焊接工藝參數(shù)課件

焊接裂紋及防治措施小結孫化強重慶大學sunhq0815@163.com焊接裂紋及防治措施小結孫化強第一節(jié)．裂紋分布與種類裂紋是焊接缺陷危害最大而且是最普遍的一種，可以成為構件脆斷、疲勞破壞和腐蝕破壞的起因，它不僅可以使產品報廢，而且還可能因未檢測出導致以后災難性的事故。

圖1-1焊接裂紋的宏觀形態(tài)及其分布1-焊接中縱向裂紋2-焊縫中橫向裂紋3-熔合區(qū)裂紋4-焊縫根部裂紋5-HAZ根部裂紋6一焊趾縱向裂紋(延遲裂紋)7-焊趾縱向裂紋（液化裂紋、再熱裂紋）8-焊道下裂紋(延遲裂紋、液化裂紋、多邊化裂紋)9-層狀撕裂10-弧坑裂紋(火口裂紋)a)縱向裂紋b)橫內裂紋c)星形裂紋返回第一節(jié)．裂紋分布與種類裂紋是焊接缺陷危害焊接裂紋的分類裂紋的分類按裂紋分布的走向分：①橫向裂紋；②縱向裂紋；③星形（弧形裂紋）按裂紋發(fā)生部位分①焊縫金屬中裂紋；②熱影響區(qū)中裂紋；③焊縫熱影響區(qū)貫穿裂紋。按產生本質分類①熱裂紋；②冷裂紋；③再熱裂紋；④層狀撕裂；⑤應力腐蝕裂紋焊接裂紋的分類裂紋的分類一、結晶裂紋的形成機理有的結晶裂紋是沿焊縫中心縱向開裂，也有沿焊縫中的樹枝晶之間界面處發(fā)生和發(fā)展的結晶裂紋，有時也發(fā)生在焊縫內部兩個樹枝狀晶體之間，這說明在結晶過程中晶界是最薄弱的部位。第二節(jié)焊接熱裂紋一、結晶裂紋的形成機理第二節(jié)焊接熱裂紋

由于先結晶的固相金屬較純，后結晶的金屬含雜質多，并富集在晶界。這些雜質容易形成低的熔點的共晶，最后被推向晶界，在晶粒之間形成一個液態(tài)薄膜。如果此時有拉伸應力存在就會產生裂紋（圖5-16）。結晶裂紋的形成機理（1）

產生熱裂紋的原因是晶間存在液態(tài)薄膜和在凝固過程中存在拉伸應力。由于先結晶的固相金屬較純，后結晶的金屬含雜質多

在整個結晶過程中，從液到固可分為三個階段：（1）液－固階段（液多于固）液態(tài)金屬可在固態(tài)金屬中自由流動，此時既使有拉伸應力也不會產生裂紋。結晶裂紋的形成機理（2）在整個結晶過程中，從液到固可分為三個階段：結晶裂紋的（2）固－液階段（固多于液）隨著固態(tài)金屬量增加，剩余的液態(tài)金屬多為低熔點共晶，流動也發(fā)生困難，這時若有拉伸應力產生的小裂紋無法靠液態(tài)金屬填充，成為一個“裂紋源”。此階段也叫“脆性溫度區(qū)”。結晶裂紋的形成機理（3）（3）完全凝固階段完全凝固后金屬有較好的強度和塑性，既使有拉伸應力也難以產生裂紋。（2）固－液階段（固多于液）結晶裂紋的形成機理（3）（3）完1冶金因素對結晶裂紋的影響影響因素有相圖類型、化學成分、結晶組織形態(tài)。二、結晶裂紋的影響因素

產生熱裂紋必須具備冶金因素（成分、偏析…）和力的因素（金屬熱物理性質、焊件拘束度、焊接工藝等）。1冶金因素對結晶裂紋的影響二、結晶裂紋的影響因

相圖的結晶溫度區(qū)間越大（即液態(tài)存在的時間越長），產生熱裂紋的可能性越大（圖5－19）。影響相圖結晶溫度區(qū)間大小與合金的含量有關。（1）相圖類型和結晶溫度區(qū)的大小（1）

由于焊接是在非平衡條件下結晶，結晶溫度區(qū)間要偏離平衡條件下的結晶溫度區(qū)間，因此最大結晶裂紋可能發(fā)生在低合金含量區(qū)（圖5－19虛線）。相圖的結晶溫度區(qū)間越大（即液態(tài)存在的時間越長）

各種狀態(tài)圖對產生結晶裂紋傾向的規(guī)律（圖5－20）。相圖類型和結晶溫度區(qū)的大?。?）各種狀態(tài)圖對產生結晶裂紋傾向的規(guī)律（圖5－20）

對凝固溫度范圍的影響；對形成低熔點相的影響（尤其是S、P）。對產生結晶裂紋的影響比較大的合金是一些能形成低熔點共晶的合金元素，熔點越低、數(shù)量越大，裂紋傾向越大。（2）合金因素對產生結晶裂紋的影響（1）對凝固溫度范圍的影響；（2）合金因素對產生結晶裂紋1）硫、磷：S、P可擴大Fe的結晶區(qū)間（圖5－21），并能與Fe形成多種低熔點共晶。合金因素對產生結晶裂紋的影響（2）1）硫、磷：S、P可擴大Fe的結晶區(qū)間（圖5－21），并2）碳：碳在δ相中的溶解度大于γ相（表5－4），所以含碳<0.10（無包晶反應）的鋼不易發(fā)生熱裂。合金因素對產生結晶裂紋的影響（4）

碳是易偏析元素，并能加劇其它元素的有害作用（如S、P等）。2）碳：碳在δ相中的溶解度大于γ相（表5－4），所以含碳<3）錳：Mn有脫硫作用，生成高熔點MnS（1600℃），生產的MnS為球狀。合金因素對產生結晶裂紋的影響（5）

隨著鋼中含碳量增加，Mn/S也應提高。否則影響Mn的脫硫效果。含碳量越高，S的危害越大（圖5－23

）。3）錳：Mn有脫硫作用，生成高熔點MnS（1600℃），生產4）硅：Si是脫氧元素，但焊縫中Si>0.4％時，容易形成硅酸鹽夾雜，造成裂紋源，從而增加裂紋傾向。合金因素對產生結晶裂紋的影響（6）5）鈦、鋯、稀土：Ti、Zr、RE脫硫的效果比Mn好得多，有良好的消除結晶裂紋作用，但它們也是強脫氧元素。氧化稀土也有脫硫作用。6）鎳：Ni和S形成低熔點共晶（NiS2645℃），易于引起結晶裂紋。4）硅：Si是脫氧元素，但焊縫中Si>0.4％時，容易形成(7)銅：銅易引起熱裂紋，如黃銅釬焊20鋼引起的裂紋。合金因素對產生結晶裂紋的影響（7）(7)銅：銅易引起熱裂紋，如黃銅釬焊20鋼引起的裂紋。合金因

焊縫晶粒大小、形態(tài)和方向對抗裂性有很大影響。晶粒越粗大、柱狀晶方向越明顯，產生結晶裂紋的傾向就越大。所以細化晶粒有利于打破液膜的連續(xù)性，是減小結晶裂紋的有效措施。（3）結晶組織對結晶裂紋的影響（1）焊縫晶粒大小、形態(tài)和方向對抗裂性有很大影響1冶金因素（1）控制焊縫中硫、磷、碳等有害雜質含量盡量減少低熔點共晶的數(shù)量。S、P的最大含量取決于被焊金屬，一般低碳鋼、低合金鋼S、P<0.05％，高合金鋼<0.04％，不銹鋼<0.02％或更低。對重要焊接構件應采用堿性焊條或焊劑，以進一步減小有害雜質含量。三、防止結晶裂紋的措施

從冶金因素和工藝因素（減少應力）兩方面著手。1冶金因素三、防止結晶裂紋的措施從冶金因素和工藝因素

加入細化晶粒元素（Ti、Mo、V、Nb）細化晶粒。（2）改善焊縫組織

對A體不銹鋼焊接可采用A+δ雙相組織焊縫（δ~5％），以減少結晶裂紋和提高焊縫抗晶間腐蝕能力。加入細化晶粒元素（Ti、Mo、V、Nb）細化晶粒

選用合理的焊接工藝，如焊接工藝參數(shù)、預熱、接頭型式、焊接順序等，目的是盡量減少焊縫的拉伸應力。2抗熱裂的工藝措施（1）焊接工藝參數(shù)焊接熱循環(huán)產生的拉伸應力引起應變?yōu)棣う牛瑒t單位溫度變化引起的應變是：式中：t－溫度；α－膨脹系數(shù)；ωc－冷速。選用合理的焊接工藝，如焊接工藝參數(shù)、預熱、接頭對于厚板對于薄板

式中Tc－某瞬間溫度；T0－初始溫度；E－焊接線能量；λ－導熱系數(shù)；C－比熱容；e－密度。（1）焊接工藝參數(shù)（1）對于厚板（1）焊接工藝參數(shù)（1）則對厚板

對薄板

由這二式可見，適當增加線能量E和提高預熱溫度，可降低冷卻速度，減少焊縫金屬的應變，從而降低結晶裂紋傾向。焊接工藝參數(shù)（2）則對厚板焊接工藝參數(shù)（2）

焊接接頭形式對接頭的受力狀態(tài)、結晶條件和熱的分布影響很大，因而結晶裂紋傾向也不同（圖5－26）。多層焊縫的裂紋傾向比單層焊縫小，因為1）每層焊接線能量?。?）前幾道焊縫冷凝后起到拘束作用接頭處應盡量避免應力集中（錯邊、咬肉、未焊透）*（2）接頭形式焊接接頭形式對接頭的受力狀態(tài)、結晶條件和熱的分

一般順序原則：對稱焊，分散應力，最后一道才是拘束封閉（圖5－27,28）。（3）焊接次序一般順序原則：對稱焊，分散應力，最后一道才是拘一、冷裂紋的危害及特征1危害性主要發(fā)生在中高碳鋼、合金鋼等的熱影響區(qū)和厚板多層焊的焊縫中，并發(fā)生在拘束度較大的T形接頭和十字形接頭應力集中較大的接頭上（表8-1）。一般是在焊后出現(xiàn)，不易發(fā)現(xiàn)。第三節(jié)焊接冷裂紋一、冷裂紋的危害及特征第三節(jié)焊接冷裂紋（1）發(fā)生在中高碳鋼、合金鋼的熱影響區(qū)（圖5－39）。（高強）2冷裂紋的一般特征（1）（3）多發(fā)生在具有應力集中的焊接熱影響區(qū)。（高應力）（2）在焊后冷至Ms點附近或更低的溫度下逐漸生成。（低溫）（1）發(fā)生在中高碳鋼、合金鋼的熱影響區(qū)（圖5－39）。（高（5）裂紋可能在焊后立即出現(xiàn)，也可能經(jīng)過一段時間出現(xiàn)，在25℃時的孕育期最短（圖8－5）。（延遲性）冷裂紋的一般特征（2）（4）裂紋可沿晶擴展，也可穿晶擴展。（脆斷）（5）裂紋可能在焊后立即出現(xiàn)，也可能經(jīng)過一段時間出現(xiàn)，在25常見低合金高強鋼的延遲裂紋有：焊趾裂紋起源于母材與焊縫交界處有明顯應力集中的部位，裂紋走向與焊道平行，由焊趾表面開始向母材的深處擴展。二、冷裂紋的種類（1）常見低合金高強鋼的延遲裂紋有：二、冷裂紋的種類（1）焊道下裂紋發(fā)生在淬硬傾向較大、含氫量較高的熱影響區(qū)，裂紋走向與熔合線平行。冷裂紋的種類（2）焊道下裂紋冷裂紋的種類（2）3根部裂紋起源于焊縫根部應力集中最大的部位。冷裂紋的種類（3）3根部裂紋冷裂紋的種類（3）三、焊接冷裂紋的機理

鋼的淬硬傾向、焊縫含氫量及其分布、焊接接頭拘束力是產生焊接冷裂紋的三大因素，而且這三個因素是相互關聯(lián)的。1鋼的淬硬傾向

淬硬傾向越大越易產生裂紋，原因在于：（1）形成脆硬的馬氏體組織尤其是熱影響區(qū)的過熱區(qū)，冷速快時易形成粗大M體，硬而脆，裂紋一旦形成，極易擴展。各種組織對裂紋的敏感性由弱到強的排列順序為：F或P→BL（下貝氏體）→ML（低碳M體）→BH（上貝氏體）→Bg（粒貝氏體）→Mr（高碳攣晶M體）。三、焊接冷裂紋的機理鋼的淬硬傾向、焊縫含氫

隨著熱應變量增加，位錯密度也隨之增加，在應力作用下位錯發(fā)生移動和聚集，當它們的濃度達到一定臨界值后，就會形成裂紋源，在應力作用下，擴展形成宏觀裂紋。（2）晶格缺陷

熱影響區(qū)的最高硬度Hmax是評定高強鋼裂紋傾向的重要指標。隨著熱應變量增加，位錯密度也隨之增加，在應力作

某種鋼開始出現(xiàn)裂紋時的氫含量稱為臨界含氫量[H]cr。各種鋼的[H]cr值不同的，與鋼的化學成分、剛度、預熱溫度及冷速有關。如碳當量越高，[H]cr越低（圖5－43）。2氫的作用

冷裂紋也稱為“氫致裂紋”。高強鋼焊接接頭含氫量越高裂紋的敏感性就越大。某種鋼開始出現(xiàn)裂紋時的氫含量稱為臨界含氫量[H]

焊縫中含氫量與焊接區(qū)域的清理、焊條類型、烘干溫度和焊后的冷卻速度等有關。（1）氫的來源及焊縫中的含氫量

氫主要來自焊接材料中的水份、焊縫周邊的鐵銹、油污等。焊縫中含氫量與焊接區(qū)域的清理、焊條類型、烘干溫

氫在A體中的溶解度遠大于在F體中的溶解度，因此在A→F時氫的溶解度急劇下降（圖5－46a）。氫在F體的擴散速度大于A體（圖5－46b，表5－5）。（2）金屬組織對氫擴散的影響（1）氫在A體中的溶解度遠大于在F體中的溶解度，因此

在焊縫冷卻過程中，由于溶解度下降，氫極力逸出。若焊縫凝固速度較快，未逸出的氫滯留在焊縫金屬中，氫原子便在金屬內部擴散。由于氫在M體中擴散系數(shù)最小，造成氫集聚。金屬組織對氫擴散的影響（2）在焊縫冷卻過程中，由于溶解度下降，氫極力逸出（1）馬氏體致裂學說：對淬硬傾向較大的鋼焊接出現(xiàn)的冷裂紋是由于M體組織硬脆造成的，而且片狀M體（攣晶M體）的淬火鋼中更容易出現(xiàn)顯微裂紋。這是由于硬脆M體形成時以極大的速度彼此撞擊而成。在這些裂紋空間極易集聚氫，使裂紋擴展。所以M體相變是冷裂紋的主導因素，氫的作用是輔助的。

冷裂紋的兩種學說（1）（1）馬氏體致裂學說：冷裂紋的兩種學說（1）

強調氫脆是冷裂紋的主要原因。主要觀點為：金屬內部的缺陷（微孔、夾雜、位錯、空位）提供了潛在的裂紋源，在應力作用下，誘使氫原子向該處擴散并聚集結合成氫分子，產生很大的應力。這樣氫在裂口尖端產生三維應力場，應力場又促使氫在該處富集造成更大的應力。當應力超過一定值時裂紋向前延伸，應力釋放一部分，使氫的濃度擴散下降，低于氫的臨界濃度，裂紋將暫停向前延伸。等到氫再次達到臨界濃度時，裂紋再次向前擴展。（2）氫脆致裂紋學說（1）強調氫脆是冷裂紋的主要原因。主要觀點為：（2）氫脆致1鋼化學成分的影響實質是鋼的淬硬性的影響，Ceq越高，淬硬傾向就越大，冷裂敏感性越強。根據(jù)構件的碳當量、氫含量和板厚可以估算冷裂紋的敏感性：或式中：Pc、Pw－裂紋敏感指數(shù)；Pcm－碳當量；R－拘束度。四、影響冷裂紋的主要因素及其防治根據(jù)Pc、Pw可確定避免冷裂紋所需的預熱溫度：

T0=1440Pw－392℃1鋼化學成分的影響四、影響冷裂紋的主要因素及其防治

焊接接頭開始產生裂紋時的應力稱為臨界拘束應力σcr。σcr值可用試驗方法測得。設計焊縫時只要σcr>σ（或Rcr>R）就可以認為是安全的。2拘束應力影響（1）焊接接頭開始產生裂紋時的應力稱為臨界拘束應力σc

在焊后冷卻過程中，除一部分氫從表面逸出外，還向熱影響區(qū)方向擴散。在擴散過程中，在一些塑性應變和微觀缺陷部位發(fā)生氫聚集（應力集中高的部位的氫濃度高于平均值的5倍多），使這個部位很快達到臨界氫濃度。3氫的影響（氫在焊縫中的行為）（1）在焊后冷卻過程中，除一部分氫從表面逸出外，還向熱（1）焊接線能量：過大線能量E引起近縫區(qū)晶粒粗大，降低抗裂性能，尤其是有粗大M體時更有害。但對于低碳低合金鋼適當增大線能量是有利的。線能量過小易使熱影響區(qū)淬硬，也不利于氫逸出。

焊接工藝對冷裂紋的影響（1）預熱可以有效防止冷裂紋，但溫度過高會增加附加應力（因是局部加熱），反而增加冷裂傾向。所以預熱溫度主要是從降低冷速，減小淬硬傾向考慮。低合金高強鋼的預熱溫度經(jīng)驗公式為：

T(℃)=324Pcm+17.7[H]+0.14σb+4.72δ－214（2）預熱溫度（1）（1）焊接線能量：過大線能量E引起近縫區(qū)晶粒粗大，降低抗裂

由于冷裂紋存在潛伏期，所以要在裂紋產生前要進行加熱處理。尤其是對不預熱的焊件，后熱處理要及時，溫度要高。后熱處理的有利作用：1）改善組織，提高韌性，減小淬硬性；2）減低殘余應力；3）消除擴散氫；4）降低預熱溫度（表5－12）。（3）焊后熱處理（1）由于冷裂紋存在潛伏期，所以要在裂紋產生前要進行

后一道焊縫對前一道焊縫進行了熱處理，有利于氫的逸出，組織的改善，可防止冷裂紋產生。但要在第一層焊縫尚未產生根部裂紋的潛伏期內完成第二道焊接。（4）多層焊

根據(jù)鋼的冷裂紋敏感性Pw，焊的層數(shù)越多，預熱溫度越低（圖5－71）。后一道焊縫對前一道焊縫進行了熱處理，有利于氫的逸（1）冶金方面：1）采用低碳微量合金元素強化，既提高強度，又保證金屬有一定的韌性。2）采用高質量鋼降低S、P、O、N雜質含量。3）采用堿性低氫焊接材料。4）CO2焊獲得低氫焊縫。5）選用低強度焊條，降低拘束應力。6）用奧氏體鋼焊條焊接淬硬傾向較大的中碳調質鋼。（2）工藝方面焊前預熱，焊后熱處理，多層焊，避免焊接缺陷（未焊透、咬肉、夾雜、氣孔……），焊接接頭形式，施焊順序等。5防止冷裂紋的途徑（1）冶金方面：5防止冷裂紋的途徑產生：焊接接頭的冷卻過程中，且溫度處在固相線附近的高溫階段產生。存在部位：焊縫為主，熱影響區(qū)特征：宏觀看，焊縫熱裂紋沿焊縫的軸向成縱向分布（連續(xù)或繼續(xù)）也可看到縫橫向裂紋，裂口均有較明顯的氧化色彩，表面無光澤；微觀看，沿晶粒邊界（包括亞晶界）分布，屬于沿晶斷裂性質。分類：①結晶裂紋②高溫液化裂紋③多邊化裂紋焊接熱裂紋產生：焊接接頭的冷卻過程中，且溫度處在固相線附近的高溫階段產一、結晶裂紋形成機理焊接熱裂紋一、結晶裂紋形成機理焊接熱裂紋三、防治結晶裂紋的措施（一）、冶金因素方面1.控制焊縫中的硫、磷、碳等有害雜質的含量2.改善焊縫凝固結晶、細化晶粒不銹鋼焊接，希望得到５％的δ相三、防治結晶裂紋的措施（一）、冶金因素方面1.控制焊縫中三、防治結晶裂紋的措施（二）、工藝因素方面1.適當增加焊接線能量和提高預熱溫度2.接頭形式3.焊接次序三、防治結晶裂紋的措施（二）、工藝因素方面1.適當增加焊接三、防治結晶裂紋的措施接頭形式對裂紋傾向的影響三、防治結晶裂紋的措施接頭形式對裂紋傾向的影響三、防治結晶裂紋的措施鍋爐管板與管束的焊接次序對稱焊接法舉例三、防治結晶裂紋的措施鍋爐管板與管束的焊接次序對稱焊接法舉例一、再熱裂紋的主要特征

1.發(fā)生在HAZ的粗晶部位呈晶間開裂。

2.消應力前焊接區(qū)存在較大的殘余應力和不同程度的應力集中。

3.存在一個最敏感的溫度區(qū)間。

4.含有一定沉淀強化元素的金屬材料具有再熱裂紋的敏感性。第四節(jié)再熱裂紋一、再熱裂紋的主要特征1.發(fā)生在HAZ的粗晶部位呈二、再熱裂紋的機理

（一）晶界雜質析集弱化作用

研究表明，再熱裂紋的產生是由晶界優(yōu)先滑動導致微裂而產生和發(fā)展的。

焊后熱處理時，殘余應力松弛過程中，粗晶區(qū)應力集中部位的晶界滑動變形量超過該部位的塑性變形能力。二、再熱裂紋的機理（一）晶界雜質析集弱化作用研二、再熱裂紋的機理

（二）晶內沉淀強化作用

沉淀相一次加熱固溶，二次再熱在晶內析出導致晶內強化。

（三）蠕變斷裂理論二、再熱裂紋的機理（二）晶內沉淀強化作用沉淀三、再熱裂紋的影響因素及其防治

（一）冶金因素1.化學成分對再熱裂紋的影響隨鋼種的不同而差異2.鋼的晶粒度對再熱裂紋的影響三、再熱裂紋的影響因素及其防治（一）冶金因素1

三、再熱裂紋的影響因素及其防治

3.焊接接頭不同部位和缺口效應對SR的影響缺口位置與再熱裂紋的關系三、再熱裂紋的影響因素及其防治3.焊接接頭不同部位和三、再熱裂紋的影響因素及其防治

（二）工藝因素1.焊接方法的影響2.預熱及后熱的影響3.選用低匹配的焊材4.降低殘余應力、避免應力集中三、再熱裂紋的影響因素及其防治（二）工藝因素1

三個大方面來控制焊接冷裂紋：

1）必須盡力減小焊接應力（熱應力、相變應力和拘束應力）

2）消除一切氫的來源；

3）改善焊接接頭的組織狀況。

三個大方面來控制焊接冷裂紋：當母材確定后，主要是通過選擇焊接方法、控制焊接工藝和合理選用焊接材料，必要時采用焊后熱處理。

1）焊接工藝的作用：

a.

（局部）預熱，增加T8/5，減小和避免淬硬M組織，降低內應力，并有利于氫的逸出。鋼板越厚，鋼種的碳當量越大，預熱溫度越高。當母材確定后，主要是通過選擇焊接方法、控制焊接工藝和

b焊接線能量的控制El調整t8/5，El越大，焊縫冷卻時間越長，可減輕或避免淬硬組織，并利于氫的逸出，降低了冷裂傾向。但El過大，導致焊接接頭過熱，組織粗大，焊接接頭性能降低。

c多層焊（或雙絲焊接）。b焊接線能量的控制El前道焊縫對后道焊縫有預熱作用，后道焊縫對前道焊縫有回火作用，可以改善焊接接頭組織，，并利于擴散氫的析出，需要控制層間溫度。

d焊后的后熱處理減小殘余應力，改善組織，并消除擴散氫前道焊縫對后道焊縫有預熱作用，后道焊縫對前道焊縫有回火作用，

2）焊接材料的選用選用低氫型焊條和焊劑。選用CO2氣體保護焊接可以獲得很低含氫量的焊縫金屬。必須仔細烘干焊接材料，將焊件、焊絲上的鐵銹和油污清理干凈。

3）降低焊接接頭的拘束應力從焊接結構設計和焊接工藝等幾方面設法解決。返回2）焊接材料的選用返回一、層狀撕裂的主要特征及危害性

特征：1.內部低溫開裂

2.呈階梯狀擴展

3.平臺+剪切壁

4.易在T形接頭和角接接頭出現(xiàn)

5.在焊接接頭的焊根和焊趾處第五節(jié)層狀撕裂一、層狀撕裂的主要特征及危害性特征：1.內部低溫開（一）層狀撕裂的形成機理（二）影響因素二、層狀撕裂的形成機理及影響因素

1.非金屬夾雜的種類、數(shù)量和分布形態(tài)

夾雜物的體積比；夾雜物的累積長度

2.Z向拘束應力（一）層狀撕裂的形成機理（二）影響因素二、層狀撕裂的

3.氫的影響

冷裂誘發(fā)引起三、層狀撕裂判據(jù)

（一）Z向拉伸斷面收縮率不小于15%

（二）插銷Z向應力判據(jù)

與碳當量、氫含量及硫含量有關3.氫的影響

冷裂誘發(fā)引起三、層狀撕裂四、防止層狀撕裂的措施

（一）選用具有抗層狀撕裂的鋼材

1.精煉鋼

2.控制硫化物夾雜的形態(tài)

1.盡量避免單側焊縫，緩和根部應力狀態(tài)

（二）設計和工藝上的措施四、防止層狀撕裂的措施（一）選用具有抗層狀撕裂的鋼材

2.強度允許情況下，采用焊接量少的焊縫代替焊接量多的焊縫

3.在承受Z向應力的一側開坡口

4.預先焊打底焊縫，緩和Z向應力

5.采取防冷裂措施2.強度允許情況下，采用焊接量少的焊縫代替焊接量應力腐蝕裂紋焊接工藝參數(shù)課件一、應力腐蝕裂紋的危害性

在腐蝕介質及有拉應力存在時，應力腐蝕裂紋造成嚴重的失效事故

（一）應力腐蝕裂紋的分布二、應力腐蝕裂紋的特征一、應力腐蝕裂紋的危害性在腐蝕介質及有拉應力存在時

（二）機械破裂應力腐蝕開裂機理

滑移臺階高度大于氧化膜的厚度，氧化膜破裂，金屬露于表面。塑性變形引起的滑移臺階（二）機械破裂應力腐蝕開裂機理

滑移臺階高度大于氧化膜的厚四、應力腐蝕裂紋的影響因素及其防治

（一）組裝

（二）焊材的選擇：與母材成分一致

（三）焊接工藝：焊接線能量

（四）焊后消應力處理（五）表面改質四、應力腐蝕裂紋的影響因素及其防治（一）組裝（二）焊材的謝謝！謝謝！焊接裂紋及防治措施小結孫化強重慶大學sunhq0815@163.com焊接裂紋及防治措施小結孫化強第一節(jié)．裂紋分布與種類裂紋是焊接缺陷危害最大而且是最普遍的一種，可以成為構件脆斷、疲勞破壞和腐蝕破壞的起因，它不僅可以使產品報廢，而且還可能因未檢測出導致以后災難性的事故。

圖1-1焊接裂紋的宏觀形態(tài)及其分布1-焊接中縱向裂紋2-焊縫中橫向裂紋3-熔合區(qū)裂紋4-焊縫根部裂紋5-HAZ根部裂紋6一焊趾縱向裂紋(延遲裂紋)7-焊趾縱向裂紋（液化裂紋、再熱裂紋）8-焊道下裂紋(延遲裂紋、液化裂紋、多邊化裂紋)9-層狀撕裂10-弧坑裂紋(火口裂紋)a)縱向裂紋b)橫內裂紋c)星形裂紋返回第一節(jié)．裂紋分布與種類裂紋是焊接缺陷危害焊接裂紋的分類裂紋的分類按裂紋分布的走向分：①橫向裂紋；②縱向裂紋；③星形（弧形裂紋）按裂紋發(fā)生部位分①焊縫金屬中裂紋；②熱影響區(qū)中裂紋；③焊縫熱影響區(qū)貫穿裂紋。按產生本質分類①熱裂紋；②冷裂紋；③再熱裂紋；④層狀撕裂；⑤應力腐蝕裂紋焊接裂紋的分類裂紋的分類一、結晶裂紋的形成機理有的結晶裂紋是沿焊縫中心縱向開裂，也有沿焊縫中的樹枝晶之間界面處發(fā)生和發(fā)展的結晶裂紋，有時也發(fā)生在焊縫內部兩個樹枝狀晶體之間，這說明在結晶過程中晶界是最薄弱的部位。第二節(jié)焊接熱裂紋一、結晶裂紋的形成機理第二節(jié)焊接熱裂紋

由于先結晶的固相金屬較純，后結晶的金屬含雜質多，并富集在晶界。這些雜質容易形成低的熔點的共晶，最后被推向晶界，在晶粒之間形成一個液態(tài)薄膜。如果此時有拉伸應力存在就會產生裂紋（圖5-16）。結晶裂紋的形成機理（1）

產生熱裂紋的原因是晶間存在液態(tài)薄膜和在凝固過程中存在拉伸應力。由于先結晶的固相金屬較純，后結晶的金屬含雜質多

在整個結晶過程中，從液到固可分為三個階段：（1）液－固階段（液多于固）液態(tài)金屬可在固態(tài)金屬中自由流動，此時既使有拉伸應力也不會產生裂紋。結晶裂紋的形成機理（2）在整個結晶過程中，從液到固可分為三個階段：結晶裂紋的（2）固－液階段（固多于液）隨著固態(tài)金屬量增加，剩余的液態(tài)金屬多為低熔點共晶，流動也發(fā)生困難，這時若有拉伸應力產生的小裂紋無法靠液態(tài)金屬填充，成為一個“裂紋源”。此階段也叫“脆性溫度區(qū)”。結晶裂紋的形成機理（3）（3）完全凝固階段完全凝固后金屬有較好的強度和塑性，既使有拉伸應力也難以產生裂紋。（2）固－液階段（固多于液）結晶裂紋的形成機理（3）（3）完1冶金因素對結晶裂紋的影響影響因素有相圖類型、化學成分、結晶組織形態(tài)。二、結晶裂紋的影響因素

產生熱裂紋必須具備冶金因素（成分、偏析…）和力的因素（金屬熱物理性質、焊件拘束度、焊接工藝等）。1冶金因素對結晶裂紋的影響二、結晶裂紋的影響因

相圖的結晶溫度區(qū)間越大（即液態(tài)存在的時間越長），產生熱裂紋的可能性越大（圖5－19）。影響相圖結晶溫度區(qū)間大小與合金的含量有關。（1）相圖類型和結晶溫度區(qū)的大?。?）

由于焊接是在非平衡條件下結晶，結晶溫度區(qū)間要偏離平衡條件下的結晶溫度區(qū)間，因此最大結晶裂紋可能發(fā)生在低合金含量區(qū)（圖5－19虛線）。相圖的結晶溫度區(qū)間越大（即液態(tài)存在的時間越長）

各種狀態(tài)圖對產生結晶裂紋傾向的規(guī)律（圖5－20）。相圖類型和結晶溫度區(qū)的大?。?）各種狀態(tài)圖對產生結晶裂紋傾向的規(guī)律（圖5－20）

對凝固溫度范圍的影響；對形成低熔點相的影響（尤其是S、P）。對產生結晶裂紋的影響比較大的合金是一些能形成低熔點共晶的合金元素，熔點越低、數(shù)量越大，裂紋傾向越大。（2）合金因素對產生結晶裂紋的影響（1）對凝固溫度范圍的影響；（2）合金因素對產生結晶裂紋1）硫、磷：S、P可擴大Fe的結晶區(qū)間（圖5－21），并能與Fe形成多種低熔點共晶。合金因素對產生結晶裂紋的影響（2）1）硫、磷：S、P可擴大Fe的結晶區(qū)間（圖5－21），并2）碳：碳在δ相中的溶解度大于γ相（表5－4），所以含碳<0.10（無包晶反應）的鋼不易發(fā)生熱裂。合金因素對產生結晶裂紋的影響（4）

碳是易偏析元素，并能加劇其它元素的有害作用（如S、P等）。2）碳：碳在δ相中的溶解度大于γ相（表5－4），所以含碳<3）錳：Mn有脫硫作用，生成高熔點MnS（1600℃），生產的MnS為球狀。合金因素對產生結晶裂紋的影響（5）

隨著鋼中含碳量增加，Mn/S也應提高。否則影響Mn的脫硫效果。含碳量越高，S的危害越大（圖5－23

）。3）錳：Mn有脫硫作用，生成高熔點MnS（1600℃），生產4）硅：Si是脫氧元素，但焊縫中Si>0.4％時，容易形成硅酸鹽夾雜，造成裂紋源，從而增加裂紋傾向。合金因素對產生結晶裂紋的影響（6）5）鈦、鋯、稀土：Ti、Zr、RE脫硫的效果比Mn好得多，有良好的消除結晶裂紋作用，但它們也是強脫氧元素。氧化稀土也有脫硫作用。6）鎳：Ni和S形成低熔點共晶（NiS2645℃），易于引起結晶裂紋。4）硅：Si是脫氧元素，但焊縫中Si>0.4％時，容易形成(7)銅：銅易引起熱裂紋，如黃銅釬焊20鋼引起的裂紋。合金因素對產生結晶裂紋的影響（7）(7)銅：銅易引起熱裂紋，如黃銅釬焊20鋼引起的裂紋。合金因

焊縫晶粒大小、形態(tài)和方向對抗裂性有很大影響。晶粒越粗大、柱狀晶方向越明顯，產生結晶裂紋的傾向就越大。所以細化晶粒有利于打破液膜的連續(xù)性，是減小結晶裂紋的有效措施。（3）結晶組織對結晶裂紋的影響（1）焊縫晶粒大小、形態(tài)和方向對抗裂性有很大影響1冶金因素（1）控制焊縫中硫、磷、碳等有害雜質含量盡量減少低熔點共晶的數(shù)量。S、P的最大含量取決于被焊金屬，一般低碳鋼、低合金鋼S、P<0.05％，高合金鋼<0.04％，不銹鋼<0.02％或更低。對重要焊接構件應采用堿性焊條或焊劑，以進一步減小有害雜質含量。三、防止結晶裂紋的措施

從冶金因素和工藝因素（減少應力）兩方面著手。1冶金因素三、防止結晶裂紋的措施從冶金因素和工藝因素

加入細化晶粒元素（Ti、Mo、V、Nb）細化晶粒。（2）改善焊縫組織

對A體不銹鋼焊接可采用A+δ雙相組織焊縫（δ~5％），以減少結晶裂紋和提高焊縫抗晶間腐蝕能力。加入細化晶粒元素（Ti、Mo、V、Nb）細化晶粒

選用合理的焊接工藝，如焊接工藝參數(shù)、預熱、接頭型式、焊接順序等，目的是盡量減少焊縫的拉伸應力。2抗熱裂的工藝措施（1）焊接工藝參數(shù)焊接熱循環(huán)產生的拉伸應力引起應變?yōu)棣う?，則單位溫度變化引起的應變是：式中：t－溫度；α－膨脹系數(shù)；ωc－冷速。選用合理的焊接工藝，如焊接工藝參數(shù)、預熱、接頭對于厚板對于薄板

式中Tc－某瞬間溫度；T0－初始溫度；E－焊接線能量；λ－導熱系數(shù)；C－比熱容；e－密度。（1）焊接工藝參數(shù)（1）對于厚板（1）焊接工藝參數(shù)（1）則對厚板

對薄板

由這二式可見，適當增加線能量E和提高預熱溫度，可降低冷卻速度，減少焊縫金屬的應變，從而降低結晶裂紋傾向。焊接工藝參數(shù)（2）則對厚板焊接工藝參數(shù)（2）

焊接接頭形式對接頭的受力狀態(tài)、結晶條件和熱的分布影響很大，因而結晶裂紋傾向也不同（圖5－26）。多層焊縫的裂紋傾向比單層焊縫小，因為1）每層焊接線能量??；2）前幾道焊縫冷凝后起到拘束作用接頭處應盡量避免應力集中（錯邊、咬肉、未焊透）*（2）接頭形式焊接接頭形式對接頭的受力狀態(tài)、結晶條件和熱的分

一般順序原則：對稱焊，分散應力，最后一道才是拘束封閉（圖5－27,28）。（3）焊接次序一般順序原則：對稱焊，分散應力，最后一道才是拘一、冷裂紋的危害及特征1危害性主要發(fā)生在中高碳鋼、合金鋼等的熱影響區(qū)和厚板多層焊的焊縫中，并發(fā)生在拘束度較大的T形接頭和十字形接頭應力集中較大的接頭上（表8-1）。一般是在焊后出現(xiàn)，不易發(fā)現(xiàn)。第三節(jié)焊接冷裂紋一、冷裂紋的危害及特征第三節(jié)焊接冷裂紋（1）發(fā)生在中高碳鋼、合金鋼的熱影響區(qū)（圖5－39）。（高強）2冷裂紋的一般特征（1）（3）多發(fā)生在具有應力集中的焊接熱影響區(qū)。（高應力）（2）在焊后冷至Ms點附近或更低的溫度下逐漸生成。（低溫）（1）發(fā)生在中高碳鋼、合金鋼的熱影響區(qū)（圖5－39）。（高（5）裂紋可能在焊后立即出現(xiàn)，也可能經(jīng)過一段時間出現(xiàn)，在25℃時的孕育期最短（圖8－5）。（延遲性）冷裂紋的一般特征（2）（4）裂紋可沿晶擴展，也可穿晶擴展。（脆斷）（5）裂紋可能在焊后立即出現(xiàn)，也可能經(jīng)過一段時間出現(xiàn)，在25常見低合金高強鋼的延遲裂紋有：焊趾裂紋起源于母材與焊縫交界處有明顯應力集中的部位，裂紋走向與焊道平行，由焊趾表面開始向母材的深處擴展。二、冷裂紋的種類（1）常見低合金高強鋼的延遲裂紋有：二、冷裂紋的種類（1）焊道下裂紋發(fā)生在淬硬傾向較大、含氫量較高的熱影響區(qū)，裂紋走向與熔合線平行。冷裂紋的種類（2）焊道下裂紋冷裂紋的種類（2）3根部裂紋起源于焊縫根部應力集中最大的部位。冷裂紋的種類（3）3根部裂紋冷裂紋的種類（3）三、焊接冷裂紋的機理

鋼的淬硬傾向、焊縫含氫量及其分布、焊接接頭拘束力是產生焊接冷裂紋的三大因素，而且這三個因素是相互關聯(lián)的。1鋼的淬硬傾向

淬硬傾向越大越易產生裂紋，原因在于：（1）形成脆硬的馬氏體組織尤其是熱影響區(qū)的過熱區(qū)，冷速快時易形成粗大M體，硬而脆，裂紋一旦形成，極易擴展。各種組織對裂紋的敏感性由弱到強的排列順序為：F或P→BL（下貝氏體）→ML（低碳M體）→BH（上貝氏體）→Bg（粒貝氏體）→Mr（高碳攣晶M體）。三、焊接冷裂紋的機理鋼的淬硬傾向、焊縫含氫

隨著熱應變量增加，位錯密度也隨之增加，在應力作用下位錯發(fā)生移動和聚集，當它們的濃度達到一定臨界值后，就會形成裂紋源，在應力作用下，擴展形成宏觀裂紋。（2）晶格缺陷

熱影響區(qū)的最高硬度Hmax是評定高強鋼裂紋傾向的重要指標。隨著熱應變量增加，位錯密度也隨之增加，在應力作

某種鋼開始出現(xiàn)裂紋時的氫含量稱為臨界含氫量[H]cr。各種鋼的[H]cr值不同的，與鋼的化學成分、剛度、預熱溫度及冷速有關。如碳當量越高，[H]cr越低（圖5－43）。2氫的作用

冷裂紋也稱為“氫致裂紋”。高強鋼焊接接頭含氫量越高裂紋的敏感性就越大。某種鋼開始出現(xiàn)裂紋時的氫含量稱為臨界含氫量[H]

焊縫中含氫量與焊接區(qū)域的清理、焊條類型、烘干溫度和焊后的冷卻速度等有關。（1）氫的來源及焊縫中的含氫量

氫主要來自焊接材料中的水份、焊縫周邊的鐵銹、油污等。焊縫中含氫量與焊接區(qū)域的清理、焊條類型、烘干溫

氫在A體中的溶解度遠大于在F體中的溶解度，因此在A→F時氫的溶解度急劇下降（圖5－46a）。氫在F體的擴散速度大于A體（圖5－46b，表5－5）。（2）金屬組織對氫擴散的影響（1）氫在A體中的溶解度遠大于在F體中的溶解度，因此

在焊縫冷卻過程中，由于溶解度下降，氫極力逸出。若焊縫凝固速度較快，未逸出的氫滯留在焊縫金屬中，氫原子便在金屬內部擴散。由于氫在M體中擴散系數(shù)最小，造成氫集聚。金屬組織對氫擴散的影響（2）在焊縫冷卻過程中，由于溶解度下降，氫極力逸出（1）馬氏體致裂學說：對淬硬傾向較大的鋼焊接出現(xiàn)的冷裂紋是由于M體組織硬脆造成的，而且片狀M體（攣晶M體）的淬火鋼中更容易出現(xiàn)顯微裂紋。這是由于硬脆M體形成時以極大的速度彼此撞擊而成。在這些裂紋空間極易集聚氫，使裂紋擴展。所以M體相變是冷裂紋的主導因素，氫的作用是輔助的。

冷裂紋的兩種學說（1）（1）馬氏體致裂學說：冷裂紋的兩種學說（1）

強調氫脆是冷裂紋的主要原因。主要觀點為：金屬內部的缺陷（微孔、夾雜、位錯、空位）提供了潛在的裂紋源，在應力作用下，誘使氫原子向該處擴散并聚集結合成氫分子，產生很大的應力。這樣氫在裂口尖端產生三維應力場，應力場又促使氫在該處富集造成更大的應力。當應力超過一定值時裂紋向前延伸，應力釋放一部分，使氫的濃度擴散下降，低于氫的臨界濃度，裂紋將暫停向前延伸。等到氫再次達到臨界濃度時，裂紋再次向前擴展。（2）氫脆致裂紋學說（1）強調氫脆是冷裂紋的主要原因。主要觀點為：（2）氫脆致1鋼化學成分的影響實質是鋼的淬硬性的影響，Ceq越高，淬硬傾向就越大，冷裂敏感性越強。根據(jù)構件的碳當量、氫含量和板厚可以估算冷裂紋的敏感性：或式中：Pc、Pw－裂紋敏感指數(shù)；Pcm－碳當量；R－拘束度。四、影響冷裂紋的主要因素及其防治根據(jù)Pc、Pw可確定避免冷裂紋所需的預熱溫度：

T0=1440Pw－392℃1鋼化學成分的影響四、影響冷裂紋的主要因素及其防治

焊接接頭開始產生裂紋時的應力稱為臨界拘束應力σcr。σcr值可用試驗方法測得。設計焊縫時只要σcr>σ（或Rcr>R）就可以認為是安全的。2拘束應力影響（1）焊接接頭開始產生裂紋時的應力稱為臨界拘束應力σc

在焊后冷卻過程中，除一部分氫從表面逸出外，還向熱影響區(qū)方向擴散。在擴散過程中，在一些塑性應變和微觀缺陷部位發(fā)生氫聚集（應力集中高的部位的氫濃度高于平均值的5倍多），使這個部位很快達到臨界氫濃度。3氫的影響（氫在焊縫中的行為）（1）在焊后冷卻過程中，除一部分氫從表面逸出外，還向熱（1）焊接線能量：過大線能量E引起近縫區(qū)晶粒粗大，降低抗裂性能，尤其是有粗大M體時更有害。但對于低碳低合金鋼適當增大線能量是有利的。線能量過小易使熱影響區(qū)淬硬，也不利于氫逸出。

焊接工藝對冷裂紋的影響（1）預熱可以有效防止冷裂紋，但溫度過高會增加附加應力（因是局部加熱），反而增加冷裂傾向。所以預熱溫度主要是從降低冷速，減小淬硬傾向考慮。低合金高強鋼的預熱溫度經(jīng)驗公式為：

T(℃)=324Pcm+17.7[H]+0.14σb+4.72δ－214（2）預熱溫度（1）（1）焊接線能量：過大線能量E引起近縫區(qū)晶粒粗大，降低抗裂

由于冷裂紋存在潛伏期，所以要在裂紋產生前要進行加熱處理。尤其是對不預熱的焊件，后熱處理要及時，溫度要高。后熱處理的有利作用：1）改善組織，提高韌性，減小淬硬性；2）減低殘余應力；3）消除擴散氫；4）降低預熱溫度（表5－12）。（3）焊后熱處理（1）由于冷裂紋存在潛伏期，所以要在裂紋產生前要進行

后一道焊縫對前一道焊縫進行了熱處理，有利于氫的逸出，組織的改善，可防止冷裂紋產生。但要在第一層焊縫尚未產生根部裂紋的潛伏期內完成第二道焊接。（4）多層焊

根據(jù)鋼的冷裂紋敏感性Pw，焊的層數(shù)越多，預熱溫度越低（圖5－71）。后一道焊縫對前一道焊縫進行了熱處理，有利于氫的逸（1）冶金方面：1）采用低碳微量合金元素強化，既提高強度，又保證金屬有一定的韌性。2）采用高質量鋼降低S、P、O、N雜質含量。3）采用堿性低氫焊接材料。4）CO2焊獲得低氫焊縫。5）選用低強度焊條，降低拘束應力。6）用奧氏體鋼焊條焊接淬硬傾向較大的中碳調質鋼。（2）工藝方面焊前預熱，焊后熱處理，多層焊，避免焊接缺陷（未焊透、咬肉、夾雜、氣孔……），焊接接頭形式，施焊順序等。5防止冷裂紋的途徑（1）冶金方面：5防止冷裂紋的途徑產生：焊接接頭的冷卻過程中，且溫度處在固相線附近的高溫階段產生。存在部位：焊縫為主，熱影響區(qū)特征：宏觀看，焊縫熱裂紋沿焊縫的軸向成縱向分布（連續(xù)或繼續(xù)）也可看到縫橫向裂紋，裂口均有較明顯的氧化色彩，表面無光澤；微觀看，沿晶粒邊界（包括亞晶界）分布，屬于沿晶斷裂性質。分類：①結晶裂紋②高溫液化裂紋③多邊化裂紋焊接熱裂紋產生：焊接接頭的冷卻過程中，且溫度處在固相線附近的高溫階段產一、結晶裂紋形成機理焊接熱裂紋一、結晶裂紋形成機理焊接熱裂紋三、防治結晶裂紋的措施（一）、冶金因素方面1.控制焊縫中的硫、磷、碳等有害雜質的含量2.改善焊縫凝固結晶、細化晶粒不銹鋼焊接，希望得到５％的δ相三、防治結晶裂紋的措施（一）、冶金因素方面1.控制焊縫中三、防治結晶裂紋的措施（二）、工藝因素方面1.適當增加焊接線能量和提高預熱溫度2.接頭形式3.焊接次序三、防治結晶裂紋的措施（二）、工藝因素方面1.適當增加焊接三、防治結晶裂紋的措施接頭形式對裂紋傾向的影響三、防治結晶裂紋的措施接頭形式對裂紋傾向的影響三、防治結晶裂紋的措施鍋爐管板與管束的焊接次序對稱焊接法舉例三、防治結晶裂紋的措施鍋爐管板與管束的焊接次序對稱焊接法舉例一、再熱裂紋的主要特征

1.發(fā)生在HAZ的粗晶部位呈晶間開裂。

2.消應力前焊接區(qū)存在較大的殘余應力和不同程度的應力集中。

3.存在一個最敏感的溫度區(qū)間。

4.含有一定沉淀強化元素的金屬材料具有再熱裂紋的敏感性。第四節(jié)再熱裂紋一、再熱裂紋的主要特征1.發(fā)生在HAZ的粗晶部位呈二、再熱裂紋的機理

（一）晶界雜質析集弱化作用

研究表明，再熱裂紋的產生是由晶界優(yōu)先滑動導致微裂而產生和發(fā)展的。

焊后熱處理時，殘余應力松弛過程中，粗晶區(qū)應力集中部位的晶界滑動變形量超過該部位的塑性變形能力。二、再熱裂紋的機理（一）晶界雜質析集弱化作用研二、再熱裂紋的機理

（二）晶內沉淀強化作用

沉淀相一次加熱固溶，二次再熱在晶內析出導致晶內強化。

（三）蠕變斷裂理論二、再熱裂紋的機理（二）晶內沉淀強化作用沉淀三、再熱裂紋的影響因素及其防治

（一）冶金因素1.化學成分對再熱裂紋的影響隨鋼種的不同而差異2.鋼的晶粒度對再熱裂紋的影響三、再