第五章 焊接裂纹

1、第五章第五章 焊接裂纹焊接裂纹焊接裂纹的分类、特征焊接裂纹的分类、特征各类裂纹的产生机理、影响因素各类裂纹的产生机理、影响因素各类裂纹防止的措施各类裂纹防止的措施重点：重点：结晶裂纹结晶裂纹H致延迟裂纹致延迟裂纹第一节第一节 概述概述 随着技术的发展，焊接结构趋向大型化、大容量和高参数的方向随着技术的发展，焊接结构趋向大型化、大容量和高参数的方向发展；在低温、深冷、腐蚀介质等环境下工作。发展；在低温、深冷、腐蚀介质等环境下工作。 高强钢种和合金材料应用，给焊接生产上带来了许多新问题。其高强钢种和合金材料应用，给焊接生产上带来了许多新问题。其中普遍而又十分严重的就是焊接裂纹。中普遍而又十分严重的

2、就是焊接裂纹。一、焊接裂纹的危害性一、焊接裂纹的危害性 1 脆性断裂脆性断裂 减小有效承载面积，形成应力集中。减小有效承载面积，形成应力集中。 2 隐蔽性隐蔽性 潜在危险潜在危险 3 产生机理的复杂性产生机理的复杂性 难以预防难以预防 4 主要断裂事故主要断裂事故 给生产带来许多困难，给生产带来许多困难，可能引起灾难性事故可能引起灾难性事故。 桥梁断裂桥梁断裂 30年代比利时断裂的桥梁年代比利时断裂的桥梁 美国断裂自由轮美国断裂自由轮 40年代。年代。 压力容器压力容器, 液化天然气贮罐发生连锁式爆炸液化天然气贮罐发生连锁式爆炸; 煤气球罐发生爆炸。煤气球罐发生爆炸。二、焊接裂纹分类及其一般特

3、征二、焊接裂纹分类及其一般特征 裂纹的形态和分布裂纹的形态和分布: 有焊缝的有焊缝的表面裂纹、内部表面裂纹、内部裂纹；有裂纹；有 HAZ的横向、的横向、纵向裂纹；有焊缝和焊道纵向裂纹；有焊缝和焊道下的深埋裂纹，弧坑下的深埋裂纹，弧坑(火火口口)裂纹。裂纹。 裂纹有时出现在焊接过程裂纹有时出现在焊接过程中，也中，也有时出现在放置或有时出现在放置或运行过程中运行过程中，即所谓延迟即所谓延迟裂纹。裂纹。 焊接生产中所遇到裂纹焊接生产中所遇到裂纹,按产生裂纹本质来分，大按产生裂纹本质来分，大体上可分为五大类：体上可分为五大类： 图图5-4 焊接裂纹的宏观形态及其分布焊接裂纹的宏观形态及其分布 a）纵向

4、裂纹纵向裂纹 b)横向裂纹横向裂纹 c）星型裂纹）星型裂纹1-焊缝纵向裂纹焊缝纵向裂纹 2-焊缝横向裂纹焊缝横向裂纹 3-熔合熔合区裂纹区裂纹 4-焊缝根部裂纹焊缝根部裂纹 5-HAZ根部裂纹根部裂纹 6-焊趾纵向裂纹（延迟裂纹焊趾纵向裂纹（延迟裂纹) 7-焊趾纵向焊趾纵向裂纹（液化裂纹、热裂纹裂纹（液化裂纹、热裂纹) 8-焊道下裂纹焊道下裂纹(延迟裂纹、液化裂纹、多边化裂纹延迟裂纹、液化裂纹、多边化裂纹) 9-层状撕裂层状撕裂 l0弧坑裂纹弧坑裂纹(一一)热裂纹热裂纹 热裂纹是在焊接时高温下产生的，故称热裂纹是在焊接时高温下产生的，故称热裂纹。沿原奥氏体晶界开裂。热裂纹。沿原奥氏体晶界开裂。

5、1 结晶裂纹结晶裂纹 发生裂纹的焊缝断面上，可发生裂纹的焊缝断面上，可以看到有氧化的彩色。以看到有氧化的彩色。2 高温液化裂纹高温液化裂纹 近缝区或多层焊的层间近缝区或多层焊的层间部位。热循环作用下，被焊金属部位。热循环作用下，被焊金属含有较含有较多的低熔共晶而被重新熔化多的低熔共晶而被重新熔化，在拉伸应，在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶界发生开裂。力的作用下沿奥氏体晶界发生开裂。3 多边化裂纹多边化裂纹 刚凝固的金属中存在很多刚凝固的金属中存在很多晶格缺陷，晶格缺陷，晶格缺陷的迁移和聚集，便晶格缺陷的迁移和聚集，便形成了二次边界形成了二次边界，即，即“多边化边界多边化边界”。边界上堆积了大量的晶

6、格缺陷，组织性边界上堆积了大量的晶格缺陷，组织性能脆弱，高温时的强度和塑性都很差，能脆弱，高温时的强度和塑性都很差，只要有拉伸应力，就会沿多边化的边界只要有拉伸应力，就会沿多边化的边界开裂开裂，产生，产生“多边化裂纹多边化裂纹”。结晶裂纹结晶裂纹液化裂纹液化裂纹多边化裂纹多边化裂纹 厚板焊接结构，采用含有沉淀厚板焊接结构，采用含有沉淀强化合金元素的钢材，强化合金元素的钢材，在进行在进行消除应力热处理或在一定温度消除应力热处理或在一定温度下服役的过程中，在焊接热影下服役的过程中，在焊接热影响区粗晶部位发生的裂纹称为响区粗晶部位发生的裂纹称为再热裂纹，再热裂纹，又称又称“消除应力处消除应力处理裂纹

7、理裂纹”，简称，简称SR裂纹。裂纹。再热裂纹多发生在低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢再热裂纹多发生在低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢和某些镍基合金的和某些镍基合金的焊接热影响区粗晶部位焊接热影响区粗晶部位。敏感温度约敏感温度约在在550650。沿晶开裂的特征沿晶开裂的特征，但在本质上与结晶裂纹不同。，但在本质上与结晶裂纹不同。(二二)再热裂纹再热裂纹(三三)冷裂纹冷裂纹1 延迟裂纹延迟裂纹 焊后不立即出现，有一定孕焊后不立即出现，有一定孕育期，具有延迟现象。育期，具有延迟现象。冷裂纹冷裂纹(Cold Cracking)是焊后冷至较低温度下产生的。是焊后冷至较低温度下产生的。2

8、淬硬脆化裂纹淬硬脆化裂纹 淬硬倾向很大的钢种，淬硬倾向很大的钢种，在在拘束应力拘束应力的作用下导致开裂。没有延的作用下导致开裂。没有延迟现象，焊后可以立即发现。迟现象，焊后可以立即发现。3 低塑性脆化裂纹低塑性脆化裂纹 塑性较低材料，塑性较低材料，冷至低温，由收缩力而引起的冷至低温，由收缩力而引起的应变应变超过材质本身所具有的塑性储备或超过材质本身所具有的塑性储备或材质变脆材质变脆而产生的裂纹而产生的裂纹。 淬硬脆化裂纹淬硬脆化裂纹延迟裂纹延迟裂纹(四四)层状撕裂层状撕裂 建造大型石油平台和建造大型石油平台和厚壁压力厚壁压力容器过程中，出现平行于轧制容器过程中，出现平行于轧制方向阶梯形裂纹，即

9、所谓层状方向阶梯形裂纹，即所谓层状撕裂。撕裂。 产生层状撕裂的主要原因产生层状撕裂的主要原因是轧是轧制钢材的内部制钢材的内部存在不同程度的存在不同程度的分层夹杂物，焊接时产生的垂分层夹杂物，焊接时产生的垂直于轧制方向的应力，致使热直于轧制方向的应力，致使热影响区附近或稍近的地方，产影响区附近或稍近的地方，产生呈生呈“台阶台阶”形的层状开裂，形的层状开裂，并可穿晶扩展。并可穿晶扩展。 层状撕裂易发生在厚壁结构的层状撕裂易发生在厚壁结构的T型接头、十字接头和角接头。型接头、十字接头和角接头。(五五)应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹 在腐蚀介质和拉伸应力的共在腐蚀介质和拉伸应力的共同作用下产生一种延迟破坏同

10、作用下产生一种延迟破坏的现象，简称的现象，简称SCC裂纹。裂纹。 SCC裂纹的形态如同枯干裂纹的形态如同枯干的树枝，从表面向深处发展。的树枝，从表面向深处发展。 SCC裂纹断口为典型脆性裂纹断口为典型脆性断口。断口。表表5-1 各种裂纹分类表各种裂纹分类表第二节第二节 焊接热裂纹焊接热裂纹 热裂纹是焊接生产中比较常见的一种缺陷，一般常用的低碳热裂纹是焊接生产中比较常见的一种缺陷，一般常用的低碳钢、低合金钢到奥氏体不锈钢、铝合金和镍基合金等都有产钢、低合金钢到奥氏体不锈钢、铝合金和镍基合金等都有产生热裂纹的可能。生热裂纹的可能。 焊接生产过程中所遇到的热裂纹，焊接生产过程中所遇到的热裂纹，主要是

11、结晶裂纹主要是结晶裂纹。一、结晶裂纹的形成机理一、结晶裂纹的形成机理结晶裂纹产生位置：结晶裂纹产生位置： 沿焊缝中心纵向开裂沿焊缝中心纵向开裂 两个树枝状晶体之间两个树枝状晶体之间 弧坑裂纹弧坑裂纹 焊缝结晶裂纹焊缝结晶裂纹焊缝中心焊缝中心纵向裂纹纵向裂纹 焊缝沿树枝晶界焊缝沿树枝晶界结晶裂纹结晶裂纹 弧坑裂纹1 结晶裂纹产生原因结晶裂纹产生原因 （1）溶池凝固过程中，先结晶的金属较纯，后结晶的金属含溶质）溶池凝固过程中，先结晶的金属较纯，后结晶的金属含溶质和杂质较多，溶质和杂质富集在生长的树枝晶前沿和杂质较多，溶质和杂质富集在生长的树枝晶前沿（K0=CS/CLo, 故不会产生热裂纹。故不会产

12、生热裂纹。(2)按曲线按曲线2变化时，变化时，拉伸应力所产生的应变，恰好等于焊缝的最低拉伸应力所产生的应变，恰好等于焊缝的最低塑性值塑性值pmin，故，故es=0，即处于临界状态，即处于临界状态。(3)按曲线按曲线3变化时，拉伸应力所产生应变已超过焊缝金属在脆性温变化时，拉伸应力所产生应变已超过焊缝金属在脆性温度区内所具有的最低塑性度区内所具有的最低塑性(pmin)，es0，此时必将产生裂纹。，此时必将产生裂纹。产生结晶裂纹的条件是：产生结晶裂纹的条件是：焊缝在脆性温度区内所承受的焊缝在脆性温度区内所承受的拉伸应变大于焊缝金属所具有拉伸应变大于焊缝金属所具有塑性，或者说塑性，或者说焊缝金属在脆

13、性焊缝金属在脆性温度区内的塑性储备量温度区内的塑性储备量(es)小小于零时就会产生结晶裂纹。于零时就会产生结晶裂纹。 应变随温度变化应变随温度变化结晶裂纹主要决定于以下三个方面：结晶裂纹主要决定于以下三个方面：A TB的大小的大小 TB越大，焊缝收缩产生拉伸应力的作用时间也越长，越大，焊缝收缩产生拉伸应力的作用时间也越长，产生的应变量也越大，故产生结晶裂纹的倾向也就越大。产生的应变量也越大，故产生结晶裂纹的倾向也就越大。B TB内金属的塑性内金属的塑性 在在TB内焊缝金属的塑性内焊缝金属的塑性P越小，就越容易产生越小，就越容易产生结晶裂纹。结晶裂纹。C TB内的应变增长率内的应变增长率 在在T

14、B内，随温度下降，由于收缩产生的拉伸内，随温度下降，由于收缩产生的拉伸应力增大，因而应变的增长率也将增大，容易产生结晶裂纹。应力增大，因而应变的增长率也将增大，容易产生结晶裂纹。TB大小大小TB塑性塑性化学成分化学成分结晶条件结晶条件偏析程度偏析程度晶粒的大小和方向晶粒的大小和方向冶金冶金因素因素热物理性质热物理性质焊件的刚度焊件的刚度焊接工艺焊接工艺温度场温度场应变应变增长率增长率力的力的因素因素二、结晶裂纹的影响因素二、结晶裂纹的影响因素 冶金因素和力的因素冶金因素和力的因素(一一)冶金因素对产生结晶裂纹影响冶金因素对产生结晶裂纹影响1 合金状态图和结晶温度区间合金状态图和结晶温度区间 随

15、合金元素的增加，结晶温度随合金元素的增加，结晶温度区间增大区间增大，TB增大，结晶裂纹增大，结晶裂纹的倾向增加。的倾向增加。 S点，结晶温度区间最大，点，结晶温度区间最大， TB最最大，裂纹的倾向也是最大。大，裂纹的倾向也是最大。 当合金元素进一步增加时，结晶当合金元素进一步增加时，结晶区间和区间和TB反而减小，裂纹倾向反而减小，裂纹倾向降低。降低。 焊接条件下为非平衡结晶，最焊接条件下为非平衡结晶，最大固溶由大固溶由S点移至点移至S，裂纹倾向，裂纹倾向的变化曲线也随之左移。的变化曲线也随之左移。结晶温度区间与结晶温度区间与裂纹倾向的关系裂纹倾向的关系 合金状态图与结晶裂纹倾向的关系合金状态图

16、与结晶裂纹倾向的关系完全互溶完全互溶有限固溶有限固溶机械混合物机械混合物完全不固溶完全不固溶结晶温度区间越大，裂纹倾向越大。结晶温度区间越大，裂纹倾向越大。2 合金元素对产生结晶裂纹的影响合金元素对产生结晶裂纹的影响 (1)硫和磷硫和磷 使结晶温度区间增加，使结晶温度区间增加，易形成液态薄膜，易形成液态薄膜，增加结晶裂纹倾向。增加结晶裂纹倾向。 S、P是是极易偏析的元素，对各种裂纹都敏感。极易偏析的元素，对各种裂纹都敏感。 焊接材料严格控制硫、磷，焊接材料严格控制硫、磷，S0.02，P0.4时，易形成时，易形成硅酸盐夹杂，增加了裂纹倾向。硅酸盐夹杂，增加了裂纹倾向。(5)Ti、Zr和和Re 能

17、形成高熔点的硫化物，比锰的效果好，对消除能形成高熔点的硫化物，比锰的效果好，对消除结晶裂纹有良好作用。结晶裂纹有良好作用。见下表。见下表。TiSZrSLa2S3CeSMnS200021002100200024501610(6)镍镍 易与硫形成低熔共晶易与硫形成低熔共晶(Ni与与Ni3S2熔点仅熔点仅645)，会引起结晶，会引起结晶 裂纹。加入裂纹。加入Mn、Ti等合金元素，可抑制硫的有害作用。等合金元素，可抑制硫的有害作用。(7)氧氧 氧对焊缝产生结晶裂纹的影响，目前还没有定论。氧对焊缝产生结晶裂纹的影响，目前还没有定论。 焊缝中有一定的含氧量，能降低硫的有害作用，形成焊缝中有一定的含氧量，能

18、降低硫的有害作用，形成Fe-Fes-FeO三元共晶，使三元共晶，使FeS由薄膜状变为球状。由薄膜状变为球状。合金元素对铁结晶温度区间的影响合金元素对铁结晶温度区间的影响a)单相单相 b) +3 凝固组织形态对结晶裂纹影响凝固组织形态对结晶裂纹影响 晶粒越粗大，柱状晶的方向越明晶粒越粗大，柱状晶的方向越明显，产生结晶裂纹倾向就越大。显，产生结晶裂纹倾向就越大。 (1)加入细化晶粒合金元素加入细化晶粒合金元素 破坏液态薄膜的连续性破坏液态薄膜的连续性 打乱柱状晶的方向打乱柱状晶的方向(2)少量少量相存在：相存在： 可以细化晶粒；可以细化晶粒； 打乱奥氏体粗大柱状晶方向性，打乱奥氏体粗大柱状晶方向性

19、， 相比相比相溶解更多相溶解更多S、P。 焊接焊接18-8型不锈钢时，希望得到型不锈钢时，希望得到+双相焊缝组织。双相焊缝组织。Micrograph of overlapping laser spot welds on PWA-1480 single-crystal nickel-based superalloy加入纳米加入纳米Al2O30.5% 1.0%0.5% 1.0%3.0% 5.0%3.0% 5.0%加入纳米加入纳米Y2O3颗粒熔覆层组颗粒熔覆层组织织4 晶间易熔相对凝固裂纹敏感性影响晶间易熔相对凝固裂纹敏感性影响 晶间液膜是引起凝固裂纹的根本原晶间液膜是引起凝固裂纹的根本原因，与晶间

20、易熔物质数量有关。因，与晶间易熔物质数量有关。 热裂倾向并不随着晶间易熔物的增热裂倾向并不随着晶间易熔物的增多而增大，有一个最大值。超过最多而增大，有一个最大值。超过最大值后，热裂倾向又逐渐下降，直大值后，热裂倾向又逐渐下降，直到最后不产生裂纹。到最后不产生裂纹。晶间碳化物共晶的量，晶间碳化物共晶的量，C原因：原因：(1)晶间易熔相多，晶间易熔相多，TB缩小，改变结晶形态，阻碍树枝晶的发展缩小，改变结晶形态，阻碍树枝晶的发展。(2) 促使液相在晶粒间流动和相互补充；促使液相在晶粒间流动和相互补充；(3)液膜瞬间被拉开，很快通过液膜瞬间被拉开，很快通过毛细管毛细管作用将周围的液体渗入缝隙，作用将

21、周围的液体渗入缝隙，起到填补和起到填补和“愈合愈合”作用。作用。共晶型合金不易产生凝固裂纹共晶型合金不易产生凝固裂纹, “愈合愈合” 是有效消除凝固裂纹方法。是有效消除凝固裂纹方法。结晶裂纹倾向较大的材料结晶裂纹倾向较大的材料(如高强铝合金如高强铝合金)，为了防止结晶裂纹，特，为了防止结晶裂纹，特意增多焊缝中易熔共晶的数量，使之具有意增多焊缝中易熔共晶的数量，使之具有“愈合愈合”裂纹的作用。裂纹的作用。 裂纹敏感性与易熔物质在晶间形态有裂纹敏感性与易熔物质在晶间形态有关：关： 以液膜形态存在时，凝固裂纹敏感性以液膜形态存在时，凝固裂纹敏感性大；以球状存在时，裂纹敏感性小。大；以球状存在时，裂纹

22、敏感性小。 液相液相在在相晶界处平衡关系：相晶界处平衡关系： =2cos(/2) 当当=0 ，则，则2= ；液相；液相易在易在晶界的毛细间隙内延伸，形成连续液晶界的毛细间隙内延伸，形成连续液膜，导致凝固裂纹倾向增大。膜，导致凝固裂纹倾向增大。 当当2 ，0，液相难以进入晶，液相难以进入晶界毛细间隙内，不易成膜，裂纹倾向界毛细间隙内，不易成膜，裂纹倾向小。小。(二二)力学因素对产生结晶裂纹影响力学因素对产生结晶裂纹影响 产生结晶裂纹的充分条件是必须产生结晶裂纹的充分条件是必须要有力的作用。要有力的作用。 金属强度金属强度m决定于晶内强度决定于晶内强度G和晶间强度和晶间强度0，随温度升高而，随温度

23、升高而降低，降低，0下降较快。下降较快。 当温度达到当温度达到T0时，时，G=0，所，所以以T0称为等强温度称为等强温度。 TT0时，时，G0，若发生断裂，若发生断裂必然是晶间断裂。必然是晶间断裂。金属强度随温度的变化和拉伸应力关系金属强度随温度的变化和拉伸应力关系 G012(1)若焊缝承受拉应力为若焊缝承受拉应力为2， 2 0 0，就会产生裂纹。，就会产生裂纹。此即产生结晶裂纹的充分条件。此即产生结晶裂纹的充分条件。三、防治结晶裂纹的措施三、防治结晶裂纹的措施(一一)冶金因素方面冶金因素方面1 控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量 S、P0.030.04，

24、C0.12。 焊接高合金钢，焊接高合金钢，S、Puc 试件很快断裂，无延迟现象试件很快断裂，无延迟现象(相当于钢的抗拉强度相当于钢的抗拉强度b)。 Lc，由加载到发生裂纹之前要经一段潜伏期，然后，由加载到发生裂纹之前要经一段潜伏期，然后是裂纹扩展，最后发生断裂，即延迟断裂。是裂纹扩展，最后发生断裂，即延迟断裂。 5. 氢的应力扩散理论氢的应力扩散理论 金属内部的缺陷金属内部的缺陷为为潜在裂源，在应潜在裂源，在应力的作用下，形成了力的作用下，形成了三向应力区，三向应力区，诱使氢向该处扩散、聚集诱使氢向该处扩散、聚集。 当氢浓度达到一定程度时，一方面当氢浓度达到一定程度时，一方面产生较大的应力，另

25、一方而阻碍位产生较大的应力，另一方而阻碍位错移动而使该处变脆。错移动而使该处变脆。 试样受力时，氢易向三向应力区扩试样受力时，氢易向三向应力区扩散，应力也随之提高，当此部位散，应力也随之提高，当此部位氢氢的浓度达到临界值时，就会发生启的浓度达到临界值时，就会发生启裂和裂纹扩展。裂和裂纹扩展。 氢向新的三向应力区扩散，达到临氢向新的三向应力区扩散，达到临界浓度时又发生了新的裂纹扩展。界浓度时又发生了新的裂纹扩展。这种过程可周而复始断续进行，直这种过程可周而复始断续进行，直至形成宏观裂纹。至形成宏观裂纹。延迟裂纹(三三)焊接接头的应力状态焊接接头的应力状态1 热应力（不均匀加热及冷却）热应力（不均

26、匀加热及冷却） 母材和填充金属的热物理性质有关；结构的刚度有关；母材和填充金属的热物理性质有关；结构的刚度有关； 低碳钢，残余应力可达低碳钢，残余应力可达的的1.2倍倍2 组织应力（相变产生）组织应力（相变产生）高强钢高强钢AF，P、M，体积膨账，而且，体积膨账，而且转变后的组织都具有较小的膨胀系数。表转变后的组织都具有较小的膨胀系数。表5-7, P2483 结构自身拘束条件所造成的应力结构自身拘束条件所造成的应力 结构的刚度、焊缝位置、焊接顺序、构件的自重、负载情况，结构的刚度、焊缝位置、焊接顺序、构件的自重、负载情况，以及其他受热部位冷却过程中的收缩等。以及其他受热部位冷却过程中的收缩等。

27、三种应力的综合作用统称为拘束应力。三种应力的综合作用统称为拘束应力。 “内拘束应力内拘束应力”(即热应力和相变应力即热应力和相变应力) “外拘束应力外拘束应力”(结构刚度、焊接顺序、受载情况等造成的应力结构刚度、焊接顺序、受载情况等造成的应力)。 拘束应力大小决定于受拘束的程度，即拘束度拘束应力大小决定于受拘束的程度，即拘束度R。 R：单位长度焊缝，根部间隙产生单位长度弹性位移所需要力。：单位长度焊缝，根部间隙产生单位长度弹性位移所需要力。 对接接头，两端不固定，对接接头，两端不固定，焊后产生焊后产生S的热收缩的热收缩(应变应变量量)。 两端固定时，两端固定时，接头的伸长量等于接头的伸长量等于

28、S，S w+ b hw时，时， w0，忽略焊缝影响，忽略焊缝影响，S=bLELLLlFlFRbb1L， ，则，则R。临界拘束度临界拘束度Rcr 当当R值大到一定程度时就产生裂值大到一定程度时就产生裂纹，这时纹，这时R值称为临界拘束度。值称为临界拘束度。焊接接头焊接接头临界拘束度临界拘束度Rcr值越大，值越大，接头的抗裂性越强。接头的抗裂性越强。 拘束度与拘束应力关系：拘束度与拘束应力关系： =mR 同样钢种和同样板厚，同样钢种和同样板厚，接头的坡口接头的坡口型式不同，产生不同的拘束应力。型式不同，产生不同的拘束应力。 当拘束度当拘束度一定一定时，时，正正Y形、形、X形、形、斜斜Y形、形、K形、

29、形、V形，拘束应力依次形，拘束应力依次增加。增加。 临界拘束应力临界拘束应力cr：焊接时产生的拘焊接时产生的拘束应力增大至开始产生裂纹，此时束应力增大至开始产生裂纹，此时的应力称为的应力称为临界拘束应力临界拘束应力cr。 cr值作为评定冷裂敏感性判据。值作为评定冷裂敏感性判据。 cr几个计算公示：几个计算公示：P250-251 cr ，安全。，安全。与与R关系关系 化学成分、拘束应力或拘束度、氢的有害作用以及焊接条件化学成分、拘束应力或拘束度、氢的有害作用以及焊接条件 (一一)钢种化学成分的影响钢种化学成分的影响 碳当量越高，淬硬倾向越大，即增大冷裂纹的敏感性。碳当量越高，淬硬倾向越大，即增大

30、冷裂纹的敏感性。 Pc=Pcm+H/60+/600（考虑（考虑H及拘束度）及拘束度） Pw=Pcm+ H/60+R/400000 Pc，Pw为冷裂纹敏感指数为冷裂纹敏感指数 避免冷裂纹预热温度的经验公式：避免冷裂纹预热温度的经验公式：T01440Pw-392(二二)拘束应力的影响拘束应力的影响 拘束度与拘束应力关系拘束度与拘束应力关系：=mR。 板厚越大，则拘束度也越大板厚越大，则拘束度也越大。 50mm，R=71K1arctg(0.017)-(/400)2 评定冷裂敏感性的依据：评定冷裂敏感性的依据：RcrR 不产生裂纹；不产生裂纹；Rcrec(二二)晶内沉淀强化作用晶内沉淀强化作用 Cr,

31、Mo,V,Nb等元素的碳、氮化物，及沉淀相等元素的碳、氮化物，及沉淀相(相相,Ni3(Al,Ti)，在一次在一次焊接热作用下因受热而固溶焊接热作用下因受热而固溶(高于高于1100)，在焊后冷却时，在焊后冷却时不能充分析出不能充分析出，而，而在二次加热再热处理过程中，由晶内析出碳、在二次加热再热处理过程中，由晶内析出碳、氮化物及沉淀相，从而晶内强化氮化物及沉淀相，从而晶内强化，应力松弛所产生的变形就集中应力松弛所产生的变形就集中于晶界，于晶界，当晶界的塑性不足时，就会产生再热裂纹。当晶界的塑性不足时，就会产生再热裂纹。(三三)蠕变断裂理论蠕变断裂理论 再热温度条件下蠕变断裂机制可有两种模型：再热

32、温度条件下蠕变断裂机制可有两种模型：1 应力集中产生的应力集中产生的“楔型开裂楔型开裂” 蠕变条件下，蠕变条件下，发生应力松弛的三晶发生应力松弛的三晶粒交界处产生应力集中粒交界处产生应力集中，当此应力超过晶界的结合力时就会在此，当此应力超过晶界的结合力时就会在此处产生裂纹。处产生裂纹。 裂纹开裂所需的应力裂纹开裂所需的应力c ，裂纹扩展所需临界应力，裂纹扩展所需临界应力p ：dEbpsc2)(23dEbpsp)1 () (222晶界有杂质存在晶界有杂质存在，c和和p也会降低，易于发生也会降低，易于发生再热裂纹。再热裂纹。2 空位聚集而产生的空位聚集而产生的“空位开裂空位开裂” 点阵空位在应力和

33、温度的作用下，点阵空位在应力和温度的作用下，发生运动发生运动，当空位聚集到与应力方向垂直的晶界上达到足够的数当空位聚集到与应力方向垂直的晶界上达到足够的数目时，晶界的结合面就会遭到破坏，在应力继续作用下，使之扩目时，晶界的结合面就会遭到破坏，在应力继续作用下，使之扩大而成为裂纹。大而成为裂纹。金属再热处理过程中，金属再热处理过程中，发生蠕变时，通过空位的运动、聚集而发生蠕变时，通过空位的运动、聚集而形成空穴，逐渐长大成为裂纹。形成空穴，逐渐长大成为裂纹。如有杂质沿晶界分布，也可作为空穴的发源地。如有杂质沿晶界分布，也可作为空穴的发源地。三、再热裂纹的影响因素及其防治三、再热裂纹的影响因素及其防

34、治 影响再热裂纹的主要因素是影响再热裂纹的主要因素是钢种的化学成分钢种的化学成分(直接影响粗晶区的直接影响粗晶区的塑性塑性)和和焊接区的残余应力焊接区的残余应力(特别是应力集中部位特别是应力集中部位)。(一一)冶金因素冶金因素1 化学成分对再热裂纹的影响随钢种的不同而差异化学成分对再热裂纹的影响随钢种的不同而差异（P271，5-8386） P耐热钢，钢中含耐热钢，钢中含Mo量越多，量越多，Cr的影响越大。的影响越大。但当达到一定含但当达到一定含量时量时(如如Mo=1，Cr=0.5时时)，随，随Cr增多，增多，SR裂纹率反而下降。裂纹率反而下降。在此钢中在此钢中含有含有V时，时，SR裂纹率显著增

35、加裂纹率显著增加。 随钢中含钒量增多，碳的影响增大。随钢中含钒量增多，碳的影响增大。2 钢的晶粒度对再热裂纹影响是明显的钢的晶粒度对再热裂纹影响是明显的 高强钢的晶粒度越大，则晶界开裂所需的应力高强钢的晶粒度越大，则晶界开裂所需的应力gc越小，越易产生越小，越易产生再热裂纹。再热裂纹。 另外，钢中的杂质另外，钢中的杂质(Sb)越多，也会降低晶界开裂所需的应力越多，也会降低晶界开裂所需的应力gc。 (二二)焊接工艺因素焊接工艺因素 焊接方法、线能量、预热、后热温度，焊接材料匹配问题等。焊接方法、线能量、预热、后热温度，焊接材料匹配问题等。1 焊接方法的影响焊接方法的影响 大的焊接线能量会使过热区

36、的晶粒粗大，其中电大的焊接线能量会使过热区的晶粒粗大，其中电渣焊最为严重。渣焊最为严重。 对于一些对于一些晶粗长大敏感的钢种晶粗长大敏感的钢种，埋弧焊时再热裂纹的敏感性比手，埋弧焊时再热裂纹的敏感性比手工电弧焊时为大。但对一些工电弧焊时为大。但对一些淬硬倾向较大淬硬倾向较大的钢种，手弧焊反而比的钢种，手弧焊反而比埋弧焊时的再热裂纹倾向大。埋弧焊时的再热裂纹倾向大。2 预热及后热的影响预热及后热的影响 预热可以有效地防止冷裂纹，但对预热可以有效地防止冷裂纹，但对防止再热裂防止再热裂纹，必须采用更高的预热温度或配合后热才能有效。纹，必须采用更高的预热温度或配合后热才能有效。 但但有些钢种有些钢种(

37、如德国钢如德国钢BHW38)，即使预热温度再高，也难以消除，即使预热温度再高，也难以消除再热裂纹，再热裂纹，必须采用其他方面的措施才能有效必须采用其他方面的措施才能有效(如使用特制的高如使用特制的高韧性焊条韧性焊条)。一些常用的低合金钢防止再热裂纹所需的预热及后。一些常用的低合金钢防止再热裂纹所需的预热及后热参数如表热参数如表5-14所示。所示。3 选用低匹配的焊接材料选用低匹配的焊接材料 适当降低在再热裂纹温度区间焊缝金适当降低在再热裂纹温度区间焊缝金属的强度，提高它的塑性和韧性，对降低再热裂纹的敏感性属的强度，提高它的塑性和韧性，对降低再热裂纹的敏感性是有益的。例如，焊接美国是有益的。例如

38、，焊接美国A514钢时，采用不同强度级别焊钢时，采用不同强度级别焊条，再热裂纹率随焊条强度的增高而增大；如图条，再热裂纹率随焊条强度的增高而增大；如图5-88及附表所及附表所示。示。4 降低残余应力和避免应力集中降低残余应力和避免应力集中 残余应力本应在残余应力本应在SR处理过程中处理过程中消除。但对消除。但对残余应力较大的焊件，在进行残余应力较大的焊件，在进行SR处理之前就有可处理之前就有可能造成粗晶区微裂，在能造成粗晶区微裂，在SR处理过程中会加速产生再热裂纹。处理过程中会加速产生再热裂纹。 应力集中对产生再热裂纹是十分明显的。应力集中对产生再热裂纹是十分明显的。 此外，焊缝咬边、未焊透及

39、焊缝表面的余高，都会使热影响此外，焊缝咬边、未焊透及焊缝表面的余高，都会使热影响区的粗晶部位产生应力集中，不同程度地增大了再热裂纹的区的粗晶部位产生应力集中，不同程度地增大了再热裂纹的敏感性。敏感性。第五节第五节 层状撕裂层状撕裂 大型厚壁结构，在焊接过程中会沿钢板的大型厚壁结构，在焊接过程中会沿钢板的厚度方向出现较大的厚度方向出现较大的拉伸应力拉伸应力，如果钢中，如果钢中有较多的夹杂有较多的夹杂，那么，那么沿钢板轧制方向沿钢板轧制方向出出现现一种台阶状的裂纹一种台阶状的裂纹，称为层状撕裂。，称为层状撕裂。 一、层状撕裂的特征及其危害性一、层状撕裂的特征及其危害性 层状撕裂是一种内部层状撕裂是

40、一种内部沿轧向的应力开裂，特征是呈阶梯状沿轧向的应力开裂，特征是呈阶梯状。 层状撕裂由层状撕裂由平行于轧向的平台和大体垂直于平台的剪切壁平行于轧向的平台和大体垂直于平台的剪切壁组成。组成。 层状撕裂常出现在层状撕裂常出现在T形接头、角接头和十字接头形接头、角接头和十字接头。 层状撕裂主要与层状撕裂主要与夹杂量及分布形态夹杂量及分布形态有关。有关。 层状撕裂的形态也并不完全都呈梯形分布，层状撕裂的形态也并不完全都呈梯形分布，当沿轧制方向有较多当沿轧制方向有较多的片状的片状MnS时，则层状撕裂多以阶梯状出现；当以硅酸盐夹杂为时，则层状撕裂多以阶梯状出现；当以硅酸盐夹杂为主时常呈直线状；如以主时常呈

41、直线状；如以A12O3夹杂为主时呈不规则的阶梯状。夹杂为主时呈不规则的阶梯状。层状撕裂产生的位置：层状撕裂产生的位置：(1)HAZ焊趾或焊根处由冷裂纹而焊趾或焊根处由冷裂纹而诱发形成的层状撕裂；诱发形成的层状撕裂；(2)HAZ沿夹杂开裂，是常见层状沿夹杂开裂，是常见层状撕裂；撕裂；(3)远离远离HAZ母材中沿夹杂开裂，母材中沿夹杂开裂，这种情况多出现在有较多这种情况多出现在有较多MnS的的片状夹杂的厚板结构中。片状夹杂的厚板结构中。二、层状撕裂的形成机理及其影响因素二、层状撕裂的形成机理及其影响因素(一一)层状撕裂的形成机理层状撕裂的形成机理 厚板结构焊接时，特别是厚板结构焊接时，特别是T形和

42、角接接头，强制拘束条件下，形和角接接头，强制拘束条件下，焊缝收缩时会在焊缝收缩时会在母材厚度方向母材厚度方向产生很大的拉伸应力和应变；产生很大的拉伸应力和应变； 当当应变超过母材金属的塑性变形能力时应变超过母材金属的塑性变形能力时(沿板厚方向沿板厚方向)，夹杂物夹杂物与金属基休之间就会发生分离而产生微裂与金属基休之间就会发生分离而产生微裂，在应力的继续作用，在应力的继续作用下，裂纹尖端沿着夹杂所在平面进行扩展，就形成了所谓下，裂纹尖端沿着夹杂所在平面进行扩展，就形成了所谓“平平台台”。 在相邻两个平台之间，由于不在一个平面上而发生剪切应力，在相邻两个平台之间，由于不在一个平面上而发生剪切应力，

43、造成了剪切断裂，形成所谓造成了剪切断裂，形成所谓“剪切壁剪切壁”。 连接这些平台和剪切壁，就构成了层状撕裂所特有的阶梯形态。连接这些平台和剪切壁，就构成了层状撕裂所特有的阶梯形态。(二二)影响层状撕裂的因素影响层状撕裂的因素1 非金属夹杂物的种类、数量和分布形态非金属夹杂物的种类、数量和分布形态 钢中夹杂物：铝酸盐夹杂物成球形分布，对层状撕裂的敏感性钢中夹杂物：铝酸盐夹杂物成球形分布，对层状撕裂的敏感性稍差，而硫化物和硅酸盐都是呈不规则的条形分布，对层状撕稍差，而硫化物和硅酸盐都是呈不规则的条形分布，对层状撕裂的敏感性稍大。裂的敏感性稍大。 夹杂物在钢中分布及含量可用两个物理量来确定：夹杂物在

44、钢中分布及含量可用两个物理量来确定： (1)夹杂物的体积比夹杂物的体积比 试样中夹杂物的总体积与试样总体积之比；试样中夹杂物的总体积与试样总体积之比； (2)夹杂物的累积长度夹杂物的累积长度 是指单位面积上夹杂长度的总和。是指单位面积上夹杂长度的总和。 Z向的断面收缩率向的断面收缩率z是随夹杂物的体积比和累积长度的增加而显是随夹杂物的体积比和累积长度的增加而显著下降。著下降。 2 Z向拘束应力向拘束应力 厚壁结构在焊接过程中承受不同程度的厚壁结构在焊接过程中承受不同程度的Z向拘束应向拘束应力，同时还有焊后的残余应力及负载，它们是造成层状撕裂的力，同时还有焊后的残余应力及负载，它们是造成层状撕裂

45、的力学条件。力学条件。3 氢的影响氢的影响 在在HAZ附近，由附近，由冷裂诱发成为层状撕裂冷裂诱发成为层状撕裂中氢是一个重中氢是一个重要的影响因素。要的影响因素。三、层状撕裂的判据三、层状撕裂的判据 层状撕裂常用的评定方法有：层状撕裂常用的评定方法有：Z向拉伸断面收缩率和插销向拉伸断面收缩率和插销Z向临向临界应力。界应力。前者多用于无氢条件下母材的评定，后者多用于有氢条前者多用于无氢条件下母材的评定，后者多用于有氢条件下的焊接热影响区评定。件下的焊接热影响区评定。(一一)Z向拉伸断面收缩率向拉伸断面收缩率z为判据为判据 采用采用Z向拉伸断面收缩率作为评向拉伸断面收缩率作为评定层状撕裂的判据。试

46、祥的形状如图定层状撕裂的判据。试祥的形状如图5-94（P277）所示。所示。为防止为防止层状撕裂，断面收缩率层状撕裂，断面收缩率z应不小于应不小于15，一般希望一般希望 z= =1520；当；当z 25时，认为抗层状撕裂优异。时，认为抗层状撕裂优异。 (二二)插销插销Z向应力为判据向应力为判据 钢中化学成分，特别是含硫量对层状撕裂钢中化学成分，特别是含硫量对层状撕裂有重要的影响。为此，在大量试验的基础上提出了层状撕裂敏感有重要的影响。为此，在大量试验的基础上提出了层状撕裂敏感性（性（PL）评定公式。）评定公式。层状撕裂敏感指数与层状撕裂敏感指数与Z向插销应力之间的关系向插销应力之间的关系四、防

47、止层状撕裂的措施四、防止层状撕裂的措施(一一)选用具有抗层状撕裂的钢材选用具有抗层状撕裂的钢材 1 精炼钢精炼钢 含硫含硫0.0030.005的超低硫钢，它的断面收缩率的超低硫钢，它的断面收缩率(Z向向)可达可达2345。 炉外精炼亦可冶炼出高纯净钢，它的办法是向钢液内吹入氮气，炉外精炼亦可冶炼出高纯净钢，它的办法是向钢液内吹入氮气，促使夹杂物上浮。促使夹杂物上浮。 含硫量含硫量1030ppm，Z向断面收缩率可达向断面收缩率可达6075。选用这类钢。选用这类钢材制造大型重要的焊接结构，可以完全解决层状撕裂问题。材制造大型重要的焊接结构，可以完全解决层状撕裂问题。 2 控制硫化物夹杂的形态控制硫

48、化物夹杂的形态 是把钢中是把钢中MnS变成其他元素的硫化物，变成其他元素的硫化物，使在热轧时难以伸长，从而减轻各向异性。目前广泛使用的添使在热轧时难以伸长，从而减轻各向异性。目前广泛使用的添加元素是钙和稀上元素，经过上述处理的钢，加元素是钙和稀上元素，经过上述处理的钢，Z向断面收缩率向断面收缩率可达可达5070，足以抗层状撕裂。，足以抗层状撕裂。 (二二)设计和工艺上的措施设计和工艺上的措施(1)应尽量避免单侧焊缝，改用双侧焊缝，这样可以缓和焊缝根部的应尽量避免单侧焊缝，改用双侧焊缝，这样可以缓和焊缝根部的应力状态，并防止应力集中应力状态，并防止应力集中(见图见图5-96a)。(2)在强度允许

49、的情况下，尽量采用焊接量少的对称角焊缝来代替焊在强度允许的情况下，尽量采用焊接量少的对称角焊缝来代替焊接量大的全焊透焊缝，以避免产生过大的应力接量大的全焊透焊缝，以避免产生过大的应力(见图见图5-96b)。(3)应在承受应在承受Z向应力的一例开坡口向应力的一例开坡口(见图见图5-96c)。(4)对于对于T形接头，可在横板上预形接头，可在横板上预先堆焊一层低强的熔敷金属，以先堆焊一层低强的熔敷金属，以防止焊根出现裂纹，同时亦可缓防止焊根出现裂纹，同时亦可缓和横板的和横板的Z向应力向应力(见图见图5-96d)。(5)为防止由冷裂引起的层状撕裂，为防止由冷裂引起的层状撕裂，应尽量采用一些防止冷裂的措

50、施，应尽量采用一些防止冷裂的措施，如降低氢量、适当提高预热、控如降低氢量、适当提高预热、控制层间温度等。制层间温度等。 表5-15层状撕裂的类型、产生原因及防止措施第六节第六节 应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹一、应力腐蚀裂纹的危害性一、应力腐蚀裂纹的危害性 随着工业的发展，要求焊接结构随着工业的发展，要求焊接结构(如，压力容器和管道等如，压力容器和管道等)在腐蚀在腐蚀介质条件下长期稳定工作。然而，介质条件下长期稳定工作。然而，焊接结构一般都存在不同程度焊接结构一般都存在不同程度的残余应力，在腐蚀介质条件下工作极易产生应力腐蚀裂纹的残余应力，在腐蚀介质条件下工作极易产生应力腐蚀裂纹。对。对SCC裂纹所

51、造成的各种失效事故，越来越引起各国的重视，因为裂纹所造成的各种失效事故，越来越引起各国的重视，因为它所带来的危害十分严重。它所带来的危害十分严重。 日本日本1965-1975年间化工设备所发生的破坏事故中，年间化工设备所发生的破坏事故中，有近半数是有近半数是属应力腐蚀破坏。属应力腐蚀破坏。我国各类球罐，从我国各类球罐，从1975-1980年间所发生年间所发生20台台球罐事故中，有球罐事故中，有40是由于是由于SCC所引起。所引起。 应力腐蚀裂纹问题十分复杂应力腐蚀裂纹问题十分复杂，涉及到力学、电化学、金属物理、，涉及到力学、电化学、金属物理、焊接冶金等多方面学科，需要一些高级测试手段。因此，到

52、目前焊接冶金等多方面学科，需要一些高级测试手段。因此，到目前为止，对为止，对SCC的机理还不是十分清楚。的机理还不是十分清楚。二、应力腐蚀裂纹的特征二、应力腐蚀裂纹的特征 应力腐蚀裂纹的主要特征如下：应力腐蚀裂纹的主要特征如下：(一一)应力腐蚀裂纹的分布应力腐蚀裂纹的分布 从表面上看，从表面上看，裂纹的分布如同疏松的网状或龟裂分布裂纹的分布如同疏松的网状或龟裂分布。在焊缝的。在焊缝的表面上，表面上，多以横向裂纹出现多以横向裂纹出现(见图见图5-97b)。 如果引入金属内部观察，如果引入金属内部观察，SCC的形态如同树根一样。的形态如同树根一样。从断口的形从断口的形态来看，是属典型的脆性断口。态

53、来看，是属典型的脆性断口。(二二)SCC的开裂途径的开裂途径 沿晶开裂沿晶开裂：低碳钢、低合金钢、铝合金、：低碳钢、低合金钢、铝合金、黄铜，镍基合金等。黄铜，镍基合金等。 穿晶开裂：穿晶开裂：黄铜和在氯化物介质中的奥氏体不锈钢。黄铜和在氯化物介质中的奥氏体不锈钢。 混合开裂：混合开裂：奥氏体不锈钢，当腐蚀介质不同时，奥氏体不锈钢，当腐蚀介质不同时，即可能出现沿晶即可能出现沿晶开裂，也可能出现穿晶开裂，或者出现沿晶与穿晶的混合开裂。开裂，也可能出现穿晶开裂，或者出现沿晶与穿晶的混合开裂。 奥氏体不锈钢在不同腐蚀介质中的奥氏体不锈钢在不同腐蚀介质中的SCC开裂行径参见表开裂行径参见表5-16所示。

54、所示。图图5-97 SCC的分布的分布 a）母材表面的）母材表面的SCC b)焊缝表面的焊缝表面的SCC图图5-98 金属内金属内部的部的SCC 图图5-99 SCC河流状穿晶断口河流状穿晶断口 SCC的断口上都不同程度地附有腐蚀的断口上都不同程度地附有腐蚀产物产物,很难看出断口的特征。很难看出断口的特征。SCC的穿晶断口，在扫描电镜下可以的穿晶断口，在扫描电镜下可以观察到河流状条纹。观察到河流状条纹。 (三三)SCC的产生与应力的产生与应力 产生产生SCC的另一持点就是必须有拉伸应力存在的另一持点就是必须有拉伸应力存在，而焊接结构如不经消除应力处理，必然存在而焊接结构如不经消除应力处理，必然

55、存在残余应力，这是产生残余应力，这是产生SCC的重要条件。的重要条件。所以对于焊接结构来讲，即使不承受载荷，只所以对于焊接结构来讲，即使不承受载荷，只要有腐蚀介质存在，就会产生要有腐蚀介质存在，就会产生SCC。通常对于重要的焊接结构，通常对于重要的焊接结构，如在腐蚀条件下工如在腐蚀条件下工作，必须进行消除应力处理。作，必须进行消除应力处理。 三、产生应力腐蚀裂纹的机理三、产生应力腐蚀裂纹的机理(一一)电化学应力腐蚀开裂机理电化学应力腐蚀开裂机理 根据近年来电化学方面的研究，把应力腐蚀开裂分为两个方面。根据近年来电化学方面的研究，把应力腐蚀开裂分为两个方面。 (1)阳极溶解腐蚀开裂阳极溶解腐蚀开裂(简称简称APC)：在应力的作用下，阳极发生在应力的作用下，阳极发生M+的溶解，即金属以离子状态溶入介质：的溶解，即金属以离子状态溶入介质：M M+e，即为即为APC型型的的SCC过程。过程。 (2)阴极氢脆开裂阴极氢脆开裂(简称简称HEC)：若金属表面与含有若金属表面与含有H+的介质接触，的介质接触，电子电子e与与H+ （质子）结合成原子（质子）结合成原子H： H+ +e H，H原子向金属中原子向金属中扩散，造成脆化。扩散，造成脆化。图图5-100 APC和和HEC应力腐蚀过程应力腐蚀过程 (二二)机械破裂应力腐蚀开裂机理机械破裂应力腐蚀开裂机理