S、C、P較多奧氏體合金熱影響區(qū)及多層焊的層間沿晶界開(kāi)裂再熱裂紋厚板焊接結(jié)構(gòu)消除應(yīng)力處理過(guò)程中，在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)存在不同程度的應(yīng)力集中時(shí)，由于應(yīng)力松弛所產(chǎn)生附加變形大于該部位的蠕變塑性則發(fā)生再熱裂紋600700回火處理含有沉淀強(qiáng)化元素的高強(qiáng)鋼、珠光體鋼、奧氏體鋼、鎳基合金等熱影響區(qū)的粗晶區(qū)沿晶界開(kāi)裂冷裂紋延遲裂紋在淬硬組織、氫和拘束應(yīng)力的共同作用下而產(chǎn)生具有延遲特征的裂紋在Ms點(diǎn)以下中、高碳鋼，低、中合金鋼、鈦合金等熱影響少量在焊縫沿晶及穿晶淬硬脆化裂紋主要是由淬硬組織，在焊接應(yīng)作用下產(chǎn)生的裂紋在Ms點(diǎn)附近含碳的NiCr-Mo鋼、馬氏體不銹鋼、工具鋼熱影響區(qū)少量在焊縫沿晶及穿晶低塑性脆化裂紋在較低溫度下，由于被焊材料的收縮應(yīng)變，超過(guò)了材料本身的塑性儲(chǔ)備而產(chǎn)生的裂紋在400以下鑄鐵、堆