金属熔焊原理第六章焊接缺陷及控制课件

1、本章重点内容1、裂纹的分类及一般特征2、结晶裂纹的形成机理、影响因素、防冶措施3、冷裂纹的形成机理、影响因素、防冶措施4、再热裂纹、层状撕裂的形成机理焊接缺陷： 焊接过程中，在焊接接头中产生的金属不连续、不均匀及其它不健全的现象。焊接性： 金属是否具有适应焊接加工（结合性能），以及在焊接加工以后是否能在使用条件下安全运行的能力（使用性能）。 第一节 焊接缺陷的分类及危害咬边：在沿着焊趾的母材部位烧熔形成的沟槽或凹陷，称为咬边。焊接电流太大，以及运条速度不当所造成。未焊透：焊接时，焊接接头根部未完全熔透的现象，称为未焊透。坡口角度过小、间隙过小或钝边过大；焊接电流太小；焊接速度过快；电弧电压偏低

2、；焊（或焊丝）可焊性不好；清根不彻底。未熔合：熔焊时，焊道与母材之间或焊道与焊道之间，未完全熔化结合的部分，称为未熔合。主要是焊接线能量太低，电弧偏吹，坡口侧壁有锈垢及污物，层间清渣不彻底等。烧穿：焊接过程中，熔化金属自坡口背面流出，形成穿孔的缺陷，称为烧穿。焊接电流过大，焊接速度太慢，装配间隙过大或钝边太薄等。焊瘤：焊接过程中，熔化金属流淌到焊缝之外未熔化的母材上所形成的金属瘤，称为焊瘤。操作不熟练和运条不当，埋弧焊工艺参数选择不合适等。气孔：焊接时，熔池中的气体在凝固时未能逸出而残留在焊缝中所形成的空穴，称为气孔。 几种缺陷示例焊接缺陷危害1 引起应力集中2 造成脆性断裂第二节 焊缝中的气

3、孔一、气孔的类型与分布 按气孔形成的原因，可把气孔的分类型分为两大类： 表面气孔 内部气孔。 表面气孔主要是由于高温下液态金属溶解了过多的气体（如氢和氮），熔池结晶时由于气体溶解度突然下降，当气泡来不及逸出时便残留在焊缝中形成气孔，主要表现为氢气孔，在对焊接区保护不好时也可能出现氮气孔。内部气孔是由于熔池中的冶金反应产生了较多的不溶于液态金属的气体（如CO、H2O）而形成的，多表现为CO气孔。二、气孔形成的机理1、气泡的形核 气泡的形核必须具备两个条件：一是液体金属中有过饱和的气体；二是具有形核所需要的能量。由热力学定律可知，过饱和状态会引起系统自由能的升高，这是一种不稳定的状态，过饱和度越大

4、越不稳定，气体就越容易析出形成气泡。 2、气泡的长大（1） 气泡长大的必要条件 气泡长大的必要条件是其内部压力足以克服阻碍其长大的外部压力，即： php0式中 ph 气泡的内部压力（101kpa）； p0租碍气泡长大的外部压力（ 101kpa）。（2）气泡的长大速度 上式仅是气泡长大的理论条件，但在熔池中能否形成宏观的气体补充。若补充的气体主要来自于周围的液体，则气泡长大的速度可用下式计算： Vg=DCl/rCg 式中 Vg气泡的长大速度； D气体的扩散系数； Cl气体在液体金属中的过饱和度； r气泡半径； Cg单位体积气泡中的气体量。3、气泡的上浮 在熔池中形成具有宏观尺寸的气泡后，能否滞留

5、于焊缝中形成气孔，还取决于气泡能否从液体熔池中浮出。气泡上浮与否，则由气泡浮出的速度与溶池在液态停留的时间两个因素而定。4、气孔的形成条件 形成气孔的充要条件是气泡上浮速度小于溶池结晶速度。夹杂物的种类 氧化物夹杂 氮化物夹杂 硫化物夹杂第三节 焊缝中的夹杂物 焊缝隙中的夹杂是由于焊接冶金反应形成的防止形成夹杂物的措施1 正确选择符合化学成分要求的母材和焊接材料2 正确地选择焊条、焊剂与药芯焊丝的渣系3 采用正确的焊接工艺： （1）选用合适的焊接工艺参数，保证熔渣上浮所需的时间。 （2）多层焊时，应注意清除前层焊缝的熔渣。 （3）手工电弧焊时，应注意焊条作适当的摆动，以利于熔渣上浮。 （4）操

6、作时应注意保护熔池，以防止空气侵入液态金属。一 焊接裂纹的分类及特征二 焊接热裂纹 第四节 焊接裂纹三 焊接冷裂纹四 再热裂纹 五 层状撕裂六 应力腐蚀裂纹 焊接结构产生裂纹轻者需要返修，浪费人力、物力、时间，重者造成焊接结构报废，无法修补。更严重者造成事故、人身伤亡。如1969年有一艘5万吨的矿石运输船在太平洋上航行时，断裂成两段而沉没，在压力容器破坏事故中，有很多都是由于焊接裂纹造成。因此，解决研究焊接裂纹已成为当前主要课题。 焊接裂纹的危害越南桥梁坍塌造成大量人员伤亡1943年美国T-2油轮发生断裂焊缝中纵向裂纹 焊缝中横向裂纹 热影响区纵向裂纹热影响区横向裂纹 火口(弧坑)裂纹 焊道下

7、裂纹焊缝内部晶间裂纹 焊趾裂纹 热影响区焊缝贯穿裂 焊缝根部裂纹一、焊接裂纹的分类 分类: 1.按裂纹分布的走向分 纵向裂纹2.按裂纹发生部位分 横向裂纹 纵向裂纹 星形（弧形裂纹）焊缝金属中裂纹 热影响区中裂纹焊缝热影响区贯穿裂纹3.按裂纹产生本质分 1）热裂纹产生温度：高温下存在部位：焊缝、热影响区特征： 沿原奥氏体晶界开裂（均是沿晶开裂），其裂口均有明显的氧化色彩。分类：结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹结晶裂纹 焊缝结晶过程中，在固相线附近温度，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足而产生。主要产生在含杂质较多的碳钢、低合金钢和单相奥氏体钢焊缝中。液化裂纹 焊接热循环峰值温度作用下，在近缝区

8、或多层焊的层间部位低熔共晶被重新熔化，在拉伸应力作用下开裂。主要发生在铬镍高强钢、奥氏体钢种，母材和焊丝中S、P、Si、C偏高时液化裂纹倾向严重。多边化裂纹 焊缝或近缝区，在固相线稍下温度的高温区，刚凝固的金属中存在晶格缺陷（形成多边化边界），使强度和塑性很差，在很小的拉伸应力下开裂。多发生在纯金属或单项奥氏体合金中。热裂纹分类：HAZ液化裂纹结晶裂纹多边化裂纹2）冷裂纹产生温度：大体在+100-100之间 较多发生在Ms点附近存在部位:多在热影响区，少量在焊缝。特征（断口）： 冷裂纹最易发生在有一定淬硬倾向的钢种接头中（中、高碳钢，高强钢等）；宏观断口具有发亮的金属光泽的脆性断裂特征。微观看

9、：沿晶开裂，但也有穿晶（晶内）开裂，也可沿晶和穿晶混合开裂。冷裂纹分类： 延迟裂纹、淬硬脆化裂纹和低塑性脆化裂纹延迟裂纹 在淬硬组织、氢和拘束应力的共同作用下而产生的具有延迟特征的裂纹。主要产生在含沉淀强化元素的高强钢、珠光体钢、奥氏体钢、镍基合金等钢种。淬硬脆化（淬火）裂纹 由淬硬组织，在焊接应力作用下产生的裂纹。淬硬倾向大的组织易产生这种裂纹（与氢含量关系部大）。如含碳的NiCrMo钢、马氏体不锈钢、工具钢。低塑性脆化裂纹 在较低温度下，由于被焊材料的收缩应变，超过了材料本身的塑性储备而产生的裂纹。多发生在铸铁、堆焊硬质合金。冷裂纹分类：冷裂纹延迟裂纹3）再热裂纹（消除应力裂纹） 由于重新

10、加热（消除应力热处理）过程中产生称再热裂纹消除应力裂纹。产生温度：600700回火处理产生部位：热影响区的粗晶区特征：沿晶开裂再热裂纹 4）层状撕裂： 由于轧制母材内部存在有分层的夹杂物(特别是硫化物夹杂物）和焊接时产生的垂直轧制方向的应力，使热影响区附近地方产生呈“台阶”状的层状断裂并有穿晶发展。产生温度：约400以下产生部位：热影响区附近裂纹形状：平行于轧制方向的阶梯型层状撕裂 5）应力腐蚀裂纹（SCC）： 焊接构件在腐蚀介质和拉伸应力共同作用下所产生的延迟破裂现象，称应力腐蚀裂纹。 本节结束二 、 焊接热裂纹 一、焊缝中的结晶裂纹 特征、产生机理、影响因素、 防止措施二、热影响区液化裂纹

11、 特征、防止措施 一、焊缝中的结晶裂纹 1. 结晶（凝固）裂纹的形成机理 焊缝金属在凝固过程中，先结晶的金属较纯，后结晶的金属含杂质较多，并富集在晶界，所形成的共晶都具有较低熔点（如FeS与Fe共晶温度988）。在结晶后期，已经长大的晶粒阻碍了尚存在的液态金属的流动，低熔共晶物被排挤在柱状晶交遇的中心部位，形成“液态薄膜”，同时由于收缩而受到了拉伸应力，可能会在这个薄弱地带开裂，形成结晶裂纹。1）产生部位：结晶裂纹都是沿焊缝树枝状晶的交界处发生和发展的。一般产生在焊缝中心位置，最常见的是沿焊缝中心纵向开裂，有时也发生在焊缝内部的两个树枝状晶体之间。结晶裂纹2）熔池各阶段产生结晶裂纹的倾向 简单

12、的说，结晶裂纹的产生就在于焊缝中存在液态薄膜和在焊缝凝固过程中受到拉伸应力共同作用的结果。 产生结晶裂纹原因：液态薄膜 拉伸应力 液态薄膜根本原因 拉伸应力必要条件以低碳钢焊接为例可把熔池的结晶分为以下三个阶段 液固阶段： 不会产生裂纹固液阶段： 这一区也称为“脆性温度区”即图上a、b之间的温度范围完全凝固阶段 很难产生裂纹在脆性温度区,焊缝承受的拉伸应力所产生的变形大于焊缝金属所具有的塑性时产生裂纹。 也就是，高温阶段晶间塑性变形能力不足以承受当时所发生塑性应变量。3）产生结晶裂纹的条件：TB内金属的塑性 TB内金属的塑性越小，越易产生结晶裂纹。脆性温度区（TB）大小 TB大，拉应力作用时间

13、长，产生裂纹可能性大。TB内的应变增长率（拉伸应力的增长率） 临应变率CST越大,则表示材料的热裂纹敏感性越小,越不易产生裂纹。焊缝是否产生结晶裂纹主要决定于以下三个方面：2.焊接结晶裂纹的影响因素1）冶金因素 结晶温度区间（合金状态图）：合金状态图脆性温度区的大小随着该合金的整个结晶温度区间的增加而增加 裂纹倾向随结晶区间（即脆性温度区）的变化而变化。合金元素 a) S、PS、P增加结晶温度区间，脆性温度区间TB裂纹 S、P产生低熔点共晶，使结晶过程中极易形成液态薄膜，因而显著增大裂纹倾向。P、S引起成分偏析。P、S偏析系数K越大,偏析的程度越严重。偏析可能在钢的局部地方形成低熔点共晶产生裂

14、纹。 钢锭中元素的偏析度Ke元素SPCWVMoSiCrMnNiKe200150605540402020155返回b）C初生相 S、P在先共析(晶)相中溶解度低，析出S、P富集在晶界上，裂纹 Mn具有脱S作用： 还可使薄膜状FeS改变成球状分布，抗裂 c）MnC0.1% C结晶温度区间,裂纹0.51% 初生相FeS + Mn = (MnS) + Fed）Si 硅是 相形成元素，利于消除结晶裂纹,相中S、P溶解度大缘故，Si0.4% 易形成低熔点的硅酸盐夹杂使裂 对硫的亲合力大，形成高熔点的硫化物，消除结晶裂纹有良好的作用。e）Ti、锆(Zr)和稀土元素 一定含量O能降低S的有害作用，形成Fe-F

15、eS-FeO三元共晶，使FeS由薄膜变成球状，裂纹 f）Ni低熔点共晶：NiS + Ni (644 )Ni会引起结晶裂纹 g）O 总之，合金元素对结晶裂纹的影响是重要的，但也是复杂的。其中C、S、P对结晶裂纹影响最大，其次是Cu、Ni、Si、Cr等。凝固组织的形态晶粒大小：晶粒粗大，裂纹的倾向 初生相： 相裂， 裂 在焊缝及母材中加入一些细化晶粒的合金元素（Ti、Mo、V、Nb、Al和稀土等），一可破坏液态薄膜的连续性，二可打乱柱状晶的方向。例如 杂质的低熔点共晶所造成的液态薄膜是产生结晶裂纹的重要因素，若将晶界的液态薄膜改变为球状的形态，抗裂性2）力的因素 产生结晶裂纹的充分条件=ssm在脆

16、性温度区内金属的强度在脆性温度内金属所承受的拉伸应力金属的强度决定于 晶内强度 晶间强度sG 晶内强度 晶间强度sGT， sGT ， =sG等强温度若焊缝所受拉伸应力为 随温度变化始终不超过 ，则不会产生结晶裂纹 产生结晶裂纹产生结晶裂纹的充分条件当TT0时，则 ，此时如发生断裂必然是晶间断裂。sG产生结晶裂纹的条件是冶金因素和力共同作用，二者缺一不可3、防止结晶裂纹的措施1）冶金措施 控制焊缝中有害杂质的含量 限制S、P、C含量S、P0.030.04 焊丝C0.12% (低碳钢) 焊接高合金钢，焊丝超低碳焊丝 改善焊缝的一次结晶 变质处理：加入Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al 既可防止结晶裂

17、纹，还可细化晶粒，改善力学性能 调整熔渣的酸碱度（正确选择焊条） 熔渣的碱度越高，熔池中脱硫、脱氧约完全，从而不易形成低熔点化合物，降低结晶裂纹倾向。2）工艺措施=B/H要求：1 e0 产生裂纹 e 过热区局部晶界的实际塑性变形量 e0过热区局部晶界的塑性变形能力，即不产生再热裂纹的临界应变量 e实际塑性应变：接头的残余应力经再加热产生应力松驰而引起。与接头的拘束度残余应力，应力集中有关。 2）再热裂纹产生机理 晶界杂质析集弱化说 晶界析集P、S、 硼化物沿晶析集二次沉淀理论晶内沉淀强化 具有沉淀强化的元素 焊接高温时过a热区合金元素全部溶入A中，A长大.焊后冷却速度快，合金元素以过饱和形式溶

18、入在F中，渗碳体，一般出现在位错、空位、缺陷等处。焊后再加热时（500700）3.影响因素 化学成分对再热裂纹的影响 晶粒度对再热裂纹的影响 焊接接头不同部位和不同组织对再热裂纹的影响 1) 冶金因素 2）工艺措施 预热及后热 预热裂200450，后热可降低预热温度 线能量的作用 E适当增加，减少过热区硬度，裂纹减小 低强焊缝应用 减少近缝区塑变的集中程度，有利于降低再热裂纹产生倾向 降低残余应力和避免应力集中 五、层状撕裂 1）产生的部位和形状 宏观形状：在外观上具有阶梯状的形式，由基本上平行于轧制方向表面的平台与大体上垂直于平台的剪切壁所组成。 微观形状：扫描电镜观察低倍下：断口表面呈典型

19、的木纹状，是层层平台在不同高度分布的结果 部位：母材或热影响区 1.特征及危害性 2）产生在厚板结构中十字接头,丁字接头,角接头，平台局部地区有硅酸盐或氧化物夹杂物 2.形成机理及影响因素 1）层状撕裂的形成过程 厚板结构中焊接时刚性拘束条件下，产生较大的Z向应力和应变，当应变达到超过材料的形变能力之后，夹杂物与金属基体之间弱结合面发生脱离，形成显微裂纹，裂纹尖端的缺口效应造成应力、应变的集中，迫使裂纹沿自身所处的平面扩展，把同一平面而相邻的一群夹杂物连成一平，形成所谓的“平面”。 2）与此同时相邻近的两个平台之间的裂纹尖端处，在应力应变影响下在剪切应力作用下发生剪切断裂，形成“剪切壁“，这些平台和剪切壁在一起，构成层状撕裂所持有的阶梯形状。2.影响因素 1）非金属夹杂物的种类2）焊接Z向应力 3）母材性能 热影响区产生淬硬组织、塑性下降; 加热150350出现应变时效，塑性、韧性下降4）氢的作用 氢集聚发生在夹杂物和基体界面上的氢脆引起层状撕裂4.防止措施 1）选择母材 精炼钢 控制夹杂物 冶炼降低杂质，脱S加Ti、Zr或稀土元素，促使夹杂物破碎、球化(成本高) 2）设计和工艺措施改变接头形式、降低焊接应力应尽